CN113494410A - 摆式波热器 - Google Patents

Abstract

摆式波热器包括磁力耦合制热系统和摆式波浪能驱动系统，为了使磁力耦合制热系统在最佳转速范围内工作，摆式波浪能驱动系统还可以加装动力传动变速系统。磁力耦合制热系统由转子和定子组成，转子和定子一个上装有磁块，另一个上装有感应盘或感应筒，依靠转子和定子产生磁力耦合实现能量转化，将机械能转化为热能，机械能由波浪运动推动波摆产生，波摆作为原动件，驱动活塞泵或叶片泵压缩空气，而后由压缩空气冲击涡轮带动磁力耦合制热系统工作。摆式波热器可用于加热水、空气或其它储热介质，从而用来供热供暖。

Description

摆式波热器

技术领域

磁致热、波浪能利用、供热供暖、新能源、节能减排、海洋经济。

背景技术

波浪能在海洋中蕴藏丰富，而海岸线附近城市人口密集，这也就为开发利用波浪能找到了一个庞大的市场。目前，波浪能的开发利用研究普遍着眼于发电，与本发明申请关系比较密切的波浪能发电装置有摆式波浪能发电装置，形式多样，但多为利用液压驱动液压泵发电。

磁力耦合技术的发展，使能量转化变得简单高效，摆式波热器正是利用磁力耦合技术和摆式波浪能转化装置相结合将波浪能转化为热能。

本人先前曾提出磁力缓速器和极大负荷可调磁力缓速器的发明申请，可从中华人民共和国国家知识产权局检索以供参考。

发明内容

本发明针对波浪能的开发利用，提出了摆式波热器的解决方案。

摆式波热器包括磁力耦合制热系统和摆式波浪能驱动系统，为了使磁力耦合制热系统在最佳转速范围内工作，摆式波浪能驱动系统还可以加装动力传动变速系统。磁力耦合制热系统由转子和定子组成，转子和定子一个上装有磁块，另一个上装有感应盘或感应筒，依靠转子和定子产生磁力耦合实现能量转化，将机械能转化为热能，机械能由波浪运动推动波摆产生，波摆作为原动件，驱动活塞泵或叶片泵压缩空气，而后由压缩空气冲击涡轮带动磁力耦合制热系统工作。摆式波热器可用于加热水、空气或其它储热介质，从而用来供热供暖。

根据磁力耦合制热系统的磁力耦合面的位置不同，摆式波热器可分为盘式摆式波热器、筒式摆式波热器和混合式摆式波热器。

磁力耦合面为相对旋转磁场和感应磁场相互耦合的理论假设中性面，磁力耦合面位于磁块固定盘组件和感应盘组件之间或磁块固定筒组件和感应筒组件之间，磁块固定盘组件或磁块固定筒组件用于产生相对旋转磁场，感应盘组件或感应筒组件用于产生感应磁场，相对旋转磁场和感应磁场相互耦合进行能量转化，摆式波热器的磁力耦合制热系统的转子和定子中一个装有磁块固定盘组件或磁块固定筒组件，另一个装有感应盘组件或感应筒组件，转子和定子的相互作用可看作是相对旋转磁场和感应磁场的相互作用。

附图说明

图1、图2、图3所示为盘式摆式波热器的几种基本的结构类型，其磁力耦合制热系统1的转子采用磁块固定盘组件1-2，而定子采用感应盘组件1-1，其摆式波浪能驱动系统2加装了变速箱。图1所示的盘式摆式波热器的磁力耦合制热系统采用一组磁力耦合面，即一个感应盘组件和磁块固定盘组件的匹配组合。图2所示的盘式摆式波热器的磁力耦合制热系统采用两组磁力耦合面，但用两个感应盘组件和两个磁块固定盘组件的匹配组合。图3所示的盘式摆式波热器的磁力耦合制热系统采用两组磁力耦合面，但用两个感应盘组件和一个磁块固定盘组件的匹配组合。图1、图2、图3所示盘式摆式波热器的磁力耦合制热系统可以串联使用，即使用两组以上的磁力耦合面。图中标号2-1为变速箱高速轴，标号2-2为涡轮。标号2-3为收缩管。图1、图2、图3中波摆在波浪的作用下摆动，从而驱动活塞在活塞泵中作往复运动，不断从大气中吸入空气，压缩后冲击涡轮使其旋转做有用功，从而驱动磁力耦合制热系统1工作。图1、图2、图3中利用单向阀组合设计控制空气流向，通过合理设计流道，控制进出涡轮的气体压力可以使涡轮持续稳定高效运转。图1、图2、图3中的单向阀也可以改用远程控制阀，通过压力传感器实时监测的压力数据进行闭环自动控制，常见的远程控制阀类型有电动、液动、气动和电液动等，如电动球阀、电磁阀等。收缩管的形状、活塞泵的流量和气路控制系统应根据具体应用位置的海况统计数据进行流场分析后合理设计，以取得最佳效果。图1、图2、图3所示盘式摆式波热器的摆式波浪能驱动系统2使用了变速箱，其目的主要是为了使磁力耦合制热系统1处于最佳转速范围内。各种结构形式的摆式波热器的摆式波浪能驱动系统2也可以不使用变速箱，或使用增速器，或使用带传动或链传动，但实际海况多变，使用变速箱是最可靠有效的。

图4所示为盘式摆式波热器用于供热的一种形式，加热介质为水。图5所示为盘式摆式波热器用于供暖的一种形式，加热介质为空气，图中增设了扰流风扇1-3以加速散热。各种结构类型的摆式波热器都可用来供热供暖，形成波能热水器(增加了保温水箱)或波能取暖器(增加了防护罩)等装置，用于独立或集中供热供暖。

图6所示方案为磁力耦合制热系统1的又一种结构类型，其是图3所示的盘式摆式波热器的磁力耦合制热系统1的一种变形，图6所示方案中将感应盘组件1-1置于磁力耦合制热系统1的转子中。图6中的磁力耦合制热系统1的中心传动轴上加装了制动轮2-11，以和制动装置相匹配。制动装置可采用钳式制动器、带式制动器或其它类型的制动器。制动装置也可以置于摆式波浪能驱动系统低速轴或高速轴2-1上，或置于其它中间轴上，并将制动装置整体集成到变速箱内。

图7所示方案为磁力耦合制热系统1的又一种结构类型，其与图1所示方案中的磁力耦合制热系统1的区别是采用了筒式磁力耦合制热系统，筒式磁力耦合制热系统的磁力耦合面平行于中心传动轴的轴向。筒式摆式波热器的各种结构形式类似于盘式摆式波热器的各种结构形式，仅仅是其磁力耦合制热系统的磁力耦合面的位置不同而已。盘式摆式波热器和筒式摆式波热器也可融合形成混合式摆式波热器，混合式摆式波热器的磁力耦合制热系统的磁力耦合面同时置于平行和垂直于磁力耦合制热系统的中心传动轴的轴向。磁力耦合制热系统的感应盘或感应筒既可置于转子中，也可置于定子中。

图8所示为盘式摆式波热器的磁力耦合制热系统的磁块固定盘组件的示意图，N极和S极永磁体交替排列，磁极方向平行于轴向。筒式摆式波热器的磁力耦合制热系统的磁块固定筒组件中的N极和S极永磁体同样交替排列，但其磁极方向垂直于轴向。摆式波热器的磁力耦合制热系统的感应盘组件从原理上讲至少应包括感应盘和屏蔽板两部分，当两部分采用相同的材料时，可直接融为一体，适当控制板的厚度即可。

图9所示方案为对图1中所示的摆式波浪能驱动系统的一种改进，用人造大气环境取代开放的大气环境。图9中人造大气环境为低压空气储罐，内部储存一定压力的压缩空气，并增设了高压空气储罐，收缩管2-3、低压空气储罐、活塞泵、高压空气储罐和气路控制系统一起组成一个封闭系统，工质(作为驱动涡轮的流动空气)在活塞泵的驱动下循环流动并驱动涡轮做有用功。人造大气环境便于整个系统的压力控制，从而使摆式波热器能稳定、高效地进行高功率输出。摆式波热器的各种结构类型都可以采用人造大气环境。

图10、11、12、13所示为摆式波浪能驱动系统的又一种改进方案。图10所示方案的原理同图9所示方案，只是其涡轮2-2采用汽轮机(汽轮机为现在电厂发电用的设备，以高温高压蒸汽驱动，但此处改用压缩空气驱动，因此也可改名为气轮机，毕竟两种应用的工况有所不同)。图11所示方案为采用多个气轮机和收缩管2-3的一种并联方案示意图，其为多效并联，空气压力逐级变化。图12所示方案与图11所示方案相比，其使用了多个活塞泵，也为多效并联方案。图13所示方案为采用多个气轮机和收缩管2-3的一种串联方案示意图，其为多效串联，空气压力逐级变化。图10、11、12、13中的单向阀也可以改用远程控制阀，通过压力传感器实时监测的压力数据进行闭环自动控制，常见的远程控制阀类型有电动、液动、气动和电液动等，如电动球阀、电磁阀等。

图14所示为摆式波浪能驱动系统的一种简易改进方案，用内部储存有压缩空气的压缩空气储罐制造的人造大气环境取代开放的大气环境，压缩空气储罐和收缩管2-3之间连结在一起，波摆驱动活塞泵压缩形成的高压空气流经涡轮2-2后直接进入压缩空气储罐，同时活塞泵从压缩空气储罐吸入低压空气。

图15、16、17、18、19、20所示为摆式波浪能驱动系统的波摆和活塞泵匹配应用的几种基本方案示意图，由波摆作为原动件，驱动活塞泵压缩空气。图15、16所示方案的铰链点位置有所区别，此两种方案可将活塞泵置于水面上，减轻腐蚀，而波摆插入水中。图17所示方案与图16所示方案的区别是将波摆固定在水底，活塞泵也在水底。图18所示方案是将波摆置于水面，波浪起伏驱动原动件波摆，活塞泵可以置于水面下或水面上。图19所示方案将活塞泵固定在水中，波摆的上部为巨大的浮子漂在水面，随波而动，驱动活塞泵。图20所示方案为一个波摆驱动两个活塞泵的示意图，波摆与活塞泵的组合设计可根据具体应用工况而灵活设计。

图21所示为摆式波浪能驱动系统采用波摆和叶片泵匹配的示意图，叶片泵的作用和活塞泵类似，叶片泵是旋转往复压缩空气，而活塞泵是线性往复压缩空气，各有优缺点。

具体实施方式

摆式波热器所包含的各组成零部件，现代工业制造技术均可加工制造。磁块、轴承等均可由专业厂商配套生产，其它零部件机加工、模具成形、焊接即可。

摆式波热器要想成功应用，必须具备以下几个条件：(1)功率标定——建立完备的测试台架，以完成系列化产品的标定。(2)动平衡检测——旋转部件必须达到相关标准规定的动平衡要求，以达到必要的安全可靠性。(3)控制——摆式波热器为便于使用，其控制系统可设计为闭环控制或开环控制，闭环控制系统便于远程自动控制。(4)产品设计——要根据具体应用地区的海况作针对性设计。

摆式波热器的使用方案有以下几种：(1)基于大陆海岸线，与防波堤一起规划设计。(2)基于海岛岸线，与海岛防波堤一起规划设计。(3)基于石油钻井平台规划设计。(4)独立设计，固定或系泊于海水中。(5)与船舶组合设计，形成可移动式摆式波热器。

Claims (5)

1.摆式波热器的技术方案——其特征是包含磁力耦合制热系统和摆式波浪能驱动系统，磁力耦合制热系统由转子和定子组成，转子和定子一个上装有磁块，另一个上装有感应盘或感应筒，依靠转子和定子产生磁力耦合实现能量转化，将机械能转化为热能，机械能由波浪运动推动波摆产生，波摆作为原动件，驱动活塞泵或叶片泵压缩空气，而后由压缩空气冲击涡轮带动磁力耦合制热系统工作，摆式波热器可用于加热水、空气或其它储热介质，从而用来供热供暖，根据磁力耦合制热系统的磁力耦合面的位置不同，摆式波热器可分为盘式摆式波热器、筒式摆式波热器和混合式摆式波热器，摆式波浪能驱动系统由波摆、活塞泵(或叶片泵)、收缩管和涡轮等组成，波摆与活塞泵(或叶片泵)的组合设计可根据具体应用工况而灵活设计，叶片泵是旋转往复压缩空气，而活塞泵是线性往复压缩空气，收缩管的形状应根据具体应用进行流场分析后合理设计，以取得最佳效果，为了使摆式波热器能稳定、高效地进行功率输出，其摆式波浪能驱动系统可采用气路控制系统将活塞泵(或叶片泵)和收缩管相连，如采用单向阀使其通过感受空气压力的变化自适应开启或关闭阀门，使空气连续流经涡轮驱动涡轮旋转，单向阀也可以改用远程控制阀，通过压力传感器实时监测的压力数据进行闭环自动控制，常见的远程控制阀类型有电动、液动、气动和电液动等，如电动球阀、电磁阀等，摆式波浪能驱动系统可以采用多个气轮机和收缩管的并联或串联的方案，也可以采用多效串联或多效并联的方案，为了使摆式波热器能稳定、高效地进行高功率输出，摆式波热器可以采用人造大气环境，人造大气环境为低压空气储罐或压缩空气储罐，内部储存一定压力的压缩空气，用人造大气环境取代开放的大气环境，使工质(作为驱动涡轮的流动空气)形成一个独立系统，从而便于整个系统的压力控制，为了缓解海况多变引起的活塞泵(或叶片泵)制造的高压压缩空气的气量大幅波动，使摆式波浪能驱动系统能更加稳定运行，可增设高压空气储罐，高压空气储罐和低压空气储罐均可以设置多个，高压空气储罐中的压缩空气在冲击涡轮做有用功后进入低压空气储罐而后由活塞泵(或叶片泵)泵入高压空气储罐，循环使用。

2.根据权利要求1所述的摆式波热器，其特征是使用磁力耦合制热系统，磁力耦合制热系统在工作时存在相对旋转磁场和感应磁场，相对旋转磁场由转子或定子上交替排列的N极磁块和S极磁块产生，感应磁场由定子或转子上的感应盘或感应筒中产生的感应电流产生，感应盘或感应筒采用具有优良导电性能的导体板或导体筒。

3.根据权利要求1所述的摆式波热器，其特征是使用磁力耦合制热系统，磁力耦合制热系统在工作时存在相对旋转磁场和感应磁场的相互耦合作用，磁力耦合面为相对旋转磁场和感应磁场相互耦合的理论假设中性面，磁力耦合面位于磁块和感应盘之间或磁块和感应筒之间，盘式摆式波热器的磁力耦合制热系统的磁力耦合面垂直于转子中心轴，筒式摆式波热器的磁力耦合制热系统的磁力耦合面平行于转子中心轴，混合式摆式波热器的磁力耦合制热系统的磁力耦合面同时布置于平行和垂直于转子中心轴的方向上，磁力耦合制热系统可以采用一组磁力耦合面或多组磁力耦合面串联，在热负荷调节机构驱动电机扭矩允许的情况下可以用一组热负荷调节机构同时调节多组磁力耦合面。

4.根据权利要求1所述的摆式波热器，其特征是使用摆式波浪能驱动系统，摆式波浪能驱动系统的涡轮常用的有对称翼式涡轮、冲动式涡轮和反动式涡轮，摆式波浪能驱动系统可以采用汽轮机，汽轮机为现在电厂发电用的设备，以高温高压蒸汽驱动，但此处改用压缩空气驱动，因此也可改名为气轮机，两种应用的工况有所不同，为了使磁力耦合制热系统在最佳转速范围内工作，摆式波浪能驱动系统还可以加装动力传动变速系统，如变速箱，摆式波浪能驱动系统的制动装置可置于动力传动变速系统的低速轴、高速轴或其它中间轴上，制动装置可以选用钳式制动器、带式制动器等多种形式。

5.根据权利要求1所述的摆式波热器，其特征是使用摆式波浪能驱动系统，摆式波浪能驱动系统可以采用多个涡轮和收缩管匹配组合的并联或串联的方案，也可以采用多效串联或多效并联的方案，多效串联和多效并联方案均为流经前一涡轮排出的空气作为流经后一涡轮的进气，压力逐级变化，多效串联和多效并联方案适合于人造大气环境(人造大气环境为低压空气储罐或压缩空气储罐，内部储存一定压力的压缩空气)，以使摆式波热器能稳定、高效地进行高功率输出。

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