專利名稱：余熱利用內燃熱氣機的制作方法
技術領域：
本發明涉及熱能與動力領域，尤其是一種熱氣機。
背景技術：
近年來，熱氣機得到廣泛重視，然而傳統熱氣機都是通過外燃加熱的方式來提供動力的，外燃方式需要經過傳熱部件(通常為被加熱容器的壁)來進行熱傳遞，使得工質被加熱，在外燃加熱過程中很大一部分熱量都耗散在環境中了，而且外燃加熱方式受傳熱壁承壓耐溫能力的限制，傳熱效率有限，工質的溫度和壓力難以達到更高的水平，從而使得傳統熱氣機的效率和功率密度嚴重受限，因此，需要發明一種新型熱氣機。發明內容
本發明提供了一種效率和功率密度高的余熱利用內燃熱氣機，解決了傳統熱氣機因工質的溫度和壓力難以達到更高的水平而影響效率和功率密度的問題，同時采用熱交換的方式將做功完成時溫度很高的氣體的熱量傳遞給經壓縮機構壓縮后即將進入內燃燃燒室的溫度較低的氣體，使得即將進入內燃燃燒室的溫度較低的氣體的溫度得以升高，同時做功完成時溫度很高的氣體的溫度得以降低，從而可以充分利用內燃燃燒的能量。
本發明提出的技術方案如下: 一種余熱利用內燃熱氣機，包括壓縮機構、做功機構、內燃燃燒室和熱交換器，所述壓縮機構的工質出口與所述熱交換器的被加熱流體入口連通，所述熱交換器的被加熱流體出口經所述內燃燃燒室與所述做功機構的工質入口連通，所述做功機構的工質出口經所述熱交換器的被冷卻流體通道與所述壓縮機構的工質入口連通，所述壓縮機構、所述做功機構、所述內燃燃燒室、所述熱交換器以及它們之間的連通通道形成工質閉合循環回路；在所述熱交換器的被冷卻流體出口與所述壓縮機構的工質入口之間的連通通道上設工質導出口，且所述工質閉合循環回路的承壓能力大于0.5MPa。
所述余熱利用內燃熱氣機還包括降溫器，所述降溫器設置在所述熱交換器的被冷卻流體出口和所述壓縮機構的工質入口之間的連通通道上。所述工質導出口經控制閥與外界連通。
所述工質閉合循環回路中，參與循環的氣體的一部分為不凝氣。
所述壓縮機構設為葉輪壓氣機或羅茨風機或活塞式壓縮機構。
所述做功機構 設為渦輪或羅茨馬達或活塞式做功機構。
所述壓縮機構設為葉輪壓氣機，所述做功機構設為渦輪，所述葉輪壓氣機和所述渦輪同軸設置。
本發明的原理是:用所述內燃燃燒室(即向需要進行加熱的熱氣機的工質內導入氧化劑、還原劑并使其發生燃燒化學反應，進而提高工質的溫度的部件)取代傳統熱氣機對傳熱部件(即熱缸缸體或通道壁)，從而使工質的溫度和壓力可以達到更高的水平，且對做功完成時的熱量進行充分利用，實現熱氣機效率和功率密度的本質性提高，而且可以大幅度減少機構的體積、重量和制造成本。
本發明中，所謂的壓縮機構是指一切可以對氣體進行壓縮的機構，例如活塞式壓縮機構、葉輪式壓氣機、羅茨風機等，其作用是將所述余熱利用內燃熱氣機內的氣體工質進行壓縮或壓縮及平移，所謂的平移是指將工質從一個地方移動到另一個地方的過程。
本發明中，所謂的做功機構是指一切可以利用氣體工質膨脹和/或流動產生動力的機構，例如活塞式做功機構、渦輪、羅茨馬達等，其作用是利用所述余熱利用內燃熱氣機內的處于高能狀態下的氣體工質進行做功，所謂的高能狀態是指在所述余熱利用內燃熱氣機的循環中，氣體工質處于溫度最高、壓力最大的狀態。
本發明中，所謂的工質導出口是指從所述余熱利用內燃熱氣機的工質系統中導出部分工質的出口，其目的是為了平衡導入的氧化劑和還原劑發生燃燒化學反應所產生的多余的工質，以維持所述余熱利用內燃熱氣機的工質系統的平衡。
本發明中，所述工質閉合循環回路中工質的最高壓力達到所述工質閉合循環回路的承壓能力。
本發明中，所述工質閉合循環回路中的循環氣體可以是氬氣、氦氣、氧氣等氣體。
本發明中，所謂的不凝氣是指惰性氣體、氮氣等在所述余熱利用內燃熱氣機中經冷卻后不液化的氣體，優選的所述不凝氣為氬氣。
本發明中，所述內燃燃燒室和所述降溫器在所述工質閉合循環回路上的位置應根據公知的熱力學循環來設置。
本發明中，所述工質閉合循環回路內的工質需要經過壓縮、加熱升溫升壓、做功以及被冷卻的過程，這就要求所述工質閉合循環回路能承受一定壓力，選擇性地，所述工質閉合循環回路的承壓能力可設為大于0.5MPa、lMPa、l.5MPa、2MPa、2.5MPa、3MPa、3.5MPa、4MPa、4.5MPa、5MPa、5.5MPa、6MPa、6.5MPa、7MPa、7.5MPa、8MPa、8.5MPa、9MPa、9.5MPa、IOMPa,10.5MPa、I IMPa,11.5MPa、12MPa、12.5MPa、13MPa、13.5MPa、14MPa、14.5MPa、15MPa、15.5MPa、16MPa、16.5MPa、17MPa、17.5MPa、18MPa、18.5MPa、19MPa、19.5MPa、20MPa、20.5MPa、21MPa、22MPa、23MPa、24MPa、25MPa、26MPa、27MPa、28MPa、29MPa、30MPa、31MPa、32MPa、33MPa、34MPa、35MPa、36MPa、37MPa、38MPa、39MPa 或大于 40MPa。
本發明中，所述壓縮機構和所述做功機構之間可以不設閥，而依靠相互之間的相位差來形成系統的壓縮和膨脹做功。
本發明中，根據熱氣機領域的公知技術，在必要的地方設置必要的部件、單元或系統。
本發明的有益效果如下: 本發明通過利用內燃加熱方式代替傳統熱氣機的外燃加熱方式，將內燃加熱方式的直接加熱以致加熱效率高的優勢應用到熱氣機上，克服了傳統熱氣機中因工質的溫度和壓力難以達到更高水平而影響效率和功率密度的問題，從而可以有效節約能源并大幅度減少機構的體積、重量和制造成本，同時，本發明采用熱交換的方式將做功完成時溫度很高的氣體的熱量傳遞給經所述壓縮機構壓縮后即將進入所述內燃燃燒室的溫度較低的氣體，使得即將進入所述內燃燃燒室的溫度較低的氣體的溫度得以升高，同時做功完成時溫度很高的氣體的溫度得以降低，從而可以充分利用內燃燃燒的能量，大大提高了熱氣機的效率，具有廣闊的應用前景。
圖1為本發明實施例1的結構示意圖；圖2為本發明實施例2的結構示意圖；圖3為本發明實施例3的結構示意圖； 圖中:1熱交換器、2工質導出口、3降溫器、4內燃燃燒室、6控制閥、11葉輪壓氣機、21渦輪、12羅茨風機、22羅茨馬達。
具體實施方式
實施例1 如圖1所示的余熱利用內燃熱氣機，包括葉輪壓氣機11、潤輪21、內燃燃燒室4和熱交換器1，所述葉輪壓氣機11的工質出口與所述熱交換器I的被加熱流體入口連通，所述熱交換器I的被加熱流體出口經所述內燃燃燒室4與所述渦輪21的工質入口連通，所述渦輪21的工質出口經所述熱交換器I的被冷卻流體通道與所述葉輪壓氣機11的工質入口連通，在所述熱交換器I的被冷卻流體出口和所述葉輪壓氣機11的工質入口之間的連通通道上設工質導出口 2，所述工質導出口 2經控制閥6與外界連通，所述葉輪壓氣機11、所述渦輪21、所述內燃燃燒室4、所述熱交換器I以及它們之間的連通通道形成工質閉合循環回路。所述工質閉合循環回路中，參與循環的氣體的一部分為不凝氣，所述工質閉合循環回路的承壓能力大于0.5MPa。
作為可變換的實施方式，本實施例中的所述控制閥6可以不設，可以通過調整所述工質導出口 2的大小來調節所述工質閉合循環回路內部的壓力平衡。
作為可變換的實施方式，可以不對所述參與循環的氣體進行限制。
本實施例中，所述壓縮機構具體的設為了所述葉輪壓氣機11，所述做功機構具體的設為了渦輪21，作為可以變換的實施方式，所述壓縮機構可以設置為其它形式，所述做功機構也可以設置為其它形式，不影響本發明的目的的實現。
實施例2 如圖2所示的余熱利用內燃熱氣機，其與實施例1的區別在于:所述余熱利用內燃熱氣機還包括降溫器3，所述降溫器3設置在所述熱交換器I的被冷卻流體出口和所述工質導出口 2之間的連通通道上，所述葉輪壓氣機11和所述渦輪21同軸設置。所述工質閉合循環回路的承壓能力大于5.5MPa。
作為可以變換的實施方式，設置所述降溫器3的結構中，所述葉輪壓氣機11與所述渦輪21可以不必同軸，同理，所述葉輪壓氣機11和所述渦輪21同軸設置的結構中，可以不必設置所述降溫器3。
實施例3 如圖3所示的余熱利用內燃熱氣機，其與實施例1的區別在于:所述壓縮機構設為羅茨風機12，所述做功機構設為羅茨馬達22，所述降溫器3設置在所述工質導出口 2和所述羅茨風機12的工質入口之間的連通通道上。
具體實施時，可選擇地，所述壓縮機構還可設為活塞式壓縮機構，所述做功機構還可以設為活塞式做功機構，所述活塞式壓縮機構和所述活塞式做功機構呈V型設置，所述余熱利用內燃熱氣機為α型或β型熱氣機結構，所述工質閉合循環回路的承壓能力大于9.5MPa0
本發明的所有實施方式，在實施時，都可以選擇性的將所述工質閉合循環回路的承壓能力改設為大于 0.5MPa、lMPa、l.5MPa、2MPa、2.5MPa、3MPa、3.5MPa、4MPa、4.5MPa、5MPa、5.5MPa、6MPa、6.5MPa、7MPa、7.5MPa、8MPa、8.5MPa、9MPa、9.5MPa、lOMPa、10.5MPa、I IMPaU 1.5MPa、12MPa、12.5MPa、13MPa、13.5MPa、14MPa、14.5MPa、15MPa、15.5MPa、16MPa、16.5MPa、17MPa、17.5MPa、18MPa、18.5MPa、19MPa、19.5MPa、20MPa、20.5MPa、21MPa、22MPa、23MPa、24MPa、25MPa、26MPa、27MPa、28MPa、29MPa、30MPa、31MPa、32MPa、33MPa、34MPa、35MPa、36MPa、37MPa、38MPa、39MPa 或大于 40MPa。
顯然，本發明不限于以上實施例，根據本領域的公知技術和本發明所公開的技術方案，可以推導出或聯想出許多變型方案，所有這些變型方案，也應認為是本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種余熱利用內燃熱氣機，包括壓縮機構、做功機構、內燃燃燒室(4)和熱交換器(1)，其特征在于:所述壓縮機構的工質出口與所述熱交換器(I)的被加熱流體入口連通，所述熱交換器(I)的被加熱流體出口經所述內燃燃燒室(4)與所述做功機構的工質入口連通，所述做功機構的工質出口經所述熱交換器(I)的被冷卻流體通道與所述壓縮機構的工質入口連通，所述壓縮機構、所述做功機構、所述內燃燃燒室(4)、所述熱交換器(I)以及它們之間的連通通道形成工質閉合循環回路；在所述熱交換器(I)的被冷卻流體出口與所述壓縮機構的工質入口之間的連通通道上設工質導出口(2)，且所述工質閉合循環回路的承壓能力為大于0.5MPa。
2.如權利要求1所述余熱利用內燃熱氣機，其特征在于:所述余熱利用內燃熱氣機還包括降溫器(3)，所述降溫器(3)設置在所述熱交換器(I)的被冷卻流體出口和所述壓縮機構的工質入口之間的連通通道上。
3.如權利要求1所述余熱利用內燃熱氣機，其特征在于:所述工質導出口(2)經控制閥(6)與外界連通。
4.如權利要求1所述余熱利用內燃熱氣機，其特征在于:所述工質閉合循環回路中，參與循環的氣體的一部分為不凝氣。
5.如權利要求1至4中任一項所述余熱利用內燃熱氣機，其特征在于:所述壓縮機構設為葉輪壓氣機(11)或羅茨風機(12 )或活塞式壓縮機構。
6.如權利要求1至4中任一項所述余熱利用內燃熱氣機，其特征在于:所述做功機構設為渦輪(21)或羅茨馬達(22)或活塞式做功機構。
7.如權利要求1至4中任一項所述余熱利用內燃熱氣機，其特征在于:所述壓縮機構設為葉輪壓氣機(11)，所述做功機構設為渦輪(21)，所述葉輪壓氣機(11)和所述渦輪(21)同軸設置。
全文摘要
本發明公開了一種余熱利用內燃熱氣機，包括壓縮機構、做功機構、內燃燃燒室和熱交換器，所述壓縮機構的工質出口與所述熱交換器的被加熱流體入口連通，所述熱交換器的被加熱流體出口經所述內燃燃燒室與所述做功機構的工質入口連通，所述做功機構的工質出口經所述熱交換器的被冷卻流體通道與所述壓縮機構的工質入口連通，形成工質閉合循環回路；所述熱交換器與所述壓縮機構的工質入口之間的連通通道上設有工質導出口，且所述工質閉合循環回路的承壓能力大于0.5MPa。本發明解決了現有熱氣機的工質溫度和壓力難以達到更高的水平從而影響熱氣機效率的問題，具有效率高、節能的特點。
文檔編號F02G1/043GK103147877SQ20131001672
公開日2013年6月12日 申請日期2013年1月16日 優先權日2012年1月28日
發明者靳北彪 申請人:摩爾動力(北京)技術股份有限公司