CN101344078A - 一种利用空气热能转化为动能和电能的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及能量转化以及利用技术领域，特指一种利用空气热能转化为动能和电能的装置及其方法，其采用热泵原理以及热管原理充分吸收空气中的热量，把热能转化为动能或电能，在转化过程过能量损失极少，空气热能利用率高，通过热泵内部工质物理状态的变化源源不断的吸收空气中的热量，从而不断的给汽轮机以动力，带动汽轮机做功，以持续的给外界输出能量。

Description

一种利用空气热能转化为动能和电能的装置及其方法

技术领域

本发明涉及能量转化以及利用技术领域，特指一种利用空气热能转化为动能和电能的装置及其方法。

背景技术

随着现在能源越来越紧缺，各国都在为解决能源问题而采取各种措施，特别是石油危机，因为石油是不可再生资源，有专家认为按现在的石油用量计算，再过50年将没有石油可取，为此，各国都大力发展自然能源，如太阳能、风能、水能等一些环保型能源，但是利用这些自然能源都要有大量资金的投入以及复杂昂贵的设备，现在这方面的利用率还很低，主要是因为利用成本高。在我国经济快速发展的同时，我国的能源消耗也成倍的增长，能源的短缺已经严重的制约我国经济的发展。每个人都已经意识到能源的重要性，因此现在社会各界都在宣传做到节能环保，创建节能型社会、和谐社会。

现在所用能源一般分为可再生能源和不可再生能源，其中使用最多的是不可再生能源，不可再生能源主要包括煤、石油、天燃气等不可再生资源，这些不可再生资源已经越来越少，越来越紧缺，且其存在着污染环境等问题，因此现在会逐渐被可再生能源所替代；在可再生能源中主要为风能、水力、太阳能等，但现在其利用率不高，一方面其存在着技术上的因素使其利用成本过大，使用成本过高，另一方面其一般取决于特定的地理环境，不便推广。因此，世界所面临的能源危机一直未能得到有效的解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用空气热能转化为动能和电能的装置及其方法。

为解决上述问题，本发明的一种利用空气热能转化为动能和电能的装置及其方法，包括工质、热泵、与工质容器相通的汽轮机、与汽轮机相通的热交换器，工质容器的进口与热交换器的出口相通，在工质容器与热交换器之间串联一回流器，回流器的进口端与热交换器的出口端相通并由电磁阀控制，回流器的出口端与工质容器的进口端相接通并由电磁阀控制，由热泵与工质组成一蒸发端，由热交换器组成一冷凝端，蒸发端、汽轮机和冷凝端以及回流器组成一个工质循环系统，汽轮机在工质循环系统中进行不间断做功、输出功率。

本发明的利用空气热能转化为动能和电能的装置及其方法还包括和具有下列特征：

所述的工质循环系统与外界相密封隔绝。

本发明的一种利用空气热能转化为动能和电能的方法过程如下：

①热泵工作吸收流通空气中的热量、在蒸发端释放出热量，工质吸收蒸发端中热泵释放出的热量，工质吸热升温、蒸发成具有一定压力的气态工质；

②蒸发端的气态工质通过密封管道排出，排出的气态工质推动汽轮机进行工作，汽轮机转动转换为动能和/或转换为电能；

③气态工质在推动汽轮机转动后排到冷凝端中，气态工质通过冷凝端中的热交换器将热能释放到流通的空气中，同时气态工质降温变为液态；

④变为液态的工质在热交换器中通过自动控制的电磁阀流通到回流器中；

⑤工质在回流器中通过自动控制的电磁阀回流到蒸发端的工质容器中。

本发明的一种利用空气热能转化为动能和电能的装置及其方法，采用热泵原理以及热管原理充分吸收空气中的热量，把热能转化为动能或电能，在转化过程过能量损失极少，空气热能利用率高，通过热泵内部工质物理状态的变化源源不断的吸收空气中的热量，从而不断的给汽轮机以动力，带动汽轮机做功，以持续的给外界输出能量。

附图说明

图1是本发明的一种利用空气热能转化为动能和电能的装置及其方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的一种利用空气热能转化为动能和电能的装置及其方法作进一步说明：

如图1所示，本发明的一种利用空气热能转化为动能和电能的装置及其方法，其通过热泵原理充分吸收空气中的热量，然后通过热管原理转化为动能或电能。其主要包括工质、热泵2、与工质相通的汽轮机3、与汽轮机3相通的热交换器4。工质在工作状态下为液态，工质置于与外界相隔绝的工质容器1中，热交换器4一般采用热管换热器。工质容器1的进口与热交换器4的出口相通，在工质容器1外设有保温装置以减少损耗，在工质容器1的与热交换器4之间串联一回流器5，回流器5的进口端与热交换器4的出口端相通并由电磁阀6控制，回流器5的出口端与工质容器1的进口端相接通并由电磁阀6控制，热泵2与工质组成一蒸发端，热交换器4组成一冷凝端，蒸发端、汽轮机3和冷凝端以及回流器组成一个工质循环系统，汽轮机在工质循环系统中进行不间断做功、输出功率。

本发明的利用空气热能转化为动能和电能的方法过程如下：

①电源启动热泵2工作，热泵2工作吸收流通空气中的热量，在蒸发端释放出其在外界吸收的热量，工质吸收蒸发端中热泵2释放出的热量，工质吸热升温、蒸发成具有一定压力的气态工质。

②蒸发端的具有一定压力的气态工质通过密封管道排出，排出的气态工质流通到汽轮机3处，其压力可以推动汽轮机3进行工作，汽轮机3的转动转换为动能和/或转换为电能并输出功率。

③气态工质在推动汽轮机3转动后排到冷凝端中，冷凝端的热交换器4工作，热交换器4与外界空气进行冷热交换，热交换器4释放出热量，并升高流通空气的温度，气态工质温度降低，气压减小，由气态变为液态。

④恢复液态的工质在冷凝端通过电磁阀6输入到回流器5中，在流入过程中，冷凝端与回流器5中的气态工质的压力相等，在冷凝端的液体工质在重力作用下流到回流器5。

⑤在冷凝端与回流器5之间的工质传输完后，上端电磁阀6关闭，此时，在回流器5与工质容器1之间的电磁阀6打开，液态工质从回流器5回流到工质容器1中，这样工质从液态到气态再到液态在工质循环系统内完成一个循环。

工质最后回流到工质容器1中，即形成一个循环的能量转换以及运输过程，空气在经过热交换器4时，从热交换器4中吸收一定的热量，温度升高，再流通经过热泵2，热泵2对其进行吸热，最后排出低温空气，工质的流向以及空气的流通如图1所标的箭头所示，在转换过程中其空气的进气温度与出气温度之差即为已经转化为动能和/或电能以及转化过程中损失的能量，其温差越大，所以利用的能量即越多。

热管技术是1963年美国LosAlamos国家实验室的G.M.Grover发明的一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。热管技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业，自从被引入散热器制造行业，使得人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式，采用热管技术使得散热器即便采用低转速、低风量电机，同样可以得到满意效果，使得困扰风冷散热的噪音问题得到良好解决，开辟了散热行业新天地。

物体的吸热、放热是相对的，凡是有温度差存在的时候，就必然出现热从高温处向低温处传递的现象。从热传递的三种方式：辐射、对流、传导，其中热传导最快。热管就是利用蒸发制冷，使得热管两端温度差很大，使热量快速传导。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部是被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥发。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一段为蒸发端，另外一段为冷凝端，当热管一段受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。

典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成1.3×(10负1-10负4)Pa的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)，根据应用需要在两段中间可布置绝热段。当热管的一端受热时毛纫芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环，热量由热管的一端传至另一端。热管在实现这一热量转移的过程中，包含了以下六个相互关联的主要过程：

(1)热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到(液--汽)分界面；

(2)液体在蒸发段内的(液-汽)分界面上蒸发；

(3)蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段；

(4)蒸汽在冷凝段内的汽液分界面上凝结：

(5)热量从(汽-液)分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源：

(6)在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段。热管的基本特性

热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热元件，具有以下基本特性。

(1)很高的导热性热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力。与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可多传递几个数量级的热量。当然，高导热性也是相对而言的，温差总是存在的，可能违反热力学第二定律，并且热管的传热能力受到各种因素的限制，存在着一些传热极限；热管的轴向导热性很强，径向并无太大的改善(径向热管除外)。

(2)优良的等温性热管内腔的蒸汽是处于饱和状态，饱和蒸汽的压力决定于饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小，根据热力学中的方程式可知，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性。

(3)热流密度可变性热管可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面积，即以较小的加热面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量，或者热管可以较大的传热面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量，这样即可以改变热流密度，解决一些其他方法难以解决的传热难题。

(4)热流方向酌可逆性一根水平放置的有芯热管，由于其内部循环动力是毛细力，因此任意一端受热就可作为蒸发段，而另一端向外散热就成为冷凝段。此特点可用于宇宙飞船和人造卫星在空间的温度展平，也可用于先放热后吸热的化学反应器及其他装置。

(5)热二极管与热开关性能热管可做成热二极管或热开关，所谓热二极管就是只允许热流向一个方向流动，而不允许向相反的方向流动；热开关则是当热源温度高于某一温度时，热管开始工作，当热源温度低于这一温度时，热管就不传热。

(6)恒温特性(可控热管)普通热管的各部分热阻基本上不随加热量的变化而变，因此当加热量变化时，热管备部分的温度亦随之变化。但人们发展了另一种热管——可变导热管，使得冷凝段的热阻随加热量的增加而降低、随加热量的减少而增加，这样可使热管在加热量大幅度变化的情况下，蒸汽温度变化极小，实现温度的控制，这就是热管的恒温特性。

(7)环境的适应性热管的形状可随热源和冷源的条件而变化，热管可做成电机的转轴、燃气轮机的叶片、钻头、手术刀等等，热管也可做成分离式的，以适应长距离或冲热流体不能混合的情况下的换热；热管既可以用于地面(重力场)，也可用于空间(无重力场)。热管的相容性是指热管在预期的设计寿命内，管内工作液体同壳体不发生显著的化学反应或物理变化，或有变化但不足以影响热管的工作性能。相容性在热管的应用中具有重要的意义。只有长期相容性良好的热管，才能保证稳定的传热性能，长期的工作寿命及工业应用的可能性。碳钢-水热管正是通过化学处理的方法，有效地解决了碳钢与水的化学反应问题，才使得碳钢-水热管这种高性能、长寿命、低成本的热管得以在工业中大规模推广使用。

在自然界中，水总由高处流向低处，热量也总是从高温传向低温。但人们可以用水泵把水从低处提升到高处，从而实现水由低处向高处流动，热泵同样可以把热量从低温传递到高温。所以热泵实质上是一种热量提升装置，热泵的作用是从周围环境中吸取热量，并把它传递给被加热的对象(温度较高的物体)，其工作原理与制冷机相同，都是按照逆卡诺循环工作的，所不同的只是工作温度范围不一样。

一台压缩式热泵装置，主要有蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀四部分组成，通过让工质不断完成蒸发(吸取环境中的热量)→压缩→冷凝(放出热量)→节流→再蒸发的热力循环过程，从而将环境里的热量转移到水中。热泵在工作时，把环境介质中贮存的能量QA在蒸发器中加以吸收；它本身消耗一部分能量，即压缩机耗电QB；通过工质循环系统在冷凝器中进行放热QC，QC＝QA+QB，由此可以看出，热泵输出的能量为压缩机做的功QB和热泵从环境中吸收的热量QA；因此，采用热泵技术可以节约大量的电能。具体工作过程如下：①过热液体媒体在蒸发器内吸收低温物体的热量，蒸发成气态工质。②蒸发器出来的气态工质液压缩机的压缩，变为高温高压的气态工质。③高温高压的气态工质在冷凝器中将热能释放给高温物体、同时自身变为高压液体媒体。④高压液体媒体在膨胀阀中减压，再变为过热液体媒体，进入蒸发器，循环最初的过程。

在很久以前，科学家就提出了热泵的工作原理，为人类科学的使用低温热能指出了方向，目前热泵技术在世界上也已经有了许多方面的应用，国内的应用主要在冷热双效空调产品中，即以室外空气为热源对室内空气进行加热，以达到节能的目的，其系统加热系数已经能高达4倍。热泵的名称很形象的比喻它的原理：即热泵不是热能的转换设备而是热量的搬运设备，它是一台“泵”，这个泵所搬运的介质不是水、气或油，而是“热”。也因为这样，它的“效率”不受能量转换效率(100％为其极限)的制约。热泵制热的效率，受到逆向卡诺循环效率的制约，其理论上的最高效率为：(工作温度+273.15)/高、低温差，从这里可以看出，只要有效的降低工作温差，就可以提高制热效率。例如高低工作温差在20度时，系统的理论制热系数就可以达到15倍以上。

制热四个过程原理：

(1)压缩过程

蒸发后的运行工质被吸入压缩机，通过压缩机的压缩功能，将工质压缩成高压高温气体，使其对于较低温度的自来水易于放热、液化。

(2)冷凝过程

从压缩机排出的高压高温工质被常温的自来水吸收热量而变成的液态工质。

(3)节流过程

把液化后的工质送入热泵主机蒸发器之前，利用毛细管的压力差，使工质在保温水箱的冷凝器内冷凝降压，将它变成即使在低温下也易于蒸发的状态。

(4)蒸发过程

液态工质从周围空气中吸收热量而不断蒸发汽化，被吸收热量后的空气变为“冷气”。

热泵热水器是空调器的演变产品，在制冷系统中装上电磁四通阀(又称换向阀)，通过四通阀的切换方向，改变制冷剂的流动方向，空调器就能制热。压缩机排出的高温高压蒸汽状的制冷剂流向保温水箱里的冷凝器，将热量传给通过水箱的自来水，然后通过毛细管节流降压，在室外热泵主组的蒸发器中蒸发吸热，用工质吸收室外空气中的热量。热泵热水器就是这样吸收室外空气中的热量，向保温水箱内自来水传递，它比单纯用电加热器制热更能省电、快速、安全，且室外热能潜力无限大。热泵制热时，如果热泵主机换热器的温度太低，则冷凝水会在热泵主机换热器上结霜，影响制热效果，此时必须进入化霜工况运行，热泵主机换热器放热化霜，等结霜化去后重新开始制热。

根据热泵以及热管的工作原理以及其性能参数可以得知，本发明的空气热能通过转换变成动能或电能在理论上是完全可以实现的。

上述实施例仅为本发明的较佳实施例之一，并非以此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的形状、结构、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1、一种利用空气热能转化为动能和电能的装置及其方法，其特征在于：包括工质、热泵、与工质容器相通的汽轮机、与汽轮机相通的热交换器，工质容器的进口与热交换器的出口相通，在工质容器与热交换器之间串联一回流器，回流器的进口端与热交换器的出口端相通并由电磁阀控制，回流器的出口端与工质容器的进口端相接通并由电磁阀控制，由热泵与工质组成一蒸发端，由热交换器组成一冷凝端，蒸发端、汽轮机和冷凝端以及回流器组成一个工质循环系统，汽轮机在工质循环系统中进行不间断做功、输出功率。

2、根据权利要求1所述的利用空气热能转化为动能和电能的装置及其方法，其特征在于：所述的工质循环系统与外界相密封隔绝。

3、根据权利要求1所述的装置利用空气热能转化为动能和电能的方法过程如下：

①热泵工作吸收流通空气中的热量、在蒸发端释放出热量，工质吸收蒸发端中热泵释放出的热量，工质吸热升温、蒸发成具有一定压力的气态工质；

②蒸发端的气态工质通过密封管道排出，排出的气态工质推动汽轮机进行工作，汽轮机转动转换为动能和/或转换为电能；

③气态工质在推动汽轮机转动后排到冷凝端中，气态工质通过冷凝端中的热交换器将热能释放到流通的空气中，同时气态工质降温变为液态；

④变为液态的工质在热交换器中通过自动控制的电磁阀流通到回流器中；

⑤工质在回流器中通过自动控制的电磁阀回流到蒸发端的工质容器中。

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