專利名稱：一種可輸出機械能的熱源空調機的制作方法
技術領域：
本發明涉及能量轉換學領域，特別是一種利用臨界點低的工質液/氣轉化的特點 進行機械能輸出的熱源空調機。
背景技術：
能源緊張已成為社會經濟發展的制約因素，為此人們在不斷探索、研發新的能源 利用方式及裝備。低溫熱能轉換技術已受到人們的重視，但還停留在理論階段。乙烯C2H2的臨界溫度是9. 5°C ；甲烷的臨界溫度是_84°C ；—氧化氮的臨界溫度 是_94°C、氟利昂R-14的臨界溫度是_45°C、氪的臨界溫度是_62°C，乙烯C2H2、甲烷、一氧化 氮、氟利昂R-14、氪之類的工質具有在低溫狀態可以液/氣轉化的特點，氣化后體積會發生 迅速膨脹，這部分能量可以用來做功，且這些工質具有原料易得、消耗少、使用費用低、環保 的特點，因此如何利用這些工質的液/氣轉化特點進行能量轉化做功發電或直接作為動力 使用，是一個新的能源課題。
發明內容
本發明的目的在于針對上述存在的問題和不足，提供一種利用臨界點低的工質液 化/氣轉化的特點進行機械能輸出且可循環作業的熱源空調機。本發明的技術方案如下一種可輸出機械能的熱源空調機，包括前轉換閥、后轉換閥及激發罐，其中，前轉換閥輸入端A閥口連接熱水，輸入端B 閥口連接冷水，激發罐為外設保溫層，內設換熱器的罐體式結構，上部分充入低臨界點的工 質，下部分注入與工質不相溶的物質，比如油或水，換熱器內通水，換熱器的輸入端與前轉 換閥連接，換熱器的輸出端與后轉換閥連接；一支架及裝載在支架上的驅動油缸，驅動油缸通過管道與激發罐的下端連通，驅 動油缸活塞桿的一端連接齒條，齒條的另一端連接復位油缸，復位油缸的負載為高壓氣體 罐，高壓氣體罐的下部和復位油缸以及連接管道注入液壓油，高壓氣體罐內充入其壓力大 于充入激發罐的工質的臨界壓力的氮氣或空氣；齒條的下部設有鎖止機構，齒條的上部與單向齒輪相嚙合，單向齒輪的傳動軸上 安裝有飛輪，飛輪由齒條帶動旋轉輸出機械能。鎖止機構包括裝置在支架上并與驅動油缸內腔管連通的微型油缸、設置在齒條背 面的凹槽及設置在凹槽內的彈簧與鎖塊、設置在支架上的橫梁，微型油缸的活塞桿頂部加 滾柱頂在鎖塊的下部，當鎖塊鎖在橫梁上，工質在冷卻水的作用下全部液化，通過前轉換閥 將換熱器里的冷卻水換成熱水，激發工質氣化，推動微型油缸的活塞桿運行，從而將鎖塊頂 入凹槽內，解除橫梁和鎖塊的聯合鎖止，齒條下行做功，臨近上止點時，換熱器內熱水切換 成冷卻水，在高壓氣體罐、復位油缸的共同作用下，齒條回位至上止點，鎖塊越過橫梁在彈 簧的作用下頂出，卡在橫梁上，鎖止齒條。
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前轉換閥輸入端A閥口連接的熱水來源于利用太陽能或火力熱能或工業冷卻用 水作為熱源的集熱器，前轉換閥輸入端B閥口連接的冷水來源于制冷機。后轉換閥的閥口 Bl輸出冷卻水至制冷機后再次流向換熱器，后轉換閥的閥口 Al 與冷源換熱器連接，作為冷源使用，吸收空氣中的部分熱量后，直接流向集熱器循環，或被 用于制冷機的冷凝冷卻水后再流向集熱器循環。本發明由于采用以上的結構形式，有效地利用低臨界點工質液/氣轉化過程能量 轉換的特點做功，輸出機械能，同時在一個激發罐內低臨界點工質液/氣——氣/液相互轉 化，循環利用，節省成本，降低消耗，環保高效；再次本發明利用集熱器采集稍高溫度的熱源 來提升激發罐內低臨界點工質溫度升高至臨界點，從換熱器排出的冷水至制冷機后再次流 向換熱器，從換熱器排出的熱水與冷源換熱器連接，作為冷源使用，吸收空氣中的部分熱量 后，直接流向集熱器循環，或被用于制冷機的冷凝冷卻水后再流向集熱器循環。下面結合附圖對本發明作進一步的說明。
圖1為本發明的結構示意圖；圖2為本發明的第二種結構示意圖；圖3為本發明的激發罐剖視圖；圖4為本發明的激發罐的第二種剖視圖；圖5為本發明的鎖止機構示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發明為一種可輸出機械能的熱源空調機，包括依序連接的集熱器 12、貯熱罐13、水泵11、前轉換閥3和激發罐1、后轉換閥18及另一依序連接的支路制冷機 20、冷水罐15、水泵14、前轉換閥3，其中，集熱器12為利用太陽能或火力熱能或工業冷卻 用水作為熱源的集熱器，前轉換閥3輸入端A閥口與水泵11的輸出端連接，輸入端B閥口 連接水泵14的輸出端，激發罐1為外設保溫層，內設換熱器2的罐體式結構，上部分充入低 臨界點的工質，下部分注入與工質不相溶的物質，比如油或水，如圖3、4所示，工質為乙烯 時，激發罐1下部分注入水，換熱器2內通水，換熱器2的輸入端與前轉換閥3連接，換熱器 2的輸出端與后轉換閥18連接；從后轉換閥18流出的冷水經制冷機20、冷水罐15后再次 流向換熱器2。從后轉換閥18流出的熱水經冷源換熱器31，流向集熱器12循環。如圖2 所示，從后轉換閥18流出的熱水經冷源換熱器31、制冷機32后，流向集熱器12循環。一支架21及裝載在支架21上的驅動油缸4，驅動油缸4通過管道與激發罐1的下 端連通，油缸4的活塞桿的一端連接齒條5，齒條5的另一端連接復位油缸6，復位油缸6的 負載為高壓氣體罐10，高壓氣體罐10的下部和復位油缸6以及連接管道注入液壓油，高壓 氣體罐10內充入其壓力大于充入激發罐1的工質的臨界壓力的氮氣或空氣；齒條5的下端設有壓輪17，齒條5的上部與單向齒輪16相嚙合，單向齒輪16的 傳動軸上安裝有飛輪19，飛輪19由齒條5帶動旋轉輸出機械能。齒條5的下部設有鎖止 機構7，如圖5所示，包括裝置在支架21上并與驅動油缸4內腔管連通的微型油缸71、設置 在齒條5背面的凹槽72及設置在凹槽72內的彈簧73與鎖塊74、設置在支架21上的橫梁
475，微型油缸71的活塞桿頂部加滾柱頂在鎖塊的下部，當鎖塊74鎖在橫梁75上，工質在冷 卻水的作用下液化，通過前轉換閥3將換熱器里的冷卻水換成熱水，激發工質氣化，推動微 型油缸71的活塞桿運行，從而將鎖塊74頂入凹槽72內，解除橫梁75和鎖塊74的聯合鎖 止，齒條5下行做功，臨近上止點時，換熱器2內熱水切換成冷卻水，在高壓氣體罐10、復位 油缸6的共同作用下，齒條5回位至上止點，鎖塊74越過橫梁75在彈簧73的作用下頂出， 卡在橫梁75上，鎖止齒條5。鎖止形式可以有多種，如有摩擦片、阻力油缸等。根據實際需要，可使用多套激發罐、驅動油缸、復位油缸共用一個高壓氣體罐，一 個主旋轉軸運行。對于使用2個激發罐、兩套驅動油缸、兩套復位油缸共用一個高壓氣體罐，一個主 旋轉軸運行時，由于互補180°，復位油缸功耗最小。在驅動油缸4與激發罐1之間及復位油缸6與高壓氣體罐10之間安裝維修閥，便 于維修。針對激發罐1內上部注入的工質不同，下部通入的物質隨之不同，如激發罐1上部 注入R14，激發罐1下部與換熱器2內通入的是65%或以上的乙二醇，激發罐1上部注入甲 烷，激發罐1下部與換熱器2內通入的是二氯甲烷。本發明的工作原理是這樣實現的(以乙烯為例)首先激發罐1的下部和連接驅動油缸4的管道以及驅動油缸4都預先注入水，高 壓氣體罐10的下部和復位油缸6以及連接管道都注入液壓油，高壓氣體罐10內充入氮氣 或空氣，其壓力比乙烯的臨界壓力稍大，這時驅動油缸4與復位油缸6的大小相當，也可以 根據油缸截面積和壓力的關系作出調整，實際應用時，高壓氣體罐10的體積要足夠大，在 驅動油缸4做功推動復位油缸6時，高壓氣體罐10的壓力不能上升太大。例如激發罐1 內液態乙烯充滿時的體積為2升時，驅動油缸4和復位油缸6的行程容積都是1升，高壓氣 體罐10的體積約為15升或15升以上。確定在鎖止機構7鎖止齒條5的情況下，向激發罐1內注滿低臨界點工質乙烯，向 換熱器2通入冷卻水，冷卻激發罐1內乙烯，使乙烯在略低于臨界溫度的狀態下以液態的形 式充滿激發罐1。向換熱器2通入熱水，用水泵11把從集熱器12收集太陽能獲得的熱水從貯熱罐 13抽入換熱器2加熱激發罐1內的液態乙烯，當乙烯超過臨界溫度9. 5°C時，乙烯由液態變 成氣態，壓力迅速由臨界壓力52. 4kg/cm2上升至86. 68kg/cm2 (由實驗室測得)，激發罐1內 的高壓氣體推動微型油缸71活塞運行，當微型油缸71內壓力大于85kg/cm2時，微型油缸 71活塞桿將克服彈簧73及微型油缸71的復位彈簧的阻力，將鎖塊74頂入齒條5內的凹 槽72中，從而解除鎖止，齒條5由驅動油缸4活塞推動向前運動，帶動齒輪16轉動通過單 向齒輪帶動傳動軸、帶動飛輪19轉動，輸出機械能。 當驅動油缸4做功行程接近終了時，前轉換閥3的閥口 A關閉，另一個閥口 B打開， 后轉換閥18的閥口 Bl關閉，另一個閥口 Al打開，這時在換熱器2內的熱水因為激發工質 做功后溫度下降。通過實際情況，控制輸入換熱器2熱水流出的溫度，大致在9. 5°C左右，這 部分降溫后的水在向換熱器2注入冷水的作用下被排到冷源換熱器31、制冷機32后，在吸 收熱量后，將再次流向換熱器2作下一次循環。齒條5在復位油缸6和換熱器2內冷卻水 的共同作用下，驅動油缸4活塞被壓回上止點，鎖塊74越過橫梁75在彈簧73的作用下頂
5出，鎖止齒條5。接著前轉換閥3閥口 A打開，另一個閥口 B關閉，后轉換閥18閥口 Bl打開，另一 個閥口 Al關閉，換熱器2內通入熱水，冷卻水被排出至制冷機冷卻，作下一次的冷卻循環。本發明的數據(以液態乙烯為例)激發罐1體積為2. 1升，驅動油缸4和復位油缸6的行程容積為1升，驅動油缸4 截面面積為100cm2，由實驗測出，激發罐1內乙烯超過臨界點由液態變成氣態時，壓強由臨 界壓力52. 4kg/cm2上升到8. 5mpa(86. 68kg/cm2)，高壓氣體罐10內氣體體積為15升，高壓 氣體罐10最低氣壓為54kg/cm2，當做功行程終了時，激發罐1的氣壓上升為58. 7kg/cm2,高 壓氣體罐10的氣壓上升為57. 8kg/cm2。做功平均壓力(86.68+58. 7) /2 = 72. 69kg/cm2，復位油缸功耗平均壓力(57. 8+54) /2 = 55. 9kg/cm2，獲得功所得的平均壓力72· 69-55. 9 = 16. 79kg/cm2，單次獲得功16.79kg/cm2*100*9. 8*0. 1 = 1645. 42 焦耳。以上是理想狀態下計算得出的結果，從結果可知，液態乙烯的量越大，獲得單次功 越大，由于制冷系數大于1，大約4到5，1千瓦的功率每小時約產生5000千卡/小時的冷 量，又由于越接近臨界溫度時，乙烯液化所需的冷量越趨近于零，故此控制好做功行程終了 時激發罐1內的溫度，即可節約冷量。由此可知，本太陽能空調機除去帶動制冷機的功外， 會有部分機械功輸出。上述實施例為本發明的實施例，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制， 其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為 等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
一種可輸出機械能的熱源空調機，其特征在于包括前轉換閥(3)、后轉換閥(18)及激發罐(1)，其中，前轉換閥(3)輸入端A閥口連接熱水，輸入端B閥口連接冷水，激發罐(1)為外設保溫層，內設換熱器(2)的罐體式結構，上部分充入低臨界點的工質，下部分注入與工質不相溶的物質，換熱器(2)內通水，換熱器(2)的輸入端與前轉換閥(3)連接，換熱器(2)的輸出端與后轉換閥(18)連接；一支架(21)及裝載在支架(21)上的驅動油缸(4)，驅動油缸(4)通過管道與激發罐(1)的下端連通，油缸(4)活塞桿的一端連接齒條(5)，齒條(5)的另一端連接復位油缸(6)，復位油缸(6)的負載為高壓氣體罐(10)，高壓氣體罐(10)的下部和復位油缸(6)以及連接管道注入液壓油，高壓氣體罐(10)內充入其壓力大于充入激發罐(1)的工質的臨界壓力的氮氣或空氣；齒條(5)的下部設有鎖止機構(7)，齒條(5)的上部與單向齒輪(16)相嚙合，單向齒輪(16)的傳動軸上安裝有飛輪(19)，所述飛輪(19)由齒條(5)帶動旋轉輸出機械能。
2.根據權利要求1所述的熱源空調機，其特征在于所述鎖止機構(7)包括裝置在支 架(21)上并與驅動油缸⑷內腔管連通的微型油缸(71)、設置在齒條(5)背面的凹槽(72) 及設置在凹槽(72)內的彈簧(73)與鎖塊(74)、設置在支架(21)上的橫梁(75)，微型油缸 (71)的活塞桿頂部加滾柱頂在鎖塊(74)的下部，當激發罐(1)內工質變成氣態后，激發罐 (1)內的壓力變大，推動微型油缸(71)的活塞桿運行，從而將鎖塊(74)頂入凹槽(72)內， 解除橫梁(75)和鎖塊(74)的聯合鎖止，齒條(5)運行，當齒條(5)回位至上止點時，鎖塊 (74)越過橫梁(75)在彈簧(73)的作用下頂出，卡在橫梁(75)上，鎖止齒條(5)。
3.根據權利要求1所述的熱源空調機，其特征在于前轉換閥(3)輸入端A閥口連接的 熱水來源于利用太陽能或火力熱能或工業冷卻用水作為熱源的集熱器(12)，前轉換閥(3) 輸入端B閥口連接的冷水來源于制冷機(20)。
4.根據權利要求3所述的熱源空調機，其特征在于所述后轉換閥(18)的閥口Bl輸出 冷卻水至制冷機(20)后再次流向換熱器(2)，后轉換閥(18)的閥口 Al與冷源換熱器(31) 連接，作為冷源使用，吸收空氣中的部分熱量后，直接流向集熱器(12)循環，或被用于制冷 機的冷凝冷卻水后再流向集熱器(12)循環。
全文摘要
本發明涉及一種可輸出機械能的熱源空調機，包括前轉換閥、后轉換閥及一個或一個以上交錯工作的激發罐、前轉換閥輸入端A閥口連接熱水，輸入端B閥口連接冷水，激發罐為外設保溫層，內設換熱器的罐體式結構，上部分充入低臨界點的工質，下部分注入油或水，換熱器的輸入端與前轉換閥連接，換熱器的輸出端與后轉換閥連接；一支架及裝載在支架上的驅動油缸、齒條及鎖止機構，齒條的上部與單向齒輪相嚙合，單向齒輪的傳動軸上安裝有飛輪，飛輪由齒條帶動旋轉輸出機械能。本發明利用低臨界點工質液/氣轉化過程能量轉換的特點做功，輸出機械能，同時在一個激發罐內低臨界點工質液/氣－氣/液相互轉化，循環利用，節省成本，降低消耗，環保高效。
文檔編號F24F12/00GK101922784SQ201010269799
公開日2010年12月22日 申請日期2010年8月31日 優先權日2010年8月31日
發明者曾燦民, 李金恒, 潘敏強 申請人:曾燦民