一種壓縮空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于壓縮氣體驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)【技術(shù)領(lǐng)域】，提出了壓縮空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī))的一種換熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明針對(duì)各類(lèi)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的關(guān)鍵部位溫度過(guò)低的問(wèn)題，利用高壓空氣減壓過(guò)程中消耗的壓力能作為換熱系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)能，采用低凝固點(diǎn)的流體作為循環(huán)加熱介質(zhì)，吸收大氣環(huán)境熱量，對(duì)產(chǎn)生溫度降的減壓機(jī)構(gòu)本體及上下游的管路、氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)本體關(guān)鍵部位，尤其是進(jìn)排氣道進(jìn)行加熱，防止在上述部位出現(xiàn)結(jié)露、冰堵等現(xiàn)象，并提高氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的能量使用效率。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種壓縮空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于壓縮氣體驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種防止壓縮空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部位低溫冰堵的換熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在化石能源緊張和環(huán)境污染嚴(yán)重的背景下，傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)尤其是車(chē)用內(nèi)燃機(jī)的油耗和尾氣污染問(wèn)題成為了焦點(diǎn)。作為新能源發(fā)動(dòng)機(jī)的一種，壓縮空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)以高壓的空氣作為動(dòng)力來(lái)源，通過(guò)利用存儲(chǔ)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(guò)風(fēng)能、水能、潮汐等綠色能源獲得，而氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的是可呼吸的空氣，其工作過(guò)程是完全零污染的，因此氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究近年來(lái)受到廣泛關(guān)注。
[0003]氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)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)的氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)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。在氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)工作過(guò)程中存在氣源容器放氣過(guò)程、減壓機(jī)構(gòu)節(jié)流過(guò)程和發(fā)動(dòng)機(jī)氣體膨脹過(guò)程，由于空氣的膨脹和節(jié)流效應(yīng)，會(huì)在上述過(guò)程發(fā)生部位產(chǎn)生較大的溫度降，而空氣無(wú)法做到完全的干燥，當(dāng)溫度降低到空氣露點(diǎn)以下時(shí)，水分便凝結(jié)、凝固于管路內(nèi)壁上，嚴(yán)重時(shí)，氣體管路特別是減壓閥出口、發(fā)動(dòng)機(jī)閥門(mén)等部位容易發(fā)生堵塞，影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作。針對(duì)這種情況，本發(fā)明提出了一種氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)換熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)換熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，防止氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)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(jī)構(gòu)(11)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)i (7)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)ii (12),集中換熱器總成(13)，變量泵(6)，減壓能量回收機(jī)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(jī)構(gòu)(11)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)i (7)與變量泵(6)串接、通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)ii(12)與集中換熱器總成(13)中的風(fēng)扇串接；氣瓶組(3)通過(guò)上游換熱器(5)與減壓能量回收機(jī)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(jìn)行熱交換的部位包括減壓能量回收機(jī)構(gòu)(11)本體，減壓能量回收機(jī)構(gòu)上游換熱器
(5)、下游換熱器(10)和氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)本體(9)；
[0007]減壓能量回收機(jī)構(gòu)(11)將高壓氣體減壓過(guò)程中消耗的壓力能轉(zhuǎn)化為軸功率作為驅(qū)動(dòng)變量泵(6)和集中換熱器總成(13)中換熱器的風(fēng)扇運(yùn)行工作的動(dòng)力。集中加換器總成(13)包括水箱散熱器、風(fēng)扇等部件，水箱中存儲(chǔ)的換熱介質(zhì)采用乙醇，其凝固點(diǎn)較低，能夠滿(mǎn)足工作溫度范圍。
[0008]工作時(shí)換熱介質(zhì)通過(guò)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(guò)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)(9)本體換熱機(jī)構(gòu)、減壓機(jī)構(gòu)下游換熱器
(10)、減壓能量回收機(jī)構(gòu)(11)、減壓機(jī)構(gòu)上游換熱器(5)，再回到水箱。[0009]減壓能量回收機(jī)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(guò)程中消耗的壓力能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械能。在結(jié)構(gòu)上，減壓能量回收機(jī)構(gòu)(11)的轉(zhuǎn)子與變量泵(6)、集中換熱器總成(13)中的風(fēng)扇相連接，由減壓過(guò)程中消耗的壓力能轉(zhuǎn)化來(lái)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械能便驅(qū)動(dòng)出)、(13)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了能量的回收。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
[0011]本發(fā)明利用循環(huán)介質(zhì)吸收大氣環(huán)境熱量對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)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(dòng)循環(huán)介質(zhì)流動(dòng)的能量來(lái)源于高壓空氣減壓過(guò)程中消耗的壓力能，不需要額外的能量。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】:
[0012]圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)原理圖。
[0013]1.高壓壓縮機(jī)，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(jī)構(gòu)上游換熱器，6.變量泵，7傳動(dòng)機(jī)構(gòu)i，12.傳動(dòng)機(jī)構(gòu)ii，8.低壓減壓閥，9.氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，10.減壓機(jī)構(gòu)下游換熱器，11.減壓能量回收機(jī)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(dòng)機(jī)缸蓋結(jié)構(gòu)圖。
[0015]14.進(jìn)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(dòng)機(jī)缸蓋換熱結(jié)構(gòu)A-A面剖視圖。
[0017]17.進(jìn)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(dòng)機(jī)缸蓋換熱結(jié)構(gòu)B-B面剖視圖。
[0019]19.活塞進(jìn)氣口，20.缸蓋進(jìn)氣口通道
[0020]圖5是帶換熱“水”腔的活塞式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(jī)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(shí)施方式】
[0027]氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)如圖1所示，高壓壓縮機(jī)(I)消耗電能將空氣壓縮，并將其儲(chǔ)存在高壓氣瓶組(3)中。工作時(shí)，高壓空氣流經(jīng)減壓機(jī)構(gòu)上游換熱器(5)、減壓能量回收機(jī)構(gòu)
(11)、減壓機(jī)構(gòu)下游換熱器(10)和低壓減壓閥(8)后變成低壓氣體進(jìn)入氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)(9)，以供氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。由于高壓空氣的減壓降溫和在減壓能量回收機(jī)構(gòu)(11)處的節(jié)流效應(yīng)，使壓縮空氣溫度急劇下降。實(shí)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(huì)導(dǎo)致壓縮空氣中的水分結(jié)露，結(jié)冰析出。當(dāng)析出量較大時(shí)，會(huì)在減壓能量回收機(jī)構(gòu)(11)節(jié)流口處、氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋進(jìn)氣口(14)、排氣口(15)處出現(xiàn)冰堵現(xiàn)象。嚴(yán)重時(shí)，會(huì)引起整個(gè)系統(tǒng)故障停運(yùn)。因此，氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的換熱系統(tǒng)是必要的。
[0028]氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的換熱系統(tǒng)中，集中換熱器總成(13)包括水箱散熱器、風(fēng)扇等部件，水箱中存儲(chǔ)的換熱介質(zhì)采用乙醇，其凝固點(diǎn)較低，能夠滿(mǎn)足工作溫度范圍。換熱介質(zhì)通過(guò)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(guò)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)(9)本體換熱機(jī)構(gòu)、減壓機(jī)構(gòu)下游換熱器(10)、減壓能量回收機(jī)構(gòu)(11)、減壓機(jī)構(gòu)上游換熱器(5)，再回到水箱。
[0029]減壓能量回收機(jī)構(gòu)在功能上采用類(lèi)似齒輪、葉片式等馬達(dá)的結(jié)構(gòu)，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)高壓氣體流經(jīng)時(shí)產(chǎn)生壓差來(lái)回收壓力能，輸出軸功率，并作為驅(qū)動(dòng)變量泵(6)和集中換熱總成(13)中的換熱器風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)啟動(dòng)后，能量回收機(jī)構(gòu)冋時(shí)啟動(dòng)，無(wú)需額外的能量和控制，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加，耗氣量增大，各個(gè)部位的溫度效應(yīng)加劇，通過(guò)能量回收機(jī)構(gòu)的流量也增加，轉(zhuǎn)速增大，使變量泵(6)也能自動(dòng)提供更大流量的換熱介質(zhì)。
[0030]氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣閥門(mén)的部位是容易發(fā)生低溫冰堵的位置，對(duì)于活塞是氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，在氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)(9)本體處，缸蓋部位(圖2、3，4)的進(jìn)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(jìn)氣口(14)、排氣口(15)，在缸蓋內(nèi)部設(shè)計(jì)了嵌入式換熱水套(18)結(jié)構(gòu)。進(jìn)氣口(14)、排氣口(15)通過(guò)缸蓋進(jìn)氣口通道
(20)、缸蓋排氣口通道(22)與活塞進(jìn)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(jìn)水口(17)進(jìn)入換熱水套中(18)時(shí)，可對(duì)進(jìn)氣口(14)、排氣口(15)，活塞進(jìn)排氣口(19)、(21)各處進(jìn)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(dòng)機(jī)缸蓋外形圖，中14、15為氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)配氣系統(tǒng)的排氣口、進(jìn)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(jìn)入換熱“水套”，一部分介質(zhì)通過(guò)主流道24進(jìn)入“水套”主體，一部分介質(zhì)通過(guò)環(huán)形結(jié)構(gòu)23圍繞發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管道22流動(dòng)，力口強(qiáng)排氣管道附近的換熱效果，再通過(guò)副流道25進(jìn)入“水套”主體，介質(zhì)通過(guò)“水套”流經(jīng)缸蓋主要部位通過(guò)回流道26流經(jīng)進(jìn)氣口管道20附近，并通過(guò)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]氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的換熱系統(tǒng)中，減壓機(jī)構(gòu)上下游換熱器(5)、(10)的一種設(shè)計(jì)方案是采用套管式結(jié)構(gòu)，其原理簡(jiǎn)圖如圖8所示，循環(huán)換熱介質(zhì)在外管(27)中流動(dòng)，壓縮空氣在內(nèi)管(28)中流動(dòng)，兩種流體的流動(dòng)方向相反，有利于充分換熱。
【權(quán)利要求】
1.一種氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其特征在于:由減壓能量回收機(jī)構(gòu)(11)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)i(7)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)ii(12)，集中換熱器總成(13)，變量泵(6)，減壓能量回收機(jī)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(jī)構(gòu)(11)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)i (7)與變量泵(6)串接、通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)ii(12)與集中換熱器總成(13)中的風(fēng)扇串接；氣瓶組(3)通過(guò)上游換熱器(5)與減壓能量回收機(jī)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(jìn)行熱交換的部位包括減壓能量回收機(jī)構(gòu)(11)本體，減壓能量回收機(jī)構(gòu)上游換熱器(5)、下游換熱器(10)和氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)本體(9);工作時(shí)換熱介質(zhì)通過(guò)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(guò)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)(9)本體換熱機(jī)構(gòu)、減壓機(jī)構(gòu)下游換熱器(10)、減壓能量回收機(jī)構(gòu)(11)、減壓機(jī)構(gòu)上游換熱器(5)，再回到水箱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其特征在于:減壓能量回收機(jī)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(guò)程中消耗的壓力能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械能；在結(jié)構(gòu)上，減壓能量回收機(jī)構(gòu)(11)的轉(zhuǎn)子與變量泵(6)、集中換熱器總成(13)中的風(fēng)扇相連接，由減壓過(guò)程中消耗的壓力能轉(zhuǎn)化來(lái)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械能便 驅(qū)動(dòng)(6)、集中換熱器總成(13)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了能量的回收。
【文檔編號(hào)】F01B31/02GK104033184SQ201410246702
【公開(kāi)日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年6月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月5日
【發(fā)明者】許啟躍, 孫珺朋, 蔡茂林 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)