CN102486099A

CN102486099A - 利用单一热源产生机械能的方法及装置

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Publication number: CN102486099A
Application number: CN2011101560670A
Authority: CN
Inventors: 齐永军
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-06-12
Filing date: 2011-06-12
Publication date: 2012-06-06

Abstract

本发明公开了一种利用单一热源产生机械能的方法及装置，目的是利用单一热源中的热量做功获得动力。所述方法是：使冷工质与热工质换热，并使所述冷工质至少吸收与之换热的热工质的热量后驱动透平做功，将所述换热过程中被吸收了热量的热工质降温为冷工质重复如上事件；所述装置包括膨胀机（6）、工质箱（1）、工质泵（2）、换热器、透平机（5），所述工质箱（1）与工质泵（2）、换热器的冷流体通道（4）、透平机（5）的进气口依次相连通，所述换热器热流体通道（3）的工质出口通过膨胀机（6）与所述工质箱（1）相连通，工质入口置放于热工质中。上述方法及装置用于产生动力及制冷领域。

Description

利用单一热源产生机械能的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种将热能转化为机械能的方法，尤其是一种将单一热源的热能转化为机械能产生动力的方法，还涉及一种实施该方法的装置。

背景技术

已知的利用单一热源的热量驱动热机做功产生机械能的方法，是利用低温工质吸收单一热源的热量膨胀做功来产生机械能的，目前此类方法仅通过消耗机械能或做功的方式冷却工质，如公开号为CN101109299、CN1900490及CN1139182等专利申请所表述的方法，由于在实际中机械效率总小于1，而热机的热效率很难超过50%，用此方法产生机械能其冷却工质所消耗的有偿能量大于常规方式获得等量机械能所消耗的有偿能量，并且用此方法产生的机械能小于冷却其工质所消耗的机械能，从能源利用的角度来讲这种方法是得不偿失的，所以不能通过上述方法实现对单一热源中热量的有效利用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，实现对单一热源中热量的有效利用。为实现上述目的，本发明提供了一种将单一热源中的热量转化为机械能产生动力的方法及实施该方法的装置。

本发明所提供的方法通过下述技术方案予以实现：

使冷工质与热工质换热，并使所述冷工质至少吸收与之换热的热工质的热量后驱动透平做功；使所述换热过程中被吸收了热量的热工质失热为冷工质，重复如上事件。

所述驱动透平做功后的工质可以由热源再热后继续驱动透平做功；所述换热可以是充分换热；所述冷工质可以为常压下沸点温度的工质；所述冷工质的温度可以低于零下180摄氏度；所述热工质可以为做功后的工质；所述工质可以为空气的一种或几种成分的混合物。

为实现上述利用单一热源产生机械能的方法，本发明提供了一种装置：

该装置包括膨胀机、工质箱、工质泵、换热器和透平，所述工质箱与工质泵、换热器冷流体通道、透平的进气口依次相连通，换热器热流体通道的工质出口通过膨胀机与工质箱相连通，工质入口置放于热工质中。

所述换热器热流体通道的工质入口可以与透平的排气口相连通；所述透平之间可连通有加热器；所述换热器可以是板翅式换热器。

本发明技术方案的思路是: 利用低于热源温度的工质吸收单一热源的热量膨胀做功产生机械能，并使所产生机械能大于将其工质冷却到做功前的温度状态所消耗的机械能，从而得到一部分机械能。具体来说，要通过消耗低温工质冷量使其吸热做功所产生的机械能大于冷却工质获得相应冷量所消耗的机械能实现动力的输出，就要尽量减少冷却工质所消耗的机械能，和尽量多的将单一热源的热量转化为机械能来实现。一方面，热机做功需要将进入热机前的工质冷却，而热机做功进入其中的工质需要吸收热量，由于热机运转同时需要进行吸热的过程和放热的过程，那么就可以通过换热将这两个过程复合为一个过程，使做功工质在吸热的同时将后续做功的工质冷却，使后续做功的工质失去一部分热量，减少将这部分工质冷却到做功前的状态所需消耗的机械能；另一方面，利用热源加热低温工质使其膨胀驱动热机做功，做功后工质的温度低于热源的温度，那么就可以利用热源将做功后的工质再热后使其继续膨胀驱动热机做功，直到工质做功后的温度接近或等于热源的温度为止，充分吸收热源的热量做功。这样就可以使利用低温工质吸热做功所产生的机械能大于冷却工质所消耗的机械能。

由于采用上述技术方案，本发明提供的利用热能产生机械能的方法及装置的有益效果是：（1）可以利用自然环境作为热源实现动力的输出；（2）可以通过消耗环境中的热量做功来制冷；（3）可以不消耗其它能量仅从单一热源吸收热量做功对外输出机械能。

四、附图说明

图1、图2为本发明所提供装置的原理图

图中：1、工质箱 2、工质泵 3、换热器热流体通道 4、换热器冷流体通道 5、透平 6、膨胀机 7、加热器

五、具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细描述。

本发明所提供的方法的具体实施方式：

通过在间壁式换热器中逆向流动换热，使被压缩后的冷工质吸收与之换热的热工质的热量或在此基础上再吸收热源的热量后膨胀驱动透平做功，并将做功后的工质在热源中至少再热一次使其继续膨胀驱动透平做功，同时，使与冷工质换热后被吸收了热量的热工质通过驱动膨胀机做功失热为冷工质，将其压缩后继续与热工质换热，连续重复如上过程，将热源的热量转化为机械能实现动力的输出。

也就是说，使冷工质在吸热做功的同时将冷量传递到与之换热被吸热的工质中，使被吸热的工质获得部分冷量，减少将这部分工质降温为等压的冷工质所需消耗的机械能，同时将做功后的工质通过热源再热后使其继续膨胀做功，尽量多的将热源的热量转化为机械能，从而使消耗冷量做功产生的机械能大于获得相应冷量所消耗的机械能，实现将单一热源中的热量转化为机械能输出动力的目的。本发明的创造性在于可以不消耗其它能量仅从单一热源吸收热量做功对外输出机械能。

所述冷量是指冷工质在恒压下升温到热源温度所能吸收热量的值，与热量相对应。

实施本发明所提供的方法，最好的方式是使冷工质在吸热的过程中与被吸热的热工质充分换热。所述充分换热是指热工质在换热后达到或接近与之换热的冷工质在换热前的温度，可以通过使两部分工质逆向流动换热并增大其换热面积及换热行程的方式来实现上述目的，最好采用板翅式换热器来实现上述充分换热的目的。同时，应尽量提高换热器的换热效率，从而在实现充分换热的同时减小换热器的体积。

所述冷工质是指常压下低于所处自然环境温度的工质，所述冷工质的温度最好低于零下180摄氏度，且最好是工质在常压下的沸点温度；所述热工质是指温度高于冷工质但不高于热源温度的工质，最好是做功后的工质；所述工质是指被用于将热能转化为机械能的可压缩流体，最好是空气的一种或几种成分的混合物。所述热源最好是自然环境。

所述失热为冷工质是指：使换热后的热工质进一步失去热量被降低比焓，最好被降到与之换热的冷工质在换热前的比焓。

实施例1：将常压下沸点温度的低温空气通过压气机压缩后通入板翅式换热器中与环境中的空气充分换热，使被压缩的低温空气吸热升温到环境温度后膨胀驱动透平做功，并利用环境中的空气将做功后的空气再热后使其继续膨胀驱动透平做功；同时，通过驱动膨胀机做功使与被压缩的低温空气换热后失去热量的环境中的空气失热为低温空气，并将其再次压缩后通入板翅式换热器中与环境中的空气充分换热，重复进行如上过程，实现机械能的输出。

实施例2：将常压下沸点温度的低温氨气通过压气机压缩后通入板翅式换热器中与热源温度的氨气充分换热，使低温氨气吸热后膨胀驱动透平做功，并将做功后的氨气在热源中再热使其继续膨胀驱动透平做功；同时，通过驱动膨胀机做功使与被压缩低温氨气换热后失去热量的氨气失热为低温氨气，并将其压缩后通入换热器中与做功完毕后的氨气充分换热，重复以上吸热做功的过程，且通过驱动膨胀机做功使换热后失去热量的做功完毕后的氨气失热为低温氨气。连续使被压缩的低温氨气与做功完毕的氨气充分换热并重复如上吸热做功及冷却工质的过程实现机械能的输出。

实施例3：将常压下沸点温度的低温空气通过压气机压缩后通入板翅式换热器中与环境中的空气充分换热，通过换热使被压缩的低温空气吸热升温到环境温度再与燃料燃烧后膨胀驱动透平做功；同时，通过驱动膨胀机做功使与被压缩的低温空气换热后失去热量的环境中的空气失热为低温空气，并将其再次压缩后通入板翅式换热器中与环境中的空气充分换热，重复进行以上过程，实现机械能的输出。

由实施例1和2可以得出本发明可以利用自然环境作为能量来源实现动力的输出，同时，由于环境温度的工质做功后其温度必然低于环境温度，使其直接排入环境中或如实施例2利用环境中的空气加热低温的做功工质均可以使环境的温度降低，所以可以通过消耗环境中的热量做功实现制冷；由于消耗冷量做功所产生的机械能大于获得相应冷量所消耗的机械能，所以可以不消耗其它能量仅从单一热源吸收热量做功对外输出机械能。

本发明所提供装置的具体实施方式：

图1中，将盛放有液态冷工质的工质箱1与工质泵2、换热器的冷流体通道4、透平5的进气口依次相连通，在透平5之间连通加热器7，将换热器热流体通道3的一端通过膨胀机6与工质箱1相连通，另一端开口于热工质中；

图2中，将盛放有液态冷工质的工质箱1与工质泵2、换热器的冷流体通道4、透平5的进气口依次相连通，在透平5之间连通加热器7，将换热器热流体通道3的一端通过膨胀机6与工质箱1相连通，另一端与透平5的排气口相连通。

所述工质箱是指盛放工质的容器，所盛放的工质最好是液态的工质。所述工质泵是指输送工质的设备，最好是压气机。所述换热器热流体通道是指热流体进入的通道，冷流体通道是指冷流体进入的通道。实施本发明所提供的装置，所述换热器和加热器最好都是板翅式换热器。

本装置运行方式：

本装置如图1所示实施方式中，工质箱1中的冷工质被工质泵2压入到换热器的冷流体通道4中与热流体通道3中逆向流动的热工质换热，换热后吸收热量的工质驱动透平5做功，做功后的工质被加热器7加热后继续驱动透平5做功，并使做功后的工质至少一次被加热器7再热后驱动透平5做功，换热后失去热量的工质被膨胀机6冷却后进入到工质箱中；

本装置如图2所示实施方式中，工质箱1中的冷工质被工质泵2压入到换热器的冷流体通道4中与热流体通道3中逆向流动的热工质换热，换热后吸收热量的工质驱动透平5做功，做功后的工质被加热器7加热后继续驱动透平5做功，并使做功后的工质至少一次被加热器7再热后驱动透平5做功，做功完毕后的工质进入到换热器热流体通道3中，换热后失去热量的工质被膨胀机6冷却后进入到工质箱中。

以上对本发明所提供的利用热能产生机械能的方法及装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式和应用范围上均会有改变之处，例如本发明所述方法中如冷工质被压缩后的温度接近自然环境的温度则可以省略换热的步骤，直接将环境温度的工质冷却到冷工质的比焓使其吸热做功，也在本发明的范围之内，本发明所述装置中工质泵的位置可以安装在换热器热流体通道连通工质箱的通道之间，膨胀机的位置可以安装在透平与工质泵之间，也在本发明的范围之内，综上所述，本发明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种利用单一热源产生机械能的方法，其特征在于，包括，使冷工质与热工质换热，并使所述冷工质至少吸收与之换热的热工质的热量后驱动透平做功；使所述换热过程中被吸收了热量的热工质失热为冷工质，重复如上事件。

2.根据权利要求1所述的利用单一热源产生机械能的方法，其特征在于，所述驱动透平做功后的工质可以由热源再热后继续驱动透平做功。

3.根据权利要求1所述的利用单一热源产生机械能的方法，其特征在于，所述换热为充分换热。

4.根据权利要求1所述的利用单一热源产生机械能的方法，其特征在于，所述冷工质为常压下沸点温度的工质。

5.根据权利要求1或4所述的利用单一热源产生机械能的方法，其特征在于，所述冷工质的温度低于零下180摄氏度。

6.根据权利要求1所述的利用单一热源产生机械能的方法，其特征在于，所述热工质为做功后的工质。

7.根据权利要求1或4或6所述的利用单一热源产生机械能的方法，其特征在于，所述工质为空气的一种或几种成分的混合物。

8.一种利用单一热源产生机械能的装置，其特征在于，包括膨胀机、工质箱、工质泵、换热器和透平，所述工质箱与工质泵、换热器冷流体通道、透平的进气口依次相连通，换热器热流体通道的工质出口通过膨胀机与工质箱相连通，工质入口置放于热工质中。

9.根据权利要求8所述的利用单一热源产生机械能的装置，其特征在于，所述换热器热流体通道的工质入口与透平的排气口相连通。

10.根据权利要求8所述的利用单一热源产生机械能的装置，其特征在于，所述透平之间连通有加热器。

11.根据权利要求8或9所述的利用单一热源产生机械能的装置，其特征在于，所述换热器为板翅式换热器。