第二類熱動發動機的製作方法

2023-05-18 15:09:26

專利名稱:第二類熱動發動機的製作方法
本發明屬於熱動原動動力機械，是一種低溫差、低壓差發動機，其理論根據是本人建立的「第二類熱動發動機定律」(見所附論文)，採用了二種現有實用技術，是具有首創性的組合發明。
現有的熱動動力機械，即「第一類熱動發動機」基本都是採用人工製造高溫差的方法，通過熱膨脹等來實現預定的機械運動。各種內燃機、活塞式蒸汽機、燃汽輪機等都屬於第一類熱動發動機。由於用人工製造高溫差的方法因石油、煤炭的日趨貧乏和核技術的不成熟而受到很大的限制，同時，人工釋放高熱能又使環境溫度大幅度上升，引起一系列公害，最終將威脅人類的生存和發展。
本發明的任務就是放棄採用人工製造高溫差並通過一定方式做功實現預定機械運動這種「第一類熱動發動機」的基本原理，根據「第二類熱動發動機定律」，採用從一般環境等單一熱源中吸收熱能，通過內部變換而採用低溫差，等比容壓差移動做功的方法實現預定的機械運動，從而使以往的「不可再生能源」變成了「可再生能源」，並保護了自然生態環境。
本發明的典型實施例是機械式的，稱為「機械式第二類熱動發動機」，它採用了二種現有的實用技術，即全封閉蒸汽壓縮式熱泵技術和蒸汽汽輪發動機技術。
我們知道，目前實用的冷凍機，如使用氨製冷劑的工業冷凍機，可以在環境溫度為30℃，蒸發溫度為-15℃的情況下，使製冷係數達到4.8這樣的水平，那麼相應的熱泵「制熱係數」就可高達4.8+1＝5.8，如記入90%的機械效率則制熱係數為5.2。汽輪機的單機效率一般可高達90%，由於在本實施例中，蒸汽在接近等比容狀態的壓差移動做功時，蒸汽溫度由0開始最終要上升到0.75左右，所以取汽輪機單機效率為80%，用圖解法(參見附圖2和3)，可算得此時可供汽輪機做功的能量佔蒸汽所含可釋放能量的73%，則實際熱功轉換效率為73%×80%，約為58%，加上液泵等附屬設備最低可達到50%，如果用熱泵為汽輪機供熱，用汽輪機的輸出動力的一部分為熱泵提供動力，則有5.2×50%-1＝1.6就是說可以從汽輪機輸出軸上得到是熱泵所需回授機械能的1.6倍的動力輸出，可以用來發電或直接驅動船隻(注以上有關數據摘自農業出版社《制冷機的理論和性能》1982年出版)。
本實施例的工作熱原理方框圖見附圖1。圖中左半部的冷凝器、蒸發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、液化器是汽輪機的重要熱附屬結構，使汽輪機的工質工作於全封閉循環狀態，二者間以液泵相連;汽輪機和熱泵間以一定的機械形式相連接，以提供動力。
附圖1中的實線及箭頭表示工質的運動路線與方向，虛線及箭頭表示熱量傳輸情況。可見，冷凝器和液化器是同一個熱交換器(應與其它部分絕熱);蒸發器和汽化器是同一個熱交換器，這個熱交換器是整個實施發動機的吸熱器，和外界熱源如海水接觸吸熱，提供能源。應該注意的是，蒸發器必須先對液化器進行充分冷卻，然後再從外界熱源的那吸熱，所以這個交換器是由機內和機外二部分構成的。
附圖1中，Q1、Q2、Q3是熱泵每壓縮單位質量的工質，熱交換換器中發生熱交換的值，A表示穩定工作時所輸出的相應的機械能的值。設汽輪機的實際熱功轉換效率為α，熱泵的「制熱係數」為β，則有以下推導α= (Q1-Q2)/(Q1) ①β= (Q1)/((Q1-Q2)-A) ②解之，得關係式 (A)/((Q1-Q2)-A) =αβ-1③式中的(Q1-Q2)-A為熱泵所需回授的機械能，將α＝50%，β＝5.2代入③式得1.6與前面分析的相同。
根據能量守恆定律，A＝Q3代入③式得αβ-1= (Q3)/(Q1-Q2-Q3) ④④式的意義是當實際上的αβ-1＞0時，說明Q3＞0，整個發動極為吸熱狀態，可以自動工作;當αβ-1＜0時，說明Q3＜0，發動機既使被啟動機啟動平穩了也不能自動工作;當αβ-1＝0時，為臨界狀態。
接下來，我們用圖解法來對這一計算加以印證。為了敘述方便，設熱泵和汽輪機採用同一種工質，各自組成封閉迴路進行工作，則可繪出單位質量同種工質的實施發動機工質工作狀態圖(lgP-h圖，又稱莫裡哀圖)如附圖2。附圖2中ABCD表示熱泵工質的工作狀態，因已成熟技術，恕不贅述。圖中EFGH表示汽輪機工質的工作狀態，其狀態進行方向與熱泵相反(見圖中箭頭);EF段表示工質在汽化器中吸熱變成幹蒸汽，FG段為蒸汽在汽輪機中以接近等比容狀態在壓差作用下做功，FG近似為等此容線，GH段為汽輪機尾汽進入液化器後的冷卻液化階段，溫度基本不變，HE段表示被液化後的工質被液泵送回汽化器中，內能增加很少。
從AB和EF的大小來看，有單位質量的工質在汽輪機中工作，需要更多一些的工質在熱泵中工作。如果將具有對等的耗熱、供熱能力的工質的狀態繪成專用於表徵輸出功的lgP-△h圖即焓變圖就出現了附圖3，附圖3中的A就是前文的「熱泵每壓縮單位質量工質」汽輪機「所輸出的相應機械能的值」。當然，A和Q3是一致的，相等的。
下面，我們根據從實施例中推導出的式④，對包括機械式在內的各種第二類熱功發動機加以討論。
①如果某發動機的αβ-1≤0，那麼這種裝置將無法自動工作，但，這並不說明這種裝置就沒有用處了。如，某種半導體熱泵能使αβ-1的值在零附近，那麼這種裝置就可以做為一種特殊的高效電動機來使用，可具有恆溫、調溫作用。
②當某種半導體熱泵會使αβ-1的值大於零時，Q3＞0，可以自動工作用於發電，也可以採用其它電源而成為一種半熱動的超高效電機，可以在工作於高溫環境中時對自身進行冷卻，也可以在必要時採用調溫方式工作。
③在特殊情況下，熱泵和汽輪機可單獨的，也可全部地採用半封閉或完全開放的非循環工質結構進行工作。例如在有低壓蒸汽產出的地熱地區，熱泵可以直接吸入低壓蒸汽進行壓縮制熱，高壓端形成的高溫高壓水可通過水輪機回收能量也可直接排放，而汽輪機則可直接吸入沸水而排出溼蒸汽，使整機形成完全開放的結構-一根據附圖3及全開放結構中熱泵排水與汽輪機吸水的特點，可得出實施例的簡化結構，即只由壓縮機、汽輪機、吸熱器三個部分構成。如附圖4所示的全封閉蒸汽單循環結構，相當於用汽輪機直接取代了熱泵的冷凝器和節流閥，用等比容壓差做功代替冷凝和節流。工質工作狀態相當於把附圖2中的B、F二點重合，把G、M二點重合所形成的三角形B(F)CG(M)。如果仔細研究莫裡哀圖上的這個三角形我們就會發現，在飽和區和過熱區的任何一個地方，等熵線和等比容線都是不重和的，而且都可以畫出形狀相近的三角形，所不同的是在過熱區畫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的高好多倍。據此，我們可以根據發動機的工作環境和允許的形狀和尺寸大小具體設計發動機工質的工作狀態，以達到最佳的效果。這樣一來，簡化的機械式第二類熱動發動機就不只有「全封閉蒸汽單循環」一種結構了，還會出現「半封閉」、「非蒸汽式」等多種結構，我們可以將它們統稱為「氣體壓縮式單循環結構」。相應的，這種發動機中的熱泵也就不是只利用汽化熱的熱泵了，應稱為「氣體壓縮式熱泵」了，汽輪機和吸熱器也會有功能和結構上的變化。
在只有高溫水產出的地區則可以採用只是汽輪機開放的結構，不過還是採用簡化結構更科學一些。
④根據能量守恆定律，本發明中的發動機只有在吸入熱能和輸出能量相等的狀態才能持續地正常工作，如果無負載或負載過低，內部能量積累將過大，所以應該設置相應的保護、保險裝置。
⑤本發明中的發動機必須經過起動機起動後方能進入正常工作狀態。
⑥汽輪機主體應該與其它部分絕熱，否則整機性能將難以保證。對壓縮機也應與以考慮。
⑦必要時汽輪機轉子表面和外殼內壁應考慮採用不易被工質溼潤的材料。還可以考慮轉子轉軸與水平面垂直放置，讓工質由上向下運動，以降低溼蒸汽帶來的不良影響。
⑧具體實施的發動機其工質運行狀態會與前文所述的略有區別，其目的無非是提高整機效率和提高適應能力，在基本原理上是相同的，基本結構是類似的。
⑨汽輪機向熱泵反饋的能量可以是直接的，也可以是間接。如全機械式的，汽輪機和熱泵可以是同軸轉動的或通過變速器傳動的，也可以是用慣性儲能法間接傳動的;半導體熱泵式的，熱泵的電能可以是輸出端發電機直接回授的，也可以是儲電池間接回授的。
⑩熱泵吸收的能量可以是來自流體、固體的熱能，也可以是來自輻射、燃料等其它可直接、間接變成熱能的能源。
(11)當熱源供應不穩定，但輸出要求穩定，或熱源供應相對穩定而輸出端負載卻很不穩定時，可採用靈活的驅動方式，採用全熱或半熱動方式。
本發明的最大優點在於只採用了二種實用技術就實現了熱機能量來源的改變，變「不可再生能源」為「可再生能源」，解決了末來社會的能源和環境問題。從造價、效率、效益、安全性、維修、適用範圍、運轉方式、運行管理上看都有相當大的優越性，最適合於無人操作的自動化發電、生產等。
本發明的最佳使用方案是用於海洋發電和地熱發電，以解決能源問題。
用於海洋發電時，可以將整個發電機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於海水之中，從海水中吸熱並利用海水被冷卻後下沉形成的自然對流來實現平穩連續的工作。
用於地熱發電時，可以四季不間斷工作。
權利要求
1.第二類熱動發動機，屬於熱動動力機械，其特徵是採用以熱泵和汽輪機為主體並用熱泵為汽輪機提供全部熱能的結構，用於輸出機械動力的裝置。
2.按權利要求
1所述的動力裝置，當採用全機械結構時，其特徵是熱泵和汽輪機既可採用各自封閉循環工質結構，又可採用單獨封閉、單獨半封閉、各自半封閉、完全開放等多種結構。
3.按權利要求
2所述的動力裝置，其特徵是可以簡化為由壓縮機、汽輪機、吸熱器三部分構成的全封閉蒸汽單循環結構或氣體壓縮單循環結構。
4.按權利要求
1所述的動力裝置，其特徵是設有保護、保險裝置。
5.按權利要求
1所述的動力裝置，當汽輪機向熱泵反饋能量時，其特徵是反饋的能量既可以是直接的也可以是間接的(指相應的機械結構或電氣結構)。
6.按權利要求
1所述的動力裝置，當汽輪機不向熱泵反饋能量時，其特徵是熱泵由另外的能源，如電源提供能量(指相應的機械結構或電氣結構)。
專利摘要
第二類熱動發動機是相對內燃機、燃汽輪機等第一類熱動發動機而言的一種新型發動機。主要採用了二種現有的實用技術，即熱泵技術和氣輪發動機技術，具有從單一熱源中吸收熱能轉換成機械能的性能，以達到提供新能源，改善生態環境的目的。本發明的典型結構是機械式的，簡化了的發動機只由壓縮機、汽輪機、吸熱器三部分構成，結構簡單。本發明主要用於海洋和地熱發電，也可用於船隻，做為發動機。
文檔編號F25B29/00GK87105068SQ87105068
公開日1988年3月16日 申請日期1987年8月22日
發明者楊正祥 申請人:楊正祥導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan