一种闭式布雷顿循环二次元发动机系统

摘要

一种闭式布雷顿循环二次元发动机系统，包括有热交换器、气液逐级换热器、气液联动泵、气液回热蒸发器、液压马达、发电机和气液回热冷凝器。气液联动泵管道连接气液逐级换热器，气液逐级换热器管道连接气液回热冷凝器，气液回热冷凝器管道连接热交换器。热交换器管道连接气液联动缸，气液联动缸管道连接冲击式水轮机、气液联动泵、液压马达。冲击式水轮机同轴带动发电机和液体工质泵。液压马达同轴带动压缩机。气液联动泵管道连接气液回热蒸发器，气液回热蒸发器管道连接气液逐级换热器。本发明所述的一种闭式布雷顿循环二元发动机系统，其设计合理，便于使用，能源利用率较高，能有效降低设备的运行成本，适于推广。

说明书

技术领域

本发明涉及新能源领域，尤其涉及一种闭式布雷顿循环二元发动机系统。

背景技术

随着环境污染、雾霾肆虐等问题日益严重，化石能源正遭受越来越频繁的质疑，各种绿色能源从开发之日起就备受期待。太阳能光热发电是新能源利用的一个重要方向，相比光伏、风电具有蓄热储能优点。现阶段，以朗肯循环为基础的太阳热能发电系统中，在循环过程中会发生相变，热量的吸收及释放都集中在相变的温度范围，能量释放过程过于集中和拥堵，造成设备成本增加、能源利用率低等一系列问题。所以需要开发一种减少相变带来的能源损失的新能源发动机系统。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术中的不足之处，提供一种闭式布雷顿循环二元发动机系统，其设计合理，便于使用，能源利用率较高，能有效降低设备的运行成本，适于推广。

本发明所述的一种闭式布雷顿循环二次元发动机系统，包括有热交换器、气液联动缸、气液逐级换热器、气液联动泵、气液回热蒸发器、液压马达、压缩机、发电机、冲击式水轮机、液体工质泵和气液回热冷凝器。所述的气液联动泵管道连接气液回热蒸发器，所述气液回热蒸发器管道连接气液逐级换热器，所述气液逐级换热器管道连接气液回热冷凝器，所述气液回热冷凝器管道连接热交换器。所述热交换器管道连接气液联动缸，所述气液联动缸管道连接冲击式水轮机、气液联动泵、液压马达。所述冲击式水轮机同轴连接发电机和液体工质泵。所述液压马达同轴连接压缩机。所述气液联动缸管道连接气液逐级回热器，所述气液逐级回热器管道连接气液回热蒸发器，所述气液回热蒸发器管道连接气液逐级换热器。

膨胀工质经气液联动泵加压进入气液回热蒸发器冷却，然后进入气液逐级换热器、气液回热冷凝器逐渐加热升温膨胀，连通热交换器形成高温高压膨胀工质气体，通入气液联动缸对液体工质做功，然后再进入气液逐级回热其、气液回热蒸发器冷却，重新进入气液联动泵，完成膨胀工质循环。

液体工质在气液联动缸中获得膨胀工质的势能，管道连接冲击式水轮机、气液联动泵以及液压马达，液体工质对冲击式水轮机、气液联动泵以及液压马达做功，做完功后的液体工质进入处在低压状态的气液联动缸内，完成液体工质循环。

回热工质经过压缩机压缩，进入气液回热冷凝器液化，再依次进入气液逐级换热器进行降温，然后进入气液回热蒸发器汽化，再进入气液逐级换热器吸热，最后进入压缩机，完成回热工质循环。

进一步的，所述的热交换器内的热流体是与膨胀工质不相溶的流体；外接热能从设置在热交换器上部的热流入口进入，并经水瀑喷口进入热交换器内。所述热交换器的下部设置有热流出口，所述热交换器的内底部设置有气泡器。

进一步的，所述的气液联动缸不少于三个，围绕冲击式水轮机环形布局，连续完成等压推液做功、等熵推液做功、装液的过程。所述气液联动缸中间设置有活塞，所述活塞上部是气态膨胀工质，下部是液体工质。

进一步的，所述的冲击式水轮机处在密封的机舱内，液体工质泵设置在机舱下部，机舱内气体压力等于做完功的气液联动缸内的乏汽压力。

进一步的，所述的气液联动泵为多个，以串联结构连接，所述气液联动泵通过气液联动缸内膨胀工质的等压推液做功和等熵推液做功实现逐级升压。

进一步的，所述的膨胀工质选用临界温度在自然温度范围的低沸点物质，膨胀工质在系统循环过程中的最低压力高于临界压力。

进一步的，所述的气液回热冷凝器、气液回热蒸发器的内部装有液体工质，液体工质与膨胀工质互不溶解，且化学性质稳定。所述的气液回热冷凝器、气液回热蒸发器由回热管路构成，其内底部均设置气泡器。

进一步的，所述的气液回热蒸发器为多个，以并联结构连接，并分别设置于气液联动泵的进气口与出气口处。

进一步的，所述的气液逐级换热器为多个，每个气液逐级换热器由两个腔室组成，以串联结构连接，所述腔室内设置有回热工质换热管路，其底部设置气泡器。利用液体工质并通过设置于腔室中间的薄板换热器隔绝换热，液体工质通过液体泵与膨胀工质逆向运行。

进一步的，所述的气液逐级换热器与气液回热蒸发器之间设置有散热器，散热器可对液态回热工质进行散热。

本发明所述的一种闭式布雷顿循环二元发动机系统，其设计合理，便于使用，能源利用率较高，能有效降低设备的运行成本，适于推广。

附图说明

图1是本发明所述的一种闭式布雷顿循环二元发动机系统的运行原理图。

图2是本发明所述的一种闭式布雷顿循环二元发动机系统的立体图。

图3是本发明所述的气液联动缸、气液逐级换热器的排列俯视结构示意图。

图4是本发明所述的气液联动缸、气液联动泵与冲击式水轮机的结构示意图。

图5是本发明所述的气液逐级换热器的俯视、平视的剖面结构示意图。

图6是本发明所述的一号、二号气液联动泵的平视剖面结构示意图。

1—热交换器 1-1—热流体入口 1-2—热流体出口 1-3—热流体水瀑喷嘴1-4—气泡器 2—气液联动缸 3—气液逐级换热器 3-1—回热工质换热管路 3-2—换热翘片 3-3—液体泵 3-4—薄板换热器 4—气液联动泵 4-1—一号气液联动泵 4-2—二号气液联动泵2 4-3—气液回热蒸发器 5—液压马达 6—压缩机 7—发电机8—冲击式水轮机 9—液体工质泵 10—散热器 11—气液回热冷凝器。

具体实施方式

现参照附图说明，结合具体实施例，说明如下：本发明所述的一种闭式布雷顿循环二元发动机系统，包括有热交换器1、气液联动缸2、气液逐级换热器3、气液联动泵4、气液回热蒸发器4-3、液压马达5、压缩机6、发电机7、冲击式水轮机8、液体工质泵9、散热器10、气液回热冷凝器11、液体工质、回热工质、膨胀工质以及若干控制阀，并且包含膨胀工质循环、液体工质循环和回热循环。

膨胀工质循环：膨胀工质经过气液联动泵4升压，形成高压膨胀工质，进入气液回热蒸发器4-3中降温以减少气液联动泵4加压过程的功耗。经过降温的膨胀工质依次进入气液逐级换热器3、气液回热冷凝器11、热交换器1中等压吸热膨胀，变成高温高压气体。然后连通装满液体工质的气液联动缸2，推动液体工质做功。当气液联动缸2内只有做完功的低压膨胀工质乏汽时，连通并依次进入气液逐级换热器3、气液回热蒸发器4-3中降温，变成低温低压气体。低温低压膨胀工质气体重新进入气液联动泵4升压，完成膨胀工质循环。

液体工质循环：膨胀工质在气液联动缸2内推动液体工质，将膨胀工质的高压势能传递给液体工质，液体工质获得膨胀工质传递的高压势能，并将势能转变成高速射流对冲击式水轮机8，将高压势能对气液联动泵4及液压马达5做功，做完功后的液体工质进入其它处在低压状态的气液联动缸2，直到气液联动缸2装满液体工质，液体工质完成循环。其中，冲击式水轮机8同轴连接发电机7对外输出能量。液压马达5带动压缩机6做功。

回热循环：液压马达5同轴带动压缩机6，压缩机6压缩回热工质气体，回热工质气体在气液回热冷凝器11发生液化，释放热量，液化后的回热工质依次进入气液逐级换热器3、散热器10，在散热器10中变成低温的液态回热工质，液态回热工质在气液回热蒸发器4-3中吸收热量蒸发，变成气态回热工质，气态回热工质进入气液逐级换热器3再次吸热，重新进入压缩机6，完成回热循环。

进一步的，所述的热交换器1内的热流体与膨胀工质为不相溶的流体，将热源或蓄热器内的热量从设置在热交换器1上部的热流体入口1-1输入，并经热流体水瀑喷嘴1-3进入热交换器1内，所述热交换器1的下部设置有热流体出口1-2，所述热交换器1的内底部设置有气泡器1-4。

所述的热流体是与膨胀工质不相溶解的流体，以膨胀工质采用RS170为例，热流体采用与RS170不相溶解的纯净水。热流体通过在热源或蓄热器中换热，变成高温热流体并经位于热交换器1上部的热流体入口1-1、水瀑喷口进入热交换器1内，然后经过设置在热交换器1下部的热流体出口1-2流出。所述的热交换器1的内底部设置有气泡器1-4。

所述气泡器1-4设置在热交换器1的内底部，通过气泡器形成小颗粒气泡以增加接触面积并与热流体直接接触进行热交换，使高压膨胀工质气体进一步升温膨胀，变成高温高压气体。热流体携带蓄热器中储存的热量从热交换器1上部的热流体入口1-1进入，并经热流体水瀑喷嘴1-3形成连续的水瀑形态喷入热交换器1内，膨胀工质在热流体中吸热并经水瀑形态消泡，然后热流体从热交换器1下部的热流体出口1-2流至蓄热器中。这样在热交换器1中热流体向下流动，膨胀工质气泡向上，形成对流，增加膨胀工质气体在热交换器1中滞留时间，提高热交换效率。

进一步的，所述的气液联动缸2不少于三个，围绕冲击式水轮机8环形布局，连续完成等压推液做功、等熵推液做功、装液的过程。气液联动缸2中间设置滑动活塞，活塞上部是气态膨胀工质，下部是液体工质。

所述气液联动缸2是将气态膨胀工质吸热后形成的压力势能转变成液体的势能的结构。热交换器1和气液联动缸2连通过程中，热交换器1中的高温高压膨胀工质不断的进入气液联动缸2内，对气液联动缸2的液体工质提供稳定的压力，这时液体工质获得持续稳定的压力，开始做功，形成等压推液做功过程。然后，热交换器1和气液联动缸2断开连接，热交换器1中的高温高压膨胀工质不再进入气液联动缸2内，气液联动缸2内的高温高压膨胀工质气体开始等熵膨胀，这时膨胀工质等熵膨胀继续推动气液联动缸2内的液体工质做功，形成等熵推液做功的过程。做完功的液体工质需要重新装填气液联动缸2，这时只有气液联动缸2内的压力最小的时候，重新装填液体最容易，耗功最少，所以只能等到气液联动缸2完全处在最低压力状态下完成，形成装液的过程。气液联动缸2在这个过程中，一个气液联动缸等压推动液体做功，处在高压状态。一个等熵推动液体做功，处在降压状态。一个重新装填液体工质，压力最低时容易装填液体工质，减少装液耗功，这三个过程必须使用三个以上的气液联动缸2才能连续的做功，所以气液联动缸2的数量至少三个以上才能完成。参照附图2和3，采用四个气液联动缸2依次连续完成等压推液做功、等熵推液做功、装液的连续过程。如同加特林机枪，一个枪管射击，其它枪管抛壳、装弹的过程。气液联动缸2内设置滑动活塞，活塞上部是气态膨胀工质，下部是液体工质，滑动活塞的目的是隔断在上部的膨胀工质气体和在下部的液体工质的直接接触，防止膨胀工质气体因为压力增加使其在液体工质的溶解量的增加。液体密度远大于气体，所以液体工质选在下部，膨胀工质选在上部。

进一步的，所述的冲击式水轮机8处在密封的机舱8-1内，机舱8-1内气体压力等于做完功的气液联动缸2内的乏汽压力，所述液体工质泵9设置在机舱8-1下部。

所述的冲击式水轮机8采用水斗式水轮机，水斗式水轮机叶轮处在气体中运行，运行阻力小，而射流内各点的压力等于叶轮周围的气体压力，所以能够高效率将射流转化成叶轮的机械能。将水斗式水轮机处在密封的机舱8-1内，机舱8-1内的压力等于气液联动缸2完成等熵后的乏气压力，机舱8-1内做完功的液体工质和低压状态下的气液联动缸2压力处在平压状态，这样能够减少液体工质泵9装液的功耗。液体工质泵9设置在机舱8-1的下部，便于将射击完水轮机的液体工质抽到另外一个处在低压状态下的气液联动缸2内。

进一步的，所述的气液联动泵4为多个，以串联结构连接，所述气液联动泵4通过气液联动缸2内膨胀工质的等压推液做功和等熵推液做功实现逐级升压。

现在参照图6，所述的气液联动泵4为活塞式缸体，中间有滑动活塞隔开，滑动活塞起到隔离液态膨胀工质和液态工质的作用。滑动活塞的上部是液态膨胀工质，下部是液态工质。气液联动泵4为多个，以串联结构连接，中间都连接有气液回热蒸发器4-3。如附图6所示，采用了两个气液联动泵4实现逐级升压的过程，当二号气液联动泵4-2中充满经过一次加压的膨胀工质，在气液联动缸2内的液体工质射击完冲击式水轮机时，断开射击连接，气液联动缸2立即与二号气液联动泵4-2连通，这时液体工质已经有了一定的动能，连接二号气液联动泵4-2，能够更好的利用“水锤效应”对二号气液联动泵4-2内的膨胀工质升压。完成对二号气液联动泵4-2内膨胀工质升压后，二号气液联动泵4-2内充满液体工质，一号气液联动泵4-1充满低压状态的膨胀工质。这时断开气液联动缸2和热交换器1的连接，气液联动缸2和一号气液联动泵4-1连通，气液联动缸2内的高温高压膨胀工质压力要远大于一号气液联动泵4-1内的膨胀工质压力，这时等熵推动液体从气液联动缸进入一号气液联动泵4-1，对一号气液联动泵4-1内的膨胀工质升压，经过升压的膨胀工质进入气液回热蒸发器4-3冷却然后进入二号气液联动泵4-2完成第一次升压。在这两个等压推液升压和等熵推液升压过程，采用了液体传动，液体具有的密封性、柔性，能在气密损失、摩擦损失等方面明显比机械加压效率高的多，更好的回收高温高压膨胀工质等熵膨胀的能量。另外，一号气液联动泵4-1经过加压的膨胀工质进入二号气液联动泵4-2已经有了一定的相对压力，所以二号气液联动泵4-2排出液体工质的出口设置液压马达5对这部分能量回收。以上就是通过等压推液、等熵推液，可以使用更多级的气液联动泵4实现逐级升压的过程。等到最低级等熵推液对膨胀工质升压完成后，气液联动缸2连通液压马达5，对液压马达5等熵推液做功，如图6，选在对一号气液联动泵4-1等熵做功完，再连接液压马达5。

进一步的，所述膨胀工质选用临界温度在自然温度范围的低沸点物质，膨胀工质在系统循环过程中的最低压力高于临界压力。

所述膨胀工质选用临界温度在自然温度范围的低沸点物质，有利于升高温度时获得较大的压差，同时便于利用自然温度在临界温度时对不可逆能量进行冷却释放，例如RS170临界温度在32.2℃，并且是烷类物质，对臭氧无破坏。膨胀工质在系统循环过程中的最低压力高于临界压力，膨胀工质不出现气液相变，膨胀工质的焓变平稳，不会出现热量集中释放的状态，便于通过多级回热器对乏热回收。

进一步的，所述气液回热冷凝器11、气液回热蒸发器4-3的内部装有液体工质，液体工质和膨胀工质互不溶解，且化学性质稳定。同时，气液回热冷凝器11、气液回热蒸发器4-3由回热管路构成，其内底部都设置有气泡器。所述的气液回热蒸发器4-3为多个，以并联结构连接，并分别设置在气液联动泵4的进气口和出气口处。

所述的气液回热冷凝器11、气液回热蒸发器4-3内部的液体工质与膨胀工质为不相溶解的液体工质，以膨胀工质选用RS170为例，液体工质采用与RS170不相溶解的水，而且水和RS170之间的化学性质稳定。气液回热冷凝器11、气液回热蒸发器4-3的内底部设置气泡器，膨胀工质经气泡器形成气泡和液体工质直接接触进行换热，并且气泡越小，换热面积越大，换热效率越高。而液体工质和内部设置的回热管路直接换热，传热效率高于气体。另外，回热工质在气液回热冷凝器11中，回热工质在管路发生冷凝液化释放大量热量；回热工质在气液回热蒸发器4-3中，回热工质在管路发生汽化吸收大量热量，完成乏热回收。

所述气液回热蒸发器4-3为多个，以并联结构连接，并分别设置在气液联动泵4的进气口和出气口。回热工质在气液回热蒸发器4-3中回热管路发生蒸发汽化吸收大量热量，起到降温作用。所以在采用多个气液回热蒸发器4-3，回热工质采用并联结构，使每个气液回热蒸发器4-3均匀降温。设置在气液联动泵4的进气口的目的：进入气液联动泵4的膨胀工质气体制冷，使膨胀工质气体的温度接近临界温度，获得低压状态下密度更高的膨胀工质气体，提高气液联动泵4的加压效率。设置在气液联动泵4的出气口的目的：在出口处对膨胀工质制冷，对升压膨胀工质进行降温，减少升压过程中膨胀工质的温度升高对气液联动泵4功耗的增加，同时便于后续的压力的稳定，减少气液联动泵4加压的功耗和多级加压过程的功耗。

进一步的，所述的气液逐级换热器3为多个，每个气液逐级换热器3由高、低压两个腔室组成，以串联结构连接，所述腔室内设置有回热工质换热管路3-1，回热工质换热管路3-1上设置有换热翅片3-2，所述腔室的内底部还设置气泡器。利用液体工质并通过设置于腔室中间的薄板换热器3-4隔绝换热，液体工质通过液体泵3-3与膨胀工质逆向运行。

所述气液逐级换热器3为多个。如图2，以四个气液逐级换热器3为例，每个气液逐级换热器3有两个腔室组成，两个腔室分别为高压腔室和低压腔室，高压腔室连接升压后的膨胀工质，低压腔室连接做完功后的膨胀工质乏气。四个气液逐级换热器3间的高压腔室和高压腔室串联，其低压腔室和低压腔室串联。低压膨胀工质乏气从高温的气液逐级换热器3依次进入气液逐级换热器3。高压膨胀工质从低温的气液逐级换热器3依次进入气液逐级换热器3，实现对膨胀工质乏气的逐级降温和对升压后的膨胀工质逐级升温，提高对乏热的再利用和高压膨胀工质的预热。如图6，膨胀工质气体都是从设置在腔室底部的气泡器形成小气泡和腔室内的液体工质换热，液体工质经过液体泵的作用向下运行和上浮的小气泡逆向运行，增加压膨胀工质气泡在液体中的滞留时间，以提高换热效率。液体工质通过设置两个腔室中间的薄板换热器3-4隔绝换热，实现热量传递。另外，每个腔室设置回热工质换热管路3-1，液体回热管路设置在高压腔室，气体回热管路设置在低压腔室，实现对回热工质冷凝液化后的热量利用。

进一步的，所述的气液逐级换热器3与气液回热蒸发器4-3之间设置有散热器10，散热器10可对液态回热工质进行散热。

所述的散热器10主要对液体回热工质进行散热，使液体回热工质冷却，冷却后的回热工质接近自然温度，便于液体回热工质进入气液蒸发器4-3，使回热工质在气液蒸发器4-3中蒸发吸热过程中，获得低于自然温度的状态，扩大温差，提高系统的热能转化效率。

本发明所述的一种闭式布雷顿循环二元发动机系统，其设计合理，便于使用，能源利用率较高，能有效降低设备的运行成本，适于推广。