TW201040380A - Thermodynamic power generation system - Google Patents

Description

201040380 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明涉及外_丨擎。更魏地，棒歸及在低溫健下工作的外 加熱引擎的效率和性能的改進。 【先前技術】 外加熱引擎’尤其是類似於氣體或液體渴輪類引擎的外加熱引擎，通常 具有極大的㈣。這是___#高效、操作相_，且可靈 =乍流體作為媒介。然而’與此同時，外加熱引擎在許 到了重大的限制。 又 使用液態流體流的職引擎受到的限制最大。除非與其後呈有大量的 或與破大量下落且朗快速流動的水流連通，外加熱引擎不能 量的。在沒有水壩或水_航下，充分加鏡體或將其升高 夕而不使用太多的花費以獲得有用_路輸出則是不可行的或並效 如-些蒸汽船中使用的槳輪類結構需要單獨的動力源^ 蒸π機）來進行操作。 «更A的前景。其可使用氣相流體為引 、/例如’細機車）提供動力。其他類型的熱氣渦輪也是本領域公 作。細，事實上，在刪些敎巾，峨要非常高的 力下^通跑丨擎難以達到幾百華氏度的溫度並同時在幾百脱的壓 達二:味著必_擎專—與之― 售的蒸汽機車和固定的蒸汽機例如依靠大量的煤火運行， 工作’以產生所需要的水準。這樣㈣擎會在不合適啊間_。〜口 201040380 氣體满輪引擎（例如在發電站使㈣）也使財常高的溫度和壓力。嘴射 式渦輪引擎（例如在飛機上使用的）也在其燃燒腔内產生極高的溫度，並 且還使用多級壓縮以達到期望的壓力和溫度。 本發明旨在提供這樣的熱力引擎和熱力能量發生线，其避免高溫高

壓，並依賴於姆低溫的熱源和健工作流縣產生能量。_統無需Z 用的燃燒源粒作，並將相對高效地工作，且產生足夠多的能量。例如，

Ο 該引擎被設計為依槪其他處_制低溫廢紅作，或簡於低溫太陽 能或地熱能工作。 現有的許多專利公開了·發電裝置的配置，具體地包括，旋轉元件上 的渦輪葉片、機架結構、工作流體入口和排氣σ。

Scalzo的第3, 501，249號美國專利針對渦輪轉子，尤其針對用於鎖定 位於葉片支擇盤的週邊的渴輪轉子葉片的結構。

Bas_an的第4, 〇73, _號美國專利公開了這樣的裝置其包括中心 圓盤製成_輪轉子輪和定子她，繞的顧以接近的規則_ ===輪_峨，㈣㈣娜咖渦輪轉 a擇—_多_送噴嘴，並提供噴嘴的定子反應底座， 該輪及其«錢麵具«上，該包括參數 輪 節_置，術__概酬㈣。 調 荦片在t等人㈣4伽，137號美__ 了轉子組件㈣於將轉子 物定和移除的方法。該轉子組件_子盤和多個轉 榫限定從榫的外表面向：位於賴之間的多轉，多個 内、仵嗖荦片 °伸的夕個銷槽。每個葉片包括位於葉片槽 片不徑向移動的根部，並包括覆蓋榫且_向延伸銷孔的葉 5 201040380 片平臺。轉子組件還_個鎖定銷’鎖定銷徑向延伸穿過鎖孔並進入銷 槽，以保護轉子料不徑向移動。每_包括頭部和底部以限定銷的徑向 移動。 的第4我454號美國專利公開了全周進氣徑 具有全周進氣式徑向_級_輪。制輪為單軸、雙壓式渦輪 轴向流渦輪級的低壓部分姻從徑向衝擊級所在的高壓部分排出的工作泣 體。雙壓的徑向衝擊級（或每個徑向衝擊級）具有轉子或輪，轉子或 輪的蝴物與·_權爾_邊開口。經由形成或職 稱在喷嘴％上的噴嘴將卫作流體提供至桶，噴嘴環圍繞渦輪的 | 入口端對m。 / _ ^等人的第4,502,838號美國專利公開了渦輪輪子的葉片 bucket) ’上述料形成為輪域朗的u博嶋重疊㈣形通道。 在加工過程中，島狀物被遺留為U形的彎曲部的内部部分，並與迷宮式密 封結合用來提供每個葉片的入口和出口之間的流體密封。

Alette的第5’ 〇74, 754號美國專利公開了轉子葉片的保持系統，翔用 固疋保持法蘭和具有關保持件的可軸保持板的組合。這辦統可以快 f更換或移轉片以進行檢查、維修歧換，聽需鎌周_主要引擎 或構件通過將轉子葉片的成形葉片根部的向外延伸部分插入到外 部位於保持件結_编嶋細法_下方，轉子料安裝在可 方疋轉較中的簡件（未示幻中。可釋放地安裝並配合於保持件的可移動 職則輸晴崎咖㈣彻輸編陶—向外延 H成雜部哪亀_删錢_幽。讎緊固件 系統凡件中的壓縮負載，從而使其各元件表面的磨損減小或消除。 6 201040380 見有技術包括嘗試從主熱源獲取廢熱然後在次級能量系統巾再利用的 能量系統的許多實施例。 的第3,822,554號美國專利公開了在溫度τι (低）和T2 (高） ^工作的熱力？丨擎，其包括在T1和T2溫度下的換熱關係中的、單獨的 U閉。迴®電機和H統，並包括以及系_冷關之間的換熱器。 ❹ ❹ g等的第3, 953, 973號美國專利公開了 -種熱力引擎或熱泵，其中， 工作媒介交替地受到凝固和炫化操作…種工作媒介稱為S/L型工作媒介， 其受到迴圈操作，每個迴圈包括第—壓力下的高溫熔化步驟和第二壓力下 的低溫凝固步驟。每個熱I迴圈包括第―壓力下的高溫凝固步驟和第二遷 力:的低溫凝固步驟。當使用非水媒介時，第-壓力和第二壓力分別為相 對同壓和相對健。#制水齡時，_壓力分別為相對健和相對高 壓。熱泵的操作為熱力引擎的反操作。 ^

Bjoiidund的第4’ 292, 809號美國專利公開了用於將低級熱紙轉化為渦 *的機械能錢—步利_方法。該方法的特徵在於，在換熱H中將低級 加熱媒介和第—冷魏介_。將航奴輪進概量轉換，並將潮 濕的蒸汽運社換熱轉行冷凝。將冷凝物抽雜齡。換熱^ 輪電路和齡輯_方式糾，錢雜純滅汽電路；! 凝器和練電__，冷凝去__第二蒸發冷卻媒純 2其Γ汽由熱栗抽至由冷卻的媒介冷卻過的換熱器，在第二蒸發冷卻媒 η進订冷政。當從換熱器出去的冷卻的媒介整體加熱至低於處理開始時 的原始溫度、或部分的流被麵加熱至等於或高於處獨始 。 並返回換熱器時，冷凝物經 、D皿度 峰脹閥破運送回換熱器。«的熱氣用於對 域至渦輪·人的第1發冷卻齡進行的過熱。 201040380

Dibelius等人的第4, 475, 343號美國專利公開了利用熱系生成熱的方 法’其^ ’載熱流體由換熱器加熱並通過之後_縮機内的溫度升高而壓 縮，、、、里由此傳遞至熱接納（heat_adfflltting)處理，然後流體在氣體渴 輪中膨脹肛作，然後_的熱被傳敝熱能處理，驗縮機提供運轉的 能量源的最高溫度舰熱傳遞的溫度。主餘可鱗熱魏學或核反麟 成，熱接納處理可為煤的氣化處理。_機_工作基本由氣體渦輪和熱 能量處理提供。

Rosenblatt的第4,5G3,682號美國專利公開了—種引料統， 與吸收冷卻子魏結合的合成的低溫散無，該子錢的輸人來自外部低 級熱能供應和冷卻流體的外部源。低溫引擎包括與外部熱能源換熱連通的 高溫端、和與做冷卻子系統提㈣合成散熱器換熱魏的低溫端。冷卻 溫度可根據需要械f，包括低於職溫度（例如外部冷卻源的溫幻的 溫度。這-使得能夠利用非常低級的外部熱輸人源，因為可選擇有利 的低的冷卻溫度。

Rosenblatt的第5, 421，157號美國專利公開了低溫引擎系统其具有 換熱器形式的升溫恢復器’驗復！I㈣—人π連接於位於雌熱力引擎 的高溫入口和低溫出口之間的中間位置的抽取點，該恢復器的出口通過到 第二入口的導管連接於渦輪的高溫端和低溫端之間、抽取點的下游處。在 恢復器中’來自練闕熱力媒介無顯單摘低溫職端經由水冷卻 冷凝器制的熱力賴交換_，並在製冷冷難中與流钱收料 子系統的冷凝劑賴錢_。賴恢復H返回雌的熱力齡被料穿 過返回導管以與做冷卻子祕的冷凝繼—步熱交換，並由外部熱源在 換熱器中加熱，並通過導管返回雕的高料，㈣完成。例如水的 201040380 、冷卻賴力媒介冷㈣導人轉從溫排氣端騎並穿過其中 的熱力媒介進行換熱。 V〇gel _ 5,537,823號美國翻公開了組合迴曝力減處理，用於 將熱能高效轉換為機械轴動力。這-處理對於提供電力的高效能量轉換系 統（以及熱服務的適當情況）特別有用。還公開了高效能量轉換系統。優 選的系統包括兩侧合Br_n循環系統，—侧作熱力引擎，另一铜 作熱泵，二者關合:L作流體祕在公共關接換魅處連接。熱力引擎 〇優選為由於能拒絕來自公共的換熱器的膨脹_輪卫作流體的熱而能夠特 別高效工作的氣制輪，公共職絲通過齡1 贿持在低溫。齡系 統有用地使用氣體滿輪技術，但由從熱力引擎的輸出部分獲取能量的電機 驅動。

RosenWatt的第6,〇52,997號翻專利公開了_種改進的組合迴圈低 溫引擎滅，其具有迴_彡脹齡，顧介驗#其無輪路徑橫切 時恢復熱量。熱恢復是通過提供-系列換熱器並提供膨服的滿輪媒介而史 成的’從而與吸收冷卻迴圈中的迴圈冷卻劑熱交換連通。吸收冷卻子系統 的先前的熱恢復被限制為在到其加熱器的路徑中冷卻從〇RC渴輪的冷凝器 返回的冷凝物

Sa聰huk等人的第7, _，920號美國專利公開了 一種低溫熱力引擎， 其使廢熱通過換熱器流回主動力入口。該專利公開了甩於利用在系統中迴 圈的工作流體產生動力以驅動負載的方法，該祕包括具有人口的主動力 和容納流出主動力的流體的聚積器。加熱的蒸汽流體流以相對高壓被提供 至主動力入口 ’並通過主動力膨脹至低壓排放側，以使排出的流體進入聚 積器。排出的流體通過經過具有壓力差轉職置而蒸發到具有小於主動 201040380 力排放側壓力的壓力。從主動力排放的排出流體中液化的潛在熱量通過換 熱器傳遞至穿過膨脹裝置的排出流體。受到從主動力排放的流體傳遞的熱 的、蒸發的排出流體可通過壓縮機和蒸汽鼓返回主動力入口。蒸發的排出 流體可通過壓縮機從聚積器直接移除，在壓縮機處使其受壓為壓力略高於 其直接傳遞至的洛汽鼓内的壓力，或者可使其在到蒸汽鼓的路徑中離開壓 縮機之後經過換熱器將來自壓縮流體的熱傳遞至外部媒介。將來自聚積器 的液態排出流體抽至加熱液體鼓中，然後經由換熱器到達蒸汽鼓。液態排 出"U·體額通過換熱#處從外部源吸熱的孔而膨脹’並根據離開換熱器時的 溫度排放至蒸汽鼓或聚積器内。

Stinger等人的第7,〇96, 號美國專利公開了級聯閉合回路迴圈 C Cascading Closed L_ Cycle ’ CCLC)和超級聯閉合回路迴圈 (Super-CCLC) ’上述系統用於從蒸汽渴輪系統的廢熱恢復機械能或電能形 式的動力。通過蒸發多個間接換熱时的丙域其他輕質煙流體、在多個 級聯的膨賴射賴紐的眺处成有_能量、並彻冷卻系統將 其冷凝為顏，恢復來自加熱H和蒸汽冷難的廢熱。然後，祕對液體 丙炫加壓，並使其返關接換熱器，以在閉合的㈣處理巾重複蒸發、膨 脹、液化和加壓迴圈。該系統可用於從低溫熱源產生動力。 儘皆做出了大量的t試希望從主減獲得廢熱並將能量在次級能量系 統中再，但是全部這些嘗試都具有缺陷。因此，需要_種高效、可靠 且低成本的、_低溫麟並能_低溫低紅作碰流操作的能量系統 和熱力引擎。 【發明内容】 本發明包括容納於外殼中的外部加熱引擎。旋轉部件安裝在軸承上的外 10 201040380 . • 殼内，軸通過密封件延伸至引擎的外部。安裝在旋轉部件上的是一個或多 個葉片。氣流通過-個或多個固定噴嘴的作用而導向至葉片的表面上。葉 片上的氣體的作用使得力施加在葉>；上。這導致旋轉部件旋轉，且當旋轉 部件轉動時扭矩施加在軸上。 旋轉部件關進行二作’這是通縣軸合至㈣裝置以產生電功率來 完成的。在本發明中，通過利用諸如製冷劑的工作流體很容易在低溫下產 生大量的、有益的、適度的壓縮氣體。例如，製冷劑Rm就是工作流體的 種可能的類型。許多其他標準類型的製冷劑也是適用的。該液態形式的 製冷劑在低溫《下很料汽化並在加驗纽大量的熱氣。Ri34氣體尤 其適合於該目的，並完全避免了對縫和高溫的需求。 安裝在本發明的旋轉部件上的葉片不是傳統的設計。現有技術的葉片傾 向於製造為用於高溫高壓氣流（例如在喷氣發動機中），或用於液體流（例 如在水力發電設備中）。這些葉片對於低溫低壓氣體不能报好地祕用。本 么明通過將獨特的葉片設計與特殊設計相結合克服了現有技術的限制，凝 而在所需條件下有效地獲取功率。 ❹ ， 所配置_卩樣’倾騎賴«直㈣導至葉#的表社。這在葉 片的上游側比下游侧產生了更⑨的壓強，並且由於這種影響的效果，壓差 ()產生了在所而方向上葉片上的淨力。如果葉片表面積足夠大並且旋 轉部件的直鎌大，則—定量的ΔΡ能夠產生較大的扭矩。 此外’某片设計額外的優點是：由熱氣工哈充體流和葉片的幾何配置產 生的氣流_量的變化。通過使工職體流婦，使得在葉壯得到的反 作用力將較大亚且處於所需的方向。氣流的動量與其速率的平方成正比， 所以喷嘴被設計為在氣流到達葉片之前，極大地加速氣流的速率。 11 201040380 由氣抓的速率產生的力是向量，所以方向的變化可以和速度的變化一樣 有效果。所以，封表面是f曲的，這要好於使氣流衝擊抵靠在葉片表面 ^，然後氣流財向_變解⑽度。這產生_量變减乎兩倍於將 氣流抵靠於葉片上。很高的速率（甚至超聲）和方向的徹底改變相結合導 致了很大的動量變化。因此，在葉片上施加了較大的反作用力。 精細導向氣_侧和乘法效麵兩麵義結合產生在繩強和溫 度下的氣體不能產生的力水準。 此外，為了從整個系統中獲取均衡的、更好的性能，在輸入和功率系統 的渦輪回路的排放中重獲能量。在引擎的輸人端，將熱量從外部源傳遞至 服務於渦輪鹏無。這是通熱傳輸越從熱源迴酸換熱器而 完成的。舰’並^是熱傳輸流财巾的所有可贿量娜·被魏至單個 流通中的？丨擎内。如果在親翻流體’那麼將損失未被吸收的熱量。該 系統利用了泵和回路將流體再迴圈至源，然後迴圈回到引擎。這樣，未浪 費熱量’並且將熱量反復提供給？丨擎，而且最終幾乎將歸全部利用上。 甚至將操作泵所需的能量提供給氣流，從而將這些能量在圍繞最終應用的 過程中獲取和迴圈。 在渦輪回路的排放端，採用類似的過程。未在引擎中轉變為電力的熱量 聚集在換熱器中，並且傳遞至回收回路。該回收回路本質上是熱泵，用於 回升抬高工作流體的溫度，然後將工作流體提供至另—個換熱器。然後， 該換熱器用於在適當的點將熱量注回至引擎的主回路。甚至，用於使熱果 中的壓縮機工作的能量也吸收至工作流體中，並且注入引擎加以利用。在 引擎的輸入端和排放端均結合了熱量回收和熱量再利用是極為有效的，並 且產生的可用功率輸出遠大於具有給定熱源的情況。 12 201040380 因此，本發明的一個目的是，在無需為了操作而使用專用燃燒源的情況 下使功率系統工作。 本發明的另一個目的是，在由其他過程中廢棄的低溫廢棄熱量下使功率 糸統工作或者在低溫太陽能能量或地熱能量下工作。 本發明的又一個目的是，能夠有效地利用低溫熱源和低壓工作流體產生 大量能量。 本發明的又一個目的是，提供具有一個或多個葉片的高效熱機，葉片安 〇 裝在旋轉部件上，旋轉部件_ 了高速氣流，以將力施加在旋轉部件上。 通過本發明的圖例、示例和一些實施方案，根據結合附圖的以下描述， 將理解本發明的其他目的和優點。本發明的每一幅附圖都是說明書的一部 分’且包含了本發明的示例性實施方案，並且圖示了實施方案的各種目的 和特徵。 因此本發明可說是-種相當具有實用性及進步性之發明，相當值得產 業界來推廣，並公諸於社會大眾。 Ο 【實施方式】 圖1到11描述了熱力引擎。圖12到15描述了完整的熱力系統。 從熱力_始’圖i示出了熱力引擎树的分解圖。如圖所示，熱力 3包括左纖件6、右撕㈣獅4，地㈣件共同用於 匕圍、密封、和支則擎。旋轉件1安裝在軸3上，軸3由安裝在左端鐘 =1°右端鐘狀件7内_5支#。軸3 _連接於發電機或其他 ------ 入口噴嘴，但^ 件7包括排氣埠17。儘管本發明示出了四個 疋口埠和對應喷嘴的數量可從一個到多個變化。左端鐘狀 13 201040380 衣狀件4和右端鐘狀件7由多個緊固件以流體密封的關係、牢固地緊固 在—起’所述㈣固件例如為衡、螺母或密封件（未示出）。孔15以圓 周的峰置在左端鐘狀件6、右端鐘狀件7和環狀件4的周圍，且 其大小被⑦置為允許多個螺釘從每個穿過。 葉片2女裳在方疋轉件！上。應該理解，示出的葉片和喷嘴的數量並不 唯-可能的數量。例如，這些數量可變化用來增加熱力引擎的能量輸出。 同樣，儘管轴承5示出為滾珠軸承，但是應該理解，也可使用其他類型的 軸承’例如’滾針軸承、滾柱軸承、經向軸承、磁力抽承等。旋轉件1可 具有匕近左端鐘狀件6㈣—平坦表面51和崎右端雜件7的第二平坦 表面53。週邊表面55與第一和第二平坦表面都鄰接。葉片2的寬度近似等 ;第ί第平i一表面之間的距離，葉片2的高度從週邊表面分向外延伸。 圖2A、2B、从和3B示出了旋轉件和葉片附件的一些其他細節。碇轉 件1具有燕尾形的安裝槽9，葉片2可從侧面滑進安裝槽9中。葉片2包括 具有安裝孔B的卿紐1G，銷釘和螺釘穿過絲孔13安裝，從 片滑進安賴9内之後㈣聽持在其域。結合的效果是防止了葉片由 於旋轉力而從旋轉件移開，還防止了葉片從—側移動到另一側從*在圍繞 物的側壁上摩擦。每個葉片2都在第—側面上具有凹表面η，並在第 面上具有凸表面11。 在工作中，噴嘴8將高速氣體導向每個葉片2的凹表面^。嘴嘴的角 度和葉片的形狀提供了大量的優勢。圖财和UA示出了喷嘴的截面。氣 體從左進入，並穿過圖H)A所示的收縮噴嘴、或圖u所_麵__ = 嘴’以達到非常高的氣流速度。每個噴嘴都緊固並密封在各自的人口蜂Μ 内，以便於根據需郷除«換。此外，可制不_喷嘴輯來在需要 14 201040380 改變流體性質的不同環境中對引擎進行操作。噴嘴形成為細長中空體，用 於谷納工作讀並將其運送至準確驗置独希望的方向雜。喷嘴出口 處的錐形末端_的流置於安裝在旋轉件1上_ 2附近的期望位置。 •與離開噴嘴_常高速的紐速度結合的、大的總黯（集中的）導致 集中流的非常大的動量。因而，與現有引擎相比，該流具有明顯優勢。 ❹ 〇 圖8和圖9示_準封的該流。如圖所示，氣流在氣流人口盘葉片 之間的非常小的角度（例如，10度）處被引入。如此設計愤用的，該流 幾手筆直地進入葉片2的凹表面12。由於越過葉片的高速氣流，因此在葉 片安裝之後，兩個重要的力被施加於葉片和旋轉件。當流直接衝擊葉片時， 葉片的上游側或凹表面12上賴力變為大於葉片的下游側或凸表面〇上 的勤。這就產生了翻2上的壓力差（則。处乘以葉片的表面積得到 個力’該力然後向旋轉元件施加旋轉力。第二個重要的力是大的動量變 化的結果。流辭Μ向上地進人（例如，_所示），並幾乎登直向下 地流出，這意味著得到幾乎完全反向的流（幾乎⑽度）。 由於速度和動量是向量，輸入的動量“Μ”變為輸出的幾乎為“嘗，的動 量。這就得到了總共為叫Μ)=2Μ的動量變化。精確的值當然依賴於精確 的葉片角度。相對于現有技術中僅將流引入為靠在葉片上、或使流通過稍 靖曲的茱片而得到的動量變化而言，這都帶來了極大的改進。每個葉片 上的合力是以上兩個重要的力結合的結果。 圖 圖4是左端鐘狀件6、旋轉件}、葉片2和嗔嘴8在單一視圖中的透視 如圓！和圖4所示，本發日_提供了多個料和多個嘖嘴，從而使多 個力的脈衝並行地應用於旋轉件丨。當旋轉件完成完整旋轉時，會產生更大 201040380 數量的力脈衝。並行地提供多個脈衝增大了在給定時刻可㈣轉矩。每個 旋轉提供多個脈衝增大了每個旋轉產生的能量。應該理解，本領域技術人 員可改變葉片和喷嘴的數量，從而改變引擎可產生的能量。圖示的數量僅 用於示例性目的，而不作為限制。 圖10Α是收縮嘴嘴8Α的載面圖，圖是收縮喷嘴8Α的透視圖。 圖11Α是收縮-張開噴嘴SB的截面圖，圖11Β是收縮_張開喷嘴犯的 透視圖。 應該理解’本領域技術人員可涉及這些安裝特徵的變體。示出的特徵說 明了結構但並不作為限制。 接下來，我們分析如圖12至15所示的總的熱力系統。上述附圖示出了 可能的可選配置。本領域技術人員可預想基本配置的其他變體，上述 配置並不作為限制。 个 如圖所示，三個熱力回路構成該系統。這三個熱力回路為··從源引 進熱能的外部回路，餘運行引擎的内部回路，和 系統的録回路。下面詳細描述。 力I再利用於 外部回路或__從_ 18開始,可為任何低溫 來自任繼的廢峽她細__軸。亀議2低 至250 F的溫度。在該回路的操作模 —- ㈣熱傳送·〗。第一熱傳_可為二自源 同中的-種。泵21的速度由控制單元22_ 咖或其許多商用等 峨一一壞 达至儲熱箱23,利_變材料保持保存.箱 風'、傳遞机體傳 测，㈣瞻叫爾她 16 201040380 rrrf Α的缝。鮮賴可在之後斜部熱_騎時不可用時 吸勤降來將例如氮氣的惰性氣體保持在膨脹箱的頂部，以防正抽 降至太低而產生泵氣穴現象，並用來防止腐姓。 —旦健存了期望的熱量且達到的溫度，則啟動次《 25。該泵你 =錯存II 23的第二熱傳輸流傳播至主難器24。次級速度控制器控 ^ 25並轉義力和流速。提供至域無％的熱現在則可使用。 還提供了旁關47，恤峨_谢_崎況下，旁路_ Ο

來在需«允賴職齡絲器Μ，並允許將齡魅喊貞載（ load) 19 中。 v 内部回路或渦輪回路以下述方式工作。 内部回路或渦輪回路將來自主換熱器24的熱由作為製冷劑的熱傳輪流 體傳送至熱娜27。_丨擎27 _丨至u侧糊造和摔作。 製冷劑將在小於300 Ύ的低溫和小於2_平方英寸（psig)的壓力下工 作。在工作中，渦輪回路中的熱傳輸流體在低至8〇〇f的溫度下液治，並且 當在熱力引擎中個時在大約7G $汽化。熱力引擎27工作並將能量傳送 至發電機單元28。發電機單元28產生傳導至換流器29的電力。換流器29 對能量進行處理並使其可在外部使用。在變熱的過程中，離開換熱器抑 製冷劑通舰α 44繞雜力引[這賊制部回路能麵，而不使熱力 引擎受到將液化並產生問題的製冷劑的影響。 在離開引擎27之後，氣態的製冷劑通入換熱器3〇，換熱器％用來將 軋體液化回雜。在此處財，紐贼紐在將要討論的熱泵回路。内 部回路製冷劑（現在為液體）在離開換熱器3〇之後，穿過壓力控制間杯， 壓力控姻46防止壓力降至過低而影響回路魏。然後，將製冷劑存儲在 17 201040380 接收器45巾’等#進-步的迴圈需求…旦要求更多的流體，製冷劑則離 開接收45並穿過子冷卻H 38,正好充分冷卻以防止在液射過早形成任 何氣泡。織’該流繼續延伸至泵41。除了將液體繞回路迴圈之外，果還 用來將液體壓力升高至操作所需的水準。流量計π測量由果速控制的流速。 南壓液體然後流至閥40。該閥通常為開啟的，但在引擎關閉時關閉， 以防止淹沒下游元件。 在通過間40之後，該流到達換熱器％。此時，該流獲取從熱栗回路回 收的熱’職麟此精縣。魏得《純度上《«汽化從而形 成氣體。自此’流行進回到換熱器Μ，並在換熱器處接收所需的熱的大部 分，並且迴圈再次開始。事實上，系統回收的熱量為使得從換熱器列得到 操作引擎所需_餘熱量。每魏回路僅織鮮24增加少量㈣。這對 整個系統的鱗麵是重要的，並且與财”完全不同。 下面介紹熱泵回路或熱回收回路。 k接收β 36開始’在壓力下將液態的熱回收傳輸流體（製冷劑）提供 至膨脹閥3卜此時，壓力以受控的方式迅速下降，並將下降的壓力提供至 換'器3〇在此過転中’製冷劑開始汽化並變為非常冷的氣體。冷氣通過 換熱益30從内部回路吸熱，並將吸收的熱帶走以便被回收。冷氣現在行進 至=_ 32，在壓力控制_壓力的降低進行調節。氣體壓力保持 足句南以使氣體溫度不會下降到低於期望溫度。自此，氣體行進至儲蓄器 Μ，在儲蓄H 34處’任何靴意地前滴雜臨時保存，從而防止其 到達並損壞壓縮機。 、 ^為冷氣的流然後行進至壓縮機35。此時，氣體被極大地壓縮，到 晌夕嶋和溫度水準。紐，該流行進至換熱器39，在換熱器39處， 18 201040380 溫度足夠高㈣可將熱有效地麵注人_鹏或難鹏歧。這樣， 該熱和從壓縮機的壓齡作獲得的熱—起被回收。 在穿過換絲39的過射，熱泵回路製冷氣體充分冷卻，從而再次液 化為液體。然後’其穿過再冷聰π，_殘_液化，並將液體猶 微再冷卻。賴、’該流穿過壓力控侧33，靖止壓力較太低而影響回 路力二並最終返回接收器％，在接收器％處再次開始熱系回路處理。過 Ο 麟乞燥元件觀來絲鹏中的雜継和概，從祕止全部元件 結冰、損壞和腐钱。 此外，提供了系統控制器和顯示器43。利用為此創建的軟體提供了對 正個糸統的自動控制。將認識到，如此複雜的系統只能在自動控制下 操作。 圖13是圖12所補_統術，其巾，歡跳中的緩衝換孰 讀代太__為熱源1有利於㈣_輸人侧使·。 圖14疋圖12所不的能量系統的圖示，然而，在圖μ的情況下，在輸 入回路未使用緩衝換熱器，而是使用_般的廢熱源。 圖15是與圖14所示的系統類似的系統，其在輸入回路未使用緩衝換教 器，而是用太陽能陣列作為熱源。 將織到，包括壓力計量表和服務埠以及未專門討論的其他元件在内的 全部元件可以稍微不同的順序設置，而域在本系統的意圖内。示出的附 圖僅為示意性的’而不作為限制。 由上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明 做任何形式±之_，以，&祕收發日糊了賴細本發明之 任何修贼變更者1仍應包括在本發明賴保護之範轉内。 19 201040380 综上所述，本發明在結構設計、使用實用性及成本效益上，確實是完全 符合產業上發展所需，且所揭露之結構發明亦是具有前所未有的創新構 造，所以其具有「新穎性」應無疑慮，又本發明可較之習知結構更具功效 之增進，因此亦具有「進步性」’其完全符合細專利法有關發明專利之申 凊要件的規定，乃依法提起專利申請，並敬請鈞局早日審查，並給予肯 定。 【圖式簡單說明】 圖1表示主要元件的渦輪的核心的分解圖，包括葉片、噴嘴、旋轉件和圍 繞物。 圖2A為具有葉片安裝槽的旋轉件的前視圖。 圖2B為具有葉片安裝槽的旋轉件的側視圖。 圖3A為葉片的頂視圖。 圖3B為葉片的側視圖。 圖4分層地表示—個端板、旋轉件、葉片和噴嘴，從而可看出上述組件的 關係。 圖5A表不一個端板，其具有噴嘴和用於該板的安裝定位孔。 圖5B為圖5所示裝置的頂視圖。 圖6A為圍繞物的中心部分或環的前視圖。 圖6B為圖6A所示的中心部分或環的頂視圖。 圖7為具有排氣埠的相對端板的前視圖。 圖7B為具有排氣埠的姆端板的頂視圖。 圖8表示與葉片對準的收縮噴嘴、和得到的流的方向。 圖9表不與葉片對準的收縮—張開喷嘴、和得到的流的方向。 20 201040380 圖10A為收縮喷嘴的截面圖。 圖10B為圖ι〇Α的喷嘴的透視圖。 圖11A為收縮_張開噴嘴的截面圖。 圖11B為圖UA的喷嘴的透視圖。 圖12表不整個系統的視圖’其中，在輸入回路具有缓衝換熱器，並利用一 般的廢熱源。這有利於當需要時在輸入側設置熱栗。 圖13表不整個系統的視圖，其中，在輸入回路具有緩衝換熱器並利用太 〇陽&陣列作為熱源。這有利於當需要時在輸人側設置熱聚。 ® 14表不整個系統的視圖’其中，在輸入回路不具有缓衝換熱器，並利用 一般的廢熱源。 圖15表不整個系統的視圖，其中，在輸入回路不具有缓衝換熱器，並利用 太陽能陣列作為熱源。 【主要元件符號說明】 旋轉件1 葉片2 軸3 環狀件4 軸承5 第一平坦表面51 第二平坦表面53 週邊表面55 左端鐘狀件6 右端鐘狀件7 噴嘴8 安裝槽9 楔形基座10 凸表面11 凹表面12 安裝孔13 孔15 入口埠16 排氣埠17 熱源18 卸載負載19 氮箱20 泵21 控制單元22 儲熱箱23 主換熱器24 次級果25 次級速度控制器26 21 201040380 熱力引擎27 發電機單元28 換流器29 換熱器30 膨脹閥31 壓力控制閥32 壓力控制閥33 儲蓄器34 壓縮機35 接收器36 再冷卻器37 子冷卻器38 換熱器39 閥40 泵41 流量計42 顯示器43 製冷劑通過孔口 44 接收器45 壓力控制閥46 旁路閥47 22

Claims (1)

1. 201040380 七、申請專利範圍 -種燃氣輪機，包括： 旋轉部件，所親卿件配置為財第—平面和第二平_大致為圓 形的盤，所述旋轉部件還包括與所述第一平面和所述第二外表面相鄰的周 邊外表面； 葉片，安裝在所述旋轉部件的所述周邊外表面上，並且所述葉片具有 Ο Ο 由所述周邊絲面徑向向外延伸崎如及麵述第—平面和所述第二 平面之間延伸的寬度，所述葉片在其第—側上具有凹面，在其第二側上且 有凸面，騎凸面和職凹峨_於所料—平_錄延伸至鄰近於 所述第二平面的位置； 氣態工作流體源； 齡，包圍所述旋轉部件，所述機架具有至少—個氣體入口、至少一 個亂體排放口以及腔體，所述腔體的大小被配置為用於容納所述旋轉部 至少-個氣體入口中的每個均包括產生很高速率的氣流的喷嘴， 在其出口處具有錐形末端，於以非常小的角度將很高速率的 虱洲引導至所述葉片的所述凹面上。 所述2噴嘴範圍第1項所述的燃氣輪機，其中所述高速氣流流出 __ 地入射到所述葉片的所述凹面上，狭後，所述高速氣 流轉變方向並沿著所述凹 面上」曼戶斤这同速亂 述葉片的所勒面上的w 並如與所述高速驗入射到所 凹面，從而r 、15幾乎⑽度的方向流動離開所述葉片的所述 攸而她加幾乎兩倍於所述高速氣流的動量的動量。 3如申湖崎2酬雜柄機，機賴述葉片的所 23 201040380 述凹面的所述高速氣流在鄰近於所述葉片的所述凹面產生的壓強比在鄰 近於所述葉片的所述凸面產生的壓強大，從而由所述葉片的所述表面乘以 壓強差所產生的力用於使所述旋轉部件轉動。 4 .如申請專利範圍第3項所述的燃氣輪機，其中所述喷嘴具有會聚 的内流動路徑，以使熱的氣體以很高的速率流動。 5 .如申請專利範圍第4項所述的燃氣輪機，其中所述噴嘴還具有發 散的内流動路徑，所述發散的内流動路徑將使所述速率加速至超聲漭動， 從而使熱的氣體的有用動量增加。 6 .如申請專利範圍第2項所述的燃氣輪機，其中所述旋轉部件具有 至少一個燕尾形安裝槽，所述葉片能夠從側面滑入所述安裝槽内，所述葉 片具有楔形基座，所述楔形基座具有安裝孔，螺釘和螺栓穿過所述安裝孔 安裝，從而使所述葉片在滑入所述安裝槽中後保持所述葉片的位置。 7 .如申請專利範圍第6項所述的燃氣輪機，其中所述旋轉部件具有 多個燕尾安裝槽，並且所述葉片中的一個安裝在每個所述安裝槽中。 8 .如申請專利範圍第2項所述的燃氣輪機，其中在所述流動入口和 所述葉片之間以大約10度的很小的角度引導氣流。 9 .如申請專利範圍第1項所述的燃氣輪機，其中所述機架包括左端 釦狀件、右端鐘狀件和環狀件，所述左端鐘狀件、右端鐘狀件和環狀件的 大小配置為包圍、密封並支撐所述旋轉部件。 1 0 .如申請專利範圍第9項所述的燃氣輪機，其中所述旋轉部件安 裝在軸上，所述軸由軸承支撐，所述軸承安裝在所述左端鐘狀件和所述右 端鐘狀件中。 24 201040380 1 1 ·如申請專利範圍第10項所述的燃氣輪機，其中所述轴在操作 中連接於發電機或其他機械裝置，從而從所述旋轉部件獲取能量。 1 2 . —種功率生成系統，包括： 熱力熱源瞒，具有約25卿蚊高的外部_以及與鱗具有熱交 換關係的第一工作流體； 第-果’處於所述熱朗軸，以使所料_工作流體和換熱器迴圈； 熱力個擎回路，具有第以作流體和栗，所述第二卫作流體為製冷 〇劑，所述泵處於所述熱力熱引擎回路内，以使所述第二工作流體循環，並 在熱迴圈過程中提高所述第二轉流體的壓強；所述熱力熱引擎回路還具 有熱引擎，熱引擎無述第二卫作流體赠體的方式連通，並且所述 換熱器將熱ΐ從所述第一工作流體轉移至所述第二工作流體； 熱力熱量回收回路，具有第三功流體和壓縮機，所述第三工作流體 為製冷劑，所髓職處辑賴^熱量时回財，以躺述第三工作 流體循環並提高所述熱量回收回路中的所述第三工作流體的堡強和溫 〇度’所述熱量回收回路具有熱量輸入換熱器和翔的熱量輸出換熱器，從 而使所述輸入換熱器將熱量從所述熱引擎回路轉移至所述熱量回收回 路’並使職輸雜難難量從舰歸贼回路娜至崎熱引擎回 路。 1 3 .如申請專利範圍第12項所述的功率生成系統，其中所述第二 作机體將在j、於3〇〇 qf的溫度下、小於2_sig的壓強下工作，並且 所述工作抓體在通過所述熱力熱引擎回路迴圈時，將在別^低的溫度下 凝結，並在約7〇叩汽化。 皿X 25 201040380 1 4 .如申請專利範圍第12項所述的功率生成系統，其中所述熱力 熱源回路包括包含缝細介質的鋪罐，所賴量存儲介質為相變材 料所述相變材料將在給定的恒定溫度下由固態轉變為液態，從而所述熱 量存儲材料的_熱使得在小體射存儲大量熱量。 1 5 ·如巾請專利範圍第12項所述的功率生成系統，其中所述熱源來 自二調系統的鞋熱量、其他裤設備或其他熱力純的廢棄熱量。 16 .如申請專利範圍第12項所述的功率生成系統其中所述熱源 包括熱太陽能電池組。 1 7如申睛專利範圍第12項所述的功率生成系統，其中所述熱源 是地熱產生的。 1 8 .如中請專概g第12獅述的功率生絲統，其巾所述熱引 擎包括： 旋轉部件’魏_部件為具有第—平面和第二平面的大致為圓 形的盤，所述旋轉部件還包括與所述第—平面和所述第二外表面相鄰的周 邊外表面； 葉片’安裝在所述旋轉部件的所述周邊外表面上，並且所述葉片具有 由所述周邊外表面徑向向外延伸的高度以及在所述第—平面和所述第二 平面之間延伸的寬度，所述葉片在其第—側上具有凹面，在其第二側上具 有凸面，所述凸面和所述凹面從鄰近於所述第_平面的位置延伸至鄰近於 所述第二平面的位置； 氣態工作流體源； 機架，包圍職鶴部件，所賴減有至少—個氣體人口、至少— 26 201040380 個氣體排放口以及腔體’所述至少一個氣體人口用於將所述第二工作流體 引入所述熱引擎’所述腔體的大小被配置為用於容納所述旋轉部件，所述 至V個孔體人σ巾的每個均包括產生很高速率的氣流的喷嘴，所述喷嘴 在其出口處具躲縣端，以胁以料小的驗雜高速率的氣流引導 至所述葉片的所述凹面上。 1 9如申吻專利知圍第18項所述的功率生成系統，其中所述高速 氣流流出所述倾並幾乎垂直叙_所述封的所述凹面上，顿，所 〇

   述高速氣_㈣觸物蝴輪，她柄述高速氣流 入射到所嫩騎相社财㈣㈣娜_離開所述葉 片的所述關，從馳加辭兩倍於所述高速氣麵動量的動量。 2〇 .如㈣專利顧第19項所述的功率生成系統，其中越過所述 葉片的所述凹面的所述高速氣流在鄰近於所述葉片的所述凹面生成的塵 強比在鄰近於所述制騎述凸面生成的壓強大，從而由所述封的所述 表面乘以_差啦生的力用於使所猶轉料轉動。 2 1如申凊專利範圍第12項所述的功率生成系統，其中所述熱力 熱引擎回路包括廢棄缝輸出換熱器和單獨的熱量回收輸人換㈣，所述 廢棄熱量輸出交換器與所述熱量回收回路熱量輪入換熱器為間接敎量交 換關係’缝时輸人換《細频知㈣賴錄出換熱器為 間接熱量交換關係。 一 如"月專利範圍第12項所述的功率生成系統，其中所述埶力 熱量回收回路包括膨_，從破熱量回㈣路中賴強減小，並且朗 述魏機平衡，並科生献所频力㈤丨和財去除綠所必需的冷 27 201040380 卻作用。 旦2 3 .如申請專利範圍第22項所述的功率生成系統，其中所述熱力 熱量回收回路還包括防止來自於所述膨脹閥的屢強下降得過低的第一愿 ，調整閥’從而避免所述回收回路輸出換熱器的過冷卻，而且所述熱力熱 里回收回路還包括防止來自於所述壓縮機的壓強下降得過低的第二壓強 調整器。 24 ·如巾料觀圍第23項所·功率生絲統，其巾所述熱力 熱量回收回路還包括錯蓄器，所述儲蓄器獲取分散的液體，從而防止分散 的液體到達所述壓縮機並防止造成損壞，所述熱力熱量回收回路還包括儲 備容器，所述儲備容器保持足夠的製冷劑，以防止所述第三工作流體的短 缺。 25 ·如申請專利範圍第24項所述的功率生成系統其中所述熱力 熱量回收回路還包括子冷卻換熱器，所述子冷卻換熱器根據需要從所述熱 量回收回路向外界排出多餘的熱量，從而保持所述第三工作流體不會產生 能夠導致所酬發生故_不需要的氣泡，所述熱力熱量回收鹏還包括 過慮乾燥元件，所述過渡乾燥元件從所述第三工作流體中去除分散的粒子 和水蒸氣，從而防止結冰、損壞和腐蝕。 26 ·如申請專利範圍第12項所述的功率生成系統，其中所述熱力 熱源回路包括旁路閥’所述旁路閥允許所述熱源在需要時繞過所述換熱 器，從而使熱量旁路至卸載負載。 2 7 .如申請專利範圍第26項所述的功率生成系統，其中所述熱力 熱源回路包括安全閥，從而避免形成損壞性的壓強過大。 28 201040380 2 8 ·-種功率生成系統，包括： 、力'、’、源回路’具有約25qsf或更高耕部熱源以及與熱源具有熱交 換關係的第一工作流體； # &處於所述熱源回路巾，以使所料—工作流體循環至熱量存 罐辛緩衝熱相路’所述緩衝熱源回路包括第二泵，所述第二泵將熱量 從所述熱量射轉轉移至換熱器； Ο ’、、、’、、、引擎回路’具有第二卫作流體和I，所述第二工作流體為製冷 劑，所述轉於所賴力熱將回_，錢所述第二讀流體循環，並 在…蚊_程中提升所述第二工作流體的壓強；所述熱力熱引擎回路還 ==丨擎’所述熱引擎與所述第二工作流_連通，並且所述換熱器 攸所㈣作流體轉移至所述第二卫作流體； Ο =缝啊轉，具有第三工作賴轉_，所述第三工作流體 、^=並=壓縮機處於所频力熱量回㈣路内，贿所述第三工作 ==崎述熱量回收回路内的所述第三工作流體的壓強和溫 轉職版_奸她髓_熱器，從 =ί=Γ將熱量從所物丨細轉移至所述熱量回收回 路，_編將熱量從所述熱量回收轉轉移至所述熱引擎回 所述熱引擎包括： 旋轉部件，所额轉部件崎為財第 形的盤，所述旋轉部件還包括與所 平面的大致為圓 邊外表面； 千面和所述第二外表面相鄰的周 29 201040380 葉片，安裝在所述旋轉部件的所述周邊外表面上，並且所述葉片具有 由所述周邊絲φ徑向向外延伸的高度以及麵述[平面和所述第二 平面之間延伸的寬度’所述葉片在其第—側上具有凹面，在其第二側上具 有凸面，魏凸面和賴凹減於所㈣—平_位麵伸至鄰近於 所述第二平面的位置； 機架’包圍所述旋轉部件，所述機架具有至少一個氣體入口、至少一 個氣體排放口以及腔體，所述至少一個氣體人口用於將所述第二工作流體 引入所述熱引擎’所述腔體的大小被配置為用於容納所述旋轉部件，所述 至少-個氣體人口中的每個均包括產生非常高速柄氣流的噴嘴，所述喷 嘴在其出Π處具獅形末端，以躲以非常小的角度將轉高速率的氣流 引導至所述葉片的所述凹面上， 其中，所《速氣流流出所述喷嘴並幾乎垂直地人制所述葉片的所 述凹面上’織’騎高魏流轉變方向並沿著凹面的鲜前進並且 以與所述高速氣流人射到所麵片的所述凹面上的方向呈幾乎⑽度的方 向流動離開所«片的所述凹面，從而施加幾乎兩倍騎述高速氣流的動 量的動量，並且 其中，越過所述葉片的所述凹面的所述高速氣流在鄰近於所述葉片的 所述凹面生成的壓強比在鄰近於所述葉片的所述凸面生成的壓強大，從而 由所述葉片的所述表面乘以_差所產生的力驗使所述旋轉部件轉動。 29 .如申請專利範圍第28項所述的功率生成系、统，其中所述第二 工作流體將在小於300㈣溫度下、小於彻純的壓強下工作，敢 所述工作流體在通過所述熱力熱引擎_迴圈時，將在抑$低的溫度下 30 201040380 凝結，並在約70SF汽化。 30 .如申請專利範圍第28項所述的功率生成系統，其中所述熱量 存儲罐包括包含熱量存儲介質的保持罐，所述熱量存齡質為相變材料， 所述相變材料將在給定的恒定溫度下由固態轉變為液態，從而所述熱量存 儲材料的炫解熱使得在小體積中存儲大量熱量。 3 1 .如申請專利範圍第28項所述的功率生成系統，其中所述熱源源 於空調系統的廢棄熱量、其他功率設備或其他熱力系統的廢棄熱量。 3 2如申晴專利氣圍第28項所述的功率生成系統，其中所述熱源 包括熱太陽能電池組。 3 3 .如申專利圍第28項所麟功率生成系統，其巾所述熱源 是地熱生成的。 3 4如申清專利範圍第28項所述的功率生成系統，其中所述熱力 熱引擎回路包括廢棄熱量輸出換熱器和單獨的熱量回收輸入換熱器，所述 廢棄熱量輸出交換器與所述熱量回收回路熱量輸入換熱器為間接熱量交 、關係所述熱里回收輸入換熱器與所述熱量回收回路熱量輸出換熱器為 間接熱量交換關係。 曰3 5 ·如申請專利細第28項所述的功率生成系統，其中所述熱力 熱量回收回路包括膨關，從耐_回收回路巾的壓賴小，並且使所 述壓縮機平衡’並_產生從所述熱力熱引擎回路中去除熱量所必需的冷 卻作用。 曰3 6 .如申請專利範圍第35項所述的功率生成系統，其中所述熱力 ’’、、置回收E7路還包括防止來自於所述膨脹_壓強下降得過低的第一壓 31 201040380 強凋整閥，從而避免所述回收回路輪出換熱器的過冷卻，而且所述熱力熱 $回收回路還包括防止來自於所述壓縮機的壓強下降得過低的第二壓強 調整器。 37 ·如申請專利範圍第36項所述的功率生成系統，其中所述熱力 熱量回收回路還包括儲蓄||，所述儲蓄贿取分散的液體，從而防止分散 的液體到達所述壓縮機並防止造成損壞，所述熱力熱量回收回路還包括儲 備谷器，所述儲備容器保持了製冷劑的足夠供給，以防止所述第三工作流 體的短缺。 38 ·如申請專利範圍第37項所述的功率生成系統，其中所述熱力 熱量回收回路還包括子冷卻換熱器，所述子冷卻換熱器根據需要從所述熱 里回收回路向外界排出多餘的熱量，從而保持所述第三工作流體不會產生 月&夠導致所述閥發生故障的不需要的氣泡，所述熱力熱量回收回路還包括 過濾乾燥元件’所述過濾乾燥元件從所述第三工作流體中去除分散的粒子 和水蒸氣，從而防止結冰、損壞和腐蝕。 39 .如申請專利範圍第28項所述的功率生成系統，其中所述熱力 熱源回路包括旁路閥’所述旁路閥允許所述熱源在需要時繞過所述換熱 器’從而使熱量旁路到卸載負載。 4 0 .如申請專利範圍第39項所述的功率生成系統，其中所述熱力 熱源回路包括安全閥，從而避免形成損壞性的壓強過大。 41 ·如申請專利範圍第28項所述的功率生成系統，其中所述熱力 熱源回路和所述緩衝回路均包括膨脹箱，以防止吸入壓強過低並導致系氣 触，還防止了腐蝕。 32