專利名稱：一種可使熱機(jī)增效節(jié)能的方法——內(nèi)冷增效法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可使往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)、蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等熱機(jī)增效節(jié)能的方法，屬于機(jī)械工程領(lǐng)域。
現(xiàn)在國(guó)際上普遍應(yīng)用的動(dòng)力熱機(jī)如往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)、蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等，它們?cè)诤娇?、航海、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域中發(fā)揮著不可替代的重要作用。但是，它們也都存在著能耗高、熱效率低的缺點(diǎn)，例如蒸汽輪機(jī)燃料產(chǎn)生的熱量只有31％作了有用功，而熱效率最高的往復(fù)式增壓內(nèi)燃機(jī)的有效熱效率也只有45％，且對(duì)環(huán)境的污染較為嚴(yán)重。現(xiàn)在世界各國(guó)都在為各種動(dòng)力熱機(jī)的降低能耗，提高效率、減少污染等進(jìn)行著不懈的努力。
本發(fā)明的目的在于提供一種能使往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)、蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等熱機(jī)的熱能利用率有較大提高，且能凈化和減少?gòu)U氣的排放，減少對(duì)環(huán)境污染的一種方法--內(nèi)冷增效法。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的根據(jù)熱力學(xué)第一定律“任何發(fā)生能量轉(zhuǎn)換的熱力過程中，轉(zhuǎn)換前后能量的總量維持恒定。如熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，轉(zhuǎn)換前后能量的總量維持不變”。這就提供了一個(gè)在實(shí)際應(yīng)用中盡可能地將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的理論依據(jù)?！皟?nèi)冷增效法”就是在熱機(jī)的運(yùn)作中，利用水蒸汽的熱物理性質(zhì)，將水霧直接噴入熱機(jī)的高溫燃?xì)饣驘煔庵?，使其直接吸收燃?xì)饣驘煔獾臒崃慷蛎涀鞴?，在作功的同時(shí)也對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，避免了為給系統(tǒng)冷卻而損失大量的熱能。另外，還可去除熱機(jī)的某些耗功機(jī)構(gòu)，如燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)、蒸氣輪機(jī)的鍋爐等。應(yīng)用本方法后可使工質(zhì)在絕熱情況下作功，減少了熱能的損失，還可在往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)的廢氣排放口設(shè)置回?zé)崞?，減少被廢氣帶走的熱能損失。
下面以各種熱機(jī)實(shí)體為例，將本方法的實(shí)施方案加以說明一、應(yīng)用于往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)以柴油機(jī)為例(見圖3)自活塞到達(dá)上死點(diǎn)始向下行，曲軸轉(zhuǎn)角約30°，燃油的燃燒基本完畢時(shí)，將水霧經(jīng)噴咀6呈擴(kuò)散狀噴入燃燒室5(噴咀可設(shè)置在氣缸缸蓋的適當(dāng)位置上)，使水霧與高溫?zé)煔獬浞只旌希谒查g吸熱膨脹作功。系統(tǒng)應(yīng)加絕熱層4，以避免熱能向外散失，在廢氣排放閥外部設(shè)置回?zé)崞?，用以回收被廢氣帶走的熱能，進(jìn)一步提高熱能的利用率。
應(yīng)用本方法應(yīng)注意以下幾點(diǎn)1、應(yīng)適當(dāng)加快燃料的燃燒速度，以便盡可能將水霧提前噴入燃燒室，以延長(zhǎng)其吸熱膨脹時(shí)間。
2、噴入水霧的霧滴應(yīng)盡可能細(xì)小，以便有利于在極短時(shí)間內(nèi)吸熱膨脹。
其有益效果以一臺(tái)非增壓六缸四沖程柴油機(jī)為例加以說明(按混合加熱循環(huán)見

圖1、圖2)。其主要參數(shù)有20℃時(shí)空氣的密度ρ≈1.2kg/m3，空氣常R=287，氣缸底面積為490.625cm2,P2=3.63MPa,P4=6.0MPa，查過熱水蒸汽表得6MPa,550℃時(shí)過熱水蒸汽的焓為3540.0KJ/Kg=3.54KJ/g，比溶為0.06096m3/kg=60.96cm3/g，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速600r/min，氣缸的工作容積14.71875L，氣缸直徑25cm，活塞行程30cm,V2=V4=0.77467L=774.67cm3，油耗率190g/PS.h，功率434.88ps，柴油的低位發(fā)熱量按46054KJ/Kg=46.054KJ/g,T4=550+273=823K(以上參數(shù)取自于《工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)》150-153頁(yè)中例1，大連海運(yùn)出版社，只有耗油190g/PS.h與摻入水蒸汽后的工作溫度823K除外)。
求在燃燒室中加入水蒸汽后的混合工質(zhì)對(duì)活塞的單位工作壓力。解①每只氣缸的功率434.886=72.48PS]]>
②每只氣缸每次的噴油量72.48×1906002×60=0.7651g]]>③單只氣缸每個(gè)工作循環(huán)燃油的低位發(fā)熱量0.7651×46.054=35.239KJ④單只氣缸每個(gè)工作循環(huán)的燃油在6MPa、550℃的狀態(tài)下可將水霧變?yōu)檫^熱蒸汽的數(shù)量35.235KJ÷3.54KJ/g=9.9533g⑤6MPa、550℃時(shí)9.9533g水霧變?yōu)檫^熱蒸汽時(shí)的體積60.96cm3/g×9.9533g=606.7532cm3⑥將氣缸在V4狀態(tài)下的容積減去過熱水蒸汽的體積V4=V2=0.774671L=774.671cm3774.671-606.7532=168cm3⑦氣缸在V1狀態(tài)下，與氣缸容積相等體積的空氣，溫度20℃時(shí)的質(zhì)量m=0.01471875m3×1.2kg/m3=17.6625×10-3kg⑧根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=MRTP=17.6625×10-3×287×823168×10-6=24.83MPa]]>⑨在V4狀態(tài)下過熱水蒸汽所占缸筒底面積606.7532774.67×490.625=384.2775cm2]]>⑩過熱蒸汽對(duì)活塞的壓力384.2775×6.0=2305.665MPa(11)假定原V4狀態(tài)下的壓縮空氣被過熱蒸汽擠壓，其體積為774.67-606.7532=168cm3(12)被過熱蒸汽擠壓后的空氣所占?xì)飧椎牡酌娣e168774.67×490.625=106.4cm2]]>
(13)被擠壓后的空氣對(duì)活塞的壓力106.4×24.83=2641.9149MPa(14)空氣與過熱水蒸汽混合后的單位壓力(根據(jù)熱力學(xué)第一定律，氣體混合后與混合前的內(nèi)能相等)2305.665+2641.9149490.625=10.08MPa]]>以上計(jì)算結(jié)果表明應(yīng)用“內(nèi)冷增效法”后，將氣缸的最高工作壓力由原來6.0MPa增加到了10MPa，由此可知應(yīng)用本方法后的功效比未用本方法的功效提高了10÷6=1.667倍。
二、應(yīng)用于蒸汽輪機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)蒸汽輪機(jī)的蒸汽動(dòng)力循環(huán)由鍋爐，過熱器、管道、汽輪機(jī)冷凝器、水泵等裝置組成，燃?xì)廨啓C(jī)由啟動(dòng)裝置、壓氣機(jī)、燃燒室，透平等裝置組成。這兩種熱機(jī)結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，且體積較大、循環(huán)效率較低，現(xiàn)在蒸汽輪機(jī)的有效熱效率約31％；燃?xì)廨啓C(jī)的有效熱效率約20％。造成上述熱機(jī)熱效率低的主要原因在于蒸汽動(dòng)力循環(huán)中鍋爐的煙氣帶走了56％的熱能，而壓氣機(jī)消耗了燃輪機(jī)的2/3熱能。
若采用“內(nèi)冷增效法”，用于燃油與燃?xì)庹羝啓C(jī)，可將鍋爐及過熱器去除，代之以燃燒室和汽化室，空氣泵與水泵。將工質(zhì)的加熱形式由“外部”間接加熱變?yōu)閮?nèi)部直接加熱，這樣可避免鍋爐煙氣所帶走的熱能損失，空氣泵的作用只限于給燃燒室提供足夠使燃料充分燃燒的空氣；水泵的作用是給噴水咀提供高壓水。
下面結(jié)合示意圖4加以具體說明燃燒室2的外部裝有冷卻水，該水在冷卻腔3吸熱后經(jīng)水霧噴咀5噴向蒸汽汽化屏6，該屏的作用在于不使水霧因紊流而混入燃燒室中，使燃料能充分燃燒，并使水霧能迅速吸熱氣化，氣化后的蒸汽在汽化室4與高溫燃?xì)獬浞只旌喜⒗^續(xù)吸熱變?yōu)檫^熱蒸氣進(jìn)入汽輪機(jī)膨脹作功。冷卻腔外還設(shè)置了保溫絕熱層7，使工質(zhì)在絕熱狀態(tài)下作功，8為空氣射流孔，9為燃料噴咀。
應(yīng)用本方法時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)1、水霧射出噴咀時(shí)要有足夠的速度，以利水霧的擴(kuò)散，水霧的水滴要盡可能細(xì)小，以便快速吸熱汽化。
2、汽化室內(nèi)要有足夠的紊流強(qiáng)度，以便使蒸氣與高溫燃?xì)獬浞志鶆蚧旌?，變?yōu)檫^熱蒸氣。
3、燃燒室內(nèi)層1應(yīng)采用耐高溫材料。
4、水泵所提供水的質(zhì)量應(yīng)以燃料產(chǎn)生的熱量能將其完全變?yōu)檫^熱蒸氣為準(zhǔn)。
本方法的有益效果以下例說明根據(jù)“基本蒸汽動(dòng)力裝置實(shí)際循環(huán)的熱力分析”中“實(shí)際循環(huán)的功( )平衡圖”(參見《工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)》173-183頁(yè)，大連海運(yùn)出版社)所述燃料發(fā)熱量的有用功為31.67％，功的損失率為68.33％，其中鍋爐損失了56.39％，管道損失0.40％，汽輪機(jī)損失6.17％，冷凝器損失4.39％，軸系損失0.98％。
根據(jù)以上各參數(shù)計(jì)算鍋爐輸出的有效功為0.4％+6.17％+4.39％+0.98％+31.67％=43.61％鍋爐輸出有效功的損失率為(0.4％+6.17％+4.39％+0.98％)÷43.61％=27.38％去除鍋爐后的總有用功為56.39％×(1-27.38％)+31.67％=72.6％應(yīng)用本方法后將以上實(shí)際循環(huán)的有用功中去除空氣壓縮泵、給水泵的有用功耗損，若按10％計(jì)算，總有用功仍可達(dá)到62％以上。
燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用“內(nèi)冷增效法”可去除壓氣機(jī)，其各部分的裝置結(jié)構(gòu)形式與應(yīng)用本方法的蒸輪機(jī)的裝置結(jié)構(gòu)相同，其實(shí)質(zhì)就是燃?xì)狻ふ羝旌闲蛣?dòng)力熱機(jī)。
綜上所述，應(yīng)用“內(nèi)冷增效法”不僅較充分地利用了燃料的熱能，提高了有效熱效率，使更多的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，作了有用功，還可將某些熱機(jī)的制造成本大幅度降低，并凈化，減少了廢氣排放，有利保護(hù)環(huán)境。
權(quán)利要求
1.一種可使往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)等熱機(jī)增效節(jié)能的方法--內(nèi)冷增效法，本方法的主要特征在于在所述熱機(jī)運(yùn)作中，將水霧直接噴入熱機(jī)的高溫燃?xì)庵谢蚱恋囊粋?cè)，使其直接從燃?xì)饣驘煔庵形鼰嶙優(yōu)檫^熱蒸汽與煙氣混合并共同膨脹作功。由燃?xì)馀c空氣的混合工質(zhì)改為燃?xì)?、空氣、蒸汽的混合工質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的“內(nèi)冷增效法”，其特征還在于本方法運(yùn)用于往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)，是在燃料燃燒基本完畢時(shí)，將水霧直接噴入燃燒室，使其與高溫?zé)煔饣旌喜⑽鼰嶙兂蛇^熱蒸汽與煙氣共同膨脹作功。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述“內(nèi)冷增效法”其特征還在于本方法運(yùn)用于往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)時(shí)，在廢氣排放閥外側(cè)設(shè)置回?zé)崞鳌?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求1所述“內(nèi)冷增效法”其特征還在于本方法運(yùn)用于熱機(jī)時(shí)，其工質(zhì)為燃?xì)狻⒖諝?、蒸氣的混合物?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求1所述“內(nèi)冷增效法”其特征還在于將內(nèi)燃機(jī)的外冷散熱式改為“內(nèi)冷增效式”，也就是將原來為內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)冷卻散熱用的水或其它物質(zhì)改為使用水霧在高溫燃?xì)饣驘煔鈨?nèi)直接吸熱為系統(tǒng)降溫。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述“內(nèi)冷增效法”其特征還在于在熱機(jī)系統(tǒng)的外部作絕熱處理，避免熱能向外散失，并使工質(zhì)在絕熱狀態(tài)下膨脹作功。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可使往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)“增效節(jié)能”的方法。它解決了以上各種動(dòng)力熱機(jī)能耗高、效率低,對(duì)環(huán)境的污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)。本方法是將原來的外冷散熱式改為“內(nèi)冷增效式”,由燃?xì)馀c空氣的混合工質(zhì)改為燃?xì)?、空氣、蒸汽的混合工質(zhì),應(yīng)用本方法,可使往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)有效熱效率達(dá)到60%以上;可使燃?xì)廨啓C(jī)與蒸汽輪機(jī)的有效熱效率提高一倍以上,并大大降低了廢氣排放量,有利于環(huán)境保護(hù),而且使其制造成本大幅度下降。
文檔編號(hào)F02M25/025GK1322896SQ00110390
公開日2001年11月21日 申請(qǐng)日期2000年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月7日
發(fā)明者郭躍生, 張聿龍 申請(qǐng)人:郭躍生