CN106939814A - 车辆用郎肯发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用郎肯循环产生动力、电力的装置，是一种车辆用郎肯发电机。包括蒸发器(1)、蒸汽管(2)、转子腔体(3)、转子(4)、输出轴(5)、发电组件(6)、冷凝器(7)、主回流管(10)、内回流管(11)、温控节流阀(14)和车辆发动机的固有部件，包括发动机水冷***(15)、发动机冷却水水泵(16)、发动机冷却水水管(17)、发动机排气管(18)。
Description
技术领域
本发明涉及动力产生领域，是一种利用郎肯循环的原理产生动力，并为车辆产生电力的装置，是一种车辆用郎肯发电机。
背景技术
郎肯循环(Rankine Cycle)是因19世纪苏格兰工程师William Rankine而命名。郎肯循环是电力工业中用以产生动力的原理。典型的郎肯循环的工质是水，由蒸发器、冷凝器、汽轮机和水泵等几个主要部件组成。水在蒸发器中被加热汽化，直至成为过热蒸汽后，进入汽轮机中膨胀作功，汽轮机输出轴产生动力，作功后的低压蒸汽进入冷凝器被冷却凝结成液态水，被水泵送入蒸发器，继续循环过程。蒸发器和冷凝器之间的温差直接决定了动力的产生效率。
利用郎肯循环需要有外部热源的存在，并利用工质的相变产生动力。这一特点在一些有工业余热的地方非常适合利用，为合理节约利用能源提供了一个途径。例如汽车发动机的排气温度可高达1000℃，与环境温度的温差较大。利用郎肯循环的原理可以利用高温排气产生动力，动力再转化成电力，供给汽车传感器、控制***、启动电机或者其他部件使用。这种利用郎肯循环产生电力的装置被称作车辆用郎肯发电机。
为了高效率地传递车辆发动机的排气热量给发电装置，可以采用一种基于热导管的工作原理。这种传热方法的热传导效率高，是固体金属热传导率的数倍甚至几十倍。为了保证传热量，同时为减小蒸发器体积，必须使用高传热系数的工质，例如水、甲醇等。此类液体工质，在高温环境下，在蒸发器内腔壁面会形成大量的蒸汽气泡，使得壁面上的液体离开壁面。因为蒸汽气泡的传热系数较液体的低很多，因而降低了热导管在高温环境使用时的传热效率。因而，为实现在车辆中利用郎肯循环进行发电，关键技术是通过热导管的部件的结构设计，克服上述缺陷，最大程度利用车辆发动机的高温余热，发挥更多的电能。
发明内容
本发明的目的是提供一种车辆用郎肯发电机。它包括蒸发器、冷凝器、蒸汽管、内回流管、主回流管、转子、转子腔体、节流阀、输出轴、发电组件等部件。其中，转子置于转子腔体之中；蒸发器通过蒸汽管连接到转子腔体；转子腔体的另一个出口端连接冷凝器；内回流管一端连接主回流管，另一端***至蒸发器底部。
图1是车辆用郎肯发电机的结构布置方案图。图中表示，车辆发动机的高温排气余热加热蒸发器(1)，使其内部的水被加热汽化，直至成为过热蒸汽。高温蒸汽通过蒸汽管(2)进入转子腔体(3)中膨胀作功，推动其中的转子(4)转动，作功后的低压蒸汽进入冷凝器(6)，被冷却凝结成液态水。液体泵(8)将水通过主回流管(9)和内回流管(10)送入蒸发器(1)，继续循环过程。节流阀(7)用来控制水的流量。转子(4)中心的输出轴(5)连接发电组件(6)。发电组件(6)产生电流的原理与转子式发电机相同，这里不再叙述。
蒸发器(1)呈圆柱形腔体，在其中心轴线处将内回流管(10)直接***到蒸发器(1)内腔的底部，意味着直接将液体工质引导至蒸发器(1)内，避免和大量蒸汽相对运动以产生剪切力，避免了液体卷吸现象的发生，防止蒸发器内烧干现象。
图2是内回流管与蒸发器的结构关系的局部详细图。表示了图1中内回流管(10)和蒸发器(1)底部的详细结构。内回流管(10)内表面刻有多条来复线(12)，外表面有螺纹形状的沟槽(13)。因为液体泵(8)的作用，所以存在液体压头，液体工质在内回流管(10)中向下流动。由于内表面的来复线(12)的引导作用，液体会产生旋转。具有一定转动惯量的液体流出内回流管(10)，进入蒸发器(1)。此时，因为外界的高温产生的蒸发作用，液体工质在蒸发器内逐渐被汽化，变成了气液两相流。随着蒸发器(1)内压力上升，两相流开始向上运动，仍保持着旋转离心力。内回流管(1)外表面的螺纹形状的沟槽(13)与内表面来复线(12)的旋向一致，将引导气液两相流以旋转向上的方式运动。
蒸发器(1)此时处在高温环境，两相流工质继续蒸发，直至过热蒸汽。蒸发器(1)内壁会产生大量蒸汽薄膜，大量蒸汽泡附着在蒸发器(1)壁面。因为蒸汽薄膜的传热效率远低于液体薄膜，因而降低了蒸发器(1)壁面的传热效率。但是此时，仍然有气液两相流工质从内回流管(10)旋转流出。因为液体颗粒的密度相对蒸汽的大，所以液体颗粒因为旋转离心力的作用飞向蒸发器(1)的壁面。而飞来的液体颗粒将会击碎蒸汽薄膜，消除气泡，在当地形成液体薄膜，使得壁面传热量损失得以恢复。
车辆装配郎肯发电机后，可以为其提供更多电力，节约大量传统能源和原材料的使用。由于发电机吸收了大量的车辆发动机高温排气热量，因而氮氧化物NOx排放物明显降低，延长了排气催化器使用寿命和使用成本。同时，极大降低了车辆外部的温度，极大减弱了温室效应，改善了环境。该装置使用方便、结构简单、制造成本低。
本发明提出的在车辆中利用郎肯循环产生动力的装置可作为其他工业领域中的动力供给装置，产品可以形成系列化，其空间尺度可以从毫米级至米级，输出功率可以从100μW至1000W。
附图说明
图1是车辆用郎肯发电机的结构布置方案图。图中，1蒸发器、2蒸汽管、3转子腔体、4转子、5输出轴、6发电组件、7冷凝器、8液体泵、9节流阀、10主回流管、11内回流管。
图2是内回流管与蒸发器的结构关系的局部详细图。图中，1蒸发器、11内回流管、12来复线、13螺纹形状的沟槽。
图3是具体实施例中的车辆用郎肯发电机的总装结构图。图中，1蒸发器、2蒸汽管、3转子腔体、4转子、5输出轴、6发电组件、7冷凝器、10主回流管、11内回流管、14温控节流阀、15发动机水冷***、16发动机冷却水水泵、17发动机冷却水水管、18发动机排气管。
具体实施方式
以一个具体实施方案进一步说明本发明提出的车辆用郎肯发动机的结构和原理。图3是具体实施例的总装结构图。该技术方案是利用车辆发动机的高温排气热量实现郎肯循环以产生电力的装置。如图中3所示，该装置包括蒸发器(1)、蒸汽管(2)、转子腔体(3)、转子(4)、输出轴(5)、发电组件(6)、冷凝器(7)、主回流管(10)、内回流管(11)、温控节流阀(14)。上述部件需要和发动机的固有部件，包括发动机水冷***(15)、发动机冷却水水泵(16)、发动机冷却水水管(17)、发动机排气管(18)连接。
本发明的装置直接使用发动机冷却水作为工质。发动机冷却水水温在车辆启动是等于环境温度，在发动机正常工作时约为摄氏90度。车辆发动机排气管内的高温排气温度可达摄氏800度以上，甚至1000度以上，这样的温差可以使得热功转换效率达到65％。
图3中表示，蒸发器(1)的底部安装在发动机排气管(18)的壁面上。高温排气热量可以持续加热蒸发器(1)，使其内部的水被加热汽化，直至成为过热蒸汽。高温蒸汽通过蒸汽管(2)进入转子腔体(3)中膨胀作功，推动其中的转子(4)转动。转子(4)中心的输出轴(5)连接发电组件(6)。发电组件(6)产生电流的原理与转子式发电机相同，这里不再叙述。作功后的低压蒸汽进入冷凝器(6)，依靠发动机水冷***(15)被冷却凝结成液态水。连接管路将冷凝器(6)出口连接至发动机冷却水水管(17)，连接点处于发动机冷却水水泵(16)的上游。主回流管(10)也和发动机冷却水水管(17)连接，连接点处于发动机冷却水水泵(16)的下游。这种连接形式构成了郎肯循环中的水循环和发动机冷却水循环的并联。
发动机冷却水水泵(16)工作时，在将发动机冷却水进行输送的同时将并联进入的、作为郎肯循环工质的部分水输送至主回流管(10)和内回流管(11)送入蒸发器(1)，继续郎肯循环过程。发动机冷却水水泵(16)和主回流管(10)之间的温控节流阀(14)用来控制水的流量。温控节流阀节流阀(14)上的温度传感器既是原发动机冷却***采用的温控传感器。
蒸发器(1)呈圆柱形腔体，在其中心轴线处将内回流管(10)直接***到蒸发器(1)内腔的底部。蒸发器(1)和内回流管(11)的结构关系及其功能与图2所示相同。
本发明利用郎肯循环的原理产生动力，并配合电磁感应效果，可以利用车辆发动机中的高温排气进行发电，供给汽车传感器、控制***、启动电机或者其他部件使用。同时也降低了排放、改善了环境、节约了能源。
Claims (6)
1.一种车辆用郎肯发电机，其特征是，包括蒸发器(1)、蒸汽管(2)、转子腔体(3)、转子(4)、输出轴(5)、发电组件(6)、冷凝器(7)、主回流管(10)、内回流管(11)、温控节流阀(14)和车辆发动机的固有部件，包括发动机水冷***(15)、发动机冷却水水泵(16)、发动机冷却水水管(17)、发动机排气管(8)，上述部件的连接关系是：
转子(4)置于转子腔体(3)之中；
蒸发器(1)通过蒸汽管(2)连接到转子腔体(3)；
转子腔体(3)的另一个出口端连接冷凝器(7)入口；
内回流管(11)一端连接主回流管(10)，另一端***至蒸发器(1)内腔底部；
冷凝器(6)出口连接至发动机冷却水水管(17)，连接点处于发动机冷却水水泵(16)的上游；
主回流管(9)和发动机冷却水水管(17)连接，连接点处于发动机冷却水水泵(16)的下游。
温控节流阀(14)在发动机冷却水水泵(16)和主回流管(9)之间。
2.根据权利要求l所述的一种车辆用郎肯发电机，其特征在于，所述的蒸发器(1)呈圆柱形腔体。
3.根据权利要求l所述的一种车辆用郎肯发电机，其特征在于，所述的内回流管(11)沿着蒸发器(1)回转中心轴线的位置***其内腔底部。
4.根据权利要求l所述的一种车辆用郎肯发电机，其特征在于，所述的内回流管(11)内表面刻有多条来复线，外表面有螺纹形状的沟槽，螺纹的旋向与来复线的一致。
5.根据权利要求l所述的一种车辆用郎肯发电机，其特征在于，所述的蒸发器(1)安装在发动机排气管(18)的壁面上。
6.根据权利要求l所述的一种车辆用郎肯发电机，其特征在于，该发电机利用使用车辆发动机冷却水作为工质。
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