一種熱機的製作方法

2023-05-07 12:30:06

專利名稱：一種熱機的製作方法
技術領域：
本發明涉及熱力發動機技術，屬機械工程領域。
背景技術：
熱力循環在熱物理學和動力工程發展史上佔有重要位置，是熱機發展的理 論基礎和能源動力系統的核心，也是熱物理學科開拓發展的推動力與理論基礎 之一。歷史證明，每一次先進的熱力循環及其熱機的發展應用，都將引起一些 工業進步。
本發明設定的一種熱力循環由二個定壓回熱過程和二實個多變過程組成
(如圖1所示)，這裡稱之為H循環，以下對H循環的熱力過程做一下理論分析:
(參考工程熱力學龐麓鳴等，高等教育出版社1986 )
假設工質為理想氣體
多變熱力過程戶K"-C (常數)
膨脹過程多變指數"，
壓縮過程多變指數"2
高低壓比冗=高壓 2/低壓&
氣體常數及
絕熱指數k
回熱器傳熱溫差r4-r3=7;-r2=Ar 膨脹功『=^(r3-r4)
吸熱量formula see original document page 3
壓縮功formula see original document page 3
系統淨輸出功formula see original document page 3formula see original document page 4結論l)壓比越高，熱機效率越高。
2) 回熱器傳熱溫差越小，熱機效率越高。
3) 回熱器傳熱溫差逼近零時，熱機效率逼近卡諾熱機效率,
本發明要做的工作就是提出H循環的技術實現辦法。

發明內容
執行H循環的熱機，簡稱 一種熱機，它是一種外燃機。


圖1為H熱力循環的正循環溫熵圖，箭頭指向為循環過程方向，圖中1 —2 為多變壓縮過程，2 —3為定壓升溫過程，3 —4為多變膨脹過程，4 —l定壓降 溫過程。
圖2為回熱器原理圖，冷熱氣體分別由相反箭頭指向流入流出回熱器進行 熱交換，回熱器是逆流型氣一氣換熱器。
圖3為膨脹機示意圖，這是一種加熱型氣體膨脹機，高溫熱源與氣體不混 合，高壓氣體由下方箭頭指向進入膨脹機內，驅動葉輪轉動軸對外作功，同時 吸收上方流入膨脹機機體高溫熱源的熱量Q(加熱)，氣體被間接加熱，膨脹後由 下方箭頭指向離開膨脹機。
圖4為壓縮機示意圖，這是一種冷卻型氣體壓縮機，低壓氣體由下方箭頭 指向進入壓縮機內，被壓縮後由下方箭頭指向離開壓縮機，外力驅動葉輪對氣 體進行壓縮，同時氣體向上方流入壓縮機機體的低溫冷卻源間接排熱Q(放熱)。
圖5為圖4與圖2的連合體，為多變壓縮機組示意圖。
圖6為圖3與圖2的連合體，為多變膨脹機組示意圖。
圖7為三段型回熱器示意圖，是三個在不同溫度段工作的回熱器之串聯體。 冷熱氣體分別由相反箭頭指向流入流出回熱器進行熱交換，回熱器是逆流型換圖8為熱機示意圖，為圖6與圖5的組合體。膨脹機通過葉輪軸對外作的
功分為兩部分 一部分驅動壓縮機，另一部分為淨輸出功。
具體實施例方式
執行H循環的熱機，它有四個主要部件①膨脹機(圖3)、②壓縮機(圖 4)、③回熱器(圖2)、④循環工質，膨脹機是加熱型膨脹機，壓縮機是冷卻型 壓縮機，回熱器是氣一氣逆流換熱器，循環工質是近似熱力學理想氣體，備選 循環工質有空氣、氧氣、二氧化碳、氮氣、氪、氬等。
熱機在高溫熱源和低溫冷卻源之間工作，高溫熱源是指給膨脹機加熱的熱 源，低溫冷卻源是指對壓縮機冷卻的冷卻源。循環工質在熱機內的工作流程是
① 循環工質進入壓縮機內被壓縮，壓縮同時循環工質透過壓縮機機體向低 溫冷卻源散熱，形成高壓狀態。
② 高壓狀態的循環工質進入回熱器，在回熱器內循環工質被迎向而來的高 溫低壓循環工質加熱升溫，形成高溫高壓狀態。
③ 高溫高壓狀態的循環工質進入膨脹機，在膨脹機內膨脹作功，膨脹同時 也在透過膨脹機機體向高溫熱源吸熱，最後形成高溫低壓狀態。
從膨脹機出來的高溫低壓狀態的循環工質進入回熱器，在回熱器內工質 與從壓縮機出來的高壓氣流換熱、降溫，再進入壓縮機。
上述①②③④構成一個工作循環，這是一個循環工質封閉在熱機內的封閉式 工作循環。
為實現H循環中的二個多變過程，本發明設計了一種實現多變膨脹過程的 多變膨脹機組和一種實現多變壓縮過程的多變壓縮機組。
為便於實施高溫度差定壓回熱過程，本發明提出了一個回熱器的設計方法。 本發明最後提出H循環熱機的一般規律。
具體內容如下
一多變膨脹機組與多變膨脹方法
首先要製造出一種可以得到高溫熱源加熱的膨脹機，如圖3所示，高搵熱源 對膨脹機機體加熱，機體再對循環工質加熱，這裡的循環工質是指在膨脹機內 膨脹的氣流，是一種間接加熱方式。膨脹氣流與高溫熱源不混和，只有熱交換。膨脹機體可設計成空心內腔式，熱源在機體空心內腔內流動，也可以採用其它 更好的方式，設計目標是膨脹氣流與高溫熱源傳熱良好、傳熱溫差較小。
將上述膨脹機的進出口和回熱器(圖2)的出進口連接，成為為一個整體， 如圖6所示，形成一個膨脹機組。
假設有高壓低溫狀態的循環工質進入回熱器，該循環工質出回熱器後再進 入膨脹機膨脹，膨脹後成為低壓狀態，出膨脹機後再回到回熱器。由於高溫熱 源對循環工質在膨脹機內間接加熱，出膨脹機後進入回熱器的低壓狀態的循環 工質的溫度必高於進入回熱器的高壓狀態的循環工質的溫度，也必高於進入膨 脹機的高壓狀態的循環工質的溫度，因此，在膨脹機內膨脹的循環工質實際上 是一個升溫的多變過程。膨脹機出進口循環工質的溫度差等於回熱器進出口的
溫度差，也可等同於回熱器的傳熱溫差。顯然，我們可以認為回熱器逼迫循 環工質在膨脹機內進行一個升溫的多變過程，當回熱器的傳熱溫差足夠小時， 升溫的多變過程就會向等溫過程逼近。而在膨脹機內的循環工質的溫度變化趨 勢是受到高溫熱源的溫度和膨脹機機體的溫度場結構制約。
需要強調的是高溫熱源不得在循環工質的非膨脹過程給循環工質加熱。 上述過程就是一種多變膨脹方法，所述的膨脹機組就是多變膨脹機組，在 這裡也可稱為升溫膨脹機組。 二多變壓縮機組與多變壓縮方法
首先要製造出一種可以得到低溫冷卻源冷卻的壓縮機，如圖4所示，低溫 冷卻源對壓縮機機體冷卻，機體再對循環工質冷卻，這裡的循環工質是指在壓 縮機內壓縮的氣流，是一種間接冷卻方式。壓縮氣流與低溫冷卻源不混和，只 有熱交換。壓縮機體可設計成空心內腔式，低溫冷卻源在機體空心內腔內流動， 也可以採用其它更好的方式，設計目標是壓縮氣流與低溫冷卻源傳熱良好、傳 熱溫差較小。
將上述壓縮機的進出口和回熱器(圖2)出進口連接，成為為一個整體， 如圖5所示，形成一個壓縮機組。
如圖5所示，假設有高溫低壓狀態的循環工質，該循環工質進入回熱器， 出回熱器後再進入壓縮機壓縮，成為高壓狀態，出壓縮機後再進入回熱器。由 於低溫冷卻源對循環工質在壓縮機內間接冷卻，進入回熱器高溫低壓狀態的循環工質溫度必高於進入回熱器的高壓狀態的循環工質的溫度，也必高於進入壓 縮機的低壓狀態的循環工質的溫度，因此，在壓縮機內壓縮的循環工質實際上 是一個降溫的多變過程。壓縮機出進口循環工質的溫度差等於回熱器進出口的
溫度差，也可等同於回熱器的傳熱溫差。顯然，我們可以認為回熱器逼迫循
環工質在壓縮機內進行一個降溫的多變過程，當回熱器的傳熱溫差足夠小時， 降溫的多變過程就會向等溫過程逼近。而在壓縮機內的循環工質的溫度變化趨 勢是受到低溫冷卻源的溫度和壓縮機機體的溫度場結構制約。
需要強調的是低溫冷卻源不得在循環工質的非壓縮過程對循環工質冷卻。 上述過程就是一種多變壓縮方法，所述的壓縮機組就是多變壓縮機組，在 這裡也可稱為降溫壓縮機組。
三回熱器(氣-—氣換熱器，逆流換熱器)的結構設計要點(如圖9所示)
由於回熱器的冷熱流進口溫度差較大，高溫端可能上千攝氏度，壓力差也 較大，對回熱器的材質要求也較高，為節約成本開支，可做高溫、中溫、低溫 三段或更多段串聯設計。高溫段可選用材質要求較高(成本也較高)的耐熱耐 壓材質，中溫段可選用材質要求較低點的，低溫段材質要求最低。髙溫段與膨 脹機相連，低溫段與壓縮機相連。回熱器是逆流氣一-氣換熱器，流道阻力要盡 量小。回熱器的傳熱溫差決定了壓縮機和膨脹機的進出口溫差，也是壓縮和膨 脹二個多變過程多變指數的重要影響因數，因此回熱器的結構設計非常重要。 四執行H循環的熱機
將多變膨脹機組進出口和多變壓縮機組出進口組合即可成為 一種執行H循 環的熱機(也是一種外燃機)，如圖8所示，多變膨脹機組的轉動軸與多變壓縮 機組的轉動軸可以直接連接也可以間接連接，多變膨脹機組的轉動軸是熱機的 動力輸出軸，熱機釆用閉式H循環。熱機的低壓端為循環工質的基準壓力，基 準壓力決定了循環工質質量流量，也決定了熱機作功能力。熱機的高壓端為循 環工質的限制壓力，它由熱機材料的耐壓耐熱能力決定。為使熱機穩定安全工 作，熱機必需配置一些輔助部件①乾燥過濾器、儲氣罐、安全閥、控制調節 閥、連接閥、注入閥、排洩閥，②高低壓穩定控制機構，③其它安全配件。本 發明人認為在高壓確定的情況下，高低壓比有一個最佳值使得熱機的功率體 積比(功率/體積)最大，實際H循環熱機運行時要求高低壓比為2.72—3.5。上述執行H循環的熱機的效率主要由下述因素決定:
① 回熱器傳熱溫差。
② 膨脹機膨脹氣流的吸熱性能。
③ 壓縮機壓縮氣流的散熱性能。
④ 高低壓力比。
⑤ 壓縮機和膨脹機的有效效率。
權利要求
1多變膨脹機組，它包括膨脹機與回熱器，其特徵是膨脹機的進氣口和出氣口分別與回熱器的一對出氣口和進氣口連接，膨脹機被高溫熱源加熱時膨脹機的出氣口溫度大於膨脹機的進氣口溫度，回熱器是氣--氣逆流換熱器。
全文摘要
一種熱機，它是一種外燃機，涉及熱力發動機技術，屬機械工程領域，它包括①膨脹機、②壓縮機、③回熱器、④循環工質等四大主要部份，該熱機執行H熱力循環。膨脹機吸收高溫熱能並對外作功，壓縮機對循環工質壓縮並連續為膨脹機提供高壓氣體，膨脹機和壓縮機通過回熱器連結形成一個熱機，熱機採用空氣等氣體工質，工質在熱機內封閉工作。
文檔編號F01K25/08GK101298842SQ20081007108
公開日2008年11月5日 申請日期2008年5月20日 優先權日2008年5月20日
發明者洪國偉 申請人:洪國偉