CN116480432A - 一种热能转换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种热能转换装置，包括：锅炉，控制系统，热库，膨胀器组成；所述膨胀器包括：含缸体，活塞，热交换器；所述控制系统包括：控制器，水泵，过滤泵，电机，滤网；所述锅炉通过水泵与所述热库连接，所述热库通过热交换器与所述膨胀器进行热交换；所述控制系统中的的控制器分别与所述水泵、过滤泵以及电机连接，所述电机与所述活塞连接；其中，所述锅炉和所述热库以及热膨胀器中包含工质，通过所述水泵和所述过滤泵控制所述工质的流转，从而使所述热库通过热交换器对所述热膨胀器中的工质进行加热，从而使所述膨胀器对外做功。
Description
技术领域
本发明属于热能交换领域，尤其涉及一种热能转换装置。
背景技术
热力发电是我国目前电能供给的主要来源。目前，热力发电中，热能到电力的转换效率一般在40％左右，其余的热能都由冷却装置带走，造成了大量的能量浪费。为提高热电转化效率，有多种实施途径。如通过材料的热电效应直接实现热电转换等，这类效率目前最高在15％左右，整体效率仍然偏低，热能浪费情况严重。因此，一种高效的热能转换方法及装置对国民生产有着重要意义。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供了热能转换装置，包括：锅炉，控制系统，热库，膨胀器组成；
所述膨胀器包括：含缸体，活塞，热交换器；
所述控制系统包括：控制器，水泵，过滤泵，电机，滤网；
所述锅炉通过水泵与所述热库连接，所述热库通过热交换器与所述膨胀器进行热交换；
所述控制系统中的的控制器分别与所述水泵、过滤泵以及电机连接，所述电机与所述活塞连接；
其中，所述锅炉和所述热库以及热膨胀器中包含工质，通过所述水泵和所述过滤泵控制所述工质的流转，从而使所述热库通过热交换器对所述热膨胀器中的工质进行加热，从而使所述膨胀器对外做功。
在一个可能的实现方式中，所述换热工质包括第一工质流固态工质，第二工质流液态工质及第三工质流气态工质。
在一个可能的实现方式中，所述锅炉中包括包括第一工质流固态工质和第二工质流液态工质，所述热库中包括第一工质流固态工质和第二工质流液态工质，所述热膨胀器中包括第三工质流气态工质。
在一个可能的实现方式中，所述滤网由底板，连杆，小孔过滤网组成，所述连杆底部与底板固连为一体，并同步运动；
所述底板上分布有诸多小孔以及一个较大的孔，所述底板上部布置有小孔过滤网，小孔过滤网可过滤溶液中的固体。
在一个可能的实现方式中，所述膨胀器的活塞顶部通过曲柄连杆机构与电机相连，所述活塞向外运动时，驱动电机运动；所述活塞到达最远位置后，由电机驱动活塞反向运动到初始位置。
另一方面，本申请还提供了一种热能转换装置，包括：锅炉，控制系统，膨胀器组成；
所述膨胀器包括：含缸体，活塞，热交换器；
所述控制系统包括：控制器，过滤泵，电机，滤网；
所述锅炉通过热交换器与所述膨胀器进行热交换；
所述控制系统中的的控制器分别与所述过滤泵以及电机连接，所述电机与所述活塞连接；
其中，所述锅炉和所述热膨胀器中包含工质，通过热交换器对所述热膨胀器中的工质进行加热，从而使所述膨胀器对外做功。
在一个可能的实现方式中，所述换热工质包括第一工质流固态工质，第二工质流液态工质及第三工质流气态工质。
在一个可能的实现方式中，所述锅炉中包括包括第一工质流固态工质和第二工质流液态工质，所述热膨胀器中包括第三工质流气态工质。
在一个可能的实现方式中，所述滤网由底板，连杆，小孔过滤网组成，所述连杆底部与底板固连为一体，并同步运动；
所述底板上分布有诸多小孔以及一个较大的孔，所述底板上部布置有小孔过滤网，小孔过滤网可过滤溶液中的固体。
在一个可能的实现方式中，所述膨胀器的活塞顶部通过曲柄连杆机构与电机相连，所述活塞向外运动时，驱动电机运动；所述活塞到达最远位置后，由电机驱动活塞反向运动到初始位置。
与现有技术相比，本发明至少包括以下有益效果：
本发明提出一种新的热力学循环装置和循环过程，引入控制系统来监测及控制工质工作状态，使得热力学循环过程不再是孤立的热力学循环过程，而是受控热循环过程，通过外部控制参与改变循环过程的工质状态。在该循环下，可大大提高整个循环的能量转换效率。理论上，忽略摩擦损耗等因素的影响，其理论热力学效率为百分之百。
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为本发明一示例性实施例提供的热能转换装置的结构示意图；
图2为本发明一示例性实施例提供的滤网结构示意图；
图3为本发明一示例性实施例提供的氢氧化钠的溶解度与温度的关系曲线；
图4为本发明一示例性实施例提供的第三工质流23状态变化曲线；
图5为本发明一示例性实施例提供的NaOH溶液浓度与比热容的关系示意图；
图6为本发明一示例性实施例提供的NaOH溶液不同浓度下的生成焓；
图7为本发明一示例性实施例提供的做功过程对比；
图8为本发明一示例性实施例提供的另一热能转换装置的结构示意图。
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。
以下结合说明书附图和具体的实施例对本方案进行进一步详细阐述。
实施例一
如图1所示，本实施例公开的热能转换装置由锅炉1，工质2(含第一工质流固态工质21，第二工质流液态工质22及第三工质流气态工质23)，控制系统3(含控制器31，水泵32，过滤泵33，电机34，滤网35)，热库4(含缸体41)，膨胀器5(含缸体51，活塞52，热交换器53)组成。
在一个示例性实施例中，第一工质流固态工质21为固态氢氧化钠，第二工质流液态工质22为水，第三工质流气态工质23为空气。本申请中的工质均基于上述举例进行说明，但本申请不局限于工质的组成和种类，也即，工质不局限于上述提供的种类。
锅炉1接收外部热源加热。锅炉1内放置第一工质流21固态氢氧化钠，第二工质流22水。
控制系统3由控制器31、水泵32、过滤泵33、电机34和滤网35组成。滤网35与过滤泵33相连接。控制器31采集锅炉1、热库4及膨胀器5的状态信息，并根据状态信息，控制水泵32、过滤泵33与电机34的运动。
请参阅图2，该图展示了滤网35的结构示意图。其中，滤网35由底板351，连杆352，小孔过滤网353组成。连杆352底部与底板351固连为一体，并同步运动。底板351上分布有诸多小孔以及一个较大的孔。351上部布置有小孔过滤网353，小孔过滤网353可过滤溶液中的固体。
热库4主体结构与气缸一致，主要包含缸体41。滤网35位于热库4内，且与缸体41贴合。在过滤泵33的带动下，滤网35可沿缸体41运动。
热库4的缸体41通过管路阀门，经由水泵32与锅炉1相连。水泵32可正向或反向转动，分别将锅炉1内的工质2注入热库4的缸体41内，或反向将缸体41内部的工质注入锅炉1内。
膨胀器5由缸体51、活塞52及热交换器53组成。膨胀器内活塞52与缸体51密封贴合，将第三工质流气态工质23密封于缸体51和活塞52之间。热交换器53一端位于缸体51的底部，另一端与热库4的缸体41相连，通过热交换器53保持膨胀器内部的第三工质流气态工质23与热库4内的第一工质流21、第二工质流22热平衡。
锅炉1通过管路与热库4相连，管路内置水泵32及阀门，通过水泵32的转向及阀门系统开闭，控制工质流由锅炉1流向热库4或者反向流动。
滤网35通过连杆352与分离泵33相连。分离泵33驱动滤网35运动，将固体状态的工质21通过小孔滤网353过滤出来，并通过分离泵驱动，将过滤出来的工质21投入锅炉1中。
热交换器53连接热库4与膨胀器5，保持膨胀器5内的第三工质流23与热库内的第二工质流22热平衡。
膨胀器5的活塞52顶部通过曲柄连杆机构与电机34相连。活塞52向外运动时，驱动电机34运动；活塞52到达最远位置后，由电机34驱动活塞52反向运动到初始位置。
以下结合装置的工作过程进行进一步阐述，其工作过程包括如下步骤：
a.控制外部热源对锅炉1的加热温度，保持锅炉1始终处于100摄氏度；
b.锅炉1内的第一工质流21与第二工质流22混合形成工质21与工质22的混合物：饱和氢氧化钠溶液；
c.控制系统控制水泵32运动，将部分饱和溶液注入热库4内部；此时，分离泵33控制滤网35运动到热库最底部，溶液全部位于滤网35的小孔过滤网353一侧；
d.混合后的工质21与工质22通过热交换器53加热膨胀器5中的工质23，并由工质23推动活塞52做功，从而带动电机34发电，向外输出功率；
e.活塞52输出一定功率后，运动至极限位置，不再运动；此时，由于对外输出功率，温度降低，热库内4的工质21与工质22混合物温度降低，部分工质21析出为固态；
f.控制器31控制过滤泵33运动；过滤泵33带动滤网35运动，滤网35将析出为固态的工质21分离出来；并维持分离后的工质21与工质22热平衡；
g.控制器31控制电机34运动，压缩工质23，并通过热交换器43保持工质21、工质22与工质23热平衡，直至活塞52返回初始位置；
h.过滤泵33驱动滤网35，将分离后的固态工质21注入锅炉1；水泵32将热库内的剩余工质21及工质22注入锅炉；此后驱动滤网35返回热库4底部；
i.进入步骤a，开始下一循环；或结束循环。
工质2包括3个流，循环过程中，各流的状态略有不同。整个循环过程中，各工质经历的过程如下：
a.初态下，在锅炉内加热：第一工质流21与第二工质流22等温等压，处于高温态；第三工质流23处于初态；
b.进入热库后，第一工质流21、第二工质流22与第三工质流23混合，直至首次达到热平衡；此时，第三工质流23处于高温高压态，第一工质流21第二工质流22温度略有所降低；由于第三工质流23用于对外做功，第一工质流21和第二工质流22仅提供热量，故以第三工质流23为基准，则此时各工质处于状态1：第三工质流23为高温高压态；
c.第一工质流21与第二工质流22提供热量，第三工质流23对外做功。此过程中，由于三个流始终保持热平衡状态，故可始终认为工质2的第一工质流21、第二工质流22与第三工质流23温度相同；至第三工质流23达到做功的极限位置后，系统处于状态2：第三工质流23处于低温低压态，第一工质流21与第二工质流22处于低温态且两流混合。由于第二工质流22与第一工质流21非气态，其压力变化可忽略；
d.根据溶液的性质可知，对于第一工质流21为氢氧化钠，第二工质流22为水时，在饱和溶液由高温降到低温时，会有部分溶质析出；氢氧化钠的溶解度与温度的关系曲线见图3。由溶质性质可知，析出的氢氧化钠不含结晶水，为固体氢氧化钠；此时采用过滤的方式，可过滤出析出的结晶；过滤后的工质处于状态2；第三工质流23处于低温低压态，第一工质流21与第二工质流22处于低温态且第一工质流21与第二工质流22部分分离；
e.压缩第三工质流23。若第三工质流为绝热压缩，则第三工质流23温度快速升高。由于第一工质流21及第二工质流22作为热库，吸收第三工质流23的部分热量，压缩过程中，第三工质流23温度升高略慢。直至第三工质流到达初始体积处，压缩结束。此时，整个工质流处于状态3：第一工质流21及第二工质流22分离，处于中温态；第三工质流23处于中温态中压态；
f.混合第一工质流21与第二工质流22，维持第三工质流状态不变。此时，工质处于状态3：第一工质流21及第二工质流22混合，
处于中温态；第三工质流23处于中温态中压态；
外部热源加热第一工质流21及第二工质流22的混合物。
上述工质循环中，第三工质流23状态变化如图4所示。工质循环的各步骤已在各类操作中实现，无可行性问题。所关注的焦点在于，由状态1到状态2过程中，工质23对外做功是否大于由状态2’到状态3过程中，外界压缩工质23的功。若此过程中工质23对外做功大于外界做功，则由能量守恒，状态3’下的工质温度会低于状态1下的工质温度。下面着重分析工质23由状态1到状态2的做的功，以及工质23由状态2’到状态3所需要的功。
上述过程中，工质2的三个工质流始终保持热平衡状态，故分析中始终认为工质2的第一工质流21、第二工质流22与第三工质流23温度相同。设气体的温度、压力及体积分别为T，V，P，物质的量为nq。状态1下，温度为T1，压力P1，体积V1。由于循环过程中第三工质流23气体未发生相变，质量无变化，气体物质的量无变化，方程中为定数。循环中，第三工质流23按等熵过程变化，始终处于平衡态，故时刻满足气体状态方程：
PV＝nqRT
同时，第一工质流满足能量守恒方程：
其中dQ为气体温度升高dT时向外放出的热量，放热为正。对于多原子分子，i＝5。
第二工质流22与第三工质流23混合时，溶液浓度发生变化，同时溶液放热或吸热。吸热或放热值可通过溶解热计算得到。图6给出了NaOH溶液不同浓度下的生成焓，通过不同浓度下的生成焓之差可计算得到溶液浓度变化引起的吸热或放热值。对于饱和溶液，由于溶液浓度取决于温度，故吸热或放热值也直接与温度有关。溶液由温度T1到T2的热量变化Q可表示为：
Q＝fxs(T1,T2)
对于溶液，图5给出了NaOH溶液浓度与比热容Cl的关系。由此可计算得到NaOH溶液温度变化时，不考虑浓度变化引起的热量交换值。工质21与工质22分离后，其比热容按照各自物质的比热容计算。工质21NaOH取定值-1.5J/g-℃，工质22水取定值4.2J/g-℃。
在上述条件下计算第三工质流23由状态1到状态2做的功，以及由状态2’到状态3所需要的功。设状态1下初始温度为400K，气体为空气，质量0.5kg，体积膨胀50倍；热库为0.5kg饱和氢氧化钠溶液。计算表明，该状态下，整个循环可输出能量8821J。以整个循环过程输出的能量与对外做功总值比作为循环输出效率，则循环输出效率约2.9％。图7为两个过程做功对比。
对比状态1到状态2的做功过程，以及由状态2’到状态3的做功过程。在按照等熵过程做功的情况下，若无控制过程的引入，则上述过程为一个可逆过程。而由于控制过程的引入，在状态2中，将工质分离。分离后的工质在析出时需要吸收部分热量，对外表现为总比热容要大于分离前的溶液的比热容。因此，由状态1到状态2中，外界提供的热源较少，温度下降较快。而由状态2’到状态3的过程中，总工质比热容变大，吸收热量较多，温度下降较慢。因此，引起状态1到状态2过程做功要大于状态2’到状态3过程的压缩做功，系统对外表现为可输出能量。
实施例二
本实施例提供了另一种热能转换装置，该装置如图8所示，所述装置由锅炉1(含缸体1)，工质2(含第一流固态工质21，第二流液态工质22及第三流气态工质23)，控制系统3(含控制器31，过滤泵33，电机34，滤网35)，膨胀器5(含缸体51，活塞52，热交换器53)组成。
其中，工质状态与工况1相同。
锅炉1接收外部热源加热。锅炉1内放置第一工质流21固态氢氧化钠，第二工质流22水。
滤网35位于锅炉1内，且与锅炉1的缸体贴合。
锅炉1底部布置有热交换器53，其一端与锅炉内的工作工质相连接，另一端连接膨胀器5的缸体底部。通过热交换器53，保持锅炉1内的工质温度与活塞内的工质温度一致。
控制系统3由控制器31、水泵32、过滤泵33、滤网35和电机34组成。控制器31采集锅炉1及膨胀器5的状态信息，并根据状态信息，控制水泵32、过滤泵33与电机34的运动。控制系统各设备及滤网35的结构与实施例1一致。
其余各设备的连接状态与实施例1一致。
上述系统的工作过程如下：
a.控制外部热源对锅炉1的加热温度，保持锅炉1内温度处于100摄氏度；
b.外热源停止对锅炉1内的工质加热；
c.锅炉1内的第一工质流21与第二工质流22混合形成工质21与工质22的混合物：饱和氢氧化钠溶液；
d.混合后的工质21与工质22通过热交换器43加热膨胀器5中的工质23，并由工质23推动活塞52做功，从而带动电机34发电，向外输出功率；
e.活塞52输出一定功率后，运动至极限位置，不再运动；此时，由于对外输出功率，温度降低，锅炉1内的工质21与工质22混合物温度降低，部分工质21析出为固态；
f.控制器31控制过滤泵33运动；过滤泵33带动滤网42运动，滤网42将析出为固态的工质21分离出来；并维持分离后的工质21与工质22热平衡；
g.控制器31控制电机34运动，压缩工质23，并通过热交换器43保持工质21、工质22与工质23热平衡，直至活塞52返回初始位置；
h.外热源开始对锅炉1内的工质加热，保持锅炉1内温度处于100摄氏度；
i.过滤泵33驱动滤网42，将分离后的固态工质21注入锅炉1；
此后过滤泵33驱动滤网42返回锅炉1底部；
j.进入步骤a，开始下一循环；或结束循环。
上述循环中，工质状态与实施例1一致。
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 (10)
1.一种热能转换装置，其特征在于，包括：锅炉，控制系统，热库，膨胀器组成；
所述膨胀器包括：含缸体，活塞，热交换器；
所述控制系统包括：控制器，水泵，过滤泵，电机，滤网；
所述锅炉通过水泵与所述热库连接，所述热库通过热交换器与所述膨胀器进行热交换；
所述控制系统中的的控制器分别与所述水泵、过滤泵以及电机连接，所述电机与所述活塞连接；
其中，所述锅炉和所述热库以及热膨胀器中包含工质，通过所述水泵和所述过滤泵控制所述工质的流转，从而使所述热库通过热交换器对所述热膨胀器中的工质进行加热，从而使所述膨胀器对外做功。
2.根据权利要求1所述的一种热能转换装置，其特征在于，所述换热工质包括第一工质流固态工质，第二工质流液态工质及第三工质流气态工质。
3.根据权利要求2所述的一种热能转换装置，其特征在于，所述锅炉中包括包括第一工质流固态工质和第二工质流液态工质，所述热库中包括第一工质流固态工质和第二工质流液态工质，所述热膨胀器中包括第三工质流气态工质。
4.根据权利要求1所述的一种热能转换装置，其特征在于，所述滤网由底板，连杆，小孔过滤网组成，所述连杆底部与底板固连为一体，并同步运动；
所述底板上分布有诸多小孔以及一个较大的孔，所述底板上部布置有小孔过滤网，小孔过滤网可过滤溶液中的固体。
5.根据权利要求1所述的一种热能转换装置，其特征在于，所述膨胀器的活塞顶部通过曲柄连杆机构与电机相连，所述活塞向外运动时，驱动电机运动；所述活塞到达最远位置后，由电机驱动活塞反向运动到初始位置。
6.一种热能转换装置，其特征在于，包括：锅炉，控制系统，膨胀器组成；
所述膨胀器包括：含缸体，活塞，热交换器；
所述控制系统包括：控制器，过滤泵，电机，滤网；
所述锅炉通过热交换器与所述膨胀器进行热交换；
所述控制系统中的的控制器分别与所述过滤泵以及电机连接，所述电机与所述活塞连接；
其中，所述锅炉和所述热膨胀器中包含工质，通过热交换器对所述热膨胀器中的工质进行加热，从而使所述膨胀器对外做功。
7.根据权利要求6所述的一种热能转换装置，其特征在于，所述换热工质包括第一工质流固态工质，第二工质流液态工质及第三工质流气态工质。
8.根据权利要求7所述的一种热能转换装置，其特征在于，所述锅炉中包括包括第一工质流固态工质和第二工质流液态工质，所述热膨胀器中包括第三工质流气态工质。
9.根据权利要求6所述的一种热能转换装置，其特征在于，所述滤网由底板，连杆，小孔过滤网组成，所述连杆底部与底板固连为一体，并同步运动；
所述底板上分布有诸多小孔以及一个较大的孔，所述底板上部布置有小孔过滤网，小孔过滤网可过滤溶液中的固体。
10.根据权利要求6所述的一种热能转换装置，其特征在于，所述膨胀器的活塞顶部通过曲柄连杆机构与电机相连，所述活塞向外运动时，驱动电机运动；所述活塞到达最远位置后，由电机驱动活塞反向运动到初始位置。
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