一種熱能動力機(jī)器及其做功方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種熱能動力機(jī)器及其做功方法，包括吸熱器、導(dǎo)熱器、氣化裝置、做功機(jī)構(gòu)、冷卻裝置、傳動裝置和循環(huán)裝置，其特征是：吸熱器通過管道連接導(dǎo)熱器，導(dǎo)熱器設(shè)置在氣化裝置上，氣化裝置連接做功機(jī)構(gòu)，做功機(jī)構(gòu)連接冷卻裝置和傳動裝置，冷卻裝置連接循環(huán)裝置，循環(huán)裝置連接氣化裝置，傳動裝置關(guān)聯(lián)循環(huán)裝置，每完成一次循環(huán)，循環(huán)裝置開啟關(guān)閉一次。本發(fā)明有工質(zhì)循環(huán)使用，無污染；熱能轉(zhuǎn)換效率65%-98%；能調(diào)整輸出功率；該設(shè)備是對工質(zhì)進(jìn)行氣化做功，整個過程不產(chǎn)生爆震；機(jī)器結(jié)構(gòu)簡單，能替代常規(guī)能源消耗，經(jīng)濟(jì)效益高，節(jié)能環(huán)保，噪音小。
【專利說明】一種熱能動力機(jī)器及其做功方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于熱能動力機(jī)器領(lǐng)域，尤其是利用太陽能、地?zé)?、可燃物燃燒產(chǎn)生的高溫氣體、內(nèi)燃機(jī)熱能或尾氣、工廠排出的高溫氣體等熱能轉(zhuǎn)換成動能的動力機(jī)器。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的動力機(jī)器有蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、外燃機(jī)。
[0003]蒸汽機(jī):離不開鍋爐，整個裝置既笨重又龐大；新蒸汽的壓力和溫度不能過高，排氣壓力不能過低，熱效率難以提高；它是一種往復(fù)式機(jī)器，慣性限制了轉(zhuǎn)速的提高；工作過程是不連續(xù)的，蒸汽的流量受到限制，也就限制了功率的提高。
[0004]內(nèi)燃機(jī):結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對燃料要求較高，對燃料的潔凈度要求嚴(yán)格，對環(huán)境污染。
[0005]外燃機(jī)，如熱氣機(jī)是其中一種，熱氣機(jī)與內(nèi)燃機(jī)比較具備以下優(yōu)點(diǎn):
適用于各種能源，無論是液態(tài)的、氣態(tài)的或固態(tài)的燃料，當(dāng)采用載熱系統(tǒng)(如熱管)間接加熱時，幾乎可以使用任何高溫?zé)嵩?太陽能放射性同位素和核反應(yīng)等)，而發(fā)動機(jī)本身(除加熱器外)不需要作任何更改。同時熱氣機(jī)無需壓縮機(jī)增壓，使用一般風(fēng)機(jī)即可滿足要求，并允許燃料具有較高的雜質(zhì)含量；熱氣機(jī)單機(jī)容量小，機(jī)組容量從20 - 50kw，可以因地制宜的增減系統(tǒng)容量；結(jié)構(gòu)簡單，零件數(shù)比內(nèi)燃機(jī)少40%，降價空間大；維護(hù)成本低。
[0006]熱氣機(jī)在運(yùn)行時，由于燃料在氣缸外的燃燒室內(nèi)連續(xù)燃燒，獨(dú)立于燃?xì)獾墓べ|(zhì)通過加熱器吸熱，并按斯特林循環(huán)對外做功，因此避免了類似內(nèi)燃機(jī)的爆震做功和間歇燃燒過程，從而實(shí)現(xiàn)了高效、低噪和低排放運(yùn)行。高效:總能效率達(dá)到80%以上；低噪:1米處裸機(jī)噪音底于68dBA ;低排放:尾氣排放達(dá)到歐5標(biāo)準(zhǔn)。
[0007]由于工質(zhì)不燃燒，外燃機(jī)避免了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的震爆做功問題，從而實(shí)現(xiàn)了高效率、低噪音、低污染和低運(yùn)行成本。外燃機(jī)可以燃燒各種可燃?xì)怏w，如:天然氣、沼氣、石油氣、氫氣、煤氣等，也可燃燒柴油、液化石油氣等液體燃料，還可以燃燒木材，以及利用太陽能等。只要熱腔達(dá)到700°C，設(shè)備即可做功運(yùn)行，環(huán)境溫度越低，發(fā)電效率越高。外燃機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是出力和效率不受海拔高度影響，非常適合于高海拔地區(qū)使用。
[0008]同時熱氣機(jī)尚存在的主要問題和缺點(diǎn)是:制造成本較高，工質(zhì)密封技術(shù)較難，密封件的可靠性和壽命還存在問題，材料成本高，功率調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)較復(fù)雜，機(jī)器較為笨重；膨脹室、壓縮室、加熱器、冷卻室、再生器等的成本高，熱量損失是內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的2-3倍等。
[0009]有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)包括泵、蒸發(fā)器、膨脹機(jī)、發(fā)電機(jī)、冷凝器等。吸熱器吸收太陽輻照，吸熱器內(nèi)換熱介質(zhì)溫度升高，換熱介質(zhì)通過蒸發(fā)器把熱量傳給有機(jī)工質(zhì)。有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器中定壓加熱，高壓的氣態(tài)有機(jī)工質(zhì)進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹做功，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電；膨脹機(jī)尾部排出的有機(jī)工質(zhì)進(jìn)入冷凝器中定壓冷凝，冷凝器出口的有機(jī)工質(zhì)經(jīng)過泵加壓后進(jìn)入蒸發(fā)器完成一次發(fā)電循環(huán)。
[0010]有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)存在轉(zhuǎn)換效率不高，體積大，需要借助結(jié)構(gòu)復(fù)雜的膨脹機(jī)做功。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0011]本發(fā)明克服了斯特林發(fā)動機(jī)存在的膨脹室、壓縮室、加熱器、冷卻室、再生器等的成本高，熱量損失是內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的2-3倍等問題；克服了有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)需要膨脹機(jī)或汽輪機(jī)，制造成本高的技術(shù)難題。本發(fā)明提出的熱能動力機(jī)器是利用現(xiàn)有單缸或多缸發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)，結(jié)合熱氣機(jī)和有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的動力設(shè)備。由吸熱器把熱能吸收后對氣化反應(yīng)器進(jìn)行加熱，使工質(zhì)高溫氣化彭脹推動活塞產(chǎn)生動能做功。
[0012]本發(fā)明提供了一種熱能轉(zhuǎn)換效率高、工質(zhì)能循環(huán)使用、最大功率范圍內(nèi)能調(diào)整工質(zhì)數(shù)量來調(diào)整輸出功率、能通過調(diào)整溫度進(jìn)行調(diào)整輸出功率、機(jī)器輸出功率平穩(wěn)的熱動力設(shè)備。
[0013]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種熱能動力機(jī)器，包括吸熱器、導(dǎo)熱器、氣化裝置、做功機(jī)構(gòu)、冷卻裝置、傳動裝置和循環(huán)裝置，其特征是:吸熱器通過管道連接導(dǎo)熱器，導(dǎo)熱器設(shè)置在氣化裝置上，氣化裝置連接做功機(jī)構(gòu)，做功機(jī)構(gòu)連接冷卻裝置和傳動裝置，冷卻裝置連接循環(huán)裝置，循環(huán)裝置連接氣化裝置，傳動裝置關(guān)聯(lián)循環(huán)裝置，每完成一次循環(huán)，循環(huán)裝置開啟關(guān)閉一次。
[0014]進(jìn)一步，吸熱器能吸收太陽能、地?zé)帷⒖扇嘉锶紵a(chǎn)生的高溫氣體、內(nèi)燃機(jī)尾氣、工廠排出的高溫氣體等熱能。
[0015]進(jìn)一步，導(dǎo)熱器包括設(shè)置在氣化反應(yīng)器上的氣化導(dǎo)熱片和設(shè)置在氣缸外層的保溫層。
[0016]進(jìn)一步，氣化裝置包括壓力殼、氣化導(dǎo)熱片、氣孔、霧化器，氣化導(dǎo)熱片設(shè)置在壓力殼上，氣化導(dǎo)熱片上陣列設(shè)有氣孔，壓力殼進(jìn)氣端設(shè)有霧化器。
[0017]進(jìn)一步，做功機(jī)構(gòu)包括氣缸和設(shè)在內(nèi)部的活塞，設(shè)置在活塞上的活塞環(huán)，與活塞連接的連桿，與連桿連接的曲軸，設(shè)在曲軸內(nèi)的軸承。
[0018]進(jìn)一步，冷卻裝置包括設(shè)置在氣缸上的排氣閥，通過管道與排氣閥連接的冷疑器，通過管道與冷疑器連接的儲液罐，排氣閥關(guān)聯(lián)傳動軸，每完成一次循環(huán)排氣閥開啟關(guān)閉一次。
[0019]進(jìn)一步，傳動裝置包括機(jī)殼上設(shè)置的軸承，設(shè)在曲軸內(nèi)的軸承，固定在軸承上的傳動軸。
[0020]進(jìn)一步，循環(huán)裝置包括通過管道與儲液罐連接的壓力泵，通過管道與壓力泵連接的霧化器。
[0021 ] 吸熱器吸收太陽能、地?zé)?、可燃物燃燒產(chǎn)生的高溫氣體、內(nèi)燃機(jī)尾氣、工廠排出的高溫氣體等熱能直接或者通過管道傳遞熱量給導(dǎo)熱器，管道內(nèi)設(shè)有流動的導(dǎo)熱介質(zhì)；導(dǎo)熱器交錯接觸分布或者平行接觸分布或者包覆接觸分布在氣化裝置上；做功機(jī)構(gòu)是由氣缸、活塞、活塞環(huán)、連桿、曲軸等組成；氣化裝置設(shè)置在氣缸的上止點(diǎn)，氣缸的上止點(diǎn)設(shè)有排氣閥，排氣閥關(guān)聯(lián)傳動軸，活塞到達(dá)氣缸的下止點(diǎn)時，傳動軸旋轉(zhuǎn)一周推動排氣閥開啟關(guān)閉一次，氣化的工質(zhì)通過排氣閥排出，排出的氣態(tài)工質(zhì)通過管道連接冷卻裝置，冷卻裝置使氣化的工質(zhì)液化；循環(huán)裝置由管道、儲液罐和壓力泵組成，使工質(zhì)在氣化裝置、做功機(jī)構(gòu)、冷卻裝置和循環(huán)裝置之間以液態(tài)工質(zhì)和氣態(tài)工質(zhì)循環(huán)，傳動裝置包含傳動軸和軸承，做功機(jī)構(gòu)連接傳動裝置輸出動能。
[0022]上述熱能動力機(jī)器做功的方法如下:
I)加熱步驟是指吸熱器吸收外界熱源，熱能通過導(dǎo)熱片把氣化反應(yīng)器工質(zhì)加熱至做功所需壓力時的氣化溫度的過程，氣缸壓力高時所需氣化溫度高，氣缸壓力低時所需氣化溫度低；
2)注液步驟是指通過壓力泵把液體加壓到霧化器將液體均勻注入氣化反應(yīng)器的過
程;
3)氣化步驟是指氣化反應(yīng)器內(nèi)霧化的液體工質(zhì)受熱瞬間氣化的過程；
4)做功步驟是指液體工質(zhì)受熱氣化后膨脹推動活塞從上止點(diǎn)到達(dá)下止點(diǎn)的過程；
5)排氣步驟是指活塞到達(dá)下止點(diǎn)時打開排氣閥，氣體工質(zhì)通過排氣閥排出，通過飛輪慣性把活塞推到上止點(diǎn)并關(guān)閉排氣閥的過程；
6)冷卻步驟是指從排氣閥排出的高溫氣體通過冷疑器液化的過程；
7)通過以上I至6步驟循環(huán)工作，通過傳動裝置把動能輸出。
[0023]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:1.工質(zhì)循環(huán)使用，無污染；2.熱能轉(zhuǎn)換效率65%_98% ；3.生產(chǎn)時能根據(jù)所需功率調(diào)整機(jī)器氣缸容量或數(shù)量調(diào)整輸出功率；4.在最達(dá)功率范圍內(nèi)能調(diào)整注液調(diào)整輸出功率；5.該設(shè)備是對工質(zhì)進(jìn)行氣化做功，整個過程不產(chǎn)生爆震；6.機(jī)器結(jié)構(gòu)簡單該設(shè)備與現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)最大的不同在于，熱能在氣缸外的燃燒室內(nèi)連續(xù)燃燒或者太陽熱能等，通過導(dǎo)熱片傳給工質(zhì)，工質(zhì)不直接參與燃燒，也不更換。而內(nèi)燃機(jī)的燃料則在燃燒室內(nèi)間歇性燃燒，工質(zhì)就是燃料，每一個工作循環(huán)都更換(即本發(fā)明液體工質(zhì)加熱轉(zhuǎn)換氣體工質(zhì)，氣體工質(zhì)液化轉(zhuǎn)換成液體工質(zhì))，能替代常規(guī)能源消耗，經(jīng)濟(jì)效益高，節(jié)能環(huán)保，噪音小。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明原理框圖；
圖2是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明做功循環(huán)原理圖；
圖4是本發(fā)明氣化裝置結(jié)構(gòu)圖；
圖中:1為吸熱器；2為氣化導(dǎo)熱片；3為保溫層；4為缸蓋；5為壓力泵；6為霧化器；7為排氣閥；8為氣化反應(yīng)器；9為氣缸；10為活塞；11為活塞環(huán)；12為連接銷；13為連桿；14為曲軸；15為軸承；16為機(jī)殼；17為冷疑器；18為傳動軸；19為儲液罐；20為管道；21為壓力殼；22為氣孔；101為吸熱器；102為導(dǎo)熱器；103為氣化裝置；104為做功機(jī)構(gòu)；105為傳動裝置；106為冷卻裝置；107為循環(huán)裝置；201為加熱步驟；202為注液步驟；203為氣化步驟；204為做功步驟；205為排氣步驟；206為冷卻步驟。
【具體實(shí)施方式】
[0025]參照附圖1-3，本發(fā)明的實(shí)施方式是:
一種熱能動力機(jī)器，由吸熱器1、氣化導(dǎo)熱片2、保溫層3、缸蓋4、壓力泵5、霧化器6、排氣閥7、氣化反應(yīng)器8、氣缸9、活塞10、活塞環(huán)11、連接銷12、連桿13、曲軸14、軸承15、機(jī)殼16、冷疑器17、傳動軸18、儲液罐19和管道20組成，氣缸9內(nèi)設(shè)有活塞10，活塞10設(shè)有活塞環(huán)11，活塞10通過連接銷12連接連桿13，連桿13連接曲軸14，曲軸14設(shè)有軸承15，軸承15固定在傳動軸18上，傳動軸18通過軸承固定在機(jī)殼16上，傳動軸18 —端設(shè)有壓力泵5 ;壓力泵5 —端通過管道20連接霧化器6，另一端通過管道20連接儲液罐19，連接儲液罐19的管道20延伸至儲液罐19下部；氣缸9的缸壁真空，氣缸9外層設(shè)有保溫層3 ;氣缸9上止點(diǎn)設(shè)有氣化反應(yīng)器8，由缸蓋4固定；氣化反應(yīng)器8通過管道20連接吸熱器1，氣缸9上止點(diǎn)側(cè)壁設(shè)有排氣閥7，排氣閥7通過管道20連接冷疑器17 —端，冷疑器17另一端通過管道20連接儲液罐19 ;吸熱器I 一端連接氣化導(dǎo)熱片2 —端，另一端連接氣化導(dǎo)熱片2另一端；氣化反應(yīng)器8包括壓力殼21、氣化導(dǎo)熱片2和氣孔22 ;氣化導(dǎo)熱片2設(shè)置在壓力殼21上，氣化導(dǎo)熱片2上陣列設(shè)有氣孔22，壓力殼21進(jìn)氣端設(shè)有霧化器6，霧化器6設(shè)置在氣化反應(yīng)器8頂層。
【權(quán)利要求】
1.一種熱能動力機(jī)器，包括吸熱器、導(dǎo)熱器、氣化裝置、做功機(jī)構(gòu)、冷卻裝置、傳動裝置和循環(huán)裝置，其特征是:吸熱器通過管道連接導(dǎo)熱器，導(dǎo)熱器設(shè)置在氣化裝置上，氣化裝置連接做功機(jī)構(gòu)，做功機(jī)構(gòu)連接冷卻裝置和傳動裝置，冷卻裝置連接循環(huán)裝置，循環(huán)裝置連接氣化裝置，傳動裝置關(guān)聯(lián)循環(huán)裝置，每完成一次循環(huán)，循環(huán)裝置開啟關(guān)閉一次。
2.如權(quán)利要求1所述熱能動力機(jī)器，其特征是:所述吸熱器能吸收太陽能、地?zé)?、可燃物燃燒產(chǎn)生的高溫氣體、內(nèi)燃機(jī)尾氣、工廠排出的高溫氣體的熱能。
3.如權(quán)利要求1所述熱能動力機(jī)器，其特征是:所述導(dǎo)熱器包括設(shè)置在氣化反應(yīng)器上的氣化導(dǎo)熱片和設(shè)置在氣缸外層的保溫層。
4.如權(quán)利要求1所述熱能動力機(jī)器，其特征是:所述氣化裝置包括壓力殼、氣化導(dǎo)熱片、氣孔、霧化器，氣化導(dǎo)熱片設(shè)置在壓力殼上，氣化導(dǎo)熱片上陣列設(shè)有氣孔，壓力殼進(jìn)氣端設(shè)有霧化器。
5.如權(quán)利要求1所述熱能動力機(jī)器，其特征是:所述做功機(jī)構(gòu)包括氣缸和設(shè)在內(nèi)部的活塞，設(shè)置在活塞上的活塞環(huán)，與活塞連接的連桿，與連桿連接的曲軸，設(shè)在曲軸內(nèi)的軸承。
6.如權(quán)利要求1所述熱能動力機(jī)器，其特征是:所述冷卻裝置包括設(shè)置在氣缸上的排氣閥，通過管道與排氣閥連接的冷疑器，通過管道與冷疑器連接的儲液罐，排氣閥關(guān)聯(lián)傳動軸，每完成一次循環(huán)排氣閥開啟關(guān)閉一次。
7.如權(quán)利要求1所述熱能動力機(jī)器，其特征是:所述傳動裝置包括機(jī)殼上設(shè)置的軸承，設(shè)在曲軸內(nèi)的軸承，固定在軸承上的傳動軸。
8.如權(quán)利要求1所述熱能動力機(jī)器，其特征是:所述循環(huán)裝置包括通過管道與儲液罐連接的壓力閥，通過管道與壓力閥連接的霧化器。
9.如權(quán)利要求1-8其中之一所述熱能動力機(jī)器，由吸熱器(I)、氣化導(dǎo)熱片(2)、保溫層(3)、缸蓋(4)、壓力閥(5)、霧化器(6)、排氣閥(7)、氣化反應(yīng)器(8)、氣缸(9)、活塞(10)、活塞環(huán)(11)、連接銷(12)、連桿(13)、曲軸(14)、軸承(15)、機(jī)殼(16)、冷疑器(17)、傳動軸(18)、儲液罐(19)和管道(20)組成，氣缸(9)內(nèi)設(shè)有活塞(10)，活塞(10)設(shè)有活塞環(huán)(11)，活塞(10)通過連接銷(12)連接連桿(13)，連桿(13)連接曲軸(14)，曲軸(14)設(shè)有軸承(15)，軸承(15)固定在傳動軸(18)上，傳動軸(18)通過軸承固定在機(jī)殼(16)上，傳動軸(18)一端設(shè)有壓力閥(5);壓力閥(5) —端通過管道(20)連接霧化器(6)，另一端通過管道(20)連接儲液罐(19)，連接儲液罐(19)的管道(20)延伸至儲液罐(19)下部；氣缸(9)的缸壁真空，氣缸(9)外層設(shè)有保溫層(3);氣缸(9)上止點(diǎn)設(shè)有氣化反應(yīng)器(8)，由缸蓋(4)固定；氣化反應(yīng)器(8)通過管道(20)連接吸熱器(I )，氣缸(9)上止點(diǎn)側(cè)壁設(shè)有排氣閥(7)，排氣閥(7 )通過管道(20 )連接冷疑器(17 ) —端，冷疑器(17 )另一端通過管道(20 )連接儲液罐(19);吸熱器(I) 一端連接氣化導(dǎo)熱片(2)—端，另一端連接氣化導(dǎo)熱片(2)另一端；氣化反應(yīng)器(8)包括壓力殼(21)、氣化導(dǎo)熱片(2)和氣孔(22);氣化導(dǎo)熱片(2)設(shè)置在壓力殼(21)上，氣化導(dǎo)熱片(2)上陣列設(shè)有氣孔(22)，壓力殼(21)進(jìn)氣端設(shè)有霧化器(6)，霧化器(6 )設(shè)置在氣化反應(yīng)器(8 )頂層。
10.如權(quán)利要求9所述熱能動力機(jī)器做功的方法如下:1)加熱步驟是指吸熱器吸收外界熱源，熱能通過導(dǎo)熱片把氣化反應(yīng)器工質(zhì)加熱至做功所需壓力時的氣化溫度的過程，氣缸壓力高時所需氣化溫度高，氣缸壓力低時所需氣化溫度低；2)注液步驟是指通過壓力閥把液體加壓到 霧化器將液體均勻注入氣化反應(yīng)器的過程；3)氣化步驟是指氣化反應(yīng)器內(nèi)霧化的液體工質(zhì)受熱瞬間氣化的過程；4)做功步驟是指液體工質(zhì)受熱氣化后膨脹推動活塞從上止點(diǎn)到達(dá)下止點(diǎn)的過程；5)排氣步驟是指活塞到達(dá)下止點(diǎn)時打開排氣閥，氣體工質(zhì)通過排氣閥排出，通過飛輪慣性把活塞推到上止點(diǎn)并關(guān)閉排氣閥的過程；6)冷卻步驟是指從排氣閥排出的高溫氣體通過冷疑器液化的過程；7)通過以上I至6步驟循環(huán)工作，通過傳動裝置把動 能輸出。
【文檔編號】F02G1/044GK103912406SQ201410177416
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年4月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月30日
【發(fā)明者】郭遠(yuǎn)軍 申請人:郭遠(yuǎn)軍