CN110847990B

CN110847990B - 基于工质循环合成的热能转换装置

Info

Publication number: CN110847990B
Application number: CN201911008810.0A
Authority: CN
Inventors: 潘雷; 李广兴; 马建颖; 侯晓娟
Original assignee: Shanghai Aerospace System Engineering Institute
Current assignee: Shanghai Aerospace System Engineering Institute
Priority date: 2019-10-22
Filing date: 2019-10-22
Publication date: 2022-03-25
Anticipated expiration: 2039-10-22
Also published as: CN110847990A

Abstract

本发明提供了一种基于工质循环合成的热能转换装置，通过管路连接的反应器、动力器、回收器；所述反应器和所述动力器上均设置有热源接口；所述热源接口与外部热源连接；其中，所述动力器中的工质在外部热源的作用下发生化学反应，得到反应物，所述反应物推动活塞或者透平做功；所述动力器中的反应物经过管道被回收器回收，得到回收物；所述回收物经由管道进入所述反应器，在外部热源作用下，所述回收物被重新合成工质；所述反应器将合成的工质通过管道输送至所述动力器中。本发明中的装置结构尺寸小，热能利用率高。

Description

基于工质循环合成的热能转换装置

技术领域

本发明涉及动力工程技术领域，具体地，涉及基于工质循环合成的热能转换装置。

背景技术

热能是化学能及原子能等能量外放的重要表现方式。对于众多工业机械来说，需要使用的是电能、机械能等，热能无法直接利用。

目前，热能到其它能量的转换方式有多种多样。如热能到电能，可利用某些材料的热电效应，直接发电。热能转化为机械能有多种实现方式，包括蒸汽机、汽轮机、内燃机、燃气轮机、喷气发动机等形式。利用内燃机转换为机械能，是热能到机械能的重要转换方式。这类转换方式中，首先将目标气体加热，气体膨胀后推动活塞做功，然后将膨胀后的气体释放出去。

虽然，单以热能到机械能的转换方式而言，不同转换方式具有不同特点。但是，涡轮系统对设备精度要求高，制造成本高，且设备尺寸大，因此使用的推广难度较大。引擎系统具有推力大的特点，但能量利用效率较低，产生的废热较多；另外，引擎系统的功率与外界环境压力相关，在真空中使用效率最高。内燃机系统成本相对较低，但同样热效率较低；此外，内燃机系统还需要外部环境提供工质——氧气参与，方能够正常运行。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于工质循环合成的热能转换装置。

根据本发明提供的一种基于工质循环合成的热能转换装置，包括：通过管路连接的反应器、动力器、回收器；所述反应器和所述动力器上均设置有热源接口；所述热源接口与外部热源连接；其中，

所述动力器中的工质在外部热源的作用下发生化学反应，得到反应物，所述反应物推动所述动力器中的运动机构做功；所述动力器中的反应物经过管道被回收器回收，得到回收物；所述回收物经由管道进入所述反应器，在外部热源作用下，所述回收物被重新合成工质；所述反应器将合成的工质通过管道输送至所述动力器中。

可选地，还包括：控制器，以及安装在所述动力器、所述回收器、所述反应器上的传感器；所述传感器用于采集所述动力器、所述回收器、所述反应器的温度数据和压力数据，并将所述温度数据和所述压力数据发送给所述控制器；

所述控制器，用于根据所述温度数据和所述压力数据，控制所述动力器、所述回收器、所述反应器上的阀门开度。

可选地，还包括：散热管路，所述散热管路的高温端与所述反应器、所述动力器接触连接；所述散热管路的低温端与所述回收器接触连接。

可选地，所述动力器中的运动机构包括以下任一形式：

活塞机构；

透平机构；

涡轮机构。

可选地，所述工质包括：NH₄NO₃或者NH₄F；

当所述动力器中的工质在外部热源的作用下发生化学反应，生成气体；气体膨胀推动所述动力器中的运动机构做功。

可选地，所述反应器包括：壳体、反应室和分离器；所述反应室和分离器位于所述壳体内；所述壳体上设置有热源接口，所述热源接口与所述反应室外围的热管连接；所述分离器位于所述反应室的一侧用于过滤和收集反应生成的工质。

可选地，所述动力器包括：气缸、活塞，所述气缸上设置有气体出口、液体出口、工质注入口以及外部热源接口；其中，所述气缸与活塞密封配合，所述活塞向活塞柄方向运动。

可选地，所述动力器的数量为一个，或者多个。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供的基于工质循环合成的热能转换装置，整体结构紧凑，缩小了结构尺寸，提高了热能利用率，对外部环境的依赖小，适用性强。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例一提供的基于工质循环合成的热能转换装置的结构示意图；

图2为本发明实施例二提供的基于工质循环合成的热能转换装置的结构示意图。

图中：

100-反应器；

101-反应室；

102-分离器；

200-动力器；

201-活塞；

202-气体出口；

203-工质入口；

204-液体出口；

300-回收器；

301-喷头；

401-泵；

402-管路；

403-单向阀；

501-动力器热源接口；

502-热管；

601-连杆；

602-轴；

603-动量轮。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供的一种基于工质循环合成的热能转换装置，包括：通过管路连接的反应器、动力器、回收器；反应器和动力器上均设置有热源接口；热源接口与外部热源连接；其中，动力器中的工质在外部热源的作用下发生化学反应，得到反应物，反应物推动动力器中的运动机构做功；动力器中的反应物经过管道被回收器回收，得到回收物；回收物经由管道进入反应器，在外部热源作用下，回收物被重新合成工质；反应器将合成的工质通过管道输送至动力器中。

本实施例中，通过利用工质在高温、高压、外部辐照或冲击等诱因下发生化学反应(例如分解或爆炸)，使工质体积膨胀，推动活塞或透平做功；利用回收器回收反应后的产物，通过控制温度计压力环境重新合成工质；新合成的工质再次参与上述循环。在上述转换过程中，热源用于辅助工质分解或爆炸、工质合成，以保证整个循环的顺利进行。在整个循环过程中，将工质或工质分解物由一个区域输送到另一个区域。外部热源包含热源、控制部分。外部热源根据需要连接于动力器、反应器或回收器中，为工质分解、回收或合成过程提供能量。

在一种可选的实施方式中，可以在动力器、反应器或、管路或回收器中可置入催化剂，用于催化工质的分解、合成，以及加速或减慢工质的分解、回收及合成过程。

本实施例中，回收器与动力器相连，回收器将动力器中分解或爆炸后的分解物回收。回收器可以根据工质的特性，采用直接回收、利用催化剂转化后回收、利用吸附剂吸附、利用溶剂溶解等手段回收工质分解物，使工质分解物部分或全部相变，体积缩小，并通过传输管路输入到反应器中。

在一种可选的实施方式中，还包括：控制器，以及安装在动力器、回收器、反应器上的传感器；传感器用于采集动力器、回收器、反应器的温度数据和压力数据，并将温度数据和压力数据发送给控制器；控制器，用于根据温度数据和压力数据，控制动力器、回收器、反应器上的阀门开度。

本实施例中，控制器可以与传感器、控制部分及执行机构进行数据通信。其中，传感器采集动力器、反应器或回收器的温度数据、压力数据，然后由控制部分对温度数据和压力数据进行分析，生成控制指令，执行机构根据该控制指令控制动力器、回收器、反应器上的阀门开度，从而调整反应条件。

在一种可选的实施方式中，还包括：散热管路，散热管路的高温端与反应器、动力器接触连接；散热管路的低温端与回收器接触连接。

本实施例中，散热管路内装有散热工质(例如气体和液体工质)，散热工质在散热管路中流动，将热量从高温端传递到低温端，并回流到高温端。

在一种可选的实施方式中，动力器中的运动机构包括：活塞机构、透平机构、涡轮机构等等中的任一种形式。

本实施例中不限定动力器中运动机构的具体实现形式。示例性地，动力器接收来自反应器中的工质，并控制反应条件，使得工质在动力器中分解或爆炸。若动力器具有活塞结构、涡轮结构或复合结构，则在工质分解或爆炸后，利用工质分解或爆炸后的气体，推动活塞或涡轮运动，最后使得由活塞或涡轮将运动传递到外部设备中。

在一种可选的实施方式中，工质包括：NH4NO3或者NH4F；当动力器中的工质在外部热源的作用下发生化学反应，生成NH3；NH3膨胀推动动力器中的运动机构做功。

在一种可选的实施方式中，反应器包括：壳体、反应室和分离器；反应室和分离器位于壳体内；壳体上设置有热源接口，热源接口与反应室外围的热管连接；分离器位于反应室的一侧用于过滤和收集反应生成的工质。

在一种可选的实施方式中，动力器包括：气缸、活塞，气缸上设置有气体出口、液体出口、工质注入口以及外部热源接口；其中，气缸与活塞密封配合，活塞向活塞柄方向运动。

在一种可选的实施方式中，动力器的数量为一个，或者多个。

具体地，参见图1、图2；其中，图1为本发明实施例一提供的基于工质循环合成的热能转换装置的结构示意图；图2为本发明实施例二提供的基于工质循环合成的热能转换装置的结构示意图。

如图1所示，基于工质循环合成的热能转换装置包括1个反应器、2个动力器、一个回收器；其中，工质可以选择NH4NO3。2个动力器完全相同，上部为第一动力器，下部为第二动力器。第一动力器与第二动力器的活塞通过回收器的连杆连接。连杆可绕轴运动，使得第一动力器与第二动力器的运动同周期但相位完全相反。两个动力器由气缸、活塞、气体出口、液体出口、工质注入口以及外部热源接口组成。气缸与活塞密封配合，活塞可向活塞柄方向运动。活塞的活塞柄通过铰链与连杆相连接。工质注入口、气体出口以及液体出口为在气缸缸体底部的开口。该开口具有单向阀门，在气缸内气体膨胀时，所有单向阀关闭，保证气体能够持续增压。在气缸内气体压缩时，打开气体出口处阀门，气体流出。在送入工质阶段，打开工质注入口处阀门以及液体出口处阀门。热源接口处布置热管，由热管加热。通过控制热源释放热量的多少，控制热管释放的热量多少。动力器热源接口处的热管与反应器热源接口的热管部分相通，借用反应器反应过程释放的部分热量。反应器由壳体、反应室和分离器组成。壳体赋形设计，用于支撑保护反应室和分离器，并提供外部热源接口的安装热管。热管围绕反应室。反应室使用管式结构，增加NH3与HNO3的接触面。分离器为过滤网，过滤结晶固化后的工质NH4NO3，并收集NH4NO3。回收器中，第二动力器的活塞向右运动，输出功率时，通过连杆机构，带动第一动力器的活塞向左运动。单向阀打开，通过与单向阀相连的管路，将NH3送入回收器中。回收器内部含有两个喷头，分别位于回收器的上方和下方。下方喷头将NH3送入回收器中；上方喷头喷洒液态水雾，通过液态水雾吸收NH3，在液化室内形成气液混合物。泵设置在管路上，用于向回收器中泵入水雾。气液混合物压力足够后，通过单向阀，进入反应器中。

进一步地，以第一个动力器为例说明整个运动过程。所选工质由传输装置通过管道送入动力室中，位于工质入口处。工质入口处放置单向阀门，在工质送入气缸之后，无法返回管路。动力室中，圆柱形气缸与活塞相配合。热源接口与外部热源相接，并通过热管为工质NH4NO3加热。控制系统调节热源的大小，控制整个动力室温度范围为120±5℃。该温度下，NH4NO3快速分解为NH3和HNO3。NH3压力升高，膨胀推动活塞向左运动做功，动力通过活塞输出。活塞通过回收装置连杆带动第二个动力室的活塞往回运动，挤压第二个动力室中的NH3与HNO3。在第二动力室中，NH3与HNO3在活塞往回运动的挤压下，HNO3通过回流口回流，经过管路流入反应器的反应室中；NH3通过气体回收口，经由管路到达回收器的回收室中。NH3在回收室中温度降至约100℃；此时，通过喷头喷洒水液，用于吸收NH3。NH3快速溶于水中，并经管路、单向阀，到达反应器的反应室中。反应室采用管道式设计方案，目前众多化工厂中已得到广泛使用，不再赘述。通过反应室得到的产物，经分离器分离后，水液继续送入回收室中，NH4NO3则送入第二动力室中。第二动力室重复上述过程。反应室中，由外部热源通过热管提供热量，从而保证反应室的温度。

如图2所示，基于工质循环合成的热能转换装置包括1个反应器、1个动力器，其中，工质可以选择NH4F。动力器由气缸、活塞、气体出口、工质注入口组成。气缸与活塞密封配合，活塞可向活塞柄方向运动。气缸刚体底部布置工质注入口以及气体出口。同时，气缸底部布置热管，热管连接外部热源。工质注入口以及气体出口外部布置有单向阀门。工质NH4F通过工质入口注入时，阀门打开；工质在热管的加热下释放气体时，气体出口、工质注入口处阀门关闭。回收器由连杆、动量轮组成。活塞的活塞柄通过铰链连接的轴与连杆相连接。连杆与动量轮铰接，并通过铰链固定。铰接点可沿连杆方向小距离滑动。管路内部传输工质NH4F，通过单向阀送至动力室。泵连接在管路上，通过管路连接动力器与反应器。泵提供动力器与反应器间管路传输的动力。反应器由壳体、反应室和分离室组成。反应室内部采用管路式布局方案，增加反应速度。分离器采用离心分离过滤方案，分离反应室内未反应的混合物和反应生成的新工质。

进一步地，在外部热源通过热管加热，控制动力室温度为100℃左右。工质NH4F在动力器内分解为NH3和HF，气体膨胀推动活塞运动。活塞通过连杆带动动量轮运动。此时，单向阀关闭，禁止气体排出。在动量轮运动至极限后，停止热管加热，分解反应停止。在动量轮的惯性带动下，活塞往回运动，压缩气体。阀门打开，允许气体回流，并在泵的帮助下，回流入反应室中。反应室内，通过约50℃的水迅速吸收NH3和HF，并在催化剂催化下生成NH4F。通过分离器将生成的NH4F分离，由输送装置送入动力器内。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims

1.一种基于工质循环合成的热能转换装置，其特征在于，包括：通过管路连接的反应器、动力器、回收器；所述反应器和所述动力器上均设置有热源接口；所述热源接口与外部热源连接；其中，

所述动力器中的工质在外部热源的作用下发生化学反应，得到反应物，所述反应物推动所述动力器中的运动机构做功；所述动力器中的反应物被回收器回收，得到回收物；所述回收物经由管道进入所述反应器，在外部热源作用下，所述回收物被重新合成工质；所述反应器将新合成的工质通过管道输送至所述动力器中；所述工质包括：NH₄NO₃或者NH₄F；

2.根据权利要求1所述的基于工质循环合成的热能转换装置，其特征在于，还包括：控制器，以及安装在所述动力器、所述回收器、所述反应器上的传感器；所述传感器用于采集所述动力器、所述回收器、所述反应器的温度数据和压力数据，并将所述温度数据和所述压力数据发送给所述控制器；

3.根据权利要求1所述的基于工质循环合成的热能转换装置，其特征在于，还包括：散热管路，所述散热管路的高温端与所述反应器、所述动力器接触连接；所述散热管路的低温端与所述回收器接触连接。

4.根据权利要求1所述的基于工质循环合成的热能转换装置，其特征在于，所述动力器中的运动机构包括以下任一形式：

活塞机构；

涡轮机构。

5.根据权利要求1所述的基于工质循环合成的热能转换装置，其特征在于，所述反应器包括：壳体、反应室和分离器；所述反应室和分离器位于所述壳体内；所述壳体上设置有热源接口，所述热源接口与所述反应室外围的热管连接；所述分离器位于所述反应室的一侧用于过滤和收集反应生成的工质。

6.根据权利要求1所述的基于工质循环合成的热能转换装置，其特征在于，所述动力器包括：气缸、活塞，所述气缸上设置有气体出口、液体出口、工质注入口以及外部热源接口；其中，所述气缸与活塞密封配合，所述活塞向活塞柄方向运动。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的基于工质循环合成的热能转换装置，其特征在于，所述动力器的数量为一个，或者多个。