CN103939233B - 一种直列式高低压动力设备及其做功方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直列式高低压动力设备及其做功方法，包括集热器、保温管、排气控制阀、单向进气阀、散热器、活塞、活塞环、低压缸I、机架、低压缸II、储液罐、压力阀、曲轴、连杆、隔热层、缸盖、飞轮、雾化器、高压缸I、高压缸II、气化反应器、自动排气阀、保温层和转动轴；机架上直列依次并列设置低压缸II、高压缸I、高压缸II和低压缸I。具有工质循环使用无污染；热能转换效率60%-99%；能根据所需功率调整机器气缸容量调整输出功率；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，循环利用做功气体工质；做功功率是单缸做功功率的两到三倍；能替代常规能源消耗，经济效益高，节能环保，噪音小。

Description

一种直列式高低压动力设备及其做功方法

技术领域

本发明属于热能动力设备领域，尤其是利用太阳能、地热、可燃物燃烧产生的高温气体、内燃机热能或尾气、工厂排出的高温气体等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。

直列式发动机尺寸紧凑，稳定性高，低速扭矩特性好并且燃料消耗也较少，由此而来的是制造成本也较低，同时采用直列式气缸布局的发动机体积也比较紧凑，可以适应更灵活的布局。也方便于布置增压器类的装置。主要缺点在于发动机本身的功率较低，并不适合配备6缸以上的汽车。

发明内容

本发明克服了存在的膨胀室、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；克服了内燃机直列式发动机功率低的技术问题。本发明提出的直列式热能动力设备是结合斯特林发动机、有机朗肯循环系统和内燃机直列式发动机优点的热动力机器。由集热器把热能吸收后对气化反应器进行加热，使工质高温气化彭胀推动活塞产生动能做功。

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热能动力机器。

本发明采用的技术方案是：一种直列式高低压动力设备，包括集热器、保温管、排气控制阀、单向进气阀、散热器、活塞、活塞环、低压缸I、机架、低压缸II、储液罐、压力阀、曲轴、连杆、隔热层、缸盖、飞轮、雾化器、高压缸I、高压缸II、气化反应器、自动排气阀、保温层和转动轴；机架上直列依次并列设置低压缸II、高压缸I、高压缸II和低压缸I；低压缸II、高压缸I、高压缸II和低压缸I内分别设有活塞，活塞上设有活塞环，活塞连接连杆，连杆连接曲轴，曲轴连接转动轴，转动轴通过轴承固定在机架上，转动轴连接飞轮；集热器通过保温管连接气化反应器，气化反应器进气端设有雾化器，雾化器通过管道连接压力阀，压力阀通过管道连接储液罐；气化反应器设置在高压缸I和高压缸II的上止点；高压缸I和高压缸II的下止点设有自动排气阀，自动排气阀通过缓冲管连接低压缸I和低压缸II上的单向进气阀；低压缸I和低压缸II的上止点或缸盖上设置单向进气阀；低压缸I和低压缸II的上止点设置排气控制阀；排气控制阀通过管道连接储液罐；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；低压缸II和高压缸I之间设有隔热层，高压缸II和低压缸I之间设有隔热层。

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。

进一步，所述压力阀关联曲轴，每完成一次循环压力阀开启关闭一次。

上述直列式热能动力设备做功的方法是：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雾化器进行雾化，气化反应器对雾化的工质进行气化膨胀；活塞到达高压缸的下止点时，做功气体通过自动排气阀排出，单向进气阀打开，排出的气态工质通过管道进入到低压缸内，低压缸内的活塞从上止点到达下止点，单向进气阀关闭，低压缸内的高温气体冷却产生负压拉动活塞做功；两个高压缸和两个低压缸内的活塞同时做功带动转动轴旋转，转动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60%-99%；3.能根据所需功率调整机器气缸容量调整输出功率；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，循环利用做功气体工质给低压缸提供热能；7.做功功率是单缸做功功率的两到三倍；8．能替代常规能源消耗，经济效益高，节能环保，噪音小。

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示意图；

图中：1为集热器；2为保温管；3为排气控制阀；4为单向进气阀； 5为散热器；6为活塞；7为活塞环；8为低压缸I；9为机架；10为低压缸II；11为储液罐；12为压力阀；13为曲轴；14为连杆；15为隔热层；16为缸盖；17为飞轮；18为雾化器；19为高压缸I；20为高压缸II；21为气化反应器；22为自动排气阀；23为保温层；24为转动轴；25为缓冲管；26为压力壳；27为气化导热片；28为气孔。

具体实施方式

参照附图，本发明的实施方式是：

实施例1

一种直列式高低压动力设备，包括集热器1、保温管2、排气控制阀3、单向进气阀4、散热器5、活塞6、活塞环7、低压缸I8、机架9、低压缸II10、储液罐11、压力阀12、曲轴13、连杆14、隔热层15、缸盖16、飞轮17、雾化器18、高压缸I19、高压缸II20、气化反应器21、自动排气阀22、保温层23、转动轴24和缓冲管25；机架9上直列并列设置低压缸II10、高压缸I19、高压缸II20和低压缸I8；低压缸II10、高压缸I19、高压缸II20和低压缸I8内分别设有活塞6，活塞6上设有活塞环7，活塞6连接连杆14，连杆14连接曲轴13，曲轴13连接转动轴24，转动轴24通过轴承固定在机架9上，转动轴24连接飞轮17；集热器1通过保温管2连接气化反应器21，气化反应器21进气端设有雾化器18，雾化器18通过管道连接压力阀12，压力阀12通过管道连接储液罐11；气化反应器21设置在高压缸I19和高压缸II20的上止点；高压缸I19和高压缸II20的下止点设有自动排气阀22，自动排气阀22通过缓冲管25连接低压缸I8和低压缸II10上的单向进气阀4；低压缸I8和低压缸II10的上止点或缸盖16上设置单向进气阀4；低压缸I8和低压缸II10的上止点设置排气控制阀3；排气控制阀3通过管道连接储液罐11；高压缸I19和高压缸II20外层设有保温层23；低压缸I8和低压缸II10外层设有散热器5；低压缸II10和高压缸I19之间设有隔热层15，高压缸II20和低压缸I8之间设有隔热层15。

实施例2

如实施例1中的直列式高低压动力设备，所述气化反应器21包括压力壳26、气化导热片27、气孔28、雾化器18，气化导热片27设置在压力壳26上，气化导热片27上阵列设有气孔28，压力壳26进气端设有雾化器18；所述压力阀12关联曲轴13，每完成一次循环压力阀开启关闭一次；单向进气阀4设置在低压缸I8和低压缸II10的缸盖16中间位置。

Claims (5)

1.一种直列式高低压动力设备，包括集热器（1）、保温管（2）、排气控制阀（3）、单向进气阀（4）、散热器（5）、活塞（6）、活塞环（7）、低压缸I（8）、机架（9）、低压缸II（10）、储液罐（11）、压力阀（12）、曲轴（13）、连杆（14）、隔热层（15）、缸盖（16）、飞轮（17）、雾化器（18）、高压缸I（19）、高压缸II（20）、气化反应器（21）、自动排气阀（22）、保温层（23）和转动轴（24）；机架（9）上直列并列设置低压缸II（10）、高压缸I（19）、高压缸II（20）和低压缸I（8）；低压缸II（10）、高压缸I（19）、高压缸II（20）和低压缸I（8）内分别设有活塞（6），活塞（6）上设有活塞环（7），活塞（6）连接连杆（14），连杆（14）连接曲轴（13），曲轴（13）连接转动轴（24），转动轴（24）通过轴承固定在机架（9）上，转动轴（24）连接飞轮（17）；集热器（1）通过保温管（2）连接气化反应器（21），气化反应器（21）进气端设有雾化器（18），雾化器（18）通过管道连接压力阀（12），压力阀（12）通过管道连接储液罐（11）；气化反应器（21）设置在高压缸I（19）和高压缸II（20）的上止点；高压缸I（19）和高压缸II（20）的下止点设有自动排气阀（22），自动排气阀（22）通过缓冲管(25)连接低压缸I（8）和低压缸II（10）上的单向进气阀（4）；低压缸I（8）和低压缸II（10）的上止点或缸盖（16）上设置单向进气阀（4）；低压缸I（8）和低压缸II（10）的上止点设置排气控制阀（3）；排气控制阀（3）通过管道连接储液罐（11）；高压缸I（19）和高压缸II（20）外层设有保温层（23）；低压缸I（8）和低压缸II（10）外层设有散热器（5）；低压缸II（10）和高压缸I（19）之间设有隔热层（15），高压缸II（20）和低压缸I（8）之间设有隔热层（15）。

2.如权利要求1所述直列式高低压动力设备，其特征是，所述集热器（1）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。

3.如权利要求1所述直列式高低压动力设备，其特征是，所述气化反应器（21）包括压力壳（26）、气化导热片（27）、气孔（28）、雾化器（18），气化导热片（27）设置在压力壳（26）上，气化导热片（27）上阵列设有气孔（28），压力壳（26）进气端设有雾化器（18）。

4.如权利要求1所述直列式高低压动力设备，其特征是，所述压力阀（12）关联曲轴（16），每完成一次循环压力阀开启关闭一次。

5.如权利要求1-4任一项所述直列式热能动力设备做功的方法是：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雾化器进行雾化，气化反应器对雾化的工质进行气化膨胀；活塞到达高压缸的下止点时，做功气体通过自动排气阀排出，单向进气阀打开，排出的气态工质通过管道进入到低压缸内，低压缸内的活塞从上止点到达下止点，单向进气阀关闭，低压缸内的高温气体冷却产生负压拉动活塞做功；两个高压缸和两个低压缸内的活塞同时做功带动转动轴旋转，转动轴带动飞轮把动能输出。