CN101298842B - 一种热机 - Google Patents

Abstract

一种热机，它是一种外燃机，涉及热力发动机技术，属机械工程领域，它包括：①膨胀机、②压缩机、③回热器、④循环工质等四大主要部份，该热机执行H热力循环。膨胀机吸收高温热能并对外作功，压缩机对循环工质压缩并连续为膨胀机提供高压气体，膨胀机和压缩机通过回热器连结形成一个热机，热机采用空气等气体工质，工质在热机内封闭工作。

Description

一种热机

技术领域

本发明涉及热力发动机技术，属机械工程领域。

背景技术

热力循环在热物理学和动力工程发展史上占有重要位置，是热机发展的理论基础和能源动力系统的核心，也是热物理学科开拓发展的推动力与理论基础之一。历史证明，每一次先进的热力循环及其热机的发展应用，都将引起一些工业进步。

本发明设定的一种热力循环由二个定压回热过程和二实个多变过程组成(如图1所示)，这里称之为H循环，以下对H循环的热力过程做一下理论分析：

(参考【工程热力学】庞麓鸣等，高等教育出版社1986)

假设工质为理想气体：

多变热力过程PVⁿ＝C(常数)

膨胀过程多变指数n₁

压缩过程多变指数n₂

高低压比π＝高压P₂/低压P₁

气体常数R

绝热指数k

回热器传热温差T₄-T₃＝T₁-T₂＝ΔT

结论：1)压比越高，热机效率越高。

2)回热器传热温差越小，热机效率越高。

3)回热器传热温差逼近零时，热机效率逼近卡诺热机效率。

本发明要做的工作就是提出H循环的技术实现办法。

发明内容

执行H循环的热机，简称：一种热机，它是一种外燃机。

附图说明

图1为H热力循环的正循环温熵图，箭头指向为循环过程方向，图中1→2为多变压缩过程，2→3为定压升温过程，3→4为多变膨胀过程，4→1定压降温过程。

图2为回热器原理图，冷热气体分别由相反箭头指向流入流出回热器进行热交换，回热器是逆流型气—气换热器。

图3为膨胀机示意图，这是一种加热型气体膨胀机，高温热源与气体不混合，高压气体由下方箭头指向进入膨胀机内，驱动叶轮转动轴对外作功，同时吸收上方流入膨胀机机体高温热源的热量Q_(加热)，气体被间接加热，膨胀后由下方箭头指向离开膨胀机。

图4为压缩机示意图，这是一种冷却型气体压缩机，低压气体由下方箭头指向进入压缩机内，被压缩后由下方箭头指向离开压缩机，外力驱动叶轮对气体进行压缩，同时气体向上方流入压缩机机体的低温冷却源间接排热Q_(放热)。

图5为图4与图2的连合体，为多变压缩机组示意图。

图6为图3与图2的连合体，为多变膨胀机组示意图。

图7为三段型回热器示意图，是三个在不同温度段工作的回热器之串联体。冷热气体分别由相反箭头指向流入流出回热器进行热交换，回热器是逆流型换热器。

图8为热机示意图，为图6与图5的组合体。膨胀机通过叶轮轴对外作的功分为两部分：一部分驱动压缩机，另一部分为净输出功。

具体实施方式

执行H循环的热机，它有四个主要部件：①膨胀机(图3)、②压缩机(图4)、③回热器(图2)、④循环工质，膨胀机是加热型膨胀机，压缩机是冷却型压缩机，回热器是气--气逆流换热器，循环工质是近似热力学理想气体，备选循环工质有：空气、氧气、二氧化碳、氮气、氪、氩等。

热机在高温热源和低温冷却源之间工作，高温热源是指给膨胀机加热的热源，低温冷却源是指对压缩机冷却的冷却源。循环工质在热机内的工作流程是：

①循环工质进入压缩机内被压缩，压缩同时循环工质透过压缩机机体向低温冷却源散热，形成高压状态。

②高压状态的循环工质进入回热器，在回热器内循环工质被迎向而来的高温低压循环工质加热升温，形成高温高压状态。

③高温高压状态的循环工质进入膨胀机，在膨胀机内膨胀作功，膨胀同时也在透过膨胀机机体向高温热源吸热，最后形成高温低压状态。

④从膨胀机出来的高温低压状态的循环工质进入回热器，在回热器内工质与从压缩机出来的高压气流换热、降温，再进入压缩机。

上述①②③④构成一个工作循环，这是一个循环工质封闭在热机内的封闭式工作循环。

为实现H循环中的二个多变过程，本发明设计了一种实现多变膨胀过程的多变膨胀机组和一种实现多变压缩过程的多变压缩机组。

为便于实施高温度差定压回热过程，本发明提出了一个回热器的设计方法。

本发明最后提出H循环热机的一般规律。

具体内容如下：

一多变膨胀机组与多变膨胀方法：

首先要制造出一种可以得到高温热源加热的膨胀机，如图3所示，高温热源对膨胀机机体加热，机体再对循环工质加热，这里的循环工质是指在膨胀机内膨胀的气流，是一种间接加热方式。膨胀气流与高温热源不混和，只有热交换。膨胀机体可设计成空心内腔式，热源在机体空心内腔内流动，也可以采用其它更好的方式，设计目标是膨胀气流与高温热源传热良好、传热温差较小。

将上述膨胀机的进出口和回热器(图2)的出进口连接，成为为一个整体，如图6所示，形成一个膨胀机组。

假设有高压低温状态的循环工质进入回热器，该循环工质出回热器后再进入膨胀机膨胀，膨胀后成为低压状态，出膨胀机后再回到回热器。由于高温热源对循环工质在膨胀机内间接加热，出膨胀机后进入回热器的低压状态的循环工质的温度必高于进入回热器的高压状态的循环工质的温度，也必高于进入膨胀机的高压状态的循环工质的温度，因此，在膨胀机内膨胀的循环工质实际上是一个升温的多变过程。膨胀机出进口循环工质的温度差等于回热器进出口的温度差，也可等同于回热器的传热温差。显然，我们可以认为：回热器逼迫循环工质在膨胀机内进行一个升温的多变过程，当回热器的传热温差足够小时，升温的多变过程就会向等温过程逼近。而在膨胀机内的循环工质的温度变化趋势是受到高温热源的温度和膨胀机机体的温度场结构制约。

需要强调的是：高温热源不得在循环工质的非膨胀过程给循环工质加热。

上述过程就是一种多变膨胀方法，所述的膨胀机组就是多变膨胀机组，在这里也可称为升温膨胀机组。

二多变压缩机组与多变压缩方法：

首先要制造出一种可以得到低温冷却源冷却的压缩机，如图4所示，低温冷却源对压缩机机体冷却，机体再对循环工质冷却，这里的循环工质是指在压缩机内压缩的气流，是一种间接冷却方式。压缩气流与低温冷却源不混和，只有热交换。压缩机体可设计成空心内腔式，低温冷却源在机体空心内腔内流动，也可以采用其它更好的方式，设计目标是压缩气流与低温冷却源传热良好、传热温差较小。

将上述压缩机的进出口和回热器(图2)出进口连接，成为为一个整体，如图5所示，形成一个压缩机组。

如图5所示，假设有高温低压状态的循环工质，该循环工质进入回热器，出回热器后再进入压缩机压缩，成为高压状态，出压缩机后再进入回热器。由于低温冷却源对循环工质在压缩机内间接冷却，进入回热器高温低压状态的循环工质温度必高于进入回热器的高压状态的循环工质的温度，也必高于进入压缩机的低压状态的循环工质的温度，因此，在压缩机内压缩的循环工质实际上是一个降温的多变过程。压缩机出进口循环工质的温度差等于回热器进出口的温度差，也可等同于回热器的传热温差。显然，我们可以认为：回热器逼迫循环工质在压缩机内进行一个降温的多变过程，当回热器的传热温差足够小时，降温的多变过程就会向等温过程逼近。而在压缩机内的循环工质的温度变化趋势是受到低温冷却源的温度和压缩机机体的温度场结构制约。

需要强调的是：低温冷却源不得在循环工质的非压缩过程对循环工质冷却。

上述过程就是一种多变压缩方法，所述的压缩机组就是多变压缩机组，在这里也可称为降温压缩机组。

三回热器(气---气换热器，逆流换热器)的结构设计要点(如图9所示)：

由于回热器的冷热流进口温度差较大，高温端可能上千摄氏度，压力差也较大，对回热器的材质要求也较高，为节约成本开支，可做高温、中温、低温三段或更多段串联设计。高温段可选用材质要求较高(成本也较高)的耐热耐压材质，中温段可选用材质要求较低点的，低温段材质要求最低。高温段与膨胀机相连，低温段与压缩机相连。回热器是逆流气---气换热器，流道阻力要尽量小。回热器的传热温差决定了压缩机和膨胀机的进出口温差，也是压缩和膨胀二个多变过程多变指数的重要影响因数，因此回热器的结构设计非常重要。

四执行H循环的热机：

将多变膨胀机组进出口和多变压缩机组出进口组合即可成为一种执行H循环的热机(也是一种外燃机)，如图8所示，多变膨胀机组的转动轴与多变压缩机组的转动轴可以直接连接也可以间接连接，多变膨胀机组的转动轴是热机的动力输出轴，热机采用闭式H循环。热机的低压端为循环工质的基准压力，基准压力决定了循环工质质量流量，也决定了热机作功能力。热机的高压端为循环工质的限制压力，它由热机材料的耐压耐热能力决定。为使热机稳定安全工作，热机必需配置一些辅助部件：①干燥过滤器、储气罐、安全阀、控制调节阀、连接阀、注入阀、排泄阀，②高低压稳定控制机构，③其它安全配件。本发明人认为：在高压确定的情况下，高低压比有一个最佳值使得热机的功率体积比(功率/体积)最大，实际H循环热机运行时要求高低压比为2.72-3.5。

上述执行H循环的热机的效率主要由下述因素决定：

①回热器传热温差。

②膨胀机膨胀气流的吸热性能。

③压缩机压缩气流的散热性能。

④高低压力比。

⑤压缩机和膨胀机的有效效率。

Claims (1)

1.一种热机，它包括：压缩机、膨胀机、气-气逆流回热器、循环工质、辅助部件，其特征在于：

——所述膨胀机的进气口和出气口分别与气-气逆流回热器的一对出气口和进气口连接构成热机的多变膨胀机组；所述压缩机的进气口和出气口分别与气-气逆流回热器的另一对出气口和进气口连接构成热机的多变压缩机组；所述循环工质是气体；

——所述循环工质在膨胀机内膨胀时被高温热源加热，膨胀机的出气口温度大于膨胀机的进气口温度；所述循环工质在压缩机内压缩时被低温冷却源冷却，压缩机的出气口温度小于压缩机的进气口温度；

——所述高温热源不在循环工质的非膨胀过程给循环工质加热，低温冷却源不在循环工质的非压缩过程对循环工质冷却；

——所述循环工质在热机内的具体工作流程是：①循环工质进入压缩机内被压缩成高压状态，且压缩同时循环工质透过压缩机机体向低温冷却源散热，这个过程是多变压缩过程；②之后高压状态的循环工质进入气-气逆流回热器，在气-气逆流回热器内循环工质被从膨胀机迎向而来的高温低压循环工质加热升温，形成高温高压状态，这个过程是定压升温过程；③高温高压状态的循环工质进入膨胀机，在膨胀机内膨胀并对外作功，且膨胀同时通过膨胀机机体从高温热源吸热，最后形成高温低压状态，这个过程是多变膨胀过程；④从膨胀机出来的高温低压状态的循环工质进入气-气逆流回热器，在气-气逆流回热器内循环工质与从压缩机出来的高压气流换热、降温，这个过程是定压放热过程；换热之后循环工质再进入压缩机进入下一个循环，由此上述①②③④构成一个工作循环，这是一个循环工质封闭在热机内的封闭式工作循环，这个工作循环也称为H热力循环。

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