CN104033198B - 一种多级热机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多级热机，包括多个串联设置的第一级至第N级做功单元；多个用于连接相邻两级做功单元且将当前做功单元的余热传递至下一级做功单元的热量传递单元；所述做功单元包括：填充有第一液体工质的供热管；填充有第二液体工质的回热管；供热管与回热管是垂直设置且高度相等的管道；热源输入口；设置于所述回热管上的机械泵；设置在所述供热管和所述回热管上的第一逆流换热器和第二逆流换热器；叶轮机；所述热量传递单元包括：传热管；设置在所述做功单元的所述供热管上的第三换热器；循环泵；所述传热管与下一级做功单元的热源输入口连接；设置在末级做功单元供热管上的散热装置。本发明实现了热机热效率的提高。

Description

一种多级热机

技术领域

本发明涉及一种热机，特别涉及一种多级热机。

背景技术

蒸汽轮机和燃气轮机作为典型的热机，他们的工作原理主要是利用高温高压的蒸汽或者燃气膨胀做功，将热能转化为机械能。

以蒸汽轮机为例，请参阅图1，图1为现有的热力发电厂中所采用的蒸汽轮机式热机。

锅炉中的水受热沸腾后转化成水蒸气流向过热器，过热器再对水蒸气进行加热，变为过热蒸汽。过热器内处于高温高压状态下的过热蒸气依次进入第一级汽轮机和第二级汽轮机，利用膨胀做功，将热能转化成机械能。为了提高热机的热效率，在第一级汽轮机和第二级汽轮机之间安装再热器和回热器。

具体的，通过管道将经过第一级汽轮机之后的水蒸气引到再热器中，通过对再热器中的蒸汽进行再次加热，之后再输送至第二级汽轮机，实现对第二级汽轮机的最佳效率的做功。回热器主要是通过抽汽管道把第二级汽轮机的部分蒸气对其内部经凝结器冷却后的水进行加热，通过热水泵将回热器内的热水输送至锅炉，实现余热回收。

对于以上设置有余热回收装置的热机来说，其热效率仍然是较低的。热机做功的过程为热力膨胀的过程。在膨胀做功的过程中，由于不能将工质所含有的热能全部转化为推动叶轮转动的有用功。所以，在膨胀过程中，会出现将没有做功的有用热能也膨胀为不可逆状态。膨胀后的蒸气温度降低，无法转化为机械能，所以，现有热机热效率低的主要原因在于：一方面，当前热机在热能转化为机械能的过程中，大量的没有被转化为有用功的那部份热能，在膨胀做功的同时也被膨胀成了不可逆状态，因为是不可逆状态，所以就无法把大量的余热回收回来，因此导致热机效率低；另一方面，余热回收的过程是必须在蒸汽做功的同时进行的，且还必须要经历一段不可逆的发展过程才能回收，这种回收方式必然会使余热回收困难而且回收效率低下。

因此，亟需提供一种高效率的新型热机。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种多级热机，实现了热机的热效率提高的目的。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多级热机，包括：

多个串联设置的第一级至第N级做功单元；多个用于连接相邻两级做功单元且将当前做功单元的余热传递至下一级做功单元的热量传递单元；

所述做功单元包括：填充有第一液体工质的供热管；填充有第二液体工质的回热管；供热管与回热管是垂直设置且高度相等的管道；设置在所述供热管上的热源输入口；设置于所述回热管上，控制所述第二液体工质在所述回热管内循环流动的机械泵；设置在所述供热管和所述回热管上的第一逆流换热器和第二逆流换热器；设置在所述供热管上的叶轮机；

所述热量传递单元包括：填充有第三液体工质的传热管；设置在所述传热管内，控制所述第三液体工质在所述传热管内循环流动的循环泵；设置在所述做功单元的所述供热管上，将经过所述第一逆流换热器后的第一液体工质的余热传递至所述传热管中的第三液体工质的第三逆流换热器；所述传热管与下一级做功单元的热源输入口连接并将所述第三液体工质的热量传递至下一级做功单元；

设置在末级做功单元上，用于散发经过所述第一逆流换热器后的所述第一液体工质的热量的散热装置；

所述第一液体工质在所述供热管内按照第一方向流动，所述第二液体工质在所述回热管内按照第二方向循环流动，所述第三液体工质按照第二方向循环流动，所述第二方向与第一方向相反；

所述第一液体工质的临界温度从第一级至第N级做功单元依次递减；

所述第一液体工质的比热容与所述第二液体工质的膨胀系数的乘积小于所述第二液体工质的比热容与所述第一液体工质的膨胀系数的乘积。

优选的，所述第一液体工质包括制冷剂；所述第二液体工质包括水；所述第三液体工质包括水。

优选的，所述做功单元还包括：

设置在所述供热管上，对所述供热管内的所述第一液体工质加压使所述第一液体工质保持液态的第一气泵。

优选的，所述做功单元还包括：

设置在所述供热管上与所述第一气泵连通，为所述供热管内压强变化和第一液体工质体积变化提供缓冲空间的间隙室。

优选的，所述做功单元还包括：

设置在所述第一气泵与所述间隙室之间的第一截止阀；

与所述间隙室和所述第一气泵连接，监测所述间隙室内的压强并控制所述第一气泵对所述供热管内的所述第一液体工质加压的第一压强监控装置。

优选的，所述做功单元还包括：

与所述供热管连通的用于存储所述第一液体工质的储存室；

与所述储存室连接的第二气泵；

设置在所述储存室与所述供热管之间的第二截止阀；

设置在所述储存室与所述第二气泵之间的第三截止阀。

与所述储存室连接用于将所述储存室内的第一液体工质填充至所述供热管的工质泵。

优选的，所述做功单元还包括：设置在所述回热管上，对所述回热管内的所述第二液体工质加压使所述第二液体工质保持液态的第三气泵；

与所述回热管和所述第三气泵连接，监测所述回热管内压强并控制所述第三气泵对所述回热管内的所述第二液体工质加压的第二压强监控装置。

优选的，所述多级热机还包括包裹在除所述散热装置外的所有做功单元上的保温层。

优选的，所述做功单元还包括：

设置在所述第一逆流换热器中的所述供热管内，监测所述第一液体工质的温度的第一温度监控装置；

设置在所述第一逆流换热器中的回热管内，监测所述第二液体工质的温度的第二温度监控装置；

设置在所述供热管内，监测所述第一液体工质的流速的第一流速监控装置；

设置在所述回热管内，监测所述第二液体工质的流速的第二流速监控装置；

与所述第一温度监控装置、所述第二温度监控装置、所述第一流速监控装置、所述第二流速监控装置和所述机械泵连接的控制装置；

分别设置在所述供热管与所述回热管上的减压阀。

优选的，所述多级热机还包括：

设置在初级做功单元的热源输入口上，当所述热源输入口内第一液体工质的温度高于预设温度时发出警报的报警装置。

从上述技术方案可以看出，本发明提供的多级热机，在初级做功单元中，当热源通过热源输入口对供热管进行热量供应时，供热管中的第一液体工质受热并在供热管中形成密度差，进而在供热管两侧形成压力差，从而推动第一液体工质在供热管中按照第一方向流动。机械泵使第二液体工质在回热管中按照与第一方向相反的第二方向循环流动。第一逆流换热器将供热管中第一液体工质的热量传递至回热管，使第二液体工质受热。第三逆流换热器设置在供热管与传热管上，并将经过第一逆流换热器的第一液体工质的余热传递至传热管中的第三液体工质中。循环泵控制第三液体工质在传热管中按照第二方向循环流动。传热管连接下一级做功单元的热源输入口，第三液体工质的热量通过热源输入口传递至下一级做功单元的供热管中，实现对下一级做功单元的供热管中的第一液体工质的加热，下一级做功单元开始工作。

在当前做功单元中，经过第一逆流换热后的第一液体工质温度降低，经过第三逆流换热器的第一液体工质的余热被传输至下一级做功单元，第一液体工质温度继续降低。经过第一逆流换热器的受热的第二液体工质通过第二逆流换热器将热量传递至温度降低的第一液体工质，第二液体工质的温度降低。受热的第一液体工质经过热源输入口，并通过热源进行了热量补给，继续下一个循环。通过设置热量传递单元和逆流换热器保证了第一液体工质在供热管中存在温度差、密度差及压力差，实现循环流动。流动的第一液体工质推动叶轮机进行工作，将热能转换为机械能。

在末级做功单元上设置用于散发经过第一逆流换热器后的第一液体工质的余热的散热装置，保证了第一液体工质在供热管内存在温差而循环流动。

其中，第一液体工质的临界温度从第一级至第N级做功单元依次递减。

第一液体工质的比热容与第二液体工质的膨胀系数的乘积小于第二液体工质的比热容与第一液体工质的膨胀系数的乘积，保证每个做功单元对外做功。

由此，应用本发明提供的多级热机，每一级做功单元的余热没有在向不可逆方向发展。做功单元中第一液体工质的余热通过逆流换热器传递至第二液体工质，并通过第二逆流换热器将第二液体工质的热量再次传递至第一液体工质，并通过热源进行了热量补给，实现了余热的回收。同时，第一液体工质经第一逆流换热器之后的余热通过热量传递单元传递至下一级做功单元，除不可避免的液体阻力、正常的设备散热及末级做功单元散发的少量热能等能量损耗外，多级热机的最终排放的余热很少，因此，多级热机的热能可高效率地转化为机械能，进而使多级热机具有较高的热效率。同时，采用多级做功单元串联设置，并且第一级至第N级做功单元中的第一液体工质的临界温度依次递减，通过利用不同工质在不同的临界温度范围内做功，可实现多级热机的多次做功，同时使热源输入口处的第一液体工质的温度与末级做功单元上经散热装置散热后的第一液体工质的温度的差值变大，进而形成更多的密度差及压力差，进一步提高了多级热机的热效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的蒸汽式热机的结构示意图；

图2为本发明提供的多级热机的结构示意图；

图3为本发明提供的多级热机的做功单元的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图2，图2为本发明提供的多级热机的结构示意图。本发明提供的多级热机，包括多个串联设置的第一级至第N级做功单元；多个用于连接相邻两级做功单元且将当前做功单元的余热传递至下一级做功单元的热量传递单元；设置在末级做功单元上，用于散发末级做功单元余热的散热装置。

请参见图3，图3为本发明提供的多级热机其中一个做功单元的结构示意图。其中，任意一级做功单元包括：填充有第一液体工质的供热管1、填充有第二液体工质的回热管2、热源输入口3、机械泵4、第一逆流换热器5、第二逆流换热器6、叶轮机7；热量传递单元包括：填充有第三液体工质的传热管8、第三逆流换热器9，散热装置10，循环泵11。

具体的，供热管1中填充有第一液体工质，回热管2填充有第二液体工质，供热管1与回热管2是垂直设置且高度相等的管道。热源输入口3设置在供热管1上，当热源输入口3处有热量供应时，供热管1中的第一液体工质受热膨胀，与供热管1内未受热的一侧形成压力差，受热的第一液体工质开始向上流动。第一液体工质受热引起热膨胀，热膨胀引起供热管1两侧的密度差的变化，而两侧的密度差在重力的作用下形成压力差，所以这个阶段实质是热能克服重力做功，把热能转变为了势能。之后，第一液体工质在供热管1的未受热一侧再由势能转化为动能。因此，需要不断的在热源输入口3处补充热量才能维持第一液体工质持续地向上流动。由于在供热管1的两侧形成了压力差，因此，第一液体工质可在供热管1中按照第一方向流动。

回热管2内设置机械泵4，在机械泵4的作用下，第二液体工质在回热管2内按照第二方向循环流动，其中，第二方向与第一方向相反。

第一逆流换热器5设置在供热管1与回热管2上，在热源输入口3处受热的第一液体工质首先流经第一逆流换热器5。第一逆流换热器5将供热管1中受热的第一液体工质的热量传递至回热管2中的第二液体工质。经过第一逆流换热器5的第一液体工质携带有余热。

热量传递单元将当前做功单元的余热传递至下一级做功单元的热源输入口处。具体的，热量传递单元包括填充有第三液体工质的传热管8、第三逆流换热器9和循环泵11，循环泵11设置在传热管8中。第三换热器9设置在经过第一逆流换热器5之后的供热管1和传热管8上。第三逆流换热器9将供热管1中第一液体工质的余热传递至传热管8中的第三液体工质。循环泵11控制第三液体工质在传热管8中按照第二方向循环流动，保证热量的传递。传热管8与下一级做功单元的热源输入口连接，受热的第三液体工质在流经下一级热源输入口时将热量传递至下一级做功单元的第一液体工质中，使下一级做功单元开始相同的工作流程。

需要说明的是，在循环泵的作用下，第三液体工质保持较高的流速，以实现将当前级做功单元中的余热最大限度地传递至下一级做功单元。

第二逆流换热器6设置在供热管1与回热管2上，在当前做功单元中，经过第三逆流换热器9之后的第一液体工质温度降低，并在供热管1两侧形成了较大的压力差。在第二逆流换热器6中，在第一逆流换热器5处受热的第二液体工质将热量传递至第一液体工质。第一液体工质温度升高，并流至热源输入口3处，进入下一个循环。

由于在供热管内第一液体工质的温度发生变化，因此可形成密度差及压力差，可在供热管内循环流动。又由于热量传递单元将经过第一逆流换热器之后的第一液体工质的余热传递至下一级做功单元，所以每一级的工作状态都是稳定的，在供热管内不会形成热平衡。

在逆流换热器中，由于其中的一个液体工质是依次与另一个具有无限多个温度逐渐升高的液体工质进行较缓慢的热交换，所以，只要有足够的换热面积，理论上这种换热是可逆的，在实际中这种换热方式可以大大的减少温降带来的不可逆损失，所以采用逆流换热器可提高换热器的效率，进而提高多级热机的热效率。

需要说明的是，逆流换热器的换热面积是决定余热回收效率的关键因素，在每个做功单元的总换热面积一定的情况下，逆流换热器的个数对热效率的提高没有影响。

叶轮机7设置在做功单元的供热管1的任意位置上，为了便于操作，本申请提供的多级热机的叶轮机设置在供热管1的冷侧端。叶轮机在供热管1内的第一液体工质的推动下进行工作，实现热能转化为机械能。

在末级做功单元上，因为换热器有温差才能工作，所以经过换热器的工质仍含有少量的余热，这些余热必须散失掉热机才能工作。散热装置10设置在末级做功单元的供热管上，用于散发经过逆流换热器后工质仍携带有的余热。其中，散热装置10可以用空气冷却，也可以采用水冷却等方式。

需要说明的是，散热装置10也可以安装在回热管上，还可以同时安装在供热管与回热管上，只要能够将供热管中的余热散发即可，同时散热装置10的个数也可随意设置。

需要说明的是，散热装置10最终散发掉的是供热管与回热管中所包含的所有不能回收的热量，且与散热装置的个数无关。

在本申请中，第一液体工质的比热容与第二液体工质的膨胀系数的乘积小于第二液体工质的比热容与第一液体工质的膨胀系数的乘积，以实现每级做功单元可对外做功。

本申请采用多级做功单元串联设置，主要原因在于高膨胀系数的低温液态工质，其临界温度较低，所以由于膨胀引起的密度差受温度影响变化较小；另一方面，临界温度较高的高温液态工质虽然可以获得较大的温差，但是由于膨胀系数小产生的密度差并不很大，所以采用做功单元的多级联合使用以解决这个问题。

本申请提供的多级热机的热效率为各级做功单元热效率之和。

由此，应用本发明提供的多级热机，每一级做功单元的余热没有在向不可逆方向发展，做功单元的余热通过逆流换热器实现了对大量余热的可逆回收，同时剩余余热通过热量传递单元传递至下一级做功单元，除不可避免的液体阻力、正常的设备散热及末级做功单元散发的少量热能等能量损耗外，多级热机的最终排放的余热很少。因此，由于多级热机具有高效回收余热的功能，所以多级热机的热能可高效地转化为机械能，进而使多级热机具有较高的热效率。

本申请提供的多级热机，可通过在各级做功单元的供热管中分别填充具有不同临界温度的液体工质来实现热效率的提高。具体的，由于上级做功单元经过第一逆流换热器后的第一液体工质的温度要高于下级做功单元的热源输入口的温度，因此可在上级做功单元的供热管中填充具有较高临界温度的工质，在下级做功单元的供热管中填充具有较低临界温度的工质。

因此，在本申请中，第一级至第N级做功单元中的第一液体工质的临界温度是依次递减的，使具有不同临界温度的第一液体工质在不同的温度内可实现多次做功；同时在每一级的供热管中填充不同临界温度的第一液体工质也增大了热机的总温差，并通过加大温差来形成更多的密度差，从而使多级热机有更多的压力差，也就提高了热效率。利用不同的液体工质在不同的临界温度内做功可实现在不同级的做功单元上多次做功，实现总热效率的提高。

其中，温差是指初级做功单元的热源输入口处的温度与末级做功单元经散热器后的第一液体工质温度的差值，在一定条件下，温差越大，热机的热效率越高。本申请提供的多级热机可通过设置多级做功单元来增大温度差，进而在做功管中形成更多的密度差，实现转换效率的提高。

由于多级热机两侧的密度差是在重力的作用下形成了压强差，所以多级热机两侧的压强差和高度有正比关系，所以多级热机中供热管与回热管的高度也是影响热效率的一个因素，在重力场范围内高度越高，多级热机的效率越高。

此外，还可以通过增加做功单元上第一逆流换热器或第二逆流换热器的面积来提高每级做功单元的热效率。选用比热容较小，膨胀率较大的工质作为第一液体工质也可增加多级热机的热效率。

在本实施例中，多级热机的级数为两级，第一液体工质为制冷剂，第二液体工质为水，第三液体工质为水。在初级做功单元中的第一液体工质为制冷剂R123，做末级做功单元中的第一液体工质为制冷剂R134a

制冷剂134a及R123的沸点都在零下，所以在常温常压下制冷剂会沸腾为汽态。因此在常温下必须使制冷剂处于一定压力下以保证其为液态。第一液体工质采用制冷剂的原因是因为制冷剂具有高膨胀、低比热性，另外它的液态密度较大，这些参数都有利于多级热机热效率的提高。

为了使每一级的供热管1中的第一液体工质保持为液态，在每一个做功单元的供热管1上还设置有第一气泵12。第一气泵12用于对供热管1中第一液体工质加压，使第一液体工质保持为液态。

在第一气泵12与供热管1之间还设置有为供热管1内第一液态工质热胀冷缩及气体压强变化提供缓冲空间的间隙室13。在第一气泵12与间隙室13之间设置有第一截止阀14。在正常情况下，第一截止阀14处于关闭状态，间隙室13内的气体不向外流通；当第一截止阀14开启时，第一气泵12可对间隙室13内第一液体工质进行加压。

第一压强监控装置15与间隙室13和第一气泵12连接，第一压强监控装置15监测并控制间隙室13内的压强，当间隙室13内压强低于预设的最低压强值时，第一压强监控装置15控制第一气泵12对供热管1内的第一液体工质加压；当间隙室13内压强达到预设的最大压强值时，第一压强监控装置15控制第一气泵12停止加压。

在每个做功单元的上还设置有储存室16，储存室16内具有一定的压力，且与供热管1连通。当做功单元在紧急情况和需要维修时，可将供热管1内的第一液体工质排出至储存室16，可防止供热管1出现工质大规模泄露的情况，同时也便于第一液体工质的再次利用。与储存室16连接有第二气泵17，第二气泵17用于对排放至储存室16内的第一液体工质进行加压使第一液体工质处于液态。在储存室16和供热管1之间设置第二截止阀18，在储存室16与第二气泵17之间设置第三截止阀19。工质泵26与储存室16连接，用于将储存在储存室16内的第一液体工质填充至供热管1中。

为了防止做功单元中的回热管内的第二液体工质沸腾，在每级做功单元的回热管上设置有第三气泵27。与回热管和第三气泵27连接有第二压强监控装置28。第二压强监控装置28监测并控制回热管内压强，当回热管内压强低于预设的压强阈值时，第二压强监控装置28控制第三气泵27对回热管内的第二液体工质加压使第二液体工质保持为液态。

因供热管1内工质的应用环境温度的要求，做功单元中各部位的工作温度都需高于外界环境，所以各部位需包裹保温层，才能达到工作时所需的温度。因此，在本实施例中，除了初级的热源部份和末级做功单元的散热器10外，其他做部位均包裹有保温层。

虽然除末级做功单元外的其它各级做功单元在自己本系统内不排放任何余热，也不向周围环境放热，，但它们产生的余热都会转到下一级做功单元，所以每级做功单元的工作状态是能稳定的，它们各自的系统不会因为保温形成热平衡而最后崩溃。

在每个做功单元的受热侧的供热管1与回热管2上还设置有减压阀21，用于排放供热管1或回热管2内由液体工质意外沸腾所产生的气体，以降低供热管1或回热管2内过大的压强。

其中，受热侧指的是按照第一方向，在第二换热器6与第一换热器5之间的，用于承载热源所输入的热量的部分供热管与回热管。

为了实现最高效率的余热回收，需要严格控制第一逆流换热器5内第一液体工质和第二液体工质的温差、第一液体工质和第二液体工质的流速比。因此，做功单元上还设置有第一流速监控装置22、第二流速监控装置23、第一温度监控装置29、第二温度监控装置30、控制装置24。

其中，第一温度监控装置29设置在第一逆流换热器5中的供热管1内，用于监测第一液体工质的温度，第二温度监控装置30设置在第一逆流换热器5中的回热管2内，用于监测第二液体工质的温度。第一流速监控装置22设置在供热管1内，用于监测第一液体工质的流速。第二流速监控装置23设置在回热管2内，监测第二液体工质的流速。

控制装置24与第一温度监控装置29、第二温度监控装置30，第一流速监控装置22，第二流速监控装置23和机械泵4连接，当第一液体工质的温度与第二液体工质的温度的差值大于预设的温度差时，控制装置24控制机械泵4增加第二液体工质的流速；当第一液体工质的流速与第二液体工质的流速的比值低于预设的第一流速比值时，控制装置24控制机械泵降低第二液体工质的流速；当第一液体工质的流速与第二液体工质的流速的比值高于预设的第二流速比值时，控制装置24控制机械泵增加第二液体工质的流速，以使它们始终处于预设比值，最大限度地减小温降带来的不可逆损失。

供热管1内的第一液体工质的温度超过临界温度时会沸腾，而沸腾会产生汽体不利于热机的工作。为了防止供热管1内的第一液体工质沸腾，本发明的初级做功单元的热源输入口3上设置有报警装置25。具体的，在热源输入口3内的第一液体工质中可设置一个温度监测装置，并与报警装置25连接。当热源输入口3内第一液体工质的温度高于预设温度时，报警装置25发出警报。工作人员在接收到报警时可及时地采取措施以减少热源输入口3处的热量供应，进而降低第一液体工质的温度。

需要说明的是，第一液体工质的比热容与第二液体工质的膨胀系数的乘积小于第二液体工质的比热容与第一液体工质的膨胀系数的乘积。

具体的，由于多级热机的每个做功单元是靠供热管内两侧存在密度差，并在重力的影响下形成的压强差来工作的。

根据P＝egh＝(e₁-e₂)gh可知，

在密度差(或者温度)一定的情况下，在一定范围内提高供热管高度，来加大热能转换时的做功长度，可以提高压强差，从而提高转换效率。所以为了提高高度，减少使用大量金属导热，故采用另一种液体在损失较小的情况下将余热输送回来，输送回余热的功率损失称回热损失。

其中，e为密度，e₁是第一液体工质的密度，e₂是第二液体工质的密度，h为高度。

假设第一逆流换热器、第二逆流换热器的各个参数相同，为了使经过第一逆流换热器后供热管中的余热最大限度地回收回来，在第一逆流换热器处的回热管的出口温度应最大限度的接近供热管的入口温度。理想状态下，供热管每降低或上升1℃热量，回热管就必须上升或下降1℃。也就是说供热管和回热管的变化温度Δt必须相等。

所以为了保证把余热最大限度地回收回来，减少温降带来的不可逆损失，就必须控制经过第一逆流换热器或第二逆流换热器时第一液体工质和第二液体工质的流量比，在一定范围内对它们之间的流速进行严格的调控。

在第一逆流换热器中，由于释放的热量等于吸收的热量，

得到Q＝c₁m₁Δt₁＝c₂m₂Δt₂；

其中，Q为热量，c₁为第一液体工质的比热容，m₁为流经第一逆流换热器的第一液体工质的质量，Δt₁为第一液体工质在第一逆流换热器的入口与出口的温度差，c₂为第二液体工质的比热容，m₂为流经第一逆流换热器的第二液体工质4的质量，Δt₂为第二液体工质在第一逆流换热器的入口与出口的温度差。

又由于m＝eV；V＝stv_s

其中，m为质量，e为密度，V为体积，s为断面积，t为液体流经第一逆流换热器的时间，v_s为液体流经断面积的速度；由于供热管与回热管为相同的管，故两个管的断面积s相等。

代入Q＝c₁m₁Δt₁＝c₂m₂Δt₂得到

c₁e₁stv_s1Δt₁＝c₂e₂stv_s2Δt₂简化公式为

c₁e₁v_s1＝c₂e₂v_s2；

其中，e₁是第一液体工质的密度，e₂是第二液体工质的密度，v_s1为第一液体工质流经第一逆流换热器的速度，v_s2是第二液体工质流经第一逆流换热器的速度。

所以供热管内第一液体工质与回热管内第二液体工质的流速比是：

v_s1/v_s2＝c₂e₂/c₁e₁

多级热机主要是利用密度差在重力的影响下形成的压力差来工作的，所以回热管和供热管的压力比就是回热管两侧的压力差和供热管两侧的压力差的比。由于回热管和供热管的断面积、高度均可以相等，所以回热管和供热管的压力比为：

F₂/F₁＝Δe₂ghs/Δe₁ghs＝Δe₂/Δe₁

根据以上得出，回热损失功率和供热管输出功率的比是：

p_损＝p₂/p₁＝v_s2·F₂/v_s1F₁＝c₁e₁Δe₂/c₂e₂Δe₁

由于供热管与回热管的热侧在理想条件下温度相同，也即供热管与回热管在热侧增加的温度相同，则第二液体工质与第一液体工质的膨胀系数比为：a_v2/a_v1＝Δe₂/e₂/Δe₁/e₁

代入p_损＝p₂/p₁＝v_s2·F₂/v_s1F₁＝c₁e₁Δe₂/c₂e₂Δe₁

得到p_损＝p₂/p₁＝c₁a_v2/c₂a_v1

必须指出的是，这个公式是决定各级热机效率的关键内因，也是筛选最佳工质的公式，如果比值等于1的话，那么系统对外不做功，输出为零。

因此，第一液体工质的比热容与第二液体工质的膨胀系数的乘积小于第二液体工质的比热容与第一液体工质的膨胀系数的乘积，实现每级做功单元可对外做功。

由于液体工质的比热容和密度在不同的温度和压力下会有较大的变化，在换热器内的温度也是变化的，所以有必要取一个中间值来接近实际结果。

本申请提供的多级热机，在一定条件下做功单元的级数越多，获得的温差就越大，热效率越高。本实施例提供的多级热机的级数为二级，即包括初级做功单元与末级做功单元。

以下以第一液体工质为制冷剂，第二液体工质为水为例进行二级热机热效率的计算。

初级做功单元中供热管内的第一液体工质为制冷剂R123，第一液体工质的工作温度为：经热源加热后，经过第一逆流换热器的入口温度为170℃，经过第一逆流换热器的出口温度为94℃；在94℃时制冷剂R123的比热容为1129J/(kg·℃)，在170℃时制冷剂R123的比热容为1979J/(kg·℃)，比热容取中间值为1554J/(kg·℃)；制冷剂R123在94℃时的密度为1266kg/m³，在170℃时的密度为896kg/m³，取中间值为1081kg/m³。

初级做功单元中回热管内的第二液体工质为水，在94℃时水的比热容为4214J/(kg·℃)，在170℃时水的比热容为4380J/(kg·℃)，比热容取中间值为4297J/(kg·℃)；水在94℃时的密度为962kg/m³，在170℃时的密度为897kg/m³，取中间值为930kg/m³，那么回热损失功率和供热管输出功率的比为：

由p₂/p₁＝v_s2·F₂/v_s1F₁＝c₁e₁Δe₂/c₂e₂Δe₁

得到

p_水/p₁₂₃＝v_s2·F₂/v_s1F₁＝c₁e₁Δe₂/c₂e₂Δe₁

＝1554×1081×(962-897)/4297×930×(1266-896)

＝0.07

末级做功单元中供热管内的第一液体工质为制冷剂R134a，第一液体工质的工作温度为：经热源加热后，经过第一逆流换热器的入口温度为90℃，经过第一逆流换热器的出口温度为24℃，其中，24℃为常温；在90℃时制冷剂R134a的比热容为2756J/(kg·℃)，在24℃时制冷剂R134a的比热容为1421J/(kg·℃)，比热容取中间值为2088J/(kg·℃)；制冷剂R134a在90℃时的密度为837kg/m³，在24℃时的密度为1210kg/m³，取中间值为1023kg/m³。

末级做功单元中回热管内的第二液体工质为水，水的比热容在这个阶段变化很小，取平均值为4200J/(kg·℃)；水在90℃时的密度为965kg/m³，在24℃时的密度为997kg/m³，取中间值为981kg/m³，那么回热损失功率和供热管输出功率的比为：

p_水/p₁₃₄＝v_s2·F₂/v_s1F₁＝c₁e₁Δe₂/c₂e₂Δe₁

＝2088×1023×(977-965)/4200×981×(1210-837)

＝0.05

设多级热机的供热管截面积为S，流体密度为e，流速为v_s，高度为h，密度差为Δe，比热为c，则供热管的输出功率是：

P_功＝F_压力差v_s＝G_重力差v_s＝shΔegv_s

根据能量守恒定律，多级热机中每个做功单元的输入热功率为供热管的输出功率与余热损失功率之和(不计正常散热等损失)。

余热损失是由末级做功单元的散热器散出的，由于散热器散出的热量是换热器最终不能回收的热量，所以散热器散出的余热多少是由换热器的效率决定，又由于换热器必须有温差才能工作，所以损失不可避免，但只要采用适当的导热材料，加大换热面积，理论上损失可以接近零。

设供热管管径和散热器管径相同，截面积为S，经过散热器的第一液工质的流速为v_s，流体密度为e，那么每秒流过散热器的质量流量是：

q＝sv_se其中q是流过散热器的质量流量；

设第一液体工质比热容为c，第一液体工质流出散热器的温度和冷源温度的差为Δt，那么，流过散热器的余热损失功率是：

p_余损＝2cqΔt＝2sv_secΔt，

得到：

一个做功单元的热效率为

P＝p_功(1-p_损)/p_功+p_余损

＝shΔegv_s(1-p_损)/shΔegv_s+2sv_secΔt

＝hΔeg(1-p_损)/hΔeg+2ecΔt

由以上公式可知，供热管采用膨胀率较高的、比热容较小的工质时可以提高热机的效率；当工质一定时，提高高度和增加换热器的回收效率来减小余热输出温度可以提高效率.增大温差来加大密度差也可以提高效率。

假设做功单元的供热管和回热管的建设高度为300米，受热后第一液体工质进入第一换热器之前的温度与第二液体工质经第一换热器换热后的出口温度的温差Δt为0.2℃时(即经过换热器后的温降)

第一级做功单元的热效率为：

P＝p_功(1-p_损)/p_功+p_余损

＝shΔegv_s(1-p_损)/shΔegv_s+2sv_secΔt

＝hΔeg(1-p_损)/hΔeg+2ecΔt

＝9.807×(1-0.07)×300×(1266-896)/9.807×300×(1266-896)+1266×1129×0.2×2

＝60％

第二级的热效率：高度为300米，

P＝p_功(1-p_损)/p_功+p_余损

＝shΔegv_s(1-p_损)/shΔegv_s+2sv_secΔt

＝hΔeg(1-p_损)/hΔeg+2ecΔt

＝9.807×(1-0.05)×300×(1210-837)/9.807×300×(1210-837)+1210×1421×0.2×2

＝58％

总效率＝上级效率+下级效率×(1-上级效率)

得到两级总热效率为：0.6+0.58×0.4＝83.2％

并且，由于两级之间循环泵的温差是：94-90＝4℃，所以循环泵两侧的温差很小，压差也很小，损失不足各级输出的1％，所以可以忽略不计。

由上面的推导可以得出，应用本申请提供的多级热机，可达到较高的热效率。

本申请提供的多级热机可应用在大型发电厂中进行发电，还可以将环境中余热废热进行回收利用。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种多级热机，其特征在于，所述多级热机包括：

多个串联设置的第一级至第N级做功单元；多个用于连接相邻两级做功单元且将当前做功单元的余热传递至下一级做功单元的热量传递单元；

所述做功单元包括：填充有第一液体工质的供热管；填充有第二液体工质的回热管；供热管与回热管是垂直设置且高度相等的管道；设置在所述供热管上的热源输入口；设置于所述回热管上，控制所述第二液体工质在所述回热管内循环流动的机械泵；设置在所述供热管和所述回热管上的第一逆流换热器和第二逆流换热器；设置在所述供热管上的叶轮机；

所述热量传递单元包括：填充有第三液体工质的传热管；设置在所述传热管内，控制所述第三液体工质在所述传热管内循环流动的循环泵；设置在所述做功单元的所述供热管上，将经过所述第一逆流换热器后的第一液体工质的余热传递至所述传热管中的第三液体工质的第三逆流换热器；所述传热管与下一级做功单元的热源输入口连接并将所述第三液体工质的热量传递至下一级做功单元；

设置在末级做功单元上，用于散发经过所述第一逆流换热器后的所述第一液体工质的热量的散热装置；

所述第一液体工质在所述供热管内按照第一方向流动，所述第二液体工质在所述回热管内按照第二方向循环流动，所述第三液体工质按照第二方向循环流动，所述第二方向与第一方向相反；

所述第一液体工质的临界温度从第一级至第N级做功单元依次递减；

所述第一液体工质的比热容与所述第二液体工质的膨胀系数的乘积小于所述第二液体工质的比热容与所述第一液体工质的膨胀系数的乘积。

2.根据权利要求1所述的多级热机，其特征在于，所述第一液体工质包括制冷剂；所述第二液体工质包括水；所述第三液体工质包括水。

3.根据权利要求2所述的多级热机，其特征在于，所述做功单元还包括：

设置在所述供热管上，对所述供热管内的所述第一液体工质加压使所述第一液体工质保持液态的第一气泵。

4.根据权利要求3所述的多级热机，其特征在于，所述做功单元还包括：

设置在所述供热管上与所述第一气泵连通，为所述供热管内压强变化和第一液体工质体积变化提供缓冲空间的间隙室。

5.根据权利要求4所述的多级热机，其特征在于，所述做功单元还包括：

设置在所述第一气泵与所述间隙室之间的第一截止阀；

与所述间隙室和所述第一气泵连接，监测所述间隙室内的压强并控制所述第一气泵对所述供热管内的所述第一液体工质加压的第一压强监控装置。

6.根据权利要求5所述的多级热机，其特征在于，所述做功单元还包括：

与所述供热管连通的用于存储所述第一液体工质的储存室；

与所述储存室连接的第二气泵；

设置在所述储存室与所述供热管之间的第二截止阀；

设置在所述储存室与所述第二气泵之间的第三截止阀；

与所述储存室连接用于将所述储存室内的第一液体工质填充至所述供热管的工质泵。

7.根据权利要求6所述的多级热机，其特征在于，所述做功单元还包括：设置在所述回热管上，对所述回热管内的所述第二液体工质加压使所述第二液体工质保持液态的第三气泵；

与所述回热管和所述第三气泵连接，监测所述回热管内压强并控制所述第三气泵对所述回热管内的所述第二液体工质加压的第二压强监控装置。

8.根据权利要求7所述的多级热机，其特征在于，所述多级热机还包括包裹在除所述散热装置外的所有做功单元上的保温层。

9.根据权利要求8所述的多级热机，其特征在于，所述做功单元还包括：

设置在所述第一逆流换热器中的所述供热管内，监测所述第一液体工质的温度的第一温度监控装置；

设置在所述第一逆流换热器中的回热管内，监测所述第二液体工质的温度的第二温度监控装置；

设置在所述供热管内，监测所述第一液体工质的流速的第一流速监控装置；

设置在所述回热管内，监测所述第二液体工质的流速的第二流速监控装置；

与所述第一温度监控装置、所述第二温度监控装置、所述第一流速监控装置、所述第二流速监控装置和所述机械泵连接的控制装置；

分别设置在所述供热管与所述回热管上的减压阀。

10.根据权利要求1或9所述的多级热机，其特征在于，所述多级热机还包括：

设置在初级做功单元的热源输入口上，当所述热源输入口内第一液体工质的温度高于预设温度时发出警报的报警装置。