临界低熵混燃循环热动力系统技术方案

本发明专利技术公开了一种临界低熵混燃循环热动力系统，包括作功机构、连续燃烧室、开放燃烧包络、液体氧化剂源、燃料源和膨胀剂源，液体氧化剂源经氧化剂高压供送系统与连续燃烧室连通，燃料源经燃料高压供送系统与连续燃烧室连通，液体氧化剂源中的氧化剂以高压液态的形式进入连续燃烧室，燃料源中的燃料以高压的形式进入连续燃烧室；连续燃烧室与至少一个作功机构连通，开放燃烧包络设置在连续燃烧室内并且与连续燃烧室连通，液体膨胀剂源内的膨胀剂被导入开放燃烧包络和连续燃烧室之间的空间内。本发明专利技术所公开的临界低熵混燃循环热动力系统实现了高效、节能、低排放，是优于外燃循环热动力系统和内燃循环热动力系统的新一代热动力系统。

【技术实现步骤摘要】
本案为申请号为201110101854.5，名称为“临界低熵混燃循环热动力系统”的专利申请的分案申请
本专利技术涉及热能与动力领域，尤其是一种临界低熵混燃循环热动力系统。
技术介绍
1769年，外燃机的诞生直接引发了人类的第一次工业革命，也造就了大不列颠这个日不落帝国。1883年汽油机的诞生和1897年柴油机的诞生，标志了人类由外燃时代进入内燃时代的开始。以汽油机和柴油机为代表的内燃机，构筑了现代文明的动力基础，承载着人类无数梦想。由此可见，无论是外燃机还是内燃机，对人类文明的进程都作出了不可估量的贡献。时至今日，一个国家的内燃和外燃发动机设计、研发及生产水平是这个国家的综合国力的基本构成，也是这个国家的工业水平的标志。所有发达国家在内燃和外燃发动机领域里的投入都是十分惊人的。所有能够代表世界水平的发动机研发制造企业也都隶属于发达国家。然而，由于外燃机的热力学循环方式和内燃机的热力学循环方式的限制，导致了在这两个循环系统中只有部分热量参与作功循环而且还导致了外燃循环系统的T1值(即高温热源的温度)低和内燃循环系统的T2值(即排气温度)高的问题，更导致了无法解决的污染问题，最终造成无论是外燃机还是内燃机都无法使热动力系统的热效率(输出的功和燃料热值之比)有本质上的大幅度提高，排放污染问题也无法从根本上解决。事实上目前利用这两种热力学循环方式，对化石能源以及生物质能源进行热功转换，不仅是对能源的巨大浪费，也是对环境巨大的破坏。由此可见，必须专利技术一种新的循环方式才能从本质上提高热动力系统的热效率和解决排放污染问题。
技术实现思路
本专利技术所谓的混燃循环热动力系统是指燃料燃烧后的所有热量(或近乎所有热量)全部参与作功循环的热动力系统。为了实现燃料燃烧后的所有热量(或近乎所有热量)全部参与作功循环，可以采用两种方式，一是对燃烧室进行绝热，二是利用原工质在燃烧室内将燃烧室壁上的热量吸收带回燃烧室。例如绝热发动机，联合循环等都属于混燃的一种形式。本专利技术所谓的低熵混燃循环热动力系统是指燃料燃烧后的所有热量(或近乎所有热量)全部参与作功循环，而且燃烧室的最高压力大幅度高于传统热动力系统的燃烧室的最高压力。这一系统的低温热源的温度T2大幅度低于传统内燃机的排气温度，高温热源的温度T1大幅度高于传统外燃循环热动力系统的工质最高温度，效率明显高于传统热动力系统的效率。这一系统是继外燃循环热动力系统和内燃循环热动力系统之后的第三代热动力系统(或叫第三代发动机)。所谓临界低熵混燃循环热动力系统是指燃烧室内的温度和压力接近达到或超过工质的临界温度和临界压力的低熵混燃热动力系统。在本专利技术所公开的临界低熵混燃循环热动力系统中，由于原工质(即燃烧前的工质，包括氧化剂、燃料、膨胀剂和气体液化物)的压力和温度以及组分是可以独立控制的，所以燃烧室最高压力和最高温度是可以独立控制的，也就是说这与传统热动力系统中通过气体压缩过程建立室内原工质压力(所谓室内原工质压力是指将要燃烧时的燃烧室压力，这一压力应达到设计要求)的过程是完全不同的。在传统的热动力系统中，原工质的压力和温度是相互关联的，压力大温度必然高，而在本专利技术所公开的临界低熵混燃循环热动力系统中燃烧的最高压力大并不意味着燃烧室的最高温度高。为此，科学有效地调整燃烧室最高压力和最高温度可以制作出低温热源的温度T2很低，甚至大幅度低于环境温度的热动力系统。当T2低到一定值时，这种热动力系统的热效率会超过100％，这种热效率超过100％的热动力系统在本专利技术中定义为超低熵混燃循环热动力系统。所述超低熵混燃循环热动力系统并不违反能量守恒定律，其原因是：一、燃料的热值是指燃料在标准状态下燃烧后达到标准状态(可近视为环境状态)时所放出的热量。而所述超临界低熵混燃循环热动力系统的低温热源温度T2可接近、低于或大幅度低于环境温度(也就是近视的标准状态下的温度)。当所述低温热源温度T2大幅度低于环境温度时，也就相当于有更多的热量参与作功循环，当T2低到一定程度时，这部分多出来的热量就可以使系统输出功的量大于燃料的热值，也就使得热效率大于100％；二、所述超低熵混燃循环热动力系统中在某些情况下存在更低温度的低温热源，例如液态氧、液化燃料、液化膨胀剂(液化二氧化碳)，所谓的更低温度的低温热源中的原工质在循环过程中可以吸收环境中的热量和/或已经参与作功的排气中的热量，并将这些热量带入燃烧室参与作功循环，这就使参与作功循环的热量大于燃料燃烧所放出的热量，所以可以使系统对外输出的功大于燃料燃烧所放出的热量(即燃料的热值)，也就使所谓的热效率高于100％。本专利技术所公开的临界低熵混燃循环热动力系统在正常工作的情况下，不从大气中吸气。本专利技术中，图18是气体工质的温度T和压力P的关系图，O-A-H所示曲线是通过状态参数为298K和0.1MPa的O点的气体工质绝热关系曲线；B点为气体工质的实际状态点，E-B-D所示曲线是通过B点的绝热关系曲线，A点和B点的压力相同；F-G所示曲线是通过2800K和10MPa(即目前内燃机中即将开始作功的气体工质的状态点)的工质绝热关系曲线。本专利技术中，图18中的中的K是气体工质绝热指数，P是气体工质的压力，T是气体工质的温度，C是常数。本专利技术中，所谓的类绝热关系包括下列三种情况：1.气体工质的状态参数(即工质的温度和压力)点在所述工质绝热关系曲线上，即气体工质的状态参数点在图18中O-A-H所示曲线上；2.气体工质的状态参数(即工质的温度和压力)点在所述工质绝热关系曲线左侧，即气体工质的状态参数点在图18中O-A-H所示曲线的左侧；3.气体工质的状态参数(即工质的温度和压力)点在所述工质绝热关系曲线右侧，即气体工质的状态参数点在图18中O-A-H所示曲线的右侧，但是气体工质的温度不高于由此气体工质的压力按绝热关系计算所得温度加1000K的和、加950K的和、加900K的和、加850K的和、加800K的和、加750K的和、加700K的和、加650K的和、加600K的和、加550K的和、加500K的和、加450K的和、加400K的和、加350K的和、加300K的和、加250K的和、加200K的和、加190K的和、加180K的和、加170K的和、加160K的和、加150K的和、加140K的和、加130K的和、加120K的和、加110K的和、加100K的和、加90K的和、加80K的和、加70K的和、加60K的和、加50K的和、加40K的和、加30K的和或不高于加20K的和，即如图18所示，所述气体工质的实际状态本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种临界低熵混燃循环热动力系统，包括作功机构(1)、连续燃烧室(2)、液体氧化剂源(3)和燃料源(4)，其特征在于：所述液体氧化剂源(3)经氧化剂高压供送系统(301)与所述连续燃烧室(2)连通，所述燃料源(4)经燃料高压供送系统(401)与所述连续燃烧室(2)连通，所述液体氧化剂源(3)中的氧化剂以高压液态的形式进入所述连续燃烧室(2)，所述燃料源(4)中的燃料以高压的形式进入所述连续燃烧室(2)，所述氧化剂高压供送系统(301)、所述燃料高压供送系统(401)和所述连续燃烧室(2)的最低承压能力大于15.5MPa，调整所述液体氧化剂源(3)中的液体氧化剂的纯度和/或调整所述燃料源(4)中燃料的纯度和热值使所述连续燃烧室(2)内的燃烧温度高于800K，并使所述连续燃烧室(2)内的燃烧压力大于15.5MPa；所述连续燃烧室(2)与至少一个所述作功机构(1)连通，所述作功机构(1)对外输出动力；所述临界低熵混燃循环热动力系统还包括液体膨胀剂源(5)，所述液体膨胀剂源(5)经膨胀剂高压供送系统(501)与所述连续燃烧室(2)连通，所述液体膨胀剂源(5)中的膨胀剂以高压液态的形式进入所述连续燃烧室(2)，所述膨胀剂高压供送系统(501)最低承压能力大于15MPa；所述临界低熵混燃循环热动力系统还包括开放燃烧包络(2001)，所述开放燃烧包络(2001)设置在所述连续燃烧室(2)内并且与所述连续燃烧室(2)连通，所述液体氧化剂源(3)经氧化剂高压供送系统(301)与所述开放燃烧包络(2001)连通，所述燃料源(4)经燃料高压供送系统(401)与所述开放燃烧包络(2001)连通，所述液体膨胀剂源(5)经膨胀剂高压供送系统(501)与所述连续燃烧室(2)连通，所述液体膨胀剂源(5)内的膨胀剂被导入所述开放燃烧包络(2001)和所述连续燃烧室(2)之间的空间内，以形成高压气态膨胀剂对燃烧火焰的悬浮作用进而改善燃烧环境降低燃烧对所述连续燃烧室(2)的连续燃烧室壁(22)的热负荷要求。...

【技术特征摘要】
2010.05.14 CN 2010101723809;2011.01.26 CN 201110021.一种临界低熵混燃循环热动力系统，包括作功机构(1)、连续燃烧室(2)、液体氧
化剂源(3)和燃料源(4)，其特征在于：
所述液体氧化剂源(3)经氧化剂高压供送系统(301)与所述连续燃烧室(2)连通，
所述燃料源(4)经燃料高压供送系统(401)与所述连续燃烧室(2)连通，所述液体氧化
剂源(3)中的氧化剂以高压液态的形式进入所述连续燃烧室(2)，所述燃料源(4)中的
燃料以高压的形式进入所述连续燃烧室(2)，所述氧化剂高压供送系统(301)、所述燃料
高压供送系统(401)和所述连续燃烧室(2)的最低承压能力大于15.5MPa，调整所述液体
氧化剂源(3)中的液体氧化剂的纯度和/或调整所述燃料源(4)中燃料的纯度和热值使所
述连续燃烧室(2)内的燃烧温度高于800K，并使所述连续燃烧室(2)内的燃烧压力大于
15.5MPa；所述连续燃烧室(2)与至少一个所述作功机构(1)连通，所述作功机构(1)
对外输出动力；
所述临界低熵混燃循环热动力系统还包括液体膨胀剂源(5)，所述液体膨胀剂源(5)
经膨胀剂高压供送系统(501)与所述连续燃烧室(2)连通，所述液体膨胀剂源(5)中的
膨胀剂以高压液态的形式进入所述连续燃烧室(2)，所述膨胀剂高压供送系统(501)最低
承压能力大于15MPa；
所述临界低熵混燃循环热动力系统还包括开放燃烧包络(2001)，所述开放燃烧包络
(2001)设置在所述连续燃烧室(2)内并且与所述连续燃烧室(2)连通，所述液体氧化
剂源(3)经氧化剂高压供送系统(301)与所述开放燃烧包络(2001)连通，所述燃料源
(4)经燃料高压供送系统(401)与所述开放燃烧包络(2001)连通，所述液体膨胀剂源
(5)经膨胀剂高压供送系统(501)与所述连续燃烧室(2)连通，所述液体膨胀剂源(5)
内的膨胀剂被导入所述开放燃烧包络(2001)和所述连续燃烧室(2)之间的空间内，以形
成高压气态膨胀剂对燃烧火焰的悬浮作用进而改善燃烧环境降低燃烧对所述连续燃烧室
(2)的连续燃烧室壁(22)的热负荷要求。
2.一种临界低熵混燃循环热动力系统，包括作功机构(1)、连续燃烧室(2)、液体氧
化剂源(3)、燃料源(4)和液体膨胀剂源(5)，其特征在于：
所述液体氧化剂源(3)经氧化剂高压供送系统(301)再经氧化剂吸热热交换器(402)
与所述连续燃烧室(2)连通，所述燃料源(4)经燃料高压供送系统(401)与所述连续燃
烧室(2)连通，所述液体氧化剂源(3)中的氧化剂在所述氧化剂吸热热交换器(402)中
吸热气化后以高压气态或临界态的形式进入所述连续燃烧室(2)，所述燃料源(4)中的燃

\t料以高压的形式进入所述连续燃烧室(2)，所述液体膨胀剂源(5)经膨胀剂高压供送系统
(501)与所述连续燃烧室(2)连通，所述液体膨胀剂源(5)中的膨胀剂以高压液态的形
式进入所述连续燃烧室(2)，所述氧化剂高压供送系统(301)、所述燃料高压供送系统(401)、
所述膨胀剂高压供送系统(501)和所述连续燃烧室(2)的最低承压能力大于15.5MPa，调
整所述液体氧化剂源(3)中的液体氧化剂的纯度和/或调整所述燃料源(4)中的燃料的纯
度和热值和/或调整所述液体膨胀剂源(5)中的膨胀剂导入所述连续燃烧室(2)的量使所
述连续燃烧室(2)内的燃烧温度高于800K，并使所述连续燃烧室(2)内的燃烧压力大于
15.5MPa；所述连续燃烧室(2)与至少一个所述作功机构(1)连通，所述作功机构(1)
对外输出动力；
所述临界低熵混燃循环热动力系统还包括开放燃烧包络(2001)，所述开放燃烧包络
(2001)设置在所述连续燃烧室(2)内并且与所述连续燃烧室(2)连通，所述液体氧化
剂源(3)经氧化剂高压供送系统(301)与所述开放燃烧包络(2001)连通，所述燃料源
(4)经燃料高压供送系统(401)与所述开放燃烧包络(2001)连通，所述液体膨胀剂源
(5)经膨胀剂高压供送系统(501)与所述连续燃烧室(2)连通，所述液体膨胀剂源(5)
内的膨胀剂被导入所述开放燃烧包络(2001)和所述连续燃烧室(2)之间的空间内，以形
成高压气态膨胀剂对燃烧火焰的悬浮作用进而改善燃烧环境降低燃烧对所述连续燃烧...

【专利技术属性】
技术研发人员：靳北彪，
申请(专利权)人：靳北彪，
类型：发明
国别省市：北京;11