CN103939232B - 一种水平对置式高低压动力设备及其做功方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水平对置式高低压动力设备及其做功方法，包括集热器、保温管、气化反应器、雾化器、高压缸I、活塞、活塞环、自动排气阀、压力阀I、储液罐、压力阀II、连杆、保温层、机壳、飞轮、曲轴、低压缸I、高压缸II、低压缸II、进气单向阀、排气控制阀和散热器；高压缸I和低压缸II、低压缸I和高压缸II以曲轴为中心成180°角度水平对置设置在机壳上。本发明具有工质循环使用，无污染；热能转换效率65%-98%；能根据所需功率调整机器气缸容量和数量调整输出功率；在最达功率范围内能调整注液调整输出功率；机器结构简单，制造成本低；经济效益高，节能环保，噪音小，重心低、低振动、稳定性好。

Description

一种水平对置式高低压动力设备及其做功方法

技术领域

本发明属于负压动力设备领域，尤其是利用太阳能、地热、可燃物燃烧产生的高温气体、内燃机尾气、工厂排出的高温气体等热能使机器内的介质气体和机器外部的散热构成温度差，使密闭气缸产生负压把热能转换成动能的动力机器。

背景技术

传统的动力设备有蒸汽机、内燃机、外燃机。

蒸汽机：离不开锅炉，整个装置既笨重又庞大；新蒸汽的压力和温度不能过高，排气压力不能过低，热效率难以提高；它是一种往复式机器，惯性限制了转速的提高；工作过程是不连续的，蒸汽的流量受到限制，也就限制了功率的提高。

内燃机：结构复杂，对燃料要求较高，对燃料的洁净度要求严格，对环境污染。

外燃机，如斯特林发动机是其中一种，斯特林发动机与内燃机比较具备以下优点：

适用于各种能源，无论是液态的、气态的或固态的燃料，当采用载热系统(如热管)间接加热时，几乎可以使用任何高温热源(太阳能放射性同位素和核反应等)，而发动机本身(除加热器外)不需要作任何更改。同时斯特林发动机无需压缩机增压，使用一般风机即可满足要求，并允许燃料具有较高的杂质含量；斯特林发动机单机容量小，机组容量从20－50kw，可以因地制宜的增减系统容量；结构简单，零件数比内燃机少40%，降价空间大；维护成本低。

斯特林发动机在运行时，由于燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，独立于燃气的工质通过加热器吸热，并按斯特林循环对外做功，因此避免了类似内燃机的爆震做功和间歇燃烧过程，从而实现了高效、低噪和低排放运行。高效：总能效率达到80%以上；低噪：1米处裸机噪音底于68dBA；低排放：尾气排放达到欧5标准。

由于工质不燃烧，外燃机避免了传统内燃机的震爆做功问题，从而实现了高效率、低噪音、低污染和低运行成本。外燃机可以燃烧各种可燃气体，如：天然气、沼气、石油气、氢气、煤气等，也可燃烧柴油、液化石油气等液体燃料，还可以燃烧木材，以及利用太阳能等。只要热腔达到700℃，设备即可做功运行，环境温度越低，发电效率越高。外燃机最大的优点是出力和效率不受海拔高度影响，非常适合于高海拔地区使用。

同时斯特林发动机尚存在的主要问题和缺点是：制造成本较高，工质密封技术较难，密封件的可靠性和寿命还存在问题，材料成本高，功率调节控制系统较复杂，机器较为笨重；膨胀室、压缩室、加热器、冷却室、再生器等的成本高，热量损失是内燃发动机的2-3倍等。

有机朗肯循环系统包括泵、蒸发器、膨胀机、发电机、冷凝器等。集热器吸收太阳辐照，集热器内换热介质温度升高，换热介质通过蒸发器把热量传给有机工质。有机工质在蒸发器中定压加热，高压的气态有机工质进入膨胀机膨胀做功，带动发电机发电；膨胀机尾部排出的有机工质进入冷凝器中定压冷凝，冷凝器出口的有机工质经过泵加压后进入蒸发器完成一次发电循环。

有机朗肯循环系统存在转换效率不高，体积大，需要借助结构复杂的膨胀机做功。

水平对置发动机，发动机活塞平均分布在曲轴两侧，在水平方向上左右运动。使发动机的整体高度降低、长度缩短、整车的重心降低，车辆行驶更加平稳,发动机安装在整车的中心线上，两侧活塞产生的力矩相互抵消，大大降低车辆在行驶中的振动，使发动机转速得到很大提升，减少噪音。

水平对置发动机的最大优点是重心低。由于它的汽缸为“平放”，不仅降低了汽车的重心，还能让车头设计得又扁又低，这些因素都能增强汽车的行驶稳定性。同时，水平对置的汽缸布局是一种对称稳定结构，这使得发动机的运转平顺性比V型发动机更好，运行时的功率损耗也是最小。当然更低的重心和均衡的分配也为车辆带了更好的操控性。低重心：产生的横向震动容易被支架吸收、有效将全车较重的发动机重心降低，更容易达到整体平衡。低振动：活塞运动的平衡良好（180度左右抵消）。相比直列式，在曲轴方面所需的平衡配重因素减少，有助转速提升。它能保持650转的低转速，并保证发动机平稳的工作。同样相比其它发动机行式油耗最低。

缺点是：除了因为水平对置结构较为复杂外，还有如机油润滑等问题很难解决。横置的气缸因为重力的原因，会使机油流到底部，使一边气缸得不到充分的润滑。虽然保时捷和斯巴鲁很好的解决了众多技术难题，但高精度的制造要求也带来了更高的养护成本，并且由于机体较宽，因而并不利于布局。

发明内容

本发明克服了斯特林发动机存在的膨胀室、压缩室、加热器、冷却室、再生器等的成本高，热量损失是内燃发动机的2-3倍等问题；克服了有机朗肯循环系统需要膨胀机或汽轮机，制造成本高的技术难题。本发明提出的水平对置式高低压动力设备是利用现有水平对置式发动机结构，结合斯特林发动机和有机朗肯循环系统优点的负压动力机器。加热器把热能吸收后对高压缸进行加热使工质高温气化彭胀推动活塞做功，对低压缸进行散热冷却产生负压拉动活塞做功。

本发明提供了一种热能转换效率高、工质能循环使用、最大功率范围内能调整工质数量来调整输出功率、能通过调整温度进行调整输出功率、机器输出功率平稳的水平对置式动力机器。

本发明采用的技术方案是：一种水平对置式高低压动力设备，包括集热器、保温管、气化反应器、雾化器、高压缸I、活塞、活塞环、自动排气阀、压力阀I、储液罐、压力阀II、连杆、保温层、机壳、飞轮、曲轴、低压缸I、高压缸II、低压缸II、进气单向阀、排气控制阀和散热器；高压缸I和低压缸II、低压缸I和高压缸II以曲轴为中心成180°角度水平对置设置在机壳上，高压缸I、低压缸II、低压缸I和高压缸II内设有活塞，活塞上设有活塞环，活塞连接连杆，连杆连接曲轴，曲轴连接飞轮，曲轴通过轴承固定在机壳上；高压缸I和高压缸II下止点设有自动排气阀，上止点设有气化反应器，气化反应器进气端设有雾化器；集热器通过保温管连接气化反应器；低压缸I和低压缸II上止点分别设有进气单向阀和排气控制阀，排气控制阀通过管道连接储液罐，储液罐连接压力阀I和压力阀II，压力阀I连接高压缸II上的雾化器；低压缸I上的进气单向阀通过缓冲管连接高压缸II上的自动排气阀；低压缸II上的进气单向阀通过缓冲管连接高压缸I上的自动排气阀；高压缸I和高压缸II外层设有保温层，低压缸I和低压缸II外层设有散热器。

进一步，所述散热器制成散热片形式。

进一步，在所述散热器上设置循环管道和在管道内注入循环冷却介质。

进一步，所述低压缸I和低压缸II上的排气控制阀能根据热气源温度自动调节排气。进一步，所述集热器能吸收太阳能、地热、可燃物燃烧产生的高温气体、内燃机尾气、工厂排出的高温气体等热能。

进一步，所述气化反应器包括压力壳、气化导热片、气孔、雾化器，气化导热片设置在压力壳上，气化导热片上阵列设有气孔，压力壳进气端设有雾化器。

上述水平对置式高低压动力设备工作方法如下：集热器吸收太阳能、地热、可燃物燃烧产生的高温气体、内燃机热能或尾气、工厂排出的高温气体等热能直接或者通过管道传递热量给高压缸上的气化反应器，管道内设有流动的导热介质；液体工质通过压力阀注入到气化反应器雾化，气化反应器对雾化的工质进行气化膨胀；活塞到达气缸的下止点时，做功气体通过自动排气阀排出，排出的高温气态工质通过进气单向阀进入低压缸，低压缸内的高温气态工质被散热器瞬间冷却产生负压拉动活塞做功；高压缸和低压缸组成的一组和高压缸和低压缸组成的另一组内的活塞轮流做功带动曲轴旋转，曲轴带动飞轮把动能输出。

本发明的优点是：1.工质循环使用，无污染；2.热能转换效率65%-98%；3.能根据所需功率调整机器气缸容量和数量调整输出功率；4.在最达功率范围内能调整注液调整输出功率；5.该设备是对工质进行气化做功整个过程不产生爆震；6．机器结构简单，制造成本低，利用自动排气功能，减少能量损耗；7.做功功率是单缸做功功率的多倍；8．能替代常规能源消耗，经济效益高，节能环保，噪音小；9.重心低、低振动、稳定性好。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明气化反应器结构图；

图中：1为集热器；2为保温管；3为气化反应器；4为雾化器；5为高压缸I；6为活塞；7为活塞环；8为自动排气阀；9为压力阀I；10为储液罐；11为压力阀II；12为连杆；13为保温层；14为机壳；15飞轮；16为曲轴；17为低压缸I；18为高压缸II；19为低压缸II；20为进气单向阀；21为排气控制阀；22为散热器；23为缓冲管；24为压力壳；25为气化导热片；26为气孔。

具体实施方式

参照附图1-2，本发明的实施方式是：

实施例1

一种水平对置式高低压动力设备，包括集热器1、保温管2、气化反应器3、雾化器4、高压缸I5、活塞6、活塞环7、自动排气阀8、压力阀I9、储液罐10、压力阀II11、连杆12、保温层13、机壳14、飞轮15、曲轴16、低压缸I17、高压缸II18、低压缸II19、进气单向阀20、排气控制阀21、散热器22和缓冲管23；高压缸I5和低压缸II19、低压缸I17和高压缸II18以曲轴为中心成180°角度水平对置设置在机壳上，高压缸I5、低压缸II19、低压缸I17和高压缸II18内设有活塞6，活塞6上设有活塞环7，活塞6连接连杆12，连杆12连接曲轴16，曲轴16连接飞轮15，曲轴16通过轴承固定在机壳14上；高压缸I5和高压缸II18下止点设有自动排气阀8，上止点设有气化反应器3，气化反应器3进气端设有雾化器4；集热器1通过保温管2连接气化反应器3；低压缸I17和低压缸II19上止点分别设有进气单向阀20和排气控制阀21，排气控制阀21通过管道连接储液罐10，储液罐10连接压力阀I9和压力阀II11，压力阀I9连接高压缸II18上的雾化器4；低压缸I17上的进气单向阀20通过缓冲管23连接高压缸II18上的自动排气阀8；低压缸II19上的进气单向阀20通过缓冲管23连接高压缸I5上的自动排气阀8；高压缸I5和高压缸II18外层设有保温层13，低压缸I17和低压缸II19外层设有散热器22。

实施例2

如上述实施例1中的水平对置式高低压动力设备，所述散热器22制成散热片形式；在所述散热器22上设置循环管道和在管道内注入循环冷却介质；在所述低压缸I17和低压缸II19上的排气控制阀21能根据热气源温度自动调节排气；进气单向阀20设置在低压缸I17和低压缸II19顶部中间；散热器22上设置循环管道和在管道内注入循环冷却介质水，利用循环流动的水进行冷却；气化反应器3包括压力壳24、气化导热片25、气孔26、雾化器4，气化导热片25设置在压力壳24上，气化导热片25上阵列设有气孔26，压力壳24进气端设有雾化器4。

Claims (6)

1.一种水平对置式高低压动力设备，包括集热器、保温管、气化反应器、雾化器、高压缸I、活塞、活塞环、自动排气阀、压力阀I、储液罐、压力阀II、连杆、保温层、机壳、飞轮、曲轴、低压缸I、高压缸II、低压缸II、进气单向阀、排气控制阀和散热器；高压缸I和低压缸II、低压缸I和高压缸II以曲轴为中心成180°角度水平对置设置在机壳上，高压缸I、低压缸II、低压缸I和高压缸II内设有活塞，活塞上设有活塞环，活塞连接连杆，连杆连接曲轴，曲轴连接飞轮，曲轴通过轴承固定在机壳上；高压缸I和高压缸II下止点设有自动排气阀，上止点设有气化反应器，气化反应器进气端设有雾化器；集热器通过保温管连接气化反应器；低压缸I和低压缸II上止点分别设有进气单向阀和排气控制阀，排气控制阀通过管道连接储液罐，储液罐连接压力阀I和压力阀II，压力阀I连接高压缸II上的雾化器；低压缸I上的进气单向阀通过缓冲管连接高压缸II上的自动排气阀；低压缸II上的进气单向阀通过缓冲管连接高压缸I上的自动排气阀；高压缸I和高压缸II外层设有保温层，低压缸I和低压缸II外层设有散热器。

2.如权利要求1所述水平对置式高低压动力设备，其特征是：所述散热器制成散热片形式。

3.如权利要求1所述水平对置式高低压动力设备，其特征是：在所述散热器上设置循环管道和在管道内注入循环冷却介质。

4.如权利要求1所述水平对置式高低压动力设备，其特征是：所述低压缸I和低压缸II上的排气控制阀能根据热气源温度自动调节排气，所述集热器能吸收太阳能、地热、可燃物燃烧产生的高温气体的热能、内燃机尾气的热能、工厂排出的高温气体的热能。

5.如权利要求1所述水平对置式高低压动力设备，其特征是：所述气化反应器包括压力壳、气化导热片、气孔、雾化器，气化导热片设置在压力壳上，气化导热片上阵列设有气孔，压力壳进气端设有雾化器。

6.如权利要求1-5任一项所述水平对置式高低压动力设备工作方法如下：集热器吸收太阳能、地热、可燃物燃烧产生的高温气体的热能、内燃机的热能、工厂排出的高温气体的热能，然后直接或者通过管道把热量传递给高压缸I、高压缸II上的气化反应器，管道内设有流动的导热介质；液体工质通过压力阀I、压力阀II注入到气化反应器雾化，气化反应器对雾化的工质进行气化膨胀；活塞到达高压缸I、高压缸II的下止点时，做功气体通过自动排气阀排出，排出的高温气态工质通过进气单向阀进入低压缸II、低压缸I，低压缸II、低压缸I内的高温气态工质被散热器瞬间冷却产生负压拉动活塞做功；高压缸I和低压缸II组成一组，高压缸II和低压缸I组成另一组，高压缸I、低压缸II、高压缸II、低压缸I内的活塞轮流做功带动曲轴旋转，曲轴带动飞轮把动能输出。