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Title:
SELF-COOLED THERMAL WORK DOING METHOD
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2014/063443
Kind Code:
A1
Abstract:
A self-cooled thermal work dong method. A procedure in which a working substance of a thermal system doing work by absorbing heat from a heat source comprises a temperature rise process in which the working substance in a low-temperature state is pressurized and absorbs heat and becomes a dynamic gas source, an expansion-based work doing process in which the dynamic gas source enters an expansion-based work doing system, and a heat discharging process in which the low-temperature working substance continues to release heat after completing the expansion-based work doing process. A thermal cycle is realized after the temperature rise process, the expansion-based work doing process, the heat discharging process and the temperature rise process, the gas working substance completing the expansion-based work is heated or liquefied by using a heat pump process. When the heat is released in the heat pump process, a parameter of the temperature or the pressure of the working substance is less than a maximum parameter of a power source. Joint work is done in which the expansion-based work doing process absorbs part or all of the heat released in the heat pump process. In the backheating process, the heat discharged by the system is absorbed in the absorbing process of the system. A heat pump method by injecting a rotational flow to transfer heat, and an injection-based gas extraction method are further provided.

Inventors:
ZHANG YULIANG (CN)
Application Number:
PCT/CN2013/001277
Publication Date:
May 01, 2014
Filing Date:
October 22, 2013
Export Citation:
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Assignee:
ZHANG YULIANG (CN)
International Classes:
F01K27/00; F04F5/22; F04F5/44; F25B30/00
Foreign References:
CN102852567A2013-01-02
CN102797515A2012-11-28
CN2656909Y2004-11-17
CN102435017A2012-05-02
JPS59197000A1984-11-08
JPS6394100A1988-04-25
CN101592169A2009-12-02
CN101598040A2009-12-09
CN101666250A2010-03-10
CN1470823A2004-01-28
CN102549357A2012-07-04
US4442682A1984-04-17
JP2004263916A2004-09-24
US20020194994A12002-12-26
JPS62103405A1987-05-13
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Claims:
WO 2014/063443 权 利 要 求 书 PCT/CN2013/001277

1、 自冷式热力做功方法, 属于热能动力领域, 热力系统的工质从热源吸热做功, 包括了 工质从低温状态升压吸热后成为动力气源的升温过程、 动力气源进入膨胀做功系统后的膨胀 做功过程, 以及完成膨胀做功的低温气体工质进一步释放热量的排热过程, 热力系统从升温 过程、 膨胀做功过程到排热过程后再到升温过稃后实现热力循环过程, 其特征是: 工质从高 于环境温度的热源吸收了热量, 或从等于或低于环境温度的热源吸收了热量; 热力系统采用 了热泵过程吸收排热过程中低温气体工质释放的部分或全部热量, 膨胀做功过程或者 ώ膨 胀做功过程与升温过程吸收热泵过程释放的部分或全部热量; 热力系统采用了回热过程, 回 热高温端有膨胀做功过 或排热过程或者二 #都有, 热低温端有升温过程或热泵过程吸热 工质或者二者都有。

2、 一种喷射旋流换热式热泵方法, 工质通过膨胀做功从低温环境或低温工质吸取热量, 其特征是: 向低温环境或低温工质吸热的换热单元采用旋流器结构, 吸热工质通过喷嘴喷射 切向或斜向进入旋流器, 高速喷射降温后通过旋流器壁与外部工质或环境吸热, 然后进入排 气管排出, 在排气管内采用直通方式或采用增加回收旋流动力的导流器方式, 换热过程采用 单个换热单元构成的换热器或采用两个或多个换热单元组成换热器。

3、 如权利要求 1所述的自冷式热力做功方法, 其特征是: 热泵过程采用了喷射旋流换热 式热泵或者采用了喷射制冷过程或抽汽制冷过程或压缩冷却过程使气体工质降温或液化, 或 者采用了喷射旋流换热式热泵与后三种使工质降温或液化过程之一组合的方式; 所谓的喷射 制冷过程是指热泵动力系统使 体 : 1 :质 冷凝器之间产 ^ΓΚ力 , 冷凝器采 ffl了喷射旋流器 分离方式, 喷射旋流器采 了^ ^的½体结构或 ¾川壳体加内靑转筒结构, 冷气体工质通过 喷嘴沿切线方向喷射进入喷射旋流器实现唢射制冷液化并 液分离, 未冷凝气从出 υ排出, 未冷凝气出口通道中采用直通方式或采用增加回收旋流动力的导流器方式; 所谓的抽汽制冷 过程是指热泵动力系统抽取蒸发室内蒸汽使蒸发室维持过冷状态, 过冷液体工质与液化前冷 气体工质通过换热器换热或通过循环泵直接泵入冷凝器混合使冷气体工质降温液化, 冷凝器 内部分液态工质通过节流通道或喷嘴进入蒸发室实现循环液化过程; 所谓的压缩冷却过程是 指气体工质经过压缩升温后被换热器吸热降温或液化的过程。

4、 一种新的喷射抽气方法, 动力气源通过喷嘴喷射抽取低压气源, 其特征是: 喷射抽气 系统采用了单级喷射抽气, 或者采用了 Φ·级或多级循环喷射抽气, 或者采用了循环与串联或 并联结合或者循环与串联及并联结合的 合喷射抽气; 喷射抽气系统的同级喷嘴采用了单喷 嘴分布或多喷嘴分布, 喷射方式采用了直流或旋流或者介于二者之间的斜向旋流式, 射流与 扩压管采用了直通管结构或者多级循环喷射器的射流与扩压管采用喉管式缩放结构。

5、 一种单级多循环喷射抽气方法, 动力气源通过喷嘴喷射抽取低压气源, 其特征是: 喷 射抽气过程采用了单级喷射多循环方式, 循环管路通过一端在喷射器内部的勺管接收部分高 速气流产生冲压或者采用切向开口接收部分高速气流产生冲压而另一端受射流或旋流抽吸实 现循环流动, 喷射方式采用了直流或旋流或者介于二者之间的斜向旋流, 结构方式采用了循 环管路内置或外置或内外结合布置, 喷嘴分布方式采用了单喷嘴分布或多喷嘴分布。

6、 如权利要求 1所述的自冷式热力做功方法,其特征是:热力系统采用了喷射抽气系统, WO 2014/063443 权 利 要 求 书 PCT/CN2013/001277 动力气源来自热力系统最初的动力气源或来自膨胀做功过程中的动力气源, 用于膨胀做功过 程为膨胀机或喷管或热泵提供动力或在开式循环中为喷射抽气式鼓风机或引风机或压缩机提 供动力气源; 或者用于为热泵过程的压缩冷却或液化过程提供压缩气源或抽气动力, 或者用 于加热过程抽取空气为吸收空气热量的换热器提供压缩热空气, 或者以上使用方式中两种或 多种组合。

7、 如权利要求 3或 6所述的自冷式热力做功方法, 其特征是: 在热泵过程中的工质液 化系统前增加了辅助喷射抽气器, 冷气体工质先进入辅助喷射抽气器抽取工质液化系统内气 体工质后再进入工质液化系统。

8、 如权利要求 1所述的自冷式热力做功方法, 其特征是: 工质的膨胀做功过程采用了再 热或等温加热过程, 再热或等温过程布置为以下方式之一, ( 1 ) 在分段膨胀机之间; (2 ) 在 喷射抽气过程的旋流外壳上; (3 ) 在多级喷射抽气过程中的两级之间; (4 ) 在循环喷射抽气 过程的循环通道上; (5 ) 以上任意两种或多种方式组合。

9、 权利要求 6的自冷式热力做功方法, 其特征是: 热力系统通过燃料燃烧提供热源并 采用以下方式之一, (1 ) 燃烧室布置在工质升压后进入喷射抽气系统之前, 工质进入燃烧室 吸收燃料燃烧热升温成为燃气动力气源; (2 ) 燃烧室布置在喷射抽气系统中的 W级喷射器之 间, 从前级喷射器出来的工质进入燃烧室燃烧升温成为燃气动力气源后进入下- 级喷射器;

( 3 )有压燃料直接喷入喷射抽气系统的初级或次级或任意级喷射管内或扩压管内或循环管内 与工质燃烧成为燃气动力气源; (4 ) 燃烧 ¾¾用锅炉方式, 升^后的工质通过燃烧 ¾内或其 烟道中布置的加热器吸热成为动力气源; ( 5 ) 工质升 if;: 先通过燃烧 的保^系统吸热或吸 收发动机余热或者两种吸热过程都有; (6 ) 方式 (5 ) 与^四种方式之一的组合。

10、 如权利要求 1所述的自冷式热力做功方法, 其特征是: 排热过程产生的液态工质采 用热力升压, 所谓的热力升压是指增加升压容器接收液体工质, 并且在接收液体工质的通道 上增加了单向阀或者增加了单向阀与循环泵, 通过加热使升压容器内液体工质升压, 通过控 制单个或多个升压容器实现间断式或互补升压; 或者采用液力泵或容积泵升压; 或者在热力 升压容器的加热通道上增加气液分离器, 其液体通道上增加泵实现热力与泵力组合升压。

1 1、 如权利要求 1所述的自冷式热力做功方法, 用于制热或制冷, 其特征是: 增加对外 输出热力的换热器与膨胀做功系统中的膨胀机串联或并联或取代膨胀机; 在吸热过程增加换 热器输出冷源或在热泵过程增加吸热换热器输出冷源, 或者两种输出冷源方式都采用。

12、 如权利要求 1所述的自冷式热力做功方法,其特征是:热力系统采用独立工作方式, 增加蓄电池储能系统或液化气储能系统提供启动或稳定动力。

13、 如权利要求 1所述的自冷式热力做功方法, 其特征是: 膨胀做功过程或热泵过程采 用喷射旋流方式的设备其旋流器壁采用了波纹状, 或者旋流器采 ffl筒壁为波纹状并且分布了 微孔或缝隙的内筒, 工质喷射到内筒产生旋流, 微孔或缝隙分流出液体工质从内筒外侧收集。

14、 如权利要求 1所述的自冷式热力做功方法, 其特征是: 采用了混合气体工质; 或者 采用了高沸点工质循环与低沸点工质循环结合的双循环或多循环方式, 前者吸收热源做功, 后者以前者的排热为热源, 后者布賈了满 自冷式热力做功循环的热泵过程与回热过程。

Description:
自冷式热力做功方法 技术领域

本发明属于热能动力领域。

背景技术

热力学第二定律是热力学基础结论从來没有被 动摇, 但是遵守其规律热力做功系统必须 向低温热源排热而总是造成巨大的能源浪费, 例如单循环做功过程热效率最高只接近 50%, 如燃气轮机热效率不足 40%, 虽然 | | f'jij— 流热力学领域没有质疑的报道, 这并没有阻止人们 对其探索与思考, 尤其能源危机 环境破坏严重的今天, 任何可能的突破都是非常重要的。 为¾现 ·热源做功冇 -些解决方案, 遗憾的是还没有切实可行的案例, 归纳起来有以下几 种方案, Π ) 用热泵产热使热量在膨胀机做功, 这甲已被否定, 现实中理想的逆卡诺循环不 可能存在; ( 2 )认为定温过程膨胀做功比定熵过程多, 采用逆卡诺循环制冷源或制液体工质, 然后定温膨胀做功, 这同样足被 诺定律 定的, 因为 tt何可逆循环的热效率都和卡诺循环 相等。 ( 3 ) 利用热泵使气休. Ί :质液化, 将热泵排热通过回热换热器加热已经液化的工 质, 再通过液体工质吸收空气能升温进入膨胀机做 功, 这同样是现实中无法存在的, 错误的原因 Ί ( 1 )类似, 而且换热器不可能没有温差而交换热量, 即使开始能工作也会因为制冷量逐歩 衰减而最终停止工作。

尽管如此, 有以下几种情况使单一热源做功存在可能, 一、 上述方案没有把热泵过程与 膨胀做功过程分丌來考虑, 热泵过程温差越小制热系数越大而做功过程温 差越大做功越多, 热泵主要任务应该是将气体工质液化或降温而 没必要高参数排热, 没有充分灵活利用热泵优 势。 二、 喷射制冷技术可获得过冷液, 可以产生比液化前饱和气体温度更低的液化气 , 有利 于持续实现回热换热。三、传统的喷射抽气器 因为存在喉管缩放结构导致流动损失大效率低 , 其结构与性能有很大的改进空问, 加上简单无转动件而且工质在液态泵力升压受 热产生动力 消耗压缩功最小, 即喷射抽气制冷技术性能存在很大的提升空间 。 发明内容

本发明的目的: 大幅度提 '热力做功效率, 乃至 ¾现单一热源做功。

本发明的技术方案: 热力系统通过热泵尽可能低参数回收完成做功 后的排放热 Q 2 , 热泵 排放热通过膨胀做功过程吸收后回收压缩功, 通过回热循环最终使工质吸热升温过程吸收了 Qi , 使热力系统在满足同样热力循环的^提下向热 吸热量减少 Q2, 实现部分或全部 Q 2 只 在系统内部循环而不向外排放, 最大程度提高热效率。

具体方案为, 热力系统的工质从热源吸收热量做功, 包括了工质从低温状态升压吸热后 成为动力气源的升温过程、 动力气源进入膨胀做功系统后的膨胀做功过程 , 以及完成膨胀做 功的低温气体工质(对于以空气为工质的丌式 循环这単.的低温气体工质是从环境吸入的空 ) 进一歩释放热量的排热过程, 热力系统从升温过程、 膨胀做功过程到排热过程后再到升温过 程后实现热力循环过程, 其特征是: 工质从^干环境温度的热源 (例如燃料燃烧或余热或地 热及太阳能热力等) 吸收了热最, 或从 于或低于环境温度的热源 (例如自然环境中的空气 或湖水海水等热源〕 吸收了热傲; 热力系统; β川了热 ¾过程吸收排热过程中低温气体工质释 放的部分成全部热量, 山膨胀做功过 R成 ι^Ί ΐ ΐ膨胀做功过程 升温过程吸收热泵过程释放的 部分或 ^部热量, 可以尽 nj'能降低热¾排热 或 力以减小热泵能耗: 热力系统釆 ffl了 L 'ι热高温端^膨胀做功过 w或排热过 或 :- 都冇, | 1热低温端 w升温过稃或热 过¾吸热 T质或者 者都冇, | |热过 W通过从 端 Ι(ϋ低温端传热满足 Q2回收与循环。整 体方案的实质是热力系统内部丄质依然^ / 低温度之 循环丄作, liij对外》Γ以做釗 H收部 分或 部 rt.热实现大幅度捉 热效牢., JK 1 、循环 : !'.作过 可以理解为: 热泵耗功 W P 吸收热 力过程排放热 Q2后产 Q 2 +W P 的热 进入膨胀做功系统做功 W P , 将剩余的热量 Q 2 通过 0热换热器被升温过程吸收, 这样本应该从热源吸热 的工质升温过程只需从热源吸热 Q- Q. - Q2 , 因为做功也是 Q Q2 , 因此 W=Q热效率为 1而不需要向冷源排热实现单一热源做功。 这说明, 只要解决好回热循环, ^少 n¾论卜. [ ^冷式热力循环可以利用热泵自动创造低于环 境温度的冷源, 可以从 气中吸热做功 liu成为纯 能发动机。

--般情况膨胀做功系统吸收热泵过 释放热 的方式¾}¾换热器换热或直接吸收其排放 丄质, 热 过程可以山膨胀做功过 W 1 接提供动 或山 门的动力装 提供动力。

冷式热力做功系统采用闭式循环 功时, 热 ¾过¾厲于内循环不从外吸热 tii不对外排 热, 系统从热源吸收的热量全部对外做功, Jii J - 'T'. 热源做功。 :'1采用幵式循环对外做功吋, 1 ( 1冷式热力做功系统可以做到排放热 :个人十从环境吸收热 rniiu等效于 *向环境排热, Hi 于单 ·热源做功, 其中一种特殊情况^ U 制冷成制热系统, 只/ 内部 压缩 1 j膨胀的做功 过¾, 其对外输出热量等于从热源吸收热 Μ_。 ι;¾际运 ίΐ中不严格遵守单- ·热源做功的 [^冷 式热力做功方式, 尤其开始循坏, ι'ί使系统工作 活性。

提出一种喷射旋流换热式热泵方法,工质通过 膨胀做功从低温环境或低温工质吸取热量, 其特征是: 向低温环境或低温工质吸热的换热单元采用旋 流器结构, 吸热工质通过喷嘴喷射 切向或斜向进入旋流器, 高速喷射降温后通过旋流器壁与外部工质或环 境吸热, 然后进入排 气管排出, 在排气管内采用: 通方式或采川増加 W收旋流动力的导流器方式, 换热过程采用 个换热单元构成的换热器或采川 个或多个换热 儿^成换热器, 如; {1并联组合。

1冷式热力做功系统的热泵过 ^可以 ¾川 ^射旋流换热式热泵, 或者采用了喷射制冷过 ¾或抽汽制冷过程或压缩冷却过程使 休: I:质降^或液化, 或者采用了喷射旋流换热式热泵 与后 Ξ (种使工质降温或液化过程之一组 ^的 'Λ. 采川了唢射制冷或抽气制冷过程使一部分 工质液化同时必然会使另 -部分气体工质焓 ffl fi加,通过^流扩 后温度上升形成热泵效应。 所谓的喷射制冷过稃是指热泵动力系统 〔休: I:质 1 j冷凝器之 产生压力差, 冷凝器采川了 喷射旋流器分离方式, 喷射旋流器采川了 的売休结构或采用壳体加内置转筒结构, 冷气 体工质 (这里指经过降温成为饱和或接近饱和 皮的 W以实现喷射液化的气体工质) 通过喷 嘴沿切线方向喷射进入喷射旋流器实现喷射制 冷液化并气液分离, 未冷凝气从出口排出, 冷 凝器采用单个或多个串连或串并联结合的方式 , 冷凝气出「1通道中采用直通方式或釆用增 加回收旋流动力的导流器方式; 所谓的抽汽制冷过程是指热泵动力系统抽取蒸 发室内蒸汽使 蒸发室维持过冷状态, 过冷液体工质与液化 令气体工质通过换热器换热或通过循环泵直接 泵入冷凝器混合使冷气体工质降温液化, 冷凝器内部分液态工质通过节流通道或喷嘴进 入蒸 发室实现循环液化过程; 所¾的压缩冷却液化过程是指气休工质经过 缩升温后被换热器吸 热降温或液化的过程, 即 热泵效应产生的热 ffl被换热器吸收。 热¾过程可以产生比制冷 (ΐί/ 更低的液体或气体工质, 为闭式循环单一热源做功创造了 ¾关键的条件, L:屮采/ Τ]喷射制冷 过程或抽汽制冷过程在循环工质之间需要¾加 热换热器确保低温气源达到需要的参数。

膨胀做功系统或热泵系统 W以采用喷射拙气过 fi!为膨胀机成喷管或热 ¾系统提供动力气 源或抽气动力, 可降低成本简化系统。 这 提出新的喷射讪 系统, 喷射讪气系统 ¾用了 级唢射抽气, 或者采 ffl了单级或多级循环喷射抽气, 或 采 ffl了循环 Ψ眹或并联结合或者 循环与串联及并联结合的复合喷射抽气; 喷射抽气系统的同级喷嘴采用了单喷嘴分布或 多喷 嘴分布, 喷射方式采用了直流或旋流或者介于二者之间 的斜向旋流式, 射流与扩压管采用了 直通管结构或者单级或多级循环喷射器的射流 与扩压管采用喉管式缩放结构。 所谓的循环喷 射抽气是指喷射抽气过程中每级抽气抽収的足 卜级抽 i 缩做功后的气源, 末级抽气抽収的 是热功转换装置经膨胀做功后的尾气或 它气源, 实现逐 ^循环抽气逐 ^ 人循环流量到木 级集屮膨胀做功, 单级循环喷射抽 直接抽取热功转换装 膨胀做功后的½气。 循环喷射抽 气动力系统原理的实; ^是, 无论足循环仙取本系统排 (还迠抽取 它气源, 都是动力气源抽 入被抽气源并对被抽入气源 缩做功的过程, ^参数动力 ^源/ 做功过 W屮参数降低换來质 贵流量增加而做功能力不下降, 即动力不减, 通过; I;联 ^并联及循环喷射抽气的

现高参数高效率运行。

本发明同时提出一种单级多循坏喷射抽气方法 , 动力气源迎过喷嘴喷射抽取低^气源, 其特征是: 喷射抽气过程采用了^级喷射多循环方式, 循环管路 iiS过一端在喷射器内部的勺 管接收部分高速气流产生冲压或者通过一端在 喷射器内部采用切向开口接收部分高速气流产 生冲压而另一端受射流抽吸实现循环流动, 喷射方式采用了直流或旋流或者介于二者之 I'nJ的 斜向旋流, 结构方式采用了循环管路内置或外置或内外结 合布貿:, 喷嘴分布方式采用了单喷 嘴分布或多喷嘴分布。 ^级喷射多循环方式避免了工质反复压缩与喷 , 可简化结构并提高 内部流通效率。

一 -种典型的自冷式热力系统丌式循环是燃气动 系统, 燃料在燃烧室与氧化剂燃烧为系 统工质提供热源, 可以 ώ循环唢射抽气系统 膨胀机或喷管 成膨胀做功系统, 动力气源先 进入循环喷射抽气系统再进入膨胀机或喷 山循环唢射抽气系统为热泵系统提供仙气动力 或压气动力, 或者利用系统余热为工质 冷式液化或降 ^过程½供热动力。

液体工质升压吸热成为动力气源的过^可采川 力升 方式, 所 的热力升压^指热力 升压容器在排出流量受限制或密闭的条件下受 热其压力会显著上升实现加热升压, 可减少自 冷热力系统内部功耗增加做功能力,可以采用 液力泵或容枳¾升压与热力升压相结合的方式

自冷式热力做功方法可以做到单一热源做功, 客观 h证明了热力学第二定俅存在错误, 至少是片面的, 将对热力学产 重要影响, 可总结为以下儿个方而: (1 ) 系统内部热力做功 过程 "冷源"是必须的, 但可以通过热泵 [¾冷创造 "冷源", 外部冷源不是必须的, 整体的热 力循环系统可以不受热力学第二定律约束而实 现单一热源做功。 (2 ) 系统做功能力山热源温 度与系统压力及工质物理性质决 ,环境空气或水资源具有的近似恒温热量是可 利用的能源, 空气能发动机完全可以实现, 纯空气能发动机热量収之于环境最终也必然释 放于环境而对环 境不产生影响。 ( 3 ) 无论利用空气能还是传统能源做功, 最大热效率为 1, 理论上随所选工 质沸点降低可以无限接近 1。 (4 ) 燃气既包括了燃料化学能产生的热量也包括了 空气热量, 如果空气热量不计入热源则燃气发动机的燃料 热效率可大于 1。 ( 5 ) 热泵过程耗功 (或耗能) 是单一热源做功系统必须的, 即使系统与外部环境绝热至少内部工质流动损 失也会增加内部 热泵耗功, 热力系统可以从单一热源吸热使之完全转化为 功但不可能同时对外部环境及内部 热泵耗功不产生影响。 (6 ) 同等热力系统条件下, 单一热源做功是将 Q2在系统内循环而不向 外排放, 因减少了 中从热源吸热量而提高了热效率, 但不能增加系统动力输出。

这早.涉及的工质气或气体的概念是包括空气 烟气、 蒸汽、 湿空气及氟利品等各种单一 的或混合的气态工质的广义概念, 膨胀机是指包括气轮机及螺杆式膨胀机等各种 使工质膨胀 对外做功的设备, 以下问。本发明足在专利屮请 CN201210165823.0 ( ·¾ PCT/CN2012/000724 , 内容相同) 基础上完成的, 涉及范围广将结合具体实施方式进一歩说明。 本发明的优点:

1 . 提出自冷式热力做功新方法,不仅可以大幅度 提高热效率而且可以实现单一热源做 功, 有很好的¾用性, 儿乎可以用于任何能源动力系统屮, 空气能发动机将得到普遍利用。

2. 提出多种低参数热泵循环的气体工质液化方案 ,获得的液态工质温度总是比液化前 温度更低, 为增加低温回热换热器创造了条件, 说明热力系统完全可以 "自创低温热源" 而 不需要外部环境提供, 解决了单一热源做功最关键的难题。

3. 采用循环喷射抽气动力系统为热力膨胀做功及 喷射或抽汽制冷的气体工质液化过 稃创造了高效率低成木的优势, 既可以适应任何系统提供的高参数又可以解决 小机组热力系 统的严重的容积损失难题, 具有无转动件做功优势, 而且在吸收空气热量膨胀做功的过程中 容易实现等温膨胀或再热膨胀, 使自冷式热力系统包括空气能发动机具有很好 实用性。 对传 统的燃气热力循环在满足高参数高效率同时可 很好的改善涡轮转子的温度环境。

4. 采用热力升压方法使热力系统转动机械更少甚 至无转动机械工作, 实现无功耗升 压, 在空调等小薇型机组具有更好的实用性。

5. 采用压缩空气强制通风换热, 不仅避免了低温工质带来的换热器结霜问题, 而且可 以提高初参数减小热力系统体积, 增大功率输出, 使空气能做功系统尤其空气能发动机的实 用性能大幅度提高。

6. 本发明同时提出一种喷射旋流换热式热泵与压 缩制冷式降温液化方式组合,可实现 较高压力与温度下的工质液化使系统避免除湿 结霜等问题而更加优化实用, 对于工业其它热 交换领域也有重要意义。

7. 提出采用柱塞泵及螺杆泵或其它高压容积泵为 液化工质升压,在燃机系统中提出将 燃烧室布置在复合喷射抽气膨胀做功系统的过 程中避免直接承受工质最高压力, 为发动机追 求高参数高效率大功率之极限扫清了障碍。

8. 为气体液化提供了新方法, 冷热力做功系统的工质¾ 空气时, 减少动力输出 ¾ 加工质液化比例就可以输出液化空气或液氮。

9. 本发明将对工业及民用领域节能降耗, 对能源开发将产 普遍枳极意义。 附图说明

图 1是闭式自冷式热力做功循环原理图。

图 2是喷射制冷液化系统中的喷射旋流器示意图

图 3是增加了转筒的喷射旋流器结构简图。

图 4是自冷式热力做功过程的六种温熵图。

图 5做功过程与液化过程并联的自冷式热力做功 环原理图。

图 6是抽汽制冷液化过程与做功过程并联的自冷 热力做功循环的原理图。

图 7是 ^级或多级直通管喷射抽气器原理图。

图 8A是分体式多级串联循环喷射抽气系统采用了 热方式与气轮机组合示意 I 。 图 8B是旋流式喷射抽气器分体布 K方式示意图。

图 9是串并联及循环结合的复合唢射抽气器结^示 图。

图 10是循环管路内置的单级喷射多循环喷射抽气 原理示意图。

图 1 1是循环管路内外布置结合的单级多循环喷射 气器原理示意图。

图 1 2是循环管路外置的单级多循环喷射抽气器原 示意图。

图 1 3是单级多循环喷射器的两种内部冲压示意图

图 14是单级多循环喷射器的侧向抽气方式示意图

图 15是喷射旋流换热器结构简图。

图 1 6是采用^级多循环喷射器与压縮冷却制冷的自 式发动机示意图。

图 17是采用多级多循环喷射器与压缩冷却制冷的 冷式发动机示意图。

图 1 8是采用压缩机与压缩冷却制冷的自冷式发动 示意图。

图 1 9是燃烧室布贾在喷射抽气系统喷射管内的燃 轮机系统示意图。

图 20是燃烧室布 S在喷射抽气系统循环管内示意图。

图 21是采用热力升压的自冷式热力循环示意图。

图 22是制冷或制热的自冷式热力循环示意图。 具体实施方式

实施方式 1, 闭式自冷热力循环:

如附图 1所示的闭式自冷热力循环, 采用了喷射制冷液化系统 101实现气体工质排热液 化, 采用循环喷射抽气器 109与气轮机组 1 10 (或其它类型膨胀机) 组成膨胀做功系统同时 为制冷液化系统提供抽气与喷射动力, 工质一般可以是沸点低于常温的空气、 氮气、 C02或 者鼠 M 等气体, 也可以是水蒸气等高沸点气体。 沿箭头所示工质流动方向, 制冷液化系统 101产生的液态工质经泵 103升压后, 经过回热换热器 104、 105及 1 06 吸收热量后再经过加 热器 108吸收热源热量, 实现蒸发或气化 (低于临界温度称为蒸发超临界称为气化) ^度进 ^上升成为动力气源。 动力气源进入膨胀做功系统即循环喷射抽气器 109及气轮机 1 1 0做 功后排放低温气体工质, 低温气体工质经过回热换热器降温后成为冷气 体工质 (冷气体工质 这 ¾专指经过降温成为饱和或接近饱和温度的可 实现喷射液化的气体工质, 以下冋), 冷气 体工质经过喷嘴 1 14喷射进入喷射旋流器 101 (同时也是喷射制冷液化器或冷凝器) 内部分 冷凝液化并气液分离, 液体工质进入下面的储存箱 102, 从储存箱下面的管道进入泵 103升 压丌始新的热力循环, 未冷凝过冷气体从上部出口管通过回热换热器 105吸收系统排放的低 温气体热量后经过导流扩压器 1 13扩压升温后被循环喷射抽气器 109抽走 (回热换热器采用 左右两侧 0路上虚线框连接表示换热关系及传热方向, 与换热器结构无关, 以下各附图类似 虚线方式除专门说明外与此同意)。回热换热 应确保气体工质温度下降足以成为制冷液化需 要 的冷气源, 同时减少热源消耗提高热效率, 换热量可根据需要选择, 应该尽可能达到排放热 全部回热循环工作, 回热换热器按低温气体工质的流动力'向可以 用串联或并联 Ακ, 或者 采用了互相间隔串联布置, 增加回热换热是满足尽可能使 Q2全部回热同时满足工质液化需 要, 根据具体需要可以不局限图示布置方式。 阀 1 1 1与阀 1 12用于调节气轮机做功与制冷液 化系统负荷比例, 热力系统整体做功容量一般山泵 103调节, 也 ^以配合加热器 108的热负 荷调节。

需要说明的是, 喷射抽气器 109为所有喷射抽气器种类一般性表示, 不局限于图示单喷 嘴三级循环结构, 类似的加热器 108表示任何加热方式, 例如锅炉加热, 余热加热、 高温设 备冷却吸热、 太阳能辐射、 利用大气或海水加热等, 采用大气为热源时成为空气能发动机。 另外, 附图 1所示为闭式循环, 可以在排放气体工质通道增加对外散热器或对 外散热的热泵 成为部分向系统外排放的自冷式热力循环, 也可以根据需要在图中抽气管路或排放管路上 的 Κι或 Κ2或 点分开成为开式循环。

附图 2是喷射制冷液化系统中的喷射旋流 ·器, 其中 A为喷射旋流器主体结构示意图, B 为喷嘴切向喷射示意图, 虚线表示喷射流动方向, C为导流装置 121 结构示意图, 导流装置 主要是为了将旋流改为直线流回收旋流动力并 减速扩压, 导流叶片可以是多片也可以是蜗壳 扩压式 "单片"结构。 ώ于喷射抽气器 1 09的抽气与气轮机排气使气体工质在凝汽器内 产 生压力差, 低温气体工质通过喷嘴 1 14沿切线方向喷射进入旋流分离器实现喷射降 液化并 气液分离, 未冷凝气从出口管 123排出, 旋流分离器可以采用单个或多个串联或并联的 方式, 出口通道中采用直通结构或采用导流扩压装置 121 回收和利用气旋动力减小制冷液化系统阻 力。 冷凝的液态工质下降收集到储存箱 102内, 也可以增加导流扩压装置 122后旋流增加压 力。

附图 3所示的内部增加了转筒的喷射旋流器, 主要山外壳 13 1与转筒 132组成, 转筒上 下端向外延伸有短轴分别由外壳上下栅板式支 架支撑 (采用栅板式支架是为方便气流通过), 低温液体工质从外壳两侧的喷嘴喷射后经过转 筒侧栅板的间隙沿切向进入转筒内部产生旋流 并带动转筒转动, 旋流逐渐下移然后从中间出口通道螺旋上升, 并从转筒上侧栅板间隙以及 外壳出口通道内转筒支架栅板 133问隙流出喷射旋流器, 支架栅板 133可以设计为与导流叶 片合二为 - ¾结构。 分离出的液体工质顺转子内壁旋流向下从转筒 下侧栅板 I'nj隙以及下侧支 栅板 l j隙流出。 增加转筒可以大幅度减小喷射旋流器的阻力, 可充分发挥喷射制冷低成本 高效率简单可靠的优势, 如果采用磁悬浮轴承可更好适应射流与高转速 。

为进一 ^说明自冷式热力做功方法的原理,采用如附 4屮 A所示的温熵图近似表示其 循环过程, 外环表示卡诺循环 (即做功循环), 内环表示逆卡诺循环 (即热泵循环), 三个虚 线小方框表示热泵循环与做功循环之 fsj的三个热交换过程, !^对应系统动力气源初温或热源 温度, T 2 对应冷凝温度, 图示的内外循环没有完全封闭是为清楚表示 Q 2 在整个循环中传递 过程。 热泵耗功 W P 吸收热力过程排放热量 Q 2 后产生 Q2+W P 的热量进入膨胀做功系统做功 W P , 将剩余的热量 Q2通过回热换热器被吸热过程吸收, 这样木应该从热源吸热(^的工质升 温过程只需从热源吸热 Q= Qi- Q2, 因为做功也是 Qi-Q2, 因此 W=Q热效率为 1而不需要向 冷源排热, 实现单一热源做功。 这说明, 只要解决好回热, 至少在理论上自冷式热力循环可 以利用热泵 动创造低于环境温度的冷源, 加热器 (包括再热器) 可以吸收各种专门的热源 如燃气、 各种余热及太阳能辐射等, 只吸收空气能时即为纯空气能发动机。 回热换热器采用 附图 1所示分布时, 对应附图 4中 B , 将 Q 2 全部回收需要提高初温 Τ 进而提高排放气体工 质温度 T3, 设定满足单一热源做功需要的最低回热温度为 Τ .ι, 工质冷凝温度 Τ, 潜热 R , 升 H后液态工质比热 C , 排放气体工质定压比热 CP, 则有

Q2只有气化潜热, 则有

T 4 = R / C+T2 (2 )

低温冷凝压力为一个大气压强, 工质采用氮气以 (1 ) 式计算的 Τ.ί约为 263K ( -10Γ ), 对于 空气能发动机因为环境空气温度 Τι有限,可采用附图 5增加再热器 221对应附图 4中 C所示 的再热膨胀 (或等温膨胀) 尽可能使 Τ3大于 Τ 4 。 对于采用附图 4中 D所示的朗肯循环丙为 存在蒸发吸热可将 Τ4控制到或接近蒸发温度, 与 Β所示采用了定熵膨胀的空气能发动机, 都 可以采用附图 6所示的回热换热方式, 即为了满足 须从吸收了热泵排热的膨胀做功过程回 热到吸热过程。对于附图 4中 Ε的水蒸气再热循环在低温冷凝压力为一个大 压以(2 )式计 算 Τ 4 约为 910K ( 637°C ), 超出了 ΤΊ (一般火电机组为 55CTC ) , 只能采用减少再热级数的方 案, 等效于减小了 R。 附图 4中 F表示热力循环排放工质通过压缩冷却降温为 温压缩气体 而不液化的循环方式, 可以采用定温或定熵膨胀过程, 可以采用膨胀做功过程向吸热过程回 热。

如附图 4中 C所示用虚线表示了热泵过程,经过喷射旋流 化过程分离出的热泵排热气 体工质可直接经导流扩压可达到 T5的温度, 如果先经过回热预热到 T 4 对应温度再导流扩压 则可以达到 TV的温度, 进入膨胀做功系统后使膨胀过的工质热量增加 温度升高, 而且多级循 环喷射式膨胀做功的一个特点是会把末级吸收 热泵的热量自动随循环喷射逐级上传, 特别有 利于 iil冷式做功循环的逐级 iHl热, 可确保单一热源做功的回热要求。 事实上, 循环喷射抽气 系统是在末级为热 系统提供抽气动力的, 热泵过程显然只消耗了动力气源的一部分动力 , 热泵排热气体工质达到 T5吋,可以直接向吸热过程回热而不用经过先 膨胀做功过程吸收, 至少部分热泵排热可以这样 ^成。 为尽可能满足单 --热源做功回热要求, 热泵排热气体工质 还可以先吸收部分膨胀做功过程的热量提高回 热温度。 只是, 热泵排热回热到吸热过程会降 低系统输出动力, 一般轴功下降幅度为 WP。 综上所述, 任何采用传统的热力做功循环总是可 以通过合适的膨胀做功过程、 热泵过程及回热过程回收 Q2, 进而实现单一热源做功。

另外, 与附图 1膨胀机与工质冷却液化系统采用串联的方式 同, 附图 5与附图 6采用 了并联, 有利于强化制冷动力。 附图 6采用了抽汽制冷液化系统, 山循环喷射抽汽系统抽取 蒸发 ¾ 216内蒸汽使芄维持过冷状态, 过冷液体工质通过循环泵 215泵入冷凝器 218喷淋混 合使來自气轮机排出的低温气体工质经过两组 并联的回热换热器降温后的冷气体工质降温液 化, 冷凝器内部分液态工质通过节流通道或喷嘴 217进入蒸发器实现循环液化过程, 节流通 逍改为喷嘴^产生旋流有利十增加循坏泵入口 Hi fin节能。 通过在热泵过程中分离出的将要 进入膨胀做功系统的在扩 ffi升温之前的冷气体工质增加回热换热使喷射 抽气动力系统与制冷 液化系统很好实现高低温隔离, 有利于喷射动力系统采用定温或再热膨胀过程 。 采用抽汽制 冷同样使获得的液态工质温度总是比液化前气 体温度更低, 可确保制冷液化与回冷换热的持 续稳定工作, 虽然存在节流损失但是相比喷射制冷没有喷射 旋流产生的高速流动损失。

为优化工质液化前的温度、 力及流量参数, 在热泵过程中的工质液化系统前增加了辅 助喷射抽气器 219, 冷气体工质先进入辅助喷射抽气器抽取工质液 化系统内气体工质后再进 入工质液化系统, 也适用于其它热泵式工质液化方案。 另外, 工质液化系统也可以采用两个 或多个串并联组合, 在实际应用中可根据具体情况选择。

在附图 5所示的自冷式热力系统中在循环喷射抽气系 的循环管路上增加了加热器 221 起到再热作用。 再热过程或等温过程可以布置为以下方式之一 , (I )在分段膨胀机之间; (2 ) 在复合喷射抽气过程的旋流外壳上; (3 ) 在喷射抽气过程中的两级喷射之间; (4 ) 在循环喷 射抽气过程的循环通道上; (5 ) 以 h任意两种或多种方式组合。 提高自冷式热力做功系统热 效率或输出容量只需提高初参数压力与温度即 可, 而纯空气能发动机屈于恒温热源做功可通 过提高压力增加定温或再热过程提高容量, 大型热力系统可以采用多级液力泵升压, 小型热 力系统采用柱塞泵或其它容积泵提高压力, 选择低沸点气体工质有利于利用空气能, 如空气 或氮气。 回热换热器按低温气体工质的流动方向可以采 用串联或并联布置, 或者采用了互相 间隔串联布置, 一般应 ¾采用逆流换热尽量降低 T 4 , 增加回热换热是满足尽可能使 Q 2 全部 回热同时满足工质液化需要, 根据具体需要可以不局限图示回热布置方式。

综上所述, 热力系统可以采用热泵过程吸收排热过程中低 温气体工质释放的部分或全部 热量或者吸收部分膨胀做功过程的热量, 热力系统可以 ώ膨胀做功过程或者 ώ膨胀做功过程 与升温过程吸收热泵过程释放的部分或全部热 量, 吸收热泵排热的热力系统工质的温度或压 力不高于动力气源最高参数; 热力系统可以采用回热过程, 回热高温放热端有膨胀做功过程 或排热过程或者二者都有, 回热低温吸热端有升温过程或热泵过程吸热工 质或者二者都有。 施方式 2, 新的喷射抽气器:

附图 1、 附图 5及附图 6屮 !到的多级循环喷射抽气器不同, 如附图 7所示为直通管 旋流式唢射抽气器, 喷射与扩压过程放弃传统的喉管缩放结构而采 用直通管 (不局限等直径 i 可以渐扩或渐缩) 旋流喷射的方式, 其中 A表示单级喷射结构简图, B表示多孔喷射 示意图, C 与 D表示斜向旋流喷射示意图, 木尾有导流装置, E为直通管旋流式多级循环喷 射抽气器。

附图 8A 是分体式多级串联循环喷射抽气系统采用了再 热方式与气轮机组合; 附图 8B 所示的喷射抽气器分体布置的是旋流喷射特点 , 可以在最低温度的高速旋流状态与外界热交 换, 其旋流器结构有利于采用高效换热结构与材料 , 如波纹状或肋片结构及高强度铝合金外 壳等, 整体过程有利于实现与等温膨胀接近等效的再 热热力过程。 附图 9是串联并联及循环 结合的复合喷射抽气器结构示意图, 可用于高真空抽气并压缩。

附图 10是循环管路内置的单喷嘴多循环喷射抽气器 理图, 动力气源从喷嘴 231 进入 ^射器, 循环管路 232通过勺管接收高速气流产生冲压而另一端受 射流抽吸实现循环流动, Rj样其它 ^个循环管路也通过一端在喷射器内部的勺管 收高速冲压而另一端受射流抽吸实 现循环流动(虚线箭头表示气流流动过程), 最终通过抽气管 233从外抽入低压气体工质混合 并减速扩 后从出口管 234排出, 图中为简明只显示了单侧循环, 也可以采用上下双侧循环, 或者在同一圆周上布冒:多个勺管循环的方式 , 喷嘴喷气方式可以采用单喷嘴或多喷嘴喷射, 可以是直线喷射也可以采用切向旋流喷射或采 用介于二者之间的斜向旋流喷射, 采用旋流方 式时出门管 234应增加导流扩压措施, 其旋流与导流如附图 2中的 Β与 C所示的结构或采用 蜗壳结构, 这样有利于通过外壳换热也有利于减小与内循 环管路的阻力, 这种循环管路内賈 苹喷嘴结构减少了反复喷射的喷嘴损失, 因结构简单可通过增加长度、 直径或循环次数减小 射流或旋流流速损失, 有利于用于直接从外壳吸热的实现等温膨胀过 程。 附图 11是循环管路 内置与外青结合的单级多循环复合喷射抽气器 原理图,附图 12是循环管路外置的单级多循环 喷射抽气器原理图, 方便任一级循环与外部连接, 增加应用灵活性实用性。 附图 13中 Α与 Β 分别表示每个循环管路通过一端在喷射器内部 的勺管接收部分高速气流产生冲压或者通过一 端在喷射器内部采用切向开口接收部分高速气 流产生冲压而另一端受射流抽吸实现循环流 动。 附图 14是单级多循环喷射器的侧向抽气方式示意图 表示单级多循环喷射抽气器也可以 在木端增加弯管抽气与增加导流器 315直接向后喷射气流, 这样可以与传统喷射抽气器侧向 抽气使用方式一样。

归纳喷射抽气系统各种实施方式可分为以下几 种, 喷射抽气系统采用了单级喷射抽气, 或者采用了^级或多级循环喷射抽气, 或者从动力气源供气方式又可以分为采用了循 环与串 联或并联结合或者循环与串联及并联结合的复 合喷射抽气 (如附图 9) ; 喷射抽气系统的同级 喷嘴采用了单喷嘴分 ^或多喷嘴分布, 喷射方式采用了直流 (沿直线喷射, 普通喷射器的普 遍喷射方式) 或旋流或者介于二者之间的斜向旋流式, 射流与扩压管采用了直通管结构或者 多级循环喷射器的射流与扩 管采用喉管式缩放结构, 循环方式可分为采用了单级喷射单循 环 (如附图 1 中循环喷射器只采用末级喷射抽气时) 或多级喷射多循环 (如附图 1的复合喷 射器) 或单级喷射多循环 (如附图 10或 1 1 ), 结构方式采用了循环管路内置 (如附图 10 ) 或 外置 (如传统喷射方式或附图 14 ) 或内外结合 資 (如附图 11 )。

实施方式 3, 采用压缩与冷却液化方式的自冷热力循环:

附 1¾ 1 5 足唢射旋流换热式热 ¾ΐ的两种喷射旋流换热方式, 工质通过膨胀做功从低温环 境或低温工质吸取热量, 其特征是: 换热单元采用旋流器结构, 吸热工质通过喷嘴喷射切向 或斜向进入旋流器, 喷射过程与附图 2所示喷射旋流类似, 高速喷射降温后通过旋流器壁与 外部工质或环境吸热, 然后进入排气管排出, 在排气管内采用直通方式或采用增加回收旋流 动力的导流器方式。其中 Α排气管路内置可以减小体积, B排气管路可大直径设计减小阻力, 换热过程可以釆用单个换热单元构成的换热器 或采用两个或多个换热单元组成换热器, 可以 ΐ并联结合。 低温工质或环境空气按照虚线箭头方向流动经 过旋流器外围通道与内部工质换 热, 旋流器外围也可以采用换热膜片等方式增大换 热面积的方式取代通道, 可以通过风扇直 接 ¾工质或环境空气换热, 也可以通过压缩热气加热或直接的热源加热。

W m 16是一种自冷; it空气能喷气动力循环系统, 压缩机 34】及 342与气轮机 35〗 问轴 工作, 其屮一级压缩机 341 及二级压缩机 342与喷射旋流式换热器 353及单级多循环复合喷 射器 347的表面换热器组成双级压缩式热泵系统。 空气从压缩机 341开始被抽入系统并目.被 压缩进入喷射器表面换热器 347降温后进入二级 缩机 342再次压缩, 然后进入换热器 353 再次降温实现液化。 液化空气经泵 354升压经加热器 346加热气化升温为动力气源进入单级 多循环喷射器 347膨胀做功, 将从抽气管路 348抽取的空气混合升压后从出口管 349排出, - 部分为气轮机 351提供动力满足压缩机工作, 其余经喷管 350产生喷气动力。 单级多循环 喷射器 347外层采用夹层换热结构, 加热压缩机 341提供压缩热空气使喷射器内部形成近 似定温膨胀过程, 同时, 加热器 346也可以由加热压缩机 34】提供压缩热空气。 也可以 ώ其 它热源如通过燃气加热加热器 346或 347则成为燃气动力发动机。

如附图 1 7所示是在附图 16的基础上采用了喷射抽气器 361压缩工质取代二级压缩机, 喷射抽气器 361 的动力气源来自膨胀做功系统最初的动力气源 , 也可以来自膨胀做功过程中 的动力气源。 制冷液化动力气源与气轮机并联并且一分为二 , 其一通过管路 363为两个喷射 旋流换热式热泵的喷嘴提供动力, 其二通过管路 364进入喷射旋流换热式热泵 365被降温, 然后降温后的工质被喷射抽气器 361杣走二次压缩, 增加了换热器 362为二次压缩后工质降 温, 然后工质进入热泵换热器继续降温实现液化。 与附图 16比, 最大的优势是利用制冷动力 气源取代一级压缩机与利用喷射抽气器取代二 级压缩机实现压缩冷却液化工质。

这说明, 增加喷射抽气系统既可以象附图 16那样抽収空气为吸收空气热量的换热器提 供压缩热空气, 也可以抽取工质为压缩冷却或液化过程提供压 缩气源, ώ说明自冷式喷射抽 气热力系统可以专门对外提供压缩气体成为一 种气泵系统, 而且压缩气体产生的热量可以被 系统回收, 而传统的气泵压缩产生的热量无法被系统回收 利用。

如附图 18所示的是一种空气能发动机系统, 加热压缩机 372、 工质压缩机 371、 高压膨 胀机 378、 低压膨胀机 377 以及余热膨胀机 376同轴工作, 按工质流动方向工质压缩机 371 的前后布置了两个喷射旋流式热泵 379, 山低压膨胀机 377提供喷射制冷动力, 热泵过程排 出的气流进入余热膨胀机回收。 卨低压膨胀机之 Μ增加了 ¾热器, 山加热 DI缩机 372通过加 热器 375同吋为动力气源加热器及再热器提供热气流 , 从冉热器出来的加热气流尾气进入余 热膨胀机 0收膨胀功,加热压缩机可以确保 T1大于 T4有利于即使寒冷的冬天也能正常工作。 增加阀 374可以通过控制对外排气量调节压缩热 气的 ΠΙ力进而实现对系统工作及输出动力 的调节。 无论轴流式、 离心式还是容积式, 压缩机与膨胀机在工业领域都非常成熟, 或同轴 或独立安装, 容易实现简单可靠的发动机, 但与采用循环喷射抽气系统相比其成本较高。 这 种发动机系统可以采用与前述各实施例一样添 加液态工质后加热就可以启动。 另外, 本实施 方式中各例都采用了二级冷却压缩液化方式, 实际应用中也可以采用多级冷却压缩优化方案 。 再有, ^例都采用液化后泵力升压, 事实上可以采用再冷压缩或等温压缩, 循环过程如附图 4屮 F所示, 液化不足必须的。

在空气能发动机系统或其它自冷式热力系统中 , 吸收空气热量的换热器采用压缩热空气 或通风强制换热方式, 压缩热风或强制通风可山压缩机或风机提供, 或者 复合喷射抽气系 统提供。 ^缩热风强制换热可以避免液化气体工质吸热 程换热器表面结霜的难题。事实上, 喷射抽气系统采用空气为工质时,也可以抽取 低温工质为压缩冷却或液化过程提供压缩气源 , 或者专门生产压缩空气。

实施方式 4, 自冷式燃气发动机:

附图 19所示是采用了自冷式液化过程的喷气发动机 (或燃气轮机), 燃烧室布置在复合 喷射抽气器 406内部, 空气及有压燃料 (山管路 405提供) 在燃烧室内燃烧吸收燃烧释放的 热能并且在复合喷射器内循环喷射膨胀后成为 燃气轮机或喷管的动力气源。 喷射制冷液化系 统采用了二级串连的喷射旋流液化器, 山循环喷射杣气器 404及 403分别提供一级压缩空气 及二级压缩空气, ώ循环喷射抽气器 406为液化系统提供抽气动力完成热泵过程,加 热器 402 可吸收燃烧室保温散热热量, 也可以吸收发动机余热。

因为燃气动力产生的热源温度远高于环境温度 , 空气液化不必低于环境温度, 因此可以 采用传统的压缩冷却方式, 例如将冷却工质不是引自压缩气源而是通过管 路 408直接通入空 气, 喷射旋流换热器 409 也可以换成普通的气 气换热器, 但是这样结果是空气液化系统体 积比较大。 也可以采用传统的水冷方式通过管路 408通入冷却水, 喷射抽气器 406可采用复 合喷射抽气方式通过抽取冷却水容器内蒸汽回 收冷却水热量。

热力系统通过燃料燃烧为系统工质提供热源可 以采用以下方式之一, ( 1 )燃烧室布.實在 工质升压后进入喷射抽气系统之前,工质进入 燃烧室吸收燃料燃烧热成为燃气动力气源; (2 ) 喷射抽气膨胀做功系统分体布置时,如附图 8Α或 8Β所示的分体布置或只有布置燃烧室的级 问分体, 燃烧布置在喷射抽气系统中的两级喷射器之间 , 从前级喷射器出来的工质进入燃烧 室燃烧升温成为燃气动力气源后进入下一级喷 射器; (3 ) 有压燃料直接喷入喷射抽气系统的 初级或次级或任意级喷射管内或扩压管内 (如附图 19中 406, 包括采用附图 7中 Ε所示喷射 器结构) 或直接喷入循环管内 (如附图 20中 410 ) 与工质燃烧成为燃气动力气源, 使喷射抽 气系统兼备燃烧室功能; (4 ) 采用锅炉方式, 燃料与空气或氧气在燃烧燃烧室内燃烧, 升压 后的工质通过燃烧室内或其烟道中 置的加热器吸热成为动力气源; (5 ) 工质升压后先通过 燃烧室的保温系统吸热或吸收发动机余热或 两种吸热过程都有; (6 )方式(5 )与前四种之 一的组合。

综合以上^实施方式屮&种喷射抽气器使川方 式, 热力系统可以采用单级喷射单循环或 •Ti级喷射多循环或多级喷射多循环等各种喷 : W!气系统, 动力气源來自 S初的动力气源也可 以來 ^膨胀做功过程中的动力气源, 用于膨胀做功过程为膨胀机或喷 或热泵提供动力或在 丌式循环中为喷射抽气式鼓风机或引风机或压 气设各(将膨胀机或喷管换为喷射抽气器即可 ) 提供动力气源, 或者用于为热泵过程的压缩冷如或液化过程提 供压缩气源 (如附图 19 中的 403及 404 )或抽气动力, 或者用于加热过程扯¾¾气为吸收空气热量的 热器提供压缩热空 气 (如在附图 16中可以采用循环喷射器替代压缩机 341, 在附图 18中采用循环喷射器代替 压缩机 372 ), 或者以上使用方式中两种或多种组合。

实施方式 5, 采用热力升压的自冷式热力循环:

附图 21 是采 j†j了间断工作式热力升压的自冷式热力循环 利用封闭容器采用加热方式 可使 力显著升高的特点, 山冋热换热器提供热 两组升压容器 508交 f^L补工作为系统提 供相对稳定的压力。 升压容器 508接收系统排热过程或液化系统冷凝器产生的 液态工质, : 者通过单向阀与管路连通, 其 向导通性能可采用机械 Θ动方式或电动控制方式实现, 但这 样的工作方式 能依赖重力流动, 为方便控制可以采用循环泵加单向阀的方式。 增加喷射抽 气式余气动力回收装置 504,喷射抽气结构可以是单级也可以多级复合 喷射抽气,增加阀 502、 阀 503、 阀 506及阀 507, 与两个升 Π容器下面的单向阀, 共同组成切换阀组, 通过控制系统 控制切换阀组使升压容器与升压管路及余气动 力回收装 H 504之间的 ^通或隔离, 实现两个 升压容器在交替补充液位的过程中热力系统可 维持稳定的工作压力, 并在每次补充液位前先 回收余气动力。 在升压容器 508的加热通道上增加气液分离器 509及泵 501, 可实现热力升 压与泵力升压结合的升压方式, 在泵 501 前出口增加单向阀可实现热力升压独立工作以 及与 泵组合 T.作的自 ώ切换。 自冷式热力做功系统用于空气能发动机时, 因为温度参数低动力强 度稍弱些但是可以减少泵功消耗提升系统动力 输出。 空气能动力的喷气动力系统因喷射温度 低, 可以单个喷管喷射也可采用多喷嘴喷射缩短射 稃, 系统简单低成本无论空中还是地面移 动设备都可采用。 热力升压系统与泵 501 组合可以优势互补, 可避免泵在超低温的液氮或液 空环境工作。 另外, 热力升压方式也可以采用单个升压容器阶段式 工作, 省掉阀组交替控制 及余气动力回收装置 504, 其简单特点可用于小微型热力发电系统, 可采用蓄电池补充或者 直接采用两个或多个发¾系统同时工作补充间 性。

总结自冷式热力循环中升压方式, 热力系统排热过程产生的液态工质采用热力升 压, 所 谓的热力升压是指增加升压容器接收液体工质 , 并且在接收液体工质的通道上增加了 ^向阀 或者增加了单向阀与循环泵, 通过加热使升压容器内液体工质升压, 通过控制单个或多个升 压容器实现间断式或互补升压; 或者采用液力泵或容积泵升压; 或者在热力升压容器的加热 通道上增加气液分离器 509, 其液体通道上增加泵 501实现热力与泵力组合升压。

实施方式 6, 自冷式热泵制热或制冷: 如附图 22所示的喷射旋流换热式热泵循环, 循环喷射抽气系统的末级与膨胀机之间增 加了换热器 603制热输出热力,在液化系统出口与喷射抽气 器的抽气口之问布覽了换热器 605 制冷输出冷源, 热力系统在完成自冷式热力做功循坏的问时实 现了制冷或制热, 不用压缩机 成本低简单可靠。 因此, 自冷式热力系统的热源可以是空气能, 也可以是燃料等, 可以增加 对外输出热力的换热器与膨胀做功系统中的膨 胀机 Φ联或并联或取代膨胀机; 可以在在吸热 过程增加换热器输出冷源或在热泵过¾¾加吸 换热器输出冷源, 或 两种输出冷源方式都 采用, 可以通过膨胀机 604发电直接为泵 601提供 lii力 (如阁屮二者之间虚线连接所示), 这 样就可以通过加热器 602提供热力成为热力制冷制热机组, 不似 nj.以不消耗 力, 还 nj'以热 屯冷联产。 当热力系统采用 供电力独立工作方式时运行屮容 发生不稳定现象, W以 ¾加 蓄 池储能或液化气储能系统提供^动说或稳定动 。 W外, 山于制冷或制热冈热惯性特点一 般允许热泵系统存在波动性, 例如空调经常是间断性工作的, 因此自冷式热泵采用单个热力 升压器的热力升压方式, 甚至可以不用泵压, 可大幅度简化系统具有最大的低成本优势。

实施方式 7, 旋流器的改进

喷射旋流的工作方式对气休工质液化及喷射抽 气器简化 效率都冇重耍 义, 速旋流因为存在离心压力存在流动损失大的 题, 除采 fij附图 4所示的内 ¾转筒的方式改善 外,这甩提出膨胀做功过程或热泵过程采川喷 射旋流丄作方式的设 ^其旋流器壁采 波纹状, 例如采用正弦波状表面波纹, 射流气体主要在波峰很小比例的面枳有流动附 力, 波谷 ill然有 涡流因为高速射流的抽吸作用压力很小« ¾^【 状态流动损失很小, 要合现设讣波形及 波长与器壁直径的比例, 喷射旋流设^的流动损失^人幅度卜降。 W外, ώ πΓ以旋流器¾川 筒壁为波纹状并且分布了微孔或缝隙的内筒, -Τ.质唢射到内筒 ; Λ: / Ι·:旋流, 微孔或缝隙分流出 液体工质从内筒外侧收集, 这样 nj减小因为液化在器壁液膜增厚导致的流动损 与气液反¾: 混流导致的气液分离效率下降。

实施方式 8, 高沸点工质热力循环

在沸点较高的水蒸气循环热力系统中, 为尽可能降低排放温度总是使凝汽器内部达到 很 高的真空度, 这使得自冷式液化过程气液分离难度增大潜热 增加设备体积也增大许多, 为克 服这些问题提出采用两种或多种混合气体工质 工作, 热泵系统使混合工质降温液化过程中首 先使高沸点工质液化, 液化后的高沸点工质被升 加热成为动力气源, 低沸点工质参 抽气 循环过程, 最典型的就是水蒸气加氮气或二氧化碳或空气 。 另外一种采用高沸点工质循环改 进的方法是采用高沸点工质循环与低沸点工质 循环结合的双循环或多循环方式, 例如水蒸气 热力循环的排热过程为氮气热力循环的热源, 高沸点工质热力循环吸收热源做功, 低沸点工 质热力循环吸收高沸点工质热力循环的排热并 置了满足 Π冷式热力做功循环的热泵过程与 回热过程, 可克服采用高沸点工质热力循环适应温度范 了限的不足, 以及克服 τι低于 Τ4 的问题。 本发明为基础创新, 适用范围广泛, 不局限于¾施方式所述范 (1。