專利名稱：臨界狀態熱機的制作方法
臨界狀態熱機涉及熱動力機，特別是一種背壓式熱動力機。
熱動力機是借助某種工作物質，使熱能轉變為機械能的裝置，簡稱熱機，如蒸汽機等。以實現熱為功的工作物質稱為工質。所有熱機，不論種類如何，所用工質有何不同，都是使工質先在一定條件下受熱提高溫度和壓力膨漲作功。工質的熱力性質于作功能力的大小有密切的關系。熱機的工質應備良好的受熱膨漲作功的能力和流動性。通常，所用的工質有空氣、燃氣(燃燒產物)和蒸氣(如水蒸汽)等。在以水為工質的蒸汽熱機中，工質水受熱沸騰成為蒸汽膨脹作功。但要使蒸氣能有效地工作，必須提高蒸氣的溫度，使其具有一定的壓力。
現有的熱機如背壓式氣輪機通常不設凝汽器，它的排汽溫度及壓力是根據下一工序的要求設定的，它的功率為2000～15000kW，也有超過30000kW，背壓為0.49MPa～3.92MPa，主蒸汽的參數一般為壓力4.415MPa，溫度450℃，也有超過11.772MPa，538℃的高溫、高壓背壓式汽輪機。由此看出該類熱機處在高溫、高壓的工作環境中，相應地系統的保溫、防腐、密封也將需要一定的投入，將常溫下的水加熱至數百℃也將消耗大量的能源，而高溫煙氣的熱損耗通常達到35％以上，另外由于水的蒸發需要經常補充水。
發明的目的是借助于臨界溫度適當的工作物質，通過溫度在臨界溫度或工作壓力下飽和溫度上下的波動和逆向換熱器的高效換熱提供一種溫度低、溫差小、壓差高、體積小、能耗低的封閉式高效熱機。
發明是這樣實現的在主要由氣動機、供液泵、加熱器、冷卻器、換熱器、控制器(閥)及連接管線和工質、潤滑物質等構成的臨界狀態熱機中由管線順序連接溝通的供液泵、換熱器、加熱器、氣動機、換熱器、冷卻器再到供液泵的循環系統為一個封閉的循環系統，工質及潤滑物質被封閉在其中；供液泵排出的低溫液態工質與氣動機排出的高溫氣態工質通過逆向換熱器進行熱交換，使需要降溫的高溫氣態工質在通過換熱器后的溫度接近冷卻端工質的溫度，使需要升溫的低溫液態工質在通過換熱器后的溫度接近加熱端工質的溫度；工質在通過換熱器及加熱器升溫后，其溫度高于該工質的臨界溫度以上或工作壓力下該工質的飽和溫度以上后被氣化，推動氣動機對外作功，同時帶動供液泵工作，作功后由氣動機排出的氣態工質，在通過換熱器及冷卻器將其溫度降低到臨界溫度以下或系統背壓下該工質的飽和溫度以下液化后，再由供液泵送出，實現循環。
所謂臨界溫度就是在這一溫度以上，無論壓強多大，氣體不再液化，相應于臨界溫度的等溫線稱為臨界等溫線，臨界等溫線上的拐點稱為臨界點，該點上的壓強稱為臨界壓強。
在該熱機中使用的工質應根據熱機的實際工作環境確定。通常所采用的工質為臨界溫度在10℃～160℃以內的氣體或有機化合物，如二氧化碳(C2O)、氨(HN3)、二氧化氮(NO2)、氧化亞氮(N2O)、甲醛(CH2O)、乙烷(C2H6)、乙烯(C2H4)、丙烯(C3H6)、正丁烷(C4H10)、異丁烷(C4H10)、硫化氫(H2S)、二氧化硫(SO2)等，根據特殊的工作環境也可以采用臨界溫度在10℃以下的氣體或有機化合物，如氬(Ar)等和臨界溫度在160℃以上的氣體或有機化合物，如三氧化硫(SO3)以及混合氣、合成氣等。最好采用對系統無腐蝕或腐蝕性較小熱力性質好的氣體或有機化合物，如二氧化碳(CO2)、氨(HN3)、二氧化氮(NO2)、氧化亞氮(N2O)等。
現參照附圖
分別以氨(HN3)和二氧化碳(CO2)為工質對本發明詳細說明圖中名稱1.控制器 2.管線 3.氣動機 4.管線 5.管線 6.供液泵 7.管線8.加熱器 9.管線 10.換熱器 11.管線 12.冷卻器一.以氨(HN3)為工質氨(HN3)的臨界溫度為132.41℃，臨界壓強為11.4MPa。工作方法加熱端工質溫度140℃，工作壓力3.9MPa；冷卻端工質溫度20℃，背壓0.9MPa，壓差3MPa。換熱器使氣動機排出的高溫氣態工質(140℃)與供液泵供給的低溫液態工質(20℃)進行逆向熱交換，使排出的高溫氣態工質的溫度在進入冷卻器時接近20℃，使進入的低溫液態工質的溫度在進入加熱器時接近140℃。
工作原理加熱器8將氨(HN3)加熱到140℃氣化后由控制器1控制經管線2進入氣動機3，推動氣動機3作功，作功后排出的氣態工質(140℃)經換熱器10后，溫度降低到接近20℃，經管線11進入冷卻器12，冷卻到20℃以下，使其在0.9MPa的背壓下完全液化后再經管線7進入供液泵6；由供液泵6送出的液態工質(20℃)經換熱器10后，使其溫度升高到接近140℃，再進入加熱器8加熱到140℃以上，氣化后推動氣動機3作功。如此循環，不斷對外作功。
二.以二氧化碳(CO2)為工質二氧化碳(CO2)的臨界溫度為31.1℃，臨界壓強為7.23MPa。
工作方法加熱端工質溫度40℃，工作壓力6.9MPa；冷卻端工質溫度13℃，背壓4.9MPa，壓差2MPa。換熱器使氣動機排出的高溫氣態工質(40℃)與供液泵供給的低溫液態工質(13℃)進行逆向熱交換，使排出的高溫氣態工質的溫度在進入冷卻器時接近13℃。使進入的低溫液態工質的溫度在進入加熱器時接近(140℃)。
工作原理加熱器8將工質二氧化碳(CO2)加熱到40℃氣化后由控制器1控制經管線2進入氣動機3，推動氣動機3作功，作功后排出的氣態工質(40℃)經換熱器10后，溫度降低到接近13℃，經管線11進入冷卻器12，冷卻到13℃以下，使其在4.9MPa的背壓下完全液化后再經管線7進入供液泵6；由供液泵6送出的液態工質(13℃)經換熱器10后使其溫度升高到接近40℃，再進入加熱器8加熱到40℃以上，氣化后推動氣動機3作功。如此循環，不斷對外作功。
在實際工作中，系統工作壓力和加熱端的溫度與背壓和冷卻端的溫度以及加熱方式、冷卻方式和換熱方式等，根據具體情況及所出的環境確定。如太陽能加熱和自然冷卻等。氣動機作功的傳輸可采用多種方式，如磁場(磁力)傳輸等。
本發明由于選用了臨界溫度適當的工質和工作溫度；使用封閉系統及逆向換熱方法，從而實現了該熱機溫度低、溫差小、壓差高、體積小、能耗低的目的。即使用少量的工質便可以使系統正常循環且無須經常補充，使該熱機的體積大大縮小；潤滑物質與工質混合既可利于溫度傳遞又可以起潤滑作用，延長該熱機的使用壽命；加熱端的溫度較低，可適用多種加熱方式，如太陽能加熱等；冷卻端的溫度接近室溫，故無須專用的冷卻設備。因而具有了廣泛的用途，如發電、機動車、火車、艦船等的動力以及應用于航空、航天等領域。
權利要求
1.一種主要由氣動機、供液泵、加熱器、冷卻器、換熱器、控制器(閥)及連接管線和工質、潤滑物質等構成的臨界狀態熱機其特征是由管線連接溝通的供液泵、換熱器、加熱器、控制器、氣動機、換熱器、冷卻器再到供液泵的循環系統為封閉的循環系統；工質及潤滑物質被封閉在其中；系統所使用的工質為一種特殊的工質；供液泵排出的低溫液態工質與氣動機排出的高溫氣態工質通過換熱器進行熱交換；低溫液態工質通過加熱器升溫后，其溫度高于該工質的臨界溫度以上或工作壓力下該工質的飽和溫度以上后被氣化，推動氣動機對外作功，同時帶動供液泵工作，作功后排出的氣態工質，通過冷卻器將其溫度降低到該工質臨界溫度以下或系統背壓下該工質的飽和溫度以下，液化后再由供液泵送出，實現循環。
2.按權利要求1所述的臨界狀態熱機其特征是工質為臨界溫度為10～160℃的氣體或有機化合物。
3.按權利要求2所述的臨界狀態熱機其特征是工質為氨(HN3)、甲醛(CH2O)、二氧化碳(CO2)、二氧化氮(NO2)、氧化亞氮(N2O)等中的一種。
4.按權利要求1所述的臨界狀態熱機其特征是工質為臨界溫度為160℃以上的氣體或有機化合物。
5.按權利要求1所述的臨界狀態熱機其特征是工質為臨界溫度為10℃以下的氣體或有機化合物。
6.按權利要求1所述的臨界狀態熱機其特征是工質為混合氣體或合成氣體。
7.按權利要求1所述的臨界狀態熱機其特征是換熱器為逆向換熱器。
8.按權利要求1所述的臨界狀態熱機其特征是氣動機所作的功通過磁場或磁力向外傳輸。
9.按權利要求1所述的臨界狀態熱機其特征是加熱器由太陽能加熱。
10.按權利要求1所述的臨界狀態熱機其特征是潤滑物質為固體。
全文摘要
臨界狀態熱機屬熱機。為溫度低,溫差小,壓力高、體積小的封閉式熱機。由氣動機、供液泵、加熱器、冷卻器、換熱器、控制器、管線、工質等構成。工質被封閉在系統中。低溫液態工質經換熱器、加熱器升溫至該工質的臨界溫度或工作壓力下該工質的飽和溫度以上被氣化,推動氣動機作功,并帶動供液泵工作;乏氣在經換熱器、冷卻器降溫至該工質的臨界溫度或系統背壓下該工質的飽和溫度以下,在背壓下液化后再由供液泵排出,循環作功。
文檔編號F01K7/00GK1277314SQ9910816
公開日2000年12月20日 申請日期1999年6月10日 優先權日1999年6月10日
發明者景輝元 申請人:景輝元