专利名称：气闭合循环热动力系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及热能与动力领域，尤其是一种气闭合循环热动力系统。 技术背景传统发动机，无论是内燃机、外燃机还是混燃机(详见申请人的发明申请文件 201010118601.4)的燃烧室排放出的污染物是目前环境保护中的最大障碍。因此，关于新能 源动力系统的研究日趋火热。但是新能源动力系统很难在短时间内得以广泛实际应用，因 此如何减少或杜绝传统能源动力转换过程中的污染物排放是更为现实急迫的任务。不仅如 此，在今后相当长的时间内人类的能源结构仍然将以碳氢化合物为主，其中包括化石能源 和生物质能源。为此如果能够开发出以碳氢化合物或碳氢氧化合物为燃料的零排放或近零 排放的热动力系统，将对于环境保护起到更大的作用。关于从动力系统的排气中捕捉二氧 化碳的研究有许多，但是它们都有一个共同的特点，就是没有将二氧化碳液化或固化，所以 尽管捕捉到了二氧化碳，但二氧化碳的后期处理仍然十分困难。如果能够发明出在动力系 统循环过程中就将二氧化碳液化或固化，特别是如果能够发明出利用排气的自身能量为主 要推动力或以动力系统所消耗的液态氧、液化燃料为主要冷源将动力系统排放的二氧化碳 液化或固化的动力系统，将具有十分重大的意义。 发明内容为了解决上述问题，本实用新型提出的技术方案如下一种气闭合循环热动力系统，包括发动机、氧源、排气冷却器、排气深度冷却器和 深冷二氧化碳储罐，所述氧源与所述发动机的燃烧室连通，所述发动机的排气道经所述排 气冷却器与所述排气深度冷却器连通，在所述排气冷却器上设水排出口，在所述排气深度 冷却器上设深冷二氧化碳排出口，所述深冷二氧化碳排出口与所述深冷二氧化碳储罐连通 使所述发动机排气中的二氧化碳全部或部分以液体和/或固体的形式储存在所述深冷二 氧化碳储罐内。所述氧源设为液氧储罐，所述排气深度冷却器设为氧吸热排气深度冷却器，在所 述氧吸热排气深度冷却器上设所述深冷二氧化碳排出口，所述液氧储罐与所述氧吸热排 气深度冷却器的冷却流体入口连通，在所述氧吸热排气深度冷却器上设氧气/含氧气体出 口，所述氧气/含氧气体出口与所述发动机的燃烧室连通；或所述氧源设为液氧储罐，将由 所述排气冷却器和所述排气深度冷却器构成的排气冷却系统设为氧吸热排气深度冷却器， 在所述氧吸热排气深度冷却器上设所述深冷二氧化碳排出口，所述液氧储罐与所述氧吸热 排气深度冷却器的冷却流体入口连通，在所述氧吸热排气深度冷却器上设氧气/含氧气体 出口，所述氧气/含氧气体出口与所述发动机的燃烧室连通。所述发动机的燃料设为液化燃料，所述液化燃料储存在液化燃料储罐内，所述排 气深度冷却器设为燃料吸热排气深度冷却器，在所述燃料吸热排气深度冷却器上设所述深 冷二氧化碳排出口，所述燃料吸热排气深度冷却器的冷却流体入口与所述液化燃料储罐连通，在所述燃料吸热排气深度冷却器上设燃料/含燃料流体出口，所述燃料/含燃料流体出 口与所述发动机的燃烧室连通；或所述发动机的燃料设为液化燃料，所述液化燃料储存在 液化燃料储罐内，将由所述排气冷却器和所述排气深度冷却器构成的排气冷却系统设为燃 料吸热排气深度冷却器，在所述燃料吸热排气深度冷却器上设所述深冷二氧化碳排出口， 所述燃料吸热排气深度冷却器的冷却流体入口与所述液化燃料储罐连通，在所述燃料吸热 排气深度冷却器上设燃料/含燃料流体出口，所述燃料/含燃料流体出口与所述发动机的 燃烧室连通。
所述氧源设为液氧储罐，所述发动机的燃料设为液化燃料，所述液化燃料储存在 液化燃料储罐内，所述排气深度冷却器设为由氧吸热排气深度冷却器和燃料吸热排气深度 冷却器并联或串联设置构成的排气深度冷却系统；在所述氧吸热排气深度冷却器和所述燃料吸热排气深度冷却器并联设置的结构 中，在所述氧吸热排气深度冷却器上设所述深冷二氧化碳排出口，所述液氧储罐与所述氧 吸热排气深度冷却器的冷却流体入口连通，在所述氧吸热排气深度冷却器上设氧气/含氧 气体出口，所述氧气/含氧气体出口与所述发动机的燃烧室连通，在所述燃料吸热排气深 度冷却器上设所述深冷二氧化碳排出口，所述燃料吸热排气深度冷却器的冷却流体入口与 所述液化燃料储罐连通，在所述燃料吸热排气深度冷却器上设燃料/含燃料流体出口，所 述燃料/含燃料流体出口与所述发动机的燃烧室连通，所述氧吸热排气深度冷却器和所述 燃料吸热排气深度冷却器的排气入口分别与所述排气冷却器连通；在所述氧吸热排气深度冷却器和所述燃料吸热排气深度冷却器串联设置的结构 中，在处于末端的所述氧吸热排气深度冷却器上或在所述燃料吸热排气深度冷却器上设 所述深冷二氧化碳排出口，所述液氧储罐与所述氧吸热排气深度冷却器的冷却流体入口连 通，在所述氧吸热排气深度冷却器上设氧气/含氧气体出口，所述氧气/含氧气体出口与所 述发动机的燃烧室连通；所述燃料吸热排气深度冷却器的冷却流体入口与所述液化燃料储 罐连通，在所述燃料吸热排气深度冷却器上设燃料/含燃料流体出口，所述燃料/含燃料流 体出口与所述发动机的燃烧室连通；处于上游的所述氧吸热排气深度冷却器或所述燃料吸 热排气深度冷却器的排气入口与所述排气冷却器连通，处于上游的所述氧吸热排气深度冷 却器或所述燃料吸热排气深度冷却器的排气出口与处于下游的所述氧吸热排气深度冷却 器或所述燃料吸热排气深度冷却器的排气入口连通。在所述燃烧室与所述排气冷却器之间设热动力单元，所述热动力单元对外输出动 力。所述气闭合循环热动力系统还包括载冷剂储罐，在所述排气冷却器和所述排气深 度冷却器之间设载冷剂吸热排气冷却器，所述载冷剂吸热排气冷却器的被冷却流体入口与 所述排气冷却器连通，所述载冷剂吸热排气冷却器的冷却流体入口与所述载冷剂储罐连 通，所述载冷剂吸热排气冷却器上设载冷剂出口，所述载冷剂吸热排气冷却器的被冷却流 体出口与所述排气深度冷却器连通，由所述排气冷却器出来的排气在所述载冷剂吸热排气 冷却器中被储存在所述载冷剂储罐内的载冷剂进一步冷却后进入所述排气深度冷却器进 行深度冷却；和/或在所述排气冷却器和所述排气深度冷却器之间设增压器和排热器，排 气在所述增压器内被压缩在所述排热器中进行冷却降温后进入所述排气深度冷却器进行 深度冷却以减少在所述排气深度冷却器中二氧化碳液化或固化过程中对冷能的需求。[0012]所述气闭合循环热动力系统还包括深冷载冷剂储罐，所述排气深度冷却器设为深 冷载冷剂吸热排气冷却器，所述深冷载冷剂吸热排气冷却器的被冷却流体入口与所述排气 冷却器的排气出口连通，在所述深冷载冷剂吸热排气冷却器上设所述深冷二氧化碳排出 口，所述深冷载冷剂吸热排气冷却器的冷却流体入口与所述深冷载冷剂储罐连通，所述深 冷载冷剂吸热排气冷却器的所述深冷二氧化碳排出口与所述深冷二氧化碳储罐连通，在所 述深冷载冷剂吸热排气冷却器上设深冷载冷剂出口。所述排气深度冷却器设为以所述发动机排气热能为推动力的吸附式热流体自身 冷却系统，所述吸附式热流体自身冷却系统利用所述发动机的排气热能将排气进行深度冷 却使排气中的残留水汽液化之后再将二氧化碳液化和/或固化；或所述排气冷却器设为以 所述发动机排气热能为推动力的吸附式热流体自身冷却系统，所述吸附式热流体自身冷却 系统利用所述发动机的排气热能将排气进行冷却；或将由所述排气冷却器和所述排气深度 冷却器构成的排气冷却系统设为以所述发动机排气热能为推动力的吸附式热流体自身冷 却系统，所述吸附式热流体自身冷却系统利用所述发动机的排气热能将排气进行冷却后再 进入深度冷却过程，将排气中的水蒸气液化，将二氧化碳液化和/或固化。所述排气深度冷却器设为以所述发动机排气热能为推动力的压缩式排气自身冷 却系统，所述压缩式排气自身冷却系统利用所述发动机的排气热能将排气进行深度冷却使 排气中的残留水汽液化之后再将二氧化碳液化和/或固化； 或所述排气冷却器设为以所述发动机排气热能为推动力的压缩式排气自身冷却 系统，所述压缩式排气自身冷却系统利用所述发动机的排气热能将排气进行冷却；或将由所述排气冷却器和所述排气深度冷却器构成的排气冷却系统设为以所述 发动机排气热能为推动力的压缩式排气自身冷却系统，所述压缩式排气自身冷却系统利用 所述发动机的排气热能将排气进行冷却后再进入深度冷却过程，将排气中的水蒸气液化， 将二氧化碳液化和/或固化。所述水排出口与水喷嘴连通将从所述水排出口出来的水喷射到所述排气冷却器 的外部高温区上作为所述排气冷却器的蒸发吸热载体以提高所述排气冷却器的排气冷却 效率；或将从所述水排出口中出来的水作为冷却介质导入所述排气冷却器内部高温区以提 高所述排气冷却器的排气冷却效率。所述氧吸热排气深度冷却器设为直混热交换器或设为直混对流热交换器；和/或 在设有所述燃料吸热排气深度冷却器的结构中，所述燃料吸热排气深度冷却器设为直混热 交换器或设为直混对流热交换器。所述氧源设为液氧储罐，所述深冷二氧化碳储罐设为所述液氧储罐的下端空间， 利用所述液氧储罐的部分空间存储液态二氧化碳和/或干冰。所述氧源设为大气，在所述排气深度冷却器上设氮气出口。所述气闭合循环热动力系统还包括氦气回流管，在所述发动机的进气道、所述燃 烧室、所述排气道、所述排气冷却器和所述深度冷却器所构成的系统内充入氦气，所述氦气 回流管将所述发动机的进气道与所述排气道和/或所述排气道的连通空间连通，氦气在所 述发动机的所述进气道、所述燃烧室、所述排气道、所述排气冷却器和所述深度冷却器之间 循环。所述氧源设为液氧储罐，所述排气深度冷却器设为罐内氧吸热热交换器，所述罐内氧吸热热交换器设在 所述液氧储罐内，所述罐内氧吸热热交换器的液体二氧化碳出口与 所述深冷二氧化碳储罐连通，利用所述液氧储罐中的液氧将经过所述排气冷却器冷却后的 排气液化成液体二氧化碳，再将液体二氧化碳储存在所述深冷二氧化碳储罐内。所述氧源设为液氧储罐，所述排气深度冷却器设为所述液氧储罐中的液氧区，所 述深冷二氧化碳储罐设为所述液氧储罐中的下端空间，利用所述液氧储罐中的所述液氧区 对经过所述排气冷却器冷却后的排气进行深度冷却，利用所述液氧储罐中的部分空间存储 液态二氧化碳和/或干冰。长期以来，人们为了减少热动力系统对环境的污染(如NOx及二氧化碳等)，在如 何使用氢燃料方面做了许多努力，也确实在一定的场合实际应用了氢作为热动力系统的燃 料，如以氢氧燃烧反应为动力的潜艇用斯特林发动机，以及宝马公司以氢为燃料的汽车。然 而，众所周知氢的储藏相当困难，液态氢的密度也只有每立方米70公斤左右，虽然氢的燃 烧值约是汽油的3倍、液化天然气的2. 5倍左右，但就其单位体积的能量密度而言远不如汽 油或天然气。氢的制备工业远不如石油、天然气工业成熟、庞大，因此氢的单位能量的价格 远远比石油、天然气高。单纯使用氢燃料与空气中的氧燃烧反应仍然会产生氮氧化物，只有 使用氢和纯氧燃烧反应才能保证排放中只有水而没有氮氧化物和二氧化碳。本实用新型所 公开的气闭合循环热动力系统既使用了传统燃料(石油、天然气、生物质等碳氢化合物或 碳氢氧化合物)，又确保了没有氮氧化物的生成，也没有或只有少量二氧化碳排放。本实用 新型中所使用的液化燃料如液化天然气的储藏、运输和携带都远远比储藏、运输或携带氢 燃料方便，而且价格低廉。因此，本实用新型中所公开的气闭合循环热动力系统不仅比传统 热动力系统(内燃机、外燃机)优越，也比以氢为燃料的热动力系统优越。本实用新型中所谓氧是指主要成分是氧的气体或液体，可以有其他成分，但这些 成分的含量对本实用新型系统的循环和排放的影响在可以控制和接受的范围内。所谓氧源 可以是商用氧源，即高压储氧罐或液化氧罐，也可以是由现场制氧系统提供的氧，如膜分离 等。如果在本实用新型中的发动机排气中存在在液化二氧化碳条件下不凝结的气体，应在 系统的末端安装抽气机构，抽掉不凝气，以防不凝气在循环系统中大量积累。本实用新型中所谓的排气冷却器是指一切可以对排气进行冷却的装置，包括散热 器、热动力单元、制冷系统(含压缩制冷、化学吸附制冷和物理吸附制冷)、热交换器(含混 合式和非混合式)等以及这些装置的相互科学组合。所谓的排气冷却器不能液化二氧化 碳。本实用新型中所谓的排气深度冷却器是指一切可以对排气进行冷却和深度冷却 达到可使二氧化碳液化和/或固化的程度的装置，包括制冷系统(含压缩制冷、化学吸附制 冷和物理吸附制冷)、热动力单元、热交换器(含混合式和非混合式)等以及这些装置的科 学组合；或本实用新型中所谓的排气深度冷却器是指一切以排气自身能量为主要推动力或 以液氧、液化燃料、液氮及其他载冷剂为主要冷源对排气进行深度冷却使二氧化碳液化和/ 或固化的装置，包括制冷系统(含压缩制冷、化学吸附制冷和物理吸附制冷)、热动力单元、 热交换器(含混合式和非混合式)等以及这些装置的科学组合。本实用新型中所谓的排气冷却器和排气深度冷却器构成的排气冷却系统是指一 切可以对排气进行冷却达到可使二氧化碳液化的程度的装置，包括制冷系统(含压缩制 冷、化学吸附制冷和物理吸附制冷)、热动力单元、热交换器(含混合式和非混合式)等以及这些装置的科学组合。本实用新型所谓的热动力单元是指利用上游流体(排气)的能量对外作功后将降 低了温度的排气或排气相变物(指排气的相变产物，如水蒸汽的相变物是水和冰)传给下 游的系统，这 个单元可以在对外输出功的同时将排气冷却或深度冷却，所谓上游是指排气 流靠近燃烧室的方向，所谓下游是指排气流远离燃烧室的方向。本实用新型所谓的深度冷却是指冷却强度较强达到二氧化碳液化或固化的程度。本实用新型所谓的深冷过程是指深度降温使二氧化碳液化或固化的过程。本实用新型所谓的吸附工质对是指发生吸附作用和解吸作用的一对工质，如溴化 锂和水。本实用新型所谓的吸附区是指吸附工质对(详见有关吸附制冷书籍)发生吸附过 程的区域，本实用新型所谓的解吸区是指吸附工质对发生解吸过程的区域。本实用新型所谓的排气通道是指连接或间接连接吸附区和解吸区的排气流动通道。本实用新型所谓散热器是指能够起到散热作用的装置，如散热片和风扇以及热交 换器等，其作用是对为解吸区提供热能后的排气进行进一步冷却后再使其进入吸附区，以 提高排气冷却系统的冷却能力。本实用新型中所谓连通是指直接连通、经过若干过程(包括与其他物质混合等) 的间接连通或经泵、控制阀等受控连通。本实用新型中的燃料/含燃料流体和氧/含氧气体可以分别直接进入燃烧室，也 可以预混后再进入燃烧室。本实用新型所公开的气闭合循环热动力系统包括完全气闭合循环热动力系统和 部分气闭合循环热动力系统。所谓完全气闭合循环热动力系统是指完全不对环境排放二氧 化碳气体的热动力系统，所谓部分气闭合循环热动力系统是指对环境排放少量二氧化碳气 体的热动力系统。所谓气闭合循环是指气相完全闭合循环或气相部分闭合循环。所谓的完 全闭合循环或部分闭合循环都是针对二氧化碳而言。当氧源设为大气时，本实用新型所公 开的气闭合循环热动力系统的排气中的氮气可直接排放，也可以储存起来以备他用，由于 水蒸气和二氧化碳均已液化，所以这个系统的排气中的氮气纯度较高。当采用大气吸气时， 系统可能会产生氮氧化物，产生的氮氧化物可直接被系统冷凝液化，也可以经吸附回收或 经三元催化剂处理。当采用大气吸气时，可保留传统三元催化剂工作单元，三元催化剂工作 单元可设在排气冷却器之前；在必要时，可对传统三元催化剂工作单元进行隔热或绝热处 理以保证离开三元催化剂工作单元的排气具有较高的温度为后续单元提供推动力。在本实 用新型中的循环中，液相和/或固相是不闭合的，即以液态和/或固态的形式向环境排出二 氧化碳，而得到纯度较高的二氧化碳。液态或固态二氧化碳是应用广泛的化工材料，广泛应 用这一动力系统所产生的液体或固体二氧化碳可以减少用其他途径生成二氧化碳的需求， 达到减少二氧化碳排放的目的。本实用新型所公开的气闭合循环热动力系统中，发动机排气可完全不回流到燃烧 室，也可部分回流到燃烧室。在排气完全不回流到燃烧室的结构中，所有排气完全被液化。 在排气部分回流到燃烧室的结构中，回流到燃烧室的所述排气可以是排气的一部分，也可以是排气中的某一种组分 或多种组分的一部分(如二氧化碳、水)，在这种结构中需要设置 回流管，所述回流管的作用是将二氧化碳、水和二氧化碳和水的混合物中的一种或多种物 质以气体或液体的形式回送至燃烧室，在有些情况下氧或燃料也可以通过回流管进入燃烧 室。在排气的一部分回流到燃烧室的结构中，本实用新型所公开的气闭合循环热动力系统 中发动机的排气可完全冷凝冷却液化，也可其中的一部分被冷凝冷却液化。重新进入燃烧 室的这部分排气(二氧化碳、水或二氧化碳和水的混合物)可以是低压进入，在燃烧室内被 压缩；也可以是高压进入，直接和高压进入的氧混合燃烧，不需要进一步压缩。如果采取高 压进入，可以将没被液化的排气通过压缩机压缩，被压缩的排气进入燃烧室，也可以将液化 后的排气中的某种组分或几种组分的混合物(即水、液体二氧化碳或水和液体二氧化碳的 混合物)加压后吸收排气的热量汽化后进入燃烧室。如果采用将排气进行压缩的方案，应 将排气先冷却再压缩，压缩后的排气进入燃烧室；为了提高系统的液化二氧化碳的能力，可 将排气的一部分压缩后冷却减压节流降低温度。在需要对燃烧室回流燃烧产物的结构中， 可在所述发动机的排气道和/或排气道连通空间上设回流流体出口，此回流流体出口与所 述燃烧室或所述发动机的进气道连通。本实用新型所公开的气闭合循环热动力系统，为调整燃烧室的温度及条件，可以 在向燃烧室导入燃料/含燃料流体和氧/含氧气体的同时，回流二氧化碳也可以回流水。如 果选择回流水，应该使水在进入燃烧室之前吸收发动机的余热汽化，更能提高发动机的效率。本实用新型中排热器是指系统对外排热降温的装置，包括散热器和以冷却为目的 的热交换器等。本实用新型中进入燃烧室的氧气流可以是高压气态氧或低压气态氧，也可以是高 压含氧气态混合物或低压含氧气态混合物。混合物中除氧外，其他主要成分为二氧化碳和 水蒸汽。也就是说氧气可以单独进入发动机的燃烧室，也可以在燃烧室外混合后进入燃烧室。本实用新型中的发动机在正常工作情况下，不从环境吸入空气。但是也可以在发 动机的进气道上(或外燃机锅炉的进风通道上)设空气入口，以便在氧源的氧用尽时让发 动机从环境吸入空气使发动机能够继续工作，以备应急之用。在氧气流进入燃烧室前可对氧气流进行控制，即可在燃烧室和所述氧气/含氧气 体出口之间设氧控制阀。在所述排气道上可设排气回流出口，所述排气回流出口经排气回 流控制阀与所述燃烧室连通，以控制排气回流到燃烧室内的量。在某些情况下为了减少系统冷量的需求，可在所述深冷二氧化碳储罐上设放空 阀，以放空部分二氧化碳获得更低的温度，制造干冰或增加系统的冷却能力，在这种情况 下，虽然不是绝对意义上的闭合循环但其大部分二氧化碳仍然被液化或固化在系统内。也 可以在所述排气道上设热排气放空阀，放空部分排气以减少系统的冷却负载，同样虽然不 是绝对意义上的闭合循环但其大部分二氧化碳仍然被液化或固化在系统内。当所述氧吸热排气深度冷却器设为直混对流热交换器时，可在所述直混对流热交 换器的中间级处设氧导出管，所述氧导出管经氧控制阀与所述发动机的燃烧室连通，以调 整进入燃烧室的氧的浓度，以满足发动机负荷变化的要求。当所述氧吸热排气深度冷却器设为直混热交换器时，可在所述直混热交换器内的氧流上游处即靠近所述氧源处设氧导出管，所述氧导出管经氧控制阀与所述发动机的燃烧 室连通，以调整进入燃烧室的氧的浓度，以满足发动机负荷变化的要求。本 实用新型中的所述发动机是指一切以含碳化合物为燃料的热动力系统，包括 内燃机、燃气轮机、由锅炉和汽轮机组成的外燃热动力系统或低熵混燃发动机(详见本实 用新型人于2010年3月5日申请的名为“低熵混燃发动机”的专利申请文件，申请号为 201010118601. 4和201020124334. 7)。所谓含碳化合物是指一切可以和氧发生燃烧反应的 含有碳的化合物，如碳氢化合物、碳氢氧化合物(例如乙醇等)。在包括锅炉的结构中，所述 发动机的排气道为锅炉的排烟道，所述燃烧室为锅炉的炉膛。本实用新型中的发动机是指在正常工作情况下从氧源向燃烧室导入氧化剂，不自 然吸气的热动力系统。本实用新型所公开的气闭合循环热动力系统中氧源的存在可以简单的调节进入 燃烧室氧的浓度，从而可以更为有效地调节发动机的负荷响应。可以通过调节进入燃烧室 氧的浓度调节发动机的升功率，满足不同负荷的要求；尤其是对于车辆用发动机，可以装配 一个小型发动机使小型发动机在瞬间过载工作，满足车辆急加速等的瞬间大功率要求，这 种方式可以改变目前车用发动机均为“大马拉小车”的低效配置方案，达到节能环保的目 的。本实用新型所公开的气闭合循环热动力系统由于不对环境排放气体，故尤为适合 用在潜艇上。传统常规动力潜艇多数使用以氢为燃料的斯特林发动机，这种发动机体积庞 大，特别是氢的储藏运输和成本均远远高于碳氢化合物(如汽油、柴油、煤油和液化天然气 等)。因此，如果用本实用新型所公开的气闭合循环热动力系统将大大提高潜艇的潜水时 间。所谓深度冷却可以把二氧化碳液化或固化的冷却深度，所谓冷却器可以是冷却流 体和被冷却流体不混合的热交换器，也可以是冷却流体和被冷却流体相混合的热交换器， 还可以是冷却排气的制冷系统。所谓冷却排气的制冷系统可以是吸附式热流体自身冷却系 统，也可以是有压缩机式的制冷系统。本实用新型所公开的气闭合循环热动力系统中的发动机的排气中主要成分是水 蒸汽和二氧化碳，当水蒸气被冷凝时，只剩下二氧化碳，因此这一系统的二氧化碳容易被回 收。本实用新型所谓的深冷二氧化碳包括液态二氧化碳和固态二氧化碳(即干冰)。本实用新型所谓的氧吸热排气深度冷却器是指利用液态氧和/或气态氧将排气 进行深度冷却的冷却装置。本实用新型所谓的燃料吸热排气深度冷却器是指利用低温燃料 (例如液化天然气等)将排气进行深度冷却的冷却装置。当氧吸热排气深度冷却器和燃料 吸热排气深度冷却器串联使用时，处于下游的(以排气流向为准)要比处于上游的冷却深 度更深一些；在某些情况下，在处于上游的冷却器中可能不发生或只发生一定量的二氧化 碳液化。本实用新型所谓的吸附式热流体自身冷却系统是指可以利用热动力系统中热流 体所具有的热量通过吸附制冷的方式对热流体自身进行冷却的系统。例如可在溴化锂吸附 制冷系统中利用发动机排气温度对发动机自身排气进行冷却。本实用新型所谓的压缩式排气自身冷却系统是指可以利用热动力系统排气推动压缩机对热动力系统自身排气进行冷却的系统。本实用新型所谓的载冷剂吸热排气冷却器是指利用载冷剂(例如冰、低温氯化钙 水溶液等)的冷能对排气进行冷却的冷却装置；所谓深冷载冷剂是指温度更低的载冷剂， 如液化氮气等。本实用新型所谓的排气道的连通空间是指排气和排气的相变物能够达到的空间。本实用新型所谓的“所述发动机的进气道、所述燃烧室、所述排气道、所述排气冷 却器和所述深度冷却器所构成的系统”是指这些单元的内部空间及连通这些单元的通道的 内部空间；“在所述发动机的进气道、所述燃烧室、所述排气道、所述排气冷却器和所述深度 冷却器所构成的系统的内充入氦气”是指对这些单元的内部空间及连通这些单元的通道的 内部空间内充入氦气，充入氦气的量可根据内部空间的大小以及燃烧室内氦气浓度的要求 进行调整。充入氦气是指一次性充入后氦气自行循环，一般不需要设氦气储罐，但是由于氦 气可能会有部分泄漏损失(如穿过活塞环的损失等)，所以也可以设置氦气储罐当系统内 的氦气量不足时可以利用氦气储罐对系统充入氦气，充入氦气的入口可以是上述系统中的 任何容易充入的部位。由于本实用新型所公开的气闭合循环热动力系统在很多情况下使用 液氧，可以多 储存一些液氧作为深冷载冷剂使用，也可以用液氮作为深冷载冷剂；大量使用液氧会使空 分产业产生过量的液氮，为此，用液氮作为深冷载冷剂是一种选择。由于在同等压比下，使用二氧化碳作工质的效率较低，而使用氦气则可以获得更 高的效率。为此，为提高发动机循环效率可在发动机的进气排气系统内充入氦气，氦气不凝 只参与循环。作为本实用新型的一个实施例，在排气深度冷却器内充入不凝气(如氦气)， 并设置连通燃烧室和排气深度冷却器的回流管道，使不凝气进入燃烧室参与作功循环。在 这个方案中，燃烧室排气中的二氧化碳的量会大幅度减少，取而代之的是氦气，所以在同等 作功压比的条件下会得到更高的效率。在这个方案中，氦气在燃烧室和排气深度冷却器之 间循环流动。另外，为了回收曲柄连杆式热动力系统通过活塞环泄漏的氦气损失，可将曲轴 箱设为负压吸回氦气，即可将曲轴箱与发动机的进气道连通，也可用泵抽出曲轴箱内的气 体加压后再送入进气道。在充入氦气的系统中，二氧化碳液化区的不凝气是氦气，可在此 处设氦气专用回流管使氦气回到进气道或燃烧室，也可与氧混合后再回流到进气道或燃烧 室。在设有氦气回流的结构中，所述发动机应设为具有压缩冲程的发动机。依据发动机流体流动的要求在必要的地方设控制阀，正时控制阀、泵等。本实用新型中在设有氧吸热排气深度冷却器的结构中，利用液态氧将经初步冷却 后的发动机排气中的气体二氧化碳冷却成液态二氧化碳或干冰，而液态氧吸收热量形成气 态氧。如果经初步冷却的发动机排气中仍含有一定量的水蒸气，这些水蒸气在形成二氧化 碳之前将被液化成水和/或固化成冰。为了尽可能的吸收排气中的热量，有效地液化排 气中的水蒸气和二氧化碳，本实用新型中所形成的气态氧或气态氧和二氧化碳等的混合物 (例如气态氧和二氧化碳及水蒸气的混合物)的压力可设为较低，进入气缸后需要进一步 压缩，这实质上是利用了发动机的压缩冲程增加了液态氧对排气的冷却能力，以构成排放 为零或近零的封闭系统，大大减少对环境的污染。当然此压力也可设为较高，不在需要进一 步压缩就可在燃烧室内完成高效燃烧反应。经计算可知，如果用排气冷却器将排气冷却到5度左右，液氧升温相变过程所需要的热量足以把以柴油、汽油、煤油为燃料时所产生的二氧化碳全部冷却液化。如果用排气 冷却器将排气冷却到60度左右，这时每立方米排气中含有一百多克的水，液氧升温相变过 程所需要的热量可以把以柴油、汽油、煤油为燃料时所产生的二氧化碳的百分之七十冷却 液化；在这个温度条件下，如果使用液化天然气为燃料并利用其冷能对排气进行冷却，即利 用液氧和液化天然气共同冷却60度的排气，经计算可知，不但可以把60度排气中的水和二 氧化碳全部液化，而且还剩余百分之四十的冷能。由此可以看出，如果在本实用新型所公开 的系统中使用液化天然气为燃料将可形成完全气闭合循环热动力系统。经计算可知，每公斤液氧的蓄能量(指由液氧升温汽化至标准状态所吸收的热 量)远高于目前最先进的蓄电池的能量密度。液态氧的低温性实质上相当于将电能储存在液态氧内的蓄电池。液氧的储存相对 比较容易，制造工艺成熟，可以利用大量低价电(如谷电和水电厂的剩余电量)以及“垃圾 电”将电能以液态氧的形式储存起来，供发动机使用，从而实现热动力系统的微排放、近零 排放或零排放。所谓微排放是指向环境排放少量二氧化碳，大部分二氧化碳以液态或固态 的形式储存的热动力系统；所谓近零排放是指向环境排放的二氧化碳的量几乎接近于零的 热动力系统；所谓零排放是指完全不向环境排放的二氧化碳的热动力系统。所谓谷电是指 用电低峰时的电；所谓垃圾电是指无法稳定使用的电，如风电和太阳能发出的电，这个类型 的电受天气及昼夜影响，很难连续稳定使用。液氧的价格每吨在600元左右，液态二氧化碳的价格每吨在800元左右，而干冰的 价格要每吨一万元左右，本实用新型所公开的发动机虽然消耗液态氧，但产生液态二氧化 碳或干冰，可以用液态二氧化碳或干冰交易液氧，不但不会增加发动机的运行成本，还有可 能降低发动机的运行成本。为了有效利用液氧和燃料冷却冷凝排气中的二氧化碳使燃烧排放出的二氧化碳 更多或全部液化为液体二氧化碳，除对相应设备和管道进行优化设计外，更重要的一条途 径是选择含氢多碳少的燃料，例如液体甲烷等。如果利用纯液体甲烷或液化天然气等燃烧 后产生二氧化碳的量少于产生水的量的燃料，整个系统对二氧化碳液化和/或固化的过程 将更为有效。为了确保燃烧所形成的二氧化碳全部被回收，可在将排气中的绝大部分水冷凝分 离后对排气(其中绝大部分为二氧化碳)进行压缩放热，或进行压缩放热后减压降温，再进 入冷凝冷却系统利用液氧或液氧和液态燃料将二氧化碳液化或干冰化。本实用新型中所述直混热交换器是指高温流体和低温流体直接混合进行传热的 热交换器，其本质是一个容器，在此容器中高温流体和低温流体进行混合，为了增加混合的 均勻度，在此容器中可设导流结构、搅拌机构或射流结构。本实用新型中所述直混对流热交换器是指高温流体和低温流体直接混合且不同 浓度的混合物在逆流通道的作用下进行对流流动进行传热的热交换器，为了增加混合的均 勻度，在此热交换器中可设导流结构、搅拌机构或射流结构。本实用新型所公开的气闭合循环热动力系统中在将氧源设为液氧储罐的结构中 可将液氧储罐中的液氧区设为排气深度冷却器，而液氧储罐中的一部分空间设为深冷二氧 化碳储罐。在这种结构中，是将经过排气冷却器后的排气直接导入液氧储罐中的液氧内，使 排气与液氧发生混合实现二氧化碳在液氧储罐内的液化和/或固化，或使排气在液氧储罐内经过热交换器被液氧深度冷却实现二氧化碳的液化和/或固化，液化或固化后的二氧化 碳由于比重较大会沉降到液氧储罐的下端空间，这样随着发动机的工作的进程，液氧储罐 内的液氧会逐步汽化离开液氧储罐，而液化或固化的二氧化碳的量会在液氧储罐内逐步增 加，这种结构相当于取消了排气深度冷却器和深冷二氧化碳储罐所占据的空间，所以这种 结构可大幅度地减少系统的体积和造价。本实用新型所公开的气闭合循环热动力系统如果去掉发动机，将发动机的燃烧室 设为供热锅炉的炉膛，本实用新型所公开的气闭合循环热动力系统也同样适用于供热系 统，构成没有对外排放的气闭合循环供热系统。本实用新型的有益效果如下1、本实用新型结构简单，制造成本低，可靠性高，决定性地减少了发动机污染物的 排放。2、本实用新型所公开的热动力系统效率高、负荷响应好。3、本实用新型所公开的热动力系统可有效利用电网系统的谷电及所谓“垃圾电”， 可提高电网的运行稳定性和安全性。
[0080]图1为本实用新型实施例1的结构示意图；[0081]图2为本实用新型实施例2的结构示意图；[0082]图3为本实用新型实施例3的结构示意图；[0083]图4为本实用新型实施例4的结构示意图；[0084]图5和图6为本实用新型实施例5的结构示意图；[0085]图7为本实用新型实施例6的结构示意图；[0086]图8为本实用新型实施例7的结构示意图；[0087]图9为本实用新型实施例8的结构示意图；[0088]图10为本实用新型实施例9的结构示意图；[0089]图11为本实用新型实施例10的结构示意图；[0090]图12为本实用新型实施例11的结构示意图；[0091]图13为本实用新型实施例12的结构示意图；[0092]图14和图15为本实用新型实施例13的结构示意图；[0093]图16为本实用新型实施例14的结构示意图；[0094]图17为本实用新型实施例15的结构示意图；[0095]图18为本实用新型实施例16的结构示意图；[0096]图19为本实用新型实施例17的结构示意图；[0097]图20、图21和图22为本实用新型实施例18的结构示意图。
具体实施方式
实施例1如图1所示的气闭合循环热动力系统，包括发动机1、氧源2、排气冷却器3、排气深 度冷却器4和深冷二氧化碳储罐5，氧源2与发动机1的燃烧室100连通，发动机1的排气道101经排气冷却器3与排气深度冷却器4连通，在排气冷却器3上设水排出口 301，在排 气深度冷却器4上设深冷二氧化碳排出口 302，深冷二氧化碳排出口 302与深冷二氧化碳储 罐5连通使发动机1排气中的二氧化碳全部或部分以液体和/或固体的形式储存在深冷二 氧化碳储罐5内。实施例2如图2所示的气闭合循环热动力系统，其与实施例1的区别在于氧源2设为液氧 储罐21，排气深度冷却器4设为氧吸热排气深度冷却器6，在氧吸热排气深度冷却器6上设 水排出口 301和深冷二氧化碳排出口 302，液氧储罐21与氧吸热排气深度冷却器6的冷却 流体入口连通，在氧吸热排气深度冷却器6上设氧气/含氧气体出口 303，氧气/含氧气体 出口 303与发动机1的燃烧室100连通。此外，还可以将由排气冷却器3和排气深度冷却 器4构成的排气冷却系统340设为氧吸热排气深度冷却器，氧吸热排气深度冷却器对排气 进行冷却、深度冷却将排气中的水蒸气液化，将二氧化碳液化和/或固化。实施例3如图3所示的气闭合循环热动力系统，其与实施例1的区别在于发动机1的燃 料设为液化燃料，液化燃料储存在液化燃料储罐3003内，排气深度冷却器4设为燃料吸热 排气深度冷却器333，在燃料吸热排气深度冷却器333上设深冷二氧化碳排出口 302，燃料 吸热排气深度冷却器333的冷却流体入口与液化燃料储罐3003连通，在燃料吸热排气深度 冷却器333上设燃料/含燃料流体出口 304，燃料/含燃料流体出口 304与发动机1的燃 烧室100连通。此外，还可以将由排气冷却器3和排气深度冷却器4构成的排气冷却系统 340设为燃料吸热排气深度冷却器，燃料吸热排气深度冷却器对排气进行冷却、深度冷却将 排气中的水蒸气液化，将二氧化碳液化和/或固化。实施例4如图4所示的气闭合循环热动力系统，其与实施例1的区别在于氧源2设为液氧 储罐21，发动机1的燃料设为液化燃料，液化燃料储存在液化燃料储罐3003内，排气深度冷 却器4设为由氧吸热排气深度冷却器6和燃料吸热排气深度冷却器333并联设置构成的排 气深度冷却系统633 ；在氧吸热排气深度冷却器6上设深冷二氧化碳排出口 302，液氧储罐 21与氧吸热排气深度冷却器6的冷却流体入口连通，在氧吸热排气深度冷却器6上设氧气 /含氧气体出口 303，氧气/含氧气体出口 303与发动机1的燃烧室100连通，在燃料吸热 排气深度冷却器333上设深冷二氧化碳排出口 302，燃料吸热排气深度冷却器333的冷却流 体入口与液化燃料储罐3003连通，在燃料吸热排气深度冷却器333上设燃料/含燃料流体 出口 304，燃料/含燃料流体出口 304与发动机1的燃烧室100连通，所述氧吸热排气深度 冷却器(6)和所述燃料吸热排气深度冷却器(333)的排气入口分别与所述排气冷却器(3) 连通。实施例5如图5所示的气闭合循环热动力系统，其与实施例1的区别在于氧源2设为液氧 储罐21，发动机1的燃料设为液化燃料，液化燃料储存在液化燃料储罐3003内，排气深度 冷却器4设为由氧吸热排气深度冷却器6和燃料吸热排气深度冷却器333串联设置构成的 排气深度冷却系统633 ；在处于末端的氧吸热排气深度冷却器6上设深冷二氧化碳排出口 302，在处于中间级的燃料吸热排气深度冷却器333上设水排出口 301。[0108]如图6所示的气闭合循环热动力系统，与上述方案的区别在于在处于末端的燃 料吸热排气深度冷却器333上设深冷二氧化碳排出口 302，在处于中间级的氧吸热排气深 度冷却器6上设水排出口 301。实施例6如图7所示的气闭合循环热动力系统，其与实施例1的区别在于在燃烧室100与 排气冷却器3之间设热动力单元800，所述热动力单元800对外输出动力，排气冷却器3和 排气深度冷却器4构成排气冷却系统340，在排气深度冷却器4上设二氧化碳导出口 99，二 氧化碳导出口 99经二氧化碳导出通道900与发动机1的燃烧室100连通。实施例7如图8所示的气闭合循环热动力系统，其与实施例1的区别在于气闭合循环热动 力系统还包括载冷剂储罐200，在排气冷却器3和排气深度冷却器4之间设载冷剂吸热排气 冷却器201，载冷剂吸热排气冷却器201的被冷却流体入口与排气冷却器3连通，载冷剂吸 热排气冷却器201的冷却流体入口与载冷剂储罐200连通，载冷剂吸热排气冷却器201上 设载冷剂出口 202，载冷剂吸热排气冷却器201的被冷却流体出口与排气深度冷却器4连 通，由排气冷却器3出来的排气在载冷剂吸热排气冷却器201中被储存在载冷剂储罐200 内的载冷剂进一步冷却后进入排气深度冷却器4进行深度冷却。实施例8如图9所示的气闭合循环热动力系统，其与实施例1的区别在于在排气冷却器3 和排气深度冷却器4之间设增压器400和排热器401，排气在增压器400内被压缩在排热器 401中进行冷却降温后进入排气深度冷却器4进行深度冷却以减少在排气深度冷却器4中 二氧化碳液化或固化过程中对冷能的需求。实施例9如图10所示的气闭合循环热动力系统，其与实施例1的区别在于气闭合循环热 动力系统还包括深冷载冷剂储罐500，排气深度冷却器4设为深冷载冷剂吸热排气冷却器 501，深冷载冷剂吸热排气冷却器501的被冷却流体入口与排气冷却器3的排气出口连通， 在深冷载冷剂吸热排气冷却器501上设深冷二氧化碳排出口 302，深冷载冷剂吸热排气冷 却器501的冷却流体入口与深冷载冷剂储罐500连通，深冷载冷剂吸热排气冷却器501的 深冷二氧化碳排出口 302与深冷二氧化碳储罐5连通，在深冷载冷剂吸热排气冷却器501 上设深冷载冷剂出口 502。实施例10如图11所示的气闭合循环热动力系统，其与实施例1的区别在于排气深度冷却 器4设为以发动机1排气热能为推动力的吸附式热流体自身冷却系统111，吸附式热流体自 身冷却系统111利用发动机1的排气热能将排气进行深度冷却使排气中的残留水汽液化之 后再将二氧化碳液化和/或固化。对于此实施例10，也可以将排气冷却器3设为以发动机1排气热能为推动力的吸 附式热流体自身冷却系统111，吸附式热流体自身冷却系统111利用发动机1的排气热能将 排气进行冷却；或将由排气冷却器3和排气深度冷却器4构成的排气冷却系统设为以发动机1排 气热能为推动力的吸附式热流体自身冷却系统，吸附式热流体自身冷却系统利用发动机1的排气热能将排气进行冷却后进入深度冷却过程，将排气中的水蒸气液化，将二氧化碳液 化和/或固化。实施例11如图12所示的气闭合循环热动力系统，其与实施例1的区别在于排气深度冷却 器4设为以发动机1排气热能为推动力的压缩式排气自身冷却系统444，压缩式排气自身冷 却系统444利用发动机1的排气热能将排气进行深度冷却使排气中的残留水汽液化之后再 将二氧化碳液化和/或固化。对于此实施例10，也可以将排气冷却器3设为以发动机1排气热能为推动力的压 缩式排气自身冷却系统444，压缩式排气自身冷却系统444利用发动机1的排气热能将排气 进行冷却；或将由排气冷却器3和排气深度冷却器4构成的排气冷却系统设为以发动机1排 气热能为推动力的压缩式排气自身冷却系统，压缩式排气自身冷却系统利用发动机1的排 气热能将排气进行冷却后再进入深度冷却过程，将排气中的水蒸气液化，将二氧化碳液化 和/或固化。实施例12如图13所示的气闭合循环热动力系统，其与实施例1的区别在于水排出口 301 与水喷嘴311连通将从水排出口 301出来的水喷射到排气冷却器3的外部高温区上作为排 气冷却器3的蒸发吸热载体以提高排气冷却器3的排气冷却效率。此外，还可以将水排出口 301中出来的水作为冷却介质导入排气冷却器3内部高 温区以提高排气冷却器3的排气冷却效率。实施例13如图14和图15所示的气闭合循环热动力系统，其与实施例1的区别在于氧吸热 排气深度冷却器6设为直混热交换器337或设为直混对流热交换器338，所述氧源2设为液 氧储罐21，所述深冷二氧化碳储罐5设为所述液氧储罐21的下端空间2102，利用所述液氧 储罐21的部分空间存储液态二氧化碳和/或干冰。此外，在设有燃料吸热排气深度冷却器333的结构中，燃料吸热排气深度冷却器 333设为直混热交换器337或设为直混对流热交换器338。实施例14如图16所示的气闭合循环热动力系统，其与实施例1的区别在于所述氧源2设 为大气，在所述排气深度冷却器4上设氮气出口 44，所述氮气出口 44与氮气吸热排气降温 热交换器441的冷却气体入口连通，所述氮气吸热排气降温热交换器441设置在所述排气 道101上的所述排气深度冷却器4之前。实施例15如图17所示的气闭合循环热动力系统，其与实施例14的区别在于所述氮气出口 44与氮气储罐414连通，所述氮气储罐414用来储存排气中的氮气。实施例16如图18所示的气闭合循环热动力系统，其与实施例1的区别在于气闭合循环热 动力系统还包括氦气回流管1101，在发动机1的进气道108、燃烧室100、排气道101、排气 冷却器3和深度冷却器4所构成的系统内充入氦气，氦气回流管1101将发动机1的进气道108与排气道101和/或排气道101的连通空间连通，所述排气道101的连通空间设为深度 冷却器4，在深度冷却器4上设氦气出口 41，氦气出口 41与氦气回流管1101连通，氦气在 发动机1的进气道108、燃烧室100、排气道101、排气冷却器3和深度冷却器4之间循环，并 且在进气道108和曲轴箱106之间设曲轴箱氦气回流管91，曲轴箱氦气回流管91经曲轴箱 氦气回流42与曲轴箱106连通，将通过活塞环泄漏的氦气回流到进气道108，减少对氦气的 需求。实施例17如图19所示的气闭合循环热动力系统，其与实施例1的区别在于氧源2设为液 氧储罐21，排气深度冷却器4设为罐内氧吸热热交换器480，罐内氧吸热热交换器480设在 液氧储罐21内，罐内氧吸热热交换器480的液体二氧化碳出口 4801与深冷二氧化碳储罐5 连通，利用液氧储罐21中的液氧将经过排气冷却器3冷却后的排气液化成液体二氧化碳， 再将液体二氧化碳储存在深冷二氧化碳储罐5内。实施例18如图20、21或22所示的气闭合循环热动力系统，其与实施例1的区别在于氧源 2设为液氧储罐21，排气深度冷却器4设为液氧储罐21中的液氧区2101，深冷二氧化碳储 罐5设为液氧储罐21中的下端空间2102，利用液氧储罐21中的液氧区2101对经过排气冷 却器3冷却后的排气进行深度冷却，利用液氧储罐21中的部分空间存储液态二氧化碳和/ 或干冰。其中，图20中排气冷却器3冷却后的排气在液氧储罐21的液氧区2101内与液氧 直接混合后被液氧深度冷却；图21中排气冷却器3冷却后的排气在液氧储罐21的液氧区 2101内经热交换器414被液氧深度冷却；图22中在液氧储罐21的液氧区2101内设可以 上下浮动的隔热板4001，在隔热板4001上设导热区4002，排气冷却器3冷却后的排气从液 氧储罐21的底部进入，经防固化热交换器2103后进入隔热板4001下方，排气被在导热区 4002被液氧冷却后存储在液氧储罐21中的下端空间2102内。设置防固化热交换器2103 的目的是为了防止二氧化碳固化，如果二氧化碳固化，会造成导出困难并吸收大量液氧的 冷能，增加冷却负荷。设置隔热板4001的目的是为了控制液氧与排气和/或液化二氧化碳 之间的传热速度，以实现排气被液化成液体二氧化碳并维持液体状态。隔热板4001的材料 可以是硬质材料，也可以是柔性材料(如柔性材料的带状结构)，只要其能够上下浮动，并 能满足液氧与低端进入的排气之间的热量传递速率即可，并且要满足保持低温和液氧环境 的要求。随着发动机工作的进程，液氧储罐21内的液体二氧化碳的量会逐渐增加，液氧的 量会逐渐减少，在液体压力的作用下或在控制机构的作用下隔热板4001逐渐上行。当液氧 用尽时，将液体二氧化碳从液氧储罐21的下端空间2102放出，隔热板4001下行至液氧储 罐的低端，从液氧储罐21的上方重新充入液氧。如果发动机处于一段时间的停滞，处于液 氧储罐21的下端空间2102内的液体二氧化碳会逐渐被固化而形成干冰，但是当发动机开 始工作时，排气中的气体二氧化碳会首先通过防固化热交换器2103将已经固化的二氧化 碳重新液化，并被固体二氧化碳液化成液体二氧化碳的过程冷却和/或深度冷却。
权利要求1.一种气闭合循环热动力系统，包括发动机(1)、氧源O)、排气冷却器(3)、排气深度 冷却器(4)和深冷二氧化碳储罐(5)，其特征在于所述氧源( 与所述发动机(1)的燃烧 室(100)连通，所述发动机(1)的排气道(101)经所述排气冷却器C3)与所述排气深度冷 却器(4)连通，在所述排气冷却器C3)上设水排出口(301)，在所述排气深度冷却器(4)上 设深冷二氧化碳排出口(302)，所述深冷二氧化碳排出口(30 与所述深冷二氧化碳储罐 (5)连通使所述发动机(1)排气中的二氧化碳全部或部分以液体和/或固体的形式储存在 所述深冷二氧化碳储罐(5)内。
2.根据权利要求1所述气闭合循环热动力系统，其特征在于所述氧源(2)设为液氧 储罐(21)，所述排气深度冷却器(4)设为氧吸热排气深度冷却器(6)，在所述氧吸热排气深 度冷却器(6)上设所述深冷二氧化碳排出口(302)，所述液氧储罐与所述氧吸热排气 深度冷却器(6)的冷却流体入口连通，在所述氧吸热排气深度冷却器(6)上设氧气/含氧 气体出口(303)，所述氧气/含氧气体出口(303)与所述发动机(1)的燃烧室(100)连通；或所述氧源( 设为液氧储罐(21)，将由所述排气冷却器C3)和所述排气深度冷却器 (4)构成的排气冷却系统(340)设为氧吸热排气深度冷却器(6)，在所述氧吸热排气深度冷 却器(6)上设所述深冷二氧化碳排出口(302)，所述液氧储罐与所述氧吸热排气深度 冷却器(6)的冷却流体入口连通，在所述氧吸热排气深度冷却器(6)上设氧气/含氧气体 出口(303)，所述氧气/含氧气体出口(303)与所述发动机(1)的燃烧室(100)连通。
3.根据权利要求1所述气闭合循环热动力系统，其特征在于所述发动机(1)的燃料 设为液化燃料，所述液化燃料储存在液化燃料储罐(300 内，所述排气深度冷却器(4)设 为燃料吸热排气深度冷却器(333)，在所述燃料吸热排气深度冷却器(33 上设所述深冷 二氧化碳排出口(302)，所述燃料吸热排气深度冷却器(333)的冷却流体入口与所述液化 燃料储罐(300 连通，在所述燃料吸热排气深度冷却器(33 上设燃料/含燃料流体出口 (304)，所述燃料/含燃料流体出口(304)与所述发动机(1)的燃烧室(100)连通；或所述发动机(1)的燃料设为液化燃料，所述液化燃料储存在液化燃料储罐(3003) 内，将由所述排气冷却器C3)和所述排气深度冷却器(4)构成的排气冷却系统(340)设为 燃料吸热排气深度冷却器(333)，在所述燃料吸热排气深度冷却器(33 上设所述深冷二 氧化碳排出口(302)，所述燃料吸热排气深度冷却器(333)的冷却流体入口与所述液化燃 料储罐(300 连通，在所述燃料吸热排气深度冷却器(33 上设燃料/含燃料流体出口 (304)，所述燃料/含燃料流体出口(304)与所述发动机(1)的燃烧室(100)连通。
4.根据权利要求1所述气闭合循环热动力系统，其特征在于所述氧源( 设为液 氧储罐(21)，所述发动机(1)的燃料设为液化燃料，所述液化燃料储存在液化燃料储罐 (3003)内，所述排气深度冷却器(4)设为由氧吸热排气深度冷却器(6)和燃料吸热排气深 度冷却器(333)并联或串联设置构成的排气深度冷却系统(633)；在所述氧吸热排气深度冷却器(6)和所述燃料吸热排气深度冷却器(33 并联设置的 结构中，在所述氧吸热排气深度冷却器(6)上设所述深冷二氧化碳排出口(302)，所述液氧 储罐与所述氧吸热排气深度冷却器(6)的冷却流体入口连通，在所述氧吸热排气深度 冷却器(6)上设氧气/含氧气体出口(303)，所述氧气/含氧气体出口(30 与所述发动机 (1)的燃烧室(100)连通，在所述燃料吸热排气深度冷却器(33 上设所述深冷二氧化碳 排出口(302)，所述燃料吸热排气深度冷却器(333)的冷却流体入口与所述液化燃料储罐(3003)连通，在所述燃料吸热排气深度冷却器(33 上设燃料/含燃料流体出口(304)，所 述燃料/含燃料流体出口(304)与所述发动机(1)的燃烧室(100)连通，所述氧吸热排气 深度冷却器(6)和所述燃料吸热排气深度冷却器(33 的排气入口分别与所述排气冷却器 ⑶连通；在所述氧吸热排气深度冷却器(6)和所述燃料吸热排气深度冷却器(33 串联设置的 结构中，在处于末端的所述氧吸热排气深度冷却器(6)上或在所述燃料吸热排气深度冷却 器(33 上设所述深冷二氧化碳排出口(302)，所述液氧储罐与所述氧吸热排气深度 冷却器(6)的冷却流体入口连通，在所述氧吸热排气深度冷却器(6)上设氧气/含氧气体 出口(303)，所述氧气/含氧气体出口(303)与所述发动机(1)的燃烧室(100)连通；所述 燃料吸热排气深度冷却器(33 的冷却流体入口与所述液化燃料储罐(300 连通，在所述 燃料吸热排气深度冷却器(33 上设燃料/含燃料流体出口(304)，所述燃料/含燃料流体 出口(304)与所述发动机(1)的燃烧室(100)连通；处于上游的所述氧吸热排气深度冷却 器(6)或所述燃料吸热排气深度冷却器(333)的排气入口与所述排气冷却器C3)连通，处 于上游的所述氧吸热排气深度冷却器(6)或所述燃料吸热排气深度冷却器(33 的排气出 口与处于下游的所述氧吸热排气深度冷却器(6)或所述燃料吸热排气深度冷却器(333)的 排气入口连通。
5.根据权利要求1所述气闭合循环热动力系统，其特征在于在所述燃烧室(100)与 所述排气冷却器C3)之间设热动力单元(800)，所述热动力单元(800)对外输出动力。
6.根据权利要求1所述气闭合循环热动力系统，其特征在于所述气闭合循环热动力 系统还包括载冷剂储罐O00)，在所述排气冷却器( 和所述排气深度冷却器(4)之间设载 冷剂吸热排气冷却器001)，所述载冷剂吸热排气冷却器O01)的被冷却流体入口与所述 排气冷却器C3)连通，所述载冷剂吸热排气冷却器O01)的冷却流体入口与所述载冷剂储 罐(200)连通，所述载冷剂吸热排气冷却器(201)上设载冷剂出口 002)，所述载冷剂吸热 排气冷却器O01)的被冷却流体出口与所述排气深度冷却器(4)连通，由所述排气冷却器 (3)出来的排气在所述载冷剂吸热排气冷却器O01)中被储存在所述载冷剂储罐O00)内 的载冷剂进一步冷却后进入所述排气深度冷却器(4)进行深度冷却；和/或在所述排气冷 却器( 和所述排气深度冷却器(4)之间设增压器(400)和排热器G01)，排气在所述增压 器G00)内被压缩在所述排热器G01)中进行冷却降温后进入所述排气深度冷却器(4)进 行深度冷却以减少在所述排气深度冷却器中二氧化碳液化或固化过程中对冷能的需 求。
7.根据权利要求1所述气闭合循环热动力系统，其特征在于所述气闭合循环热动力 系统还包括深冷载冷剂储罐(500)，所述排气深度冷却器(4)设为深冷载冷剂吸热排气冷 却器(501)，所述深冷载冷剂吸热排气冷却器(501)的被冷却流体入口与所述排气冷却器 (3)的排气出口连通，在所述深冷载冷剂吸热排气冷却器(501)上设所述深冷二氧化碳排 出口(302)，所述深冷载冷剂吸热排气冷却器(501)的冷却流体入口与所述深冷载冷剂储 罐(500)连通，所述深冷载冷剂吸热排气冷却器(501)的所述深冷二氧化碳排出口(302) 与所述深冷二氧化碳储罐( 连通，在所述深冷载冷剂吸热排气冷却器(501)上设深冷载 冷剂出口 (502)。
8.根据权利要求1所述气闭合循环热动力系统，其特征在于所述水排出口(301)与水喷嘴(311)连通将从所述水排出口(301)出来的水喷射到所述排气冷却器C3)的外部高 温区上作为所述排气冷却器⑶的蒸发吸热载体以提高所述排气冷却器⑶的排气冷却效 率；或将从所述水排出口(301)中出来的水作为冷却介质导入所述排气冷却器(3)内部高 温区以提高所述排气冷却器(3)的排气冷却效率。
9.根据权利要求1至8任意之一所述气闭合循环热动力系统，其特征在于所述氧源 (2)设为液氧储罐(21)，所述深冷二氧化碳储罐( 设为所述液氧储罐的下端空间 (2102)，利用所述液氧储罐的部分空间存储液态二氧化碳和/或干冰。
10.根据权利要求1至8任意之一所述气闭合循环热动力系统，其特征在于所述氧源 (2)设为大气，在所述排气深度冷却器(4)上设氮气出口 04)。
11.根据权利要求1所述气闭合循环热动力系统，其特征在于所述气闭合循环热动力 系统还包括氦气回流管(1101)，在所述发动机(1)的进气道(108)、所述燃烧室(100)、所述 排气道(101)、所述排气冷却器C3)和所述深度冷却器(4)所构成的系统内充入氦气，所述 氦气回流管(1101)将所述发动机(1)的进气道(108)与所述排气道(101)和/或所述排气 道(101)的连通空间连通，氦气在所述发动机⑴的所述进气道(108)、所述燃烧室(100)、 所述排气道(101)、所述排气冷却器( 和所述深度冷却器(4)之间循环。
12.根据权利要求1所述气闭合循环热动力系统，其特征在于所述氧源( 设为液氧 储罐(21)，所述排气深度冷却器(4)设为罐内氧吸热热交换器G80)，所述罐内氧吸热热交 换器(480)设在所述液氧储罐内，所述罐内氧吸热热交换器(480)的液体二氧化碳出 口 0801)与所述深冷二氧化碳储罐( 连通，利用所述液氧储罐中的液氧将经过所 述排气冷却器( 冷却后的排气液化成液体二氧化碳，再将液体二氧化碳储存在所述深冷 二氧化碳储罐(5)内。
13.根据权利要求1所述气闭合循环热动力系统，其特征在于所述氧源( 设为液氧 储罐(21)，所述排气深度冷却器(4)设为所述液氧储罐中的液氧区(2101)，所述深冷 二氧化碳储罐( 设为所述液氧储罐中的下端空间(2102)，利用所述液氧储罐中的所述液氧区O101)对经过所述排气冷却器(3)冷却后的排气进行深度冷却，利用所述 液氧储罐中的部分空间存储液态二氧化碳和/或干冰。
专利摘要本实用新型公开了一种气闭合循环热动力系统，包括发动机、氧源、排气冷却器、排气深度冷却器和深冷二氧化碳储罐，所述氧源与所述发动机的燃烧室连通，所述发动机的排气道经所述排气冷却器与所述排气深度冷却器连通，在所述排气冷却器上设水排出口，在所述排气深度冷却器上设深冷二氧化碳排出口，所述深冷二氧化碳排出口与所述深冷二氧化碳储罐连通使所述发动机排气中的二氧化碳以液体和/或固体的形式储存在所述深冷二氧化碳储罐内。本实用新型结构简单，制造成本低，可靠性高，决定性地减少了发动机污染物的排放。
文档编号F01N3/04GK201851229SQ20102054574
公开日2011年6月1日 申请日期2010年9月28日 优先权日2010年7月12日
发明者靳北彪 申请人:靳北彪