一种水下航行器用发动机深海排气系统的制作方法 专利技术说明

发动机及配件附件的制造及其应用技术1.本发明涉及斯特林发动机技术领域，尤其涉及一种发动机深海处尾气处理领域、一种水下航行器用发动机深海排气方法及一种水下航行器发动机。背景技术：2.以碳氢燃料为热源，纯氧为氧化剂的水下航行器用动力系统理论比能量可达1000wh/kg以上。水下航行器用发动机以超长航程能力拥有广阔的应用前景。3.现有技术中，采用碳氢燃料的水下发动机，燃烧会产生尾气排放，尾气处理的主要方法有高压燃烧后直接排放、压缩机排放、化学吸收等。尾气处理最成熟的技术是燃高压燃烧后直接排放，受海水背压影响，系统无法满足强度要求，目前最大排气深度为600m；也可以通过排气压缩机来提高排气压力，虽然将水下发动机的工作水深提高到600m，但压缩气体需要消耗大量的能量，系统的效率下降明显；化学吸收法、海水洗涤法和液/固化储存法的装置体积较大，不适合空间有限的长航程水下无人航行器。为满足水下航行器对数千米以上的深海探索的工作的需求，需要采用更为先进的排放系统，进一步提高水下碳氢燃料发动机的工作潜深。技术实现要素：4.针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种水下航行器用发动机深海排气系统、一种水下航行器用发动机深海排气方法及一种水下航行器发动机，解决现有技术中深水环境水下航行器用发动机排气深度不足、压缩气体需要消耗大量的能量影响系统的效率和排气装置体积较大等技术问题。5.为了实现上述技术目的，本发明提供的技术方案如下：6.本发明提供一种水下航行器用发动机深海排气系统，包括：7.烟气冷却器，与发动机的尾气管连接，用于对尾气进行冷却；8.冷凝水分离器，与所述烟气冷却器连接，用于将冷却后的尾气进行水分离；9.氧冷换热器，与所述冷凝水分离器连接，用于通过液氧对尾气进行液化；10.氧气回收器，与所述氧冷换热器连接，用于回收氧气，并将所述氧气通过氧气管通入所述发动机；11.烟气增压泵，与所述氧气回收器连接，用于对液化后的尾气进行增压排放。12.具体的，高温烟气由发动机中燃烧和氧化剂燃烧产生，经过烟气冷却器进行一级冷却，采用循环水冷凝烟气中的水分子，通过冷凝水分离器分离冷凝的水，分离出的水进入循环水系统。为了降低增压泵功率，需将烟气从气态转为液态，剩余的干烟气继续通过氧冷换热器进行低温液化，液化后的烟气通过氧气回收器将液化的烟气和气态氧气分离，气态氧气回收与氧化剂混合利用，液化烟气通过烟气增压泵进行增压。增压后的二氧化碳和氧气混合物直接排放至深海环境。这样就能将尾气在深海环境压力的氛围中完成排放，同时还只消耗较低的功耗。13.在一些实施方式中，所述氧冷换热器中气化后的氧气通过氧气管通入所述发动机。14.液氧通入氧冷换热器之后将烟气液化，受热气化的氧气通过氧气管通入发动机继续作为氧化剂使用。15.在一些实施方式中，还包括：循环水冷却器，所述循环水冷却器的出水口通过循环水泵与所述烟气冷却器的进水口连接，所述循环水冷却器的进水口与所述烟气冷却器的出水口连接。16.在一些实施方式中，所述循环水冷却器为板式汽液换热器，包括海水入口和海水出口，使所述循环水冷却器通过低温海水进行水冷。17.循环水泵为水流量泵，利用电能增压循环水，用于输送循环水；循环水冷却器为板式汽液换热器，包括海水入口和海水出口，中间流入低温海水来冷却循环水。18.在一些实施方式中，所述冷凝水分离器的出水口与所述循环水冷却器的进水口连接。19.冷凝水分离器是一种气液分离器，通过旋转气流使密度较高的液体从气体中分离出去，使得其可各自循环利用。20.在一些实施方式中，还包括液氧罐，所述液氧罐与所述氧冷换热器连接。21.所述液氧罐是一种高压储氧罐，用于存储高压低温的液氧；22.在一些实施方式中，所述氧冷换热器是一种板式汽液换热器。23.本发明还提供一种水下航行器发动机，包括上述的水下航行器用发动机深海排气系统。24.本发明还提供一种水下航行器用发动机深海排气方法，包括步骤：25.通过烟气冷却器对发动机的尾气进行冷却；26.将冷却后的尾气通过冷凝水分离器进行水分离；27.通过氧冷换热器的液氧对进行水分离之后的尾气进行液化；28.所述氧冷换热器中得到的氧气通过氧气管通入所述发动机；29.通过氧气回收器对气化的氧气进行回收，并将所述氧气用于所述发动机的燃烧；30.通过烟气增压泵对液化后的尾气进行增压排放。31.与现有技术相比，本发明提供的一种发动机深海处尾气处理领域、一种水下航行器用发动机深海排气方法及一种水下航行器发动机至少具有以下有益效果：32.1、本发明提供的一种水下航行器用发动机深海排气系统，利用低温的液氧作为冷源，能够液化大量的烟气，同时结合氧回收器，将液化后的烟气与含氧量高的烟气分离，这样液化烟气通过烟气增压泵可以只消耗较低的功耗进行增压排放，提高深潜距离。33.2、本发明提供的一种水下航行器用发动机深海排气系统，在增压排放液化烟气的同时，还能回收燃烧残存的氧气，增加续航经济性。34.3、本发明提供的一种水下航行器用发动机深海排气系统，提高了水下系统的性能与隐蔽性。附图说明35.下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对本方案的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。36.图1是本发明实施例一种水下航行器用发动机深海排气系统的结构示意图。37.附图标号说明：38.发动机1，烟气冷却器2，冷凝水分离器3，氧冷换热器4，氧气回收器5，燃料罐6，循环水泵7，液氧罐8，烟气增压泵9，循环水冷却器10。具体实施方式39.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。40.为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。41.在本文中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。42.在一个实施例中，参考说明书附图图1，本发明提供的一种水下航行器用发动机深海排气系统，包括：烟气冷却器2，与发动机1的尾气管连接，用于对尾气进行冷却；冷凝水分离器3，与烟气冷却器2连接，用于将冷却后的尾气进行水分离；氧冷换热器4，与冷凝水分离器3连接，用于通过液氧对尾气进行液化；氧气回收器5，与氧冷换热器4连接，用于回收氧气，并将氧气通过氧气管通入发动机1；烟气增压泵8，与氧气回收器5连接，用于对液化后的尾气进行增压排放。43.在本实施例中，烟气冷却器9是一种管壳式换热器，由循环水控制烟气分离水分子，通过控制循环水流量，精确控制降温温度，确保烟气中的水分子能完全分离后在进入冷凝水分离器3；发动机是一种能提供稳定压力烟气的发动机，常见的有斯特林机和燃料电池发电系统等，它具有效率高、噪音低、污染低以及能源适应性强等特点；冷凝水分离器3是一种气液分离器，通过旋转气流使密度较高的液体从气体中分离出去，使得其可各自循环利用；氧气回收器5为气液分离器，分离出液化后干烟气中液化的液态二氧化碳和气态氧气；烟气增压泵9是一个由柱塞泵主体、增压液站、驱动电机、以及控制系统组成，液化后的干烟气由增压泵入口进入，在柱塞泵主体中被增压，柱塞泵主体是通过高压液站中的高压油进行驱动，而高压液站中的高压油是由驱动电机产生动力驱动增压液站产生的，在深海环境中，尾气直接排放的话，需要消耗大量的能量，且会造成很长的气泡带，不利于在深海环境中的探查或者隐蔽。44.具体的，油燃料由供油系统从燃料罐6中送出，与氧化剂氧气混合后输送摄入发动机1，油燃料和氧气在发动机1内燃烧，燃烧后放热并生成烟气，由于燃烧产生的烟气温度较高，含有大量的水蒸气，需要经过烟气冷却器2进行一级冷却，采用循环水冷凝烟气中的水分子，通过冷凝水分离器3分离冷凝水，分离出的水进入循环水系统。为了降低增压泵功率，需将烟气从气态转为液态，剩余的干烟气继续通过氧冷换热器4进行低温液化，液化后的烟气通过氧气回收器5将液化的烟气和气态氧气分离，气态氧气回收与氧化剂混合利用，液化烟气通过烟气增压泵9进行增压，增压后的二氧化碳和氧气混合物直接排放至深海环境。这样就能将尾气在深海环境压力的氛围中完成排放，同时还只消耗较低的功耗。45.在其他实施例中，烟气冷却器2也可以使用列管式换热器，列管式换热器工作原理主要由封头、壳体、管束、法兰接管等部件组成。一种工质由封头端的进口接管进入传热管内，其流程可根据工艺要求实现一管程、二管程和四管程结构；另一种工质由壳体一端的进口接管进入壳体内并均匀地分布于传热管外，其流动状态可根据工艺要求在管束中设置不同型式和数量的折流板。做为传热元件——换热管，可根据工艺要求采用黄铜管，铜翅片管和钢管，从而保证了不同物性、不同温度的工质在换热器内实现热量交换，达到冷却或加热的目的。列管式换热器的占地面积是比管壳式换热器和板式换热器更大，在大型水下航行器上可以使用，其成本较低。46.在一个实施例中，参考说明书附图图1，一种水下航行器用发动机深海排气系统还包括循环水冷却器10。循环水冷却器10为板式汽液换热器，包括海水入口和海水出口，使循环水冷却器通过低温海水进行水冷。循环水冷却器的出水口通过循环水泵7与烟气冷却器2的进水口连接，循环水冷却器10的进水口与烟气冷却器2的出水口连接。冷凝水分离器3的出水口与循环水冷却器10的进水口连接。47.在本实施例中，循环水泵7为水流量泵，利用电能增压循环水，用于输送循环水；循环水冷却器10为板式汽液换热器，用低温海水来冷却循环水。板式汽液换热器是将薄金属板压制成具有一定波纹形状的换热板，然后叠放并用夹板和螺栓紧固而成的一种换热器。各板之间形成细长的矩形通道，通过半板进行热交换。工作流体流过两块板之间形成的狭窄而曲折的通道。冷热流体依次通过流道，中间有夹层板将流体隔开，通过这个板进行热交换。板式换热器的结构和换热原理决定了它具有结构紧凑、占地面积小、传热效率高、操作弹性大、适用范围广、热损失小、安装清洗方便等特点。板式换热器是一种新型高效换热器，由一系列波纹金属板组成。各种板之间形成薄的矩形通道，通过板进行热交换。板式换热器是液-液和液-汽换热的理想设备。具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小、安装清洗方便、应用广泛、使用寿命长等特点。冷凝水分离器3是一种气液分离器，通过旋转气流使密度较高的液体从气体中分离出去，使得其可各自循环利用。48.具体的，高温烟气由燃料罐6中燃料和氧化剂在发动机1中燃烧产生，经过烟气冷却器2进行一级冷却，采用循环水冷凝烟气中的水分子，烟气冷却器2出来的循环水送往循环水冷却器10，烟气中的水蒸气通过冷凝水分离器3分离成冷凝的水，分离出的水也送往循环水冷却器10，在循环水冷却器10中的热水通过低温的海水来降温，再通过循环水泵7再次送往烟气冷却器2，形成循环水系统。49.在一个实施例中，参考说明书附图图1，一种水下航行器用发动机深海排气系统还包括液氧罐8，液氧罐8与氧冷换热器4连接。氧冷换热器4是一种板式汽液换热器。50.在本实施例中，液氧具有广泛的工业和医学用途。工业上制造液氧的方法是对液态空气进行分馏。液氧的总膨胀比高达860:1，因为这个优点它在现代被广泛应用于工业生产和军事方面。液氧呈浅蓝色，沸点为-183℃，冷却到-218.8℃成为雪花状的淡蓝色固体，液氧的密度(在沸点时)为1.14g/cm3。液氧罐所存储的液氧气化后能生成大量的氧气，且液氧温度极低，可以冷却液化大量的烟气。51.具体的，液氧罐8是一种高压储氧罐，用于存储高压低温的液氧，通过管道将液氧送入氧冷换热器4，液化冷却后的烟气。并且受热气化的氧气和氧气回收器5回收的氧气一起通过氧气管送入发动机1与燃料混合后反应，提高经济性。52.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：53.本发明提供的一种水下航行器用发动机深海排气系统、一种水下航行器用发动机深海排气方法及及一种水下航行器发动机，在深海环境下，利用低温的液氧作为冷源，能够液化大量的烟气，同时结合氧回收器，将液化后的烟气与含氧量高的烟气分离，这样液化烟气通过烟气增压泵可以只消耗较低的功耗进行增压排放，提高深潜距离；在增压排放液化烟气的同时，还能回收燃烧残存的氧气，增加续航经济性，提高了水下系统在深海环境下的性能与隐蔽性。54.应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。









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