CN103867242A - 超低温热源发动机 - Google Patents

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本发明公开了一种超低温热源发动机，所述超低温热源发动机包括气体压缩机构、气体做功机构和气体液化物源，所述气体压缩机构的工质出口经加热器与所述气体做功机构的工质入口连通，所述气体做功机构的工质出口经热交换器的被冷却流体通道与所述气体压缩机构的工质入口连通，所述气体液化物源经所述热交换器的被加热流体通道与附属加热器的工质入口连通，所述附属加热器的工质出口与附属气体做功机构连通。本发明中所公开的所述超低温热源发动机结构简单，功率密度高、节能环保。

Description

超低温热源发动机
技术领域
本发明涉及热能与动力领域，尤其是一种超低温热源发动机。
背景技术
无论是何种热力学循环，降低其工质的排热温度比增加其工质的吸热温度对其效率的提高有着更明显的作用。热动力系统尤其是车辆用发动机因其混杂在人类生活空间内，其污染排放对人类的影响十分严重，如果能发明一种用冷载体吸收发动机做功之后的余热就会有效的提高发动机的效率，尽管制造冷载体需要能量，但是这种发动机至少可以减少污染排放的空间配置，使污染排放远离人类生活空间，减少污染排放对人类的直接影响。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出的技术方案如下：
方案一：一种超低温热源发动机，包括气体压缩机构、气体做功机构和气体液化物源，所述气体压缩机构的工质出口经加热器与所述气体做功机构的工质入口连通，所述气体做功机构的工质出口经热交换器的被冷却流体通道与所述气体压缩机构的工质入口连通，所述气体液化物源经所述热交换器的被加热流体通道与附属加热器的工质入口连通，所述附属加热器的工质出口与附属气体做功机构的工质入口连通。
方案二：在方案一的基础上，进一步使所述气体压缩机构设为多级气体压缩机构。
方案三：在方案一或方案二的基础上，进一步使所述气体压缩机构设为叶轮式气体压缩机构、罗茨式气体压缩机构、活塞式气体压缩机构或螺杆式气体压缩机构。
方案四：在方案一至方案三中任一方案的基础上，进一步使所述气体做功机构设为叶轮式气体做功机构、罗茨式气体做功机构、活塞式气体做功机构或螺杆式气体做功机构。
方案五：在方案一至方案四中任一方案的基础上，进一步使所述附属气体做功机构设为叶轮式附属气体做功机构、罗茨式附属气体做功机构、活塞式附属气体做功机构或螺杆式附属气体做功机构。
方案六：在方案一至方案五中任一方案的基础上，进一步使所述附属加热器设为外燃加热器或设为内燃加热器。
方案七：在方案一至方案六中任一方案的基础上，在包括所述气体做功机构、所述气体压缩机构的闭合回路内循环的工质设为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氢气、氮气、烃类化合物或设为空气。
方案八：在方案一至方案七中任一方案的基础上，所述气体液化物源内的液化气体设为液氮、液氧、液化甲烷、液化空气或液体二氧化碳。
方案九：在方案一至方案八中任一方案的基础上，在包括所述气体做功机构、所述气体压缩机构的闭合回路内循环的工质设为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氢气、氮气、烃类化合物和空气中的两种或三种以上物质的混合物。
本发明中，所谓的“气体压缩机构”可以为一级气体压缩机构或多级气体压缩机构。
本发明中，可以选择性的在多级气体压缩机构的至少一个级间或至少一级气体压缩机构上设冷却器。
本发明中，所谓的“气体做功机构”是指一切利用工质膨胀做功的机构，包括速度型做功机构、容积型做功机构，例如叶轮式气体做功机构、活塞式气体做功机构、喷管式气体做功机构等。
本发明中，所述气体做功机构、所述附属气体做功机构都是气体做功机构，名称不同是为了区分而定义的。
本发明中，所述加热器、所述附属加热器都是加热器，名称不同是为了区分而定义的。
本发明中，所谓的“气体液化物”是指被液化的标准状态下为气态的气体，这里的气体是指标准状态下其蒸气分气压大于或等于一个大气压的物质，例如，液氮、液氧、液体二氧化碳或液化空气等。
本发明中，所谓的“热交换器的被冷却流体通道”是指设置在热交换器上的用于供被冷却流体通过的通道，所谓的“热交换器的被加热流体通道”是指设置在热交换器上的用于供被加热流体通过的通道，在热交换器中，温度升高的流体称为被加热流体，温度降低的流体称为被冷却流体。
本发明中，当所述气体压缩机构采用速度型压缩机构，比如叶轮压式气体压缩机构的情况下，在选择工质时，应综合考虑工质的绝热指数、分子量和热导率，在有些情况下，某一种物质的热导率很高，但其分子量小，由于分子量小会影响叶轮式气体压缩机的压比，例如氦气；另一种物质的热导率低但其分子量大，有利于提高叶轮式气体压缩机的压比，例如氪气、氙气，在这种情况下，我们可以选择“氦气和氪气”、“氦气和氙气”或“氦气、氪气和氙气”的混合物，这样以统筹压比和热导率，使压比和热导率都达到可以接受的程度。
本发明中，将包括所述气体压缩机构和所述气体做功机构的闭合回路内的循环工质设为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氢气、氮气、烃类化合物和空气中的两种或三种以上物质的混合物的目的是为了统筹压比、热导率和绝热指数，使压比、绝热指数和热导率都达到可以接受的程度。
本发明中，所述烃类化合物为烷烃化合物或炔烃化合物，例如甲烷、乙烷、乙炔、乙烯等。
本发明中，由于有以输出动力为目的的热力学循环，因此希望加热时工质处于较高的压力，尤其是在选用速度型压缩机构时，应当注重工质选择，可选择性地选择                                                
Figure 378857DEST_PATH_IMAGE001
的值小于80公斤力·米/公斤·K的工质。
本发明中
Figure 233680DEST_PATH_IMAGE002
是气体工质的绝热指数，一般说来单原子为1.67，双原子为1.4，过热水蒸气为1.3，随着气体分子结构复杂化而减少，例如：氟利昂R123为1.15。
本发明中
Figure 13418DEST_PATH_IMAGE003
是气体常数，不同于人们更为熟知的摩尔气体常数
Figure 408627DEST_PATH_IMAGE004
，值为8.3145
Figure 232412DEST_PATH_IMAGE005
，且不仅与气体状态无关，也与气体的种类无关，而
Figure 499445DEST_PATH_IMAGE003
则不同，
Figure 698346DEST_PATH_IMAGE003
的值与气体状态无关，但与气体的种类有关，
Figure 367224DEST_PATH_IMAGE003
的计算方式为：
Figure 298271DEST_PATH_IMAGE006
，其中
Figure 52601DEST_PATH_IMAGE007
为气体的分子量，过热水蒸气的
Figure 789613DEST_PATH_IMAGE003
值为47公斤力·米/公斤·K。
本发明中，K是开尔文温度。
本发明中，可选择性地选择氟气、氯气、溴气、碘气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气、氟利昂R123、氟利昂R245A、氟利昂R134A、氟利昂R22、氟利昂R32、氟利昂R125、氟利昂R152A、氟利昂R142B、氟利昂R415B、氟利昂R418A、四氯化碳、氯仿、满足
Figure 312998DEST_PATH_IMAGE001
的值小于80公斤力·米/公斤·K的限定条件的溴烷烃或选择满足
Figure 932722DEST_PATH_IMAGE001
的值小于80公斤力·米/公斤·K的限定条件的气体混合物作为工质，还可以选择地充入的
Figure 174348DEST_PATH_IMAGE001
的值小于80公斤力·米/公斤·K的氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氢气、氮气、烃类化合物和空气中的两种或三种以上物质的混合物作为工质。
本发明中，某个数值A以上和某个数值A以下均包括本数A。
本发明人根据热力学的基本原理以及对宇宙现象的观察认为：在没有外部因素影响的前提下，热不可能百分之百的转换成其它任何形式的能量或物质。传统热力学第二定律中只阐述了在没有外部因素影响的前提下，热不能百分之百的转换成功，这一定律是正确的，但是是片面的。可以用通俗的语言将热定义为能量的最低形式，或者简称为这是宇宙的垃圾。经分析，本发明人还认为：任何生物（动物、植物、微生物、病毒和细菌）的生长过程都是放热的。经分析，本发明人还认为：任何一个过程或任何一个循环(不局限于热力学过程，例如化学反应过程、生物化学反应过程、光化学反应过程、生物生长过程、植物生长过程都包括在内)其最大做功能力守恒，本发明人认为没有光合作用的植物生长过程是不能提高其做功能力的，也就是说，豆芽的做功能力是不可能高于豆子的做功能力加上其吸收的养分的做功能力之和；之所以一棵树木的做功能力要大于树苗的做功能力，是因为阳光以光合作用的形式参与了由树苗到树木的生长过程。
本发明人认为：热机工作的基本逻辑是收敛-受热-发散。所谓收敛是工质的密度的增加过程，例如冷凝、压缩均属收敛过程，在同样的压力下，温度低的工质收敛程度大；所谓受热就是工质的吸热过程；所谓发散是指工质的密度降低的过程，例如膨胀或喷射。任何一个发散过程都会形成做功能力的降低，例如，气态的空气的做功能力要远远低于液态空气的做功能力；甲醇加水加中等温度的热生成一氧化碳和氢气，虽然所生成的一氧化碳和氢气的燃烧热大于甲醇的燃烧热20%左右，但其做功能力大于甲醇的做功能力的比例则微乎其微，其原因在于这一过程虽然吸了20%左右的热，但是生成物一氧化碳和氢气的发散程度远远大于甲醇。因此，利用温度不高的热参加化学反应是没有办法有效提高生成物的做功能力的。
本发明人认为：距离增加是熵增加的过程，冷热源之间的距离也影响效率，距离小效率高，距离大效率低。
本发明中，应根据热能与动力领域的公知技术，在必要的地方设置必要的部件、单元或系统等。
本发明的有益效果如下:
本发明结构简单，功率密度高、节能环保。
附图说明
图1所示的是本发明实施例1的结构示意图；
图2所示的是本发明实施例2的结构示意图；
图3所示的是本发明实施例3的结构示意图；
图4所示的是本发明实施例4的结构示意图；
图5所示的是本发明实施例5的结构示意图；
图中：
1气体压缩机构、101叶轮式气体压缩机构、102两级叶轮式气体压缩机构、2气体做功机构、201叶轮式气体做功机构、3气体液化物源、4热交换器、5加热器、6附属加热器、601外燃加热器、602内燃加热器、7附属气体做功机构、701叶轮式附属气体做功机构、8冷却器。
具体实施方式
实施例1
如图1所示的超低温热源发动机，包括气体压缩机构1、气体做功机构2和气体液化物源3，所述气体压缩机构1的工质出口经加热器5与所述气体做功机构2的工质入口连通，所述气体做功机构2的工质出口经热交换器4的被冷却流体通道与所述气体压缩机构1的工质入口连通，所述气体液化物源3经所述热交换器4的被加热流体通道与附属加热器6的工质入口连通，所述附属加热器6的工质出口与附属气体做功机构7连通。
本实施例中，包括所述气体做功机构2、所述气体压缩机构1的闭合回路内循环的工质设为氦气，所述气体液化物源3内的液化气体设为液氮。
作为可以变换的实施方式，具体实施时，可选择性地使所述附属气体做功机构7和/或所述气体做功机构2与所述气体压缩机构1联动设置。
本发明中，所谓的“A与B联动设置”是指A与B相互有驱动作用的设置方式，包括共轴设置方式。
实施例2
如图2所示的超低温热源发动机，其在实施例1的基础上：所述气体压缩机构1设为叶轮式气体压缩机构101，所述气体做功机构2设为叶轮式气体做功机构201，所述叶轮式气体做功机构201与所述叶轮式气体压缩机构101联动设置，所述附属加热器6设为外燃加热器601，所述附属气体做功机构7设为叶轮式附属气体做功机构701。
实施例3
如图3所示的超低温热源发动机，其与实施例2的区别在于：所述气体压缩机构2改设为两级叶轮式气体压缩机构102，在所述两级叶轮式气体压缩机构102的级间设冷却器8。
作为可以变换的实施方式，所述气体压缩机构2还可改设为三级或三级以上；所述冷却器8可以改设在一级叶轮式气体压缩机构上。
作为可变换的实施方式，本发明所有实施方式中均可参照本实施例将所述气体压缩机构1可选择性地设为多级气体压缩机构，同样的，所述气体做功机构2均可选择性地设为多级气体做功机构。
实施例4
如图4所示的超低温热源发动机，其与实施例2的区别在于：所述附属加热器6设为内燃加热器602。
实施例5
如图5所示的超低温热源发动机，其与实施例3的区别在于：所述附属加热器6设为内燃加热器602。
本发明上述实施例中给出了所述气体压缩机构1、所述气体做功机构2和所述附属气体做功机构7均设为叶轮式的结构形式，作为可变换的实施方式，本发明所有实施方式中，所述气体压缩机构1均可选择性地改设为罗茨式气体压缩机构、活塞式气体压缩机构或螺杆式气体压缩机构，所述气体做功机构2均可选择性地改设为罗茨式气体做功机构、活塞式气体做功机构或螺杆式气体做功机构，所述附属气体做功机构7均可选择性地改设为罗茨式附属气体做功机构、活塞式附属气体做功机构或螺杆式附属气体做功机构，且所述气体压缩机构1、所述气体做功机构2和所述附属气体做功机构7可独立选择具体的结构形式，彼此之间不受限制。
作为可变换的实施方式，本发明的所有实施方式中，在包括所述气体做功机构2、所述气体压缩机构1的闭合回路内循环的工质均可选择性的改设为氖气、氩气、氪气、氙气、氢气、氮气、烃类化合物或设为空气，或改设为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氢气、氮气、烃类化合物和空气中的两种或三种以上物质的混合物。
作为可变换的实施方式，本发明的所有实施方式中，所述气体液化物源3内的液化气体均可选择性的改设为液氧、液化甲烷、液化空气或液体二氧化碳。
显然，本发明不限于以上实施例，根据本领域的公知技术和本发明所公开的技术方案，可以推导出或联想出许多变型方案，所有这些变型方案，也应认为是本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种超低温热源发动机，包括气体压缩机构（1）、气体做功机构（2）和气体液化物源（3），其特征在于：所述气体压缩机构（1）的工质出口经加热器（5）与所述气体做功机构（2）的工质入口连通，所述气体做功机构（2）的工质出口经热交换器（4）的被冷却流体通道与所述气体压缩机构（1）的工质入口连通，所述气体液化物源（3）经所述热交换器（4）的被加热流体通道与附属加热器（6）的工质入口连通，所述附属加热器（6）的工质出口与附属气体做功机构（7）的工质入口连通。
2.如权利要求1所述超低温热源发动机，其特征在于：所述气体压缩机构（1）设为多级气体压缩机构。
3.如权利要求1或2所述超低温热源发动机，其特征在于：所述气体压缩机构（1）设为叶轮式气体压缩机构（101）、罗茨式气体压缩机构、活塞式气体压缩机构或设为螺杆式气体压缩机构。
4.如权利要求1或2所述超低温热源发动机，其特征在于：所述气体做功机构（2）设为叶轮式气体做功机构（201）、罗茨式气体做功机构、活塞式气体做功机构或设为螺杆式气体做功机构。
5.如权利要求1或2所述超低温热源发动机，其特征在于：所述附属气体做功机构（7）设为叶轮式附属气体做功机构（701）、罗茨式附属气体做功机构、活塞式附属气体做功机构或设为螺杆式附属气体做功机构。
6.如权利要求1或2所述超低温热源发动机，其特征在于：所述附属加热器（6）设为外燃加热器（601）或设为内燃加热器（602）。
7.如权利要求1或2所述超低温热源发动机，其特征在于：在包括所述气体做功机构（2）、所述气体压缩机构（1）的闭合回路内循环的工质设为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氢气、氮气、烃类化合物或设为空气。
8.如权利要求1或2所述超低温热源发动机，其特征在于：所述气体液化物源（3）内的液化气体设为液氮、液氧、液化甲烷、液化空气或设为液体二氧化碳。
9.如权利要求1或2所述超低温热源发动机，其特征在于：在包括所述气体做功机构（2）、所述气体压缩机构（1）的闭合回路内循环的工质设为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氢气、氮气、烃类化合物和空气中的两种或三种以上物质的混合物。
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