一種多級(jí)熱的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種多級(jí)熱機(jī)，包括多個(gè)串聯(lián)設(shè)置的第一級(jí)至第N級(jí)做功單元；多個(gè)用于連接相鄰兩級(jí)做功單元且將當(dāng)前做功單元的余熱傳遞至下一級(jí)做功單元的熱量傳遞單元；所述做功單元包括：填充有第一液體工質(zhì)的供熱管；填充有第二液體工質(zhì)的回?zé)峁埽粺嵩摧斎肟?；設(shè)置于所述回?zé)峁苌系臋C(jī)械泵；設(shè)置在所述供熱管和所述回?zé)峁苌系牡谝荒媪鲹Q熱器和第二逆流換熱器；葉輪機(jī)；所述熱量傳遞單元包括：傳熱管；設(shè)置在所述做功單元的所述供熱管上的第三換熱器；循環(huán)泵；所述傳熱管與下一級(jí)做功單元的熱源輸入口連接；設(shè)置在末級(jí)做功單元供熱管上的散熱裝置。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了熱機(jī)熱效率的提高。
【專利說明】一種多級(jí)熱機(jī)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種熱機(jī)，特別涉及一種多級(jí)熱機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]蒸汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)作為典型的熱機(jī)，他們的工作原理主要是利用高溫高壓的蒸汽或者燃?xì)馀蛎涀龉?，將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。
[0003]以蒸汽輪機(jī)為例，請(qǐng)參閱圖1，圖1為現(xiàn)有的熱力發(fā)電廠中所采用的蒸汽輪機(jī)式熱機(jī)。
[0004]鍋爐中的水受熱沸騰后轉(zhuǎn)化成水蒸氣流向過熱器，過熱器再對(duì)水蒸氣進(jìn)行加熱，變?yōu)檫^熱蒸汽。過熱器內(nèi)處于高溫高壓狀態(tài)下的過熱蒸氣依次進(jìn)入第一級(jí)汽輪機(jī)和第二級(jí)汽輪機(jī)，利用膨脹做功，將熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。為了提高熱機(jī)的熱效率，在第一級(jí)汽輪機(jī)和第二級(jí)汽輪機(jī)之間安裝再熱器和回?zé)崞鳌?br> [0005]具體的，通過管道將經(jīng)過第一級(jí)汽輪機(jī)之后的水蒸氣引到再熱器中，通過對(duì)再熱器中的蒸汽進(jìn)行再次加熱，之后再輸送至第二級(jí)汽輪機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)第二級(jí)汽輪機(jī)的最佳效率的做功?；?zé)崞髦饕峭ㄟ^抽汽管道把第二級(jí)汽輪機(jī)的部分蒸氣對(duì)其內(nèi)部經(jīng)凝結(jié)器冷卻后的水進(jìn)行加熱，通過熱水泵將回?zé)崞鲀?nèi)的熱水輸送至鍋爐，實(shí)現(xiàn)余熱回收。
[0006]對(duì)于以上設(shè)置有余熱回收裝置的熱機(jī)來說，其熱效率仍然是較低的。熱機(jī)做功的過程為熱力膨脹的過程。在膨脹做功的過程中，由于不能將工質(zhì)所含有的熱能全部轉(zhuǎn)化為推動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的有用功。所以，在膨脹過程中，會(huì)出現(xiàn)將沒有做功的有用熱能也膨脹為不可逆狀態(tài)。膨脹后的蒸氣溫度降低，無法轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，所以，現(xiàn)有熱機(jī)熱效率低的主要原因在于:一方面，當(dāng)前熱機(jī)在熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程中，大量的沒有被轉(zhuǎn)化為有用功的那部份熱能，在膨脹做功的同時(shí)也被膨脹成了不可逆狀態(tài)，因?yàn)槭遣豢赡鏍顟B(tài)，所以就無法把大量的余熱回收回來，因此導(dǎo)致熱機(jī)效率低；另一方面，余熱回收的過程是必須在蒸汽做功的同時(shí)進(jìn)行的，且還必須要經(jīng)歷一段不可逆的發(fā)展過程才能回收，這種回收方式必然會(huì)使余熱回收困難而且回收效率低下。
[0007]因此，亟需提供一種高效率的新型熱機(jī)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種多級(jí)熱機(jī)，實(shí)現(xiàn)了熱機(jī)的熱效率提高的目的。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0010]一種多級(jí)熱機(jī)，包括:
[0011]多個(gè)串聯(lián)設(shè)置的第一級(jí)至第N級(jí)做功單元；多個(gè)用于連接相鄰兩級(jí)做功單元且將當(dāng)前做功單元的余熱傳遞至下一級(jí)做功單元的熱量傳遞單元；
[0012]所述做功單元包括:填充有第一液體工質(zhì)的供熱管；填充有第二液體工質(zhì)的回?zé)峁埽辉O(shè)置在所述供熱管上的熱源輸入口 ；設(shè)置于所述回?zé)峁苌希刂扑龅诙后w工質(zhì)在所述回?zé)峁軆?nèi)循環(huán)流動(dòng)的機(jī)械泵；設(shè)置在所述供熱管和所述回?zé)峁苌系牡谝荒媪鲹Q熱器和第二逆流換熱器；設(shè)置在所述供熱管上的葉輪機(jī)；
[0013]所述熱量傳遞單元包括:填充有第三液體工質(zhì)的傳熱管；設(shè)置在所述傳熱管內(nèi)，控制所述第三液體工質(zhì)在所述傳熱管內(nèi)循環(huán)流動(dòng)的循環(huán)泵；設(shè)置在所述做功單元的所述供熱管上，將經(jīng)過所述第一逆流換熱器后的第一液體工質(zhì)的余熱傳遞至所述傳熱管中的第三液體工質(zhì)的第三逆流換熱器；所述傳熱管與下一級(jí)做功單元的熱源輸入口連接并將所述第三液體工質(zhì)的熱量傳遞至下一級(jí)做功單元；
[0014]設(shè)置在末級(jí)做功單元上，用于散發(fā)經(jīng)過所述第一逆流換熱器后的所述第一液體工質(zhì)的熱量的散熱裝置；
[0015]所述第一液體工質(zhì)在所述供熱管內(nèi)按照第一方向流動(dòng)，所述第二液體工質(zhì)在所述回?zé)峁軆?nèi)按照第二方向循環(huán)流動(dòng)，所述第三液體工質(zhì)按照第二方向循環(huán)流動(dòng)，所述第二方向與第一方向相反；
[0016]所述第一液體工質(zhì)的臨界溫度從第一級(jí)至第N級(jí)做功單元依次遞減；
[0017]所述第一液體工質(zhì)的比熱容與所述第二液體工質(zhì)的膨脹系數(shù)的乘積小于所述第二液體工質(zhì)的比熱容與所述第一液體工質(zhì)的膨脹系數(shù)的乘積。
[0018]優(yōu)選的，所述第一液體工質(zhì)包括制冷劑；所述第二液體工質(zhì)包括水；所述第三液體工質(zhì)包括水。
[0019]優(yōu)選的，所述做功單元還包括:
[0020]設(shè)置在所述供熱管上，對(duì)所述供熱管內(nèi)的所述第一液體工質(zhì)加壓使所述第一液體工質(zhì)保持液態(tài)的第一氣泵。
[0021 ] 優(yōu)選的，所述做功單元還包括:
[0022]設(shè)置在所述供熱管上與所述第一氣泵連通，為所述供熱管內(nèi)壓強(qiáng)變化和第一液體工質(zhì)體積變化提供緩沖空間的間隙室。
[0023]優(yōu)選的,所述做功單元還包括:
[0024]設(shè)置在所述第一氣泵與所述間隙室之間的第一截止閥；
[0025]與所述間隙室和所述第一氣泵連接，監(jiān)測(cè)所述間隙室內(nèi)的壓強(qiáng)并控制所述第一氣泵對(duì)所述供熱管內(nèi)的所述第一液體工質(zhì)加壓的第一壓強(qiáng)監(jiān)控裝置。
[0026]優(yōu)選的，所述做功單元還包括:
[0027]與所述供熱管連通的用于存儲(chǔ)所述第一液體工質(zhì)的儲(chǔ)存室；
[0028]與所述儲(chǔ)存室連接的第二氣泵；
[0029]設(shè)置在所述儲(chǔ)存室與所述供熱管之間的第二截止閥；
[0030]設(shè)置在所述儲(chǔ)存室與所述第二氣泵之間的第三截止閥。
[0031]與所述儲(chǔ)存室連接用于將所述儲(chǔ)存室內(nèi)的第一液體工質(zhì)填充至所述供熱管的工質(zhì)泵。
[0032]優(yōu)選的，所述做功單元還包括:設(shè)置在所述回?zé)峁苌?，?duì)所述回?zé)峁軆?nèi)的所述第二液體工質(zhì)加壓使所述第二液體工質(zhì)保持液態(tài)的第三氣泵；
[0033]與所述回?zé)峁芎退龅谌龤獗眠B接，監(jiān)測(cè)所述回?zé)峁軆?nèi)壓強(qiáng)并控制所述第三氣泵對(duì)所述回?zé)峁軆?nèi)的所述第二液體工質(zhì)加壓的第二壓強(qiáng)監(jiān)控裝置。
[0034]優(yōu)選的，所述多級(jí)熱機(jī)還包括包裹在除所述散熱裝置外的所有做功單元上的保溫層。
[0035]優(yōu)選的,所述做功單元還包括:
[0036]設(shè)置在所述第一逆流換熱器中的所述供熱管內(nèi)，監(jiān)測(cè)所述第一液體工質(zhì)的溫度的
第一溫度監(jiān)控裝置；
[0037]設(shè)置在所述第一逆流換熱器中的回?zé)峁軆?nèi)，監(jiān)測(cè)所述第二液體工質(zhì)的溫度的第二溫度監(jiān)控裝置；
[0038]設(shè)置在所述供熱管內(nèi)，監(jiān)測(cè)所述第一液體工質(zhì)的流速的第一流速監(jiān)控裝置；
[0039]設(shè)置在所述回?zé)峁軆?nèi)，監(jiān)測(cè)所述第二液體工質(zhì)的流速的第二流速監(jiān)控裝置；
[0040]與所述第一溫度監(jiān)控裝置、所述第二溫度監(jiān)控裝置、所述第一流速監(jiān)控裝置、所述第二流速監(jiān)控裝置和所述機(jī)械泵連接的控制裝置；
[0041]分別設(shè)置在所述供熱管與所述回?zé)峁苌系臏p壓閥。
[0042]優(yōu)選的，所述多級(jí)熱機(jī)還包括:
[0043]設(shè)置在初級(jí)做功單元的熱源輸入口上，當(dāng)所述熱源輸入口內(nèi)第一液體工質(zhì)的溫度高于預(yù)設(shè)溫度時(shí)發(fā)出警報(bào)的報(bào)警裝置。
[0044]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明提供的多級(jí)熱機(jī)，在初級(jí)做功單元中，當(dāng)熱源通過熱源輸入口對(duì)供熱管進(jìn)行熱量供應(yīng)時(shí)，供熱管中的第一液體工質(zhì)受熱并在供熱管中形成密度差，進(jìn)而在供熱管兩側(cè)形成壓力差，從而推動(dòng)第一液體工質(zhì)在供熱管中按照第一方向流動(dòng)。機(jī)械泵使第二液體工質(zhì)在回?zé)峁苤邪凑张c第一方向相反的第二方向循環(huán)流動(dòng)。第一逆流換熱器將供熱管中第一液體工質(zhì)的熱量傳遞至回?zé)峁?，使第二液體工質(zhì)受熱。第三逆流換熱器設(shè)置在供熱管與傳熱管上，并將經(jīng)過第一逆流換熱器的第一液體工質(zhì)的余熱傳遞至傳熱管中的第三液體工質(zhì)中。循環(huán)泵控制第三液體工質(zhì)在傳熱管中按照第二方向循環(huán)流動(dòng)。傳熱管連接下一級(jí)做功單元的熱源輸入口，第三液體工質(zhì)的熱量通過熱源輸入口傳遞至下一級(jí)做功單元的供熱管中，實(shí)現(xiàn)對(duì)下一級(jí)做功單元的供熱管中的第一液體工質(zhì)的加熱，下一級(jí)做功單元開始工作。
[0045]在當(dāng)前做功單元中，經(jīng)過第一逆流換熱后的第一液體工質(zhì)溫度降低，經(jīng)過第三逆流換熱器的第一液體工質(zhì)的佘熱被傳輸至下一級(jí)做功單元，第一液體工質(zhì)溫度繼續(xù)降低。經(jīng)過第一逆流換熱器的受熱的第二液體工質(zhì)通過第二逆流換熱器將熱量傳遞至溫度降低的第一液體工質(zhì)，第二液體工質(zhì)的溫度降低。受熱的第一液體工質(zhì)經(jīng)過熱源輸入口，并通過熱源進(jìn)行了熱量補(bǔ)給，繼續(xù)下一個(gè)循環(huán)。通過設(shè)置熱量傳遞單元和逆流換熱器保證了第一液體工質(zhì)在供熱管中存在溫度差、密度差及壓力差，實(shí)現(xiàn)循環(huán)流動(dòng)。流動(dòng)的第一液體工質(zhì)推動(dòng)葉輪機(jī)進(jìn)行工作，將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。
[0046]在末級(jí)做功單元上設(shè)置用于散發(fā)經(jīng)過第一逆流換熱器后的第一液體工質(zhì)的余熱的散熱裝置，保證了第一液體工質(zhì)在供熱管內(nèi)存在溫差而循環(huán)流動(dòng)。
[0047]其中，第一液體工質(zhì)的臨界溫度從第一級(jí)至第N級(jí)做功單元依次遞減。
[0048]第一液體工質(zhì)的比熱容與第二液體工質(zhì)的膨脹系數(shù)的乘積小于第二液體工質(zhì)的比熱容與第一液體工質(zhì)的膨脹系數(shù)的乘積，保證每個(gè)做功單元對(duì)外做功。
[0049]由此，應(yīng)用本發(fā)明提供的多級(jí)熱機(jī)，每一級(jí)做功單元的余熱沒有在向不可逆方向發(fā)展。做功單元中第一液體工質(zhì)的余熱通過逆流換熱器傳遞至第二液體工質(zhì)，并通過第二逆流換熱器將第二液體工質(zhì)的熱量再次傳遞至第一液體工質(zhì)，并通過熱源進(jìn)行了熱量補(bǔ)給，實(shí)現(xiàn)了余熱的回收。同時(shí)，第一液體工質(zhì)經(jīng)第一逆流換熱器之后的余熱通過熱量傳遞單元傳遞至下一級(jí)做功單元，除不可避免的液體阻力、正常的設(shè)備散熱及末級(jí)做功單元散發(fā)的少量熱能等能量損耗外，多級(jí)熱機(jī)的最終排放的余熱很少，因此，多級(jí)熱機(jī)的熱能可高效率地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)而使多級(jí)熱機(jī)具有較高的熱效率。同時(shí)，采用多級(jí)做功單元串聯(lián)設(shè)置，并且第一級(jí)至第N級(jí)做功單元中的第一液體工質(zhì)的臨界溫度依次遞減，通過利用不同工質(zhì)在不同的臨界溫度范圍內(nèi)做功，可實(shí)現(xiàn)多級(jí)熱機(jī)的多次做功，同時(shí)使熱源輸入口處的第一液體工質(zhì)的溫度與末級(jí)做功單元上經(jīng)散熱裝置散熱后的第一液體工質(zhì)的溫度的差值變大，進(jìn)而形成更多的密度差及壓力差，進(jìn)一步提高了多級(jí)熱機(jī)的熱效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0050]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0051]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的蒸汽式熱機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0052]圖2為本發(fā)明提供的多級(jí)熱機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0053]圖3為本發(fā)明提供的多級(jí)熱機(jī)的做功單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0054]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0055]請(qǐng)參見圖2，圖2為本發(fā)明提供的多級(jí)熱機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明提供的多級(jí)熱機(jī)，包括多個(gè)串聯(lián)設(shè)置的第一級(jí)至第N級(jí)做功單元；多個(gè)用于連接相鄰兩級(jí)做功單元且將當(dāng)前做功單元的余熱傳遞至下一級(jí)做功單元的熱量傳遞單元；設(shè)置在末級(jí)做功單元上，用于散發(fā)末級(jí)做功單元余熱的散熱裝置。
[0056]請(qǐng)參見圖3，圖3為本發(fā)明提供的多級(jí)熱機(jī)其中一個(gè)做功單元的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，任意一級(jí)做功單元包括:填充有第一液體工質(zhì)的供熱管1、填充有第二液體工質(zhì)的回?zé)峁?、熱源輸入口 3、機(jī)械泵4、第一逆流換熱器5、第二逆流換熱器6、葉輪機(jī)7 ;熱量傳遞單元包括:填充有第三液體工質(zhì)的傳熱管8、第三逆流換熱器9，散熱裝置10，循環(huán)泵11。
[0057]具體的，供熱管I中填充有第一液體工質(zhì)，回?zé)峁?填充有第二液體工質(zhì)，供熱管I與回?zé)峁?是垂直設(shè)置且高度相等的管道。熱源輸入口 3設(shè)置在供熱管I上，當(dāng)熱源輸入口 3處有熱量供應(yīng)時(shí)，供熱管I中的第一液體工質(zhì)受熱膨脹，與供熱管I內(nèi)未受熱的一側(cè)形成壓力差，受熱的第一液體工質(zhì)開始向上流動(dòng)。第一液體工質(zhì)受熱引起熱膨脹，熱膨脹引起供熱管I兩側(cè)的密度差的變化，而兩側(cè)的密度差在重力的作用下形成壓力差，所以這個(gè)階段實(shí)質(zhì)是熱能克服重力做功，把熱能轉(zhuǎn)變?yōu)榱藙?shì)能。之后，第一液體工質(zhì)在供熱管I的未受熱一側(cè)再由勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。因此，需要不斷的在熱源輸入口 3處補(bǔ)充熱量才能維持第一液體工質(zhì)持續(xù)地向上流動(dòng)。由于在供熱管I的兩側(cè)形成了壓力差，因此，第一液體工質(zhì)可在供熱管I中按照第一方向流動(dòng)。
[0058]回?zé)峁?內(nèi)設(shè)置機(jī)械泵4，在機(jī)械泵4的作用下，第二液體工質(zhì)在回?zé)峁?內(nèi)按照第二方向循環(huán)流動(dòng)，其中，第二方向與第一方向相反。
[0059]第一逆流換熱器5設(shè)置在供熱管I與回?zé)峁?上，在熱源輸入口 3處受熱的第一液體工質(zhì)首先流經(jīng)第一逆流換熱器5。第一逆流換熱器5將供熱管I中受熱的第一液體工質(zhì)的熱量傳遞至回?zé)峁?中的第二液體工質(zhì)。經(jīng)過第一逆流換熱器5的第一液體工質(zhì)攜帶有余熱。
[0060]熱量傳遞單元將當(dāng)前做功單元的余熱傳遞至下一級(jí)做功單元的熱源輸入口處。具體的，熱量傳遞單元包括填充有第三液體工質(zhì)的傳熱管8、第三逆流換熱器9和循環(huán)泵11，循環(huán)泵11設(shè)置在傳熱管8中。第三換熱器9設(shè)置在經(jīng)過第一逆流換熱器5之后的供熱管I和傳熱管8上。第三逆流換熱器9將供熱管I中第一液體工質(zhì)的余熱傳遞至傳熱管8中的第三液體工質(zhì)。循環(huán)泵11控制第三液體工質(zhì)在傳熱管8中按照第二方向循環(huán)流動(dòng)，保證熱量的傳遞。傳熱管8與下一級(jí)做功單元的熱源輸入口連接，受熱的第三液體工質(zhì)在流經(jīng)下一級(jí)熱源輸入口時(shí)將熱量傳遞至下一級(jí)做功單元的第一液體工質(zhì)中，使下一級(jí)做功單元開始相同的工作流程。
[0061]需要說明的是，在循環(huán)泵的作用下，第三液體工質(zhì)保持較高的流速，以實(shí)現(xiàn)將當(dāng)前級(jí)做功單元中的余熱最大限度地傳遞至下一級(jí)做功單元。
[0062]第二逆流換熱器6設(shè)置在供熱管I與回?zé)峁?上，在當(dāng)前做功單元中，經(jīng)過第三逆流換熱器9之后的第一液體工質(zhì)溫度降低，并在供熱管I兩側(cè)形成了較大的壓力差。在第二逆流換熱器6中，在第一逆流換熱器5處受熱的第二液體工質(zhì)將熱量傳遞至第一液體工質(zhì)。第一液體工質(zhì)溫度升高，并流至熱源輸入口 3處，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。
[0063]由于在供熱管內(nèi)第一液體工質(zhì)的溫度發(fā)生變化，因此可形成密度差及壓力差，可在供熱管內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。又由于熱量傳遞單元將經(jīng)過第一逆流換熱器之后的第一液體工質(zhì)的余熱傳遞至下一級(jí)做功單元，所以每一級(jí)的工作狀態(tài)都是穩(wěn)定的，在供熱管內(nèi)不會(huì)形成熱平衡。
[0064]在逆流換熱器中，由于其中的一個(gè)液體工質(zhì)是依次與另一個(gè)具有無限多個(gè)溫度逐漸升高的液體工質(zhì)進(jìn)行較緩慢的熱交換，所以，只要有足夠的換熱面積，理論上這種換熱是可逆的，在實(shí)際中這種換熱方式可以大大的減少溫降帶來的不可逆損失，所以采用逆流換熱器可提聞?chuàng)Q熱器的效率，進(jìn)而提聞多級(jí)熱機(jī)的熱效率。
[0065]需要說明的是，逆流換熱器的換熱面積是決定余熱回收效率的關(guān)鍵因素，在每個(gè)做功單元的總換熱面積一定的情況下，逆流換熱器的個(gè)數(shù)對(duì)熱效率的提高沒有影響。
[0066]葉輪機(jī)7設(shè)置在做功單元的供熱管I的任意位置上，為了便于操作，本申請(qǐng)?zhí)峁┑亩嗉?jí)熱機(jī)的葉輪機(jī)設(shè)置在供熱管I的冷側(cè)端。葉輪機(jī)在供熱管I內(nèi)的第一液體工質(zhì)的推動(dòng)下進(jìn)行工作，實(shí)現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。
[0067]在末級(jí)做功單元上，因?yàn)閾Q熱器有溫差才能工作，所以經(jīng)過換熱器的工質(zhì)仍含有少量的余熱，這些余熱必須散失掉熱機(jī)才能工作。散熱裝置10設(shè)置在末級(jí)做功單元的供熱管上，用于散發(fā)經(jīng)過逆流換熱器后工質(zhì)仍攜帶有的余熱。其中，散熱裝置10可以用空氣冷卻，也可以采用水冷卻等方式。
[0068]需要說明的是，散熱裝置10也可以安裝在回?zé)峁苌希€可以同時(shí)安裝在供熱管與回?zé)峁苌?，只要能夠?qū)⒐峁苤械挠酂嵘l(fā)即可，同時(shí)散熱裝置10的個(gè)數(shù)也可隨意設(shè)置。
[0069]需要說明的是，散熱裝置10最終散發(fā)掉的是供熱管與回?zé)峁苤兴乃胁荒芑厥盏臒崃?，且與散熱裝置的個(gè)數(shù)無關(guān)。
[0070]在本申請(qǐng)中，第一液體工質(zhì)的比熱容與第二液體工質(zhì)的膨脹系數(shù)的乘積小于第二液體工質(zhì)的比熱容與第一液體工質(zhì)的膨脹系數(shù)的乘積，以實(shí)現(xiàn)每級(jí)做功單元可對(duì)外做功。
[0071]本申請(qǐng)采用多級(jí)做功單元串聯(lián)設(shè)置，主要原因在于高膨脹系數(shù)的低溫液態(tài)工質(zhì)，其臨界溫度較低，所以由于膨脹引起的密度差受溫度影響變化較??；另一方面，臨界溫度較高的高溫液態(tài)工質(zhì)雖然可以獲得較大的溫差，但是由于膨脹系數(shù)小產(chǎn)生的密度差并不很大，所以采用做功單元的多級(jí)聯(lián)合使用以解決這個(gè)問題。
[0072]本申請(qǐng)?zhí)峁┑亩嗉?jí)熱機(jī)的熱效率為各級(jí)做功單元熱效率之和。
[0073]由此，應(yīng)用本發(fā)明提供的多級(jí)熱機(jī)，每一級(jí)做功單元的余熱沒有在向不可逆方向發(fā)展，做功單元的余熱通過逆流換熱器實(shí)現(xiàn)了對(duì)大量余熱的可逆回收，同時(shí)剩余余熱通過熱量傳遞單元傳遞至下一級(jí)做功單元，除不可避免的液體阻力、正常的設(shè)備散熱及末級(jí)做功單元散發(fā)的少量熱能等能量損耗外，多級(jí)熱機(jī)的最終排放的余熱很少。因此，由于多級(jí)熱機(jī)具有高效回收余熱的功能，所以多級(jí)熱機(jī)的熱能可高效地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)而使多級(jí)熱機(jī)具有較高的熱效率。
[0074]本申請(qǐng)?zhí)峁┑亩嗉?jí)熱機(jī)，可通過在各級(jí)做功單元的供熱管中分別填充具有不同臨界溫度的液體工質(zhì)來實(shí)現(xiàn)熱效率的提高。具體的，由于上級(jí)做功單元經(jīng)過第一逆流換熱器后的第一液體工質(zhì)的溫度要高于下級(jí)做功單元的熱源輸入口的溫度，因此可在上級(jí)做功單元的供熱管中填充具有較高臨界溫度的工質(zhì)，在下級(jí)做功單元的供熱管中填充具有較低臨界溫度的工質(zhì)。
[0075]因此，在本申請(qǐng)中，第一級(jí)至第N級(jí)做功單元中的第一液體工質(zhì)的臨界溫度是依次遞減的，使具有不同臨界溫度的第一液體工質(zhì)在不同的溫度內(nèi)可實(shí)現(xiàn)多次做功；同時(shí)在每一級(jí)的供熱管中填充不同臨界溫度的第一液體工質(zhì)也增大了熱機(jī)的總溫差，并通過加大溫差來形成更多的密度差，從而使多級(jí)熱機(jī)有更多的壓力差，也就提高了熱效率。利用不同的液體工質(zhì)在不同的臨界溫度內(nèi)做功可實(shí)現(xiàn)在不同級(jí)的做功單元上多次做功，實(shí)現(xiàn)總熱效率的提聞。
[0076]其中，溫差是指初級(jí)做功單元的熱源輸入口處的溫度與末級(jí)做功單元經(jīng)散熱器后的第一液體工質(zhì)溫度的差值，在一定條件下，溫差越大，熱機(jī)的熱效率越高。本申請(qǐng)?zhí)峁┑亩嗉?jí)熱機(jī)可通過設(shè)置多級(jí)做功單元來增大溫度差，進(jìn)而在做功管中形成更多的密度差，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率的提高。
[0077]由于多級(jí)熱機(jī)兩側(cè)的密度差是在重力的作用下形成了壓強(qiáng)差，所以多級(jí)熱機(jī)兩側(cè)的壓強(qiáng)差和高度有正比關(guān)系，所以多級(jí)熱機(jī)中供熱管與回?zé)峁艿母叨纫彩怯绊憻嵝实囊粋€(gè)因素，在重力場(chǎng)范圍內(nèi)高度越高，多級(jí)熱機(jī)的效率越高。
[0078]此外，還可以通過增加做功單元上第一逆流換熱器或第二逆流換熱器的面積來提高每級(jí)做功單元的熱效率。選用比熱容較小，膨脹率較大的工質(zhì)作為第一液體工質(zhì)也可增加多級(jí)熱機(jī)的熱效率。
[0079]在本實(shí)施例中，多級(jí)熱機(jī)的級(jí)數(shù)為兩級(jí)，第一液體工質(zhì)為制冷劑，第二液體工質(zhì)為水，第三液體工質(zhì)為水。在初級(jí)做功單元中的第一液體工質(zhì)為制冷劑R123，做末級(jí)做功單元中的第一液體工質(zhì)為制冷劑R134a
[0080]制冷劑134a及R123的沸點(diǎn)都在零下，所以在常溫常壓下制冷劑會(huì)沸騰為汽態(tài)。因此在常溫下必須使制冷劑處于一定壓力下以保證其為液態(tài)。第一液體工質(zhì)采用制冷劑的原因是因?yàn)橹评鋭┚哂懈吲蛎洝⒌捅葻嵝?，另外它的液態(tài)密度較大，這些參數(shù)都有利于多級(jí)熱機(jī)熱效率的提聞。
[0081]為了使每一級(jí)的供熱管I中的第一液體工質(zhì)保持為液態(tài)，在每一個(gè)做功單元的供熱管I上還設(shè)置有第一氣泵12。第一氣泵12用于對(duì)供熱管I中第一液體工質(zhì)加壓，使第一液體工質(zhì)保持為液態(tài)。
[0082]在第一氣泵12與供熱管I之間還設(shè)置有為供熱管I內(nèi)第一液態(tài)工質(zhì)熱脹冷縮及氣體壓強(qiáng)變化提供緩沖空間的間隙室13。在第一氣泵12與間隙室13之間設(shè)置有第一截止閥14。在正常情況下，第一截止閥14處于關(guān)閉狀態(tài)，間隙室13內(nèi)的氣體不向外流通；當(dāng)?shù)谝唤刂归y14開啟時(shí)，第一氣泵12可對(duì)間隙室13內(nèi)第一液體工質(zhì)進(jìn)行加壓。
[0083]第一壓強(qiáng)監(jiān)控裝置15與間隙室13和第一氣泵12連接，第一壓強(qiáng)監(jiān)控裝置15監(jiān)測(cè)并控制間隙室13內(nèi)的壓強(qiáng)，當(dāng)間隙室13內(nèi)壓強(qiáng)低于預(yù)設(shè)的最低壓強(qiáng)值時(shí)，第一壓強(qiáng)監(jiān)控裝置15控制第一氣泵12對(duì)供熱管I內(nèi)的第一液體工質(zhì)加壓；當(dāng)間隙室13內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)到預(yù)設(shè)的最大壓強(qiáng)值時(shí)，第一壓強(qiáng)監(jiān)控裝置15控制第一氣泵12停止加壓。
[0084]在每個(gè)做功單元的上還設(shè)置有儲(chǔ)存室16，儲(chǔ)存室16內(nèi)具有一定的壓力，且與供熱管I連通。當(dāng)做功單元在緊急情況和需要維修時(shí)，可將供熱管I內(nèi)的第一液體工質(zhì)排出至儲(chǔ)存室16，可防止供熱管I出現(xiàn)工質(zhì)大規(guī)模泄露的情況，同時(shí)也便于第一液體工質(zhì)的再次利用。與儲(chǔ)存室16連接有第二氣泵17，第二氣泵17用于對(duì)排放至儲(chǔ)存室16內(nèi)的第一液體工質(zhì)進(jìn)行加壓使第一液體工質(zhì)處于液態(tài)。在儲(chǔ)存室16和供熱管I之間設(shè)置第二截止閥18，在儲(chǔ)存室16與第二氣泵17之間設(shè)置第三截止閥19。工質(zhì)泵26與儲(chǔ)存室16連接，用于將儲(chǔ)存在儲(chǔ)存室16內(nèi)的第一液體工質(zhì)填充至供熱管I中。
[0085]為了防止做功單元中的回?zé)峁軆?nèi)的第二液體工質(zhì)沸騰，在每級(jí)做功單元的回?zé)峁苌显O(shè)置有第三氣泵27。與回?zé)峁芎偷谌龤獗?7連接有第二壓強(qiáng)監(jiān)控裝置28。第二壓強(qiáng)監(jiān)控裝置28監(jiān)測(cè)并控制回?zé)峁軆?nèi)壓強(qiáng)，當(dāng)回?zé)峁軆?nèi)壓強(qiáng)低于預(yù)設(shè)的壓強(qiáng)閾值時(shí)，第二壓強(qiáng)監(jiān)控裝置28控制第三氣泵27對(duì)回?zé)峁軆?nèi)的第二液體工質(zhì)加壓使第二液體工質(zhì)保持為液態(tài)。
[0086]因供熱管I內(nèi)工質(zhì)的應(yīng)用環(huán)境溫度的要求，做功單元中各部位的工作溫度都需高于外界環(huán)境，所以各部位需包裹保溫層，才能達(dá)到工作時(shí)所需的溫度。因此，在本實(shí)施例中，除了初級(jí)的熱源部份和末級(jí)做功單元的散熱器10外，其他做部位均包裹有保溫層。
[0087]雖然除末級(jí)做功單元外的其它各級(jí)做功單元在自己本系統(tǒng)內(nèi)不排放任何余熱，也不向周圍環(huán)境放熱，，但它們產(chǎn)生的余熱都會(huì)轉(zhuǎn)到下一級(jí)做功單元，所以每級(jí)做功單元的工作狀態(tài)是能穩(wěn)定的，它們各自的系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)楸匦纬蔁崞胶舛詈蟊罎ⅰ?br> [0088]在每個(gè)做功單元的受熱側(cè)的供熱管I與回?zé)峁?上還設(shè)置有減壓閥21，用于排放供熱管I或回?zé)峁?內(nèi)由液體工質(zhì)意外沸騰所產(chǎn)生的氣體，以降低供熱管I或回?zé)峁?內(nèi)過大的壓強(qiáng)。
[0089]其中，受熱側(cè)指的是按照第一方向，在第二換熱器6與第一換熱器5之間的，用于承載熱源所輸入的熱量的部分供熱管與回?zé)峁堋?br> [0090]為了實(shí)現(xiàn)最高效率的余熱回收，需要嚴(yán)格控制第一逆流換熱器5內(nèi)第一液體工質(zhì)和第二液體工質(zhì)的溫差、第一液體工質(zhì)和第二液體工質(zhì)的流速比。因此，做功單元上還設(shè)置有第一流速監(jiān)控裝置22、第二流速監(jiān)控裝置23、第一溫度監(jiān)控裝置29、第二溫度監(jiān)控裝置30、控制裝置24。
[0091]其中，第一溫度監(jiān)控裝置29設(shè)置在第一逆流換熱器5中的供熱管I內(nèi)，用于監(jiān)測(cè)第一液體工質(zhì)的溫度，第二溫度監(jiān)控裝置30設(shè)置在第一逆流換熱器5中的回?zé)峁?內(nèi)，用于監(jiān)測(cè)第二液體工質(zhì)的溫度。第一流速監(jiān)控裝置22設(shè)置在供熱管I內(nèi)，用于監(jiān)測(cè)第一液體工質(zhì)的流速。第二流速監(jiān)控裝置23設(shè)置在回?zé)峁?內(nèi)，監(jiān)測(cè)第二液體工質(zhì)的流速。
[0092]控制裝置24與第一溫度監(jiān)控裝置29、第二溫度監(jiān)控裝置30，第一流速監(jiān)控裝置22，第二流速監(jiān)控裝置23和機(jī)械泵4連接，當(dāng)?shù)谝灰后w工質(zhì)的溫度與第二液體工質(zhì)的溫度的差值大于預(yù)設(shè)的溫度差時(shí)，控制裝置24控制機(jī)械泵4增加第二液體工質(zhì)的流速；當(dāng)?shù)谝灰后w工質(zhì)的流速與第二液體工質(zhì)的流速的比值低于預(yù)設(shè)的第一流速比值時(shí)，控制裝置24控制機(jī)械泵降低第二液體工質(zhì)的流速；當(dāng)?shù)谝灰后w工質(zhì)的流速與第二液體工質(zhì)的流速的比值高于預(yù)設(shè)的第二流速比值時(shí)，控制裝置24控制機(jī)械泵增加第二液體工質(zhì)的流速，以使它們始終處于預(yù)設(shè)比值，最大限度地減小溫降帶來的不可逆損失。
[0093]供熱管I內(nèi)的第一液體工質(zhì)的溫度超過臨界溫度時(shí)會(huì)沸騰，而沸騰會(huì)產(chǎn)生汽體不利于熱機(jī)的工作。為了防止供熱管I內(nèi)的第一液體工質(zhì)沸騰，本發(fā)明的初級(jí)做功單元的熱源輸入口 3上設(shè)置有報(bào)警裝置25。具體的，在熱源輸入口 3內(nèi)的第一液體工質(zhì)中可設(shè)置一個(gè)溫度監(jiān)測(cè)裝置，并與報(bào)警裝置25連接。當(dāng)熱源輸入口 3內(nèi)第一液體工質(zhì)的溫度高于預(yù)設(shè)溫度時(shí)，報(bào)警裝置25發(fā)出警報(bào)。工作人員在接收到報(bào)警時(shí)可及時(shí)地采取措施以減少熱源輸入口 3處的熱量供應(yīng)，進(jìn)而降低第一液體工質(zhì)的溫度。
[0094]需要說明的是，第一液體工質(zhì)的比熱容與第二液體工質(zhì)的膨脹系數(shù)的乘積小于第二液體工質(zhì)的比熱容與第一液體工質(zhì)的膨脹系數(shù)的乘積。
[0095]具體的，由于多級(jí)熱機(jī)的每個(gè)做功單元是靠供熱管內(nèi)兩側(cè)存在密度差，并在重力的影響下形成的壓強(qiáng)差來工作的。
[0096]根據(jù)P = egh = (e「e2) gh 可知，
[0097]在密度差(或者溫度)一定的情況下，在一定范圍內(nèi)提高供熱管高度，來加大熱能轉(zhuǎn)換時(shí)的做功長度，可以提聞壓強(qiáng)差，從而提聞轉(zhuǎn)換效率。所以為了提聞聞度，減少使用大量金屬導(dǎo)熱，故采用另一種液體在損失較小的情況下將余熱輸送回來，輸送回余熱的功率損失稱回?zé)釗p失。
[0098]其中，e為密度，θι是第一液體工質(zhì)的密度，e2是第二液體工質(zhì)的密度，h為高度。
[0099]假設(shè)第一逆流換熱器、第二逆流換熱器的各個(gè)參數(shù)相同，為了使經(jīng)過第一逆流換熱器后供熱管中的余熱最大限度地回收回來，在第一逆流換熱器處的回?zé)峁艿某隹跍囟葢?yīng)最大限度的接近供熱管的入口溫度。理想狀態(tài)下，供熱管每降低或上升l°c熱量，回?zé)峁芫捅仨毶仙蛳陆祃°c。也就是說供熱管和回?zé)峁艿淖兓瘻囟華t必須相等。
[0100]所以為了保證把余熱最大限度地回收回來，減少溫降帶來的不可逆損失，就必須控制經(jīng)過第一逆流換熱器或第二逆流換熱器時(shí)第一液體工質(zhì)和第二液體工質(zhì)的流量比，在一定范圍內(nèi)對(duì)它們之間的流速進(jìn)行嚴(yán)格的調(diào)控。
[0101]在第一逆流換熱器中，由于釋放的熱量等于吸收的熱量，
[0102]得到 Q = C1Hi1 At1 = C2Oi2 Δ t2 ；[0103]其中，Q為熱量，C1為第一液體工質(zhì)的比熱容，Iii1為流經(jīng)第一逆流換熱器的第一液體工質(zhì)的質(zhì)量，At1為第一液體工質(zhì)在第一逆流換熱器的入口與出口的溫度差，C2為第二液體工質(zhì)的比熱容，m2為流經(jīng)第一逆流換熱器的第二液體工質(zhì)4的質(zhì)量，Λ t2為第二液體工質(zhì)在第一逆流換熱器的入口與出口的溫度差。
[0104]又由于 m = eV ;V = stvs
[0105]其中，m為質(zhì)量，e為密度，V為體積，s為斷面積，t為液體流經(jīng)第一逆流換熱器的時(shí)間，Vs為液體流經(jīng)斷面積的速度；由于供熱管與回?zé)峁転橄嗤墓?，故兩個(gè)管的斷面積s相等。
[0106]代入 Q = C1Hi1 At1 = C2Oi2 Δ t2 得到
[0107]C1G1StvslAt1 = c2e2stvs2At2 簡(jiǎn)化公式為
[0108]cIeIvsI — C2e2Vs2 ;
[0109]其中，ei是第一液體工質(zhì)的密度，e2是第二液體工質(zhì)的密度，Vsl為第一液體工質(zhì)流經(jīng)第一逆流換熱器的速度，Vs2是第二液體工質(zhì)流經(jīng)第一逆流換熱器的速度。
[0110]所以供熱管內(nèi)第一液體工質(zhì)與回?zé)峁軆?nèi)第二液體工質(zhì)的流速比是:
[0111]Vsl/Vs2 一 C2e2,Ciei
[0112]多級(jí)熱機(jī)主要是利用密度差在重力的影響下形成的壓力差來工作的，所以回?zé)峁芎凸峁艿膲毫Ρ染?是回?zé)峁軆蓚?cè)的壓力差和供熱管兩側(cè)的壓力差的比。由于回?zé)峁芎凸峁艿臄嗝娣e、高度均可以相等，所以回?zé)峁芎凸峁艿膲毫Ρ葹?
[0113]F2ZF1 = Δ e2ghs/ Δ e^hs = Ae2ZAe1
[0114]根據(jù)以上得出，回?zé)釗p失功率和供熱管輸出功率的比是:
[0115]Pffl= P2ZP1 = Vs2.F2AslF1 = C^1 Δ e2/c2e2 Δ θι
[0116]由于供熱管與回?zé)峁艿臒醾?cè)在理想條件下溫度相同，也即供熱管與回?zé)峁茉跓醾?cè)增加的溫度相同，則第二液體工質(zhì)與第一液體工質(zhì)的膨脹系數(shù)比為:
[0117]av2/avl = Ae2/e2/ Ae1Ze1
[0118]代入pffl= P2Zp1 = vs2.F2AslF1 = C^1A e2/c2e2 Δ θι
[0119]得到P 損=ρ/ρ! = C1Bv2/c2avl
[0120]必須指出的是，這個(gè)公式是決定各級(jí)熱機(jī)效率的關(guān)鍵內(nèi)因，也是篩選最佳工質(zhì)的公式，如果比值等于I的話，那么系統(tǒng)對(duì)外不做功，輸出為零。
[0121]因此，第一液體工質(zhì)的比熱容與第二液體工質(zhì)的膨脹系數(shù)的乘積小于第二液體工質(zhì)的比熱容與第一液體工質(zhì)的膨脹系數(shù)的乘積，實(shí)現(xiàn)每級(jí)做功單元可對(duì)外做功。
[0122]由于液體工質(zhì)的比熱容和密度在不同的溫度和壓力下會(huì)有較大的變化，在換熱器內(nèi)的溫度也是變化的，所以有必要取一個(gè)中間值來接近實(shí)際結(jié)果。
[0123]本申請(qǐng)?zhí)峁┑亩嗉?jí)熱機(jī)，在一定條件下做功單元的級(jí)數(shù)越多，獲得的溫差就越大，熱效率越高。本實(shí)施例提供的多級(jí)熱機(jī)的級(jí)數(shù)為二級(jí)，即包括初級(jí)做功單元與末級(jí)做功單
J Li ο
[0124]以下以第一液體工質(zhì)為制冷劑，第二液體工質(zhì)為水為例進(jìn)行二級(jí)熱機(jī)熱效率的計(jì)
笪
ο
[0125]初級(jí)做功單元中供熱管內(nèi)的第一液體工質(zhì)為制冷劑R123，第一液體工質(zhì)的工作溫度為:經(jīng)熱源加熱后，經(jīng)過第一逆流換熱器的入口溫度為170°C，經(jīng)過第一逆流換熱器的出口溫度為94°C;在94°C時(shí)制冷劑R123的比熱容為1129J/(kg.°C )，在170°C時(shí)制冷劑R123的比熱容為1979J/(kg.V),比熱容取中間值為1554J/(kg.°C );制冷劑R123在94。。時(shí)的密度為1266kg/m3，在170°C時(shí)的密度為896kg/m3，取中間值為1081kg/m3。
[0126]初級(jí)做功單元中回?zé)峁軆?nèi)的第二液體工質(zhì)為水，在94°C時(shí)水的比熱容為4214J/(kg.。。)，在170°C時(shí)水的比熱容為4380J/(kg*°C )，比熱容取中間值為4297J/(kg*°C )；水在94°C時(shí)的密度為962kg/m3，在170°C時(shí)的密度為897kg/m3，取中間值為930kg/m3，那么回?zé)釗p失功率和供熱管輸出功率的比為:
[0127]由P2Zp1 = vs2.F2AslF1 = C^1 Δ e2/c2e2 Δ θι
[0128]得到
[0129]P 水 /P123 = Vs2.F2AslF1 = C^1 Δ e2/c2e2 Δ θι
[0130]= 1554X1081 X (962-897)/4297 X 930 X (1266-896)
[0131]= 0.07
[0132]末級(jí)做功單元中供熱管內(nèi)的第一液體工質(zhì)為制冷劑R134a，第一液體工質(zhì)的工作溫度為:經(jīng)熱源加熱后，經(jīng)過第一逆流換熱器的入口溫度為90°C，經(jīng)過第一逆流換熱器的出口溫度為24°C，其中，24°C為常溫；在90°C時(shí)制冷劑Rl34a的比熱容為2756J/ (kg.°C )，在24°C時(shí)制冷劑R134a的比熱容為1421J/(kg*°C )，比熱容取中間值為2088J/(kg*°C )；制冷劑Rl34a在90°C時(shí)的密度為837kg/m3，在24°C時(shí)的密度為1210kg/m3，取中間值為1023kg/m3。
[0133]末級(jí)做功單元中回?zé)峁軆?nèi)的第二液體工質(zhì)為水，水的比熱容在這個(gè)階段變化很小，取平均值為4200J/(kg.V );水在90°C時(shí)的密度為965kg/m3，在24°C時(shí)的密度為997kg/m3，取中間值為981kg/m3，那么回?zé)釗p失功率和供熱管輸出功率的比為:
[0134]P 水 /p134 = Vs2.F2AslF1 = C^1 Δ e2/c2e2 Δ θι
[0135]= 2088X1023X (977-965)/4200X981X (1210-837)
[0136]= 0.05
[0137]設(shè)多級(jí)熱機(jī)的供熱管截面積為S，流體密度為e，流速為Vs，高度為h，密度差為Ae,比熱為C，則供熱管的輸出功率是:
[0138]P 功=F壓力差 vs = G 重力差 vs = ShAegvs
[0139]根據(jù)能量守恒定律，多級(jí)熱機(jī)中每個(gè)做功單元的輸入熱功率為供熱管的輸出功率與余熱損失功率之和(不計(jì)正常散熱等損失)。
[0140]余熱損失是由末級(jí)做功單元的散熱器散出的，由于散熱器散出的熱量是換熱器最終不能回收的熱量，所以散熱器散出的余熱多少是由換熱器的效率決定，又由于換熱器必須有溫差才能工作，所以損失不可避免，但只要采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)熱材料，加大換熱面積，理論上損失可以接近零。
[0141]設(shè)供熱管管徑和散熱器管徑相同，截面積為S，經(jīng)過散熱器的第一液工質(zhì)的流速為Vs，流體密度為e，那么每秒流過散熱器的質(zhì)量流量是:
[0142]q = svse其中q是流過散熱器的質(zhì)量流量；
[0143]設(shè)第一液體工質(zhì)比熱容為C，第一液體工質(zhì)流出散熱器的溫度和冷源溫度的差為At，那么，流過散熱器的余熱損失功率是:
[0144]P余損=2cqAt = 2svsec Δ t,[0145]得到:
[0146]一個(gè)做功單元的熱效率為
[0147]P = P功(Ι-p損)/p 功+p余損
[0148]= sh Δ egvs (1-p ) /sh Δ egvs+2svsec Δ t
[0149]= h Δ eg (1-ρ 損)/h Δ eg+2ec Δ t
[0150]由以上公式可知，供熱管采用膨脹率較高的、比熱容較小的工質(zhì)時(shí)可以提高熱機(jī)的效率；當(dāng)工質(zhì)一定時(shí)，提高高度和增加換熱器的回收效率來減小余熱輸出溫度可以提高效率.增大溫差來加大密度差也可以提高效率。
[0151]假設(shè)做功單元的供熱管和回?zé)峁艿慕ㄔO(shè)高度為300米，受熱后第一液體工質(zhì)進(jìn)入第一換熱器之前的溫度與第二液體工質(zhì)經(jīng)第一換熱器換熱后的出口溫度的溫差A(yù)t為
0.2°C時(shí)(即經(jīng)過換熱器后的溫降)
[0152]第一級(jí)做功單元的熱效率為為:
[0153]P = P 功(l-ρ 損)/p 功 +P 余損
[0154]=shA egvs (l_p 損)/sh Δ egvs+2svsec Δ t
[0155]= h Δ eg (1-ρ 損)/h Δ eg+2ec Δ t
[0156]= 9.807X (1-0.07) X300X (1266-896)/9.807X300X (1266_896)+1266Χ 1129Χ0.2X2
[0157]= 60%
[0158]第二級(jí)的熱效率:高度為300米，
[0159]P = P 功(l-ρ 損)/p 功 +P 余損
[0160]=shA egvs (l-ρ 損)/sh Δ egvs+2svs Δ t
[0161]= h Δ eg (1-ρ 損)/h Δ eg+2ec Δ t
[0162]= 9.807X (1-0.05)X300X (1210-837)/9.807X300X (1210-837)+1210X 1421Χ0.2X2
[0163]= 58%
[0164]總效率=上級(jí)效率+下級(jí)效率X (1-上級(jí)效率)
[0165]得到兩級(jí)總熱效率為:0.6+0.58X0.4 = 83.2%
[0166]并且，由于兩級(jí)之間循環(huán)泵的溫差是:94-90 = 4°C，所以循環(huán)泵兩側(cè)的溫差很小，壓差也很小，損失不足各級(jí)輸出的I %，所以可以忽略不計(jì)。
[0167]由上面的推導(dǎo)可以得出，應(yīng)用本申請(qǐng)?zhí)峁┑亩嗉?jí)熱機(jī)，可達(dá)到較高的熱效率。
[0168]本申請(qǐng)?zhí)峁┑亩嗉?jí)熱機(jī)可應(yīng)用在大型發(fā)電廠中進(jìn)行發(fā)電，還可以將環(huán)境中余熱廢熱進(jìn)行回收利用。
[0169]對(duì)所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種多級(jí)熱機(jī)，其特征在于，所述多級(jí)熱機(jī)包括: 多個(gè)串聯(lián)設(shè)置的第一級(jí)至第N級(jí)做功單元；多個(gè)用于連接相鄰兩級(jí)做功單元且將當(dāng)前做功單元的余熱傳遞至下一級(jí)做功單元的熱量傳遞單元； 所述做功單元包括:填充有第一液體工質(zhì)的供熱管；填充有第二液體工質(zhì)的回?zé)峁?；設(shè)置在所述供熱管上的熱源輸入口 ；設(shè)置于所述回?zé)峁苌?，控制所述第二液體工質(zhì)在所述回?zé)峁軆?nèi)循環(huán)流動(dòng)的機(jī)械泵；設(shè)置在所述供熱管和所述回?zé)峁苌系牡谝荒媪鲹Q熱器和第二逆流換熱器；設(shè)置在所述供熱管上的葉輪機(jī)； 所述熱量傳遞單元包括:填充有第三液體工質(zhì)的傳熱管；設(shè)置在所述傳熱管內(nèi)，控制所述第三液體工質(zhì)在所述傳熱管內(nèi)循環(huán)流動(dòng)的循環(huán)泵；設(shè)置在所述做功單元的所述供熱管上，將經(jīng)過所述第一逆流換熱器后的第一液體工質(zhì)的余熱傳遞至所述傳熱管中的第三液體工質(zhì)的第三逆流換熱器；所述傳熱管與下一級(jí)做功單元的熱源輸入口連接并將所述第三液體工質(zhì)的熱量傳遞至下一級(jí)做功單元； 設(shè)置在末級(jí)做功單元上，用于散發(fā)經(jīng)過所述第一逆流換熱器后的所述第一液體工質(zhì)的熱量的散熱裝置； 所述第一液體工質(zhì)在所述供熱管內(nèi)按照第一方向流動(dòng)，所述第二液體工質(zhì)在所述回?zé)峁軆?nèi)按照第二方向循環(huán)流動(dòng)，所述第三液體工質(zhì)按照第二方向循環(huán)流動(dòng)，所述第二方向與第一方向相反； 所述第一液體工質(zhì)的臨界溫度從第一級(jí)至第N級(jí)做功單元依次遞減； 所述第一液體工質(zhì) 的比熱容與所述第二液體工質(zhì)的膨脹系數(shù)的乘積小于所述第二液體工質(zhì)的比熱容與所述第一液體工質(zhì)的膨脹系數(shù)的乘積。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級(jí)熱機(jī)，其特征在于，所述第一液體工質(zhì)包括制冷劑；所述第二液體工質(zhì)包括水；所述第三液體工質(zhì)包括水。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多級(jí)熱機(jī)，其特征在于，所述做功單元還包括: 設(shè)置在所述供熱管上，對(duì)所述供熱管內(nèi)的所述第一液體工質(zhì)加壓使所述第一液體工質(zhì)保持液態(tài)的第一氣泵。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多級(jí)熱機(jī)，其特征在于，所述做功單元還包括: 設(shè)置在所述供熱管上與所述第一氣泵連通，為所述供熱管內(nèi)壓強(qiáng)變化和第一液體工質(zhì)體積變化提供緩沖空間的間隙室。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多級(jí)熱機(jī)，其特征在于，所述做功單元還包括: 設(shè)置在所述第一氣泵與所述間隙室之間的第一截止閥； 與所述間隙室和所述第一氣泵連接，監(jiān)測(cè)所述間隙室內(nèi)的壓強(qiáng)并控制所述第一氣泵對(duì)所述供熱管內(nèi)的所述第一液體工質(zhì)加壓的第一壓強(qiáng)監(jiān)控裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多級(jí)熱機(jī)，其特征在于，所述做功單元還包括: 與所述供熱管連通的用于存儲(chǔ)所述第一液體工質(zhì)的儲(chǔ)存室； 與所述儲(chǔ)存室連接的第二氣泵； 設(shè)置在所述儲(chǔ)存室與所述供熱管之間的第二截止閥； 設(shè)置在所述儲(chǔ)存室與所述第二氣泵之間的第三截止閥。 與所述儲(chǔ)存室連接用于將所述儲(chǔ)存室內(nèi)的第一液體工質(zhì)填充至所述供熱管的工質(zhì)泵。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多級(jí)熱機(jī)，其特征在于，所述做功單元還包括:設(shè)置在所述回?zé)峁苌?，?duì)所述回?zé)峁軆?nèi)的所述第二液體工質(zhì)加壓使所述第二液體工質(zhì)保持液態(tài)的第三氣栗; 與所述回?zé)峁芎退龅谌龤獗眠B接，監(jiān)測(cè)所述回?zé)峁軆?nèi)壓強(qiáng)并控制所述第三氣泵對(duì)所述回?zé)峁軆?nèi)的所述第二液體工質(zhì)加壓的第二壓強(qiáng)監(jiān)控裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多級(jí)熱機(jī)，其特征在于，所述多級(jí)熱機(jī)還包括包裹在除所述散熱裝置外的所有做功單元上的保溫層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的多級(jí)熱機(jī)，其特征在于，所述做功單元還包括: 設(shè)置在所述第一逆流換熱器中的所述供熱管內(nèi)，監(jiān)測(cè)所述第一液體工質(zhì)的溫度的第一溫度監(jiān)控裝置； 設(shè)置在所述第一逆流換熱器中的回?zé)峁軆?nèi)，監(jiān)測(cè)所述第二液體工質(zhì)的溫度的第二溫度監(jiān)控裝置； 設(shè)置在所述供熱管內(nèi)，監(jiān)測(cè)所述第一液體工質(zhì)的流速的第一流速監(jiān)控裝置； 設(shè)置在所述回?zé)峁軆?nèi)，監(jiān)測(cè)所述第二液體工質(zhì)的流速的第二流速監(jiān)控裝置； 與所述第一溫度 監(jiān)控裝置、所述第二溫度監(jiān)控裝置、所述第一流速監(jiān)控裝置、所述第二流速監(jiān)控裝置和所述機(jī)械泵連接的控制裝置； 分別設(shè)置在所述供熱管與所述回?zé)峁苌系臏p壓閥。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或9所述的多級(jí)熱機(jī)，其特征在于，所述多級(jí)熱機(jī)還包括: 設(shè)置在初級(jí)做功單元的熱源輸入口上，當(dāng)所述熱源輸入口內(nèi)第一液體工質(zhì)的溫度高于預(yù)設(shè)溫度時(shí)發(fā)出警報(bào)的報(bào)警裝置。
【文檔編號(hào)】F01K25/00GK104033198SQ201410261163
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月13日
【發(fā)明者】王小龍 申請(qǐng)人:王小龍