CN1229171A - 一种温差式热机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热机,它是在工作容器内装有循环工质,循环工质与热交换器相通,工质是在热交换器和工作容器内被等容加热和等容冷却,当容器内的工质压力升高或下降时,由与这个工作容器内工质相通的能量转换装置,将容器内工质的压力能转变成机械能或压力能输出,本发明具有可使用低品位热能的特点。

Description

一种温差式热机

本发明属于闭式内循环热机技术领域。

现有的闭式内循环热机，有卡诺循环、埃里克森循环、蒸气循环，热气机循环等，它们工作循环过程中都有压缩工作过程，卡诺循环是这种具有外力压缩过程中热能转换率，公认最高的热机，其理论循环的热效率 $n=1-\frac{T_1}{T_2}$ T₁＝工作循环的最低温度，T₂＝工作的最高温度  当T₁＝23℃ T₂＝33℃则 $n=1-\frac{273+23}{273+33}=3.3\%$ 由上式可知当T₁温度越低，或T₂的温度越高，则热效率越高，所以现有的热机工作的最高温度一般在700k-3000k，最低温度在400k-1000k。在我们生活的环境中，到处可见的地上温度与地下温度，太阳照射到的地方温度和没有照射到的地方温度之差只有几度或几十度，如要开发这些低品位热能就必须采用一种比卡诺循环热效率更高的热机循环方式，来开发利用低品位热能，以减少高品位燃料热能对环境的污染。

本发明的目的是提供一种无压缩过程的等容加热等容冷却的温差式热机，用以开发低品位热能，减少燃料热能对环境的污染。

本发明是这样实现的，在一工作容器内装有循环工质，循环工质与热交换器相通，工质是在热交换器和工作容器内被等容加热和等容冷却，当工作容器内的工质压力升高或下降时，由与这个工作容器相通的能量转换装置将容器内工质的压力能转换成电能，压力能或机械能输出。

本发明可以按工质在工作容器内流动方式的不同，可分为两种方式，即开式循环和闭式循环。闭式循环有两种结构形式：一种是外装热交换器，另一种是内装热交换器。开式循环是指在工作容器内的工质流动是在热交换器与工作容器之间进行，闭式循环是指在工作容器内的工质的流动是在冷腔与热腔之间进行。

本发明的开式循环温差式热机是这样工作的，在一工作容器内装有工质，工质与热交换器为一闭合通路，在这一闭合通路上设有使工质能在这闭合通路上循环流动装置和控制工质在热交换器中流动顺序装置，当工质在循环流动装置的作用下，在这一闭合通路上周而复始地流动时，当工作容积内的工质与热交换器中的热加热器为一闭合通路时工质被加热，在工作容器内的工质温度升高，当工质在热交换器控制流动装置的作用下使工质与热交换器中的冷却器联通为一闭合通路时，工质被冷却，在工作容器内的工质温度下降，压力随之下降，这一循环过程可以看成工质是在等容下的冷却过程，当工质在热交换器控制流动装置的作用下再使工质与热交换器中的加热器联通时，完成一个工作过程，能量转换装置与工作容器内的工质相通，当工作容器内的工质压力升高或降低时，通过能量转换器将工作容器内的压力能转变成电能，机械能或压力能输出。

本发明闭式循环的工作过程是这样实现的：活塞或热交换器，将工作容器分成两个腔：一个是热腔、一个是冷腔、冷腔中的工质与热腔中的工质，通过热交换器相通，当工作容器内的活塞，或热交换器，在它们运动控制装置的作用下，在工作容器内往复运动时，冷腔中的工质和热腔中的工质在活塞或热交换器的挤压下，通过热交换器的联通产生相互流动，当工质从冷腔流进交换器，再流进热腔时，工质在热交换器中吸取热量后温度和压力升高，这一过程是等容加热过程，当工质从热腔流进热交换器再流进冷腔中工质在热交换器中被冷却，工质温度和压力下降，这一工作过程是等容冷却过程，能量转换装置与工作容器内的工质相通，当工作容器内的工质压力产生变化时，能量转换装置将工作容器内的压力能转变成机械能、电能、或压力能向外输出。本发明的闭式循环热机可以由两种结构方式来实现：一种是在工作容器内装有热交换器，简称内装热交换器，在工作容器内冷腔和热腔中的工质在压力的作用下可以通过装在容器内的热交换器流动。一种是在工作容器内装有活塞简称外装热交换器在工作容器内冷腔和热腔中的工质，在压力的作用下可以通过装在容器外的热交换器流动。

本发明与现有技术相比有如下优点：将低品位热能转变成机械能的转换效率高，这是由于温差式热机的循环过程中没有压缩过程，即压缩功。增设回热过程，所以工质所作的理论循环理想热效率 $n=\frac{1-\frac{T_1}{T_2}}{1-\frac{T_1}{T_2}\mathrm{\λ}}$ T₁是工作循环中工质的最低温度，T₂是工作循环中工质的最高温度λ是工作循环中工质在回热器中的回热系数。

当T₁＝23℃T₂＝33℃时λ₁＝0λ₂＝0.8 $n_1=\frac{1-\frac{T_1}{T_2}}{1-\frac{T_1}{T_2}{\mathrm{\λ}}_1}=1-\frac{273+23}{273+33}=3.3\%$ $n_2=\frac{1-\frac{T_1}{T_2}}{1-\frac{T_1}{T_2}{\mathrm{\λ}}_2}=\frac{1-\frac{273+23}{273+33}}{1-\frac{273+23}{273+33}\×0.8}=14\%$ 由上式计算可知，当回热系数λ＝0时，本发明温差式热机的理论热效率等于卡诺循环理论热效率，当工质回热系数λ＝0.8时，本发明温差式热机的理论热效率高于卡诺循环热效率4.4倍。本发明的热机可以不用燃料热能，减少了燃料热能对大气的污染。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述：

图1是本发明温差式热机的内装热交换器工作结构示意图。

图3是本发明温差式热机的外装热交换器工作结构示意图。

图2是本发明温差式热机的理想工作状态图。

图4是本发明热机的多台组合示意图。

图5是本发明的局部结构示意图。

图6是本发明机械输出示意图。

图7是本发明开式循环温差式热机的工作结构示意图。

现结合附图1和附图2对本发明理想工作过程作如下描述。在工作容器8中有循环工质和热交换器2，热交换器2运动的两个方向，一个是高温热源放热端1，一个是低温热源吸热端3，放热端1和热交换器2组成热腔9，由吸热端3和热交换器2组成冷腔4，能量转换装置11与工作容器8相通。当热交换器2在热交换器控制装置5的作用下，移动到吸热端3这时在冷腔4中的工质通过热交换器中的孔道10流到热腔9，这个过程相当于在图2中的点A，运动到点B，这时工作容器中的工质，温度由T₁升到T₂，工质的压力从P₂升到P₃，这时热交换器2保持不动，吸热端3吸取冷却器6上的热量，这一过程是等容加热，能量转换装置12开始工作将工作容器中的压力能在能量转换装置膨胀腔11中膨胀作功，由能量转换装置12将压力能从输出管14输出，能量转换装置中的蓄压腔13与蓄压气瓶15相通，蓄压气瓶的工质容量很大在整个工作过程中，气瓶中的压力变化很小，基本上始终等于图2中的压力P₂，当蓄压腔13中的工质压力等于工作容器8内的工质压力时能量转换装置12停止转换，这时的工作状态由图2中的点B移动到点C压力从P₃降到P₂，温度不变为T₂，当热交换器，从吸热端3向放热端运动到放热端1时，在热腔中的工质通过热交换器中的孔道10，流到冷腔中4，这时热交换器保持不动，热交换器上的加热器7吸取放热端的热量，这时的工作状态由图2中的点C移到点D，压力由P₂降到P₁，温度由T₂降到T₁，这一过程是等容冷却，这时由于蓄压腔中的工质压力大于工作容器中的工质压力，所以此时能量转换装置12开始工作，将工作容器内的工质冷却收缩压力能由能量转换装置12，将压力能从输出管14输出，当蓄压腔13中的工质压力P₂等于工作容器中的压力P₂时，能量转换装置12将停止工作完成一个工作过程，这时的工作状态由图2中的点D回到点A压力由P₁升到P₂，温度保持不变完成一个工作过程。

现结合图3对本发明内装有活塞的结构作如下详细描述。在一工作容器8内装有活塞16，循环工质，活塞16将工作容器8分成两个腔，一个是热腔9，一个是冷腔4，热腔9与冷腔4和装在工作容器外的热交换器2为联通，当活塞16在活塞控制装置5的作用下，在工作容器内作往复运动时，由于活塞的作用使工作容器中的两个腔中的工质，一个受被挤压力，一个受真空力，由于两个腔与工作容器外的热交换器2相通，所以在两腔压力差的作用下，工质通过热交换器2，从压力高的一腔流向压力低的一腔，当循环工质通过热交换器中的回热17，冷却器6流入冷腔4时，工质被冷却压力下降。这一过程是等容冷却，当循环工质从热交换器2中的回热器17加热器7流进热腔时，工质被加热，压力升高，这一过程是等容加热，能量转换装置12与工作容器7中的工质相通，当工作容器内的工质压力升高时，工质进入能量转换装置12中膨胀作功，其工作过程如上例所述。

现结合图7对本发明开式循环温差式热机作详细说明，在一工作容器8内装有工质，工质与工作容器外的热交换器2为一闭合通路，在这一闭合通路上设有能使工质在这闭合通路上循环流动的离心风机23和控制工质在热交换器中流动顺序的电控换向阀24，当工质在离心风机23的作用下，在这一闭合通路上，周而复始地流动时，当工质与热交换器中的加热器7为一闭合通路时，工质被加热，在工作容器内的工质温度升高，这一循环过程是等容加热过程，相当于图2中的点A到B，当工质在热交换器控制装置电控换向阀24的作用下，使工质与加热器7通路关闭，与热交换器2中的回热器17联通为一闭合通路时，工质中的热量被回热器17中的蓄热元件蓄存在回热器中，工质温度下降，当工质在热交换器控制装置电控换向阀24的作用下，使工质与回热器通路关闭，与冷却器6联通为一闭合通路时，工质被冷却，在工作容器内的工质温度下降，压力随之下降，这一循环过程是工质在等容下的冷却过程，当工质在热交换器控制装置电控阀24的作用下，使工质与冷却器通路关闭与回热器17再次联通时，被冷却后的工质将吸收回热器17中蓄热元件上蓄存的热量，工质被回热温度升高，这样热机完成一个工作过程。能量转换装置12与工作容器8中的工质相通，当工作容器内的工质压力升高时，工质进入能量转换装置12中膨胀作功，其工作过程如上例所述。当工作过程中增设回热过程时，回热过程在加热过程与冷却过程之间进行，回热过程可有，也可以没有，还可以进行多次回热，在图7中的能量转换装置12中的膨胀腔11与一台热机内的工质相通，蓄压腔13与另一个热机内的工质相通，这样可以省去蓄压气瓶15，但是必须使两台热机的工作压力相反。

本发明的结构形式可以多种多样，但它们的工作过程却是一样的，现简述本发明可以采用的现有技术，热交换器，本发明所指的热交换器，是指回热器，加热器，冷却器的总称。在内装热交换器式结构中，热交换器可以由一种或几种热交换器组成，其结构形式可以采用现有闭式内循环热机上采用的回热器结构。为了增大热交换器与热源端的热量传递能力，可以用增大热端与热交换器的面积和接触压力的办法来解决如图4所示。热源端的传热方式有直接加热和直接冷却方式，如图5，风冷传热或直接加热传热片18。也可以由流体热源在热源端通过热交换器的方式传递，如图5、流进流体19与流出流体20。活塞或热交换器往复移动控制装置的结构形式可以采用电磁方式如图1中5，机械方式如图3中5，电液方式如图6中的22。能量转换装置可以采用压力输出，如图1中14，机械输出如图6中21，电力输出如图4中的直线发电机24。

本发明可以多台组合以减少体积和重量如图6所示的一个热源有2个热端，几个活塞或热交换器共用一个控制装置，几个工作容器共用一个能量转换装置，提高工作容器内的工质充入压力可以提高热机的功率减少体积和重量。

Claims (3)

1.一种温差式热机、它是由工作容器、工质、热交换器运动控制装置、能量转换装置、热交换器、冷腔、热腔、高温热源放热端、低温热源吸热端组成，其特征是冷腔中的工质与热腔中的工质和装在工作容器内的热交换器相通，工质是在热交换器和工作容器内在热交换器的作用下被等容加热和等容冷却。

2.一种温差式热机、它是由工作容器、活塞、活塞运动控制装置、能量转换装置、工质、冷腔、热腔、热交换器组成，其特征是在冷腔中的工质与热腔中的工质和装在工作容器外的热交换器相通，工质是在热交换器和工作容器内在活塞的作用下被等容加热和等容冷却。

3.一种温差式热机、它是由工作容器、工质、热交换器、工质循环流动装置、能量转换装置组成，其特征是在工作容器内的工质和装在工作容器外的热交换器为一闭合通路相通，工质是在热交换器和工作容器内在工质循环流动装置的作用下被等容加热和等容冷却。

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