CN1873223A - 一种低温液/气能量转换热机 - Google Patents

Abstract

一种低温液/气能量转换热机，含有至少一对利用甲烷之类工质的气化膨胀做功的气缸，气缸的活塞杆上以相位互补的方式连接有曲轴。曲轴的外端与发电机和/或其它负载相连。在气缸的顶部设有液态工质进口、载热体进口和排液口，其分别通过各自的控制阀与液态工质温控储液罐、激发工质液/气转换的载热体罐及混合液分离罐相连。分离罐上设有工质液出口及载热体出口，工质液出口与储液罐相连，载热体出口经热交换器和/或空调器与载热体罐相连。通过循环、适时控制喷入气缸内的液态工质和载热体使工质在临界温度气化膨胀推动活塞做功。本热机具有用途广泛(如用热交换器冷冻法淡化海水)、环保、成本低的优点。

Description

一种低温液/气能量转换热机

技术领域

本发明涉及能源、动力技术领域。特别是一种利用甲烷、乙烯(C₂H₄)、一氧化氮、氟利昂R-14、氪之类的物质在低温状态可以液/气态转化(临界点9.5℃，乙烯(C₂H₄))的特点进行能量转换(发电)的热功机械。

背景技术

能源紧张已成为社会经济发展的制约因素，为此人们在不断探索、研发新的能源利用方式及装备。低温热能转换技术已受到人们的重视。传统的低温热能转换是利用温差来进行的，传统技术由于温差小、效率很低，自身耗用能量较大，冷却设备庞大，投资成本高及地域限制，实际应用意义不大，仅停留在理论阶段。

乙烯(C₂H₄)、甲烷、一氧化氮、氟利昂R-14、氪之类的物质具有在低温状态可以液/气态转化(乙烯(C₂H₄)：临界温度9.5℃；甲烷临界温度-84℃；一氧化氮-94℃；氟利昂临界温度-45℃；氪临界点-62℃；)，液/气转化则会发生体积迅速膨胀，体积膨胀则可以用来做功，且原料易得，消耗少，使用费用低，环保的特点，如何利用这些物质的液/气态转化特点进行能量转化做功(发电或直接作为动力使用)，是一个新的能源课题。

发明内容

本发明的任务是要利用广泛存在的乙烯(C₂H₄)、甲烷、一氧化氮、氟利昂或氪之类的物质的液/气转换特性，提供一种原料易得、使用费用低、环保的低温液/气能量转换热机。

本发明的技术方案如下：

一种低温液/气能量转换热机，包括热机本体、起动机，其特征在于所述本体内设有至少一对利用甲烷、乙烯(C₂H₄)、一氧化氮、氟利昂R-14或氪作为工质的气体膨胀做功的气缸，在气缸的活塞杆上以相位互补的方式连接有一曲轴，其外端与设在所述本体外的起动机、发电机和/或其它负载相连；在气缸的顶部设有液态工质进口、载热体进口和排液口；液态工质进口和载热体进口分别与液态工质控制阀及载热体控制阀相连；液态工质控制阀及载热体控制阀分别与液态工质温控储液罐及激发工质液/气转换的载热体罐相连；在储液罐和载热体罐上还连接有输液装置；排液口经排液控制阀与一混合液分离罐的进口相连；分离罐上设有工质液出口及载热体出口，工质液出口与储液罐相连，载热体出口经热交换器与载热体罐相连；在气缸顶部还设有压力和温度传感器。

所述气缸顶部还设有冷载热体喷嘴，其与一带制冷装置的泵相连；所述输液装置是一气压罐，其分别与所述储液罐和载热体罐相连。

所述本体是气密的，在本体内还设有一吸气包，吸气包经一单向阀及吸气泵与所述输液装置相连。

所述工质控制阀、载热体控制阀及所述排液控制阀是一种凸轮定时控制阀，其通过齿轮组与所述曲轴相连。

在所述曲轴上连接有一惯性轮，在所述发电机上接有一蓄电池，蓄电池的输出端与所述起动机相连。

在所述本体底部设有回收气缸漏液的集液槽，集液槽与一回液泵的进口相连；回液泵的出口与所述热交换器相连，在集液槽内还设有液位控制开关，用于回液泵的控制。

上述方案可知，本发明热机是利用乙烯(C₂H₄)、甲烷、一氧化氮、氟利昂、氪之类物质具有低临界温度(甲烷-83℃、乙烯9.5℃、氟利昂R-14-45℃、氪-62℃)液态/气态转化，液态/气态转化会造成体积膨胀，体积膨胀可以做功的特点设计而成的。利用这种热机可以廉价、低成本的获取环境温度的能量，并进行能量转化，使之做为动力可广泛用于工农业生产。具有用之不竭、环保、高效的优点。

以下结合附图1-3对本发明热机作进一步说明。

附图说明

图1是本发明的热机的构造原理示意图；

图2是图1中液态工质控制阀和载热体控制阀的一种具体机构示意图；

图3是阻尼装置的(放大)示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种低温液/气能量转换热机，包括本体20。本体20是一个气密封的壳体，在本体20外有一起动机1。起动机1是一种电动机，由交流电源或蓄电池18供电。起动机1通过减速机构与曲轴2相连。曲轴2的一端在本体20外与发电机16相连，发电机16发出的电用来向负载17供电(当然，曲轴2也可以直接输出动力，驱动负载)。曲轴2的另一端在本体20内与一对并列气缸3、4的活塞杆29相连(根据功率不同气缸可以选用多对，为简化说明起见，本实施例仅以一对为例加以说明)。两气缸的相位是互补的，相位相差180°。在曲轴2上还连接有一惯性轮23，起稳定平衡作用；在曲轴2和惯性轮23之间还可以连接一变速箱48及单向离合器49。单向离合器49的作用是在阻尼装置33发生作用时，一旦惯性轮23的速度大于曲轴2的速度，可以防止惯性轮23反带曲轴2。

在气缸的顶部设有液态工质进口7、载热体进口9、排液口13和冷载热体喷嘴28。液态工质进口7、载热体进口9分别通过液态工质控制阀8及载热体控制阀10与液态工质温控储液罐5及激发工质液/气转换的载热体罐6(温度适当，使工质混合后温度超过临界温度而气化)相连通。理想状态下，工质作功完毕循环回储液罐内时的温度已低于临界温度。但受环境影响，可能会高于临界温度。为此可通过制冷装置制冷，使罐内温度低于临界温度，让工质保持液化。

两控制阀均为凸轮定时控制阀24，其通过齿轮组11与曲轴2相连，使工质控制阀8与载热体控制阀10实现适时开关。工质的注入量是这样计算的(以甲烷为例)：每1.1升气缸容量所需工质≈临界压力值÷22.4×1.3。具体来说，凸轮定时控制阀包括一凸轮38，其轴39与齿轮组11相连；一旋转开关式阀芯40；一可转动阀芯40开关的阀杆41；阀杆41的上部插接在一连接块42的孔内，连接块42与所述凸轮38顶接，在连接块42上还连接有一复位关阀弹簧43；在连接块42的外壁上有一卡槽44，卡槽44通过一滚柱凸起52卡接有一调节螺杆45，螺杆45的上端与一固定在本体20上的调节手柄46相连。通过调节手柄46调节螺杆45的高度可以微调阀芯40开关的时间和开度

冷载热体喷嘴28与一带制冷装置的泵22相连。具体来说就这是一种带有半导体制冷器的泵，由曲轴2及电力驱动，其可将所需的合适温度的冷载热体喷入相应的气缸，帮助气化做功后的工质降温液化成小液滴。

液态工质进口7与设在本体20外的工质温控储液罐5相连。所谓温控指其内设有半导体式制冷及温度检测控制装置，使储液罐5内的温度可控制在略低于液化温度(临界温度)。

排液口13与混合体分离罐14相连，将气化做功后冷却下来的工质小液滴及冷载热体的混合体在回程排入混合体分离罐14。这种液/气混合物按照比重不同在混合体分离罐14内分离为液态的工质(如：乙烯、)及载热体(如：冷水)。工质经工质出口返回储液罐5，留待下次做功。冷载热体则经载热体分离出口流入热交换器19(吸热作用)，冷载热体吸热升温后返回载热体罐6待反复利用。热交换器19和载热体分离出口之间还可以加设吸热装置15，可作为制冷空调器用。也可以利用吸热装置15作为冷源，用于冷冻法淡化海水。具体应用中，在分离罐14内也可以设置半导体制冷装置，以保证运行初期分离罐内的温度符合要求。

在本体20内还设有吸气包30，吸气包30经一单向阀31及吸气泵32与气压罐12相连。吸气泵32可以选用柱塞泵，用来将气缸泄漏的工质收集到气压罐12内重复利用。

在本体20的底部设有回收气缸活塞漏液的集液槽36，集液槽36底部与回液泵37的进口相连。回液泵37的出口与所述热交换器19相连，在集液槽36内还设有液位控制开关371，用于回液泵37的液位控制。

本实施例中，工质输送装置12为气压罐，其与储液罐5及载热体罐6相连，可通过气压将液态工质和载热体定时送入气缸3、4，进行下一周期的做功。此外，气压罐还与放在本体20内的吸气泵32相连，吸气泵32则经一单向阀31与吸气包30相连，可将泄漏在本体20内的工质经气压罐12返送回储液罐5。储液罐5经安全阀34还与一安全罐35相连，用于超压安全防护，防止工质泄漏。

在气缸顶部设置压力和温度传感器50，可检测任意时刻气缸内的压力和温度，便于系统的调控。

本发明热机的工作原理是：

首先，将系统抽真空，将储液罐5内的工质加压冷却成略低于临界温度的液态，将载热体罐6内的载热体加温至接近环境温度。用交流电或蓄电池使起动机工作。起动机带动曲轴转动，从而带动两气缸的活塞运动。按活塞运动循环周期为360°计，两气缸的活塞在相位上是互补的，即成180°相位差。当一气缸的活塞在上止点时，另一气缸的活塞在下止点上，形成推拉互补之势。或说当一气缸由上至下膨胀做功时，另一气缸的活塞由下至上复位、排液(气)。具体来说，当一气缸的活塞行至刚过上止点时，其液态工质控制阀8及载热体控制阀10打开，其排液口13之控制阀关闭，略低于临界温度的液态工质和载热体(对于甲烷、一氧化氮、氪工质，载热体为二氯甲烷；对于氟利昂R-14工质，载热体为55％的乙二醇；对于乙烯工质，载热体为水)分别自储液罐5及载热体罐6经液态工质进口7和载热体进口9流入该气缸(实际应用中，为补偿管道所造成的温升，保证温度略低于临界温度，可在液态工质控制阀8前的管道上加一制冷补偿器51)。工质在载热体作用下迅速升温至温度超过液/气转换临界点，工质迅速气化膨胀，气化热则趋近于零，从而产生较大的推力，推动活塞向下做功，带动曲轴2、发电机或其它负载转运动，向外输出动力。

当活塞下行约46°时，液态工质控制阀8及载热体控制阀10关闭。当活塞达下止点时，该气缸内的工质做功完毕，排液控制阀131打开，活塞开始向上返回，此时该气缸内的工质在消耗了载热体的热量膨胀做功后，理想状态下会液化成小液滴，体积、压力下降。为确保气缸在做功终了时，工质会转化为小液滴，在活塞邻近下止点时，通过高压柱塞泵之类的带有制冷装置(如：半导体制冷罐)的泵22经冷载热体喷嘴28高速连续向气缸内喷少量雾状冷载热体(低于临界温度4、5度)。工质液化为液滴，可大大减少排液(气)行程的功耗。

排液控制阀131的构造同内燃机的排气门(也可以选用进液阀33那样的控制阀)，在凸轮的作用下可以打开或关闭。在排液口13和混合液分离罐14之间可设一单向排液阀132，防止液体倒流。活塞将载热体排出至混合液分离罐14，载热体和工质因为是互不相容的物体，在重力作用下便会自动分离。分离后的载热体(如：水)被送去起制冷空调作用的换热器15(作为制冷源使用，如空调器)及热交换器19，吸收大气环境或海水的热量而升温。然后，载热体被储存在载热体罐内循环使用。对于环境温度较低的地方，可以使用临界温度较低的工质代替乙烯。分离后的工质则被送往储液罐5内循环使用。储液罐5内设置半导体制冷器和温控器以保证储液罐5内工质的温度被控制在临界温度以下。

本实施例中，曲轴2经齿轮组47还连接有一可随曲轴2同步转动的阻尼圆盘331，在阻尼圆盘331上设有两个相差180°的坡形凸台332，每个凸台长度约占圆周弧度9°，坡度约30°-40°，杠杆333的一端带有小轮334与阻尼圆盘331顶接，杠杆333的另一端固定在弹簧335上，弹簧335固定在一液压阻尼泵336上，杠杆333的支点在杠杆的中部，其经一支撑杆337固定在本体20上，在阻尼泵336的活塞杆338与杠杆333相连，连接点位于弹簧335和支点之间。阻尼圆盘331和阻尼泵336是针对工质气化的速度低于加速度会降低做功行程的有效压强而设置的。当气缸进液后，活塞下行约37°时，凸台332开始顶起带小轮334的杠杆333，杠杆333推动液压阻尼泵336对活塞下行产生阻尼作用，减慢活塞的加速度，使工质有更多的时间气化，提高做功行程的有效压强。调节阻尼泵336出液孔的大小，可以调节阻尼的大小。当凸台332越过杠杆小轮334后，在复位弹簧335的作用下，液压油流回阻尼泵的压缩腔。

Claims (10)

1、一种低温液/气能量转换热机，包括热机本体(20)、起动机(1)，其特征在于所述本体(20)内设有至少一对利用甲烷、乙烯(C₂H₄)、一氧化氮、氟利昂R-14或氪作为工质的气体膨胀做功的气缸(3、4)，在气缸(3、4)的活塞杆(29)上以相位互补的方式连接有一曲轴(2)，其外端与设在所述本体(20)外的起动机(1)、发电机(16)和/或其它负载(17)相连；在气缸(3、4)的顶部设有液态工质进口(7)、载热体进口(9)和排液口(13)；液态工质进口(7)和载热体进口(9)分别与液态工质控制阀(8)及载热体控制阀(10)相连；液态工质控制阀(8)及载热体控制阀(10)分别与液态工质温控储液罐(5)及激发工质液/气转换的载热体罐(6)相连；在储液罐(5)和载热体罐(6)上还连接有输液装置(12)；排液口(13)经排液控制阀(131)与一混合液分离罐(14)的进口相连；分离罐(14)上设有工质液出口及载热体出口，工质液出口与储液罐(5)相连，载热体出口经热交换器(19)与载热体罐(6)相连；在气缸顶部还设有压力和温度传感器(50)。

2.根据权利要求1所述的热机，其特征在于所述气缸(3，4)顶部还设有冷载热体喷嘴(28)，其与一带制冷装置的泵(22)相连；所述输液装置(12)是一气压罐，其分别与所述储液罐(5)和载热体罐(6)相连。

3.根据权利要求2所述的热机，其特征在于所述本体(1)是气密的，在本体(1)内还设有一吸气包(30)，吸气包(30)经一单向阀(31)及吸气泵(32)与所述输液装置(12)相连。

4.根据权利要求1所述的热机，其特征在于所述工质控制阀(8)、载热体控制阀(10)及所述排液控制阀(13)是一种凸轮定时控制阀(24)，其通过齿轮组(11)与所述曲轴(2)相连。

5.根据权利要求1所述的热机，其特征在于在所述分离罐(14)和热交换器(19)之间还设有一起制冷空调作用的换热器(15)。

6.根据权利要求1所述的热机，其特征在于在所述曲轴(2)上连接有一惯性轮(23)，在所述发电机(16)上接有一蓄电池(18)，蓄电池(18)的输出端与所述起动机(1)相连。

7.根据权利要求1所述的热机，其特征在于与所述储液罐(5)经过安全阀(34)相连有一安全罐(35)。

8.根据权利要求1所述的热机，其特征在于在所述本体(20)底部设有回收气缸漏液的集液槽(36)，集液槽(36)与一回液泵(37)的进口相连；回液泵(37)的出口与所述热交换器(19)相连，在集液槽(37)内还设有液位控制开关(371)，用于回液泵(37)的控制。

9.根据权利要求4所述的热机，其特征在于所述凸轮定时控制阀包括一凸轮(38)，其轴(39)与所述齿轮组(11)相连；一旋转开关式阀芯(40)；一可转动阀芯(40)开关的阀杆(41)；阀杆(41)的上部插接在一连接块(42)的孔内，连接块(42)与所述凸轮(38)顶接，在连接块(42)上还连接有一复位关阀弹簧(43)；在连接块(42)的外壁上有一卡槽(44)，卡槽(44)通过一滚柱凸起(52)卡接有一调节螺杆(45)，螺杆(45)的上端与一固定在所述本体(20)上的调节手柄(46)相连，用于定时微调。

10.根据权利要求1-9所述的任一种热机，其特征在于所述曲轴(2)经齿轮组(47)连接有一阻尼装置(33)，其包括一可随曲轴(2)同步转动的阻尼圆盘(331)，在阻尼圆盘(331)上设有两个相差180。的坡形凸台(332)，每个凸台长度约占圆周弧度9°，坡度约30°-40°；还包括一杠杆(333)，杠杆(333)的一端带有小轮(334)与阻尼盘顶接，杠杆(333)的另一端固定在弹簧(335)上，弹簧(335)固定在一液压阻尼泵(336)上，杠杆(333)的支点在杠杆的中部，其经一支撑杆(337)固定在所述本体(20)上；阻尼泵(336)的活塞杆(338)与杠杆(333)相连，连接点位于弹簧(335)和支点之间。

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