CN112303960A - 冷力发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及冷力发动机，包括等焓压缩机、汽轮机、热交换器和储液罐；所述的热交换器的被加热管路的出口与等焓压缩机的低压进口相连，等焓压缩机的高压出口与汽轮机的高压进口相连，汽轮机的低压出口、储液罐均与热交换器的被加热管路的进口相连；所述热交换器的加热管路的进口与外部热源的出口相连，其加热管路的出口与外部热源的进口相连；还公开了其工作的方式。本发明达到的有益效果是：能量转换步骤少、功耗小、大自然中的热能能够得到良好利用。

Description

冷力发动机

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，特别是冷力发动机。

背景技术

根据物理学定律，绝对零度以上的环境温度都具有能量，但现在所有发动机都是以燃烧化石燃料产生高温来作为高温热源，同时以环境温度作为低温冷源来将工作气体冷凝成液体，以保证工质的循环使用，同时将大部分没有利用的能量排放到环境中，从而获取动力，目前广泛应用的朗肯循环就是这种技术的典型代表，其特征是液体-加压-加温-膨胀作功-乏气-冷凝-液体再次循环，其结果是所有发动机燃料的利用效率都只有30%多，并且产生大量碳排放和空气污染，而普遍存在于环境中的清洁的空气和水中的无限热能，却没办法加以利用。

在朗肯循环发动机中，其基于的是朗肯循环，其蒸气动力循环水泵、锅炉、汽轮机和冷凝器四个主要装置组成。工作时，水在水泵中被压缩升压；然后进入锅炉被加热汽化，直至成为过热蒸汽后，进入汽轮机膨胀作功，作功后的低压蒸汽进入冷凝器被冷却凝结成水。再回到水泵中，完成一个循环。即需要工质的相变来进行循环，结构较为复杂，循环过程中，功耗较多。

申请人根据多年在该领域中的理论研究以及试验经验，在申请号为2020114762843、名称为等焓压缩机的基础上，设计冷力发动机，其没有蒸发器和冷凝器，并且不会产生系统工质的相变，结构简单。并且本方案主要是抽取大自然中的热能进行做功，大自然中的热能在转换为汽轮机的动能过程中，能量转换步骤少，因此产生的功耗小，能量利用率高。本方案的发动机在工作时，所需的电能较少，更多的是利用高温水源或者空气中蕴含的热能，在选取高温水源时一般利用大海、江河、湖泊。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供能量转换步骤少、功耗小、能量利用率高、大自然中的热能能够得到良好利用的冷力发动机。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：冷力发动机，包括等焓压缩机、汽轮机和热交换器，三者依次相连形成主循环线路，主循环线路中，通过系统工质实现能量的传递与转换。

热交换器具有加热路线和被加热路线，被加热路线为主循环线路的一部分，加热路线与外部热源的进口和出口相连。即利用外部热源通过加热路线对主循环线路中的被加热路线中的系统工质进行加热。

本方案中，热交换器还与储液罐相连通，储液罐中的气体（系统工质）补充到主循环线路中，形成系统工质。

具体地，热交换器中，其具有被加热管路的进口（低温低压进口）、被加热管路的出口（常温低压出口）且两者形成被加热路线，还具有加热管路的进口（常温进口）、加热管路的出口（常温出口）且两者形成加热路线。

外部热源中所蕴含的热能通过介质经管道连接在热交换器的加热管路的进口（常温进口）上，热交换器的加热管路中的出口（常温出口）通过管道直接排放到大自然中。

具体连接关系为：热交换器的被加热管路的进口（低温低压进口）、热交换器的被加热管路的出口（常温低压出口）、等焓压缩机的低压进口（低压端或常温低压进口）、等焓压缩机的高压出口（高压端或常温高压出口）、汽轮机的高压进口（进口端）、汽轮机的低压出口（出口端）、热交换器的被加热管路的进口（低温低压进口），依次相连形成主循环路线。

在主循环路线中，系统工质的状态变化情况是：从汽轮机出口端流出的是低温低压气体；流出低温低压气体进入热交换器中被加热形成常温低压气体（即从低温低压进口进入，从常温低压出口排出）；被排出的常温低压气体进入等焓压缩机被压缩形成常温高压气体（即从低压端进入，从高压端排出）；被排出常温高压气体经汽轮机的进口端进入汽轮机中，在汽轮机中工作后，最后形成低温低压气体。

在热交换器中，优选地：利用泵将河流、湖泊或蓄水池中的常温水抽取到热交换器中，对系统工质进行加热后，水的温度降低，然后再排出到大自然中。

在等焓压缩机中，其本身具有普通压缩机和热交换器a；常温低压气体被普通压缩机压缩后，形成高温高压气体；高温高压气体经热交换器a热交换后，形成常温高压气体（此时的温度略比进入的常温低压气体的温度高）。

在汽轮机中，常温高压气体进入时，其高压冲击在叶轮上并让叶轮转动，形成机械能，该机械能可进一步转化为电能；在气体冲击的过程中，由于空间变大，高压得到释放，体积变大，因此会产生降温，最后形成低温低压气体。

在储液罐中，存储的是系统工质，其通过管道连接在汽轮机出口端和热交换器低温低压进口之间的管路上。启动等焓压缩机后，储液罐4中的气体被抽出并经过热交换器进入到等焓压缩机的低压端，等焓压缩机正常运行对气体加压。

本方案所用系统工质可根据热源温度来选定，可以是水、制冷剂，也可以是空气、氮气等等。所用的热源可以是绝对零度以上的任何温度的热源，从经济适用方便的角度来讲，热源的流体温度实际上最好不要低于-100℃。

本方案的工作原理是：气体（系统工质）经过热交换器由外部热源进行等压加热，输入能量，等焓压缩机进行等焓增压，给汽轮机提供了常温高压蒸汽，于是汽轮机进行等熵膨胀旋转作功将热能转化为机械能并拖动外部发电机或其他机械装置输出能量。由于汽轮机的等熵膨胀产生的低温低压气体流进热交换器，该低温低压气体与热交换器中的流体形成温差，而热交换器的流体是与外部环境相连的，即该低温低压气体流与外部热源形成温差。简而言之，相当于吸引外部热源加热低温的系统工质（汽轮机排出的低温低压气体），这里是利用低温冷量来吸引外部热源的，所以称为冷力发动机。

本方案中，外部热源包括从-100℃~100℃范围的任意液体或气体，包括空气或江河湖海中的水、地热水、工业废热。

本方案的关键是对等焓压缩机的应用，由于等焓压缩机将系统工质从低压提升到高压消耗的功率只有汽轮机的额定功率的3%左右；但如果是等熵压缩机，因为有损耗所以其消耗的功率大于汽轮机的额定功率。

本发明具有以下优点：

（1）利用从汽轮机低温出口处排出的低温低压气体的低温特点，自动吸收外部热源（环境热源），从而被加热，最后形成常温低压气体；再利用等焓压缩机，对常温低压气体中的热能进行利用，初步形成高温高压气体，然后等焓压缩机再将高温中的能量进行利用，使得最后排出的是常温高压气体；常温高压气体对汽轮机做功，形成机械动能；整个发动机中，无需通过系统工质相变来进行循环，没有蒸发器和冷凝器，不仅结构简单，而且省略了能量转换的步骤，避免了能量的损耗，提高了能量的利用率；

（2）在进行能量转换的过程中，通过热交换器将汽轮机低压出口（低压端或输出端）的低温低压气体进行加热，形成常温低压气体，然后等焓压缩机工作且压缩时仅需要少量电能，最后形成常温高压气体对汽轮机进行做功；即热交换器利用外部热源（环境热源或大自然中的热源）+等焓压缩机工作所耗的电能，对汽轮机做功，形成机械动能；等焓压缩机工作时，所消耗的电能转变为高温高压气体的势能，在汽轮机中，这部分势能与外部热源中的热能一起转化为机械动能，然后发电转化为电能，该电能反过来供应了等焓压缩机，因此对汽轮机做功的能量全部来来自外部热源（环境热源或大自然中的热源）的热能；本方案能有效地对大自然中的环境热能进行充分利用；

（3）整个发动机，没有用到蒸发器和冷凝器，并且体积小、重量轻、成本低；

（4）储液罐是为整个循环提供、吸收、补充系统工质。

附图说明

图1 为本方案的连接示意图；

图中：1-汽轮机，2-等焓压缩机，3-热交换器，4-储液罐，5-发电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

根据本方案的冷力发动机，再结合发电机5，形成冷电联产发电机组，如图1所示，包括等焓压缩机2、汽轮发电机1和热交换器3。

汽轮机1的低压端分别与储液罐4的气体进出口和热交换器3的低温低压进口相连，热交换器3的常温低压出口与等焓压缩机2的低压端相连，等焓压缩机2的高压端与汽轮机1的进口端相连，汽轮机1的动力输出轴还可以与发电机5的轴相连。

工作原理为：

启动等焓压缩机2，储液罐4中的气体被抽出并经过热交换器3进入到等焓压缩机2的低压端，等焓压缩机2正常运行对气体加压，由于热交换器3的管道阻力很小，汽轮机1的两端压力接近于等焓压缩机2的压力，汽轮机1获得压力开始旋转，汽轮机1低压端排出的气体进入到热交换器2的低温端进口，构成气体的闭环运行。

外部热源从热交换器3的加热管路的进口进入并从加热管路出口流出，通过热交换对被加热管路中的系统工质进行加热，为系统提供热能，而蕴含外部热源的流体本身温度降低了。

本实施例中，外部热源包括从-100℃~100℃范围的任意液体或气体，包括空气或江河湖海中的水、地热水、工业废热。

根据本实施例连接关系及原理，具体设计并组装，对参数进行设定并进行实验：

冷电联产发电机组发电容量为1万千瓦，将需要降温的20摄氏度热水冷却到7摄氏度，成为冷冻水满足空调制冷的需要，采用制冷剂R410a作工质 ，工质每秒流量267kg，等焓压缩机2进汽温度10摄氏度进汽压力为0.2兆帕，输出压力为1.4兆帕，输出温度为18摄氏度，汽轮机1进口压力为1.3兆帕，排汽压力为0.2兆帕，排气温度为零下50摄氏度，机组发电容量为11,600千瓦，同时产生制冷量11,600千瓦，即每秒钟可产生7摄氏度的冷冻水213.5公斤。

工作时：气体工质经过热交换器3由外部热源进行等压加热，输入能量，等焓压缩机2进行等焓增压，给汽轮机1提供了高温高压蒸汽，于是汽轮机1进行等熵膨胀旋转做功并将热能转化为机械能，然后带动发电机5输出能量，同时工质气体因为绝热膨胀而降温，创造了低温环境，为热交换器3接收外部环境热源提供了条件，于是20摄氏度度的水温降到7摄氏度，零下50度的气体被加温到10摄氏度，这里只有单一的热源输入，也只有单一的能量输出，所以称为冷力发动机，其系统效率是100%，虽然汽轮机1的等熵转换效率不可能达到100%，乏气中残留的热能又加入到外部输入的热能中一起循环，做不可避免的无用功，重要的是等焓压缩机2效率特别高，消耗的能量不到本发电机组容量的3%，并且消耗的能量转变为势能，在汽轮机1中又还原为电能输出了。

在本发明中，气体工作在过热蒸汽或者饱和蒸汽状态，气体经过升温加压，形成高温高压气体,然后通过绝热膨胀，降温降压变成低温低压气体，再一次升温加压变成高温高压气体，反复循环整个过程中没有出现相变，使整个系统变得极为简单，彻底告别了传统的汽轮机发电的朗肯循环。

储液罐4中装有适量的r410a液体，为系统提供循环所需的工质汽体，同时在负荷变化时补充或吸收相应的工质汽体。

调整等焓压缩机2的输出压力和改变热交换器3的热源水流量均可改变冷电联产发电机5的输出电功率和制冷功率。

单机输出功率从最小几瓦到几百兆瓦，任何汽轮机、透平机、膨胀机利用本发明组成的系统都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.冷力发动机，包括等焓压缩机（2）、汽轮机（1）、热交换器（3）和储液罐（4），其特征在于：

所述的热交换器（3）的被加热管路的出口与等焓压缩机（2）的低压进口相连，等焓压缩机（2）的高压出口与汽轮机（1）的高压进口相连，汽轮机（1）的低压出口、储液罐（4）均与热交换器（3）的被加热管路的进口相连；

所述热交换器（3）的加热管路的进口与外部热源的出口相连，其加热管路的出口与外部热源的进口相连。

2.冷力发动机，包括等焓压缩机（2）、汽轮机（1）、热交换器（3）和储液罐（4），其特征在于：所述的冷力发动机启动时：

S1、首先启动等焓压缩机（2），在等焓压缩机（2）、汽轮机（1）的低压端、储液罐（4）的连接点产生负压，储液罐（4）中的气体被抽出，该气体经热交换器（3）进入到等焓压缩机（2）中；

S2、进入的气体经等焓压缩机（2）压缩后形成常温高压气体，常温高压气体从等焓压缩机（2）的高压端进入到汽轮机（1）的高压端；

S3、当汽轮机（1）两端的压差达到启动压力时，汽轮机（1）开始旋转并对外做功输出能量，汽轮机（1）旋转时产生等熵膨胀，输出低温低压气体到热交换器（3）被加热管路中的进口处；

S4、在热交换器（3）中，低温低压气体吸收外部热源的能量后进入到等焓压缩机（2）的低压端，进入后的低温低压气体被加压后送到汽轮机（1）中且将从外部热源吸收的能量转化为电能，实现热能到电能的超高效转换；

调节等焓压缩机（2）的输出压力，或者控制外部热源的输入能量，均能够调整汽轮机（1）的输出功率。

3.根据权利要求1或2所述的冷力发动机，其特征在于：所述的外部热源包括从-100℃~100℃范围的任意液体或气体，包括空气或江河湖海中的水、地热水、工业废热。

4.根据权利要求1或2所述的冷力发动机，其特征在于：所述的储液罐（4）中的气体为系统工质，该系统工质可以是空气、氮气以及可以作为制冷剂的全部材料。

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