外燃机系统和交通工具的制作方法

2021-02-26 05:02:30|

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本申请属于动力系统技术领域，具体涉及一种外燃机系统和交通工具。

背景技术：

对于诸如船舶、火车这样的交通工具，消耗的燃料是巨大的。如何提高热效率，成为本领域技术人员持续推动解决的技术问题。

技术实现要素：

本申请的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种外燃机系统和交通工具。

为解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案：一种外燃机系统，其特征在于，包括：蒸汽发生器、第一热泵、第一蒸发式冷凝器、第二蒸发式冷凝器、再热器和第一气动机；使用燃料燃烧能够加热所述蒸汽发生器内的第二压力工质液体而产生第二压力工质气体，所述第二压力工质气体用于驱动所述第一热泵；所述第一热泵分别通过管路与所述第一蒸发式冷凝器以及所述第二蒸发式冷凝器流体连通并且所述第一蒸发式冷凝器与所述第二蒸发式冷凝器通过第一管路流体连通，使得第一热泵的工质能够经由所述第一蒸发式冷凝器、第一管路以及所述第二蒸发式冷凝器循环流动；并且，所述第一气动机分别通过管路与所述第一蒸发式冷凝器以及所述第二蒸发式冷凝器流体连通并且所述第一蒸发式冷凝器与所述第二蒸发式冷凝器还通过第二管路流体连通，使得所述第一气动机的压力工质能够经由所述第一蒸发式冷凝器、所述第二管路以及所述第二蒸发式冷凝器循环流动，其中，所述第一热泵的工质用于在所述第一蒸发式冷凝器中从所述第一气动机的第一输出压力工质气体吸收热量而将所述第一气动机的第一输出压力工质气体冷凝得到第一压力工质液体，并且所述第一压力工质液体被输送作为所述第一气动机的第一输入压力工质；所述第一热泵用于对吸收热量后的工质进行压缩以使所述工质升温从而用于在所述第二蒸发式冷凝器中对所述第一气动机的所述第一输入压力工质进行加热使其汽化成第一压力工质气体，所述压力工质气体用于致动所述第一气动机然后由所述第一气动机输出作为所述第一气动机的第一输出压力工质气体；在所述第二蒸发式冷凝器中对所述第一输入压力工质进行加热而降温后的所述第一热泵的工质被用于输送到第一蒸发式冷凝器中重新从所述第一气动机的第一输出压力工质气体吸收热量，从而使得所述第一热泵的工质循环进行所述吸热、升温和降温；所述再热器通过第三管路与所述第二蒸发式冷凝器形成流体回路，所述蒸汽发生器中燃烧所得尾气用于对所述再热器的工质加热，所述再热器的加热后的工质与所述第一热泵的压缩后的工质共同在所述第二蒸发式冷凝器对所述第一气动机的所述第一输入压力工质进行加热。

可选地，所述再热器的加热后的工质与所述第一热泵的压缩后的工质汇合并在所述第二蒸发式冷凝器中对所述第一气动机的所述第一输入压力工质进行加热，所述再热器接收所述第二蒸发式冷凝器冷凝所得部分工质；所述再热器的工质与所述第一热泵的工质成分相同。

可选地，所述蒸汽发生器为管壳式，燃料在所述蒸汽发生器的管程内燃烧；所述再热器为管壳式，所述蒸汽发生器内燃烧所得尾气流入所述再热器的管程并从所述再热器的管程中排出。

可选地，所述第一热泵包括第二气动机以及由所述第二气动机驱动的压缩机，所述第二压力工质气体具体用于驱动所述第二气动机。

可选地，还包括冷凝器，所述第二压力工质气体具体用于致动所述第二气动机然后由所述第二气动机输出作为所述第二气动机的第二输出压力工质气体；在所述冷凝器中对所述第二输出压力工质气体进行冷凝得到第二压力工质液体，并且冷凝得到的第二压力工质液体被输运至所述蒸汽发生器。

可选地，还包括第一储气罐；所述蒸汽发生器通过所述第一储气罐与所述第一热泵流体连通，所述第一储气罐用于存储所述第二压力工质气体。

可选地，还包括第一工质储液罐，其与所述冷凝器相比位于更低位置且通过第一阀门与所述冷凝器流体连通，并通过第二阀门与所述蒸汽发生器流体连通；当所述第一阀门处于打开状态时，所述第二阀门处于关闭状态，使所述冷凝器与所述第一工质储液罐连通，同时保持所述第一工质储液罐与所述蒸汽发生器断开连通，从而使所述冷凝器中冷凝所得的所述第二压力工质液体流入所述第一工质储液罐中；并且当所述第一工质储液罐的液位高于预定第一阈值时，所述第一阀门变为关闭状态且所述第二阀门变为打开状态，使所述第一工质储液罐与所述冷凝器断开连通，并且与所述蒸汽发生器连通，从而能够使所述第一工质储液罐中冷凝所得所述第二压力工质液体返回所述蒸汽发生器。

可选地，当所述第一工质储液罐中的液位低于预定第二阈值时，所述第一阀门变为打开状态且所述第二阀门变为关闭状态，使所述第一工质储液罐与所述蒸汽发生器断开连通而与所述冷凝器重新连通，使得所述冷凝器中冷凝所得第二压力工质液体能够流入所述第一工质储液罐中，其中所述预定第二阈值低于所述预定第一阈值。

可选地，所述第一工质储液罐还通过第三阀门与所述第一储气罐流体连通。

可选地，所述第一阀门和所述第二阀门为单向阀，所述第三阀门为电动阀。

可选地，所述第二压力工质为二氧化碳co2，所述第一热泵的工质为氨nh3。

可选地，所述第一热泵的工质用于从所述第一蒸发式冷凝器的管程中流过而吸热气化，而所述第一气动机的第一输出压力工质气体用于流入所述第一蒸发式冷凝器的壳程中而放热冷凝；和/或，所述第一热泵的经压缩的工质用于从所述第二蒸发式冷凝器的管程中流过而放热冷凝，而所述第一气动机的第一输入压力工质用于在所述第二蒸发式冷凝器的壳程中吸热气化。

可选地，还包括第二储气罐；所述第一蒸发式冷凝器器通过所述第二储气罐与所述第一气动机流体连通，所述第二储气罐用于存储所述第一压力工质气体。

可选地，还包括第二工质储液罐，其与所述第一蒸发式冷凝器相比位于更低位置且通过第四阀门与所述第一蒸发式冷凝器流体连通，并且通过第五阀门与所述第二蒸发式冷凝器流体连通，其中，当第四阀门处于打开状态时，第五阀门处于关闭状态，使所述第一蒸发式冷凝器与第二工质储液罐连通，同时保持所述第二工质储液罐与所述第二蒸发式冷凝器断开连通，从而使所述第一蒸发式冷凝器中冷凝所得所述第一压力工质液体流入所述第二工质储液罐中，并且，当所述第二工质储液罐中的液位高于预定第三阈值时，所述第四阀门变为关闭状态且所述第五阀门变为打开状态，使所述第二工质储液罐与所述第一蒸发式冷凝器断开连通，并且与所述第二蒸发式冷凝器连通，从而能够使所述第二工质储液罐中冷凝所得所述压力工质液体返回所述第二蒸发式冷凝器中。

可选地，当所述第二工质储液罐中的液位低于预定第四阈值时，所述第四阀门变为打开状态且所述第五阀门变为关闭状态，使所述第二工质储液罐与所述第二蒸发式冷凝器断开连通而与所述第一蒸发式冷凝器重新连通，使得所述第一蒸发式冷凝器中冷凝所得第一压力工质液体能够流入所述第二工质储液罐中，其中所述预定第四阈值低于所述预定第三阈值。

可选地，所述第二工质储液罐还通过与所述第四阀门所处管路不同的第四管路与所述第一蒸发式冷凝器流体连通，所述第四管路中包含串接的第六阀门和辅助气动机，所述第二工质储液罐还通过第七阀门和所述第二储气罐流体连通，当所述第二工质储液罐中的液位高于所述预定第三阈值时，所述第六阀门由打开状态变为关闭状态而所述第七阀门由关闭状态变为打开状态；当所述第二工质储液罐中的液位低于所述预定第四阈值时，所述第六阀门由关闭状态变为打开状态而所述第七阀门由打开状态变为关闭状态，从而利用所述第二工质储液罐内部与所述第一蒸发式冷凝器内部之间的压力差驱动所述辅助气动机，并且在所述第二工质储液罐内部与所述第一蒸发式冷凝器内部之间压力平衡后，所述第四阀门由关闭状态变为打开状态。

可选地，所述第四阀门和所述第五阀门为单向阀，所述第六阀门和所述第七阀门为电动阀。

可选地，还包括：第二热泵，其由所述辅助气动机驱动，使得第二热泵从第一蒸发式冷凝器抽取第一热泵的至少一部分工质并将其压缩以提高所述至少一部分工质的温度，然后将提高温度后的所述至少一部分工质与被第一热泵压缩而升温后的工质汇合流入所述第二蒸发式冷凝器。

可选地，所述第一热泵的工质为氨nh3，且所述第一气动机的第一压力工质为二氧化碳co2。

本申请采用如下技术方案：一种交通工具，包括上述的外燃机系统。

可选地，所述交通工具具体为船舶，所述第一气动机用于驱动螺旋桨。

可选地，当所述外燃机系统包含所述冷凝器时，所述冷凝器为壳管式冷凝器，所述船舶还包括冷水采集装置，用于采集所述船舶所处环境的冷水并驱动至所述冷凝器的管程以对所述冷凝器壳程中的所述第二输出压力工质气体进行冷凝。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：由于采用外燃形式，燃料的选取更加灵活自由。可选用清洁的燃料。燃料燃烧使蒸汽发生器产生足够大的蒸汽压力，带动热泵工作，使得第一蒸发式冷凝器制冷、第二蒸发式冷凝器制热，能量利用率提高。燃料燃烧所产生的尾气温度一般在100℃以上，其携带的余热通过再热器可以提供给第二蒸发式冷凝器，进一步提高第二蒸发式冷凝器产生的压力工质气体的气压，在回收尾气余热同时，提高了第一气动机的动力输出，提高整机热效率。

附图说明

图1是本申请实施例提供的外燃机系统以及其参与构成的交通工具的结构示意图。

其中，附图标记为：d、蒸汽发生器；p、第一热泵；k、第一蒸发式冷凝器；l、第二蒸发式冷凝器；c、再热器；j、第一气动机；e、第二气动机；f、压缩机；g、冷凝器；17a、第一储气罐；14a、第一工质储液罐；13a、第一阀门；18a、第二阀门；16a、第三阀门；17b、第二储气罐；14b、第二工质储液罐；13b、第四阀门；18b、第五阀门；12、第六阀门；11、辅助气动机；16b、第七阀门；26、第二热泵；h、螺旋桨。

具体实施方式

在本申请中，应理解，诸如“包括”或“具有”等术语旨在指示本说明书中所公开的特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合的存在，并且不旨在排除一个或多个其他特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合存在的可能性。

另外还需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

下面结合附图所示的实施例对本申请作进一步说明。

如附图1所示，本申请的实施例提供一种外燃机系统，包括：蒸汽发生器d、第一热泵p、第一蒸发式冷凝器k、第二蒸发式冷凝器l、再热器c和第一气动机j；使用燃料燃烧能够加热蒸汽发生器d内的第二压力工质液体而产生第二压力工质气体，第二压力工质气体用于驱动第一热泵p。

第一热泵p分别通过管路与第一蒸发式冷凝器k以及第二蒸发式冷凝器l流体连通并且第一蒸发式冷凝器k与第二蒸发式冷凝器l通过第一管路流体连通，使得第一热泵p的工质能够经由第一蒸发式冷凝器k、第一管路以及第二蒸发式冷凝器l循环流动；并且，第一气动机j分别通过管路与第一蒸发式冷凝器k以及第二蒸发式冷凝器l流体连通并且第一蒸发式冷凝器k与第二蒸发式冷凝器l还通过第二管路流体连通，使得第一气动机j的压力工质能够经由第一蒸发式冷凝器k、第二管路以及第二蒸发式冷凝器l循环流动。

第一热泵p的工质用于在第一蒸发式冷凝器k中从第一气动机j的第一输出压力工质气体吸收热量而将第一气动机j的第一输出压力工质气体冷凝得到第一压力工质液体，并且第一压力工质液体被输送作为第一气动机j的第一输入压力工质。

第一热泵p用于对吸收热量后的工质进行压缩以使工质升温从而用于在第二蒸发式冷凝器l中对第一气动机j的第一输入压力工质进行加热使其汽化成压力工质气体，压力工质气体用于致动第一气动机j然后由第一气动机j输出作为第一气动机j的第一输出压力工质气体。

在第二蒸发式冷凝器l中对第一输入压力工质进行加热而降温后的第一热泵p的工质被用于输送到第一蒸发式冷凝器k中重新从第一气动机j的第一输出压力工质气体吸收热量，从而使得第一热泵p的工质循环进行吸热、升温和降温。

再热器c通过第三管路与第二蒸发式冷凝器l形成流体回路，蒸汽发生器d中燃烧所得尾气用于对再热器c的工质加热，再热器c的加热后的工质与第一热泵p的压缩后的工质汇合并在第二蒸发式冷凝器l中共同对第一气动机j的第一输入压力工质进行加热，再热器c接收第二蒸发式冷凝器l冷凝所得部分工质；再热器c的工质与第一热泵p的工质成分相同。

由于采用外燃形式，燃料的选取更加灵活自由。可选择石油液化气、天然气、甲醇等排放较为环保的燃料。燃料燃烧使蒸汽发生器d产生足够大的蒸汽压力，带动第一热泵p工作，使得第一蒸发式冷凝器k制冷、第二蒸发式冷凝器l制热，能量利用率提高。燃料燃烧所产生的尾气温度一般在100℃以上，其携带的余热通过再热器c可以提供给第二蒸发式冷凝器l，进一步提高第二蒸发式冷凝器l产生的压力工质气体的气压，在回收尾气余热同时，提高了第一气动机j的动力输出，提高整机热效率。

再热器c中升温后的工质也可以是与第一热泵p压缩后的工质不进行汇合。例如第二蒸发式冷凝器外壳上形成夹层，再热器c的工质在这个夹层中流通，同样能够起到辅助升温的作用。如此一来，再热器c的工质与第一热泵p的工质也可以是不同成分。

可选地，蒸汽发生器d为管壳式，燃料在蒸汽发生器d的管程内燃烧；再热器c为管壳式，蒸汽发生器d内燃烧所得尾气流入再热器c的管程并从再热器c的管程中排出。

管壳式的蒸汽发生器d以及再热器c可以最大限度地利用燃料燃烧所产生的热量。

可选地，第一热泵p包括第二气动机e以及由第二气动机e驱动的压缩机f，第二压力工质气体具体用于驱动第二气动机e。

即蒸汽发生器d产生的高压蒸汽为第二气动机e提供动力，第二气动机e带动压缩机f工作。

可选地，还包括冷凝器g，第二压力工质气体具体用于致动第二气动机e然后由第二气动机e输出作为第二气动机e的第二输出压力工质气体；在冷凝器g中对第二输出压力工质气体进行冷凝得到第二压力工质液体，并且冷凝得到的第二压力工质液体被输运至蒸汽发生器d。

如此，第二压力工质液体经加热汽化、冷凝液化后又回到蒸汽发生器d。

可选地，还包括第一储气罐17a；蒸汽发生器d通过第一储气罐17a与第一热泵p流体连通，第一储气罐17a用于存储第二压力工质气体。第一储气罐17a可实现液气分离，其也可以使用其它具有液气分离作用的装置来替代。第一储气罐17a还可以保证提供给第一热泵p的气压的稳定性。

可选地，还包括第一工质储液罐14a，其与冷凝器g相比位于更低位置且通过第一阀门13a与冷凝器g流体连通，并通过第二阀门18a与蒸汽发生器d流体连通；当第一阀门13a处于打开状态时，第二阀门18a处于关闭状态，使冷凝器g与第一工质储液罐14a连通，同时保持第一工质储液罐14a与蒸汽发生器d断开连通，从而使冷凝器g中冷凝所得的第二压力工质液体流入第一工质储液罐14a中；并且当第一工质储液罐14a的液位高于预定第一阈值时，第一阀门13a变为关闭状态且第二阀门18a变为打开状态，使第一工质储液罐14a与冷凝器g断开连通，并且与蒸汽发生器d连通，从而能够使第一工质储液罐14a中冷凝所得第二压力工质液体返回蒸汽发生器d。

即采用第一工质储液罐14a收集第二压力工质液体，仅在收集到足够的第二压力工质液体后，才将收集到的第二压力工质液体提供给蒸汽发生器d。

可选地，当第一工质储液罐14a中的液位低于预定第二阈值时，第一阀门13a变为打开状态且第二阀门18a变为关闭状态，使第一工质储液罐14a与蒸汽发生器d断开连通而与冷凝器g重新连通，使得冷凝器g中冷凝所得第二压力工质液体能够流入第一工质储液罐14a中，其中预定第二阈值低于预定第一阈值。

即第一工质储液罐14a内第二压力工质液体较少时，停止向蒸汽发生器d提供第二压力工质液体，转而继续收集第二压力工质液体。

可选地，第一工质储液罐14a还通过第三阀门16a与第一储气罐17a流体连通。

可选地，第一阀门13a和第二阀门18a为单向阀，第三阀门16a为电动阀。

可选地，第二压力工质为co2，第一热泵p的工质为氨nh3。

可选地，第一热泵p的工质用于从第一蒸发式冷凝器k的管程中流过而吸热气化，而第一气动机j的第一输出压力工质气体用于流入第一蒸发式冷凝器k的壳程中而放热冷凝；和/或，第一热泵p的经压缩的工质用于从第二蒸发式冷凝器l的管程中流过而放热冷凝，而第一气动机j的第一输入压力工质用于在第二蒸发式冷凝器l的壳程中吸热气化。

如此，热交换的效率较高。

可选地，还包括第二储气罐17b；第一蒸发式冷凝器k器通过第二储气罐17b与所述第一气动机j流体连通，第二储气罐17b用于存储第一压力工质气体。

第二储气罐17b实现液气分离，同时能够保证提供给第一气动机j的气流的稳定性。

可选地，还包括第二工质储液罐14b，其与第一蒸发式冷凝器k相比位于更低位置且通过第四阀门13b与第一蒸发式冷凝器k流体连通，并且通过第五阀门18b与第二蒸发式冷凝器l流体连通，其中，当第四阀门13b处于打开状态时，第五阀门18b处于关闭状态，使第一蒸发式冷凝器k与第二工质储液罐14b连通，同时保持第二工质储液罐14b与第二蒸发式冷凝器l断开连通，从而使第一蒸发式冷凝器k中冷凝所得第一压力工质液体流入第二工质储液罐14b中，并且，当第二工质储液罐14b中的液位高于预定第三阈值时，第四阀门13b变为关闭状态且第五阀门18b变为打开状态，使第二工质储液罐14b与第一蒸发式冷凝器k断开连通，并且与第二蒸发式冷凝器l连通，从而能够使第二工质储液罐14b中冷凝所得压力工质液体返回第二蒸发式冷凝器l中。

即采用第二工质储液罐14b收集第一压力工质液体，仅在收集到足够的第一压力工质液体后，才将收集到的第一压力工质液体提供给蒸汽发生器d。

可选地，当第二工质储液罐14b中的液位低于预定第四阈值时，第四阀门13b变为打开状态且第五阀门18b变为关闭状态，使第二工质储液罐14b与第二蒸发式冷凝器l断开连通而与第一蒸发式冷凝器k重新连通，使得第一蒸发式冷凝器k中冷凝所得第一压力工质液体能够流入第二工质储液罐14b中，其中预定第四阈值低于预定第三阈值。

即第二工质储液罐14b内第一压力工质液体较少时，停止向第二蒸发式冷凝器l提供第一压力工质液体，转而继续收集第一压力工质液体。

可选地，第二工质储液罐14b还通过与第四阀门13b所处管路不同的第四管路与第一蒸发式冷凝器k流体连通，第四管路中包含串接的第六阀门12和辅助气动机11，第二工质储液罐14b还通过第七阀门16b和第二储气罐17b流体连通，当第二工质储液罐14b中的液位高于预定第三阈值时，第六阀门12由打开状态变为关闭状态而第七阀门16b由关闭状态变为打开状态；当第二工质储液罐14b中的液位低于预定第四阈值时，第六阀门12由关闭状态变为打开状态而第七阀门16b由打开状态变为关闭状态，从而利用第二工质储液罐14b内部与第一蒸发式冷凝器k内部之间的压力差驱动辅助气动机11，并且在第二工质储液罐14b内部与第一蒸发式冷凝器k内部之间压力平衡后，第四阀门13b由关闭状态变为打开状态。

即第二工质储液罐14b与第一蒸发式冷凝器k之间的压力差能够被充分利用用于做功。

可选地，第四阀门13b和第五阀门18b为单向阀，第六阀门12和第七阀门16b为电动阀。

可选地，还包括：第二热泵26，其由辅助气动机11驱动，使得第二热泵26从第一蒸发式冷凝器k抽取第一热泵p的至少一部分工质并将其压缩以提高至少一部分工质的温度，然后将提高温度后的至少一部分工质与被第一热泵p压缩而升温后的工质汇合流入第二蒸发式冷凝器l。

第二热泵26对第一热泵p进行辅助，进一步提高最终输出该第一气动机j的压力工质气体的温度和压强。

可选地，第一热泵p的工质为氨nh3，且第一气动机j的压力工质为二氧化碳co2。

本申请的实施例还提供一种交通工具，包括上述的外燃机系统。

如需采用冷凝器g，其冷源可选自然环境中的冷源。例如采用冰冷的海水。

可选地，交通工具具体为船舶，第一气动机j用于驱动螺旋桨h。

可选地，如外燃机系统具有前述冷凝器g，冷凝器g为壳管式冷凝器g，船舶还包括冷水采集装置(未示出)，用于采集船舶所处环境的冷水并驱动至冷凝器g的管程以对冷凝器g壳程中的第二输出压力工质气体进行冷凝。

当然，如在寒带冬日运行的火车，也可以采用外界冷空作为冷凝器g的冷源。

本申请中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

本申请的保护范围不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变形而不脱离本申请的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本申请权利要求及其等同技术的范围，则本申请的意图也包含这些改动和变形在内。