CN104454329A - 外热式发动机及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种外热式发动机实现方法，1）建立与液压马达连通的容器系统，所述容器系统包括两个容器件，容器件内装有压缩气体和液压油，两个容器件连通部分被液压油所淹没，液压油在两容器件产生压力差时，可在两容器件间流动；2）通过在两个容器件之间形成温度差，使得温度差形成两容器件之间的压力差，驱动的液压油在两容器件间进行流动，由此驱动液压马达进行转动，实现动力输出。

Description

外热式发动机及其实现方法

技术领域

本发明属于发动机领域，具体涉及一种外热式发动机及其实现方法。 

背景技术

瓦特的蒸汽机的面世为人类提供了动力，导致了第一次工业革命，火车，轮船，各类需要动力的工厂应运而生，人类从此步入了依靠矿物能源的工业革命时代。 

二十一世纪的今天，由于人类文明过度依赖煤炭、石油、天然气等一次性矿物能源，不仅给环境带来严重的污染，也将面临资源枯竭的不远未来。人类对石油、煤炭的需求越来越大，越来越昂贵的油价给人民的生活带来莫大的压力。开发出新一代的可利用诸如太阳能，生物质能源，地热能等可再生能源乃至回收工业余热做功的发动机，便是这一研究开发的基本动机。 

传统的外燃机，可分为两大类，1：蒸汽机（包括蒸汽轮机）；2：热气机，主要形式为斯特林（Stirlin）发动机。 

一．蒸汽机 

蒸汽机是当今世界用于发电的主流机种，技术成熟但有着若干先天性的问题：

1.热效率较低，由于蒸汽机必须通过液气相变的形式即蒸汽类进行能量转换，因而在能量转换中耗费了大量的而又不参与能量转换的“汽化热”。这种汽化热是蒸汽形式进行能量转换造成的原理性能量损失。蒸汽（汽轮机）发电是一项非常成熟的技术，由于这种原理性损失，其热效率很可能永远也达不到43%。

2.难以小型化，通常的蒸汽轮机规模均在数十兆瓦以上，一旦功率变小，其热效率便急剧下降。所以通常只能用于建设大型电站，而不适用于小型电站。 

3.较难适应于可再生能源，通常用于发电的蒸汽压力在20Mpa以上，蒸汽管道处于高温高压状态，而应用于功率密度低，采能面积极广的太阳能装置而言无疑是设备昂贵或是有安全隐患的。 

二．热气机 

也就是斯特林发动机，斯特林发动机是由苏格兰牧师Robert Stirling 与1816年发明的非蒸汽类外燃机，其特点是有着远高于蒸汽机的热效率潜力。目前在国外新能源技术开发中有着巨大的发展前景，但却有着两大缺点严重地影响了其应用:

1. 工作介质气体的密封工艺难度很大，这是由于目前流行的斯特林发动机的结构的先天性特征所造成的，我国至今罕见见有实用型产品的报道，尤其在能源行业更是未见应用报导而仅存于科研院所或少数高校的研究中，制造工艺的困难可能是主要原因。

2. 热交换方式先天不足，难以实现大功率化，美国在本世纪所实施的若干个太阳能发电的项目中，大量采用斯特林发动机，但其单机容量似乎只有数十千瓦，甚至难见有大功率斯特林发动机的报道。 

本人设计的发动机成功地克服了斯特林发动机的上述两大缺点，理论上该种发动机循环的热交换模式保证了单机容量可任意大而没有障碍。也解决了密封问题。 

发明内容

本发明针对现有的斯特林发动机的缺陷，提供一种外热式发动机及其实现方法以解决上述问题。 

首先，本人提出一种外热式发动机的实现方法，一种外热式发动机实现方法，1）建立与液压马达连通的容器系统，所述容器系统包括两个容器件，容器件内装有压缩气体和液压油，两个容器件连通部分被液压油所淹没，液压油在两容器件产生压力差时，可在两容器件间流动； 2）通过在两个容器件之间形成温度差，使得温度差形成两容器件之间的压力差，驱动的液压油在两容器件间进行流动，由此驱动液压马达进行转动，实现动力输出。 

本发明的整体构思是：通过在一个如前面定义的容器系统，由温差转化成为压力差，驱使液压油流动，从而驱动液压马达转动。 

本发明的另外一个重点是：在步骤2）中，将冷/热载能工质分别输进两容器件内，并将载能工质雾化，使与容器件内的压缩气体混合后实现快速热交换，达到容器件内气体迅速升温/降温的目的，最终通过温度变化驱动液压油的流动。该方案是本技术的另一个关键点是采取雾化载能工质的手段，使得载能工质能够与容器系统内的气体最大程度的迅速热交换，达到迅速降低或者升高温度的目的，从而迅速形成压力差。 

上述的两个容器件通过循环管路分别与冷/热载能工质泵连接，用以达到载能工质在容器件内的循环流动的目的。 

本发明中的设备的方案是这样实现的：一种外热式发动机，包括液压马达，还包括与液压马达连通的容器系统，所述容器系统包括两个容器件；容器件内装有压缩气体和液压油；在容器件内还设有与载能工质管连通的雾化装置，通过雾化装置将高温/低温的载能工质雾化后使其与容器件内气体混合实现快速热交换，达到将容器内气体迅速升温/降温目的，使两容器件内之间形成温差，通过温度差形成两容器件间的压力差，驱动液压油在两容器件间进行流动。 

以上所述还包括热源和冷源；容器件外部还连接有装有载能工质的载能工质管路；所述热源和冷源通过与装有载能工质的载能工质管路进行热/冷能量交换，并通过载能工质向容器系统输送热、冷能。 

本发明中，作为更进一步的方案，所述载能工质管路中设有用于将载能工质泵入容器件内的热工质泵/冷工质泵，热工质泵/冷工质泵的作用是，将载能工质快速的泵入容器件内。 

本发明中，作为更具体的方案，所述容器系统中，设有用于维持液压马达同一方向转动的由液压油整流装置，所述液压油整流装置包括多个单向阀。 

本发明中，作为更具体的方案，所述热源、冷源中分别设有热交换器和冷却器。 

本发明中，作为更具体的方案，所述载能工质包括导热油，熔盐和液体金属。 

本发明中，作为更具体的方案，所述容器系统包括分体式工作气缸和油缸，或者是一体式的装有压缩空气和液压油的耐温耐压容器。 

本发明的有突出的实际特点和显著进步是： 

1.结构简单，不需复杂的制造工艺，一旦定型可迅速投入批量生产。

2.发动机的工作温度上限取决于热源温度及载能工质的温度上限。 

3.不需通过液气相变的形式即蒸汽类型进行能量转换，因而在能量转换中无需耗费大量的而又不参与能量转换的“汽化热”。使得热效率与同等条件下的蒸汽机相比大幅度提高。 

4.本发动机的另一大特点是：作为发动机动力来源的高温载能工质输入发动机内部完成热交换后，未使用的热能将随载能工质带出体外经循环加温后重新利用，并未造成损失，这与蒸汽机的的一旦做功后将蒸汽排放或重新液化，无法利用残热形成鲜明对比。同样，内燃机在完成燃烧做功冲程后，也直接排放，废气中的残热也无法利用。 

5.由于上述3、4两特征使得该发动机有着远高于现有内、外燃机的热效率发展潜力，该发动机一旦发展成熟，将会对能源产业产生难以估量的影响。 

6.载能工质在缸内做功后在不同的时段的温度会不同，通过合理的控制方案，将相对高温部分工质分配送往热工质泵，相对低温部分工质分配送往冷工质泵，以此方式调度可望获得最佳的发动机热效率。 

7.不像内燃机，由于内部急剧燃烧和排放，不可避免地产生噪音。本发动机无燃烧，无排放，因而也无噪音。 

附图说明

图1是实施例1中状态一的结构示意图； 

图2是实施例1中状态二的结构示意图；

图3是实施例1中状态三的结构示意图；

图中零部件名称及序号：

热源1、冷却器2、第一容器件3、第二容器件4、第一油缸3’、第二油缸4’、热工质雾化器5、冷工质雾化器6、液压马达7、单向阀8、热交换器9、冷源10、液压油11、热工质泵12、冷工质泵13。

具体实施方式

以下结合附图和实施例描述本发明，以下实施例以发明最优效果进行解释说明，但是这些实施例并非本发明的限制。 

实施例1： 

如图1所示,依据本发明方案组成的外热式发动机，容器系统与液压马达7构成了一个大的连通系统，容器系统包括第一容器件3、第二容器件4和第一油缸3’、第二油缸4’，两者之间上部连通，还包括与液压马达7连接的管路。本实施例中，所述的油缸，并非机械领域所述的具有活塞的油缸体，而是一种用于装载液压油的容器。第一容器件3、第二容器件4分别设有连通热源1和冷源10的载能工质管路，载能工质管路内设有载能工质导热油，在连接热源1的载能工质管路中设有热工质泵12，在连接冷源10的载能工质管路中设有冷工质泵13；在第一容器件3、第二容器件4均设有热工质雾化器5和冷工质雾化器6，热工质雾化器5与热源1中的热交换器9连接，冷工质雾化器6与冷源10中的冷却器2连接 ；

在第一油缸3’和第二油缸4’下部设有与液压马达7连接的管路，管路中设有四个单向阀8，单向阀8和管路使得液压油11流过液压马达7的方向总保持一致，从而使得液压马达7转动方向不变。

液压马达7的驱动方式如下： 

载能工质导热油，在热工质泵12的驱动下沿管路进入热源1内通过热交换器9吸收热源的热能提高自身的温度（载能）。加热后的载能工质送往第一容器件3内经热工质雾化器5以雾状形式喷洒到整个气缸内，迅速将气缸内的已预加压的气体(可加至10Mpa以上)进行热交换，将气体加热，气体受热后迅速升压（从常温加到350°C时压力可升至20Mpa以上）。此时与第一容器件3连通的冷工质泵13不工作。  

与上述过程同步进行的是在与第二容器件4连通的冷工质泵13的作用下载能工质被送往冷却器2进行降温处理，冷却后的载能工质被送往第二容器件4又经冷工质雾化器6雾化后与缸内气体进行热交换，迅速降低第二容器件4内气体的温度，从而使得第二容器件4内的压力下降，使得第一容器件3和第二容器件4之间形成压力差。（此时与第二容器件4连通的热工质泵12不工作）从而导致油缸第一油缸3’和第二油缸4’产生压力差，在压力差的作用下、第一油缸3’中的液压油11沿着单向阀8所限定的流通管道流向流动，从而驱动液压马达7旋转运动实现了热能到机械能的转化。行程终了时，油缸的液位变化如图2。

此时，将整个操作逆向进行，（此时与第一容器件3连通的热工质泵13和与第二容器件4连通的冷工质泵停止工作，而启动相应的冷工质泵13和热工质泵12）将冷却工质送往第一容器件3，经雾化处理后喷到缸内将缸内气体迅速降温，使得第一容器件3的压力迅速下降。与此同时将高温载能工质送到第二容器件4，经雾化处理后喷进缸内将缸内气体迅速升温，这样这样便形成了第二容器件4对第一容器件3的压力差，驱使第二油缸4’内的液体沿单向阀8所限定的路线进入液压马达7，同样驱动马达输出机械能。该冲程完成时状态参照图3。 

以上两个冲程完成了发动机的一个循环。 

另外，本发明要强调的原理是：发动机所需要的能量是通过高温载能工质送进发动机内，在一个气缸内将载能工质导致对另一气缸内的温差转化为压力差并做功产生机械动能输出;载能工质在发动机内进行能量交换降温后通过循环管送到热源中重新加热（载能）后再度送进发动机内,同时另一气缸内的冷却用载能工质在缸内升温后被送往冷却源降温后再度送进发动机内。以此方式生生不息，循环运行。 

加热（冷却）载能工质的循环利用方式：雾化后的载能工质在与缸内气体进行充分接触从而由于两者温差而产生能量交换后，最后在重力作用下落到气缸底部，在不同的时段分别流进热管和冷管，分别经过热工质泵12、冷工质泵13加压后经和热源1冷却器2进行加温和降温后在进入下一循环。以此方式进行连续的冷热源的供给。 

实施例2： 

本实施例中，与实施例1不同之处在于，容器系统中，用于装载液压油的油缸体，可以实现与容器件形成统一的整体件，并非并需采用实施例1中的分体式方式才能实现本发明，其可以采用现有的机械手段实现，再次不再进行详细的举例，另外，所述的载能工质是熔盐或液体金属，其也可以实现本发明效果。

实施例3： 

本实施例中，与实施例1不同之处在于，在于容器件和液压马达7连接的管路中，单向阀8的设定数量，是6个，其余工作原理与实施例1相同。

显然，上述实施例仅仅是为了清楚的说明本发明所作的举例，而并非对实施的限定。对于所述领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式子以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。 

Claims (10)

1.一种外热式发动机的实现方法，其特征在于：

1）建立与液压马达连通的容器系统，所述容器系统包括两个容器件，容器件内装有压缩气体和液压油，两个容器件连通部分被液压油所淹没，液压油在两容器件产生压力差时，可在两容器件间流动； 

2）通过在两个容器件之间形成温度差，使得温度差形成两容器件之间的压力差，驱动液压油在两容器件间进行流动，由此驱动液压马达进行转动，实现动力输出。

2.根据权利要求1所述的外热式发动机的实现方法，其特征在于：在步骤2）中，将冷/热载能工质分别输进两容器件内，并将载能工质雾化，使与容器件内的压缩气体混合后实现快速热交换，达到容器件内气体迅速升温/降温的目的，最终通过温度变化驱动液压油的流动。

3.根据权利要求2所述的外热式发动机的实现方法，其特征在于：两个容器件通过循环管路分别与冷/热载能工质泵连接，用以达到载能工质在容器件内的循环流动的目的。

4. 一种外热式发动机，包括液压马达，其特征是：还包括与液压马达连通的容器系统，所述容器系统包括两个容器件；容器件内装有压缩气体和液压油；在容器件内还设有与载能工质管连通的雾化装置，通过雾化装置将高温/低温的载能工质雾化后使其与容器件内气体混合实现快速热交换，达到将容器内气体迅速升温/降温目的，使两容器件内之间形成温差，通过温度差形成两容器件间的压力差，驱动液压油在两容器件间进行流动。

5.根据权利要求4所述的外热式发动机，其特征是：还包括热源和冷源；容器件外部还连接有装有载能工质的载能工质管路；

所述热源和冷源通过与装有载能工质的载能工质管路进行热/冷能量交换，并通过载能工质向容器系统输送热、冷能。

6.根据权利要求5所述的外热式发动机，其特征是：所述载能工质管路中设有用于将载能工质泵入容器件内的热工质泵/冷工质泵。

7.根据权利要求4所述的外热式发动机，其特征在于：所述容器系统中，设有用于维持液压马达同一方向转动的由液压油整流装置，所述液压油整流装置包括多个单向阀。

8.根据权利要求5所述的外热式发动机，其特征在于：所述热源、冷源中分别设有热交换器和冷却器。

9.根据权利要求4所述的外热式发动机，其特征在于： 所述载能工质包括导热油，熔盐和液体金属。

10.根据权利要求4所述的外热式发动机，其特征在于： 所述容器系统包括分体式工作气缸和油缸，或者是一体式的装有压缩空气和液压油的耐温耐压容器。