CN106677850A - 利用环境热能对外做功的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用环境热能对外做功的装置，包括正反馈热泵系统和往复多级热交换做功系统，利用正反馈热泵产生高温热源和低温热源，同时采用往复多级热交换做功装置利用热能和冷能做功，先正向移动流体状做功介质通过多个装有储能介质的容器，让流体状做功介质逐渐降温或者升温到所需温度，同时得到不同品质的储能介质，然后再反向依次移动流体状做功介质通过多个装有储能介质的容器，让该环节逐渐升温或者降温到所需温度，以再次利用存储在储能介质中的热能或者冷能，达到充分利用热能或者冷能的目的。

Description

利用环境热能对外做功的装置

技术领域

本发明涉及动力机械技术领域，尤其涉及一种利用环境热能对外做功的装置。

背景技术

因经济的不断发展，对能源的需求很大，并且日益增加，而石油煤炭天然气等能源，日益枯竭。为了经济的持续发展，必须寻找新的能源，但各种取得能源的技术都有其自身的不足，譬如成本高、危险性大、会枯竭、有污染、容易破坏环境等。即使是利用水力、风力、地热等清洁能源发电，也非常容易受地域环境限制，而且需要投入大量的设备来进行能量转换，成本极高，不能很好的解决日益迫切的能源问题。

在我们生活的环境中存在大量的能源，现有的技术只是利用了其中的风能、太阳能等，却很少利用环境中的热能，而环境中的热能是所有能源中含量最大的能源，但是其却未能得到很好的利用。

因此，急需要一种利用环境热能对外做功的装置来解决上述存在的问题。

专利CN201510521304.7描述了一种利用环境中的热能对外做功的装置，本专利是基于该专利对该专利的改进，本专利所描述的正反馈热泵及往复多级热交换技术，能非常有效的产生和利用热能和冷能，同时结构简单有效易于实现，而专利CN201510521304.7采用的热泵只是普通热泵，其制热制冷的效率远不如本专利的所述的正反馈热泵，专利CN201510521304.7所描述的做功装置也不如本专利所描述的往复多级热交换做功装置简单可靠。本专利的核心技术往复多级热交换和正反馈热泵，能让以环境热能为能源的发动机从理论走向实用化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用环境热能对外做功的装置，该装置可以将环境的热能转化为动能输出，环保且使用方便。

为实现上述目的，本发明提供了一种种利用环境热能对外做功的装置，包括正反馈热泵系统和往复多级热交换做功系统，利用正反馈热泵产生高温热源和低温热源，同时采用往复多级热交换做功装置利用热能和冷能做功，先正向移动流体状做功介质通过多个装有储能介质的容器，让流体状做功介质逐渐降温或者升温到所需温度，同时得到不同品质的储能介质，然后再反向依次移动流体状做功介质通过多个装有储能介质的容器，让该环节逐渐升温或者降温到所需温度，以再次利用存储在储能介质中的热能或者冷能，达到充分利用热能或者冷能的目的。

较佳地，所述利用环境热能对外做功的装置还包括一个正反馈热泵系统。

较佳地，所述利用环境热能对外做功的装置还包括一个往复多级热交换做功系统。

较佳地，所述正反馈热泵系统包括压缩机（1），以及多个热交换容器，管道穿过多个热交换容器分别与压缩机（1）和储气罐B（10）相接，储气罐B（10）通过穿过多个热交换容器的管道与蒸汽机（12）相接，蒸汽机（12）通过管道与储气罐A（13）相接，储气罐A（13）通过穿过最高温容器的管道与压缩机（1）相接。

较佳地，所述利用环境热能对外做功的装置还包括一个正反馈热泵系统，以及穿过热泵系统各容器的管道，管道与一液压缸（17）接成差动输出形式，管道上接有启动器（15）以及限压阀（16），液压缸（17）上装有回程弹簧，液压缸（17）活塞杆与运动转换机构（19）相接，运动转换机构（19）与负载A（20）相接。

较佳地，所述利用环境热能对外做功的装置还包括一个正反馈热泵系统，以及穿过热泵系统各容器的管道，管道的两端与移液缸（22）相接，移液缸（22）内部装有重活塞（23），管道上接有液压缸（24）以及限压阀（21），液压缸（24）上装有回程弹簧，液压缸（24）活塞杆与运动转换机构（25）相接，运动转换机构（25）与负载B（26）相接。

较佳地，所述利用环境热能对外做功的装置还包括一个正反馈热泵系统，以及穿过热泵系统各容器的管道，储气罐A（27）通过管道经过最高温容器与蒸汽机（33）进气口相接，蒸汽机（33）排气口通过管道与储气罐B（31）相接，储气罐B（31）通过管道经过各容器与储液罐（30）相接，储液罐（30）通过管道与工质泵（29）相接，工质泵（29）通过管道经过单向阀（28）及各容器与储气罐A（27）相接。

发明采用的技术方案为：

本发明的利用环境热能对外做功的装置是利用热泵吸收环境中的热能对外做功。它主要包含一个正反馈热泵系统，一个往复多级热交换做功系统。

其原理为利用正反馈热泵产生高温热源和低温热源，同时采用往复多级热交换做功装置利用热能和冷能做功，即先正向移动流体状做功介质通过多个装有储能介质的容器，让流体状做功介质逐渐降温或者升温到所需温度，同时得到不同品质的储能介质，然后再反向依次移动流体状做功介质通过多个装有储能介质的容器，让该环节逐渐升温或者降温到所需温度，以再次利用存储在储能介质中的热能或者冷能，达到充分利用热能或者冷能的目的。

该技术方案主要有2个特点。

1. 往复多级热交换做功系统：

本发明采用的是往复多级热交换的方式，即先正向移动流体通过多个装有储能介质的容器，储能介质一般为水、溶液或者油，让某个环节逐渐降温或者升温到所需温度，同时得到不同品质的冷热介质，然后再反向依次移动流体通过多个装有储能介质的容器，让该环节逐渐升温或者降温到所需温度，以再次利用存储在介质中的热能或者冷能，达到充分利用热能或者冷能的目的。因为多级热交换的特殊性，在这里采用往复移动流体工质来加热或者冷却流体工质的方式非常理想，可以达到让整个系统大大简化体积大大减小的效果，同时很容易就可以达到所有环节都是多级热交换的目的。

流体可以是蒸汽、气体、或者液体，往复多级热交换做功装置是一种新的热机，主要特点是回收余热不向环境排热，热效率很高。采用液体比较容易达到小体积大功率的效果，普通的液压系统不是热机，不是利用液体受热膨胀来工作的，它的工质一般选用低热膨胀系数的液体，普通的液压系统在使用中会面临升温的问题，因为液体的比重较大，粘滞阻力也大，很多能量转为了液体的动能然后又转为了热能，使得液压系统能效降低，且可能造成过热。而在这里采用液体的时候，它是一种新的热机，是利用热膨胀系数高的液体受热膨胀来工作的，因为多级热交换的存在，即使一些机械能转为了热能也能被重复利用，再次转为机械能，且因为热能会被储能介质吸收，它也不会产生过热的问题，这种新的热机有别于将废热排放到环境中的热机，可以称为第2类热机，此种热机没有爆燃现象，噪音极低，震动小，而且完全没有排放，十分环保。

2. 正反馈热泵系统：

普通热泵是从单一温度介质吸热工作，而正反馈热泵系统，是从多个温度的介质中多次吸热逐渐升温，即从多个储能介质以及最高温度的热水中吸热，最后达到最高温度热水的温度，然后再压缩依次放热到最高温度的热水以及储能介质中，逐渐提高最高温度热水及储能介质的温度。这样，它压缩前热泵中的冷媒的温度跟压缩后的冷媒的温差一直都是很小，也就是说，热泵一直是工作在很小温差状态，按理想逆卡诺循环效率T1/(T2-T1)来算，只要温差足够小，热泵能效理论上无穷大，且它不会在冷媒温度低的时候就开始压缩升温，也不会在冷媒还是热的时候就开始蒸发制冷，因此热泵在整个过程的效率都非常高，大大高于普通热泵。冷端同理，放热后热泵中的冷媒被储能介质冷却到环境温度之后，继续逐渐冷却到最低温度的水的温度，然后达到最低温度的工质气化，依次逐渐冷却最低温度的水以及储能介质，如此反复。热泵压缩机内工质减压蒸发前后具有压强差，工质体积膨胀，可以通过做功气缸(例如蒸汽机)或者透平机等方式回收能量。

采用正反馈热泵时，因为它的效率已经相当高，即使不采用多级热交换装置做功，而是采用温差发电片等低热效率方式利用热能及冷能，获得的能量的总和也可以比较容易达到大于热泵消耗的能量的效果，而采用温差片体积更小，容易做成体积相对较小的供能设备，如果此供能设备再跟蓄电池配合，将会有相当大的应用价值，比如只是间断使用的不用充电的电瓶车，甚至可以将其微型化，做成一种永不充电的“电池”。

正反馈热泵系统工作过程如下，如图1。

此处以水为储能介质，压缩机（1）压缩后产生的高温高压的工质气体通过管道先在容器A（2）中液化放热，然后经过容器B（3）、容器C（4）、容器D（5）、容器E（6）、容器F（7）、容器G（8）逐渐冷却到最低温度，接着通过节流阀（9）在容器G（8）、容器F（7）中气化吸热，进入储气缸B（10），然后低温工质依次经过阀门（11）、容器E（6）、容器D（5）、容器C（4）、容器B（3）、容器A（2），被从最低温度逐渐加热到最高温度变成高温高压的气体后，工质推动蒸汽机（12）做功，然后进入到储气罐A（13）中，接着工质再次被容器A（2）内的水加热升温后，被压缩机（1）压缩，如此反复，最后各容器中的水温容器A（2）为最高，然后依次降低，容器G（8）中的水温为最低。因为容器内的水温是逐渐提高，且热泵一直工作在很小温差状态，按理想逆卡诺循环效率T1/(T2-T1)来算，只要温差足够小，热泵能效理论上无穷大，工质从各个容器内的水中吸热，从液态变成高温高压蒸汽，它的做功能力也很强，此能量可以回收，热泵能量回收部分会带来较大的体积及成本的增加，而此装置在使用多级热交换技术做功时，对外做功能力足够大，为了减小体积降低成本，可以不用。

与现有技术相比，本发明取得的有益效果为：本发明对专利CN201510521304.7做出了重大改进，正反馈热泵使得产生热介质和冷介质的效率大大提高，只需要消耗很少的能量就可以获得很多热能和冷能，而做功部分反复来回移动做功工质多级加热、冷却的方式，能高效的利用热能和冷能，且结构简单可靠，使得利用环境热能的发动机的面世及实用化指日可待，用环境中的热能取代传统的化石燃料将很快成为现实，环境热能是真正意义上的取之不尽用之不竭，人类将迎来一个物质丰富环境优美的新世界。

附图说明

图1为正反馈热泵原理图。

图2为本发明的第一种实施方式原理图。

图3为本发明的第二种实施方式原理图。

图4为本发明的第三种实施方式原理图。

附图标记为：

图1中：

1-压缩机 2-容器A 3-容器B 4-容器C 5-容器D 6-容器E 7-容器F 8-容器G 9-节流阀10-储气缸B 11-阀门 12-蒸汽机 13-储气缸A

图2中：

14-管道 15-启动器 16-限压阀 17-液压缸 18-活塞 19-运动转换机构 20-负载A

图3中：

21-限压阀 22-移液缸 23-重活塞 24-液压缸 25-运动转换机构 26-负载B

图4中：

27-储气罐A 28-单向阀 29-工质泵 30-储液罐 31-储气罐B 32-负载C 33-蒸汽机34-阀门。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。

实施例1：

参见图2，其工作过程如下：

热泵部分，此实施例省略了能量回收部分，工作方式见工作原理中正反馈热泵部分。

做功部分的工质为高膨胀的液体，管道（14）、液压缸（17）、启动器（15）及其他附件相互连通，构成了一个大的容器，启动器（15）为一个具有一定容积的容器，当加热启动器时（启动器可以放置在最高温度的容器中，向最高温度容器中加入热水即可启动），启动器（15）内工质膨胀，造成整个连通器内的压强增大，液压缸（17）在此处接成了差动的方式，等效于一个活塞直径为此液压缸活塞杆直径的单作用液压缸，活塞（18）向右移动，同时活塞（18）把活塞（18）右边及管路中的工质通过多级热交换装置朝活塞左边移动，最左边的多级热交换容器内的水温最高，其他容器内的水温依次降低，最右边的容器内水温最低，工质在移动的过程中被加热，当活塞（18）直径和活塞杆直径比值足够大时，被移动的工质受热造成的体积增加，大于或者等于活塞杆移动造成的体积减少时，活塞（18）会持续移动，活塞杆通过曲轴连杆装置（19）对外做功，同时回程弹簧被压缩，因为活塞（18）的运动速度慢而出力大，所以运动转换装置（19）包含有齿条、变速齿轮、曲轴、连杆和飞轮，经过变速齿轮变速后带动飞轮旋转，并对负载A（20）做功，负载A（20）可以是储能装置也可以是其他负载，当活塞（18）移动到最右端时，曲轴及回程弹簧推动活塞（18）反向移动，此时工质的压强会升到最高，限压阀（16）打开，部分工质进入限压阀（16）内，防止工质压强过高，当活塞（18）反向移动被冷却的工质的量达到一定量时，系统内的压强开始减小，限压阀（16）内的工质被压回管道内，随着活塞（18）的继续移动，系统内的压强进一步减小到小于大气压强，同时在回程弹簧的作用下活塞（18）左移，当活塞（18）移动液体到达最左边时，在飞轮惯性的作用下再次换向朝右移动，如此循环。当多级热交换容器内的水温降低到一定程度时，装置对外做的功的一部分用来启动热泵压缩机工作，达到一定温度后停止。

此处以高膨胀系数液体工质为例，对其基本型进行说明，它也可以采用气体工质，过程同理，采用气体工质时需采用高压气体，且单缸工作时需要用回程弹簧等来平衡压强，采用多缸行星时可以不要回程弹簧。此种方式适合做成多缸星型，多套管路及液压缸共用一套多级热交换装置，能显著提高功率且更容易启动、运行更平稳，却不会显著增加装置体积，接成星型时任何时刻都有多个缸在做功，甚至可以不要飞轮，因星型接法属于成熟技术，在此不多做说明。

实施例2：

热泵部分工作过程与方式一相同。

图中多级热交换容器最左边边的温度最高，最右边的最低，做功部分工作过程如下，当移液缸（22）顺时针转过一定角度时，重活塞（23）在重力的作用下向下运动，同时挤压液态工质，把液体工质经过多级换热装置向移液缸（22）左边移动，在经过多级热交换装置时，工质逐渐升温膨胀，导致整个连通器内的工质体积增大，推动液压缸（24）活塞通过运动转换装置（25）对外做功同时压缩回程弹簧，因为液压缸（24）活塞的运动速度慢而出力大，所以运动转换装置（25）包含齿条、变速齿轮、曲轴、连杆和飞轮，经过变速齿轮变速后带动飞轮旋转，并对负载B（26）做功，当移液缸（22）内重活塞（23）下降到最底部时，让移液缸（22）逆时针转动一定角度，重活塞（23）的位置从最低位置上升到最高位置，然后在重力的作用下，再次经过热交换装置反向移动液态工质，让工质逐步冷却体积缩小，回程弹簧推动液压缸（24）活塞对外做功；当重活塞（23）再次到达最低位置时，再让移液缸（22）反向转动一定角度让重活塞（23）再次下落移动液体，如此反复。因为液体膨胀时候的压强可以达到很大，需要一个限压阀(21)来保护整个连通器内的压强不至于过大，造成破坏。当多级热交换容器内的水温降低到一定程度时，装置对外做的功的一部分用来启动热泵压缩机工作，达到一定温度后停止。

此种方式实质是将方式一的活塞和活塞杆分离开来，活塞与外部无机械连接，采用此种方式移气对比采用双头液压缸移液有几个优点，首先是没有了杆与密封圈之间的摩擦力，双头缸的这个摩擦力相当大，其次是避免了泄漏，可靠性高，摇摆式很适合做成双移液缸的形式。摇摆式需要的空间较大，适合用于固定场合，也可以让移液缸固定，通过外力来移动活塞，比如采用磁铁，此时活塞可以采用轻质活塞并加装磁铁或者直接使用铁活塞，而缸体则需要采用非铁磁性材料，比如奥氏体不锈钢，或者缸体内的重活塞采用轻活塞，通过在管路中增加一个油泵往复移动液体，可以让结构更紧凑并不受位置影响。此种方式的工质也可以采用气体，也可以做成多缸星型。此处仅对其基本型进行说明，在此基础上的双缸多缸等技术方案仍落入申请保护范围。

实施例3：

热泵部分工作过程与实施例一相同。

此种方式为利用低温蒸汽做功的方式，比较适合发电厂用，图中多级热交换容器内的水温最左边的温度最高，最右边的最低，低沸点工质装在储液罐（30）中，在启动时，启动工质泵（29）将液态工质经过单向阀（28）及多级热交换容器泵送到储气罐A（27）中，在此过程中，工质被逐渐加热并气化，然后气态工质经过最高温容器加热后再经过阀门（34）推动蒸汽机（35）（或者透平机等）对负载C（32）做功，做功后的蒸汽依次通过各容器多级冷却液化，然后进入到储液罐（30）中，然后又被工质泵（29）反向泵送到储气罐A（27）中，如此循环。当容器内的水温降低到一定程度时，装置对外做的功的一部分用来启动热泵压缩机工作，达到一定温度后停止。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种利用环境热能对外做功的装置，其特征在于，包括正反馈热泵系统和往复多级热交换做功系统，利用正反馈热泵产生高温热源和低温热源，同时采用往复多级热交换做功装置利用热能和冷能做功，先正向移动流体状做功介质通过多个装有储能介质的容器，让流体状做功介质逐渐降温或者升温到所需温度，同时得到不同品质的储能介质，然后再反向依次移动流体状做功介质通过多个装有储能介质的容器，让该环节逐渐升温或者降温到所需温度，以再次利用存储在储能介质中的热能或者冷能，达到充分利用热能或者冷能的目的。

2.如权利要求1所述的利用环境热能对外做功的装置，其特征在于，还包括一个正反馈热泵系统。

3.如权利要求1所述的利用环境热能对外做功的装置，其特征在于，还包括一个往复多级热交换做功系统。

4.如权利要求1所述的利用环境热能对外做功的装置，其特征在于，所述正反馈热泵系统包括压缩机（1），以及多个热交换容器，管道穿过多个热交换容器分别与压缩机（1）和储气罐B（10）相接，储气罐B（10）通过穿过多个热交换容器的管道与蒸汽机（12）相接，蒸汽机（12）通过管道与储气罐A（13）相接，储气罐A（13）通过穿过最高温容器的管道与压缩机（1）相接。

5.如权利要求1所述的利用环境热能对外做功的装置，其特征在于，还包括一个正反馈热泵系统，以及穿过热泵系统各容器的管道，管道与一液压缸（17）接成差动输出形式，管道上接有启动器（15）以及限压阀（16），液压缸（17）上装有回程弹簧，液压缸（17）活塞杆与运动转换机构（19）相接，运动转换机构（19）与负载A（20）相接。

6.如权利要求1所述的利用环境热能对外做功的装置，其特征在于，还包括一个正反馈热泵系统，以及穿过热泵系统各容器的管道，管道的两端与移液缸（22）相接，移液缸（22）内部装有重活塞（23），管道上接有液压缸（24）以及限压阀（21），液压缸（24）上装有回程弹簧，液压缸（24）活塞杆与运动转换机构（25）相接，运动转换机构（25）与负载B（26）相接。

7.如权利要求1所述的利用环境热能对外做功的装置，其特征在于，还包括一个正反馈热泵系统，以及穿过热泵系统各容器的管道，储气罐A（27）通过管道经过最高温容器与蒸汽机（33）进气口相接，蒸汽机（33）排气口通过管道与储气罐B（31）相接，储气罐B（31）通过管道经过各容器与储液罐（30）相接，储液罐（30）通过管道与工质泵（29）相接，工质泵（29）通过管道经过单向阀（28）及各容器与储气罐A（27）相接。