CN102213158B - 压缩式排气自身冷却系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压缩式排气自身冷却系统，包括热动力系统、热动力系统排气道、排气热动力单元、压气机、第一排热器、第二排热器和膨胀单元，热动力系统的热动力系统排气道与排气热动力单元的进气口连通，排气热动力单元的排气口与第一排热器的被冷却气体入口连通，第一排热器的被冷却气体出口与压气机的压气机进气口连通，压气机的压缩气体出口与第二排热器的被冷却气体入口连通，第二排热器的被冷却气体出口与膨胀单元的进气口连通，排气热动力单元对压气机输出动力或对压气机补偿性输出动力。本发明所公开的压缩式排气自身冷却系统可高效的实现热动力系统的气相闭合循环，减少或消除热动力系统对环境的排放。
Description
技术领域
本发明涉及热能与动力领域，尤其是一种压缩式排气自身冷却系统。
技术背景
热动力系统(如发动机，燃气轮机等)中，有许多情况需要对排气进行冷却、液化或固化，例如为了回收排气中的二氧化碳就需要对排气进行冷却，分离其中的水蒸汽后再进行深度冷却，液化或固化二氧化碳。在有些情况下，例如为有效地对燃烧室回流排气，也需要对排气进行冷却。排气的温度一般都具有七八百度的高温，传统的方法是设置热交换器但是这一方法需要较大的换热面积，而且不仅将排气所具有的能量白白的损失还需耗散大量风扇功，因此造成体积庞大、功耗高等缺点。如果能够利用排气自身所具有的高温能量作推动力对其自身进行冷却，就可制造出耗能低的排气冷却系统。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出的技术方案如下：
一种压缩式排气自身冷却系统，包括热动力系统、热动力系统排气道、排气热动力单元、压气机、第一排热器、第二排热器和膨胀单元，所述热动力系统的所述热动力系统排气道与所述排气热动力单元的进气口连通，所述排气热动力单元的排气口与所述第一排热器的被冷却气体入口连通，所述第一排热器的被冷却气体出口与所述压气机的压气机进气口连通，所述压气机的压缩气体出口与所述第二排热器的被冷却气体入口连通，所述第二排热器的被冷却气体出口与所述膨胀单元的进气口连通，所述排气热动力单元对所述压气机输出动力或对所述压气机补偿性输出动力。
所述排气热动力单元设为动力透平，所述热动力系统排气道中的排气通过所述动力透平对外作功降温再经所述第一排热器排热降温后进入所述压气机进气口。
所述排气热动力单元设为活塞式作功机构，所述热动力系统排气道中的排气通过所述活塞式作功机构对外作功降温再经所述第一排热器排热降温后进入所述压气机进气口。
所述排气热动力单元和所述第一排热器组成的系统设为外燃式动力系统，在所述外燃式动力系统内所述热动力系统排气道中的排气加热工质A，所述工质A汽化推动作功机构，所述作功机构对所述压气机输出动力或对所述压气机补偿性输出动力，所述热动力系统排气道中的排气在所述外燃式动力系统中放热降温后进入所述压气机进气口。
所述压气机设为涡轮压气机。
所述压气机设为活塞式压气机。
所述膨胀单元设为节流器，经所述第二排热器冷却降温后的排气在所述节流器中膨胀降温和/或相变。
所述膨胀单元设为膨胀动力单元，所述膨胀动力单元对外输出动力或对所述压气机输出动力，经第二排热器冷却降温后的排气在所述膨胀动力单元中膨胀作功降温和/或相变。
所述膨胀单元的冷气体液固物出口与储罐连通。
设连通所述压气机进气口和所述膨胀单元出口的未凝气回流管，未凝气经所述未凝气回流管回流到所述压气机进气口处被进一步压缩。
在所述热动力系统排气道和所述膨胀单元之间的排气所流经的通道上设燃烧室回流口，所述燃烧室回流口与所述热动力系统的燃烧室连通。
所述排气热动力单元设为外燃式动力系统，在所述外燃式动力系统中排气加热工质A，所述工质A汽化推动作功机构，所述作功机构对所述压气机输出动力或对所述压气机补偿性输出动力，在所述外燃式动力系统中经作功冷却冷凝后的所述工质A经所述第一排热器吸热后进入所述第二排热器最后再进入所述外燃式动力系统的冷工质入口。
一种压缩式排气自身冷却系统，包括热动力系统、热动力系统排气道、压气机、工质A膨胀动力单元和膨胀动力单元，所述热动力系统的所述热动力系统排气道与所述压气机的气体入口连通，所述压气机的气体出口与工质A热交换器的被冷却流体入口连通，所述工质A热交换器的被冷却流体出口与所述膨胀动力单元的气体入口连通，所述工质A热交换器的被加热流体出口与所述工质A膨胀动力单元的气体入口连通，所述工质A膨胀动力单元的气体出口经散热器与液体高压泵的液体入口连通，所述液体高压泵的液体出口与所述工质A热交换器的被加热流体入口连通，所述工质A膨胀动力单元和所述膨胀动力单元对所述压气机输出动力或对所述压气机补偿性输出动力。
在传统的热动力系统中，对排气的冷却均是以消耗系统中的动力(如发动机的机械功)为代价的。因此，其能量消耗较大。由于热动力系统的排气温度较高，所以可以利用排气中的能量作为推动力对排气自身进行冷却。本发明所公开的压缩式排气自身冷却系统的原理是利用排气的能量(热能和压力能)直接获得动力或利用排气中的热量通过外燃循环方式获得动力，将所获得的动力直接对压气机进行作功或间接对压气机作功，将作功后并经过一定程度降温的排气进行压缩后散热再进行节流膨胀或作功膨胀实现对排气的冷却。根据压缩散热后的排气的温度和压力的不同，可以使排气的温度降到大气温度、低于大气温度，甚至可以达到二氧化碳的液化温度。本发明中所谓排气热动力单元是利用排气中的能量产生动力的装置，排气通过这一装置后冷却降温；所谓压气机是指对排气进行压缩的机构，如活塞式或涡轮式压气机；所谓排热器是指将高温排气对外排热的装置，可以是散热器，也可以是以降温为目的的热交换器，还可以是蒸发式冷却器(如火电站的冷却塔)；所谓膨胀单元是将排气膨胀降温的装置，可以是节流膨胀单元，也可以是膨胀动力单元，在节流膨胀单元中排气节流膨胀降温，在膨胀动力单元中排气膨胀作功降温；所谓补偿性输出动力是指非直接输出动力而是将动力输出到另一个单元中，而这个单元再对压气机输出动力。本发明中所谓连通是指直接连通、经过若干过程(包括与其他物质混合等)的间接连通或经泵、控制阀等受控连通。
本发明的热动力系统可以是大气吸气式，也可以是非大气吸气式(如自带氧源的热动力系统)。
本发明所谓的外燃式动力系统是指将排气作为热源加热作功工质，利用作功工质进行作功的动力系统，从结构上来说，主要包括作功机构、工质受热汽化器和作功后的工质冷却器；所谓工质A是指除排气以外的另外一种工质，可以是水，也可以是其他工质，例如低沸点工质等；所谓液固物是指液体或固体或两者的混合物；所谓未凝气是指在膨胀单元中没有被液化的气体，将未凝气回流到压气机进气口经压气机再次压缩散热膨胀可将这些气体液化；所谓燃烧室回流口是为了向燃烧室回流排气(或排气中的某一组分)所设置的气体导出口，回流口的位置可以设置在从排气道到膨胀单元之间的排气流经的通道上的任何部位，具体位置可根据燃烧室的燃烧状况和工作循环选定；所谓冷工质入口是指外燃式动力系统中进入加热器的工质入口，在这里所谓加热器是指以排气为热源加热作功工质的装置，类似于蒸汽热动力系统中的锅炉，而冷工质入口相当于蒸汽热动力系统中的锅炉的回水入口。
本发明的有益效果如下：
1、本发明可高效地对热动力系统中的排气进行冷却、液化和/或固化。
2、本发明所公开的压缩式排气自身冷却系统可高效的实现热动力系统的气相闭合循环，减少或消除热动力系统对环境的排放。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例2的结构示意图；
图3为本发明实施例3的结构示意图；
图4为本发明实施例4的结构示意图；
图5为本发明实施例5的结构示意图；
图6为本发明实施例6的结构示意图；
图7为本发明实施例7的结构示意图；
图8为本发明实施例8的结构示意图；
图9和图12为本发明实施例9的结构示意图；
图10为本发明实施例10的结构示意图；
图11为本发明实施例11的结构示意图；
图13为本发明实施例12的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示的压缩式排气自身冷却系统，包括热动力系统1、热动力系统排气道2、排气热动力单元3、压气机4、第一排热器5、第二排热器51和膨胀单元6，热动力系统1的热动力系统排气道2与排气热动力单元3的进气口连通，排气热动力单元3的排气口与第一排热器5的被冷却气体入口连通，第一排热器5的被冷却气体出口与压气机4的压气机进气口401连通，压气机4的压缩气体出口402与第二排热器51的被冷却气体入口连通，第二排热器51的被冷却气体出口与膨胀单元6的进气口连通，排气热动力单元3对压气机4输出动力或对压气机4补偿性输出动力。
实施例2
如图2所示的压缩式排气自身冷却系统，其与实施例1的区别在于：排气热动力单元3设为动力透平301，热动力系统排气道2中的排气通过动力透平301对外作功降温再经第一排热器5排热降温后进入压气机进气口401。压气机4设为活塞式压气机406。膨胀单元6上设冷气体液固物出口601。
实施例3
如图3所示的压缩式排气自身冷却系统，其与实施例2的区别在于：排气热动力单元3设为活塞式作功机构333，热动力系统排气道2中的排气通过活塞式作功机构333对外作功降温再经第一排热器5排热降温后进入压气机进气口401。压气机4设为涡轮压气机405。
实施例4
如图4所示的压缩式排气自身冷却系统，其与实施例1的区别在于：排气热动力单元3和第一排热器5组成的系统设为外燃式动力系统302，在外燃式动力系统302内热动力系统排气道2中的排气加热工质A311，工质A311汽化推动作功机构303，作功机构303对压气机4输出动力或对压气机4补偿性输出动力，热动力系统排气道2中的排气在外燃式动力系统302中放热降温后进入压气机进气口401。膨胀单元6上设冷气体液固物出口601。
实施例5
如图5所示的压缩式排气自身冷却系统，其与实施例4的区别在于：膨胀单元6设为节流器61，经第二排热器51冷却降温后的排气在节流器61中膨胀降温和/或相变。
实施例6
如图6所示的压缩式排气自身冷却系统，其与实施例4的区别在于：膨胀单元6设为膨胀动力单元62，膨胀动力单元62对外输出动力或对压气机4输出动力，经第二排热器51冷却降温后的排气在膨胀动力单元62中膨胀作功降温和/或相变。
实施例7
如图7所示的压缩式排气自身冷却系统，其与实施例1的区别在于：设连通压气机进气口401和膨胀单元6出口的未凝气回流管88，未凝气经未凝气回流管88回流到压气机进气口401处被进一步压缩。膨胀单元6上设冷气体液固物出口601。
实施例8
如图8所示的压缩式排气自身冷却系统，其与实施例1的区别在于：在热动力系统排气道2和膨胀单元6之间的排气所流经的通道上设燃烧室回流口100，燃烧室回流口100与热动力系统1的燃烧室连通。膨胀单元6上设冷气体液固物出口601。
实施例9
如图9或图12所示的压缩式排气自身冷却系统，其与实施例1的区别在于：排气热动力单元3设为外燃式动力系统302，在外燃式动力系统302中排气加热工质A311，工质A311汽化推动作功机构303，作功机构303对压气机4输出动力或对压气机4补偿性输出动力，在外燃式动力系统302中经作功冷却冷凝后的工质A311经第一排热器5吸热后进入第二排热器51最后再进入外燃式动力系统302的冷工质入口312。膨胀单元6上设冷气体液固物出口601。
实施例10
如图10所示的压缩式排气自身冷却系统，其与实施例1的区别在于：膨胀单元6设为膨胀动力单元62，利用膨胀动力单元62的输出功推动第二压气机331对排气进行进一步压缩，且在第二压气机331之后设有另一个膨胀单元6，在膨胀动力单元62和第二压气机331之间、在第二压气机331和所述另一个膨胀单元6之间分别设有第二排热器51，所述另一个膨胀单元6上设冷气体液固物出口601。
实施例11
如图11所示的压缩式排气自身冷却系统，其与实施例2的区别在于：排气热动力单元3设为动力透平301，热动力系统排气道2中的排气通过动力透平301对外作功降温再经第一排热器5排热降温后进入压气机进气口401。压气机4设为涡轮压气机405，膨胀单元6设为膨胀动力单元62，并且动力透平301、涡轮压气机405和膨胀动力单元62同轴设置。
实施例12
如图13所示的压缩式排气自身冷却系统，包括热动力系统1、热动力系统排气道2、压气机4、工质A膨胀动力单元661和膨胀动力单元62，其特征在于：热动力系统1的热动力系统排气道2与压气机4的气体入口连通，压气机4的气体出口与工质A热交换器999的被冷却流体入口连通，工质A热交换器999的被冷却流体出口与膨胀动力单元62的气体入口连通，工质A热交换器999的被加热流体出口与工质A膨胀动力单元661的气体入口连通，工质A膨胀动力单元661的气体出口经散热器110与液体高压泵111的液体入口连通，液体高压泵111的液体出口与工质A热交换器999的被加热流体入口连通，工质A膨胀动力单元661和膨胀动力单元62对压气机4输出动力或对压气机4补偿性输出动力。
Claims (10)
1.一种压缩式排气自身冷却系统，包括热动力系统(1)、热动力系统排气道(2)、排气热动力单元(3)、压气机(4)、第一排热器(5)、第二排热器(51)和膨胀单元(6)，其特征在于：所述热动力系统(1)的所述热动力系统排气道(2)与所述排气热动力单元(3)的进气口连通，所述排气热动力单元(3)的排气口与所述第一排热器(5)的被冷却气体入口连通，所述第一排热器(5)的被冷却气体出口与所述压气机(4)的压气机进气口(401)连通，所述压气机(4)的压缩气体出口(402)与所述第二排热器(51)的被冷却气体入口连通，所述第二排热器(51)的被冷却气体出口与所述膨胀单元(6)的进气口连通，所述排气热动力单元(3)对所述压气机(4)输出动力或对所述压气机(4)补偿性输出动力。
2.根据权利要求1所述压缩式排气自身冷却系统，其特征在于：所述排气热动力单元(3)设为动力透平(301)，所述热动力系统排气道(2)中的排气通过所述动力透平(301)对外作功降温再经所述第一排热器(5)排热降温后进入所述压气机进气口(401)。
3.根据权利要求1所述压缩式排气自身冷却系统，其特征在于：所述排气热动力单元(3)设为活塞式作功机构(333)，所述热动力系统排气道(2)中的排气通过所述活塞式作功机构(333)对外作功降温再经所述第一排热器(5)排热降温后进入所述压气机进气口(401)。
4.根据权利要求1所述压缩式排气自身冷却系统，其特征在于：所述排气热动力单元(3)和所述第一排热器(5)组成的系统设为外燃式动力系统(302)，在所述外燃式动力系统(302)内所述热动力系统排气道(2)中的排气加热工质A(311)，所述工质A(311)汽化推动作功机构(303)，所述作功机构(303)对所述压气机(4)输出动力或对所述压气机(4)补偿性输出动力，所述热动力系统排气道(2)中的排气在所述外燃式动力系统(302)中放热降温后进入所述压气机进气口(401)。
5.根据权利要求1所述压缩式排气自身冷却系统，其特征在于：所述膨胀单元(6)设为节流器(61)，经所述第二排热器(51)冷却降温后的排气在所述节流器(61)中膨胀降温和/或相变。
6.根据权利要求1所述压缩式排气自身冷却系统，其特征在于：所述膨胀单元(6)设为膨胀动力单元(62)，所述膨胀动力单元(62)对外输出动力或对所述压气机(4)输出动力，经第二排热器(51)冷却降温后的排气在所述膨胀动力单元(62)中膨胀作功降温和/或相变。
7.根据权利要求1所述压缩式排气自身冷却系统，其特征在于：设连通所述压气机进气口(401)和所述膨胀单元(6)出口的未凝气回流管(88)，未凝气经所述未凝气回流管(88)回流到所述压气机进气口(401)处被进一步压缩。
8.根据权利要求1所述压缩式排气自身冷却系统，其特征在于：在所述热动力系统排气道(2)和所述膨胀单元(6)之间的排气所流经的通道上设燃烧室回流口(100)，所述燃烧室回流口(100)与所述热动力系统(1)的燃烧室连通。
9.根据权利要求1所述压缩式排气自身冷却系统，其特征在于：所述排气热动力单元(3)设为外燃式动力系统(302)，在所述外燃式动力系统(302)中排气加热工质A(311)，所述工质A(311)汽化推动作功机构(303)，所述作功机构(303)对所述压气机(4)输出动力或对所述压气机(4)补偿性输出动力，在所述外燃式动力系统(302)中经作功冷却冷凝后的所述工质A(311)经所述第一排热器(5)吸热后进入所述第二排热器(51)最后再进入所述外燃式动力系统(302)的冷工质入口(312)。
10.一种压缩式排气自身冷却系统，包括热动力系统(1)、热动力系统排气道(2)、压气机(4)、工质A膨胀动力单元(661)和膨胀动力单元(62)，其特征在于：所述热动力系统(1)的所述热动力系统排气道(2)与所述压气机(4)的气体入口连通，所述压气机(4)的气体出口与工质A热交换器(999)的被冷却流体入口连通，所述工质A热交换器(999)的被冷却流体出口与所述膨胀动力单元(62)的气体入口连通，所述工质A热交换器(999)的被加热流体出口与所述工质A膨胀动力单元(661)的气体入口连通，所述工质A膨胀动力单元(661)的气体出口经散热器(110)与液体高压泵(111)的液体入口连通，所述液体高压泵(111)的液体出口与所述工质A热交换器(999)的被加热流体入口连通，所述工质A膨胀动力单元(661)和所述膨胀动力单元(62)对所述压气机(4)输出动力或对所述压气机(4)补偿性输出动力。
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