專利名稱：一種可輸出機械能的熱源空調(diào)機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能量轉(zhuǎn)換學(xué)領(lǐng)域，特別是一種利用臨界點低的工質(zhì)液/氣轉(zhuǎn)化的特點 進行機械能輸出的熱源空調(diào)機。
背景技術(shù)：
能源緊張已成為社會經(jīng)濟發(fā)展的制約因素，為此人們在不斷探索、研發(fā)新的能源 利用方式及裝備。低溫?zé)崮苻D(zhuǎn)換技術(shù)已受到人們的重視，但還停留在理論階段。乙烯C2H2的臨界溫度是9. 5°C ；甲烷的臨界溫度是_84°C ；—氧化氮的臨界溫度 是_94°C、氟利昂R-14的臨界溫度是_45°C、氪的臨界溫度是_62°C，乙烯C2H2、甲烷、一氧化 氮、氟利昂R-14、氪之類的工質(zhì)具有在低溫狀態(tài)可以液/氣轉(zhuǎn)化的特點，氣化后體積會發(fā)生 迅速膨脹，這部分能量可以用來做功，且這些工質(zhì)具有原料易得、消耗少、使用費用低、環(huán)保 的特點，因此如何利用這些工質(zhì)的液/氣轉(zhuǎn)化特點進行能量轉(zhuǎn)化做功發(fā)電或直接作為動力 使用，是一個新的能源課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述存在的問題和不足，提供一種利用臨界點低的工質(zhì)液 化/氣轉(zhuǎn)化的特點進行機械能輸出且可循環(huán)作業(yè)的熱源空調(diào)機。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種可輸出機械能的熱源空調(diào)機，包括前轉(zhuǎn)換閥、后轉(zhuǎn)換閥及激發(fā)罐，其中，前轉(zhuǎn)換閥輸入端A閥口連接熱水，輸入端B 閥口連接冷水，激發(fā)罐為外設(shè)保溫層，內(nèi)設(shè)換熱器的罐體式結(jié)構(gòu)，上部分充入低臨界點的工 質(zhì)，下部分注入與工質(zhì)不相溶的物質(zhì)，比如油或水，換熱器內(nèi)通水，換熱器的輸入端與前轉(zhuǎn) 換閥連接，換熱器的輸出端與后轉(zhuǎn)換閥連接；一支架及裝載在支架上的驅(qū)動油缸，驅(qū)動油缸通過管道與激發(fā)罐的下端連通，驅(qū) 動油缸活塞桿的一端連接齒條，齒條的另一端連接復(fù)位油缸，復(fù)位油缸的負載為高壓氣體 罐，高壓氣體罐的下部和復(fù)位油缸以及連接管道注入液壓油，高壓氣體罐內(nèi)充入其壓力大 于充入激發(fā)罐的工質(zhì)的臨界壓力的氮氣或空氣；齒條的下部設(shè)有鎖止機構(gòu)，齒條的上部與單向齒輪相嚙合，單向齒輪的傳動軸上 安裝有飛輪，飛輪由齒條帶動旋轉(zhuǎn)輸出機械能。鎖止機構(gòu)包括裝置在支架上并與驅(qū)動油缸內(nèi)腔管連通的微型油缸、設(shè)置在齒條背 面的凹槽及設(shè)置在凹槽內(nèi)的彈簧與鎖塊、設(shè)置在支架上的橫梁，微型油缸的活塞桿頂部加 滾柱頂在鎖塊的下部，當(dāng)鎖塊鎖在橫梁上，工質(zhì)在冷卻水的作用下全部液化，通過前轉(zhuǎn)換閥 將換熱器里的冷卻水換成熱水，激發(fā)工質(zhì)氣化，推動微型油缸的活塞桿運行，從而將鎖塊頂 入凹槽內(nèi)，解除橫梁和鎖塊的聯(lián)合鎖止，齒條下行做功，臨近上止點時，換熱器內(nèi)熱水切換 成冷卻水，在高壓氣體罐、復(fù)位油缸的共同作用下，齒條回位至上止點，鎖塊越過橫梁在彈 簧的作用下頂出，卡在橫梁上，鎖止齒條。
3
前轉(zhuǎn)換閥輸入端A閥口連接的熱水來源于利用太陽能或火力熱能或工業(yè)冷卻用 水作為熱源的集熱器，前轉(zhuǎn)換閥輸入端B閥口連接的冷水來源于制冷機。后轉(zhuǎn)換閥的閥口 Bl輸出冷卻水至制冷機后再次流向換熱器，后轉(zhuǎn)換閥的閥口 Al 與冷源換熱器連接，作為冷源使用，吸收空氣中的部分熱量后，直接流向集熱器循環(huán)，或被 用于制冷機的冷凝冷卻水后再流向集熱器循環(huán)。本發(fā)明由于采用以上的結(jié)構(gòu)形式，有效地利用低臨界點工質(zhì)液/氣轉(zhuǎn)化過程能量 轉(zhuǎn)換的特點做功，輸出機械能，同時在一個激發(fā)罐內(nèi)低臨界點工質(zhì)液/氣——氣/液相互轉(zhuǎn) 化，循環(huán)利用，節(jié)省成本，降低消耗，環(huán)保高效；再次本發(fā)明利用集熱器采集稍高溫度的熱源 來提升激發(fā)罐內(nèi)低臨界點工質(zhì)溫度升高至臨界點，從換熱器排出的冷水至制冷機后再次流 向換熱器，從換熱器排出的熱水與冷源換熱器連接，作為冷源使用，吸收空氣中的部分熱量 后，直接流向集熱器循環(huán)，或被用于制冷機的冷凝冷卻水后再流向集熱器循環(huán)。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的第二種結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的激發(fā)罐剖視圖；圖4為本發(fā)明的激發(fā)罐的第二種剖視圖；圖5為本發(fā)明的鎖止機構(gòu)示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明為一種可輸出機械能的熱源空調(diào)機，包括依序連接的集熱器 12、貯熱罐13、水泵11、前轉(zhuǎn)換閥3和激發(fā)罐1、后轉(zhuǎn)換閥18及另一依序連接的支路制冷機 20、冷水罐15、水泵14、前轉(zhuǎn)換閥3，其中，集熱器12為利用太陽能或火力熱能或工業(yè)冷卻 用水作為熱源的集熱器，前轉(zhuǎn)換閥3輸入端A閥口與水泵11的輸出端連接，輸入端B閥口 連接水泵14的輸出端，激發(fā)罐1為外設(shè)保溫層，內(nèi)設(shè)換熱器2的罐體式結(jié)構(gòu)，上部分充入低 臨界點的工質(zhì)，下部分注入與工質(zhì)不相溶的物質(zhì)，比如油或水，如圖3、4所示，工質(zhì)為乙烯 時，激發(fā)罐1下部分注入水，換熱器2內(nèi)通水，換熱器2的輸入端與前轉(zhuǎn)換閥3連接，換熱器 2的輸出端與后轉(zhuǎn)換閥18連接；從后轉(zhuǎn)換閥18流出的冷水經(jīng)制冷機20、冷水罐15后再次 流向換熱器2。從后轉(zhuǎn)換閥18流出的熱水經(jīng)冷源換熱器31，流向集熱器12循環(huán)。如圖2 所示，從后轉(zhuǎn)換閥18流出的熱水經(jīng)冷源換熱器31、制冷機32后，流向集熱器12循環(huán)。一支架21及裝載在支架21上的驅(qū)動油缸4，驅(qū)動油缸4通過管道與激發(fā)罐1的下 端連通，油缸4的活塞桿的一端連接齒條5，齒條5的另一端連接復(fù)位油缸6，復(fù)位油缸6的 負載為高壓氣體罐10，高壓氣體罐10的下部和復(fù)位油缸6以及連接管道注入液壓油，高壓 氣體罐10內(nèi)充入其壓力大于充入激發(fā)罐1的工質(zhì)的臨界壓力的氮氣或空氣；齒條5的下端設(shè)有壓輪17，齒條5的上部與單向齒輪16相嚙合，單向齒輪16的 傳動軸上安裝有飛輪19，飛輪19由齒條5帶動旋轉(zhuǎn)輸出機械能。齒條5的下部設(shè)有鎖止 機構(gòu)7，如圖5所示，包括裝置在支架21上并與驅(qū)動油缸4內(nèi)腔管連通的微型油缸71、設(shè)置 在齒條5背面的凹槽72及設(shè)置在凹槽72內(nèi)的彈簧73與鎖塊74、設(shè)置在支架21上的橫梁
475，微型油缸71的活塞桿頂部加滾柱頂在鎖塊的下部，當(dāng)鎖塊74鎖在橫梁75上，工質(zhì)在冷 卻水的作用下液化，通過前轉(zhuǎn)換閥3將換熱器里的冷卻水換成熱水，激發(fā)工質(zhì)氣化，推動微 型油缸71的活塞桿運行，從而將鎖塊74頂入凹槽72內(nèi)，解除橫梁75和鎖塊74的聯(lián)合鎖 止，齒條5下行做功，臨近上止點時，換熱器2內(nèi)熱水切換成冷卻水，在高壓氣體罐10、復(fù)位 油缸6的共同作用下，齒條5回位至上止點，鎖塊74越過橫梁75在彈簧73的作用下頂出， 卡在橫梁75上，鎖止齒條5。鎖止形式可以有多種，如有摩擦片、阻力油缸等。根據(jù)實際需要，可使用多套激發(fā)罐、驅(qū)動油缸、復(fù)位油缸共用一個高壓氣體罐，一 個主旋轉(zhuǎn)軸運行。對于使用2個激發(fā)罐、兩套驅(qū)動油缸、兩套復(fù)位油缸共用一個高壓氣體罐，一個主 旋轉(zhuǎn)軸運行時，由于互補180°，復(fù)位油缸功耗最小。在驅(qū)動油缸4與激發(fā)罐1之間及復(fù)位油缸6與高壓氣體罐10之間安裝維修閥，便 于維修。針對激發(fā)罐1內(nèi)上部注入的工質(zhì)不同，下部通入的物質(zhì)隨之不同，如激發(fā)罐1上部 注入R14，激發(fā)罐1下部與換熱器2內(nèi)通入的是65%或以上的乙二醇，激發(fā)罐1上部注入甲 烷，激發(fā)罐1下部與換熱器2內(nèi)通入的是二氯甲烷。本發(fā)明的工作原理是這樣實現(xiàn)的(以乙烯為例)首先激發(fā)罐1的下部和連接驅(qū)動油缸4的管道以及驅(qū)動油缸4都預(yù)先注入水，高 壓氣體罐10的下部和復(fù)位油缸6以及連接管道都注入液壓油，高壓氣體罐10內(nèi)充入氮氣 或空氣，其壓力比乙烯的臨界壓力稍大，這時驅(qū)動油缸4與復(fù)位油缸6的大小相當(dāng)，也可以 根據(jù)油缸截面積和壓力的關(guān)系作出調(diào)整，實際應(yīng)用時，高壓氣體罐10的體積要足夠大，在 驅(qū)動油缸4做功推動復(fù)位油缸6時，高壓氣體罐10的壓力不能上升太大。例如激發(fā)罐1 內(nèi)液態(tài)乙烯充滿時的體積為2升時，驅(qū)動油缸4和復(fù)位油缸6的行程容積都是1升，高壓氣 體罐10的體積約為15升或15升以上。確定在鎖止機構(gòu)7鎖止齒條5的情況下，向激發(fā)罐1內(nèi)注滿低臨界點工質(zhì)乙烯，向 換熱器2通入冷卻水，冷卻激發(fā)罐1內(nèi)乙烯，使乙烯在略低于臨界溫度的狀態(tài)下以液態(tài)的形 式充滿激發(fā)罐1。向換熱器2通入熱水，用水泵11把從集熱器12收集太陽能獲得的熱水從貯熱罐 13抽入換熱器2加熱激發(fā)罐1內(nèi)的液態(tài)乙烯，當(dāng)乙烯超過臨界溫度9. 5°C時，乙烯由液態(tài)變 成氣態(tài)，壓力迅速由臨界壓力52. 4kg/cm2上升至86. 68kg/cm2 (由實驗室測得)，激發(fā)罐1內(nèi) 的高壓氣體推動微型油缸71活塞運行，當(dāng)微型油缸71內(nèi)壓力大于85kg/cm2時，微型油缸 71活塞桿將克服彈簧73及微型油缸71的復(fù)位彈簧的阻力，將鎖塊74頂入齒條5內(nèi)的凹 槽72中，從而解除鎖止，齒條5由驅(qū)動油缸4活塞推動向前運動，帶動齒輪16轉(zhuǎn)動通過單 向齒輪帶動傳動軸、帶動飛輪19轉(zhuǎn)動，輸出機械能。 當(dāng)驅(qū)動油缸4做功行程接近終了時，前轉(zhuǎn)換閥3的閥口 A關(guān)閉，另一個閥口 B打開， 后轉(zhuǎn)換閥18的閥口 Bl關(guān)閉，另一個閥口 Al打開，這時在換熱器2內(nèi)的熱水因為激發(fā)工質(zhì) 做功后溫度下降。通過實際情況，控制輸入換熱器2熱水流出的溫度，大致在9. 5°C左右，這 部分降溫后的水在向換熱器2注入冷水的作用下被排到冷源換熱器31、制冷機32后，在吸 收熱量后，將再次流向換熱器2作下一次循環(huán)。齒條5在復(fù)位油缸6和換熱器2內(nèi)冷卻水 的共同作用下，驅(qū)動油缸4活塞被壓回上止點，鎖塊74越過橫梁75在彈簧73的作用下頂
5出，鎖止齒條5。接著前轉(zhuǎn)換閥3閥口 A打開，另一個閥口 B關(guān)閉，后轉(zhuǎn)換閥18閥口 Bl打開，另一 個閥口 Al關(guān)閉，換熱器2內(nèi)通入熱水，冷卻水被排出至制冷機冷卻，作下一次的冷卻循環(huán)。本發(fā)明的數(shù)據(jù)(以液態(tài)乙烯為例)激發(fā)罐1體積為2. 1升，驅(qū)動油缸4和復(fù)位油缸6的行程容積為1升，驅(qū)動油缸4 截面面積為100cm2，由實驗測出，激發(fā)罐1內(nèi)乙烯超過臨界點由液態(tài)變成氣態(tài)時，壓強由臨 界壓力52. 4kg/cm2上升到8. 5mpa(86. 68kg/cm2)，高壓氣體罐10內(nèi)氣體體積為15升，高壓 氣體罐10最低氣壓為54kg/cm2，當(dāng)做功行程終了時，激發(fā)罐1的氣壓上升為58. 7kg/cm2,高 壓氣體罐10的氣壓上升為57. 8kg/cm2。做功平均壓力(86.68+58. 7) /2 = 72. 69kg/cm2，復(fù)位油缸功耗平均壓力(57. 8+54) /2 = 55. 9kg/cm2，獲得功所得的平均壓力72· 69-55. 9 = 16. 79kg/cm2，單次獲得功16.79kg/cm2*100*9. 8*0. 1 = 1645. 42 焦耳。以上是理想狀態(tài)下計算得出的結(jié)果，從結(jié)果可知，液態(tài)乙烯的量越大，獲得單次功 越大，由于制冷系數(shù)大于1，大約4到5，1千瓦的功率每小時約產(chǎn)生5000千卡/小時的冷 量，又由于越接近臨界溫度時，乙烯液化所需的冷量越趨近于零，故此控制好做功行程終了 時激發(fā)罐1內(nèi)的溫度，即可節(jié)約冷量。由此可知，本太陽能空調(diào)機除去帶動制冷機的功外， 會有部分機械功輸出。上述實施例為本發(fā)明的實施例，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制， 其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為 等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種可輸出機械能的熱源空調(diào)機，其特征在于包括前轉(zhuǎn)換閥(3)、后轉(zhuǎn)換閥(18)及激發(fā)罐(1)，其中，前轉(zhuǎn)換閥(3)輸入端A閥口連接熱水，輸入端B閥口連接冷水，激發(fā)罐(1)為外設(shè)保溫層，內(nèi)設(shè)換熱器(2)的罐體式結(jié)構(gòu)，上部分充入低臨界點的工質(zhì)，下部分注入與工質(zhì)不相溶的物質(zhì)，換熱器(2)內(nèi)通水，換熱器(2)的輸入端與前轉(zhuǎn)換閥(3)連接，換熱器(2)的輸出端與后轉(zhuǎn)換閥(18)連接；一支架(21)及裝載在支架(21)上的驅(qū)動油缸(4)，驅(qū)動油缸(4)通過管道與激發(fā)罐(1)的下端連通，油缸(4)活塞桿的一端連接齒條(5)，齒條(5)的另一端連接復(fù)位油缸(6)，復(fù)位油缸(6)的負載為高壓氣體罐(10)，高壓氣體罐(10)的下部和復(fù)位油缸(6)以及連接管道注入液壓油，高壓氣體罐(10)內(nèi)充入其壓力大于充入激發(fā)罐(1)的工質(zhì)的臨界壓力的氮氣或空氣；齒條(5)的下部設(shè)有鎖止機構(gòu)(7)，齒條(5)的上部與單向齒輪(16)相嚙合，單向齒輪(16)的傳動軸上安裝有飛輪(19)，所述飛輪(19)由齒條(5)帶動旋轉(zhuǎn)輸出機械能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱源空調(diào)機，其特征在于所述鎖止機構(gòu)(7)包括裝置在支 架(21)上并與驅(qū)動油缸⑷內(nèi)腔管連通的微型油缸(71)、設(shè)置在齒條(5)背面的凹槽(72) 及設(shè)置在凹槽(72)內(nèi)的彈簧(73)與鎖塊(74)、設(shè)置在支架(21)上的橫梁(75)，微型油缸 (71)的活塞桿頂部加滾柱頂在鎖塊(74)的下部，當(dāng)激發(fā)罐(1)內(nèi)工質(zhì)變成氣態(tài)后，激發(fā)罐 (1)內(nèi)的壓力變大，推動微型油缸(71)的活塞桿運行，從而將鎖塊(74)頂入凹槽(72)內(nèi)， 解除橫梁(75)和鎖塊(74)的聯(lián)合鎖止，齒條(5)運行，當(dāng)齒條(5)回位至上止點時，鎖塊 (74)越過橫梁(75)在彈簧(73)的作用下頂出，卡在橫梁(75)上，鎖止齒條(5)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱源空調(diào)機，其特征在于前轉(zhuǎn)換閥(3)輸入端A閥口連接的 熱水來源于利用太陽能或火力熱能或工業(yè)冷卻用水作為熱源的集熱器(12)，前轉(zhuǎn)換閥(3) 輸入端B閥口連接的冷水來源于制冷機(20)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的熱源空調(diào)機，其特征在于所述后轉(zhuǎn)換閥(18)的閥口Bl輸出 冷卻水至制冷機(20)后再次流向換熱器(2)，后轉(zhuǎn)換閥(18)的閥口 Al與冷源換熱器(31) 連接，作為冷源使用，吸收空氣中的部分熱量后，直接流向集熱器(12)循環(huán)，或被用于制冷 機的冷凝冷卻水后再流向集熱器(12)循環(huán)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可輸出機械能的熱源空調(diào)機，包括前轉(zhuǎn)換閥、后轉(zhuǎn)換閥及一個或一個以上交錯工作的激發(fā)罐、前轉(zhuǎn)換閥輸入端A閥口連接熱水，輸入端B閥口連接冷水，激發(fā)罐為外設(shè)保溫層，內(nèi)設(shè)換熱器的罐體式結(jié)構(gòu)，上部分充入低臨界點的工質(zhì)，下部分注入油或水，換熱器的輸入端與前轉(zhuǎn)換閥連接，換熱器的輸出端與后轉(zhuǎn)換閥連接；一支架及裝載在支架上的驅(qū)動油缸、齒條及鎖止機構(gòu)，齒條的上部與單向齒輪相嚙合，單向齒輪的傳動軸上安裝有飛輪，飛輪由齒條帶動旋轉(zhuǎn)輸出機械能。本發(fā)明利用低臨界點工質(zhì)液/氣轉(zhuǎn)化過程能量轉(zhuǎn)換的特點做功，輸出機械能，同時在一個激發(fā)罐內(nèi)低臨界點工質(zhì)液/氣－氣/液相互轉(zhuǎn)化，循環(huán)利用，節(jié)省成本，降低消耗，環(huán)保高效。
文檔編號F24F12/00GK101922784SQ201010269799
公開日2010年12月22日 申請日期2010年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月31日
發(fā)明者曾燦民, 李金恒, 潘敏強 申請人:曾燦民