CN204984750U - 一种低温差热机 - Google Patents

Abstract

一种低温差热机，包括：壳体、导流机构、工质腔、动力输出机构、冷源采集器、热源采集器、机电控制系统，壳体内部分为制热腔和制冷腔，热源采集器的前端置于制热腔中，冷源采集器的前端置于制冷腔中，导流机构安装在壳体内部的下端，机电控制系统安装在导流机构的外侧，工质腔安装在壳体内部的上端，动力输出机构安装在工质腔出液口的上端。本实用新型具有以下优点：1、采用煤油作为膨胀工质，效率高；2、结构简单，使用方便；3、需要的温差小；4、工质温度改变需要的时间很短，保证动力输出机构能立即获取动能，从而确保了动力输出的连贯性。

Description

一种低温差热机

技术领域

本实用新型涉及一种热机，特别是一种低温差热机。

背景技术

内能转换为机械能的技术由来已久，以此原理产生出了大量的热机，如内燃机、燃气轮机、蒸汽机、汽轮机、喷气发动机等；此类热机通常以气体作为工质，利用气体受热膨胀对外做功。但是传统的热机存在如体积大、噪音大等缺陷，在使用时会受到很多限制；如摩托车中使用的热机，其启动时产生的噪音较大，给居民带来了严重的噪音污染。而目前的一些热机如斯特林发动机在解决噪音方面取得了有效的进展，但是这些热机依旧采用气体作为工质，需要较大的温差（500~700℃）才能正常运转，对热媒的要求很高且使用范围窄，效率低下。

近年来，随着技术的发展，通过热泵技术应用来进行低温热能利用（对低温端能量浓缩富集，在高温端释放出来），在生活用能领域发挥巨大作用。也有热泵耦合朗肯循环的热力发电系统,如有机物朗肯循环、水蒸气扩容循环、卡诺循环、氨吸收式动力制冷复合循环等。这些设备一般体积庞大，工艺复杂，效率低下，实用价值不高。相比卡诺热机，班克斯热机（记忆金属热机）效率高出很多，但它体积庞大，输出功率低，目前仅限于展览馆展示和实验室研究。

由于利用气体作为工质会产生如机体体积大、需要温差大等问题，目前，出现了许多有关利用液体膨胀做功的热机的报道，如CN104265501A公开了一种液体热机，通过对液体工质进行加热，使工质膨胀对外做功，有效地解决了热机噪音大、体积大、需求温差大的问题，但是这种方法依旧存在以下几方面的问题：1、加热装置对工质进行加热、冷却装置对工质进行冷却，而加热装置和冷却装置在对工质进行加热和冷却时，工质温度改变需要的时间较长，使得动力输出装置不能立即获取动能，导致其运动不连贯，使用不方便；2、这种方式需要的温差依旧较大（30~50℃）；3、这种方式效率低下，热能流失量大；4、结构较复杂，需要多根管道交叉注入膨胀箱。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种低温差驱动、效率高、工质温度改变快、结构简单的热机。

本实用新型的技术方案是：一种低温差热机，包括：壳体、导流机构、工质腔、动力输出机构、冷源采集器、热源采集器、机电控制系统，壳体内部分为制热腔和制冷腔，热源采集器的前端置于制热腔中，冷源采集器的前端置于制冷腔中，导流机构安装在壳体内部的下端，机电控制系统安装在导流机构的外侧，工质腔安装在壳体内部的上端，动力输出机构安装在工质腔出液口的上端。

进一步地，所述导流机构包括转动轮、活塞和弹簧；转动轮与机电控制系统连接，转动轮的一侧安装有活塞，弹簧的一侧安装在活塞上，另一侧安装在壳体的内部。

进一步地，所述工质腔的材质最好为热膨胀系数小（膨胀系数为负）、机械强度高、传热速度快的锑合金材料，但不限于锑合金材料，工质腔可具有多个出液口，每个出液口可以为不同的直径，因而本实用新型作为单系统可以支持连接多个不同缸径的液压油缸。

进一步地，所述工质腔一端放置在制热腔中，另一端放置在制冷腔中；工质腔的出液口安装有液压油缸，液压油缸上方安装有动力输出机构；工质腔的结构为细管延长加换热翅片，能够加大整个工质腔的腔壁面积，从而加速整个热交换过程。

进一步地，所述热源采集器安装在制热腔中，热源采集器的内部安装热源采集模块；冷源采集器安装在制冷腔中，冷源采集器的内部安装有冷源采集模块。

进一步地，所述机电控制系统通过安装轴与导流机构中的转动轮轴连接。

本实用新型的原理为：壳体内部分为制热腔与制冷腔两个腔体，制热腔与制冷腔之间在壳体的上端为连通状态，下端由活塞隔断；制热腔中安装有热源采集器，能够采集热源，并对制热腔中的液态介质进行加热，制冷腔中安装有冷源采集器，能够采集冷源，并对制冷腔中的液态介质进行制冷；制热腔中含有的介质温度高而制冷腔中含有的介质温度低；

机电控制系统带动转动轮转动，转动轮带动活塞左右移动；当活塞向左移动时，带动制冷腔下端温度较低的介质向左移动，挤压制热腔中温度较高的介质，从而带动制热腔上端的温度较高的介质向右运动，进而使得工质腔中的膨胀工质吸热，并膨胀；此时，膨胀工质会给液压油缸施加压力，推动液压油缸向上运动从而带动动力输出机构向上运动。

当活塞向右移动时，带动制热腔底部温度较高的介质向右移动，挤压制冷腔下端温度较低的介质，从而带动制冷腔上端的温度较低的介质向左运动，进而使得工质腔中的膨胀工质放热，并收缩；此时，膨胀工质会在工质腔的出液口处回流，使得液压油缸在压力的作用下向下运动从而带动动力输出机构向下运动。

进一步地，所述工质腔内含有膨胀工质，膨胀工质为煤油；

原因在于：采用10L的煤油作为膨胀工质，煤油比重为ω=0.8kg/l，则10L的煤油质量m=8Kg，煤油的比热容C=,根据公式Q=，当煤油的温度升高时，煤油吸收的热量Q=16800；由于煤油的膨胀系数，而，则煤油体积膨胀，液压油缸下侧的截面面积为S=1，煤油带动液压油缸的移动距离为h=10cm，而液压油缸输出的压强为500Mpa时，根据公式W=PSh可以计算出，液压油缸在煤油温度升高1℃时做的功W=5000J；由此可以计算出整个热机的效率5000/16800≈29.76%，从上述计算过程可以看出，整个热机的效率与膨胀工质的比热容C和比重ω成反比，并且与膨胀工质的膨胀系数成正比；

在同样的条件下，如果膨胀工质选择为非煤油，以水为例，采用10L的水作为膨胀工质，水的比重为ω=1kg/l，则10L的水质量m=10Kg，水的比热容C=，根据公式Q=，当水的温度升高时，水吸收的热量Q=43000；由于水的膨胀系数，而，则水体积膨胀，液压油缸下侧的截面面积为S=1，水带动液压油缸的移动距离为h=2cm，而液压油缸输出的压强为500Mpa时，根据公式W=PSh可以计算出，液压油缸在水温度升高1℃时做的功W=1000J；由此可以计算出整个热机的效率1000/43000≈2.3%；

同样地，如果选择水银作为膨胀工质，水银的比重为ω=13.58kg/l，则10L的水银质量m=135.8Kg，水银的比热容C=,根据公式Q=，当水银的温度升高时，水银吸收的热量Q=19012；由于水银的膨胀系数，而，则水银体积膨胀，液压油缸下侧的截面面积为S=1，水银带动液压油缸的移动距离为h=1.82cm，而液压油缸输出的压强为500Mpa时，根据公式W=PSh可以计算出，液压油缸在水银温度升高1℃时做的功W=910J；由此可以计算出整个热机的效率910/19012≈4.78%；

同样地，如果选择酒精作为膨胀工质，酒精的比重为ω=0.8kg/l，则10L的酒精质量m=8Kg，酒精的比热容C=,根据公式Q=，当酒精的温度升高时，酒精吸收的热量Q=19300j；由于酒精的膨胀系数，而，则酒精体积膨胀，液压油缸下侧的截面面积为S=1，酒精带动液压油缸的移动距离为h=11cm，而液压油缸输出的压强为500Mpa时，根据公式W=PSh可以计算出，液压油缸在酒精温度升高1℃时做的功W=5500J；由此可以计算出整个热机的效率5500/19300≈28.5%；

因此，采用煤油作为膨胀工质，为液体中的最优选，能使整个热机的效率达到最优。

本实用新型与现有技术相比具有如下特点：1、采用煤油作为膨胀工质，能够保证整个热机具有较大的效率，从而减少了能量的损耗；2、本实用新型仅仅采用一个壳体即能满足传热，不需要多根管道接通，结构简单，使用方便，并且本实用新型体积小，既能作为独立系统进行工作，也可以根据用户需求，作为独立小单元，组合成任意大规模系统，还可以通过电机和液压的自动控制，组成多足移动平台；3、本实用新型在温差高于1℃时即能克服机械自身摩擦对外做功，需要的温差很小；4、本实用新型采用活塞运动带动温度高的介质与温度低的介质相互移动，使得工质温度改变需要的时间很短，保证动力输出机构能立即获取动能，从而确保了动力输出的连贯性。

以下结合附图和具体实施方式对本实用新型的详细结构作进一步描述。

附图说明

图1—为本实用新型的结构示意图；

图2—为本实用新型的侧视图。

1—壳体，2—导流机构，3—工质腔，4—动力输出机构，5—冷源采集器，6—热源采集器，7—机电控制系统，11—制热腔，12—制冷腔，21—转动轮，22—活塞，23—弹簧，31—膨胀工质，32—液压油缸，51—冷源采集模块，61—热源采集模块，71—安装轴。

具体实施方式

如附图所示：一种低温差热机，包括：壳体1、导流机构2、工质腔3、动力输出机构4、冷源采集器5、热源采集器6、机电控制系统7；

壳体1的内部分为制热腔11和制冷腔12两个腔体，制热腔11与制冷腔12之间在壳体1的上端为连通状态，在壳体1的下端由活塞22隔断；制热腔11中安装有热源采集器6，能够采集热源，并对制热腔11中的液态介质进行加热，制冷腔12中安装有冷源采集器5，能够采集冷源，并对制冷腔12中的液态介质进行制冷；制热腔11中含有的介质温度高而制冷腔12中含有的介质温度低；作为优选，本实施例中，热源采集器6为热泵系统的冷凝器，冷源采集器5为热泵系统的蒸发器；

热源采集器6安装在制热腔11中，热源采集器6的内部安装有用于采集热源的热源采集模块61；冷源采集器5安装在制冷腔12中，冷源采集器5的内部安装有用于采集冷源的冷源采集模块51；

导流机构2安装在壳体1的下端，包括转动轮21、活塞22和弹簧23；活塞22的一端与转动轮21连接，另一端与弹簧23连接，弹簧23安装在壳体1内壁的下端；

机电控制系统7通过安装轴71与导流机构2中的转动轮21轴连接；

工质腔3一端放置在制热腔11的上端，另一端放置在制冷腔12的上端；工质腔3的结构为细管延长加换热翅片，能够加大整个工质腔的腔壁面积，从而加速整个热交换过程，工质,3的出液口安装有液压油缸32，液压油缸32上方安装有动力输出机构4，液压油缸32用于推动动力输出机构4上下运动；工质腔3中含有膨胀工质31，膨胀工质31为煤油。

本实用新型的工作原理和使用方法是：机电控制系统7带动转动轮21转动，转动轮21带动活塞22左右移动；当活塞22向左移动时，带动制冷腔12下端温度较低的介质向左移动，挤压制热腔11中温度较高的介质，从而带动制热腔11上端的温度较高的介质向右运动，进而使得工质腔3中的膨胀工质31吸热，并膨胀；此时，膨胀工质31会给液压油缸32施加压力，推动液压油缸32向上运动从而带动动力输出机构4向上运动。

当活塞22向右移动时，带动制热腔11下端温度较高的介质向右移动，挤压制冷腔12下端温度较低的介质，从而带动制冷腔12上端的温度较低的介质向左运动，进而使得工质腔3中的膨胀工质31放热，并收缩；此时，膨胀工质31会在工质腔3的出液口处回流，使得液压油缸32在压力的作用下向下运动从而带动动力输出机构4向下运动。

采用10L的煤油作为膨胀工质，利用本实用新型进行做功，得到的效率值计算方式如下：煤油比重为ω=0.8kg/l，则10L的煤油质量m=8Kg，煤油的比热容C=,根据公式Q=，当煤油的温度升高时，煤油吸收的热量Q=16800；由于煤油的膨胀系数，而，则煤油体积膨胀，液压油缸下侧的截面面积为S=1，煤油带动液压油缸的移动距离为h=10cm，而液压油缸输出的压强为500Mpa时，根据公式W=PSh可以计算出，液压油缸在煤油温度升高1℃时做的功W=5000J；由此可以计算出整个热机的效率5000/16800≈29.76%。

本实用新型与现有技术相比具有如下特点：1、采用煤油作为膨胀工质，能够保证整个热机具有较大的效率，从而减少了能量的损耗，实施例中本实用新型可以耦合已有能效比为2~6的热泵热能采集技术，从而进一步提升了效率；2、本实用新型仅仅采用一个壳体即能满足传热，不需要多根管道接通，结构简单，使用方便，并且本实用新型体积小，既能作为独立系统进行工作，也可以根据用户需求，作为独立小单元，组合成任意大规模系统，还可以通过电机和液压的自动控制，组成多足移动平台；3、本实用新型在温差高于1℃时即能克服机械自身摩擦对外做功，需要的温差很小；4、本实用新型采用活塞运动带动温度高的介质与温度低的介质相互移动，使得工质温度改变需要的时间很短，保证动力输出机构能立即获取动能，从而确保了动力输出的连贯性。

本实用新型并不局限于上述实施方式，如果对本实用新型的各种改动或变形不脱离本实用新型的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本实用新型的权利要求和等同技术范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变形。

Claims (7)

1.一种低温差热机，包括：壳体（1）、导流机构（2）、工质腔（3）、动力输出机构（4）、冷源采集器（5）、热源采集器（6）、机电控制系统（7），其特征在于：壳体（1）内部分为制热腔（11）和制冷腔（12），热源采集器（6）的前端置于制热腔（11）中，冷源采集器（5）的前端置于制冷腔（12）中，导流机构（2）安装在壳体（1）内部的下端，机电控制系统（7）安装在导流机构（2）的外侧，工质腔（3）安装在壳体（1）内部的上端，动力输出机构（4）安装在工质腔（3）出液口的上端。

2.如权利要求1所述的低温差热机，其特征在于：所述工质腔（3）内含有膨胀工质（31），膨胀工质（31）为煤油。

3.如权利要求1或2所述的低温差热机，其特征在于：所述导流机构（2）包括转动轮（21）、活塞（22）和弹簧（23）；转动轮（21）与机电控制系统（7）连接，转动轮（21）的一侧安装有活塞（22），弹簧（23）的一侧安装在活塞（22）上，另一侧安装在壳体（1）的内部。

4.如权利要求1或2所述的低温差热机，其特征在于：所述工质腔（3）一端放置在制热腔（11）中，另一端放置在制冷腔（12）中；工质腔（3）的出液口安装有液压油缸（32），液压油缸（32）上方安装有动力输出机构（4）。

5.如权利要求1或2所述的低温差热机，其特征在于：所述热源采集器（6）安装在制热腔（11）中，热源采集器（6）的内部安装有热源采集模块（61）；冷源采集器（5）安装在制冷腔（11）中，冷源采集器（5）的内部安装有冷源采集模块（51）。

6.如权利要求1所述的低温差热机，其特征在于：所述机电控制系统（7）通过安装轴（71）与导流机构（2）中的转动轮（21）轴连接。

7.如权利要求1所述的低温差热机，其特征在于：所述工质腔（3）的材质为锑合金材料。