CN103470399A - 容积式热机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种容积式热机，这种容积式热机具有效率高、结构简单、可以小型化等优点，本发明不仅从理论上找到了提高热机效率的方法，更提出了具体实施的方案，那就是采用容积式压缩机的结构来完成热机的膨胀压缩过程并向外输出动力，本发明的热机应用广泛，可用在汽车、太阳能等重要领域。

Description

容积式热机

技术领域

本发明涉及一种热机。

背景技术

目前的现有技术中，最接近卡诺热机的就是斯特林发动机了，其结构是往复活塞式。主要特点是能用各种能源，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，而发动机本身(除加热器外)不需要作任何更改。热气机实际循环效率较高，已接近柴油机，排气中有害成分较少，噪声较低。因燃料是在较多的过量空气下连续燃烧的，热气机无需气门机构，无爆炸燃烧，运行平稳振动小。但也存在制造成本较高气体密封技术较难，密封件的可靠性和寿命还存在问题，功率调节控制系统较复杂，机器较为笨重等缺点，因而并未获得广泛应用，特别是难于小型化，限止了其应用范围。广泛使用的汽轮机也因种种原因难于小型化。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种结构简单高效率且能小型化的热机。

众所周知，卡诺循环在理论上指出了提高热机效率的可靠途径，并由此奠定了热力学第二定律的基础。卡诺循环的效率为：

$\mathrm{\η}=1-\frac{T_2}{T_1}$

同时卡诺循环指出：卡诺循环的效率只与高、低温热源的温度有关，而与气体性质无关。提高效率的途径是提高高温热源的温度或降低低温热源的温度。而通常后一种办法是不经济的。这是教科书的经典提法，其实是有经济的方法来降低低温热源的温度的，那就是让气体充分膨胀，方法是增大绝热膨胀体积，这样既降低了低温热源的温度从而也提高了热机的效率。证明如下：

卡诺正循环由气体等温膨胀、气体绝热膨胀、气体等温压缩、气体绝热压缩四过程组成。

气体绝热膨胀，体积从V₂膨胀到V₃，对外界做正功，温度从T₁降至T₂：

$T_1{V}_2^{\mathrm{\γ}-1}=T_2{V}_3^{\mathrm{\γ}-1}$

$\frac{T_2}{T_1}=\frac{V_2^{\mathrm{\γ}-1}}{V_3^{\mathrm{\γ}-1}}{\left(\frac{V_2}{V_3}\right)}^{\mathrm{\γ}-1}$

将 $\frac{T_2}{T_1}={\left(\frac{V_2}{V_3}\right)}^{\mathrm{\γ}-1}$ 代入公式 $\mathrm{\η}=1-\frac{T_2}{T_1}$ 可得：

$\mathrm{\η}=1-{\left(\frac{V_2}{V_2}\right)}^{\mathrm{\γ}-1}$

设气体绝热膨胀后的体积V³是等温膨胀后的体积V₃的n倍即V₃=nV₃，则效率就是：

$\mathrm{\η}=1-{\left(\frac{1}{n}\right)}^{\mathrm{\γ}-1}$

n取一系列不同的值就可以计算出相应的效率了，这里γ用理想气体的理论值，下表是一些计算结果：

表中的效率用百分比表示，n值越大即绝热膨胀的体积越大效率就越高，n等于8时其效率已经基本超过所有现有的动力装置了。当然并不是绝热膨胀的体积越大就越好，而是要综合考虑热源大小气体能达到的最高压力、温度及设备制造难度等因素来作出最适当的选择。同时也表明气体的充分膨胀是提高热机效率的关键所在。

这种能使气体充分膨胀的热机很容易设计和制造，因为卡诺热机循环是由两个膨胀和两个压缩构成，表现在对设备的要求就是要有容积可变的封闭腔体来进行这个循环过程，当封闭腔体容积变大可实现气体的膨胀，当封闭腔体容积变小可对气体进行压缩，一般的容积式压缩机的结构正好能满足这个要求，其进气时体积变大其压缩时体积缩小。因此简单的用一个容积式压缩机机构或两个容积式压缩机机构串连就可构成一台本发明的热机，为后面叙述方便，把容积式压缩机机构简称为容积式机构。由于容积式压缩机有多种结构，因而本机也可以有同容积式压缩机一样多的结构。并取名容积式热机，这种容积式热机能较容易的实现，且具有简单高效体积小的优势。具体作法参见本发明的实施例。

附图说明

下面结合附图和具体实施方案作进一步详细的说明。

图1是本机(往复活塞式)的结构示意图，图2为介绍本机(往复活塞式)工作原理的示意图，图3是本机(往复活塞式)的p-V图，图4是本机(往复活塞式)双缸串联示意图，图5是本机(滚动转子式)的结构示意图，图6是本机(滚动转子式)的工作原理图，图7是本机(滚动转子式)双缸串联示意图。

具体实施方式

如图1所示，本机(单缸往复活塞式)机体由气缸体7和曲轴箱9及缸盖4组成，气缸体中装有活塞6，曲轴箱中装有曲轴11，通过连杆8将曲轴和活塞连接起来，进气管2尾部装有进气阀10，回气管3端部装有单向阀5，气缸通过其顶部的进、回气管与气罐1相连，热源12可对气罐内的气体进行持续加热。当气体被加热到设定的温度压力时，开启进气阀气体进入气缸推动活塞向下运动，通过连杆、曲轴的传动，活塞在气缸内作上、下往复运动，并在进气阀和单向阀的配合下，连续不断地完成气体的膨胀压缩过程同时通过曲轴对外输出动力，这里假定气罐的容积比气缸容积大的多，因而可忽略气缸容积的变化对系统内气体压力的影响。

下面结合图2来说明本机的工作原理，如图2所示本机的工作循环可以分为四个过程：

1.气体等温膨胀

当活塞处于最上端位置1-1(上止点)时，开启进气阀，来自气罐且被加热到一定温度压力的气体从进气管进入气缸，气体在气缸内膨胀推动活塞向下运动，气体对活塞做功并从热源吸收热量，当活塞运行到2-2时，进气阀关闭，气体在气缸从1-1下降到2-2期间压力略有下降，温度保持不变，把这一过程称为等温膨胀。

2.气体绝热膨胀

进气阀关闭后，被封闭在气缸内的气体继续膨胀，对活塞做功，推动活塞下行至3-3(下止点)，气体温度下降，由于气体和外界隔绝且活塞快速下行，气缸从2-2下降至3-3的过程称为绝热膨胀。

3.气体等温压缩

在活塞到达3-3(下止点)后，在活塞曲轴连杆机构的惯性作用下，活塞向上运动至4-4，活塞压缩气体并对气体做功，气体压力升高并对外放热，这过程称为气体等温压缩。

4.气体等压压缩

当活塞运动到4-4位置，此时气体压力略高于回气管内气体的压力，单向阀开启，气体被压入回气管，这一过程气体压力基本不变，活塞对气体做功，当活塞回到1-1位置时一个循环结束，活塞从4-4位置上升至1-1位置的过程称为气体等压压缩。

完成上述四个过程后，活塞回到上止点，进气阀打开又开始下一轮工作循环，从而能将热源的热能连续不断的转换成机械能。

根据前面的计算要想获得较高的效率，绝热膨胀后的体积对等温膨胀后的体积的比率越大越好，在本机也就是活塞总行程和活塞从1-1至2-2行程的比值，这个比值至少要在2以上。

图3是本机气缸内气体循环的p-V图，沿1-1→2-2→3-3→4-4→1-1这样一周完成一个循环。在整个循环中气体对外做的正功等于2-2、3-3、4-4所包围的面积。可以看出这个图和卡诺循环的p-V图有区别，这是因为实际的热机不可能严格符合卡诺循环，只要基本符合即可。

单缸的本机在实际应用中会有局限，本机也可以做成双缸串联结构。图4是本机双缸的示意图，实际布置是双缸共用曲轴及曲轴箱，两个曲柄相位相差180°以保证两缸内的活塞一个在上止点另一个就在下止点，两缸的大小不同，大缸的容积至少是小缸容积的2倍以上，用一根转移管14连接两个气缸，连接管一端装有阀门13。

本机双缸是这样工作的：小缸活塞从上止点运动到下止点完成气体的等温膨胀；而当小缸活塞从下止点向上运动时开启阀门13，同时大缸活塞从上止点向下运动，气体通过转移管14流向大缸，这一过程气体体积是在膨胀的，因此当大缸活塞从上止点运动到下止点就完成了气体的绝热膨胀，气体也就从小缸完全转移到大缸，此时关闭阀门13；而当大缸活塞再从下止点向上运动，气体被压缩，当缸内气体压力略超过回气管内气体的压力，单向阀开启，气体被压入回气管，直到大缸活塞到达上止点，这一过程相当于完成了气体的等温压缩和等压压缩过程。

如果双缸机功率不能满足要求，可将多个双缸机组合使用。

图5是本机(滚动转子式)主要结构示意图，本机主要由气缸21、滚动转子22、曲轴23、滑片24、弹簧25和两侧端盖组成，还包括气罐、进气管、进气阀、回气管、单向阀。滚动转子装在曲轴上，转子沿气缸内壁滚动，与气缸间形成一个月牙形的工作腔，它的两端由气缸盖封着，构成本机的工作腔。滑片靠弹簧的作用力使其端部与转子紧密接触，将月牙形的工作腔分隔为两部分，与进气管相联的部分称为膨胀腔，而另一侧称为压缩腔。滑片随转子的滚动沿滑片槽作往复运动。本机是这样工作的，当滚动转子反时针转过进气管口时，开启进气阀已被热源加热的高压气体进入膨胀腔，推动转子反时针旋转，转到一定位置，关闭进气阀，这个过程就是等温膨胀，假设此时气体所充满的容积是a，而气缸的最大容积为b，则b至少要比a大2倍。当进气阀关闭后，进入气缸的气体继续膨胀，推动转子转动，这个过程称为绝热膨胀，直到气体膨胀到气缸的最大容积，膨胀结束。转子在惯性的作用下继续转动，气缸内的气体被压缩，当被压缩气体压力略高于回气管内气体压力时，单向阀开启，气体被压入回气管，继续转动直到气体全部压入回气管，这一过程就是等温压缩和等压压缩。本机这四个过程连续不断进行，因而可以持续将热能转换为机械能。

图6选取了本机(滚动转子式)转子五个不同位置来说明其工作原理图。

本机(滚动转子式)也可像往复活塞式一样两缸串联起来工作，图7是本机(滚动转子式)双缸的示意图，实际布置是双缸共用一根曲轴，两个转子相位相同，两缸必须一大一小，图7中左缸为小缸，右缸为大缸，大缸最大容积是小缸最大容积的2倍以上，进气管连小缸的膨胀腔，回气管连大缸的压缩腔，小缸的压缩腔和大缸的膨胀腔之间用一根转移管连接。

本机(滚动转子式)双缸是这样工作的：小缸膨胀腔完成气体等温膨胀，小缸压缩腔和大缸膨胀腔共同完成气体的绝热膨胀，气体从小缸经转移管流向大缸，大缸的压缩腔完成气体的等温压缩和等压压缩。

通过上面两个实施例可以总结出所有容积式热机的工作原理，余下容积式机构的热机可根据此原理来做具体实施方案。

本机(单容积式机构)工作原理：本机封闭容积增大的全过程用来进行气体的等温膨胀和绝热膨胀，要求绝热膨胀完成后的体积是等温膨胀完成后的体积的2倍以上，本机封闭容积变小的过程用来完成气体的等温压缩和等压压缩。

本机(双容积式机构)工作原理：本机由一小一大两个结构相同的容积式机构串联而成，大容积式机构的容积是小容积式机构容积的2倍以上，小容积式机构封闭容积增大的过程用来进行气体的等温膨胀，小容积式机构封闭容积变小的过程和大容积式机构封闭容积增大的过程共同来完成气体的绝热膨胀，气体通过转移管从小容积式机构转移到大容积式机构，大容积式机构封闭容积变小的过程用来完成气体的等温压缩和等压压缩。

本机(螺杆式)实施方案略。

本机(涡旋式)实施方案略。

本机(滑片式)实施方案略。

本机(旋叶式)实施方案略。

本机(摆动转子式)实施方案略。

当本机气体使用水蒸汽时，由于水蒸汽不适宜压缩，当进行完等温膨胀和绝热膨胀后，就不在对其进行压缩，直接将其排出冷凝回收循环使用，和热电厂对乏汽的处理相似。

本机对热源没有特殊要求，各种热源都能利用。

Claims (9)

1.本发明涉及一种容积式热机，包括气罐、进气管、回气管、阀门、一个或两容积式机构；其特征在于：被加热到一定温度和压力的气体能连续在容积式机构中完成气体的等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩、等压压缩过程，可持续将热能转换成机械能，气体绝热膨胀后的体积是气体等温膨胀后的体积的2倍以上。

2.如权利要求1所述的容积式热机，其特征在于：所用气体是水蒸汽，在完成水蒸汽的等温膨胀和绝热膨胀过程后，不再对其压缩，将其直接排出。

3.如权利要求1所述的容积式热机，其特征在于：容积式机构是往复活塞式。

4.如权利要求1所述的容积式热机，其特征在于：容积式机构是滚动转子式。

5.如权利要求1所述的容积式热机，其特征在于：容积式机构是螺杆式。

6.如权利要求1所述的容积式热机，其特征在于：容积式机构是滑片式。

7.如权利要求1所述的容积式热机，其特征在于：容积式机构是旋叶式。

8.如权利要求1所述的容积式热机，其特征在于：容积式机构是涡旋式。

9.如权利要求1所述的容积式热机，其特征在于：容积式机构是摆动转子式。

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