CN103925112B - 一种直列式热能动力设备及其做功方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直列式热能动力设备及其做功方法，包括集热器、保温管、雾化器、气化反应器、气缸、活塞、活塞环、自动排气阀、机架、保温层、储液罐、冷却器I、冷却器II、为压力阀I、压力阀II、曲轴、飞轮、连杆和转动轴；机架上直列设置四个并列的气缸；四个气缸内分别设有活塞，活塞上设有活塞环。本发明具有工质循环使用，无污染；热能转换效率65%-98%；能根据所需功率调整机器气缸容量调整输出功率；在最达功率范围内能调整注液调整输出功率；该设备是对工质进行气化做功整个过程不产生爆震；机器重心低，结构简单，制造成本低；做功功率是单缸做功功率的四倍；能替代常规能源消耗，经济效益高，节能环保，噪音小。

Description

一种直列式热能动力设备及其做功方法

技术领域

本发明属于热能动力设备领域，尤其是利用太阳能、地热、可燃物燃烧产生的高温气体、内燃机热能或尾气、工厂排出的高温气体等热能转换成动能的动力机器。

背景技术

传统的动力设备有蒸汽机、内燃机、外燃机。

蒸汽机：离不开锅炉，整个装置既笨重又庞大；新蒸汽的压力和温度不能过高，排气压力不能过低，热效率难以提高；它是一种往复式机器，惯性限制了转速的提高；工作过程是不连续的，蒸汽的流量受到限制，也就限制了功率的提高。

内燃机：结构复杂，对燃料要求较高，对燃料的洁净度要求严格，对环境污染。

外燃机，如斯特林发动机是其中一种，斯特林发动机与内燃机比较具备以下优点：

适用于各种能源，无论是液态的、气态的或固态的燃料，当采用载热系统(如热管)间接加热时，几乎可以使用任何高温热源(太阳能放射性同位素和核反应等)，而发动机本身(除加热器外)不需要作任何更改。同时斯特林发动机无需压缩机增压，使用一般风机即可满足要求，并允许燃料具有较高的杂质含量；斯特林发动机单机容量小，机组容量从20－50kw，可以因地制宜的增减系统容量；结构简单，零件数比内燃机少40%，降价空间大；维护成本低。

斯特林发动机在运行时，由于燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，独立于燃气的工质通过加热器吸热，并按斯特林循环对外做功，因此避免了类似内燃机的爆震做功和间歇燃烧过程，从而实现了高效、低噪和低排放运行。高效：总能效率达到80%以上；低噪：1米处裸机噪音底于68dBA；低排放：尾气排放达到欧5标准。

由于工质不燃烧，外燃机避免了传统内燃机的震爆做功问题，从而实现了高效率、低噪音、低污染和低运行成本。外燃机可以燃烧各种可燃气体，如：天然气、沼气、石油气、氢气、煤气等，也可燃烧柴油、液化石油气等液体燃料，还可以燃烧木材，以及利用太阳能等。只要热腔达到700℃，设备即可做功运行，环境温度越低，发电效率越高。外燃机最大的优点是出力和效率不受海拔高度影响，非常适合于高海拔地区使用。

同时斯特林发动机尚存在的主要问题和缺点是：制造成本较高，工质密封技术较难，密封件的可靠性和寿命还存在问题，材料成本高，功率调节控制系统较复杂，机器较为笨重；膨胀室、压缩室、加热器、冷却室、再生器等的成本高，热量损失是内燃发动机的2-3倍等。

有机朗肯循环系统包括泵、蒸发器、膨胀机、发电机、冷凝器等。集热器吸收太阳辐照，集热器内换热介质温度升高，换热介质通过蒸发器把热量传给有机工质。有机工质在蒸发器中定压加热，高压的气态有机工质进入膨胀机膨胀做功，带动发电机发电；膨胀机尾部排出的有机工质进入冷凝器中定压冷凝，冷凝器出口的有机工质经过泵加压后进入蒸发器完成一次发电循环。

有机朗肯循环系统存在转换效率不高，体积大，需要借助结构复杂的膨胀机做功。

直列式发动机尺寸紧凑，稳定性高，低速扭矩特性好并且燃料消耗也较少，由此而来的是制造成本也较低，同时采用直列式气缸布局的发动机体积也比较紧凑，可以适应更灵活的布局。也方便于布置增压器类的装置。主要缺点在于发动机本身的功率较低，并不适合配备6缸以上的汽车。

发明内容

本发明克服了存在的膨胀室、压缩室、加热器、冷却室、再生器等的成本高，热量损失是内燃发动机的2-3倍等问题；克服了有机朗肯循环系统需要膨胀机或汽轮机，制造成本高的技术难题；克服了内燃机水平对置发动机结构较为复杂、机油容易外泄、制造成本高的问题。本发明提出的直列式热能动力设备是利用现有直列式发动机结构，结合斯特林发动机、有机朗肯循环系统和内燃机直列式发动机优点的热动力设备。由集热器把热能吸收后对气化反应器进行加热，使工质高温气化彭胀推动活塞产生动能做功。 

本发明提供了一种热能转换效率高、工质能循环使用、最大功率范围内能调整工质数量来调整输出功率、能通过调整温度进行调整输出功率、机器输出功率平稳的热能动力设备。

本发明采用的技术方案是：一种直列式热能动力设备，包括集热器、保温管、雾化器、气化反应器、气缸、活塞、活塞环、自动排气阀、机架、保温层、储液罐、冷却器I、冷却器II、为压力阀I、压力阀II、曲轴、飞轮、连杆和转动轴；机架上直列设置四个并列的气缸；四个气缸内分别设有活塞，活塞上设有活塞环；活塞连接连杆，连杆连接曲轴，曲轴连接转动轴，转动轴通过轴承固定在机架上，转动轴连接飞轮；集热器通过保温管连接气化反应器，气化反应器进气端设有雾化器，雾化器通过管道连接压力阀I和压力阀II，压力阀I和压力阀II通过管道连接储液罐；气化反应器设置在气缸的上止点；气缸的下止点设有自动排气阀，自动排气阀通过管道连接冷却器I和冷却器II，冷却器I和冷却器II通过管道连接储液罐；气缸外层设有保温层。

进一步，所述集热器能吸收太阳能、地热、可燃物燃烧产生的高温气体、内燃机尾气、工厂排出的高温气体等热能。

进一步，所述气化反应器包括压力壳、气化导热片、气孔、雾化器，气化导热片设置在压力壳上，气化导热片上阵列设有气孔，压力壳进气端设有雾化器。

进一步，所述压力阀I和压力阀II关联曲轴，每完成一次循环压力阀开启关闭一次。

上述直列式热能动力设备做功的方法是：集热器吸收太阳能、地热、可燃物燃烧产生的高温气体、内燃机热能或尾气、工厂排出的高温气体等热能直接或者通过管道传递热量给气化反应器，管道内设有流动的导热介质；液体工质通过压力阀I和压力阀II注入到雾化器进行雾化，气化反应器对雾化的工质进行气化膨胀；活塞到达气缸的下止点时，做功气体通过自动排气阀排出，排出的气态工质通过冷却器I和冷却器II冷却，此时另一对活塞到达气缸的上止点，此对气缸的压力阀I打开，液体工质通过雾化器注入到气化反应器内气化膨胀推动活塞做功；压力阀I和压力阀II轮流开启关闭，四个气缸内的活塞轮流做功带动转动轴旋转，转动轴带动飞轮把动能输出。

本发明的优点是：1.工质循环使用，无污染；2.热能转换效率65%-98%；3.能根据所需功率调整机器气缸容量，达到调整输出功率；4.在最达功率范围内能调整注液，达到调整输出功率；5.该设备是对工质进行气化做功，整个过程不产生爆震；6.机器重心低，结构简单，制造成本低，利用自动排气功能，减少能量损耗；7.做功功率是单缸做功功率的四倍；8．能替代常规能源消耗，经济效益高，节能环保，噪音小。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明气化反应器结构示意图；

图中：1为集热器；2为保温管；3为雾化器；4为气化反应器；5为气缸；6为活塞；7为活塞环；8为自动排气阀；9为机架；10为保温层；11为储液罐；12为冷却器I；13为冷却器II；14为压力阀I；15为压力阀II；16为曲轴；17为飞轮；18为连杆；19为压力壳；20为气化导热片；21为气孔。

具体实施方式

参照附图，本发明的实施方式是：

实施例1

一种直列式热能动力设备，包括集热器1、保温管2、雾化器3、气化反应器4、气缸5、活塞6、活塞环7、自动排气阀8、机架9、保温层10、储液罐11、冷却器I12、冷却器II13、为压力阀I14、压力阀II15、曲轴16、飞轮17、连杆18和转动轴19；机架9上直列设置四个并列的气缸5；四个气缸5内分别设有活塞6，活塞6上设有活塞环7；活塞6连接连杆18，连杆18连接曲轴16，曲轴16连接转动轴19，转动轴19通过轴承固定在机架9上，转动轴19连接飞轮17；集热器1通过保温管2连接气化反应器4，气化反应器4进气端设有雾化器3，雾化器3通过管道连接压力阀I14和压力阀II15，压力阀I14和压力阀II15通过管道连接储液罐11；气化反应器4设置在气缸5的上止点；气缸5的下止点设有自动排气阀8，自动排气阀8通过管道连接冷却器I12和冷却器II13，冷却器I12和冷却器II13通过管道连接储液罐11；气缸5外层设有保温层10。

实施例2

如实施例1中的直列式热能动力设备，所述气化反应器4包括压力壳19、气化导热片20、气孔21、雾化器3，气化导热片20设置在压力壳19上，气化导热片20上阵列设有气孔21，压力壳19进气端设有雾化器3；所述压力阀I14和压力阀II15关联转动轴，每完成一次循环压力阀开启关闭一次。

Claims (4)

1.一种直列式热能动力设备，其特征是包括集热器（1）、保温管（2）、雾化器（3）、气化反应器（4）、气缸（5）、活塞（6）、活塞环（7）、自动排气阀（8）、机架（9）、保温层（10）、储液罐（11）、冷却器I（12）、冷却器II（13）、为压力阀I（14）、压力阀II（15）、曲轴（16）、飞轮（17）、连杆（18）和转动轴（19）；机架（9）上直列设置四个并列的气缸（5）；四个气缸（5）内分别设有活塞（6），活塞（6）上设有活塞环（7）；活塞（6）连接连杆（18），连杆（18）连接曲轴（16），曲轴（16）连接转动轴（19），转动轴（19）通过轴承固定在机架（9）上，转动轴（19）连接飞轮（17）；集热器通过保温管（2）连接气化反应器（4），气化反应器（4）进气端设有雾化器（3），雾化器（3）通过管道连接压力阀I（14）和压力阀II（15），压力阀I（14）和压力阀II（15）通过管道连接储液罐（11）；气化反应器（4）设置在气缸（5）的上止点；气缸（5）的下止点设有自动排气阀（8），自动排气阀（8）通过管道连接冷却器I（12）和冷却器II（13），冷却器I（12）和冷却器II（13）通过管道连接储液罐（11）；气缸（5）外层设有保温层（10）；所述气化反应器（4）包括压力壳（19）、气化导热片（20）、气孔（21）、雾化器（3），气化导热片（20）设置在压力壳（19）上，气化导热片（20）上阵列设有气孔（21），压力壳（19）进气端设有雾化器（3）。

2.如权利要求1所述直列式热能动力设备，其特征是，所述压力阀I（14）和压力阀II（14）关联曲轴（16），每完成一次循环压力阀开启关闭一次。

3.如权利要求1所述直列式热能动力设备，其特征是，所述集热器（1）能吸收太阳能、地热、可燃物燃烧产生的高温气体、内燃机尾气、工厂排出的高温气体。

4.如权利要求1-3任一项所述直列式热能动力设备做功的方法是：集热器吸收太阳能、地热、可燃物燃烧产生的高温气体、内燃机热能或尾气、工厂排出的高温气体等热能直接或者通过管道传递热量给气化反应器，管道内设有流动的导热介质；液体工质通过压力阀I和压力阀II注入到雾化器进行雾化，气化反应器对雾化的工质进行气化膨胀；活塞到达气缸的下止点时，做功气体通过自动排气阀排出，排出的气态工质通过冷却器I和冷却器II冷却，此时另一对活塞到达气缸的上止点，此对气缸的压力阀I打开，液体工质通过雾化器注入到气化反应器内气化膨胀推动活塞做功；压力阀I和压力阀II轮流开启关闭，四个气缸内的活塞轮流做功带动转动轴旋转，转动轴带动飞轮把动能输出。