專利名稱:第二類熱動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
本發(fā)明屬于熱動(dòng)原動(dòng)動(dòng)力機(jī)械，是一種低溫差、低壓差發(fā)動(dòng)機(jī)，其理論根據(jù)是本人建立的“第二類熱動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)定律”(見(jiàn)所附論文)，采用了二種現(xiàn)有實(shí)用技術(shù)，是具有首創(chuàng)性的組合發(fā)明。
現(xiàn)有的熱動(dòng)動(dòng)力機(jī)械，即“第一類熱動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)”基本都是采用人工制造高溫差的方法，通過(guò)熱膨脹等來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。各種內(nèi)燃機(jī)、活塞式蒸汽機(jī)、燃汽輪機(jī)等都屬于第一類熱動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。由于用人工制造高溫差的方法因石油、煤炭的日趨貧乏和核技術(shù)的不成熟而受到很大的限制，同時(shí)，人工釋放高熱能又使環(huán)境溫度大幅度上升，引起一系列公害，最終將威脅人類的生存和發(fā)展。
本發(fā)明的任務(wù)就是放棄采用人工制造高溫差并通過(guò)一定方式做功實(shí)現(xiàn)預(yù)定機(jī)械運(yùn)動(dòng)這種“第一類熱動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)”的基本原理，根據(jù)“第二類熱動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)定律”，采用從一般環(huán)境等單一熱源中吸收熱能，通過(guò)內(nèi)部變換而采用低溫差，等比容壓差移動(dòng)做功的方法實(shí)現(xiàn)預(yù)定的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從而使以往的“不可再生能源”變成了“可再生能源”，并保護(hù)了自然生態(tài)環(huán)境。
本發(fā)明的典型實(shí)施例是機(jī)械式的，稱為“機(jī)械式第二類熱動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)”，它采用了二種現(xiàn)有的實(shí)用技術(shù)，即全封閉蒸汽壓縮式熱泵技術(shù)和蒸汽汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。
我們知道，目前實(shí)用的冷凍機(jī)，如使用氨制冷劑的工業(yè)冷凍機(jī)，可以在環(huán)境溫度為30℃，蒸發(fā)溫度為-15℃的情況下，使制冷系數(shù)達(dá)到4.8這樣的水平，那么相應(yīng)的熱泵“制熱系數(shù)”就可高達(dá)4.8+1＝5.8，如記入90%的機(jī)械效率則制熱系數(shù)為5.2。汽輪機(jī)的單機(jī)效率一般可高達(dá)90%，由于在本實(shí)施例中，蒸汽在接近等比容狀態(tài)的壓差移動(dòng)做功時(shí)，蒸汽溫度由0開(kāi)始最終要上升到0.75左右，所以取汽輪機(jī)單機(jī)效率為80%，用圖解法(參見(jiàn)附圖2和3)，可算得此時(shí)可供汽輪機(jī)做功的能量占蒸汽所含可釋放能量的73%，則實(shí)際熱功轉(zhuǎn)換效率為73%×80%，約為58%，加上液泵等附屬設(shè)備最低可達(dá)到50%，如果用熱泵為汽輪機(jī)供熱，用汽輪機(jī)的輸出動(dòng)力的一部分為熱泵提供動(dòng)力，則有5.2×50%-1＝1.6就是說(shuō)可以從汽輪機(jī)輸出軸上得到是熱泵所需回授機(jī)械能的1.6倍的動(dòng)力輸出，可以用來(lái)發(fā)電或直接驅(qū)動(dòng)船只(注以上有關(guān)數(shù)據(jù)摘自農(nóng)業(yè)出版社《制冷機(jī)的理論和性能》1982年出版)。
本實(shí)施例的工作熱原理方框圖見(jiàn)附圖1。圖中左半部的冷凝器、蒸發(fā)器是全封閉蒸汽壓縮式熱泵的主要工作部分;右半部的汽化器、液化器是汽輪機(jī)的重要熱附屬結(jié)構(gòu)，使汽輪機(jī)的工質(zhì)工作于全封閉循環(huán)狀態(tài)，二者間以液泵相連;汽輪機(jī)和熱泵間以一定的機(jī)械形式相連接，以提供動(dòng)力。
附圖1中的實(shí)線及箭頭表示工質(zhì)的運(yùn)動(dòng)路線與方向，虛線及箭頭表示熱量傳輸情況?？梢?jiàn)，冷凝器和液化器是同一個(gè)熱交換器(應(yīng)與其它部分絕熱);蒸發(fā)器和汽化器是同一個(gè)熱交換器，這個(gè)熱交換器是整個(gè)實(shí)施發(fā)動(dòng)機(jī)的吸熱器，和外界熱源如海水接觸吸熱，提供能源。應(yīng)該注意的是，蒸發(fā)器必須先對(duì)液化器進(jìn)行充分冷卻，然后再?gòu)耐饨鐭嵩吹哪俏鼰?，所以這個(gè)交換器是由機(jī)內(nèi)和機(jī)外二部分構(gòu)成的。
附圖1中，Q1、Q2、Q3是熱泵每壓縮單位質(zhì)量的工質(zhì)，熱交換換器中發(fā)生熱交換的值，A表示穩(wěn)定工作時(shí)所輸出的相應(yīng)的機(jī)械能的值。設(shè)汽輪機(jī)的實(shí)際熱功轉(zhuǎn)換效率為α，熱泵的“制熱系數(shù)”為β，則有以下推導(dǎo)α= (Q1-Q2)/(Q1) ①β= (Q1)/((Q1-Q2)-A) ②解之，得關(guān)系式 (A)/((Q1-Q2)-A) =αβ-1③式中的(Q1-Q2)-A為熱泵所需回授的機(jī)械能，將α＝50%，β＝5.2代入③式得1.6與前面分析的相同。
根據(jù)能量守恒定律，A＝Q3代入③式得αβ-1= (Q3)/(Q1-Q2-Q3) ④④式的意義是當(dāng)實(shí)際上的αβ-1＞0時(shí)，說(shuō)明Q3＞0，整個(gè)發(fā)動(dòng)極為吸熱狀態(tài)，可以自動(dòng)工作;當(dāng)αβ-1＜0時(shí)，說(shuō)明Q3＜0，發(fā)動(dòng)機(jī)既使被啟動(dòng)機(jī)啟動(dòng)平穩(wěn)了也不能自動(dòng)工作;當(dāng)αβ-1＝0時(shí)，為臨界狀態(tài)。
接下來(lái)，我們用圖解法來(lái)對(duì)這一計(jì)算加以印證。為了敘述方便，設(shè)熱泵和汽輪機(jī)采用同一種工質(zhì)，各自組成封閉回路進(jìn)行工作，則可繪出單位質(zhì)量同種工質(zhì)的實(shí)施發(fā)動(dòng)機(jī)工質(zhì)工作狀態(tài)圖(lgP-h圖，又稱莫里哀圖)如附圖2。附圖2中ABCD表示熱泵工質(zhì)的工作狀態(tài)，因已成熟技術(shù)，恕不贅述。圖中EFGH表示汽輪機(jī)工質(zhì)的工作狀態(tài)，其狀態(tài)進(jìn)行方向與熱泵相反(見(jiàn)圖中箭頭);EF段表示工質(zhì)在汽化器中吸熱變成干蒸汽，F(xiàn)G段為蒸汽在汽輪機(jī)中以接近等比容狀態(tài)在壓差作用下做功，F(xiàn)G近似為等此容線，GH段為汽輪機(jī)尾汽進(jìn)入液化器后的冷卻液化階段，溫度基本不變，HE段表示被液化后的工質(zhì)被液泵送回汽化器中，內(nèi)能增加很少。
從AB和EF的大小來(lái)看，有單位質(zhì)量的工質(zhì)在汽輪機(jī)中工作，需要更多一些的工質(zhì)在熱泵中工作。如果將具有對(duì)等的耗熱、供熱能力的工質(zhì)的狀態(tài)繪成專用于表征輸出功的lgP-△h圖即焓變圖就出現(xiàn)了附圖3，附圖3中的A就是前文的“熱泵每壓縮單位質(zhì)量工質(zhì)”汽輪機(jī)“所輸出的相應(yīng)機(jī)械能的值”。當(dāng)然，A和Q3是一致的，相等的。
下面，我們根據(jù)從實(shí)施例中推導(dǎo)出的式④，對(duì)包括機(jī)械式在內(nèi)的各種第二類熱功發(fā)動(dòng)機(jī)加以討論。
①如果某發(fā)動(dòng)機(jī)的αβ-1≤0，那么這種裝置將無(wú)法自動(dòng)工作，但，這并不說(shuō)明這種裝置就沒(méi)有用處了。如，某種半導(dǎo)體熱泵能使αβ-1的值在零附近，那么這種裝置就可以做為一種特殊的高效電動(dòng)機(jī)來(lái)使用，可具有恒溫、調(diào)溫作用。
②當(dāng)某種半導(dǎo)體熱泵會(huì)使αβ-1的值大于零時(shí)，Q3＞0，可以自動(dòng)工作用于發(fā)電，也可以采用其它電源而成為一種半熱動(dòng)的超高效電機(jī)，可以在工作于高溫環(huán)境中時(shí)對(duì)自身進(jìn)行冷卻，也可以在必要時(shí)采用調(diào)溫方式工作。
③在特殊情況下，熱泵和汽輪機(jī)可單獨(dú)的，也可全部地采用半封閉或完全開(kāi)放的非循環(huán)工質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行工作。例如在有低壓蒸汽產(chǎn)出的地?zé)岬貐^(qū)，熱泵可以直接吸入低壓蒸汽進(jìn)行壓縮制熱，高壓端形成的高溫高壓水可通過(guò)水輪機(jī)回收能量也可直接排放，而汽輪機(jī)則可直接吸入沸水而排出濕蒸汽，使整機(jī)形成完全開(kāi)放的結(jié)構(gòu)-一根據(jù)附圖3及全開(kāi)放結(jié)構(gòu)中熱泵排水與汽輪機(jī)吸水的特點(diǎn)，可得出實(shí)施例的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，即只由壓縮機(jī)、汽輪機(jī)、吸熱器三個(gè)部分構(gòu)成。如附圖4所示的全封閉蒸汽單循環(huán)結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于用汽輪機(jī)直接取代了熱泵的冷凝器和節(jié)流閥，用等比容壓差做功代替冷凝和節(jié)流。工質(zhì)工作狀態(tài)相當(dāng)于把附圖2中的B、F二點(diǎn)重合，把G、M二點(diǎn)重合所形成的三角形B(F)CG(M)。如果仔細(xì)研究莫里哀圖上的這個(gè)三角形我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，在飽和區(qū)和過(guò)熱區(qū)的任何一個(gè)地方，等熵線和等比容線都是不重和的，而且都可以畫(huà)出形狀相近的三角形，所不同的是在過(guò)熱區(qū)畫(huà)出的三角形中同樣的壓差下，等比容線上的溫差要比飽和區(qū)的高好多倍。據(jù)此，我們可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境和允許的形狀和尺寸大小具體設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)工質(zhì)的工作狀態(tài)，以達(dá)到最佳的效果。這樣一來(lái)，簡(jiǎn)化的機(jī)械式第二類熱動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)就不只有“全封閉蒸汽單循環(huán)”一種結(jié)構(gòu)了，還會(huì)出現(xiàn)“半封閉”、“非蒸汽式”等多種結(jié)構(gòu)，我們可以將它們統(tǒng)稱為“氣體壓縮式單循環(huán)結(jié)構(gòu)”。相應(yīng)的，這種發(fā)動(dòng)機(jī)中的熱泵也就不是只利用汽化熱的熱泵了，應(yīng)稱為“氣體壓縮式熱泵”了，汽輪機(jī)和吸熱器也會(huì)有功能和結(jié)構(gòu)上的變化。
在只有高溫水產(chǎn)出的地區(qū)則可以采用只是汽輪機(jī)開(kāi)放的結(jié)構(gòu)，不過(guò)還是采用簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)更科學(xué)一些。
④根據(jù)能量守恒定律，本發(fā)明中的發(fā)動(dòng)機(jī)只有在吸入熱能和輸出能量相等的狀態(tài)才能持續(xù)地正常工作，如果無(wú)負(fù)載或負(fù)載過(guò)低，內(nèi)部能量積累將過(guò)大，所以應(yīng)該設(shè)置相應(yīng)的保護(hù)、保險(xiǎn)裝置。
⑤本發(fā)明中的發(fā)動(dòng)機(jī)必須經(jīng)過(guò)起動(dòng)機(jī)起動(dòng)后方能進(jìn)入正常工作狀態(tài)。
⑥汽輪機(jī)主體應(yīng)該與其它部分絕熱，否則整機(jī)性能將難以保證。對(duì)壓縮機(jī)也應(yīng)與以考慮。
⑦必要時(shí)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子表面和外殼內(nèi)壁應(yīng)考慮采用不易被工質(zhì)濕潤(rùn)的材料。還可以考慮轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸與水平面垂直放置，讓工質(zhì)由上向下運(yùn)動(dòng)，以降低濕蒸汽帶來(lái)的不良影響。
⑧具體實(shí)施的發(fā)動(dòng)機(jī)其工質(zhì)運(yùn)行狀態(tài)會(huì)與前文所述的略有區(qū)別，其目的無(wú)非是提高整機(jī)效率和提高適應(yīng)能力，在基本原理上是相同的，基本結(jié)構(gòu)是類似的。
⑨汽輪機(jī)向熱泵反饋的能量可以是直接的，也可以是間接。如全機(jī)械式的，汽輪機(jī)和熱泵可以是同軸轉(zhuǎn)動(dòng)的或通過(guò)變速器傳動(dòng)的，也可以是用慣性儲(chǔ)能法間接傳動(dòng)的;半導(dǎo)體熱泵式的，熱泵的電能可以是輸出端發(fā)電機(jī)直接回授的，也可以是儲(chǔ)電池間接回授的。
⑩熱泵吸收的能量可以是來(lái)自流體、固體的熱能，也可以是來(lái)自輻射、燃料等其它可直接、間接變成熱能的能源。
(11)當(dāng)熱源供應(yīng)不穩(wěn)定，但輸出要求穩(wěn)定，或熱源供應(yīng)相對(duì)穩(wěn)定而輸出端負(fù)載卻很不穩(wěn)定時(shí)，可采用靈活的驅(qū)動(dòng)方式，采用全熱或半熱動(dòng)方式。
本發(fā)明的最大優(yōu)點(diǎn)在于只采用了二種實(shí)用技術(shù)就實(shí)現(xiàn)了熱機(jī)能量來(lái)源的改變，變“不可再生能源”為“可再生能源”，解決了末來(lái)社會(huì)的能源和環(huán)境問(wèn)題。從造價(jià)、效率、效益、安全性、維修、適用范圍、運(yùn)轉(zhuǎn)方式、運(yùn)行管理上看都有相當(dāng)大的優(yōu)越性，最適合于無(wú)人操作的自動(dòng)化發(fā)電、生產(chǎn)等。
本發(fā)明的最佳使用方案是用于海洋發(fā)電和地?zé)岚l(fā)電，以解決能源問(wèn)題。
用于海洋發(fā)電時(shí)，可以將整個(gè)發(fā)電機(jī)組安裝在海平面以下的混凝土底座上，或用浮筒與三條錨鏈將其浮置于海水之中，從海水中吸熱并利用海水被冷卻后下沉形成的自然對(duì)流來(lái)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)連續(xù)的工作。
用于地?zé)岚l(fā)電時(shí)，可以四季不間斷工作。
權(quán)利要求
1.第二類熱動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，屬于熱動(dòng)動(dòng)力機(jī)械，其特征是采用以熱泵和汽輪機(jī)為主體并用熱泵為汽輪機(jī)提供全部熱能的結(jié)構(gòu)，用于輸出機(jī)械動(dòng)力的裝置。
2.按權(quán)利要求
1所述的動(dòng)力裝置，當(dāng)采用全機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，其特征是熱泵和汽輪機(jī)既可采用各自封閉循環(huán)工質(zhì)結(jié)構(gòu)，又可采用單獨(dú)封閉、單獨(dú)半封閉、各自半封閉、完全開(kāi)放等多種結(jié)構(gòu)。
3.按權(quán)利要求
2所述的動(dòng)力裝置，其特征是可以簡(jiǎn)化為由壓縮機(jī)、汽輪機(jī)、吸熱器三部分構(gòu)成的全封閉蒸汽單循環(huán)結(jié)構(gòu)或氣體壓縮單循環(huán)結(jié)構(gòu)。
4.按權(quán)利要求
1所述的動(dòng)力裝置，其特征是設(shè)有保護(hù)、保險(xiǎn)裝置。
5.按權(quán)利要求
1所述的動(dòng)力裝置，當(dāng)汽輪機(jī)向熱泵反饋能量時(shí)，其特征是反饋的能量既可以是直接的也可以是間接的(指相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)或電氣結(jié)構(gòu))。
6.按權(quán)利要求
1所述的動(dòng)力裝置，當(dāng)汽輪機(jī)不向熱泵反饋能量時(shí)，其特征是熱泵由另外的能源，如電源提供能量(指相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)或電氣結(jié)構(gòu))。
專利摘要
第二類熱動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)是相對(duì)內(nèi)燃機(jī)、燃汽輪機(jī)等第一類熱動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)而言的一種新型發(fā)動(dòng)機(jī)。主要采用了二種現(xiàn)有的實(shí)用技術(shù)，即熱泵技術(shù)和氣輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，具有從單一熱源中吸收熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的性能，以達(dá)到提供新能源，改善生態(tài)環(huán)境的目的。本發(fā)明的典型結(jié)構(gòu)是機(jī)械式的，簡(jiǎn)化了的發(fā)動(dòng)機(jī)只由壓縮機(jī)、汽輪機(jī)、吸熱器三部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。本發(fā)明主要用于海洋和地?zé)岚l(fā)電，也可用于船只，做為發(fā)動(dòng)機(jī)。
文檔編號(hào)F25B29/00GK87105068SQ87105068
公開(kāi)日1988年3月16日 申請(qǐng)日期1987年8月22日
發(fā)明者楊正祥 申請(qǐng)人:楊正祥導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan