一種利用空氣熱能轉化為動能和電能的裝置及其方法
2023-04-24 21:46:51
專利名稱：一種利用空氣熱能轉化為動能和電能的裝置及其方法
技術領域：
本發明涉及能量轉化以及利用技術領域，特指一種利用空氣熱能 轉化為動能和電能的裝置及其方法。
背景技術：
隨著現在能源越來越緊缺，各國都在為解決能源問題而採取各種 措施，特別是石油危機，因為石油是不可再生資源，有專家認為按現
在的石油用量計算，再過50年將沒有石油可取，為此，各國都大力 發展自然能源，如太陽能、風能、水能等一些環保型能源，但是利用 這些自然能源都要有大量資金的投入以及複雜昂貴的設備，現在這方 面的利用率還很低，主要是因為利用成本高。在我國經濟快速發展的 同時，我國的能源消耗也成倍的增長，能源的短缺已經嚴重的制約我 國經濟的發展。每個人都已經意識到能源的重要性，因此現在社會各 界都在宣傳做到節能環保，創建節能型社會、和諧社會。
現在所用能源一般分為可再生能源和不可再生能源，其中使用最 多的是不可再生能源，不可再生能源主要包括煤、石油、天燃氣等不 可再生資源，這些不可再生資源已經越來越少，越來越緊缺，且其存 在著汙染環境等問題，因此現在會逐漸被可再生能源所替代；在可再 生能源中主要為風能、水力、太陽能等，但現在其利用率不高， 一方 面其存在著技術上的因素使其利用成本過大，使用成本過高，另一方 面其一般取決於特定的地理環境，不便推廣。因此，世界所面臨的能 源危機一直未能得到有效的解決。
發明內容
本發明的目的在於提供一種利用空氣熱能轉化為動能和電能的 裝置及其方法。
為解決上述問題，本發明的一種利用空氣熱能轉化為動能和電能 的裝置及其方法，包括工質、熱泵、與工質容器相通的汽輪機、與汽 輪機相通的熱交換器，工質容器的進口與熱交換器的出口相通，在工 質容器與熱交換器之間串聯一回流器，回流器的進口端與熱交換器的 出口端相通並由電磁閥控制，回流器的出口端與工質容器的進口端相 接通並由電磁閥控制，由熱泵與工質組成一蒸發端，由熱交換器組成 一冷凝端，蒸發端、汽輪機和冷凝端以及回流器組成一個工質循環系 統，汽輪機在工質循環系統中進行不間斷做功、輸出功率。
本發明的利用空氣熱能轉化為動能和電能的裝置及其方法還包 括和具有下列特徵
所述的工質循環系統與外界相密封隔絕。
本發明的一種利用空氣熱能轉化為動能和電能的方法過程如下
① 熱泵工作吸收流通空氣中的熱量、在蒸發端釋放出熱量，工質 吸收蒸發端中熱泵釋放出的熱量，工質吸熱升溫、蒸發成具有一定壓 力的氣態工質；
② 蒸發端的氣態工質通過密封管道排出，排出的氣態工質推動汽 輪機進行工作，汽輪機轉動轉換為動能和/或轉換為電能；
③ 氣態工質在推動汽輪機轉動後排到冷凝端中，氣態工質通過冷 凝端中的熱交換器將熱能釋放到流通的空氣中，同時氣態工質降溫變 為液態；
④ 變為液態的工質在熱交換器中通過自動控制的電磁閥流通到回 流器中；
⑤工質在回流器中通過自動控制的電磁閥回流到蒸發端的工質容 器中。
本發明的一種利用空氣熱能轉化為動能和電能的裝置及其方法， 採用熱泵原理以及熱管原理充分吸收空氣中的熱量，把熱能轉化為動 能或電能，在轉化過程過能量損失極少，空氣熱能利用率高，通過熱 泵內部工質物理狀態的變化源源不斷的吸收空氣中的熱量，從而不斷 的給汽輪機以動力，帶動汽輪機做功，以持續的給外界輸出能量。
圖1是本發明的一種利用空氣熱能轉化為動能和電能的裝置及 其方法的流程示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明的一種利用空氣熱能轉 化為動能和電能的裝置及其方法作進一步說明
如圖1所示，本發明的一種利用空氣熱能轉化為動能和電能的裝 置及其方法，其通過熱泵原理充分吸收空氣中的熱量，然後通過熱管 原理轉化為動能或電能。其主要包括工質、熱泵2、與工質相通的汽
輪機3、與汽輪機3相通的熱交換器4。工質在工作狀態下為液態，工 質置於與外界相隔絕的工質容器1中，熱交換器4 一般採用熱管換熱 器。工質容器1的進口與熱交換器4的出口相通，在工質容器1外設 有保溫裝置以減少損耗，在工質容器1的與熱交換器4之間串聯一回 流器5，回流器5的進口端與熱交換器4的出口端相通並由電磁閥6 控制，回流器5的出口端與工質容器1的進口端相接通並由電磁閥6 控制，熱泵2與工質組成一蒸發端，熱交換器4組成一冷凝端，蒸發 端、汽輪機3和冷凝端以及回流器組成一個工質循環系統，汽輪機在工質循環系統中進行不間斷做功、輸出功率。
本發明的利用空氣熱能轉化為動能和電能的方法過程如下
① 電源啟動熱泵2工作，熱泵2工作吸收流通空氣中的熱量，在
蒸發端釋放出其在外界吸收的熱量，工質吸收蒸發端中熱泵2釋放出
的熱量，工質吸熱升溫、蒸發成具有一定壓力的氣態工質。
② 蒸發端的具有一定壓力的氣態工質通過密封管道排出，排出的
氣態工質流通到汽輪機3處，其壓力可以推動汽輪機3進行工作，汽 輪機3的轉動轉換為動能和/或轉換為電能並輸出功率。
③ 氣態工質在推動汽輪機3轉動後排到冷凝端中，冷凝端的熱交 換器4工作，熱交換器4與外界空氣進行冷熱交換，熱交換器4釋放 出熱量，並升高流通空氣的溫度，氣態工質溫度降低，氣壓減小，由 氣態變為液態。
④ 恢復液態的工質在冷凝端通過電磁閥6輸入到回流器5中，在 流入過程中，冷凝端與回流器5中的氣態工質的壓力相等，在冷凝端 的液體工質在重力作用下流到回流器5。
⑤ 在冷凝端與回流器5之間的工質傳輸完後，上端電磁閥6關閉， 此時，在回流器5與工質容器1之間的電磁閥6打開，液態工質從回 流器5回流到工質容器1中，這樣工質從液態到氣態再到液態在工質 循環系統內完成一個循環。
工質最後回流到工質容器1中，即形成一個循環的能量轉換以及 運輸過程，空氣在經過熱交換器4時，從熱交換器4中吸收一定的熱 量，溫度升高，再流通經過熱泵2，熱泵2對其進行吸熱，最後排出低 溫空氣，工質的流向以及空氣的流通如圖1所標的箭頭所示，在轉換 過程中其空氣的進氣溫度與出氣溫度之差即為已經轉化為動能和/或 電能以及轉化過程中損失的能量，其溫差越大，所以利用的能量即越 多。
熱管技術是1963年美國LosAlamos國家實驗室的G.M.Grover 發明的一種稱為"熱管"的傳熱元件，它充分利用了熱傳導原理與致冷介 質的快速熱傳遞性質，透過熱管將發熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外， 其導熱能力超過任何已知金屬的導熱能力。熱管技術以前被廣泛應用 在宇航、軍工等行業，自從被引入散熱器製造行業，使得人們改變了 傳統散熱器的設計思路，擺脫了單純依靠高風量電機來獲得更好散熱 效果的單一散熱模式，採用熱管技術使得散熱器即便採用低轉速、低 風量電機，同樣可以得到滿意效果，使得困擾風冷散熱的噪音問題得 到良好解決，開闢了散熱行業新天地。
物體的吸熱、放熱是相對的，凡是有溫度差存在的時候，就必然
出現熱從高溫處向低溫處傳遞的現象。從熱傳遞的三種方式輻射、 對流、傳導，其中熱傳導最快。熱管就是利用蒸發製冷，使得熱管兩 端溫度差很大，使熱量快速傳導。 一般熱管由管殼、吸液芯和端蓋組 成。熱管內部是被抽成負壓狀態，充入適當的液體，這種液體沸點低， 容易揮發。管壁有吸液芯，其由毛細多孔材料構成。熱管一段為蒸發 端，另外一段為冷凝端，當熱管一段受熱時，毛細管中的液體迅速蒸 發，蒸氣在微小的壓力差下流向另外一端，並且釋放出熱量，重新凝 結成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發段，如此循環 不止，熱量由熱管一端傳至另外一端。這種循環是快速進行的，熱量 可以被源源不斷地傳導開來。
典型的熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，將管內抽成1. 3x(10負
1 一10負4)Pa的負壓後充以適量的工作液體，使緊貼管內壁的吸液芯 毛細多孔材料中充滿液體後加以密封。管的一端為蒸發段(加熱段)，另 一端為冷凝段(冷卻段)，根據應用需要在兩段中間可布置絕熱段。當熱 管的一端受熱時毛紉芯中的液體蒸發汽化，蒸汽在微小的壓差下流向 另一端放出熱量凝結成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回
蒸發段。如此循環，熱量由熱管的一端傳至另一端。熱管在實現這一 熱量轉移的過程中，包含了以下六個相互關聯的主要過程
(1) 熱量從熱源通過熱管管壁和充滿工作液體的吸液芯傳遞到(液一 一汽)分界面；
(2) 液體在蒸發段內的(液一汽)分界面上蒸發；
(3) 蒸汽腔內的蒸汽從蒸發段流到冷凝段；
(4) 蒸汽在冷凝段內的汽液分界面上凝結
(5) 熱量從(汽一液)分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源
(6) 在吸液芯內由於毛細作用使冷凝後的工作液體回流到蒸發段。 熱管的基本特性
熱管是依靠自身內部工作液體相變來實現傳熱的傳熱元件，具有以 下基本特性。
(1) 很高的導熱性熱管內部主要靠工作液體的汽、液相變傳熱，熱 阻很小，因此具有很高的導熱能力。與銀、銅、鋁等金屬相比，單位 重量的熱管可多傳遞幾個數量級的熱量。當然，高導熱性也是相對而 言的，溫差總是存在的，可能違反熱力學第二定律，並且熱管的傳熱 能力受到各種因素的限制，存在著一些傳熱極限；熱管的軸嚮導熱性 很強，徑向並無太大的改善(徑向熱管除外)。
(2) 優良的等溫性熱管內腔的蒸汽是處於飽和狀態，飽和蒸汽的壓 力決定於飽和溫度，飽和蒸汽從蒸發段流向冷凝段所產生的壓降很小， 根據熱力學中的方程式可知，溫降亦很小，因而熱管具有優良的等溫 性。
(3) 熱流密度可變性熱管可以獨立改變蒸發段或冷卻段的加熱面
積，即以較小的加熱面積輸入熱量，而以較大的冷卻面積輸出熱量， 或者熱管可以較大的傳熱面積輸入熱量，而以較小的冷卻面積輸出熱 量，這樣即可以改變熱流密度，解決一些其他方法難以解決的傳熱難題。
(4) 熱流方向酌可逆性 一根水平放置的有芯熱管，由於其內部循環 動力是毛細力，因此任意一端受熱就可作為蒸發段，而另一端向外散 熱就成為冷凝段。此特點可用於宇宙飛船和人造衛星在空間的溫度展 平，也可用於先放熱後吸熱的化學反應器及其他裝置。
(5) 熱二極體與熱開關性能熱管可做成熱二極體或熱開關，所謂熱 二極體就是只允許熱流向一個方向流動，而不允許向相反的方向流動；
熱開關則是當熱源溫度高於某一溫度時，熱管開始工作，當熱源溫度 低於這一溫度時，熱管就不傳熱。
(6) 恆溫特性(可控熱管)普通熱管的各部分熱阻基本上不隨加熱量
的變化而變，因此當加熱量變化時，熱管備部分的溫度亦隨之變化。 但人們發展了另一種熱管一可變導熱管，使得冷凝段的熱阻隨加熱 量的增加而降低、隨加熱量的減少而增加，這樣可使熱管在加熱量大 幅度變化的情況下，蒸汽溫度變化極小，實現溫度的控制，這就是熱 管的恆溫特性。
(7) 環境的適應性熱管的形狀可隨熱源和冷源的條件而變化，熱管 可做成電機的轉軸、燃氣輪機的葉片、鑽頭、手術刀等等，熱管也可 做成分離式的，以適應長距離或衝熱流體不能混合的情況下的換熱； 熱管既可以用於地面(重力場)，也可用於空間(無重力場)。熱管的相容 性是指熱管在預期的設計壽命內，管內工作液體同殼體不發生顯著的 化學反應或物理變化，或有變化但不足以影響熱管的工作性能。相容 性在熱管的應用中具有重要的意義。只有長期相容性良好的熱管，才 能保證穩定的傳熱性能，長期的工作壽命及工業應用的可能性。碳鋼 一水熱管正是通過化學處理的方法，有效地解決了碳鋼與水的化學反 應問題，才使得碳鋼一水熱管這種高性能、長壽命、低成本的熱管得 以在工業中大規模推廣使用。
在自然界中，水總由高處流向低處，熱量也總是從高溫傳向低溫。 但人們可以用水泵把水從低處提升到高處，從而實現水由低處向高處 流動，熱泵同樣可以把熱量從低溫傳遞到高溫。所以熱泵實質上是一 種熱量提升裝置，熱泵的作用是從周圍環境中吸取熱量，並把它傳遞 給被加熱的對象(溫度較高的物體)，其工作原理與制冷機相同，都是 按照逆卡諾循環工作的，所不同的只是工作溫度範圍不一樣。
一臺壓縮式熱泵裝置，主要有蒸發器、壓縮機、冷凝器和膨脹閥 四部分組成，通過讓工質不斷完成蒸發(吸取環境中的熱量)—壓縮 —冷凝(放出熱量)—節流—再蒸發的熱力循環過程，從而將環境裡
的熱量轉移到水中。熱泵在工作時，把環境介質中貯存的能量QA在蒸
發器中加以吸收；它本身消耗一部分能量，即壓縮機耗電QB;通過工
質循環系統在冷凝器中進行放熱QC， QC=QA+QB，由此可以看出， 熱泵輸出的能量為壓縮機做的功QB和熱泵從環境中吸收的熱量QA;
因此，採用熱泵技術可以節約大量的電能。具體工作過程如下①過
熱液體媒體在蒸發器內吸收低溫物體的熱量，蒸發成氣態工質。②蒸 發器出來的氣態工質液壓縮機的壓縮，變為高溫高壓的氣態工質。③ 高溫高壓的氣態工質在冷凝器中將熱能釋放給高溫物體、同時自身變 為高壓液體媒體。④高壓液體媒體在膨脹閥中減壓，再變為過熱液體 媒體，進入蒸發器，循環最初的過程。
在很久以前，科學家就提出了熱泵的工作原理，為人類科學的使 用低溫熱能指出了方向，目前熱泵技術在世界上也已經有了許多方面 的應用，國內的應用主要在冷熱雙效空調產品中，即以室外空氣為熱 源對室內空氣進行加熱，以達到節能的目的，其系統加熱係數已經能
高達4倍。熱泵的名稱很形象的比喻它的原理即熱泵不是熱能的轉
換設備而是熱量的搬運設備，它是一臺"泵"，這個泵所搬運的介質不是
水、氣或油，而是"熱"。也因為這樣，它的"效率"不受能量轉換效率(100%為其極限)的制約。熱泵制熱的效率，受到逆向卡諾循環效率的制約，
其理論上的最高效率為(工作溫度+273.15) /高、低溫差，從這裡
可以看出，只要有效的降低工作溫差，就可以提高制熱效率。例如高
低工作溫差在20度時，系統的理論制熱係數就可以達到15倍以上。
制熱四個過程原理
(1) 壓縮過程
蒸發後的運行工質被吸入壓縮機，通過壓縮機的壓縮功能，將工 質壓縮成高壓高溫氣體，使其對於較低溫度的自來水易於放熱、液化。
(2) 冷凝過程
從壓縮機排出的高壓高溫工質被常溫的自來水吸收熱量而變成的 液態工質。
(3) 節流過程
把液化後的工質送入熱泵主機蒸發器之前，利用毛細管的壓力差， 使工質在保溫水箱的冷凝器內冷凝降壓，將它變成即使在低溫下也易 於蒸發的狀態。
(4) 蒸發過程
液態工質從周圍空氣中吸收熱量而不斷蒸發汽化，被吸收熱量後 的空氣變為"冷氣"。
熱泵熱水器是空調器的演變產品，在製冷系統中裝上電磁四通閥 (又稱換向閥)，通過四通閥的切換方向，改變製冷劑的流動方向，空 調器就能制熱。壓縮機排出的高溫高壓蒸汽狀的製冷劑流向保溫水箱 裡的冷凝器，將熱量傳給通過水箱的自來水，然後通過毛細管節流降 壓，在室外熱泵主組的蒸發器中蒸發吸熱，用工質吸收室外空氣中的 熱量。熱泵熱水器就是這樣吸收室外空氣中的熱量，向保溫水箱內自 來水傳遞，它比單純用電加熱器制熱更能省電、快速、安全，且室外 熱能潛力無限大。熱泵制熱時，如果熱泵主機換熱器的溫度太低，則
冷凝水會在熱泵主機換熱器上結霜，影響制熱效果，此時必須進入化 霜工況運行，熱泵主機換熱器放熱化霜，等結霜化去後重新開始制熱。
根據熱泵以及熱管的工作原理以及其性能參數可以得知，本發明 的空氣熱能通過轉換變成動能或電能在理論上是完全可以實現的。
上述實施例僅為本發明的較佳實施例之一，並非以此限制本發明 的保護範圍，故凡依本發明的形狀、結構、原理所做的等效變化， 均應涵蓋於本發明的保護範圍之內。
權利要求
1、一種利用空氣熱能轉化為動能和電能的裝置及其方法，其特徵在於包括工質、熱泵、與工質容器相通的汽輪機、與汽輪機相通的熱交換器，工質容器的進口與熱交換器的出口相通，在工質容器與熱交換器之間串聯一回流器，回流器的進口端與熱交換器的出口端相通並由電磁閥控制，回流器的出口端與工質容器的進口端相接通並由電磁閥控制，由熱泵與工質組成一蒸發端，由熱交換器組成一冷凝端，蒸發端、汽輪機和冷凝端以及回流器組成一個工質循環系統，汽輪機在工質循環系統中進行不間斷做功、輸出功率。
2、 根據權利要求1所述的利用空氣熱能轉化為動能和電能的裝 置及其方法，其特徵在於所述的工質循環系統與外界相密封隔絕。
3、 根據權利要求1所述的裝置利用空氣熱能轉化為動能和電能 的方法過程如下.-① 熱泵工作吸收流通空氣中的熱量、在蒸發端釋放出熱量，工質 吸收蒸發端中熱泵釋放出的熱量，工質吸熱升溫、蒸發成具有一定壓 力的氣態工質；② 蒸發端的氣態工質通過密封管道排出，排出的氣態工質推動汽輪機進行工作，汽輪機轉動轉換為動能和/或轉換為電能；③ 氣態工質在推動汽輪機轉動後排到冷凝端中，氣態工質通過冷 凝端中的熱交換器將熱能釋放到流通的空氣中，同時氣態工質降溫變 為液態；④ 變為液態的工質在熱交換器中通過自動控制的電磁閥流通到回 流器中；⑤ 工質在回流器中通過自動控制的電磁閥回流到蒸發端的工質容 器中。
全文摘要
本發明涉及能量轉化以及利用技術領域，特指一種利用空氣熱能轉化為動能和電能的裝置及其方法，其採用熱泵原理以及熱管原理充分吸收空氣中的熱量，把熱能轉化為動能或電能，在轉化過程過能量損失極少，空氣熱能利用率高，通過熱泵內部工質物理狀態的變化源源不斷的吸收空氣中的熱量，從而不斷的給汽輪機以動力，帶動汽輪機做功，以持續的給外界輸出能量。
文檔編號F01K11/02GK101344078SQ20081010705
公開日2009年1月14日 申請日期2008年9月2日 優先權日2008年9月2日
發明者應友正 申請人:應友正