一種壓縮空氣動力發(fā)動機換熱系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于壓縮氣體驅(qū)動發(fā)動機技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種壓縮空氣動力發(fā)動機換熱系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在化石能源緊張和環(huán)境污染嚴重的背景下，傳統(tǒng)發(fā)動機尤其是車用內(nèi)燃機的油耗和尾氣污染問題成為了焦點。作為新能源發(fā)動機的一種，壓縮空氣動力發(fā)動機以高壓的空氣作為動力來源，通過利用存儲在其內(nèi)的壓力能膨脹做功輸出軸功率。制備高壓空氣的電能可通過風能、水能、潮汐等綠色能源獲得，而壓縮空氣動力發(fā)動機排放的是可呼吸的空氣，其工作過程是完全零污染的，因此壓縮空氣動力發(fā)動機研宄近年來受到廣泛關(guān)注。
[0003]壓縮空氣動力發(fā)動機的形式有很多種，目前較多采用結(jié)構(gòu)的是活塞式和轉(zhuǎn)子式。但各種結(jié)構(gòu)的壓縮空氣動力發(fā)動機在運行過程中都不可避免地出現(xiàn)了關(guān)鍵部位低溫冰堵的現(xiàn)象。在壓縮空氣動力發(fā)動機系統(tǒng)工作過程中存在氣源容器放氣過程、減壓機構(gòu)節(jié)流過程和發(fā)動機氣體膨脹過程，由于空氣的膨脹和節(jié)流效應，會在上述過程發(fā)生部位產(chǎn)生較大的溫度降，而空氣無法做到完全的干燥，當溫度降低到空氣露點以下時，水分便凝結(jié)、凝固于管路內(nèi)壁上，嚴重時，氣體管路特別是減壓閥出口、發(fā)動機閥門等部位容易發(fā)生堵塞，影響發(fā)動機正常工作。針對這種情況，本發(fā)明提出了一種壓縮空氣動力發(fā)動機換熱系統(tǒng)的設計方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的:提出了一種壓縮空氣動力發(fā)動機換熱系統(tǒng)，防止壓縮空氣動力發(fā)動機運行過程中在關(guān)鍵部位發(fā)生低溫結(jié)露、冰堵。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0006]所述系統(tǒng)由減壓能量回收機構(gòu)(11)及傳動機構(gòu)i⑵、傳動機構(gòu)ii (12)，集中換熱器總成(13)，變量泵(6)，減壓能量回收機構(gòu)上游換熱器(5)、下游換熱器(10)和換熱介質(zhì)的循環(huán)管路⑷構(gòu)成；其中，減壓能量回收機構(gòu)(11)通過傳動機構(gòu)i(7)與變量泵(6)串接、通過傳動機構(gòu)ii(12)與集中換熱器總成(13)中的風扇串接；氣瓶組(3)通過上游換熱器(5)與減壓能量回收機構(gòu)(11)串接，再與下游換熱器(10)串接，后與低壓減壓閥(8)串接；進行熱交換的部位包括減壓能量回收機構(gòu)(11)本體，減壓能量回收機構(gòu)上游換熱器
(5)、下游換熱器(10)和壓縮空氣動力發(fā)動機本體(9);
[0007]減壓能量回收機構(gòu)(11)將高壓氣體減壓過程中消耗的壓力能轉(zhuǎn)化為軸功率作為驅(qū)動變量泵(6)和集中換熱器總成(13)中換熱器的風扇運行工作的動力。集中加換器總成(13)包括水箱散熱器、風扇等部件，水箱中存儲的換熱介質(zhì)采用乙醇，其凝固點較低，能夠滿足工作溫度范圍。
[0008]工作時換熱介質(zhì)通過水箱散熱器從大氣中吸收熱量，并由變量泵(6)從換熱器水箱中抽出，循環(huán)管路(4)依次經(jīng)過壓縮空氣動力發(fā)動機(9)本體換熱機構(gòu)、減壓機構(gòu)下游換熱器(10)、減壓能量回收機構(gòu)(11)、減壓機構(gòu)上游換熱器(5)，再回到水箱。
[0009]減壓能量回收機構(gòu)(11)在功能上是高壓減壓閥和轉(zhuǎn)子式能量回收裝置的串聯(lián)連接，可將高壓空氣減壓過程中消耗的壓力能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動機械能。在結(jié)構(gòu)上，減壓能量回收機構(gòu)(11)的轉(zhuǎn)子與變量泵(6)、集中換熱器總成(13)中的風扇相連接，由減壓過程中消耗的壓力能轉(zhuǎn)化來的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動機械能便驅(qū)動(6)、(13)轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)了能量的回收。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點:
[0011]本發(fā)明利用循環(huán)介質(zhì)吸收大氣環(huán)境熱量對關(guān)鍵部位進行換熱，防止在關(guān)鍵部位出現(xiàn)結(jié)露和冰堵現(xiàn)象。此外，驅(qū)動循環(huán)介質(zhì)流動的能量來源于高壓空氣減壓過程中消耗的壓力能，不需要額外的能量。
【附圖說明】
:
[0012]圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)原理圖。
[0013]1.高壓壓縮機，2.壓縮氣體管路，3.高壓氣瓶組，4.換熱介質(zhì)的循環(huán)管路，5.減壓機構(gòu)上游換熱器，6.變量泵，7傳動機構(gòu)i，12.傳動機構(gòu)ii，8.低壓減壓閥，9.壓縮空氣動力發(fā)動機，10.減壓機構(gòu)下游換熱器，11.減壓能量回收機構(gòu)，13.集中換熱器總成
[0014]圖2是帶換熱“水”腔的活塞式壓縮空氣發(fā)動機缸蓋結(jié)構(gòu)圖。
[0015]14.進氣口，15.排氣口，16.排水口
[0016]圖3是帶換熱“水”腔的活塞式壓縮空氣發(fā)動機缸蓋換熱結(jié)構(gòu)A-A面剖視圖。
[0017]17.進水口，18.換熱水套
[0018]圖4是帶換熱“水”腔的活塞式壓縮空氣發(fā)動機缸蓋換熱結(jié)構(gòu)B-B面剖視圖。
[0019]19.活塞進氣口，20.缸蓋進氣口通道
[0020]圖5是帶換熱“水”腔的活塞式壓縮空氣發(fā)動機缸蓋換熱結(jié)構(gòu)C-C面剖視圖。
[0021]21.活塞排氣口，22.缸蓋排氣口通道
[0022]圖6是帶換熱“水”腔的活塞式壓縮空氣發(fā)動機缸蓋換熱結(jié)構(gòu)D-D面剖視圖。
[0023]圖7是帶換熱“水”腔的活塞式壓縮空氣發(fā)動機缸蓋的水套輪廓圖。
[0024]23.環(huán)形結(jié)構(gòu)，24.主流道，25.副流道，26.回流道
[0025]圖8是減壓機構(gòu)上下游換熱器的套管式結(jié)構(gòu)圖。
[0026]23.外管，24.內(nèi)管
【具體實施方式】
[0027]壓縮空氣動力發(fā)動機系統(tǒng)如圖1所示，高壓壓縮機(I)消耗電能將空氣壓縮，并將其儲存在高壓氣瓶組(3)中。工作時，高壓空氣流經(jīng)減壓機構(gòu)上游換熱器(5)、減壓能量回收機構(gòu)(11)、減壓機構(gòu)下游換熱器(10)和低壓減壓閥(8)后變成低壓氣體進入壓縮空氣動力發(fā)動機(9)，以供壓縮空氣動力發(fā)動機運轉(zhuǎn)。由于高壓空氣的減壓降溫和在減壓能量回收機構(gòu)(11)處的節(jié)流效應，使壓縮空氣溫度急劇下降。實際環(huán)境下，不能保證系統(tǒng)中壓縮空氣是完全干燥的，壓縮空氣溫度急劇下降會導致壓縮空氣中的水分結(jié)露，結(jié)冰析出。當析出量較大時，會在減壓能量回收機構(gòu)(11)節(jié)流口處、壓縮空氣動力發(fā)動機缸蓋進氣口
(14)、排氣口(15)處出現(xiàn)冰堵現(xiàn)象。嚴重時，會引起整個系統(tǒng)故障停運。因此，壓縮空氣動力發(fā)動機的換熱系統(tǒng)是必要的。
[0028]壓縮空氣動力發(fā)動機的換熱系統(tǒng)中，集中換熱器總成(13)包括水箱散熱器、風扇等部件，水箱中存儲的換熱介質(zhì)采用乙醇，其凝固點較低，能夠滿足工作溫度范圍。換熱介質(zhì)通過水箱散熱器從大氣中吸收熱量，并由變量泵(6)從換熱器水箱中抽出，循環(huán)管路(4)依次經(jīng)過壓縮空氣動力發(fā)動機(9)本體換熱機構(gòu)、減壓機構(gòu)下游換熱器(10)、減壓能量回收機構(gòu)(11)、減壓機構(gòu)上游換熱器(5)，再回到水箱。
[0029]減壓能量回收機構(gòu)在功能上采用類似齒輪、葉片式等馬達的結(jié)構(gòu)，在發(fā)動機運行過程中，通過高壓氣體流經(jīng)時產(chǎn)生壓差來回收壓力能，輸出軸功率，并作為驅(qū)動變量泵(6)和集中換熱總成(13)中的換熱器風扇運轉(zhuǎn)的動力。在發(fā)動機運啟動后，能量回收機構(gòu)同時啟動，無需額外的能量和控制，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速增加，耗氣量增大，各個部位的溫度效應加劇，通過能量回收機構(gòu)的流量也增加，轉(zhuǎn)速增大，使變量泵(6)也能自動提供更大流量的換熱介質(zhì)。
[0030]壓縮空氣動力發(fā)動機的配氣閥門的部位是容易發(fā)生低溫冰堵的位置，對于活塞是壓縮空氣動力發(fā)動機，在壓縮空氣動力發(fā)動機(9)本體處，缸蓋部位(圖2、3，4)的進氣口(14)、排氣口(15)是換熱的關(guān)鍵部位，結(jié)露、冰堵現(xiàn)象常常易在此處發(fā)生。因此，圍繞進氣口(14)、排氣口(15)，在缸蓋內(nèi)部設計了嵌入式換熱水套(18)結(jié)構(gòu)。進氣口(14)、排氣口(15)通過缸蓋進氣口通道(20)、缸蓋排氣口通道(22)與活塞進氣口(19)、活塞排氣口
(21)相連。循環(huán)換熱介質(zhì)從缸蓋底面的換熱水套進水口(17)進入換熱水套中(18)時，可對進氣口(14)、排氣口(15)，活塞進排氣口(19)、(21)各處進行換熱，防止在以上關(guān)鍵部位出現(xiàn)冰堵。
[0031]換熱“水套”的流通方式具體描述如下:圖2為發(fā)動機缸蓋外形圖，中14、15為壓縮空氣動力發(fā)動機配氣系統(tǒng)的排氣口、進氣口，16為換熱介質(zhì)的出口；圖7為嵌入缸蓋中的“水套”的外形圖；如圖6為缸蓋D-D面剖視圖，換熱介質(zhì)由入口 17進入換熱“水套”，一部分介質(zhì)通過主流道24進入“水套”主體，一部分介質(zhì)通過環(huán)形結(jié)構(gòu)23圍繞發(fā)動機排氣管道22流動，加強排氣管道附近的換熱效果，再通過副流道25進入“水套”主體，介質(zhì)通過“水套”流經(jīng)缸蓋主要部位通過回流道26流經(jīng)進氣口管道20附近，并通過介質(zhì)出口 16排出；如圖3缸蓋的A-A面剖視圖中，17為介質(zhì)入口，18為“水套”主體，16為介質(zhì)出口 ；
[0032]壓縮空氣動力發(fā)動機的換熱系統(tǒng)中，減壓機構(gòu)上下游換熱器(5)、(10)的一種設計方案是采用套管式結(jié)構(gòu)，其原理簡圖如圖8所示，循環(huán)換熱介質(zhì)在外管(27)中流動，壓縮空氣在內(nèi)管(28)中流動，兩種流體的流動方向相反，有利于充分換熱。
【主權(quán)項】
1.一種壓縮空氣動力發(fā)動機換熱系統(tǒng)，其特征在于:由減壓能量回收機構(gòu)(11)及傳動機構(gòu)i (7)、傳動機構(gòu)ii (12)，集中換熱器總成(13)，變量泵(6)，減壓能量回收機構(gòu)上游換熱器(5)、下游換熱器(10)和換熱介質(zhì)的循環(huán)管路(4)構(gòu)成；其中，減壓能量回收機構(gòu)(11)通過傳動機構(gòu)i (7)與變量泵(6)串接、通過傳動機構(gòu)ii(12)與集中換熱器總成(13)中的風扇串接；氣瓶組(3)通過上游換熱器(5)與減壓能量回收機構(gòu)(11)串接，再與下游換熱器(10)串接，后與低壓減壓閥(8)串接；進行熱交換的部位包括減壓能量回收機構(gòu)(11)本體，減壓能量回收機構(gòu)上游換熱器(5)、下游換熱器(10)和壓縮空氣動力發(fā)動機本體(9);工作時換熱介質(zhì)通過水箱散熱器從大氣中吸收熱量，并由變量泵(6)從換熱器水箱中抽出，循環(huán)管路(4)依次經(jīng)過壓縮空氣動力發(fā)動機(9)本體換熱機構(gòu)、減壓機構(gòu)下游換熱器(10)、減壓能量回收機構(gòu)(11)、減壓機構(gòu)上游換熱器(5)，再回到水箱。
【專利摘要】本實用新型屬于壓縮氣體驅(qū)動發(fā)動機技術(shù)領(lǐng)域，提出了一種壓縮空氣動力發(fā)動機換熱系統(tǒng)。本實用新型針對各類壓縮空氣動力發(fā)動機在運行過程中出現(xiàn)的關(guān)鍵部位溫度過低的問題，利用高壓空氣減壓過程中消耗的壓力能作為換熱系統(tǒng)驅(qū)動能，采用低凝固點的流體作為循環(huán)加熱介質(zhì)，吸收大氣環(huán)境熱量，對產(chǎn)生溫度降的減壓機構(gòu)本體及上下游的管路、壓縮空氣動力發(fā)動機本體關(guān)鍵部位，尤其是進排氣道進行加熱，防止在上述部位出現(xiàn)結(jié)露、冰堵等現(xiàn)象，并提高壓縮空氣動力發(fā)動機的能量使用效率。
【IPC分類】F01B31-08, F01B31-02
【公開號】CN204283502
【申請?zhí)枴緾N201420297540
【發(fā)明人】許啟躍, 孫珺朋, 蔡茂林
【申請人】北京航空航天大學
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2014年6月5日