專利名稱：氣閉合循環熱動力系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及熱能與動力領域，尤其是一種氣閉合循環熱動力系統。
背景技術：
傳統發動機，無論是內燃機、外燃機還是混燃機(詳見申請人的發明申請文件 201010118601.4)的燃燒室排放出的污染物是目前環境保護中的最大障礙。因此，關于新能源動力系統的研究日趨火熱。但是新能源動力系統很難在短時間內得以廣泛實際應用，因此如何減少或杜絕傳統能源動力轉換過程中的污染物排放是更為現實急迫的任務。不僅如此，在今后相當長的時間內人類的能源結構仍然將以碳氫化合物為主，其中包括化石能源和生物質能源。為此如果能夠開發出以碳氫化合物或碳氫氧化合物為燃料的零排放或近零排放的熱動力系統，將對于環境保護起到更大的作用。關于從動力系統的排氣中捕捉二氧化碳的研究有許多，但是它們都有一個共同的特點，就是沒有將二氧化碳液化或固化，所以盡管捕捉到了二氧化碳，但二氧化碳的后期處理仍然十分困難。如果能夠發明出在動力系統循環過程中就將二氧化碳液化或固化，特別是如果能夠發明出利用排氣的自身能量為主要推動力或以動力系統所消耗的液態氧、液化燃料為主要冷源將動力系統排放的二氧化碳液化或固化的動力系統，將具有十分重大的意義。
發明內容
為了解決上述問題，本發明提出的技術方案如下一種氣閉合循環熱動力系統，包括發動機、氧源、排氣冷卻器、排氣深度冷卻器和深冷二氧化碳儲罐，所述氧源與所述發動機的燃燒室連通，所述發動機的排氣道經所述排氣冷卻器與所述排氣深度冷卻器連通，在所述排氣冷卻器上設水排出口，在所述排氣深度冷卻器上設深冷二氧化碳排出口，所述深冷二氧化碳排出口與所述深冷二氧化碳儲罐連通使所述發動機排氣中的二氧化碳全部或部分以液體和/或固體的形式儲存在所述深冷二氧化碳儲罐內。所述氧源設為液氧儲罐，所述排氣深度冷卻器設為氧吸熱排氣深度冷卻器，在所述氧吸熱排氣深度冷卻器上設所述深冷二氧化碳排出口，所述液氧儲罐與所述氧吸熱排氣深度冷卻器的冷卻流體入口連通，在所述氧吸熱排氣深度冷卻器上設氧氣/含氧氣體出口，所述氧氣/含氧氣體出口與所述發動機的燃燒室連通；或所述氧源設為液氧儲罐，將由所述排氣冷卻器和所述排氣深度冷卻器構成的排氣冷卻系統設為氧吸熱排氣深度冷卻器， 在所述氧吸熱排氣深度冷卻器上設所述深冷二氧化碳排出口，所述液氧儲罐與所述氧吸熱排氣深度冷卻器的冷卻流體入口連通，在所述氧吸熱排氣深度冷卻器上設氧氣/含氧氣體出口，所述氧氣/含氧氣體出口與所述發動機的燃燒室連通。所述發動機的燃料設為液化燃料，所述液化燃料儲存在液化燃料儲罐內，所述排氣深度冷卻器設為燃料吸熱排氣深度冷卻器，在所述燃料吸熱排氣深度冷卻器上設所述深冷二氧化碳排出口，所述燃料吸熱排氣深度冷卻器的冷卻流體入口與所述液化燃料儲罐連
5通，在所述燃料吸熱排氣深度冷卻器上設燃料/含燃料流體出口，所述燃料/含燃料流體出口與所述發動機的燃燒室連通；或所述發動機的燃料設為液化燃料，所述液化燃料儲存在液化燃料儲罐內，將由所述排氣冷卻器和所述排氣深度冷卻器構成的排氣冷卻系統設為燃料吸熱排氣深度冷卻器，在所述燃料吸熱排氣深度冷卻器上設所述深冷二氧化碳排出口， 所述燃料吸熱排氣深度冷卻器的冷卻流體入口與所述液化燃料儲罐連通，在所述燃料吸熱排氣深度冷卻器上設燃料/含燃料流體出口，所述燃料/含燃料流體出口與所述發動機的燃燒室連通。所述氧源設為液氧儲罐，所述發動機的燃料設為液化燃料，所述液化燃料儲存在液化燃料儲罐內，所述排氣深度冷卻器設為由氧吸熱排氣深度冷卻器和燃料吸熱排氣深度冷卻器并聯或串聯設置構成的排氣深度冷卻系統；在所述氧吸熱排氣深度冷卻器和所述燃料吸熱排氣深度冷卻器并聯設置的結構中，在所述氧吸熱排氣深度冷卻器上設所述深冷二氧化碳排出口，所述液氧儲罐與所述氧吸熱排氣深度冷卻器的冷卻流體入口連通，在所述氧吸熱排氣深度冷卻器上設氧氣/含氧氣體出口，所述氧氣/含氧氣體出口與所述發動機的燃燒室連通，在所述燃料吸熱排氣深度冷卻器上設所述深冷二氧化碳排出口，所述燃料吸熱排氣深度冷卻器的冷卻流體入口與所述液化燃料儲罐連通，在所述燃料吸熱排氣深度冷卻器上設燃料/含燃料流體出口，所述燃料/含燃料流體出口與所述發動機的燃燒室連通，所述氧吸熱排氣深度冷卻器和所述燃料吸熱排氣深度冷卻器的排氣入口分別與所述排氣冷卻器連通；在所述氧吸熱排氣深度冷卻器和所述燃料吸熱排氣深度冷卻器串聯設置的結構中，在處于末端的所述氧吸熱排氣深度冷卻器上或在所述燃料吸熱排氣深度冷卻器上設所述深冷二氧化碳排出口，所述液氧儲罐與所述氧吸熱排氣深度冷卻器的冷卻流體入口連通，在所述氧吸熱排氣深度冷卻器上設氧氣/含氧氣體出口，所述氧氣/含氧氣體出口與所述發動機的燃燒室連通；所述燃料吸熱排氣深度冷卻器的冷卻流體入口與所述液化燃料儲罐連通，在所述燃料吸熱排氣深度冷卻器上設燃料/含燃料流體出口，所述燃料/含燃料流體出口與所述發動機的燃燒室連通；處于上游的所述氧吸熱排氣深度冷卻器或所述燃料吸熱排氣深度冷卻器的排氣入口與所述排氣冷卻器連通，處于上游的所述氧吸熱排氣深度冷卻器或所述燃料吸熱排氣深度冷卻器的排氣出口與處于下游的所述氧吸熱排氣深度冷卻器或所述燃料吸熱排氣深度冷卻器的排氣入口連通。在所述燃燒室與所述排氣冷卻器之間設熱動力單元，所述熱動力單元對外輸出動力。所述氣閉合循環熱動力系統還包括載冷劑儲罐，在所述排氣冷卻器和所述排氣深度冷卻器之間設載冷劑吸熱排氣冷卻器，所述載冷劑吸熱排氣冷卻器的被冷卻流體入口與所述排氣冷卻器連通，所述載冷劑吸熱排氣冷卻器的冷卻流體入口與所述載冷劑儲罐連通，所述載冷劑吸熱排氣冷卻器上設載冷劑出口，所述載冷劑吸熱排氣冷卻器的被冷卻流體出口與所述排氣深度冷卻器連通，由所述排氣冷卻器出來的排氣在所述載冷劑吸熱排氣冷卻器中被儲存在所述載冷劑儲罐內的載冷劑進一步冷卻后進入所述排氣深度冷卻器進行深度冷卻；和/或在所述排氣冷卻器和所述排氣深度冷卻器之間設增壓器和排熱器，排氣在所述增壓器內被壓縮在所述排熱器中進行冷卻降溫后進入所述排氣深度冷卻器進行深度冷卻以減少在所述排氣深度冷卻器中二氧化碳液化或固化過程中對冷能的需求。
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所述氣閉合循環熱動力系統還包括深冷載冷劑儲罐，所述排氣深度冷卻器設為深冷載冷劑吸熱排氣冷卻器，所述深冷載冷劑吸熱排氣冷卻器的被冷卻流體入口與所述排氣冷卻器的排氣出口連通，在所述深冷載冷劑吸熱排氣冷卻器上設所述深冷二氧化碳排出口，所述深冷載冷劑吸熱排氣冷卻器的冷卻流體入口與所述深冷載冷劑儲罐連通，所述深冷載冷劑吸熱排氣冷卻器的所述深冷二氧化碳排出口與所述深冷二氧化碳儲罐連通，在所述深冷載冷劑吸熱排氣冷卻器上設深冷載冷劑出口。所述排氣深度冷卻器設為以所述發動機排氣熱能為推動力的吸附式熱流體自身冷卻系統，所述吸附式熱流體自身冷卻系統利用所述發動機的排氣熱能將排氣進行深度冷卻使排氣中的殘留水汽液化之后再將二氧化碳液化和/或固化；或所述排氣冷卻器設為以所述發動機排氣熱能為推動力的吸附式熱流體自身冷卻系統，所述吸附式熱流體自身冷卻系統利用所述發動機的排氣熱能將排氣進行冷卻；或將由所述排氣冷卻器和所述排氣深度冷卻器構成的排氣冷卻系統設為以所述發動機排氣熱能為推動力的吸附式熱流體自身冷卻系統，所述吸附式熱流體自身冷卻系統利用所述發動機的排氣熱能將排氣進行冷卻后再進入深度冷卻過程，將排氣中的水蒸氣液化，將二氧化碳液化和/或固化。所述排氣深度冷卻器設為以所述發動機排氣熱能為推動力的壓縮式排氣自身冷卻系統，所述壓縮式排氣自身冷卻系統利用所述發動機的排氣熱能將排氣進行深度冷卻使排氣中的殘留水汽液化之后再將二氧化碳液化和/或固化；或所述排氣冷卻器設為以所述發動機排氣熱能為推動力的壓縮式排氣自身冷卻系統，所述壓縮式排氣自身冷卻系統利用所述發動機的排氣熱能將排氣進行冷卻；或將由所述排氣冷卻器和所述排氣深度冷卻器構成的排氣冷卻系統設為以所述發動機排氣熱能為推動力的壓縮式排氣自身冷卻系統，所述壓縮式排氣自身冷卻系統利用所述發動機的排氣熱能將排氣進行冷卻后再進入深度冷卻過程，將排氣中的水蒸氣液化， 將二氧化碳液化和/或固化。所述水排出口與水噴嘴連通將從所述水排出口出來的水噴射到所述排氣冷卻器的外部高溫區上作為所述排氣冷卻器的蒸發吸熱載體以提高所述排氣冷卻器的排氣冷卻效率；或將從所述水排出口中出來的水作為冷卻介質導入所述排氣冷卻器內部高溫區以提高所述排氣冷卻器的排氣冷卻效率。所述氧吸熱排氣深度冷卻器設為直混熱交換器或設為直混對流熱交換器；和/或在設有所述燃料吸熱排氣深度冷卻器的結構中，所述燃料吸熱排氣深度冷卻器設為直混熱交換器或設為直混對流熱交換器。所述氧源設為液氧儲罐，所述深冷二氧化碳儲罐設為所述液氧儲罐的下端空間， 利用所述液氧儲罐的部分空間存儲液態二氧化碳和/或干冰。所述氧源設為大氣，在所述排氣深度冷卻器上設氮氣出口。所述氣閉合循環熱動力系統還包括氦氣回流管，在所述發動機的進氣道、所述燃燒室、所述排氣道、所述排氣冷卻器和所述深度冷卻器所構成的系統內充入氦氣，所述氦氣回流管將所述發動機的進氣道與所述排氣道和/或所述排氣道的連通空間連通，氦氣在所述發動機的所述進氣道、所述燃燒室、所述排氣道、所述排氣冷卻器和所述深度冷卻器之間循環。所述氧源設為液氧儲罐，所述排氣深度冷卻器設為罐內氧吸熱熱交換器，所述罐內氧吸熱熱交換器設在所述液氧儲罐內，所述罐內氧吸熱熱交換器的液體二氧化碳出口與所述深冷二氧化碳儲罐連通，利用所述液氧儲罐中的液氧將經過所述排氣冷卻器冷卻后的排氣液化成液體二氧化碳，再將液體二氧化碳儲存在所述深冷二氧化碳儲罐內。所述氧源設為液氧儲罐，所述排氣深度冷卻器設為所述液氧儲罐中的液氧區，所述深冷二氧化碳儲罐設為所述液氧儲罐中的下端空間，利用所述液氧儲罐中的所述液氧區對經過所述排氣冷卻器冷卻后的排氣進行深度冷卻，利用所述液氧儲罐中的部分空間存儲液態二氧化碳和/或干冰。長期以來，人們為了減少熱動力系統對環境的污染(如NOx及二氧化碳等)，在如何使用氫燃料方面做了許多努力，也確實在一定的場合實際應用了氫作為熱動力系統的燃料，如以氫氧燃燒反應為動力的潛艇用斯特林發動機，以及寶馬公司以氫為燃料的汽車。然而，眾所周知氫的儲藏相當困難，液態氫的密度也只有每立方米70公斤左右，雖然氫的燃燒值約是汽油的3倍、液化天然氣的2. 5倍左右，但就其單位體積的能量密度而言遠不如汽油或天然氣。氫的制備工業遠不如石油、天然氣工業成熟、龐大，因此氫的單位能量的價格遠遠比石油、天然氣高。單純使用氫燃料與空氣中的氧燃燒反應仍然會產生氮氧化物，只有使用氫和純氧燃燒反應才能保證排放中只有水而沒有氮氧化物和二氧化碳。本發明所公開的氣閉合循環熱動力系統既使用了傳統燃料(石油、天然氣、生物質等碳氫化合物或碳氫氧化合物)，又確保了沒有氮氧化物的生成，也沒有或只有少量二氧化碳排放。本發明中所使用的液化燃料如液化天然氣的儲藏、運輸和攜帶都遠遠比儲藏、運輸或攜帶氫燃料方便，而且價格低廉。因此，本發明中所公開的氣閉合循環熱動力系統不僅比傳統熱動力系統 (內燃機、外燃機)優越，也比以氫為燃料的熱動力系統優越。本發明中所謂氧是指主要成分是氧的氣體或液體，可以有其他成分，但這些成分的含量對本發明系統的循環和排放的影響在可以控制和接受的范圍內。所謂氧源可以是商用氧源，即高壓儲氧罐或液化氧罐，也可以是由現場制氧系統提供的氧，如膜分離等。如果在本發明中的發動機排氣中存在在液化二氧化碳條件下不凝結的氣體，應在系統的末端安裝抽氣機構，抽掉不凝氣，以防不凝氣在循環系統中大量積累。本發明中所謂的排氣冷卻器是指一切可以對排氣進行冷卻的裝置，包括散熱器、 熱動力單元、制冷系統(含壓縮制冷、化學吸附制冷和物理吸附制冷)、熱交換器(含混合式和非混合式)等以及這些裝置的相互科學組合。所謂的排氣冷卻器不能液化二氧化碳。本發明中所謂的排氣深度冷卻器是指一切可以對排氣進行冷卻和深度冷卻達到可使二氧化碳液化和/或固化的程度的裝置，包括制冷系統(含壓縮制冷、化學吸附制冷和物理吸附制冷)、熱動力單元、熱交換器(含混合式和非混合式)等以及這些裝置的科學組合；或本發明中所謂的排氣深度冷卻器是指一切以排氣自身能量為主要推動力或以液氧、 液化燃料、液氮及其他載冷劑為主要冷源對排氣進行深度冷卻使二氧化碳液化和/或固化的裝置，包括制冷系統(含壓縮制冷、化學吸附制冷和物理吸附制冷)、熱動力單元、熱交換器(含混合式和非混合式)等以及這些裝置的科學組合。本發明中所謂的排氣冷卻器和排氣深度冷卻器構成的排氣冷卻系統是指一切可以對排氣進行冷卻達到可使二氧化碳液化的程度的裝置，包括制冷系統(含壓縮制冷、化學吸附制冷和物理吸附制冷)、熱動力單元、熱交換器(含混合式和非混合式)等以及這些裝置的科學組合。
本發明所謂的熱動力單元是指利用上游流體(排氣)的能量對外作功后將降低了溫度的排氣或排氣相變物(指排氣的相變產物，如水蒸汽的相變物是水和冰)傳給下游的系統，這個單元可以在對外輸出功的同時將排氣冷卻或深度冷卻，所謂上游是指排氣流靠近燃燒室的方向，所謂下游是指排氣流遠離燃燒室的方向。本發明所謂的深度冷卻是指冷卻強度較強達到二氧化碳液化或固化的程度。本發明所謂的深冷過程是指深度降溫使二氧化碳液化或固化的過程。本發明所謂的吸附工質對是指發生吸附作用和解吸作用的一對工質，如溴化鋰和水。本發明所謂的吸附區是指吸附工質對(詳見有關吸附制冷書籍)發生吸附過程的區域，本發明所謂的解吸區是指吸附工質對發生解吸過程的區域。本發明所謂的排氣通道是指連接或間接連接吸附區和解吸區的排氣流動通道。本發明所謂散熱器是指能夠起到散熱作用的裝置，如散熱片和風扇以及熱交換器等，其作用是對為解吸區提供熱能后的排氣進行進一步冷卻后再使其進入吸附區，以提高排氣冷卻系統的冷卻能力。本發明中所謂連通是指直接連通、經過若干過程(包括與其他物質混合等)的間接連通或經泵、控制閥等受控連通。本發明中的燃料/含燃料流體和氧/含氧氣體可以分別直接進入燃燒室，也可以預混后再進入燃燒室。本發明所公開的氣閉合循環熱動力系統包括完全氣閉合循環熱動力系統和部分氣閉合循環熱動力系統。所謂完全氣閉合循環熱動力系統是指完全不對環境排放二氧化碳氣體的熱動力系統，所謂部分氣閉合循環熱動力系統是指對環境排放少量二氧化碳氣體的熱動力系統。所謂氣閉合循環是指氣相完全閉合循環或氣相部分閉合循環。所謂的完全閉合循環或部分閉合循環都是針對二氧化碳而言。當氧源設為大氣時，本發明所公開的氣閉合循環熱動力系統的排氣中的氮氣可直接排放，也可以儲存起來以備他用，由于水蒸氣和二氧化碳均已液化，所以這個系統的排氣中的氮氣純度較高。當采用大氣吸氣時，系統可能會產生氮氧化物，產生的氮氧化物可直接被系統冷凝液化，也可以經吸附回收或經三元催化劑處理。當采用大氣吸氣時，可保留傳統三元催化劑工作單元，三元催化劑工作單元可設在排氣冷卻器之前；在必要時，可對傳統三元催化劑工作單元進行隔熱或絕熱處理以保證離開三元催化劑工作單元的排氣具有較高的溫度為后續單元提供推動力。在本發明中的循環中，液相和/或固相是不閉合的，即以液態和/或固態的形式向環境排出二氧化碳，而得到純度較高的二氧化碳。液態或固態二氧化碳是應用廣泛的化工材料，廣泛應用這一動力系統所產生的液體或固體二氧化碳可以減少用其他途徑生成二氧化碳的需求，達到減少二氧化碳排放的目的。本發明所公開的氣閉合循環熱動力系統中，發動機排氣可完全不回流到燃燒室， 也可部分回流到燃燒室。在排氣完全不回流到燃燒室的結構中，所有排氣完全被液化。在排氣部分回流到燃燒室的結構中，回流到燃燒室的所述排氣可以是排氣的一部分，也可以是排氣中的某一種組分或多種組分的一部分(如二氧化碳、水)，在這種結構中需要設置回流管，所述回流管的作用是將二氧化碳、水和二氧化碳和水的混合物中的一種或多種物質以氣體或液體的形式回送至燃燒室，在有些情況下氧或燃料也可以通過回流管進入燃燒室。在排氣的一部分回流到燃燒室的結構中，本發明所公開的氣閉合循環熱動力系統中發動機的排氣可完全冷凝冷卻液化，也可其中的一部分被冷凝冷卻液化。重新進入燃燒室的這部分排氣(二氧化碳、水或二氧化碳和水的混合物)可以是低壓進入，在燃燒室內被壓縮；也可以是高壓進入，直接和高壓進入的氧混合燃燒，不需要進一步壓縮。如果采取高壓進入，可以將沒被液化的排氣通過壓縮機壓縮，被壓縮的排氣進入燃燒室，也可以將液化后的排氣中的某種組分或幾種組分的混合物(即水、液體二氧化碳或水和液體二氧化碳的混合物)加壓后吸收排氣的熱量汽化后進入燃燒室。如果采用將排氣進行壓縮的方案，應將排氣先冷卻再壓縮，壓縮后的排氣進入燃燒室；為了提高系統的液化二氧化碳的能力，可將排氣的一部分壓縮后冷卻減壓節流降低溫度。在需要對燃燒室回流燃燒產物的結構中，可在所述發動機的排氣道和/或排氣道連通空間上設回流流體出口，此回流流體出口與所述燃燒室或所述發動機的進氣道連通。本發明所公開的氣閉合循環熱動力系統，為調整燃燒室的溫度及條件，可以在向燃燒室導入燃料/含燃料流體和氧/含氧氣體的同時，回流二氧化碳也可以回流水。如果選擇回流水，應該使水在進入燃燒室之前吸收發動機的余熱汽化，更能提高發動機的效率。本發明中排熱器是指系統對外排熱降溫的裝置，包括散熱器和以冷卻為目的的熱交換器等。本發明中進入燃燒室的氧氣流可以是高壓氣態氧或低壓氣態氧，也可以是高壓含氧氣態混合物或低壓含氧氣態混合物。混合物中除氧外，其他主要成分為二氧化碳和水蒸汽。也就是說氧氣可以單獨進入發動機的燃燒室，也可以在燃燒室外混合后進入燃燒室。本發明中的發動機在正常工作情況下，不從環境吸入空氣。但是也可以在發動機的進氣道上(或外燃機鍋爐的進風通道上)設空氣入口，以便在氧源的氧用盡時讓發動機從環境吸入空氣使發動機能夠繼續工作，以備應急之用。在氧氣流進入燃燒室前可對氧氣流進行控制，即可在燃燒室和所述氧氣/含氧氣體出口之間設氧控制閥。在所述排氣道上可設排氣回流出口，所述排氣回流出口經排氣回流控制閥與所述燃燒室連通，以控制排氣回流到燃燒室內的量。在某些情況下為了減少系統冷量的需求，可在所述深冷二氧化碳儲罐上設放空閥，以放空部分二氧化碳獲得更低的溫度，制造干冰或增加系統的冷卻能力，在這種情況下，雖然不是絕對意義上的閉合循環但其大部分二氧化碳仍然被液化或固化在系統內。也可以在所述排氣道上設熱排氣放空閥，放空部分排氣以減少系統的冷卻負載，同樣雖然不是絕對意義上的閉合循環但其大部分二氧化碳仍然被液化或固化在系統內。當所述氧吸熱排氣深度冷卻器設為直混對流熱交換器時，可在所述直混對流熱交換器的中間級處設氧導出管，所述氧導出管經氧控制閥與所述發動機的燃燒室連通，以調整進入燃燒室的氧的濃度，以滿足發動機負荷變化的要求。當所述氧吸熱排氣深度冷卻器設為直混熱交換器時，可在所述直混熱交換器內的氧流上游處即靠近所述氧源處設氧導出管，所述氧導出管經氧控制閥與所述發動機的燃燒室連通，以調整進入燃燒室的氧的濃度，以滿足發動機負荷變化的要求。本發明中的所述發動機是指一切以含碳化合物為燃料的熱動力系統，包括內燃機、燃氣輪機、由鍋爐和汽輪機組成的外燃熱動力系統或低熵混燃發動機(詳見本發明人于2010年3月5日申請的名為“低熵混燃發動機”的專利申請文件，申請號為 201010118601. 4和201020124334. 7)。所謂含碳化合物是指一切可以和氧發生燃燒反應的含有碳的化合物，如碳氫化合物、碳氫氧化合物(例如乙醇等)。在包括鍋爐的結構中，所述發動機的排氣道為鍋爐的排煙道，所述燃燒室為鍋爐的爐膛。本發明中的發動機是指在正常工作情況下從氧源向燃燒室導入氧化劑，不自然吸氣的熱動力系統。本發明所公開的氣閉合循環熱動力系統中氧源的存在可以簡單的調節進入燃燒室氧的濃度，從而可以更為有效地調節發動機的負荷響應。可以通過調節進入燃燒室氧的濃度調節發動機的升功率，滿足不同負荷的要求；尤其是對于車輛用發動機，可以裝配一個小型發動機使小型發動機在瞬間過載工作，滿足車輛急加速等的瞬間大功率要求，這種方式可以改變目前車用發動機均為“大馬拉小車”的低效配置方案，達到節能環保的目的。本發明所公開的氣閉合循環熱動力系統由于不對環境排放氣體，故尤為適合用在潛艇上。傳統常規動力潛艇多數使用以氫為燃料的斯特林發動機，這種發動機體積龐大，特別是氫的儲藏運輸和成本均遠遠高于碳氫化合物(如汽油、柴油、煤油和液化天然氣等)。 因此，如果用本發明所公開的氣閉合循環熱動力系統將大大提高潛艇的潛水時間。所謂深度冷卻可以把二氧化碳液化或固化的冷卻深度，所謂冷卻器可以是冷卻流體和被冷卻流體不混合的熱交換器，也可以是冷卻流體和被冷卻流體相混合的熱交換器， 還可以是冷卻排氣的制冷系統。所謂冷卻排氣的制冷系統可以是吸附式熱流體自身冷卻系統，也可以是有壓縮機式的制冷系統。本發明所公開的氣閉合循環熱動力系統中的發動機的排氣中主要成分是水蒸汽和二氧化碳，當水蒸氣被冷凝時，只剩下二氧化碳，因此這一系統的二氧化碳容易被回收。本發明所謂的深冷二氧化碳包括液態二氧化碳和固態二氧化碳(即干冰)。本發明所謂的氧吸熱排氣深度冷卻器是指利用液態氧和/或氣態氧將排氣進行深度冷卻的冷卻裝置。本發明所謂的燃料吸熱排氣深度冷卻器是指利用低溫燃料(例如液化天然氣等)將排氣進行深度冷卻的冷卻裝置。當氧吸熱排氣深度冷卻器和燃料吸熱排氣深度冷卻器串聯使用時，處于下游的(以排氣流向為準)要比處于上游的冷卻深度更深一些；在某些情況下，在處于上游的冷卻器中可能不發生或只發生一定量的二氧化碳液化。本發明所謂的吸附式熱流體自身冷卻系統是指可以利用熱動力系統中熱流體所具有的熱量通過吸附制冷的方式對熱流體自身進行冷卻的系統。例如可在溴化鋰吸附制冷系統中利用發動機排氣溫度對發動機自身排氣進行冷卻。本發明所謂的壓縮式排氣自身冷卻系統是指可以利用熱動力系統排氣推動壓縮機對熱動力系統自身排氣進行冷卻的系統。本發明所謂的載冷劑吸熱排氣冷卻器是指利用載冷劑(例如冰、低溫氯化鈣水溶液等)的冷能對排氣進行冷卻的冷卻裝置；所謂深冷載冷劑是指溫度更低的載冷劑，如液
化氮氣等。本發明所謂的排氣道的連通空間是指排氣和排氣的相變物能夠達到的空間。本發明所謂的“所述發動機的進氣道、所述燃燒室、所述排氣道、所述排氣冷卻器和所述深度冷卻器所構成的系統”是指這些單元的內部空間及連通這些單元的通道的內部空間；“在所述發動機的進氣道、所述燃燒室、所述排氣道、所述排氣冷卻器和所述深度冷卻
11器所構成的系統的內充入氦氣”是指對這些單元的內部空間及連通這些單元的通道的內部空間內充入氦氣，充入氦氣的量可根據內部空間的大小以及燃燒室內氦氣濃度的要求進行調整。充入氦氣是指一次性充入后氦氣自行循環，一般不需要設氦氣儲罐，但是由于氦氣可能會有部分泄漏損失(如穿過活塞環的損失等)，所以也可以設置氦氣儲罐當系統內的氦氣量不足時可以利用氦氣儲罐對系統充入氦氣，充入氦氣的入口可以是上述系統中的任何容易充入的部位。由于本發明所公開的氣閉合循環熱動力系統在很多情況下使用液氧，可以多儲存一些液氧作為深冷載冷劑使用，也可以用液氮作為深冷載冷劑；大量使用液氧會使空分產業產生過量的液氮，為此，用液氮作為深冷載冷劑是一種選擇。由于在同等壓比下，使用二氧化碳作工質的效率較低，而使用氦氣則可以獲得更高的效率。為此，為提高發動機循環效率可在發動機的進氣排氣系統內充入氦氣，氦氣不凝只參與循環。作為本發明的一個實施例，在排氣深度冷卻器內充入不凝氣(如氦氣)，并設置連通燃燒室和排氣深度冷卻器的回流管道，使不凝氣進入燃燒室參與作功循環。在這個方案中，燃燒室排氣中的二氧化碳的量會大幅度減少，取而代之的是氦氣，所以在同等作功壓比的條件下會得到更高的效率。在這個方案中，氦氣在燃燒室和排氣深度冷卻器之間循環流動。另外，為了回收曲柄連桿式熱動力系統通過活塞環泄漏的氦氣損失，可將曲軸箱設為負壓吸回氦氣，即可將曲軸箱與發動機的進氣道連通，也可用泵抽出曲軸箱內的氣體加壓后再送入進氣道。在充入氦氣的系統中，二氧化碳液化區的不凝氣是氦氣，可在此處設氦氣專用回流管使氦氣回到進氣道或燃燒室，也可與氧混合后再回流到進氣道或燃燒室。在設有氦氣回流的結構中，所述發動機應設為具有壓縮沖程的發動機。依據發動機流體流動的要求在必要的地方設控制閥，正時控制閥、泵等。本發明中在設有氧吸熱排氣深度冷卻器的結構中，利用液態氧將經初步冷卻后的發動機排氣中的氣體二氧化碳冷卻成液態二氧化碳或干冰，而液態氧吸收熱量形成氣態氧。如果經初步冷卻的發動機排氣中仍含有一定量的水蒸氣，這些水蒸氣在形成二氧化碳之前將被液化成水和/或固化成冰。為了盡可能的吸收排氣中的熱量，有效地液化排氣中的水蒸氣和二氧化碳，本發明中所形成的氣態氧或氣態氧和二氧化碳等的混合物(例如氣態氧和二氧化碳及水蒸氣的混合物)的壓力可設為較低，進入氣缸后需要進一步壓縮，這實質上是利用了發動機的壓縮沖程增加了液態氧對排氣的冷卻能力，以構成排放為零或近零的封閉系統，大大減少對環境的污染。當然此壓力也可設為較高，不在需要進一步壓縮就可在燃燒室內完成高效燃燒反應。經計算可知，如果用排氣冷卻器將排氣冷卻到5度左右，液氧升溫相變過程所需要的熱量足以把以柴油、汽油、煤油為燃料時所產生的二氧化碳全部冷卻液化。如果用排氣冷卻器將排氣冷卻到60度左右，這時每立方米排氣中含有一百多克的水，液氧升溫相變過程所需要的熱量可以把以柴油、汽油、煤油為燃料時所產生的二氧化碳的百分之七十冷卻液化；在這個溫度條件下，如果使用液化天然氣為燃料并利用其冷能對排氣進行冷卻，即利用液氧和液化天然氣共同冷卻60度的排氣，經計算可知，不但可以把60度排氣中的水和二氧化碳全部液化，而且還剩余百分之四十的冷能。由此可以看出，如果在本發明所公開的系統中使用液化天然氣為燃料將可形成完全氣閉合循環熱動力系統。經計算可知，每公斤液氧的蓄能量(指由液氧升溫汽化至標準狀態所吸收的熱量)遠高于目前最先進的蓄電池的能量密度。液態氧的低溫性實質上相當于將電能儲存在液態氧內的蓄電池。液氧的儲存相對比較容易，制造工藝成熟，可以利用大量低價電(如谷電和水電廠的剩余電量)以及“垃圾電”將電能以液態氧的形式儲存起來，供發動機使用，從而實現熱動力系統的微排放、近零排放或零排放。所謂微排放是指向環境排放少量二氧化碳，大部分二氧化碳以液態或固態的形式儲存的熱動力系統；所謂近零排放是指向環境排放的二氧化碳的量幾乎接近于零的熱動力系統；所謂零排放是指完全不向環境排放的二氧化碳的熱動力系統。所謂谷電是指用電低峰時的電；所謂垃圾電是指無法穩定使用的電，如風電和太陽能發出的電，這個類型的電受天氣及晝夜影響，很難連續穩定使用。液氧的價格每噸在600元左右，液態二氧化碳的價格每噸在800元左右，而干冰的價格要每噸一萬元左右，本發明所公開的發動機雖然消耗液態氧，但產生液態二氧化碳或干冰，可以用液態二氧化碳或干冰交易液氧，不但不會增加發動機的運行成本，還有可能降低發動機的運行成本。為了有效利用液氧和燃料冷卻冷凝排氣中的二氧化碳使燃燒排放出的二氧化碳更多或全部液化為液體二氧化碳，除對相應設備和管道進行優化設計外，更重要的一條途徑是選擇含氫多碳少的燃料，例如液體甲烷等。如果利用純液體甲烷或液化天然氣等燃燒后產生二氧化碳的量少于產生水的量的燃料，整個系統對二氧化碳液化和/或固化的過程將更為有效。為了確保燃燒所形成的二氧化碳全部被回收，可在將排氣中的絕大部分水冷凝分離后對排氣(其中絕大部分為二氧化碳)進行壓縮放熱，或進行壓縮放熱后減壓降溫，再進入冷凝冷卻系統利用液氧或液氧和液態燃料將二氧化碳液化或干冰化。本發明中所述直混熱交換器是指高溫流體和低溫流體直接混合進行傳熱的熱交換器，其本質是一個容器，在此容器中高溫流體和低溫流體進行混合，為了增加混合的均勻度，在此容器中可設導流結構、攪拌機構或射流結構。本發明中所述直混對流熱交換器是指高溫流體和低溫流體直接混合且不同濃度的混合物在逆流通道的作用下進行對流流動進行傳熱的熱交換器，為了增加混合的均勻度，在此熱交換器中可設導流結構、攪拌機構或射流結構。本發明所公開的氣閉合循環熱動力系統中在將氧源設為液氧儲罐的結構中可將液氧儲罐中的液氧區設為排氣深度冷卻器，而液氧儲罐中的一部分空間設為深冷二氧化碳儲罐。在這種結構中，是將經過排氣冷卻器后的排氣直接導入液氧儲罐中的液氧內，使排氣與液氧發生混合實現二氧化碳在液氧儲罐內的液化和/或固化，或使排氣在液氧儲罐內經過熱交換器被液氧深度冷卻實現二氧化碳的液化和/或固化，液化或固化后的二氧化碳由于比重較大會沉降到液氧儲罐的下端空間，這樣隨著發動機的工作的進程，液氧儲罐內的液氧會逐步汽化離開液氧儲罐，而液化或固化的二氧化碳的量會在液氧儲罐內逐步增加， 這種結構相當于取消了排氣深度冷卻器和深冷二氧化碳儲罐所占據的空間，所以這種結構可大幅度地減少系統的體積和造價。本發明所公開的氣閉合循環熱動力系統如果去掉發動機，將發動機的燃燒室設為供熱鍋爐的爐膛，本發明所公開的氣閉合循環熱動力系統也同樣適用于供熱系統，構成沒有對外排放的氣閉合循環供熱系統。本發明的有益效果如下
1、本發明結構簡單，制造成本低，可靠性高，決定性地減少了發動機污染物的排放。2、本發明所公開的熱動力系統效率高、負荷響應好。3、本發明所公開的熱動力系統可有效利用電網系統的谷電及所謂“垃圾電”，可提高電網的運行穩定性和安全性。
圖1為本發明實施例1的結構示意圖2為本發明實施例2的結構示意圖3為本發明實施例3的結構示意圖4為本發明實施例4的結構示意圖5和圖6為本發明實施例5的結構示意圖7為本發明實施例6的結構示意圖8為本發明實施例7的結構示意圖9為本發明實施例8的結構示意圖10為本發明實施例9的結構示意圖11為本發明實施例10的結構示意圖12為本發明實施例11的結構示意圖13為本發明實施例12的結構示意圖14和圖15為本發明實施例13的結構示意圖16為本發明實施例14的結構示意圖17為本發明實施例15的結構示意圖18為本發明實施例16的結構示意圖19為本發明實施例17的結構示意圖20、圖21和圖22為本發明實施例18的結構示意圖。
具體實施例方式實施例1如圖1所示的氣閉合循環熱動力系統，包括發動機1、氧源2、排氣冷卻器3、排氣深度冷卻器4和深冷二氧化碳儲罐5，氧源2與發動機1的燃燒室100連通，發動機1的排氣道101經排氣冷卻器3與排氣深度冷卻器4連通，在排氣冷卻器3上設水排出口 301，在排氣深度冷卻器4上設深冷二氧化碳排出口 302，深冷二氧化碳排出口 302與深冷二氧化碳儲罐5連通使發動機1排氣中的二氧化碳全部或部分以液體和/或固體的形式儲存在深冷二氧化碳儲罐5內。實施例2如圖2所示的氣閉合循環熱動力系統，其與實施例1的區別在于氧源2設為液氧儲罐21，排氣深度冷卻器4設為氧吸熱排氣深度冷卻器6，在氧吸熱排氣深度冷卻器6上設水排出口 301和深冷二氧化碳排出口 302，液氧儲罐21與氧吸熱排氣深度冷卻器6的冷卻流體入口連通，在氧吸熱排氣深度冷卻器6上設氧氣/含氧氣體出口 303，氧氣/含氧氣體
14出口 303與發動機1的燃燒室100連通。此外，還可以將由排氣冷卻器3和排氣深度冷卻器4構成的排氣冷卻系統340設為氧吸熱排氣深度冷卻器，氧吸熱排氣深度冷卻器對排氣進行冷卻、深度冷卻將排氣中的水蒸氣液化，將二氧化碳液化和/或固化。實施例3如圖3所示的氣閉合循環熱動力系統，其與實施例1的區別在于發動機1的燃料設為液化燃料，液化燃料儲存在液化燃料儲罐3003內，排氣深度冷卻器4設為燃料吸熱排氣深度冷卻器333，在燃料吸熱排氣深度冷卻器333上設深冷二氧化碳排出口 302，燃料吸熱排氣深度冷卻器333的冷卻流體入口與液化燃料儲罐3003連通，在燃料吸熱排氣深度冷卻器333上設燃料/含燃料流體出口 304，燃料/含燃料流體出口 304與發動機1的燃燒室100連通。此外，還可以將由排氣冷卻器3和排氣深度冷卻器4構成的排氣冷卻系統 340設為燃料吸熱排氣深度冷卻器，燃料吸熱排氣深度冷卻器對排氣進行冷卻、深度冷卻將排氣中的水蒸氣液化，將二氧化碳液化和/或固化。實施例4如圖4所示的氣閉合循環熱動力系統，其與實施例1的區別在于氧源2設為液氧儲罐21，發動機1的燃料設為液化燃料，液化燃料儲存在液化燃料儲罐3003內，排氣深度冷卻器4設為由氧吸熱排氣深度冷卻器6和燃料吸熱排氣深度冷卻器333并聯設置構成的排氣深度冷卻系統633 ；在氧吸熱排氣深度冷卻器6上設深冷二氧化碳排出口 302，液氧儲罐 21與氧吸熱排氣深度冷卻器6的冷卻流體入口連通，在氧吸熱排氣深度冷卻器6上設氧氣 /含氧氣體出口 303，氧氣/含氧氣體出口 303與發動機1的燃燒室100連通，在燃料吸熱排氣深度冷卻器333上設深冷二氧化碳排出口 302，燃料吸熱排氣深度冷卻器333的冷卻流體入口與液化燃料儲罐3003連通，在燃料吸熱排氣深度冷卻器333上設燃料/含燃料流體出口 304，燃料/含燃料流體出口 304與發動機1的燃燒室100連通，所述氧吸熱排氣深度冷卻器(6)和所述燃料吸熱排氣深度冷卻器(333)的排氣入口分別與所述排氣冷卻器(3) 連通。實施例5如圖5所示的氣閉合循環熱動力系統，其與實施例1的區別在于氧源2設為液氧儲罐21，發動機1的燃料設為液化燃料，液化燃料儲存在液化燃料儲罐3003內，排氣深度冷卻器4設為由氧吸熱排氣深度冷卻器6和燃料吸熱排氣深度冷卻器333串聯設置構成的排氣深度冷卻系統633 ；在處于末端的氧吸熱排氣深度冷卻器6上設深冷二氧化碳排出口 302，在處于中間級的燃料吸熱排氣深度冷卻器333上設水排出口 301。如圖6所示的氣閉合循環熱動力系統，與上述方案的區別在于在處于末端的燃料吸熱排氣深度冷卻器333上設深冷二氧化碳排出口 302，在處于中間級的氧吸熱排氣深度冷卻器6上設水排出口 301。實施例6如圖7所示的氣閉合循環熱動力系統，其與實施例1的區別在于在燃燒室100與排氣冷卻器3之間設熱動力單元800，所述熱動力單元800對外輸出動力，排氣冷卻器3和排氣深度冷卻器4構成排氣冷卻系統340，在排氣深度冷卻器4上設二氧化碳導出口 99，二氧化碳導出口 99經二氧化碳導出通道900與發動機1的燃燒室100連通。實施例7
如圖8所示的氣閉合循環熱動力系統，其與實施例1的區別在于氣閉合循環熱動力系統還包括載冷劑儲罐200，在排氣冷卻器3和排氣深度冷卻器4之間設載冷劑吸熱排氣冷卻器201，載冷劑吸熱排氣冷卻器201的被冷卻流體入口與排氣冷卻器3連通，載冷劑吸熱排氣冷卻器201的冷卻流體入口與載冷劑儲罐200連通，載冷劑吸熱排氣冷卻器201上設載冷劑出口 202，載冷劑吸熱排氣冷卻器201的被冷卻流體出口與排氣深度冷卻器4連通，由排氣冷卻器3出來的排氣在載冷劑吸熱排氣冷卻器201中被儲存在載冷劑儲罐200 內的載冷劑進一步冷卻后進入排氣深度冷卻器4進行深度冷卻。實施例8如圖9所示的氣閉合循環熱動力系統，其與實施例1的區別在于在排氣冷卻器3 和排氣深度冷卻器4之間設增壓器400和排熱器401，排氣在增壓器400內被壓縮在排熱器 401中進行冷卻降溫后進入排氣深度冷卻器4進行深度冷卻以減少在排氣深度冷卻器4中二氧化碳液化或固化過程中對冷能的需求。實施例9如圖10所示的氣閉合循環熱動力系統，其與實施例1的區別在于氣閉合循環熱動力系統還包括深冷載冷劑儲罐500，排氣深度冷卻器4設為深冷載冷劑吸熱排氣冷卻器 501，深冷載冷劑吸熱排氣冷卻器501的被冷卻流體入口與排氣冷卻器3的排氣出口連通， 在深冷載冷劑吸熱排氣冷卻器501上設深冷二氧化碳排出口 302，深冷載冷劑吸熱排氣冷卻器501的冷卻流體入口與深冷載冷劑儲罐500連通，深冷載冷劑吸熱排氣冷卻器501的深冷二氧化碳排出口 302與深冷二氧化碳儲罐5連通，在深冷載冷劑吸熱排氣冷卻器501 上設深冷載冷劑出口 502。實施例10如圖11所示的氣閉合循環熱動力系統，其與實施例1的區別在于排氣深度冷卻器4設為以發動機1排氣熱能為推動力的吸附式熱流體自身冷卻系統111，吸附式熱流體自身冷卻系統111利用發動機1的排氣熱能將排氣進行深度冷卻使排氣中的殘留水汽液化之后再將二氧化碳液化和/或固化。對于此實施例10，也可以將排氣冷卻器3設為以發動機1排氣熱能為推動力的吸附式熱流體自身冷卻系統111，吸附式熱流體自身冷卻系統111利用發動機1的排氣熱能將排氣進行冷卻；或將由排氣冷卻器3和排氣深度冷卻器4構成的排氣冷卻系統設為以發動機1排氣熱能為推動力的吸附式熱流體自身冷卻系統，吸附式熱流體自身冷卻系統利用發動機1 的排氣熱能將排氣進行冷卻后進入深度冷卻過程，將排氣中的水蒸氣液化，將二氧化碳液化和/或固化。實施例11如圖12所示的氣閉合循環熱動力系統，其與實施例1的區別在于排氣深度冷卻器4設為以發動機1排氣熱能為推動力的壓縮式排氣自身冷卻系統444，壓縮式排氣自身冷卻系統444利用發動機1的排氣熱能將排氣進行深度冷卻使排氣中的殘留水汽液化之后再將二氧化碳液化和/或固化。對于此實施例10，也可以將排氣冷卻器3設為以發動機1排氣熱能為推動力的壓縮式排氣自身冷卻系統444，壓縮式排氣自身冷卻系統444利用發動機1的排氣熱能將排氣進行冷卻；或將由排氣冷卻器3和排氣深度冷卻器4構成的排氣冷卻系統設為以發動機1排氣熱能為推動力的壓縮式排氣自身冷卻系統，壓縮式排氣自身冷卻系統利用發動機1的排氣熱能將排氣進行冷卻后再進入深度冷卻過程，將排氣中的水蒸氣液化，將二氧化碳液化和/或固化。實施例12如圖13所示的氣閉合循環熱動力系統，其與實施例1的區別在于水排出口 301 與水噴嘴311連通將從水排出口 301出來的水噴射到排氣冷卻器3的外部高溫區上作為排氣冷卻器3的蒸發吸熱載體以提高排氣冷卻器3的排氣冷卻效率。此外，還可以將水排出口 301中出來的水作為冷卻介質導入排氣冷卻器3內部高溫區以提高排氣冷卻器3的排氣冷卻效率。實施例13如圖14和圖15所示的氣閉合循環熱動力系統，其與實施例1的區別在于氧吸熱排氣深度冷卻器6設為直混熱交換器337或設為直混對流熱交換器338，所述氧源2設為液氧儲罐21，所述深冷二氧化碳儲罐5設為所述液氧儲罐21的下端空間2102，利用所述液氧儲罐21的部分空間存儲液態二氧化碳和/或干冰。此外，在設有燃料吸熱排氣深度冷卻器333的結構中，燃料吸熱排氣深度冷卻器 333設為直混熱交換器337或設為直混對流熱交換器338。實施例14如圖16所示的氣閉合循環熱動力系統，其與實施例1的區別在于所述氧源2設為大氣，在所述排氣深度冷卻器4上設氮氣出口 44，所述氮氣出口 44與氮氣吸熱排氣降溫熱交換器441的冷卻氣體入口連通，所述氮氣吸熱排氣降溫熱交換器441設置在所述排氣道101上的所述排氣深度冷卻器4之前。實施例15如圖17所示的氣閉合循環熱動力系統，其與實施例14的區別在于所述氮氣出口 44與氮氣儲罐414連通，所述氮氣儲罐414用來儲存排氣中的氮氣。實施例16如圖18所示的氣閉合循環熱動力系統，其與實施例1的區別在于氣閉合循環熱動力系統還包括氦氣回流管1101，在發動機1的進氣道108、燃燒室100、排氣道101、排氣冷卻器3和深度冷卻器4所構成的系統內充入氦氣，氦氣回流管1101將發動機1的進氣道 108與排氣道101和/或排氣道101的連通空間連通，所述排氣道101的連通空間設為深度冷卻器4，在深度冷卻器4上設氦氣出口 41，氦氣出口 41與氦氣回流管1101連通，氦氣在發動機1的進氣道108、燃燒室100、排氣道101、排氣冷卻器3和深度冷卻器4之間循環，并且在進氣道108和曲軸箱106之間設曲軸箱氦氣回流管91，曲軸箱氦氣回流管91經曲軸箱氦氣回流42與曲軸箱106連通，將通過活塞環泄漏的氦氣回流到進氣道108，減少對氦氣的需求。實施例17如圖19所示的氣閉合循環熱動力系統，其與實施例1的區別在于氧源2設為液氧儲罐21，排氣深度冷卻器4設為罐內氧吸熱熱交換器480，罐內氧吸熱熱交換器480設在液氧儲罐21內，罐內氧吸熱熱交換器480的液體二氧化碳出口 4801與深冷二氧化碳儲罐5 連通，利用液氧儲罐21中的液氧將經過排氣冷卻器3冷卻后的排氣液化成液體二氧化碳， 再將液體二氧化碳儲存在深冷二氧化碳儲罐5內。實施例18如圖20、21或22所示的氣閉合循環熱動力系統，其與實施例1的區別在于氧源 2設為液氧儲罐21，排氣深度冷卻器4設為液氧儲罐21中的液氧區2101，深冷二氧化碳儲罐5設為液氧儲罐21中的下端空間2102，利用液氧儲罐21中的液氧區2101對經過排氣冷卻器3冷卻后的排氣進行深度冷卻，利用液氧儲罐21中的部分空間存儲液態二氧化碳和/ 或干冰。其中，圖20中排氣冷卻器3冷卻后的排氣在液氧儲罐21的液氧區2101內與液氧直接混合后被液氧深度冷卻；圖21中排氣冷卻器3冷卻后的排氣在液氧儲罐21的液氧區 2101內經熱交換器414被液氧深度冷卻；圖22中在液氧儲罐21的液氧區2101內設可以上下浮動的隔熱板4001，在隔熱板4001上設導熱區4002，排氣冷卻器3冷卻后的排氣從液氧儲罐21的底部進入，經防固化熱交換器2103后進入隔熱板4001下方，排氣被在導熱區 4002被液氧冷卻后存儲在液氧儲罐21中的下端空間2102內。設置防固化熱交換器2103 的目的是為了防止二氧化碳固化，如果二氧化碳固化，會造成導出困難并吸收大量液氧的冷能，增加冷卻負荷。設置隔熱板4001的目的是為了控制液氧與排氣和/或液化二氧化碳之間的傳熱速度，以實現排氣被液化成液體二氧化碳并維持液體狀態。隔熱板4001的材料可以是硬質材料，也可以是柔性材料(如柔性材料的帶狀結構)，只要其能夠上下浮動，并能滿足液氧與低端進入的排氣之間的熱量傳遞速率即可，并且要滿足保持低溫和液氧環境的要求。隨著發動機工作的進程，液氧儲罐21內的液體二氧化碳的量會逐漸增加，液氧的量會逐漸減少，在液體壓力的作用下或在控制機構的作用下隔熱板4001逐漸上行。當液氧用盡時，將液體二氧化碳從液氧儲罐21的下端空間2102放出，隔熱板4001下行至液氧儲罐的低端，從液氧儲罐21的上方重新充入液氧。如果發動機處于一段時間的停滯，處于液氧儲罐21的下端空間2102內的液體二氧化碳會逐漸被固化而形成干冰，但是當發動機開始工作時，排氣中的氣體二氧化碳會首先通過防固化熱交換器2103將已經固化的二氧化碳重新液化，并被固體二氧化碳液化成液體二氧化碳的過程冷卻和/或深度冷卻。
18
權利要求
1.一種氣閉合循環熱動力系統，包括發動機(1)、氧源O)、排氣冷卻器(3)、排氣深度冷卻器(4)和深冷二氧化碳儲罐(5)，其特征在于所述氧源( 與所述發動機(1)的燃燒室(100)連通，所述發動機(1)的排氣道(101)經所述排氣冷卻器C3)與所述排氣深度冷卻器(4)連通，在所述排氣冷卻器C3)上設水排出口(301)，在所述排氣深度冷卻器(4)上設深冷二氧化碳排出口(302)，所述深冷二氧化碳排出口(30 與所述深冷二氧化碳儲罐 (5)連通使所述發動機(1)排氣中的二氧化碳全部或部分以液體和/或固體的形式儲存在所述深冷二氧化碳儲罐(5)內。
2.根據權利要求1所述氣閉合循環熱動力系統，其特征在于所述氧源(2)設為液氧儲罐(21)，所述排氣深度冷卻器(4)設為氧吸熱排氣深度冷卻器(6)，在所述氧吸熱排氣深度冷卻器(6)上設所述深冷二氧化碳排出口(302)，所述液氧儲罐與所述氧吸熱排氣深度冷卻器(6)的冷卻流體入口連通，在所述氧吸熱排氣深度冷卻器(6)上設氧氣/含氧氣體出口(303)，所述氧氣/含氧氣體出口(303)與所述發動機(1)的燃燒室(100)連通；或所述氧源( 設為液氧儲罐(21)，將由所述排氣冷卻器C3)和所述排氣深度冷卻器 (4)構成的排氣冷卻系統(340)設為氧吸熱排氣深度冷卻器(6)，在所述氧吸熱排氣深度冷卻器(6)上設所述深冷二氧化碳排出口(302)，所述液氧儲罐與所述氧吸熱排氣深度冷卻器(6)的冷卻流體入口連通，在所述氧吸熱排氣深度冷卻器(6)上設氧氣/含氧氣體出口(303)，所述氧氣/含氧氣體出口(303)與所述發動機(1)的燃燒室(100)連通。
3.根據權利要求1所述氣閉合循環熱動力系統，其特征在于所述發動機(1)的燃料設為液化燃料，所述液化燃料儲存在液化燃料儲罐(300 內，所述排氣深度冷卻器(4)設為燃料吸熱排氣深度冷卻器(333)，在所述燃料吸熱排氣深度冷卻器(33 上設所述深冷二氧化碳排出口(302)，所述燃料吸熱排氣深度冷卻器(333)的冷卻流體入口與所述液化燃料儲罐(300 連通，在所述燃料吸熱排氣深度冷卻器(33 上設燃料/含燃料流體出口 (304)，所述燃料/含燃料流體出口(304)與所述發動機(1)的燃燒室(100)連通；或所述發動機(1)的燃料設為液化燃料，所述液化燃料儲存在液化燃料儲罐(3003) 內，將由所述排氣冷卻器C3)和所述排氣深度冷卻器(4)構成的排氣冷卻系統(340)設為燃料吸熱排氣深度冷卻器(333)，在所述燃料吸熱排氣深度冷卻器(33 上設所述深冷二氧化碳排出口(302)，所述燃料吸熱排氣深度冷卻器(333)的冷卻流體入口與所述液化燃料儲罐(300 連通，在所述燃料吸熱排氣深度冷卻器(33 上設燃料/含燃料流體出口 (304)，所述燃料/含燃料流體出口(304)與所述發動機(1)的燃燒室(100)連通。
4.根據權利要求1所述氣閉合循環熱動力系統，其特征在于所述氧源( 設為液氧儲罐(21)，所述發動機(1)的燃料設為液化燃料，所述液化燃料儲存在液化燃料儲罐 (3003)內，所述排氣深度冷卻器(4)設為由氧吸熱排氣深度冷卻器(6)和燃料吸熱排氣深度冷卻器(333)并聯或串聯設置構成的排氣深度冷卻系統(633)；在所述氧吸熱排氣深度冷卻器(6)和所述燃料吸熱排氣深度冷卻器(33 并聯設置的結構中，在所述氧吸熱排氣深度冷卻器(6)上設所述深冷二氧化碳排出口(302)，所述液氧儲罐與所述氧吸熱排氣深度冷卻器(6)的冷卻流體入口連通，在所述氧吸熱排氣深度冷卻器(6)上設氧氣/含氧氣體出口(303)，所述氧氣/含氧氣體出口(30 與所述發動機 (1)的燃燒室(100)連通，在所述燃料吸熱排氣深度冷卻器(33 上設所述深冷二氧化碳排出口(302)，所述燃料吸熱排氣深度冷卻器(333)的冷卻流體入口與所述液化燃料儲罐(3003)連通，在所述燃料吸熱排氣深度冷卻器(33 上設燃料/含燃料流體出口(304)，所述燃料/含燃料流體出口(304)與所述發動機(1)的燃燒室(100)連通，所述氧吸熱排氣深度冷卻器(6)和所述燃料吸熱排氣深度冷卻器(33 的排氣入口分別與所述排氣冷卻器 ⑶連通；在所述氧吸熱排氣深度冷卻器(6)和所述燃料吸熱排氣深度冷卻器(33 串聯設置的結構中，在處于末端的所述氧吸熱排氣深度冷卻器(6)上或在所述燃料吸熱排氣深度冷卻器(33 上設所述深冷二氧化碳排出口(302)，所述液氧儲罐與所述氧吸熱排氣深度冷卻器(6)的冷卻流體入口連通，在所述氧吸熱排氣深度冷卻器(6)上設氧氣/含氧氣體出口(303)，所述氧氣/含氧氣體出口(303)與所述發動機(1)的燃燒室(100)連通；所述燃料吸熱排氣深度冷卻器(33 的冷卻流體入口與所述液化燃料儲罐(300 連通，在所述燃料吸熱排氣深度冷卻器(33 上設燃料/含燃料流體出口(304)，所述燃料/含燃料流體出口(304)與所述發動機(1)的燃燒室(100)連通；處于上游的所述氧吸熱排氣深度冷卻器(6)或所述燃料吸熱排氣深度冷卻器(333)的排氣入口與所述排氣冷卻器C3)連通，處于上游的所述氧吸熱排氣深度冷卻器(6)或所述燃料吸熱排氣深度冷卻器(33 的排氣出口與處于下游的所述氧吸熱排氣深度冷卻器(6)或所述燃料吸熱排氣深度冷卻器(333)的排氣入口連通。
5.根據權利要求1所述氣閉合循環熱動力系統，其特征在于在所述燃燒室(100)與所述排氣冷卻器C3)之間設熱動力單元(800)，所述熱動力單元(800)對外輸出動力。
6.根據權利要求1所述氣閉合循環熱動力系統，其特征在于所述氣閉合循環熱動力系統還包括載冷劑儲罐O00)，在所述排氣冷卻器( 和所述排氣深度冷卻器(4)之間設載冷劑吸熱排氣冷卻器001)，所述載冷劑吸熱排氣冷卻器O01)的被冷卻流體入口與所述排氣冷卻器C3)連通，所述載冷劑吸熱排氣冷卻器O01)的冷卻流體入口與所述載冷劑儲罐(200)連通，所述載冷劑吸熱排氣冷卻器(201)上設載冷劑出口 002)，所述載冷劑吸熱排氣冷卻器O01)的被冷卻流體出口與所述排氣深度冷卻器(4)連通，由所述排氣冷卻器 (3)出來的排氣在所述載冷劑吸熱排氣冷卻器O01)中被儲存在所述載冷劑儲罐O00)內的載冷劑進一步冷卻后進入所述排氣深度冷卻器(4)進行深度冷卻；和/或在所述排氣冷卻器( 和所述排氣深度冷卻器(4)之間設增壓器(400)和排熱器G01)，排氣在所述增壓器G00)內被壓縮在所述排熱器G01)中進行冷卻降溫后進入所述排氣深度冷卻器(4)進行深度冷卻以減少在所述排氣深度冷卻器中二氧化碳液化或固化過程中對冷能的需求。
7.根據權利要求1所述氣閉合循環熱動力系統，其特征在于所述氣閉合循環熱動力系統還包括深冷載冷劑儲罐(500)，所述排氣深度冷卻器(4)設為深冷載冷劑吸熱排氣冷卻器(501)，所述深冷載冷劑吸熱排氣冷卻器(501)的被冷卻流體入口與所述排氣冷卻器 (3)的排氣出口連通，在所述深冷載冷劑吸熱排氣冷卻器(501)上設所述深冷二氧化碳排出口(302)，所述深冷載冷劑吸熱排氣冷卻器(501)的冷卻流體入口與所述深冷載冷劑儲罐(500)連通，所述深冷載冷劑吸熱排氣冷卻器(501)的所述深冷二氧化碳排出口(302) 與所述深冷二氧化碳儲罐( 連通，在所述深冷載冷劑吸熱排氣冷卻器(501)上設深冷載冷劑出口 (502)。
8.根據權利要求1所述氣閉合循環熱動力系統，其特征在于所述水排出口(301)與水噴嘴(311)連通將從所述水排出口(301)出來的水噴射到所述排氣冷卻器C3)的外部高溫區上作為所述排氣冷卻器⑶的蒸發吸熱載體以提高所述排氣冷卻器⑶的排氣冷卻效率；或將從所述水排出口(301)中出來的水作為冷卻介質導入所述排氣冷卻器(3)內部高溫區以提高所述排氣冷卻器(3)的排氣冷卻效率。
9.根據權利要求1至8任意之一所述氣閉合循環熱動力系統，其特征在于所述氧源 (2)設為液氧儲罐(21)，所述深冷二氧化碳儲罐( 設為所述液氧儲罐的下端空間 (2102)，利用所述液氧儲罐的部分空間存儲液態二氧化碳和/或干冰。
10.根據權利要求1至8任意之一所述氣閉合循環熱動力系統，其特征在于所述氧源 (2)設為大氣，在所述排氣深度冷卻器(4)上設氮氣出口 04)。
11.根據權利要求1所述氣閉合循環熱動力系統，其特征在于所述氣閉合循環熱動力系統還包括氦氣回流管(1101)，在所述發動機(1)的進氣道(108)、所述燃燒室(100)、所述排氣道(101)、所述排氣冷卻器C3)和所述深度冷卻器(4)所構成的系統內充入氦氣，所述氦氣回流管(1101)將所述發動機(1)的進氣道(108)與所述排氣道(101)和/或所述排氣道(101)的連通空間連通，氦氣在所述發動機⑴的所述進氣道(108)、所述燃燒室(100)、 所述排氣道(101)、所述排氣冷卻器( 和所述深度冷卻器(4)之間循環。
12.根據權利要求1所述氣閉合循環熱動力系統，其特征在于所述氧源( 設為液氧儲罐(21)，所述排氣深度冷卻器(4)設為罐內氧吸熱熱交換器G80)，所述罐內氧吸熱熱交換器(480)設在所述液氧儲罐內，所述罐內氧吸熱熱交換器(480)的液體二氧化碳出口 0801)與所述深冷二氧化碳儲罐( 連通，利用所述液氧儲罐中的液氧將經過所述排氣冷卻器( 冷卻后的排氣液化成液體二氧化碳，再將液體二氧化碳儲存在所述深冷二氧化碳儲罐(5)內。
13.根據權利要求1所述氣閉合循環熱動力系統，其特征在于所述氧源( 設為液氧儲罐(21)，所述排氣深度冷卻器(4)設為所述液氧儲罐中的液氧區(2101)，所述深冷二氧化碳儲罐( 設為所述液氧儲罐中的下端空間(2102)，利用所述液氧儲罐中的所述液氧區O101)對經過所述排氣冷卻器(3)冷卻后的排氣進行深度冷卻，利用所述液氧儲罐中的部分空間存儲液態二氧化碳和/或干冰。
全文摘要
本發明公開了一種氣閉合循環熱動力系統，包括發動機、氧源、排氣冷卻器、排氣深度冷卻器和深冷二氧化碳儲罐，所述氧源與所述發動機的燃燒室連通，所述發動機的排氣道經所述排氣冷卻器與所述排氣深度冷卻器連通，在所述排氣冷卻器上設水排出口，在所述排氣深度冷卻器上設深冷二氧化碳排出口，所述深冷二氧化碳排出口與所述深冷二氧化碳儲罐連通使所述發動機排氣中的二氧化碳以液體和/或固體的形式儲存在所述深冷二氧化碳儲罐內。本發明結構簡單，制造成本低，可靠性高，決定性地減少了發動機污染物的排放。
文檔編號F01N3/04GK102213161SQ201010294818
公開日2011年10月12日 申請日期2010年9月28日 優先權日2010年6月1日
發明者靳北彪 申請人:靳北彪