CN102374701B - 使用低品位热能量获取机械能的热力循环方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
一种低品位热能量热力循环方法，该循环方法及其装置可使用低品位热能量作动力能源(如太阳能、环境水或气温热能量等)，驱动工质循环运行，获得向外输出机械能的效果。在密闭系统内，工质完成一周循环经历以下A-D一系列的状态变化和力的作用：A、液态工质在高温热源吸热汽化成为气态工质并产生膨胀压力；B、汽化的气态工质在机械设置的反向力和膨胀压力与冷凝压力的压差作用下对外做功；C、做功后的气态工质在低温热源放热，冷凝成为液态工质并积蓄成为液柱；D、当液柱的液面和底部压力相等，冷凝后的液态工质在重力作用下进入高温热源，工质回复到循环步骤A的状态和位置。
Description
技术领域
本发明属于工程热力学技术领域，涉及工程热力学的一种热力循环方式，特别涉及一种使用低品位热能量作动力，达到获取机械能目的的热力循环方法及其装置。
背景技术
在工程热力学学科公知：根据热力循环的效果和进行方向不同，可分为正向循环和逆向循环，所有的热力发动机都是按正向循环工作。现有普及应用的正向循环技术主要包括有“内燃机循环”、“燃气轮机循环”及“蒸汽动力循环”等，其中具代表性的有“蒸汽动力朗肯循环”，其装置主要由水泵、锅炉、汽轮机和冷凝器四大部件组成；循环过程中，循环工质以水泵及吸收锅炉高温热源热量作循环动力，吸热汽化的循环工质将其中一部分热量经汽轮机对外热功交换转化为有用功，另一部分热量在作为低温热源的冷凝器放热，其循环效果是消耗高温热能量而获得输出机械能。现有的正向热力循环技术及其装置可从中国机械工业出版社出版，蒋祖星主编的《热能动力基础》一书得以引证。目前，普及应用的动力循环装置均以正向循环运行方式大量的消耗不可再生能源，对地球资源、环境保护的负面影响日趋严重；且现有普及应用的动力循环装置存在机械结构复杂，噪声大的缺点。以上缺点存在原因是：现有普及应用的热力循环技术未能充分利用低沸点工质在低品位热源温度下沸腾及工质在循环过程中状态变化的特点。
发明内容
为了克服现有普及应用的正向热力循环技术依赖消耗不可再生能源和动力循环装置的机械结构复杂、噪声大的缺点，本发明提供一种使用低品位热能量获取机械能的热力循环方法及其装置，该循环方法及其装置可使用低品位热能量(如太阳能等热能量)作动力能源，驱动工质循环运行，获得向外输出机械能效果。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：使用低品位热能量获取机械能的热力循环方法；在密闭系统内冷媒工质完成一周循环，经历以下A-D一系列的状态变化和力的作用：
A、液态工质在高温热源吸收低品位热能量汽化成为气态工质并产生膨胀压力；
B、汽化的气态工质在机械设置的反向力和膨胀压力与冷凝压力的压差作用下对外做功；
C、做功后的气态工质在低温热源放热，冷凝成为液态工质并积蓄成为液柱；
D、当液柱的液面和底部压力相等，冷凝后的液态工质在重力作用下进入高温热源，工质回复到循环步骤A初始的状态和位置。
本发明一种使用低品位热能量获取机械能的热力循环方法，其特征还在于：
选择标准沸点适于低品位热源温度的循环工质，使工质吸收低品位热能量产生的膨胀压力大于或等于冷却条件下的冷凝压力。
运行中，冷凝后的液态工质间歇地进入高温热源。
本发明还提供一种实现权利要求1所述热力循环方法的装置，该装置按水平高度由上至下顺序排列安装冷凝器、液体电磁阀、液位控制储液器、单向阀和集热器，顺序排列中各上下相邻的上方部件出口与下方部件入口连接；并将集热器出口和气体电磁阀入口合并与旁通电磁阀入口连接，气体电磁阀出口与涡轮入口连接，涡轮出口与冷凝器入口连接，液体电磁阀出口和液位控制储液器入口合并与旁通电磁阀出口连接；各部件出入口采用管道或直接密封连接，冷媒工质密封在密闭循环系统内。
本发明所述热力循环方法的装置，其特征还有：
所述集热器可吸收任何方式产生的高于循环工质温度的热量。
所述液位控制储液器是储存冷凝后的液体工质，并按工质液面高度发出液位控制指令。
所述旁通电磁阀接收液位控制指令而动作；开启时，液位控制储液器内的液体工质进入集热器。
所述单向阀为气体工质做功时提供反向力。
本发明的有益效果是：可使用低品位热能量，而且是容易获得的清洁能源(如太阳能等热能量)作工质的循环动力，从而达到获取机械能目的；改变现有普及应用的正向热力循环技术依赖消耗不可再生能源现状。本发明循环装置唯一的机械转动部件是涡轮，其结构简单、噪声小。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是使用低品位热能量获取机械能的热力循环装置系统示意图。
图中，1.冷凝器，2.液体电磁阀，3.液位控制储液器，4.单向阀，5.集热器，6.气体电磁阀，7.涡轮，8.旁通电磁阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细一步说明
本发明一种使用低品位热能量获取机械能的热力循环方法；在密闭系统内冷媒工质完成一周循环，经历以下A-D一系列的状态变化和力的作用：
A、液态工质在高温热源吸收低品位热能量汽化成为气态工质并产生膨胀压力；
B、汽化的气态工质在机械设置的反向力和膨胀压力与冷凝压力的压差作用下对外做功；
C、做功后的气态工质在低温热源放热，冷凝成为液态工质并积蓄成为液柱；
D、当液柱的液面和底部压力相等，冷凝后的液态工质在重力作用下进入高温热源，工质回复到循环步骤A初始的状态和位置。
本循环方法选择标准沸点适于易获得热源温度的工质，使液态工质在低品位热源温度下吸热汽化，所产生的膨胀压力大于或等于冷却条件下的冷凝压力。当高温热源温度达到冷凝压力所对应的工质饱和温度及以上时，其内液态工质沸腾汽化成为气态工质，并产生膨胀压力。汽化的气态工质受机械设置的反向力和膨胀压力与冷凝压力的压差作用，推动做功机械对外做功，系统从而获得向外界输出机械能效果。做功后的气态工质进入低温热源放热，冷却成为液态工质并在重力作用下积蓄成为液柱。当液柱的液面和液柱底部压力相等时，冷凝后的液态工质在液体重力作用下进入高温热源。至此，工质完成一周的循环，并作周而复始的循环，对外输出机械能。本循环方法运行中，冷凝后的液态工质间歇地进入高温热源。
本发明使用低品位热能量获取机械能的热力循环装置，按水平高度由上至下顺序排列安装的冷凝器、液位控制储液器、单向阀、集热器、涡轮和旁通电磁阀主要部件组成密闭循环系统。冷凝器作为低温热源，在做功过程中为保持冷凝压力不变，其内不存在工质液柱。液位控制储液器的作用是储存冷凝后的液体工质，并按工质液面处于最高和最低位置发出液位控制指令。旁通电磁阀在接收液位控制指令后开启或关闭，开启时，液位控制储液器内液面压力等于单向阀出口所承受的膨胀压力，液体工质在重力作用下进入集热器。单向阀为气体工质做功时提供反向力。涡轮是一种由气体推动的叶片式机械。集热器作为高温热源，可吸收任何方式产生的高于循环工质温度的热量。
如图1所示，本发明循环装置各部件出入口采用管道或直接密封连接，按水平高度由上至下顺序排列安装冷凝器1、液体电磁阀2、液位控制储液器3、单向阀4、集热器5，顺序排列中上下相邻的上方部件出口与下方部件入口连接；并将集热器5出口和气体电磁阀6入口合并与旁通电磁阀8入口连接，气体电磁阀6出口与涡轮7入口连接，涡轮7出口与冷凝器1入口连接，液体电磁阀2出口和液位控制储液器3入口合并与旁通电磁阀8出口连接；系统内真空状态下充注冷媒工质，由此组成密闭热力循环装置，工质循环运行方向如图1中箭头所示。
本发明循环装置对外做功运行时，气体电磁阀6和液体电磁阀2处于开启状态，旁通电磁阀8受液位控制储液器3低液面控制，处于关闭状态。当集热器5内冷媒工质吸收太阳能等热能量，达到冷凝压力所对应的冷媒工质饱和温度及以上时，冷媒工质沸腾汽化成为冷媒蒸气，并产生大于或等于冷凝压力的膨胀压力。冷媒蒸气受单向阀4反向力作用，及在膨胀压力与冷凝压力的压差作用下流经涡轮7对外做功，装置从而获得输出机械能效果。从涡轮7出口流出的冷媒蒸气进入冷凝器1冷却成为冷媒液体，在重力作用下进入并积聚于液位控制储液器3内。当液位控制储液器3内冷媒液的液面达到最高时，液位控制信号开启旁通电磁阀8，同时关闭气体电磁阀6和液体电磁阀2，使液位控制储液器3内的冷媒液在重力的作用下流经单向阀4而进入集热器5。气体电磁阀6和液体电磁阀2的作用是：当液位控制储液器3内冷媒液进入集热器5时，阻止冷媒蒸气进入冷凝器1内。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种使用低品位热能量获取机械能的热力循环方法，其特征在于：在密闭系统内冷媒工质完成一周循环，经历以下A-D一系列的状态变化和力的作用：
A、液态工质在高温热源吸收低品位热能量，汽化成为气态工质并产生膨胀压力；
B、汽化的气态工质在机械设置的反向力和膨胀压力与冷凝压力的压差作用下对外做功；
C、做功后的气态工质在低温热源放热，冷凝成为液态工质并积蓄成为液柱；
D、当液柱的液面和底部压力相等，冷凝后的液态工质在重力作用下进入高温热源，工质回复到循环步骤A初始的状态和位置。
2.根据权利要求1所述的一种使用低品位热能量获取机械能的热力循环方法，其特征在于：选择标准沸点适于低品位热源温度的循环工质，使工质吸收低品位热能量产生的膨胀压力大于或等于冷却条件下的冷凝压力。
3.根据权利要求1所述的一种使用低品位热能量获取机械能的热力循环方法，其特征在于：运行中，冷凝后的液态工质间歇地进入高温热源。
4.一种实现权利要求1所述热力循环方法的装置，其特征是：该装置按水平高度由上至下顺序排列安装冷凝器、液体电磁阀、液位控制储液器、单向阀和集热器，顺序排列中各上下相邻的上方部件出口与下方部件入口连接；并将集热器出口和气体电磁阀入口合并与旁通电磁阀入口连接，气体电磁阀出口与涡轮入口连接，涡轮出口与冷凝器入口连接，液体电磁阀出口和液位控制储液器入口合并与旁通电磁阀出口连接；各部件出入口采用管道或直接密封连接，冷媒工质密封在密闭循环系统内。
5.根据权利要求4所述热力循环方法的装置，其特征是：所述集热器可吸收任何方式产生的高于循环工质温度的热量。
6.根据权利要求4所述热力循环方法的装置，其特征是：所述液位控制储液器是储存冷凝后的液体工质，并按工质液面高度发出液位控制指令。
7.根据权利要求6所述热力循环方法的装置，其特征是：所述旁通电磁阀接收液位控制指令而动作；开启时，液位控制储液器内的液体工质进入集热器。
8.根据权利要求4所述热力循环方法的装置，其特征是：所述单向阀为气体工质做功时提供反向力。
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