[发明专利]冷能液态空气(液氮)发动机体系

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种液态空气(液氮)发动机体系，尤其是可以回收利用的液态空气(液氮)气化时产生的冷能做有用功的液态空气(液氮)发动机体系。

背景技术

目前，公知的液态空气发动机是液态空气(液氮)作为工质在环境空气中吸热气化，在气动机(膨胀机)中膨胀做功的朗肯循环方式，做功后，工质排出体系进入环境空气。由于液态空气(液氮)气化时需要大量的热量，产生了大量的冷能(液态空气蒸发焓)，如果仅利用液态空气(液氮)做朗肯循环，不仅浪费的大量的冷能，而且液态空气在蒸发气化产生的低温会造成蒸发器表面结霜将大大降低发动机做功效率。为了提高循环效率，人们又提出了液氮朗肯循环+斯特林循环的拔顶循环方式和液氮朗肯循环+布雷顿循环拔顶循环方式，还有低温剂拔顶循环方式。在液氮朗肯循环+斯特林循环的拔顶循环方式以及液氮朗肯循环+布雷顿循环拔顶循环方式中，由于布雷顿循环和斯特林循环的工质都是采用氦气，氦气为稀有气体，成本高昂，而且还有工质泄漏的情况，而且作为两套系统，就有两套动力输出，系统比较复杂，故难以实用化。低温剂拔顶循环方式采用多套朗肯循环方式，如工质用甲烷、乙烷、液氮组成朗肯拔顶循环方式也明显提高了体系的循环效率，但是甲烷、乙烷都为易燃易爆工质，并且是多套体系，体系有多套动力输出，体系更为复杂，更难以实用化。

发明内容

为了克服现有的液态空气(液氮)发动机循环体系不能充分利用冷能(低温工质汽化焓和汽化后产生的低温环境)、蒸发器结霜等原因造成的效率低下、以及各种拔顶循环体系复杂难以实现的不足，本发明提供了一种回收利用液态空气(液氮)在气化时产生的大量冷能做有用功的冷能液态空气(液氮)发动机体系。本体系不仅利用液态空气或液氮做朗肯循环，还利用卡诺循环原理，将液态空气(液氮)气化时产生的冷能作为冷源，环境空气作为热源，气动发动机的尾气(空气)作为工质用以体系的拔顶循环，该体系利用气动机的尾气余热和热泵原理给液态空气(液氮)供热以使液态空气(液氮)气化，整个体系所采用的工质为同一种工质，而且整个体系只有一个动力输出，整个体系得到的功为朗肯技术功+卡诺拔顶循环功之和，从而大大提高了液态空气(液氮)发动机的效率，也大大提高了实用性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：冷能液态空气发动机体系采用液态空气或液氮作为做功工质，不仅利用液态空气(液氮)气化产生的高压空气驱动气动机做功，还利用液态空气或液氮作为冷源，环境空气作为热源，气动发动机的尾气(空气)作为工质用以卡诺循环，在气动机得到的有用功为朗肯技术功+卡诺循环功之和。

体系是由液态空气罐、低温液体泵、热交换器、等温压缩机、等温气动机(膨胀机)等构成。其中，液态空气罐(1)的出液管与低温液体泵(2)的进液管相连接，低温液体泵(2)的出液管与液态空气热交换器(3)的进液管(27)相连接，液态空气热交换器(3)的出液管(28)与等温压缩机内部换热器(4)的进液管(24)相连接，等温压缩机内部换热器(4)的出气管(25)与再热热交换器(5)的进气管(29)相连接，再热热交换器(5)的出气管(30)与环境热交换器(6)的进气管相连接，环境热交换器(6)的出气管再依次与电磁阀(22)、流量控制阀(23)相连接，流量控制阀(23)的出气管与等温气动发动机(7)的进气管相连接，等温气动机(7)的排气管有两个分支，一个分支与再热热交换器(5)的另一个进气管(31)相连接，再热热交换器(5)的另一个出气管(32)与液态空气热交换器(3)的进气管(33)相连接，液态空气热交换器(3)的出气管(34)与等温压缩机(9)的进气管相连接，等温压缩机(9)的排气管与等温压缩机内部换热器(4)的出气管(25)并连接于再热热交换器(5)的进气管(29)上，等温气动机(7)的排气管的另一个分支与消声器(14)相连接。

其工质循环原理是：液态空气罐(1)内的液态空气(液氮)经低温液体泵(2)增压后在液态空气热交换器(3)和等温压缩机内部换热器(4)吸热气化，气化后的高压工质再到再热热交换器(5)吸收气动发动机尾气余热，工质再到环境热交换器(6)吸收环境空气热量，最后工质再到等温气动机(7)做膨胀功，膨胀做功后的尾气一部分排出体系外，另一部分经过再热热交换器(5)预冷，再到液态空气热交换器(3)被液态空气(液氮)气化时产生的冷能冷却，最后被等温压缩机(9)等温压缩，压缩后的工质与做朗肯循环的工质合并一起到环境空气中吸热，最后到等温气动机(7)膨胀做功，完成一个液态空气的朗肯循环+卡诺循环的拔顶循环。