CN87105068A

CN87105068A - 第二类热动发动机

Info

Publication number: CN87105068A
Application number: CN 87105068
Authority: CN
Inventors: 杨正祥
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-08-22
Filing date: 1987-08-22
Publication date: 1988-03-16

Abstract

第二类热动发动机是相对内燃机、燃汽轮机等第一类热动发动机而言的一种新型发动机。主要采用了二种现有的实用技术，即热泵技术和气轮发动机技术，具有从单一热源中吸收热能转换成机械能的性能，以达到提供新能源，改善生态环境的目的。本发明的典型结构是机械式的，简化了的发动机只由压缩机、汽轮机、吸热器三部分构成，结构简单。本发明主要用于海洋和地热发电，也可用于船只，做为发动机。

Description

本发明属于热动原动动力机械，是一种低温差、低压差发动机，其理论根据是本人建立的“第二类热动发动机定律”（见所附论文），采用了二种现有实用技术，是具有首创性的组合发明。

现有的热动动力机械，即“第一类热动发动机”基本都是采用人工制造高温差的方法，通过热膨胀等来实现预定的机械运动。各种内燃机、活塞式蒸汽机、燃汽轮机等都属于第一类热动发动机。由于用人工制造高温差的方法因石油、煤炭的日趋贫乏和核技术的不成熟而受到很大的限制，同时，人工释放高热能又使环境温度大幅度上升，引起一系列公害，最终将威胁人类的生存和发展。

本发明的任务就是放弃采用人工制造高温差并通过一定方式做功实现预定机械运动这种“第一类热动发动机”的基本原理，根据“第二类热动发动机定律”，采用从一般环境等单一热源中吸收热能，通过内部变换而采用低温差，等比容压差移动做功的方法实现预定的机械运动，从而使以往的“不可再生能源”变成了“可再生能源”，并保护了自然生态环境。

本发明的典型实施例是机械式的，称为“机械式第二类热动发动机”，它采用了二种现有的实用技术，即全封闭蒸汽压缩式热泵技术和蒸汽汽轮发动机技术。

我们知道，目前实用的冷冻机，如使用氨制冷剂的工业冷冻机，可以在环境温度为30℃，蒸发温度为-15℃的情况下，使制冷系数达到4.8这样的水平，那么相应的热泵“制热系数”就可高达4.8+1＝5.8，如记入90%的机械效率则制热系数为5.2。汽轮机的单机效率一般可高达90%，由于在本实施例中，蒸汽在接近等比容状态的压差移动做功时，蒸汽温度由0开始最终要上升到0.75左右，所以取汽轮机单机效率为80%，用图解法（参见附图2和3），可算得此时可供汽轮机做功的能量占蒸汽所含可释放能量的73%，则实际热功转换效率为73%×80%，约为58%，加上液泵等附属设备最低可达到50%，如果用热泵为汽轮机供热，用汽轮机的输出动力的一部分为热泵提供动力，则有：

5.2×50%-1＝1.6

就是说可以从汽轮机输出轴上得到是热泵所需回授机械能的1.6倍的动力输出，可以用来发电或直接驱动船只（注：以上有关数据摘自农业出版社《制冷机的理论和性能》1982年出版）。

本实施例的工作热原理方框图见附图1。图中左半部的冷凝器、蒸发器是全封闭蒸汽压缩式热泵的主要工作部分;右半部的汽化器、液化器是汽轮机的重要热附属结构，使汽轮机的工质工作于全封闭循环状态，二者间以液泵相连;汽轮机和热泵间以一定的机械形式相连接，以提供动力。

附图1中的实线及箭头表示工质的运动路线与方向，虚线及箭头表示热量传输情况。可见，冷凝器和液化器是同一个热交换器（应与其它部分绝热）;蒸发器和汽化器是同一个热交换器，这个热交换器是整个实施发动机的吸热器，和外界热源如海水接触吸热，提供能源。应该注意的是，蒸发器必须先对液化器进行充分冷却，然后再从外界热源的那吸热，所以这个交换器是由机内和机外二部分构成的。

附图1中，Q₁、Q₂、Q₃是热泵每压缩单位质量的工质，热交换换器中发生热交换的值，A表示稳定工作时所输出的相应的机械能的值。设汽轮机的实际热功转换效率为α，热泵的“制热系数”为β，则有以下推导：

α= (Q₁-Q₂)/(Q₁) ①

β= (Q₁)/((Q₁-Q₂)-A) ②

解之，得关系式： (A)/((Q₁-Q₂)-A) =αβ-1③

式中的（Q₁-Q₂）-A为热泵所需回授的机械能，将α＝50%，β＝5.2代入③式得1.6与前面分析的相同。

根据能量守恒定律，A＝Q₃代入③式得：

αβ-1= (Q₃)/(Q₁-Q₂-Q₃) ④

④式的意义是：当实际上的αβ-1＞0时，说明Q₃＞0，整个发动极为吸热状态，可以自动工作;当αβ-1＜0时，说明Q₃＜0，发动机既使被启动机启动平稳了也不能自动工作;当αβ-1＝0时，为临界状态。

接下来，我们用图解法来对这一计算加以印证。为了叙述方便，设热泵和汽轮机采用同一种工质，各自组成封闭回路进行工作，则可绘出单位质量同种工质的实施发动机工质工作状态图（lgP-h图，又称莫里哀图）如附图2。附图2中ABCD表示热泵工质的工作状态，因已成熟技术，恕不赘述。图中EFGH表示汽轮机工质的工作状态，其状态进行方向与热泵相反（见图中箭头）;EF段表示工质在汽化器中吸热变成干蒸汽，FG段为蒸汽在汽轮机中以接近等比容状态在压差作用下做功，FG近似为等此容线，GH段为汽轮机尾汽进入液化器后的冷却液化阶段，温度基本不变，HE段表示被液化后的工质被液泵送回汽化器中，内能增加很少。

从AB和EF的大小来看，有单位质量的工质在汽轮机中工作，需要更多一些的工质在热泵中工作。如果将具有对等的耗热、供热能力的工质的状态绘成专用于表征输出功的lgP-△h图即焓变图就出现了附图3，附图3中的A就是前文的“热泵每压缩单位质量工质”汽轮机“所输出的相应机械能的值”。当然，A和Q₃是一致的，相等的。

下面，我们根据从实施例中推导出的式④，对包括机械式在内的各种第二类热功发动机加以讨论。

①如果某发动机的αβ-1≤0，那么这种装置将无法自动工作，但，这并不说明这种装置就没有用处了。如，某种半导体热泵能使αβ-1的值在零附近，那么这种装置就可以做为一种特殊的高效电动机来使用，可具有恒温、调温作用。

②当某种半导体热泵会使αβ-1的值大于零时，Q₃＞0，可以自动工作用于发电，也可以采用其它电源而成为一种半热动的超高效电机，可以在工作于高温环境中时对自身进行冷却，也可以在必要时采用调温方式工作。

③在特殊情况下，热泵和汽轮机可单独的，也可全部地采用半封闭或完全开放的非循环工质结构进行工作。例如：在有低压蒸汽产出的地热地区，热泵可以直接吸入低压蒸汽进行压缩制热，高压端形成的高温高压水可通过水轮机回收能量也可直接排放，而汽轮机则可直接吸入沸水而排出湿蒸汽，使整机形成完全开放的结构-一根据附图3及全开放结构中热泵排水与汽轮机吸水的特点，可得出实施例的简化结构，即只由压缩机、汽轮机、吸热器三个部分构成。如附图4所示的全封闭蒸汽单循环结构，相当于用汽轮机直接取代了热泵的冷凝器和节流阀，用等比容压差做功代替冷凝和节流。工质工作状态相当于把附图2中的B、F二点重合，把G、M二点重合所形成的三角形B（F）CG（M）。如果仔细研究莫里哀图上的这个三角形我们就会发现，在饱和区和过热区的任何一个地方，等熵线和等比容线都是不重和的，而且都可以画出形状相近的三角形，所不同的是在过热区画出的三角形中同样的压差下，等比容线上的温差要比饱和区的高好多倍。据此，我们可以根据发动机的工作环境和允许的形状和尺寸大小具体设计发动机工质的工作状态，以达到最佳的效果。这样一来，简化的机械式第二类热动发动机就不只有“全封闭蒸汽单循环”一种结构了，还会出现“半封闭”、“非蒸汽式”等多种结构，我们可以将它们统称为“气体压缩式单循环结构”。相应的，这种发动机中的热泵也就不是只利用汽化热的热泵了，应称为“气体压缩式热泵”了，汽轮机和吸热器也会有功能和结构上的变化。

在只有高温水产出的地区则可以采用只是汽轮机开放的结构，不过还是采用简化结构更科学一些。

④根据能量守恒定律，本发明中的发动机只有在吸入热能和输出能量相等的状态才能持续地正常工作，如果无负载或负载过低，内部能量积累将过大，所以应该设置相应的保护、保险装置。

⑤本发明中的发动机必须经过起动机起动后方能进入正常工作状态。

⑥汽轮机主体应该与其它部分绝热，否则整机性能将难以保证。对压缩机也应与以考虑。

⑦必要时汽轮机转子表面和外壳内壁应考虑采用不易被工质湿润的材料。还可以考虑转子转轴与水平面垂直放置，让工质由上向下运动，以降低湿蒸汽带来的不良影响。

⑧具体实施的发动机其工质运行状态会与前文所述的略有区别，其目的无非是提高整机效率和提高适应能力，在基本原理上是相同的，基本结构是类似的。

⑨汽轮机向热泵反馈的能量可以是直接的，也可以是间接。如：全机械式的，汽轮机和热泵可以是同轴转动的或通过变速器传动的，也可以是用惯性储能法间接传动的;半导体热泵式的，热泵的电能可以是输出端发电机直接回授的，也可以是储电池间接回授的。

⑩热泵吸收的能量可以是来自流体、固体的热能，也可以是来自辐射、燃料等其它可直接、间接变成热能的能源。

(11)当热源供应不稳定，但输出要求稳定，或热源供应相对稳定而输出端负载却很不稳定时，可采用灵活的驱动方式，采用全热或半热动方式。

本发明的最大优点在于只采用了二种实用技术就实现了热机能量来源的改变，变“不可再生能源”为“可再生能源”，解决了末来社会的能源和环境问题。从造价、效率、效益、安全性、维修、适用范围、运转方式、运行管理上看都有相当大的优越性，最适合于无人操作的自动化发电、生产等。

本发明的最佳使用方案是用于海洋发电和地热发电，以解决能源问题。

用于海洋发电时，可以将整个发电机组安装在海平面以下的混凝土底座上，或用浮筒与三条锚链将其浮置于海水之中，从海水中吸热并利用海水被冷却后下沉形成的自然对流来实现平稳连续的工作。

用于地热发电时，可以四季不间断工作。

Claims

1、第二类热动发动机，属于热动动力机械，其特征是：采用以热泵和汽轮机为主体并用热泵为汽轮机提供全部热能的结构，用于输出机械动力的装置。

2、按权利要求1所述的动力装置，当采用全机械结构时，其特征是：热泵和汽轮机既可采用各自封闭循环工质结构，又可采用单独封闭、单独半封闭、各自半封闭、完全开放等多种结构。

3、按权利要求2所述的动力装置，其特征是：可以简化为由压缩机、汽轮机、吸热器三部分构成的全封闭蒸汽单循环结构或气体压缩单循环结构。

4、按权利要求1所述的动力装置，其特征是：设有保护、保险装置。

5、按权利要求1所述的动力装置，当汽轮机向热泵反馈能量时，其特征是：反馈的能量既可以是直接的也可以是间接的（指相应的机械结构或电气结构）。

6、按权利要求1所述的动力装置，当汽轮机不向热泵反馈能量时，其特征是：热泵由另外的能源，如电源提供能量（指相应的机械结构或电气结构）。