CN112761914A - 一种新型热能利用装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型热能利用装置，包括异形气缸，异形气缸包括有左气室、右气室和中心气室，异形气缸内安装有推杆和活塞，位于中心气室中的推杆和活塞左侧和左气室相通，右侧和右气室相通，左气室内填充有近临界液体或超临界气体，右气室内填充有低沸点工质的饱和蒸汽和饱和液体，左气室内设置有第一换热器，右气室内设置有第二换热器，右气室和左气室至少有一个气室设置有保温层，本发明可以将30℃左右的温差转换成机械能，实现冷热源温差对外输出功，且冷源和热源均具有易得性，结构简单，制作方便，节能环保。

Description

一种新型热能利用装置及方法

技术领域：

本发明属于新能源技术及节能环保技术领域，具体为一种新型热能利用装置及方法。

背景技术：

现有技术热能转换成机械能，需要温差大；并且现有技术在低温低压热能机械发电技术效率低，以致一些低温度的热能无法利用，造成低温度热源白白浪费，影响了全方面、低成本的使用热能的目标。

发明内容：

针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种新型热能利用装置，包括异形气缸，所述所述异形气缸包括有左气室、右气室和中心气室，所述异形气缸内安装有推杆和活塞，位于中心气室中的推杆和活塞左侧和左气室相通，位于中心气室的推杆和活塞右侧和右气室相通，所述左气室内填充有近临界液体或超临界气体，所述右气室内填充有低沸点工质的饱和蒸汽和饱和液体，所述左气室内设置有第一换热器，所述右气室内设置有第二换热器。

优选的，右气室7和左气室6至少有一个设置有保温层。

优选的，所述近临界液体或超临界气体为制冷剂的近临界状态或者超临界状态。

优选的，所述低沸点工质为制冷剂。

本发明的一种新型热能利用方法，包括如下步骤：

S1、第一换热器通入高温热源，左气室内的近临界液体或者超临界气体受热膨胀，第二换热器通入低温热源，右气室内的低沸点工质的气态饱和蒸汽冷凝，推杆和活塞在压力差的作用下向右移动；

S2、第一换热器通入低温热源，左气室内的近临界液体或者超临界气体冷缩，第二换热器通入高温热源，右气室内的低沸点工质液态饱和液体汽化，推杆和活塞在压力差的作用下向左移动；

S3、重复步骤S1、S2，循环运转。

本发明的有益效果：本发明可以将30℃左右的温差转换成机械能，实现冷热源温差对外输出功，且冷源和热源均具有易得性，结构简单，制作方便，节能环保。

附图说明：

为了易于说明，本发明由下述的具体实施例及附图作以详细描述。

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的高、低温热源取得示意图。

图中：1-中心气室；2-推杆和活塞；3-近临界液体或超临界气体；4-第一换热器；5-第二换热器；6-左气室；7-右气室；8-围墙；9-活塞行程左止点；10-异形气缸；11-海面；12-低沸点工质；13-水管。

具体实施方式：

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

如图1-2所示，本发明的一种新型热能利用装置，包括异形气缸，所述所述异形气缸10包括有左气室6、右气室7和中心气室1，所述异形气缸10内安装有推杆和活塞2，位于中心气室1中的推杆和活塞2左侧和左气室6相通，位于中心气室1的推杆和活塞2右侧和右气室7相通，所述左气室6内填充有近临界液体或超临界气体3，所述右气室7内填充有低沸点工质12的饱和蒸汽和饱和液体，所述左气室6内设置有第一换热器4，所述右气室7内设置有第二换热器5。

具体的，右气室7和左气室6至少有一个设置有保温层。

具体的，近临界液体或超临界气体3为制冷剂的近临界状态或者超临界状态，低沸点工质12为制冷剂。

本发明的一种新型热能利用方法，包括如下步骤：

S1、第一换热器4通入高温热源，左气室6内的近临界液体或者超临界气体3受热膨胀，第二换热器5通入低温热源，右气室7内的低沸点工质12的气态饱和蒸汽冷凝，推杆和活塞2在压力差的作用下向右移动；

S2、第一换热器4通入低温热源，左气室6内的近临界液体或者超临界气体3冷缩，第二换热器5通入高温热源，右气室7内的低沸点工质12液态饱和液体汽化，推杆和活塞2在压力差的作用下向左移动；

S3、重复步骤S1、S2，循环运转。

实施例1：

本发明所述的一种新型热能利用方法，包括如下步骤：

S1、第一换热器4通入高温热源，左气室6内的近临界液体或者超临界气体3受热膨胀，第二换热器5通入低温热源，右气室7内的低沸点工质12的气态饱和蒸汽冷凝，推杆和活塞2在压力差的作用下向右移动；

S2、第一换热器4通入低温热源，左气室6内的近临界液体或者超临界气体3冷缩，第二换热器5通入高温热源，右气室7内的低沸点工质12液态饱和液体汽化，推杆和活塞2在压力差的作用下向左移动；

S3、重复步骤S1、S2，循环运转。

如图1所示，本发明提供的一种新型热能利用装置，包括异形气缸10，异形气缸10内设置有推杆和活塞2，左气室6和右气室7内分别设置有六氟乙烷。第一换热器4低温额定温度设置为6℃，高温额定温度设置为19℃。右气室7中的六氟乙烷恒温6.3度。高温热源用27℃热水，温差8度。低温热源用4℃水冷却，温差2度，水的比热为4。

本例所有计算采用化工软件，计算方法PSRK。

实施条件A：在近临界液体或超临界气体3达到额定低温，活塞行程左止点9时，右气室7的压力大于等于左气室6的压力。

当第一换热器4通入低温热源，六氟乙烷达到额定低温6度时，由于右气室7中的六氟乙烷为恒温6.3度，可知右气室7中的饱和蒸气压更高，推杆和活塞2将被向左推到活塞行程左止点9，本例这一行程不对外输出功。

当第一换热器4通入高温热源，六氟乙烷达到额定高温19度，这时右气室7中的六氟乙烷为恒温6.3度，可知左气室6中的六氟乙烷液体压力更高，推杆和活塞2将向左移动，对外输出功。

实施条件B：异形气缸10的中心气室1截面积0.1平方米。19度时，推杆和活塞2左边六氟乙烷3长度1米。忽略左右气室6、7容积。

实施步骤：

S1、第一换热器4通入高温热源，左气室6内的六氟乙烷受热膨胀，第二换热器5通入低温热源，右气室7内的六氟乙烷的气态饱和蒸汽冷凝，推杆和活塞2在压力差的作用下向右移动，对外输出功；

在此步骤中，左气室7中的六氟乙烷为纯液体受热膨胀。在临界点附近，液体受热膨胀很明显。

下面计算左气室6达到高、低温额定温度时，能对外输出的力：

本例计算忽略推杆直径。

查资料，19度时，液体压力3兆帕。

当左气室6达到额定高温温度时，截面积是0.1平方米，3兆帕*0.1转换为相对大气压2.9*0.1=29000Kg。

由于右气室7恒温。

查资料可知，6.3度时压力2.18Mpa，密度898Kg/m3；

压力乘以活塞面积：2.18兆帕*0.1平方米转为相对大气压2.1*0.1= 21000Kg。

结论V：推杆和活塞2对外输出的力：29000-21000Kg=8000Kg。

结论：通过6.3℃和19℃的温度差。推杆和活塞2能对外输出8000Kg的力。

S2、第一换热器4通入低温热源，左气室6内的六氟乙烷冷缩，第二换热器5通入高温热源，右气室7内的六氟乙烷液态饱和液体汽化，推杆和活塞2在压力差的作用下向左移动，本例，此行程推杆和活塞2不对外做功，只跟随返回；

需要说明的是，由于右气室7中的六氟乙烷恒压，那么左气室6中的六氟乙烷冷却时，就是恒压冷却，冷却过程就是先液化，再冷却，当达到6度时，又变成纯液体。

由于第二换热器5恒温6.3度。查资料可知，右气室7中的六氟乙烷恒温6.3度，饱和蒸气压2.2兆帕。第一换热器4达到额定低温6时，液体压力2.18兆帕。因此在压力差作用下活塞会回到活塞行程左止点9位置。系统恢复初始状态。

S3、重复步骤S1、S2，循环运转。

下面采用具体的案例定量的分析本申请的有益效果。

实施条件C：高温热源用27℃热水，温差8度。低温热源用4℃水冷却，温差2度。

1公斤19度六氟乙烷兆帕液体，恒压2.2兆帕，冷却成6度的2.19兆帕的液体。

结论G：用软件计算耗能66KJ/kg。

结论E：反向加热，恒压3兆帕从6度加热到19度，耗能31.6KJ。

实施条件D：活塞行程截面积0.1平方米。19度时，推杆和活塞2左边的六氟乙烷3长度1米；即 0.1立方米六氟乙烷，查资料可知，在19℃ 3兆帕时，液体六氟乙烷密度636Kg/m3，即63.6kg。6度2.2MPa液体密度898Kg/m3。

需要冷却水：冷却用2度温差，重量乘以结论G除以水的比热除以温差：

63.6*66/4/2=524.7公斤，

优选海洋温差能，南海海面11常年26-29℃，深600米以后常年2-5℃。如图2，第二换热器5位于海面11以下，通过围墙8隔开，因为不用把水抽离水面，因此循环水只需要一个很小的压力即可维持循环，本例以水压为0.005兆帕，即循环水泵扬程0.5米高为例。本例循环水水管13截面积0.1平方米。

下面计算消耗的能量：

重524.7公斤的循环水：

体积：重量除以水的密度524.7/1000=0.524立方米。

水管截面积0.1平方米

重524.7公斤的循环水长度：等于体积除以面积等于0.524/0.1=5.24米。

循环水耗能：

压力乘以面积乘以长度=0.005*100000*0.1*5.24=262公斤*米

其实绕了一圈，循环水能耗就等于：循环水的重量乘以循环水泵的扬程0.5米，524.7*0.5=262 kg*M，因此，后面循环水的能耗全部按照循环水的重量乘以循环水的水泵扬程这样计算。

结论P: 冷却循环水耗能：循环水的重量乘以循环水的压力，524.7*0.5=262 kg*M。

加热用27℃热水，温差8度。重量乘以结论E除以水的比热除以温差：

63.6*31.6/8/4= 63公斤*米，

本例，水泵扬程0.5米，

结论R：加热用循环水耗能：63*0.5=32公斤*米。

第一换热器4一个循环共需要能耗：

结论R+结论P=262+32=294公斤*米。

下面计算第二换热器5保持恒温时的耗能：

根据实施条件E：

冷却后长度：重量除以6度时的密度除以截面积：

63.6/898/0.1=0.7米，因此推杆和活塞2的行程：1-0.7=0.3米。

查资料可知：6.3度时，六氟乙烷压力2.2Mpa。

饱和气体密度225公斤每立方米。

汽化热51千焦每公斤本例中心气室1截面积0.1平方米，行程0.3米。体积0.03立方米。

那么当推杆和活塞2从活塞行程左止点19到行程终点时。

饱和气体密度乘以体积=225*0.03=6.75公斤。

有6.75公斤气体在右气室7内液化。

气体重量乘以汽化热=6.75*51=344千焦。

反向，推杆和活塞2右行，同样耗能344千焦。

一个循环共耗能344*2=688千焦。

需要循环水：热量/比热/温差=688/4/2=86公斤。

假设水泵扬程0.5米 耗能86*0.5=43公斤*米。

一个循环，第一换热器加第二换热器循环水总耗能294+43 =337公斤*米。

这是需要的循环水总耗能。

根据结论V：

得到的总功：推杆推力乘以行程8000*0.3=2400公斤*米。

净功2400-334=2066公斤*米。

总结论：方案可行。

高低温热源的易得性：例如低于100℃的烟气，发电厂废热，各种工业废热，现在大部分都直接排放。

本发明可以将30℃左右的温差转换成机械能，实现冷热源温差对外输出功，且高低温热源均具有易得性，结构简单，制作方便，节能环保。

本发明可广泛运用于动力机械、新能源及节能环保等场合。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种新型热能利用装置，其特征在于：包括异形气缸（10），所述异形气缸（10）包括有左气室（6）、右气室（7）和中心气室（1），所述异形气缸（10）内安装有推杆和活塞（2），位于中心气室（1）中的推杆和活塞（2）左侧和左气室（6）相通，位于中心气室（1）的推杆和活塞（2）右侧和右气室（7）相通，所述左气室（6）内填充有近临界液体或超临界气体（3），所述右气室（7）内填充有低沸点工质（12）的饱和蒸汽和饱和液体，所述左气室（6）内设置有第一换热器（4），所述右气室（7）内设置有第二换热器（5）。

2.根据权利要求1所述的一种新型热能利用装置，其特征在于：所述左气室（6）和右气室（7）至少有一个设置有保温层。

3.根据权利要求1所述的一种新型热能利用装置，其特征在于：所述近临界液体或超临界气体（3）为制冷剂的近临界状态或者超临界状态。

4.根据权利要求1所述的一种新型热能利用装置，其特征在于：所述低沸点工质（12）为制冷剂。

5.一种新型热能利用方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、第一换热器（4）通入高温热源，左气室（6）内的近临界液体或者超临界气体（3）受热膨胀，第二换热器（5）通入低温热源，右气室（7）内的低沸点工质（12）的气态饱和蒸汽冷凝，推杆和活塞（2）在压力差的作用下向右移动；

S2、第一换热器（4）通入低温热源，左气室（6）内的近临界液体或者超临界气体（3）冷缩，第二换热器（5）通入高温热源，右气室（7）内的低沸点工质（12）液态饱和液体汽化，推杆和活塞（2）在压力差的作用下向左移动；

S3、重复步骤S1、S2，循环运转。

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