外熱式發動機及其實現方法
2023-10-08 20:24:14 4
外熱式發動機及其實現方法
【專利摘要】本發明公開一種外熱式發動機實現方法，1）建立與液壓馬達連通的容器系統，所述容器系統包括兩個容器件，容器件內裝有壓縮氣體和液壓油，兩個容器件連通部分被液壓油所淹沒，液壓油在兩容器件產生壓力差時，可在兩容器件間流動；2）通過在兩個容器件之間形成溫度差，使得溫度差形成兩容器件之間的壓力差，驅動的液壓油在兩容器件間進行流動，由此驅動液壓馬達進行轉動，實現動力輸出。
【專利說明】外熱式發動機及其實現方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於發動機領域，具體涉及一種外熱式發動機及其實現方法。
【背景技術】
[0002]瓦特的蒸汽機的面世為人類提供了動力，導致了第一次工業革命，火車，輪船，各類需要動力的工廠應運而生，人類從此步入了依靠礦物能源的工業革命時代。
[0003]二十一世紀的今天，由於人類文明過度依賴煤炭、石油、天然氣等一次性礦物能源，不僅給環境帶來嚴重的汙染，也將面臨資源枯竭的不遠未來。人類對石油、煤炭的需求越來越大，越來越昂貴的油價給人民的生活帶來莫大的壓力。開發出新一代的可利用諸如太陽能，生物質能源，地熱能等可再生能源乃至回收工業餘熱做功的發動機，便是這一研究開發的基本動機。
[0004]傳統的外燃機，可分為兩大類，1:蒸汽機(包括蒸汽輪機)；2:熱氣機，主要形式為斯特林(Stirlin)發動機。
[0005]一.蒸汽機
蒸汽機是當今世界用於發電的主流機種，技術成熟但有著若干先天性的問題:
1.熱效率較低，由於蒸汽機必須通過液氣相變的形式即蒸汽類進行能量轉換，因而在能量轉換中耗費了大量的而又不參與能量轉換的「汽化熱」。這種汽化熱是蒸汽形式進行能量轉換造成的原理性能量損失。蒸汽(汽輪機)發電是一項非常成熟的技術，由於這種原理性損失，其熱效率很可能永遠也達不到43%。
[0006]2.難以小型化，通常的蒸汽輪機規模均在數十兆瓦以上，一旦功率變小，其熱效率便急劇下降。所以通常只能用於建設大型電站，而不適用於小型電站。
[0007]3.較難適應於可再生能源，通常用於發電的蒸汽壓力在20Mpa以上，蒸汽管道處於高溫高壓狀態，而應用於功率密度低，採能面積極廣的太陽能裝置而言無疑是設備昂貴或是有安全隱患的。
[0008]二.熱氣機
也就是斯特林發動機，斯特林發動機是由蘇格蘭牧師Robert Stirling與1816年發明的非蒸汽類外燃機，其特點是有著遠高於蒸汽機的熱效率潛力。目前在國外新能源技術開發中有著巨大的發展前景，但卻有著兩大缺點嚴重地影響了其應用:
1.工作介質氣體的密封工藝難度很大，這是由於目前流行的斯特林發動機的結構的先天性特徵所造成的，我國至今罕見見有實用型產品的報導，尤其在能源行業更是未見應用報導而僅存於科研院所或少數高校的研究中，製造工藝的困難可能是主要原因。
[0009]2.熱交換方式先天不足，難以實現大功率化，美國在本世紀所實施的若干個太陽能發電的項目中，大量採用斯特林發動機，但其單機容量似乎只有數十千瓦，甚至難見有大功率斯特林發動機的報導。
[0010]本人設計的發動機成功地克服了斯特林發動機的上述兩大缺點，理論上該種發動機循環的熱交換模式保證了單機容量可任意大而沒有障礙。也解決了密封問題。
【發明內容】
[0011]本發明針對現有的斯特林發動機的缺陷，提供一種外熱式發動機及其實現方法以解決上述問題。
[0012]首先，本人提出一種外熱式發動機的實現方法，一種外熱式發動機實現方法，I)建立與液壓馬達連通的容器系統，所述容器系統包括兩個容器件，容器件內裝有壓縮氣體和液壓油，兩個容器件連通部分被液壓油所淹沒，液壓油在兩容器件產生壓力差時，可在兩容器件間流動；2)通過在兩個容器件之間形成溫度差，使得溫度差形成兩容器件之間的壓力差，驅動的液壓油在兩容器件間進行流動，由此驅動液壓馬達進行轉動，實現動力輸出。
[0013]本發明的整體構思是:通過在一個如前面定義的容器系統，由溫差轉化成為壓力差，驅使液壓油流動，從而驅動液壓馬達轉動。
[0014]本發明的另外一個重點是:在步驟2)中，將冷/熱載能工質分別輸進兩容器件內，並將載能工質霧化，使與容器件內的壓縮氣體混合後實現快速熱交換，達到容器件內氣體迅速升溫/降溫的目的，最終通過溫度變化驅動液壓油的流動。該方案是本技術的另一個關鍵點是採取霧化載能工質的手段，使得載能工質能夠與容器系統內的氣體最大程度的迅速熱交換，達到迅速降低或者升高溫度的目的，從而迅速形成壓力差。
[0015]上述的兩個容器件通過循環管路分別與冷/熱載能工質泵連接，用以達到載能工質在容器件內的循環流動的目的。
[0016]本發明中的設備的方案是這樣實現的:一種外熱式發動機，包括液壓馬達，還包括與液壓馬達連通的容器系統，所述容器系統包括兩個容器件；容器件內裝有壓縮氣體和液壓油；在容器件內還設有與載能工質管連通的霧化裝置，通過霧化裝置將高溫/低溫的載能工質霧化後使其與容器件內氣體混合實現快速熱交換，達到將容器內氣體迅速升溫/降溫目的，使兩容器件內之間形成溫差，通過溫度差形成兩容器件間的壓力差，驅動液壓油在兩容器件間進行流動。
[0017]以上所述還包括熱源和冷源；容器件外部還連接有裝有載能工質的載能工質管路；所述熱源和冷源通過與裝有載能工質的載能工質管路進行熱/冷能量交換，並通過載能工質向容器系統輸送熱、冷能。
[0018]本發明中，作為更進一步的方案，所述載能工質管路中設有用於將載能工質泵入容器件內的熱工質泵/冷工質泵，熱工質泵/冷工質泵的作用是，將載能工質快速的泵入容器件內。
[0019]本發明中，作為更具體的方案，所述容器系統中，設有用於維持液壓馬達同一方向轉動的由液壓油整流裝置，所述液壓油整流裝置包括多個單向閥。
[0020]本發明中，作為更具體的方案，所述熱源、冷源中分別設有熱交換器和冷卻器。
[0021 ] 本發明中，作為更具體的方案，所述載能工質包括導熱油，熔鹽和液體金屬。
[0022]本發明中，作為更具體的方案，所述容器系統包括分體式工作氣缸和油缸，或者是一體式的裝有壓縮空氣和液壓油的耐溫耐壓容器。
[0023]本發明的有突出的實際特點和顯著進步是:
1.結構簡單，不需複雜的製造工藝，一旦定型可迅速投入批量生產。
[0024]2.發動機的工作溫度上限取決於熱源溫度及載能工質的溫度上限。
[0025]3.不需通過液氣相變的形式即蒸汽類型進行能量轉換，因而在能量轉換中無需耗費大量的而又不參與能量轉換的「汽化熱」。使得熱效率與同等條件下的蒸汽機相比大幅度提聞。
[0026]4.本發動機的另一大特點是:作為發動機動力來源的高溫載能工質輸入發動機內部完成熱交換後，未使用的熱能將隨載能工質帶出體外經循環加溫後重新利用，並未造成損失，這與蒸汽機的的一旦做功後將蒸汽排放或重新液化，無法利用殘熱形成鮮明對比。同樣，內燃機在完成燃燒做功衝程後，也直接排放，廢氣中的殘熱也無法利用。
[0027]5.由於上述3、4兩特徵使得該發動機有著遠高於現有內、外燃機的熱效率發展潛力，該發動機一旦發展成熟，將會對能源產業產生難以估量的影響。
[0028]6.載能工質在缸內做功後在不同的時段的溫度會不同，通過合理的控制方案，將相對高溫部分工質分配送往熱工質泵，相對低溫部分工質分配送往冷工質泵，以此方式調度可望獲得最佳的發動機熱效率。
[0029]7.不像內燃機，由於內部急劇燃燒和排放，不可避免地產生噪音。本發動機無燃燒，無排放，因而也無噪音。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]圖1是實施例1中狀態一的結構示意圖；
圖2是實施例1中狀態二的結構示意圖；
圖3是實施例1中狀態三的結構示意圖；
圖中零部件名稱及序號:
熱源1、冷卻器2、第一容器件3、第二容器件4、第一油缸3』、第二油缸4』、熱工質霧化器5、冷工質霧化器6、液壓馬達7、單向閥8、熱交換器9、冷源10、液壓油11、熱工質泵12、冷工質泵13。
【具體實施方式】
[0031]以下結合附圖和實施例描述本發明，以下實施例以發明最優效果進行解釋說明，但是這些實施例並非本發明的限制。
[0032]實施例1:
如圖1所示，依據本發明方案組成的外熱式發動機，容器系統與液壓馬達7構成了一個大的連通系統，容器系統包括第一容器件3、第二容器件4和第一油缸3』、第二油缸4』，兩者之間上部連通，還包括與液壓馬達7連接的管路。本實施例中，所述的油缸，並非機械領域所述的具有活塞的油缸體，而是一種用於裝載液壓油的容器。第一容器件3、第二容器件4分別設有連通熱源I和冷源10的載能工質管路，載能工質管路內設有載能工質導熱油，在連接熱源I的載能工質管路中設有熱工質泵12，在連接冷源10的載能工質管路中設有冷工質泵13 ;在第一容器件3、第二容器件4均設有熱工質霧化器5和冷工質霧化器6，熱工質霧化器5與熱源I中的熱交換器9連接，冷工質霧化器6與冷源10中的冷卻器2連接；在第一油缸3』和第二油缸4』下部設有與液壓馬達7連接的管路，管路中設有四個單向閥8，單向閥8和管路使得液壓油11流過液壓馬達7的方向總保持一致，從而使得液壓馬達7轉動方向不變。
[0033]液壓馬達7的驅動方式如下:
載能工質導熱油，在熱工質泵12的驅動下沿管路進入熱源I內通過熱交換器9吸收熱源的熱能提高自身的溫度(載能)。加熱後的載能工質送往第一容器件3內經熱工質霧化器5以霧狀形式噴灑到整個氣缸內，迅速將氣缸內的已預加壓的氣體(可加至1Mpa以上)進行熱交換，將氣體加熱，氣體受熱後迅速升壓(從常溫加到350° C時壓力可升至20Mpa以上)。此時與第一容器件3連通的冷工質泵13不工作。
與上述過程同步進行的是在與第二容器件4連通的冷工質泵13的作用下載能工質被送往冷卻器2進行降溫處理，冷卻後的載能工質被送往第二容器件4又經冷工質霧化器6霧化後與缸內氣體進行熱交換，迅速降低第二容器件4內氣體的溫度，從而使得第二容器件4內的壓力下降，使得第一容器件3和第二容器件4之間形成壓力差。(此時與第二容器件4連通的熱工質泵12不工作)從而導致油缸第一油缸3』和第二油缸4』產生壓力差，在壓力差的作用下、第一油缸3』中的液壓油11沿著單向閥8所限定的流通管道流向流動，從而驅動液壓馬達7旋轉運動實現了熱能到機械能的轉化。行程終了時，油缸的液位變化如圖2。
[0034]此時，將整個操作逆向進行，(此時與第一容器件3連通的熱工質泵13和與第二容器件4連通的冷工質泵停止工作，而啟動相應的冷工質泵13和熱工質泵12)將冷卻工質送往第一容器件3，經霧化處理後噴到缸內將缸內氣體迅速降溫，使得第一容器件3的壓力迅速下降。與此同時將高溫載能工質送到第二容器件4，經霧化處理後噴進缸內將缸內氣體迅速升溫，這樣這樣便形成了第二容器件4對第一容器件3的壓力差，驅使第二油缸4』內的液體沿單向閥8所限定的路線進入液壓馬達7，同樣驅動馬達輸出機械能。該衝程完成時狀態參照圖3。
[0035]以上兩個衝程完成了發動機的一個循環。
[0036]另外，本發明要強調的原理是:發動機所需要的能量是通過高溫載能工質送進發動機內，在一個氣缸內將載能工質導致對另一氣缸內的溫差轉化為壓力差並做功產生機械動能輸出；載能工質在發動機內進行能量交換降溫後通過循環管送到熱源中重新加熱(載能)後再度送進發動機內，同時另一氣缸內的冷卻用載能工質在缸內升溫後被送往冷卻源降溫後再度送進發動機內。以此方式生生不息，循環運行。
[0037]加熱(冷卻)載能工質的循環利用方式:霧化後的載能工質在與缸內氣體進行充分接觸從而由於兩者溫差而產生能量交換後，最後在重力作用下落到氣缸底部，在不同的時段分別流進熱管和冷管，分別經過熱工質泵12、冷工質泵13加壓後經和熱源I冷卻器2進行加溫和降溫後在進入下一循環。以此方式進行連續的冷熱源的供給。
[0038]實施例2:
本實施例中，與實施例1不同之處在於，容器系統中，用於裝載液壓油的油缸體，可以實現與容器件形成統一的整體件，並非並需採用實施例1中的分體式方式才能實現本發明，其可以採用現有的機械手段實現，再次不再進行詳細的舉例，另外，所述的載能工質是熔鹽或液體金屬，其也可以實現本發明效果。
[0039]實施例3:
本實施例中，與實施例1不同之處在於，在於容器件和液壓馬達7連接的管路中，單向閥8的設定數量，是6個，其餘工作原理與實施例1相同。
[0040]顯然，上述實施例僅僅是為了清楚的說明本發明所作的舉例，而並非對實施的限定。對於所述領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式子以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明的保護範圍之中。
【權利要求】
1.一種外熱式發動機的實現方法，其特徵在於: 1)建立與液壓馬達連通的容器系統，所述容器系統包括兩個容器件，容器件內裝有壓縮氣體和液壓油，兩個容器件連通部分被液壓油所淹沒，液壓油在兩容器件產生壓力差時，可在兩容器件間流動； 2)通過在兩個容器件之間形成溫度差，使得溫度差形成兩容器件之間的壓力差，驅動液壓油在兩容器件間進行流動，由此驅動液壓馬達進行轉動，實現動力輸出。
2.根據權利要求1所述的外熱式發動機的實現方法，其特徵在於:在步驟2)中，將冷/熱載能工質分別輸進兩容器件內，並將載能工質霧化，使與容器件內的壓縮氣體混合後實現快速熱交換，達到容器件內氣體迅速升溫/降溫的目的，最終通過溫度變化驅動液壓油的流動。
3.根據權利要求2所述的外熱式發動機的實現方法，其特徵在於:兩個容器件通過循環管路分別與冷/熱載能工質泵連接，用以達到載能工質在容器件內的循環流動的目的。
4.一種外熱式發動機，包括液壓馬達，其特徵是:還包括與液壓馬達連通的容器系統，所述容器系統包括兩個容器件；容器件內裝有壓縮氣體和液壓油；在容器件內還設有與載能工質管連通的霧化裝置，通過霧化裝置將高溫/低溫的載能工質霧化後使其與容器件內氣體混合實現快速熱交換，達到將容器內氣體迅速升溫/降溫目的，使兩容器件內之間形成溫差，通過溫度差形成兩容器件間的壓力差，驅動液壓油在兩容器件間進行流動。
5.根據權利要求4所述的外熱式發動機，其特徵是:還包括熱源和冷源；容器件外部還連接有裝有載能工質的載能工質管路； 所述熱源和冷源通過與裝有載能工質的載能工質管路進行熱/冷能量交換，並通過載能工質向容器系統輸送熱、冷能。
6.根據權利要求5所述的外熱式發動機，其特徵是:所述載能工質管路中設有用於將載能工質泵入容器件內的熱工質泵/冷工質泵。
7.根據權利要求4所述的外熱式發動機，其特徵在於:所述容器系統中，設有用於維持液壓馬達同一方向轉動的由液壓油整流裝置，所述液壓油整流裝置包括多個單向閥。
8.根據權利要求5所述的外熱式發動機，其特徵在於:所述熱源、冷源中分別設有熱交換器和冷卻器。
9.根據權利要求4所述的外熱式發動機，其特徵在於:所述載能工質包括導熱油，熔鹽和液體金屬。
10.根據權利要求4所述的外熱式發動機，其特徵在於:所述容器系統包括分體式工作氣缸和油缸，或者是一體式的裝有壓縮空氣和液壓油的耐溫耐壓容器。
【文檔編號】F03C2/00GK104454329SQ201410552470
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年10月17日 優先權日:2014年10月17日
【發明者】孫小唐 申請人:孫小唐