CN102785774B - 推动船只前进的方法和船只的动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种推动船只前进的方法和船只的动力系统。该方法包括：步骤1：利用热泵装置将承载所述船只的水体中的热量转移到所述船只内设置的锅炉中；步骤2：该锅炉内的水在吸收上述热量后所形成的蒸气流推动所述船只内设置的汽轮机转动；步骤3：所述汽轮机带动所述船只的螺旋桨旋转，以推动所述船只前进。本发明可大量吸收水体中的热能，将其转化为动能以驱动船只前进，使船只不用携带任何燃料即可进行远洋航行，且航运成本极低，同时，转化得到的动能还可以提供给压缩机和发电机使用，从而大大降低船只动力系统对环境的污染，具有可持续性。

Description

推动船只前进的方法和船只的动力系统

技术领域

本发明涉及能源及船只的动力系统技术领域，特别是涉及一种推动船只前进的方法和船只的动力系统。

背景技术

现有技术中，船只是以燃油(如煤油、柴油等)燃烧所产生的能量来作为动力及电力来源的，即在船只上设置了燃油发动机，由燃油发动机带动螺旋桨旋转从而推动船只前进。该技术的缺点在于，燃油的燃烧会严重污染海洋、湖泊等水体环境且产生很高的航运成本，另外还面临着因石油资源枯竭而不可持续发展的困境。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种推动船只前进的方法和船只的动力系统，无污染低能耗，具有可持续性。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种推动船只前进的方法，该方法包括：

步骤1：利用热泵装置将承载所述船只的水体中的热量转移到所述船只内设置的锅炉中；

步骤2：该锅炉内的水在吸收上述热量后所形成的蒸气流推动所述船只内设置的汽轮机转动；

步骤3：所述汽轮机带动所述船只的螺旋桨旋转，以推动所述船只前进。

本发明的有益效果是：本发明利用热泵装置实现了将承载船只的水体中的热量转移到锅炉中的目的，锅炉内的水被该热量转变为蒸气流，利用该蒸气流可以推动汽轮机转动，从而带动船只的螺旋桨旋转，推动船只前进。由此可见，本发明利用了水体(如海洋、湖水等)所蕴藏的取之不尽的热能作为船只前进的动力，该方法能够做到无污染、低能耗以及可持续发展。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

进一步，所述步骤1中的热泵装置包括压缩机；

在所述步骤3中，随时判断所述汽轮机的输出功率是否大于所述压缩机压缩所需的输入功率，若为是，则由所述汽轮机直接带动所述压缩机运转，若为否，则用所述船只上设置的电动机来驱动所述的压缩机运转。

进一步，在所述的船只上设有向所述电动机供电的电池以及对所述电池充电的发电机：

在所述步骤3中，随时判断所述汽轮机的输出功率是否大于所述压缩机压缩所需的输入功率，若为是，则所述汽轮机驱动所述发电机运转，若为否，则所述汽轮机与所述发电机断开连接。

另外，本发明还提供了一种船只的动力系统，该动力系统包括：热泵装置、锅炉、汽轮机以及螺旋桨；其中，所述热泵装置包括冷凝器、压缩机、蒸发器以及节流阀；

所述蒸发器位于承载该船只的水体中，其工质输出端接所述压缩机，所述压缩机的输出端连接所述冷凝器的工质输入端，所述冷凝器的工质输出端再通过所述节流阀连接所述蒸发器；

所述冷凝器还与所述锅炉导热连接，所述锅炉又通过蒸气管道连接所述汽轮机，利用所述锅炉输送的蒸气流带动所述汽轮机转动；所述汽轮机动力连接有所述螺旋桨，以带动所述螺旋桨旋转。

进一步，所述汽轮机还通过一号离合器与所述压缩机的动力输入端相连，以向所述压缩机提供压缩所需的输入功率。

进一步，所述的压缩机还连接有预先启动用的电动机，所述的电动机通过一号开关连接有电池。

进一步，所述汽轮机通过二号开关与所述发电机相连，所述发电机与所述电池相连。

进一步，所述汽轮机通过二号离合器与所述螺旋桨相连。

进一步，所述汽轮机通过一号变速箱与所述压缩机的动力输入端相连。

进一步，所述汽轮机通过二号变速箱与所述螺旋桨相连。

附图说明

图1为本发明提供的推动船只前进的方法的流程图；

图2为本发明提供的船只的动力系统的结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

图1为本发明提供的推动船只前进的方法的流程图。如图1所示，该方法包括：

步骤1：利用热泵装置将承载船只的水体中的热量转移到船只内设置的锅炉中。

这里的水体指的是船只航行所在的水体，例如，如果船只在海水中航行，则这里的水体指的是海水，如果船只在湖泊中航行，则这里的水体指的是湖水，等等。

热泵装置是一种从低温热源吸热送往高温热源的循环设备，其以消耗一部分低品位能源(如机械能、电能或高温热能等)为补偿，使热量从低温热源(如本发明中的水体)向高温热源(如本发明中的锅炉)传递。其工作原理是借助降低一定量的功的品位，提供品位较低而数量更多的能量。由于热泵装置能将低温热能转换为高温热能，提高能源的有效利用率，因此可作为回收低温余热、利用环境介质(如本发明中的水体、地下水、地表水、土壤和室外空气等)中储存的能量的重要途径。

热泵装置是一个循环工作的设备，其可以包括蒸发器、压缩机、冷凝器和节流阀，这样，热泵装置的一个工作循环的实施例可包括下述的步骤101-104：

步骤101：低压低温的工质(如氨气、氟利昂等)在蒸发器内吸收水体的热量而变为低压常温的工质。

该步骤中，可将蒸发器设置于水体之中从而与水体保持直接接触，这样，蒸发器内的低压低温(-40℃甚至更低)的工质(如氨气、氟利昂等)可直接吸收水体(常温)的热量从而达到升温的目的。

步骤102：启动压缩机，将低压常温的工质压缩为高压高温的工质。

热泵装置中的压缩机是对工质进行压缩，使工质从低压常温状态变为高压高温状态的设备。工质被压缩后所能达到的压力和温度是与压缩机的压缩比有关的，而压缩比是可控的，因而该步骤中工质所能达到的压力和温度也是可控的，这有利于根据水体的温度、工质的种类等因素来调节工质被压缩后的压力和温度。

步骤103：高压高温的工质向锅炉中的水释放热量，使水变为高压高温的蒸气流，自身(即工质)失去热量而变为高压低温的工质。

步骤102所得到的高压高温的工质可以向锅炉内温度较低的水释放热量，从而使水气化为水蒸气，这些水蒸气可形成蒸气流来推动汽轮机转动，使汽轮机向外输出功率，而释放了热量的高压高温的工质则降温变为高压低温的工质。

蒸气流推动汽轮机转动而失去能量后，自身降温为水，在本发明的较佳实施例中，降温后得到的这些水应被循环利用，即本发明把这些降温得到的水输送回高压高温的工质释放热量的位置(如锅炉中)，从而重新将其变为高压高温的蒸气流来推动汽轮机的转动。

步骤104：将高压低温的工质降压为低压低温的工质，并输送到蒸发器中。

该步骤中，将高压低温的工质降压为低压低温的工质的方法可以为：利用节流阀来对高压低温的工质进行降压，从而将工质由高压低温状态变为低压低温状态。

低压低温状态的工质被输送到蒸发器中，可以循环进行步骤101-104所述的工质吸热、压缩工质、工质放热、工质降压的过程，使工质被循环利用，从而源源不断地将水体的热量吸收到锅炉中，以产生蒸气流来推动汽轮机转动。

步骤2：该锅炉内的水在吸收上述热量后所形成的蒸气流推动船只内设置的汽轮机转动。

锅炉内的水吸收了热泵装置从水体转移来的热量，即蒸发为水蒸气，可将这些水蒸气沿蒸气管道输送到汽轮机中，从而向汽轮机提供转动所需的动力。蒸气流在推动船只内设置的汽轮机转动而失去能量后变为液态的水，本发明可将其输送到锅炉内，进而吸热变为水蒸气，循环进行本步骤。

步骤3：汽轮机带动船只的螺旋桨旋转，以推动船只前进。

汽轮机可与螺旋桨通过传动轴连接，这样，汽轮机的转动即可带动螺旋桨旋转，螺旋桨的旋转就提供了推动船只前进的动力。

由此可见，本发明利用热泵装置实现了将承载船只的水体中的热量转移到锅炉中的目的，锅炉内的水被该热量转变为蒸气流，利用该蒸气流可以推动汽轮机转动，从而带动船只的螺旋桨旋转，推动船只前进。由此可见，本发明利用了水体(如海水、湖水等)所蕴藏的取之不尽的热能作为船只前进的动力，该方法能够做到无污染、低能耗以及可持续发展。

如步骤1所述，热泵装置可包括压缩机，而压缩机需要启动才能工作，这里的启动意味着需要向压缩机提供一定的初始能量，其能量来源可为电动机和电池，因而在船只上设有向电动机供电的电池以及对电池充电的发电机，这可使压缩机进入正常工作状态。

热泵装置在向汽轮机提供能量之后，汽轮机的输出功率逐渐增大，在步骤3中，可随时判断汽轮机的输出功率是否大于压缩机压缩所需的输入功率，若为是，则可由汽轮机直接带动压缩机运转，若为否，则继续用船只上设置的电动机来驱动的压缩机运转。

此外，在步骤3中，可随时判断汽轮机的输出功率是否大于压缩机压缩所需的输入功率，若为是，则汽轮机驱动发电机运转，若为否，则汽轮机与发电机断开连接，这样，汽轮机即不向发电机提供发电所需的能量。可见，本发明中，汽轮机的功能除了带动螺旋桨旋转以推动船只前进之外，还可以用于带动发电机来发电，因而本发明还可以用作发电，从而解决在水体(如海水、湖水等)中航行的船只的电力供应问题。发电机所产生的电能的用途是多方面的，可以用作对电池的充电，也可以用作对船只其他设备的供电。

在步骤3中，汽轮机转动的能量可提供给螺旋桨以带动螺旋桨旋转，作为船只前进的动力，还可以作为发电机发电的能量来源，此外，汽轮机还可以直接带动热泵装置中的压缩机运转，从而解决压缩机进行压缩的能量来源问题，这也意味着本发明将水体的热量转变为汽轮机的动能之后，这些动能中的一部分可提供给压缩机进行压缩使用，从而在不使用燃油的情况下，使热泵装置不间断地循环运行。

汽轮机在刚启动时，其旋转所产生的动力是有限的，因而其将动力提供给压缩机和螺旋桨的次序也可以预先设定，较佳的实施例为先将汽轮机产生的动力反馈提供给压缩机工作使用，此时启动压缩机的电动机即可停止工作，从而保证能量可从水体源源不断地吸收到锅炉中，在汽轮机的功率足够大(大于压缩机压缩所需的输入功率)时，汽轮机可将多余的动力提供给螺旋桨旋转使用，当然，还可以供给发电机来发电。可见，在汽轮机的输出功率大于压缩机所需的输入功率时，汽轮机的输出功率优先用于供给压缩机的压缩需求，而将多余的输出功率提供给螺旋桨旋转或发电机，从而推动船只航行或发电。

本发明还提出了一种船只的动力系统，该船只在海洋、湖泊等水域航行，则承载该船只的海水、湖水等即为本发明所述的水体，该动力系统就是依靠这些水体中所蕴藏的热量来推动船只航行的。图2为该动力系统的结构图。如图2所示，该动力系统包括：锅炉201、冷凝器202、压缩机203、蒸发器204、节流阀205、汽轮机206和螺旋桨209，其中的冷凝器202、压缩机203、蒸发器204和节流阀205构成了一组可循环工作的热泵装置。

蒸发器204位于承载该船只的水体中，其可与水体直接接触，在船只的航行过程中，蒸发器204作为热交换装置，其内部的低压低温(-40℃甚至更低)的工质(如氨气、氟利昂等)可源源不断地吸收水体的热量，从而变为低压常温的工质。同时，由于流动的水体热传递性能极佳，因而该吸收热量的过程又是充分且高效的。

如图2所示，蒸发器204的工质输出端接压缩机203，本发明中的压缩机203是对工质进行压缩的设备，其将工质由低压常温状态通过压缩变为高压高温状态。压缩机203的输出端连接冷凝器202的工质输入端，而冷凝器202的工质输出端通过节流阀205连接蒸发器204。

锅炉201的内部装有水，冷凝器202位于该锅炉201的内部，从而与锅炉201导热连接。这样，冷凝器202作为热交换装置，其利用内部高压高温的工质所提供的热量将锅炉201内的水变为高压高温的水蒸气。

锅炉201通过蒸气管道217连接汽轮机206，锅炉201内部的水在吸收热量后变成的水蒸气可沿该蒸气管道217形成蒸气流，这样，锅炉201输送的该蒸气流可带动汽轮机206转动产生动力，失去能量后的蒸气流变为水，处理这些水的较佳实施例为，通过图2中的管道218将其输送回锅炉201，从而实现水的重复利用。

可见，在图2中，蒸发器204、压缩机203、冷凝器202、节流阀205所构成热泵装置实现了工质的状态循环转换，工质在其中的状态转换过程为：低压低温的工质(如氨气、氟利昂等可用于热交换的物质)在蒸发器204内吸收水体的热量而变为低压常温的工质；压缩机203在启动后，将蒸发器204送来的低压常温的工质压缩为高压高温的工质；由压缩机203输送到冷凝器202的高压高温的工质向锅炉201内的水释放热量，使锅炉201内的水吸热变为高压高温的蒸气流而推动锅炉201所连的汽轮机206转动，同时，冷凝器202内高压高温的工质因失去热量而变为高压低温的工质，这些高压低温的工质经过节流阀205而降压为低压低温的工质，并被输送到蒸发器204中，从而进入状态转换的下一个循环过程。

本发明中的汽轮机206与螺旋桨209相连，以带动螺旋桨209旋转，该连接关系为动力连接，即汽轮机206向螺旋桨209提供旋转所需的动力。如图2所示，汽轮机206通过传动轴210与螺旋桨209相连，从而向其提供动力。

此外，汽轮机206还可通过传动轴216与压缩机203的动力输入端相连，以直接带动压缩机203运转，从而向其提供压缩所需的输入功率。

这里，传动轴216和传动轴210可为同一传动轴，也可为不同的传动轴。在锅炉201通过蒸气管道217送来的高压高温的蒸气流的推动下，汽轮机206可向压缩机203提供其进行压缩所需的输入功率，还可以带动船只的螺旋桨209旋转，从而为船只的前进提供动力。在图2实施例中，高压高温的蒸气流因推动汽轮机206转动做功而失去能量，变为液态的水，这些液态的水经过图2中的管道218输送回锅炉201，从而重新吸收冷凝器202内高压高温的工质的热量，再一次变为高压高温的蒸气流而通过管道217到达汽轮机206，进而推动汽轮机206转动。

如图2所示，该动力系统还包括电动机211、电池213和发电机215。其中的电动机211与压缩机203具有动力连接，从而向压缩机203提供预先启动所需的动力，这意味着本发明是利用电动机211来启动压缩机203，从而开始热泵装置的循环工作的。在该电动机211的带动下，压缩机203启动而对蒸发器204送来的低压常温的工质进行压缩而做功。而且，电动机211还可以在汽轮机206的输出功率小于或等于压缩机203压缩所需的输入功率的情况下，向压缩机203提供压缩所需的输入功率。可见，本发明中，压缩机203进行压缩的最初能量来源为电动机211提供的动力。

电动机211的运行离不开电力的输入，如图2所示，电池213与电动机211具有供电连接关系，从而向电动机211供电。并且，在图2实施例中，该电池213通过一号开关212与电动机211相连，从而在开关212闭合的情况下对电动机211供电，使其运行从而启动压缩机203，当然，在一号开关212处于打开状态时，电池213就不能对电动机211供电，电动机211也就不向压缩机203提供压缩的动力了。可见，利用一号开关212，本发明可控制电动机211的运行，进而控制电动机211向压缩机203提供动力，这样，在该动力系统运行的初始阶段，可闭合一号开关212以使电池213对电动机211供电，从而启动压缩机203的运行，在上述的蒸发气204、压缩机203、冷凝器202以及节流阀205所构成的工质的状态转换循环通路完全运行起来后，汽轮机206能产生足够多的输出功率反馈提供给压缩机203使用，则打开一号开关212，断开电池213对电动机211的供电通路，电动机211即不再向压缩机203提供动力了。

图2中的电池213优先选用可以充电的电池，这样，将发电机215与该电池213相连，发电机215所产生的电能就可以向电池213充电。进一步，汽轮机206还与发电机215相连，从而可以向发电机215提供动力，供其产生电能。为了使汽轮机206向发电机215提供动力变得可控，如图2所示，汽轮机206可通过二号开关214与发电机215相连，这样，在二号开关214处于闭合状态时，汽轮机206就可以向发电机215提供动力以产生电能，在二号开关214处于打开状态时，汽轮机206就不向发电机215提供动力了。利用二号开关214，本发明可在汽轮机206的输出功率足够大(大于压缩机203进行压缩所需的输入功率)时，使二号开关214由打开状态变为闭合状态，从而向发电机215提供动力，使其产生电能以对电池213充电。

在具体的实现上，汽轮机206可与发电机215中的磁芯共轴，将二号开关214设置在发电机215的线圈上，这样，在汽轮机206旋转时，发电机215的磁芯即可与其共轴旋转，当二号开关214处于闭合状态时，线圈中即因切割磁力线而产生感应电动势，从而向电池213充电，而在二号开关214处于打开状态时，线圈处于断开状态，虽然发电机215的磁芯也与汽轮机206共轴旋转，但线圈中不会产生感应电动势，发电机215也就不会向电池213充电。

本发明中，还可以在传动轴216上设置一号离合器207，使汽轮机206通过该一号离合器207与压缩机203的动力输入端相连，这样就可以利用一号离合器207来控制汽轮机206向压缩机203输出功率的大小了。

同样，还可以在传动轴210上设置二号离合器208，使汽轮机206通过二号离合器208与螺旋桨209相连从而利用二号离合器208来控制汽轮机206向螺旋桨209输出功率的大小。

此外，汽轮机206还可以通过一号变速箱与压缩机203的动力输入端相连，从而可利用一号变速箱来调节输出到压缩机203的功率大小。同样，汽轮机206也可以通过二号变速箱与螺旋桨209相连，进一步控制输出到螺旋桨209的功率的大小。在汽轮机206不向螺旋桨209输出功率时(例如在船只停泊的情况下)，可随时向发电机215提供动力来发电，从而使电池得以充电而储存能量。此时，整个动力系统可看作一个可在水体里移动的发电装置。

电动机211作为一种可向外输出功率的设备，在某些特殊情况下，例如在汽轮机206损坏时或船只刚刚启动时，本发明中的电动机211也可以作应急、直接地向螺旋桨提供动力，以带动其旋转，从而更加迅速地推动船只前进。

此外，可用集成的方式将本发明中的节流阀205、冷凝器202、锅炉201、汽轮机206、压缩机207、一号离合器207、二号离合器208、电动机211、发电机215、二号开关214、传动轴216以及传动轴210设计为一个整体，从而实现该动力系统的小型化与集成化，尽量减少动力系统在船只中所占的体积，降低能耗。

由此可见，本发明具有以下优点：

(1)本发明利用热泵装置实现了将承载船只的水体中的热量转移到锅炉中的目的，锅炉内的水被该热量转变为蒸气流，利用该蒸气流可以推动汽轮机转动，从而带动船只的螺旋桨旋转，推动船只前进。由此可见，本发明利用了水体(如海水、湖水等)所蕴藏的取之不尽的热能作为船只前进的动力，该方法能够做到无污染、低能耗以及可持续发展。

(2)本发明中的汽轮机还可向热泵装置中的压缩机提供压缩所需的动力，并向发电机提供发电所需的能量，这进一步扩大了从水体吸收的能量的应用范围，使本发明在不消耗燃油的情况下，推动船只不间断前进。

(3)本发明中的蒸发器设置于船底或螺旋桨旁边，从而使其可与流动的水体直接接触，因而本发明极大提高了蒸发器的热交换效率。

(4)本发明的结构简单，安装和操作都很方便，能量来源为水体(如湖水、海水等)的热量，而水体的热能直接来自太阳能，因而推动船只航行的能源成本极低，且无需考虑石油等化石能源的枯竭难题。

(5)本发明中，在汽轮机不向螺旋桨输出功率时(例如船只停泊时)，可随时向发电机提供动力发电，从而向电池充电以储存能量。此时这个系统也可看作一个在水里可移动的发电装置。当然也可以在江河等流动性较大的水体中建造永久性的水热能发电站。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种推动船只前进的方法，其特征在于，该方法包括：

步骤1：利用热泵装置将承载所述船只的水体中的热量转移到所述船只内设置的锅炉中；

步骤2：该锅炉内的水在吸收上述热量后所形成的蒸气流推动所述船只内设置的汽轮机转动；

步骤3：所述汽轮机带动所述船只的螺旋桨旋转，以推动所述船只前进；

其中：

所述步骤1中的热泵装置包括压缩机；

在所述步骤3中，随时判断所述汽轮机的输出功率是否大于所述压缩机压缩所需的输入功率，若为是，则由所述汽轮机直接带动所述压缩机运转，若为否，则用所述船只上设置的电动机来驱动所述的压缩机运转；

在所述的船只上设有向所述电动机供电的电池以及对所述电池充电的发电机；

在所述步骤3中，随时判断所述汽轮机的输出功率是否大于所述压缩机压缩所需的输入功率，若为是，则所述汽轮机驱动所述发电机运转，若为否，则所述汽轮机与所述发电机断开连接。

2.一种船只的动力系统，其特征在于，该动力系统包括：热泵装置、锅炉、汽轮机以及螺旋桨；其中，所述热泵装置包括冷凝器、压缩机、蒸发器以及节流阀；

所述蒸发器位于承载该船只的水体中，其工质输出端接所述压缩机，所述压缩机的输出端连接所述冷凝器的工质输入端，所述冷凝器的工质输出端再通过所述节流阀连接所述蒸发器；

所述冷凝器还与所述锅炉导热连接，所述锅炉又通过蒸气管道连接所述汽轮机，利用所述锅炉输送的蒸气流带动所述汽轮机转动；所述汽轮机动力连接有所述螺旋桨，以带动所述螺旋桨旋转；

其中，所述汽轮机通过一号变速箱与所述压缩机的动力输入端相连；所述汽轮机通过二号变速箱与所述螺旋桨相连；

所述汽轮机还通过一号离合器与所述压缩机的动力输入端相连，以直接带动所述压缩机运转；

所述的压缩机还连接有预先启动用的电动机，所述的电动机通过一号开关连接有电池；

所述汽轮机通过二号开关与发电机相连，所述发电机与所述电池相连；

所述汽轮机通过二号离合器与所述螺旋桨相连。