CN105114266A - 利用热泵技术的动力装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用热泵技术的动力装置，具有一个循环的气体作功***，所述气体带有底压，所述***内有一个压气机(1)，出气端通过管道与一个热交换装置(3)相连，热交换装置的出气端与气动机(5)的进气端相连，气动机的出气端与压气机(1)的进气端相连，组成循环的气体作功***，所述的热交换装置与一个热泵装置的热端相接或与一个工业余热利用装置产生的热端相接，循环的气体作功***中的气体隔着管壁吸收热端装置的热量。本技术方案是将太阳能转化为可利用的机械能形式的一个转换装置。

Description

利用热泵技术的动力装置
技术领域
本发明一般涉及一种动力装置，特别是一种利用热泵技术的动力装置。
背景技术
在将热能转化为可利用的机械能过程中，热机，例如蒸汽轮机，或各种使用石油资源的内燃机，但都是利用高热，其产生的功率都较高，但同时耗费的资源也较大，对环境的污染也较严重。地球上广泛存在一种低热资源，例如太阳能是一种绿色能源，以往人们利用太阳能的规模很小，仅限于利用太阳能电池板发电，最近几年空气能热水器也发展起来。最近人们开发出一种热泵技术，据称热泵是一种高效的热量搬运装置，通过从空气，水或土壤中获得的低品位热量，经过电驱压缩机做功输出高品位的热量，如何利用这些小规模的热量却是一个难题，用大型的热机如蒸汽轮机肯定不现实，如何寻求小型热机来利用这些热量，是颇费人们考虑的。一件中国发明专利，专利申请号201120518791.9，由浙江天台亘盛能源科技公司申请的专利公开了一种技术方案，该技术实现了一种热机的小型化尝试，提出了一种气动机的结构。
在汽车制造领域中，人们开发出一种混合动力车来节省能源，所谓的混合动力汽车就是在纯电动汽车上加装一套内燃机，提高纯电动汽车的行驶里程，当然加装的内燃机功率较小，即将传统的发动机尽量做小，再加上蓄电池组共同作成汽车的动力。采用复合动力时可按平均需要的功率来确定，内燃机负荷少时，富余的功率可发电给电池充电，因为有电池，可以十分方便地回收制动，下坡时，怠速时的能量，据称，采取这些措施后，可节省40％的能源，因此是一种看好的汽车方案，但不管怎么说，也要耗费一些能源。
发明内容
本发明的目的在于提供一个能克服公知技术的缺点，将热泵技术或余热技术与气动机相结合，将低温热能转化为可利用的机械能。
本发明的再一个目的为混合动力汽车提供一个技术方案。
为实现上述目的，本发明的方案为：一个利用热泵技术的动力装置，具有一个循环的气体作功***，所述气体带有底压，所述***内有一个压气机，出气端通过管道与一个热交换装置相连，热交换装置的出气端与气动机的进气端相连，气动机的出气端与压气机的进气端相连，组成循环的气体作功***，所述的热交换装置与一个热泵装置的热端相接或与一个工业余热利用装置产生的热端相接，循环的气体作功***中的气体隔着管壁吸收热端装置的热量。
其他的方案包括：热泵由一个压缩机，一端通过管道连接一个冷凝器，所述的冷凝器容纳在一个热交换装置内，热交换装置内还容纳气体作功***的压力气体，与冷凝器隔着管壁进行热交换，冷凝器的出口与一个节流阀一端相连，节流阀的另一端与一个蒸发器相连，蒸发器的另一端与压缩机的进气端相连。
上述的技术方案，利用热泵技术从空气中获得低品位热源，经过电驱空气压缩机作功，获得高品位的热量，或通过工业余热利用装置获得的热量，该热量在热交换装置内由冷凝器对作功***的压力气体通过热交换进行加热，通过本方案的气动机，将热能转化为机械能，而机械能通过发电机转换为电能。而空气中的低品位热源是依靠太阳光提供的，尤其利用热泵技术聚集成高品位热源，而太阳能是取之不尽，用之不竭的，对人类生存有重大意义。所以本技术方案是将太阳能转化为可利用的机械能形式的一个转换装置，从而实现了本发明的目的。
下面结合图示及实施例对方案作更详细的说明。
附图说明
图1是一种利用热泵技术的动力装置原理图；
图2为图1中气动装置***图；
图3为图2中的A-A剖视图；
图4为图3中B-B剖视图。
具体实施方式
如图1所示，一种利用热泵技术的动力装置，有一个循环的气体作功***，在密闭的***中，充满作功气体，所述的气体为空气或冷媒气体或CO2气，本实施例为CO2气，具有底压5Kg/cm2以上，本实施例以20Kg/cm2的压力灌注入***中，形成带底压的气体，在所述***中由一个压气机1，所述压气机的出气端通过一个第一管道2与一个热交换装置3一端相连，热交换装置的另一端由一个第二管道4与一个气动机5的进气口相连，进入气动机内作功，气动机的出气端由一个第三管道6与压气机1的进气端相连，将作功后产生的乏气重新送回压气机1内。
热泵回路由一个压缩机7的出气端由一个第四管道8与一个冷凝器9进口端相连，冷凝器的螺旋管容纳在热交换装置3内，冷凝器的出口端由一个第五管道10与一个节流阀11的进口端相连，节流阀的出口端由一个第六管道12与蒸发器13的进口端相接，蒸发器的出口端由一个第七管道14与压缩机7的进气端相连，组成一个热泵的***图。其中热交换装置3为一个密闭容器，热泵回路中的冷凝器9为螺旋管结构，其中充满温度较高的介质气体，在密闭容器内充满由压气机1压送来的气体作功回路中循环的高压气体，即前述的气体压力为20Kg/cm2的CO2气，隔着管壁与冷凝器的高温介质气体进行热交换，加热气体。冷凝器的A、B端也可直接接工业余热的输出端，所述的工业余热利用如利用烧砖瓦的隧道窑的余热，当然工业余热不只这一类型。使即将作功的气体不但具有高压，而且具有较高的温度。具有了作功的潜力。
简述一下热泵的工作原理：在本方案的热泵回路中，以介质R134作为媒介，灌注在热泵回路中，成液体状的R134从节流阀11出端中通过小孔出来进入到蒸发器13，由于空间变大，迅速从液态变成气态，这个物理变化过程中需吸入大量热量，热量从周围的空气中获得，变成气态的R134从管道14进入压缩机7，在电驱的作用下进入冷凝器9，在热交换装置中与气体作功回路中的高压CO2气进行热交换，失去热量的R134气体在冷凝器9中变回流体从管道10回到节流阀11的入端，完成一个循环，如此周而复始，相当于将热量从低端搬运到高端，有点象水泵将水从低处打到高处一样。
如图2所示的气动装置***，由一个气动机5，其壳体由两个螺母15固定在基座板16上，由一个管道17通过管接头向气动机5输入***中产生的高温高压作功气体，通过气动机5内的通道将气体输送到动力杆18，从动力杆上的喷嘴19喷出，产生反作用力对其支撑轴20产生扭矩，通过设置支撑轴另一端的变速装置将扭矩输出，本实施例的变速装置为一对齿轮传动21，为降速传动，套在支撑轴20上的主动齿轮为小齿轮，从动齿轮为大齿轮，从动齿轮与一个发电装置22相接，带动发电机发出电能。在图示中气动机5的转动体由一个密封罩压力容器23封住，所形成的空间收集从动力杆18喷出作功后的乏气，通过一个管接头24由管道接出回到如图1所示的气体作功回路中继续循环。
所述的密封罩23由一个圆形的基座底板16和一个盆形的容器25组成，基座底板16的中心开有孔，与气动机的壳体配合，基座底板16的圆圈边刻有螺纹，盒形容器的口沿刻有螺纹与基座底板16上的螺纹配合，装配时将盒形容器上的螺纹旋进基座底板16的螺纹内，封住容器内的气体不致逸出。
由图3所示的结构图能更细致地了解气动机的结构，所述的气动机5有一个圆筒形的壳体26，一端带有法兰27，凸起的盘状法兰也有止口的作用，将筒身导入基座底板16所开的中心孔时，法兰27的一个端面对圆筒形壳体26起轴向定位的作用，筒身上所带的一段螺纹28通过两个螺母15及法兰27共同作用对圆筒形壳体26定位并固定住，圆筒形壳体26两端各与一个端盖29，30配合，端盖内固定两个密封轴承31，32，两个轴承内圈支撑一根转轴20，转轴的一端中心开有一段盲孔34，盲孔的末端在轴身上开有一对中心线垂直于盲孔中心线的通孔35，其轴端配合安装有一动力杆的接头36，接头内挖有环槽37，轴的端部开有出气孔38与环槽37相通，为动力杆18供气，动力杆通过螺纹固定在接头36的圆周上，动力杆为对称的两根，其端部安装有喷嘴19。
喷嘴19的结构如图4所示，为一T形的三通管，在三通管的两直通的管口上设有两个堵头39，40，均通过螺纹与管口相连，一个堵头39的端面为凹形的圆弧面，另一堵头40开有一组中心线相同的孔，所述的孔最里边的为一个锥孔41，锥孔连接一段喷孔42，喷孔与一段直孔43相连，喷孔的大小与气体压力，温度及需求的功率有关，本实施例的喷孔直径为2mm。
T形管的另一直通管通过螺纹与动力杆18的端部相连。
本技术方案的原理为：本方案的气动机是利用高温高压的气体作功将热能转换为机械能，而高温高压的气体是依靠热泵技术或余热获得的，在热泵技术中，其压缩机消耗的1份电能，能产生最多10倍电能所产生的热量，多余的能量是太阳能提供的，这是一个公知的常识，这10倍由热泵技术获得的热量，用来加热本技术方案中气体作功***中的气体，所述气体输送进本方案的气动机中，由转轴进入，从两个动力杆15上的喷嘴喷出，从喷嘴的一段细孔进入到出口一段喇叭口，空间变大，在热量的作用下，气体的体积突然变大，产生一个***，***所产生的作用力推动喷嘴向反方向运动，由于两个动力杆对称设置，所以由两个喷头所产生的推力形成一对扭矩，推动转轴转动，由于本发明气体作功***中的气体，是采用比重较大的气体，本实施例采用的CO2气是空气比重的两倍，具有20Kg/cm2的底压所以通过反作用获得的回转力即转矩，与采用空气喷出时比较变得非常大，转矩的大小还与动力杆18的长度有关，因为转矩等于力乘距离，但动力杆18的长短受结构的限制，不可能作得很长。
在气功机结构中，还有一个因素可使获得的转矩增大，即尽可能提高动力杆18所在的转速，在动能公式中，如果转速越高，气体质量一定的情况下，装置获得的功能越大，当然动能越大，产生的扭矩也越大，因此从提高速度的观点出发，动力杆18所在的***最好负载要小，质量要轻。
从减轻第一级的负载出发，最好用一个隔离装置将产生的扭矩的第一级与后边的负载隔开，本方案的隔离装置就是气动机轴上另一端的变速装置，本实施例为一个齿轮变速装置，为降速传动，该传动比能将负载的传动比有关的反比反馈到第一级上，就相当于第一级只承担了负载的几分之一，所以用隔离元件对产生第一级的高转速有利，如果没有这个变速装置，直接将负载加到第一级上，对产生转速不利。
本气动机转轴设置，一端安装动力杆，另一端安装变速装置，由轴来传递扭矩，轴的进气由中间位置的轴孔来完成，这在结构上的好处是显而易见的，但要一个高速运转的轴与一个静止的壳孔配合，在防止高压气体泄漏上有困难，所以本方案采用密封罩形式防漏，在动力杆端和变速端各设置一个密封罩。
本方案的规格，压气机3P，压缩机1P，共消耗的功率为2.9千瓦，单根动力杆为260mm，其回转直径为520mm，在作功气体循环中灌入CO2气，灌注压力为20Kg，热泵部分的介质为R134，气动机输给发电机的轴功率6.699KW，发电机可输出电能5.3592KW，可产生2,4592KW多余的电能。如果调整***内的参数产生较多剩余电能是可能的。
在产业上的应用前景
本发明利用热泵技术产生的热能，去加热作功循环中的气体，使作功气体具有高温高压的作功潜质，利用这种高温高压的气体进入气动机，从喷嘴喷出作功，解决了小热量转换成机械能，用机械能产生电能的问题，而所产生的电能远远大于给予该装置运转所必须的功率，即会产生富余的多出来的电能，用在纯电动驱动的汽车上，可以用来改进混合动力汽车，混合动力汽车中的较小的内燃机可以去掉，用本方案的利用热泵技术的动力装置代替，将空气中的热能通过热泵收集，聚集起来供给气动机，获得机械能用来发电，这样基本上不再使用化石能源即石油资源作为汽车的动力，这样的前景是存在的。

Claims (8)

1.一种利用热泵技术的动力装置，其特征在于：一个利用热泵技术的动力装置，具有一个循环的气体作功***，所述气体带有底压，所述***内有一个压气机(1)，出气端通过管道与一个热交换装置(3)相连，热交换装置的出气端与气动机(5)的进气端相连，气动机的出气端与压气机(1)的进气端相连，组成循环的气体作功***，所述的热交换装置与一个热泵装置的热端相接或与一个工业余热利用装置产生的热端相接，循环的气体作功***中的气体隔着管壁吸收热端装置的热量。
2.根据权利要求1所述的一种利用热泵技术的动力装置，其特征在于：热泵由一个压缩机(7)，一端通过管道连接一个冷凝器(9)，所述的冷凝器容纳在一个热交换装置内，热交换装置内还容纳气体作功***的压力气体，与冷凝器隔着管壁进行热交换，冷凝器的出口与一个节流阀(11)一端相连，节流阀的另一端与一个蒸发器(13)相连，蒸发器的另一端与压缩机(7)的进气端相连。
3.根据权利要求1所述的一种利用热泵技术的动力装置，其特征在于：循环的气体作功***，在密闭的***中，具有底压5Kg/cm2以上，充满作功气体，所述的气体为空气或冷媒气体或CO2气体。
4.根据权利要求1所述的一种利用热泵技术的动力装置，其特征在于：气动机(5)，其壳体由两个螺母(15)固定在基座板(16)上，由一个管道(17)通过管接头向壳体输入气体作功***中产生的高温高压作功气体，通过气动机(5)内的通道将气体输送到动力杆(18)，从动力杆上的喷嘴(19)喷出，对其支撑轴(20)产生扭矩，通过设置支撑轴另一端的变速装置将扭矩输出。
5.根据权利要求4所述的一种利用热泵技术的动力装置，其特征在于：变速装置为一对齿轮传动(21)，为降速传动，套在支撑轴(20)上的主动齿轮为小齿轮，从动齿轮为大齿轮，从动齿轮与一个发电装置(22)相接，带动发电机发出电能，动力杆(18)由一个密封罩(23)封住。
6.根据权利要求5所述的一种利用热泵技术的动力装置，其特征在于：所述的密封罩(23)由一个圆形的基座底板(16)和一个盆形的容器(25)组成，基座底板(16)的中心开有孔，与气动机的壳体配合，基座底板(16)的圆圈边刻有螺纹，盒形容器的口沿刻有螺纹与基座底板(16)上的螺纹配合，装配时将盒形容器上的螺纹旋进基座底板(16)的螺纹内。
7.根据权利要求1所述的一种利用热泵技术的动力装置，其特征在于：所述的气动机(5)有一个圆筒形的壳体(26)，一端带有法兰(27)，圆筒形壳体(26)两端各与一个端盖(29，30)配合，端盖内固定两个密封轴承(31，32)，两个轴承内圈支撑一根转轴(20)，转轴的一端中心开有一段盲孔(34)，盲孔的末端在轴身上开有一对中心线垂直于盲孔中心线的通孔(35)，其轴端配合安装有一动力杆的接头(36)，接头内挖有环槽(37)，轴的端部开有出气孔(38)与环槽(37)相通，为动力杆(18)供气，动力杆通过螺纹固定在接头(36)的圆周上，动力杆为对称的两根，其端部安装有喷嘴(19)。
8.根据权利要求7所述的一种利用热泵技术的动力装置，其特征在于：喷嘴(19)为一T形的三通管，在三通管的两直通的管口上设有两个堵头(39，40)，均通过螺纹与管口相连，一个堵头(39)的端面为凹形的圆弧面，另一堵头(40)开有一组中心线相同的孔，所述的孔最里边的为一个锥孔(41)，锥孔连接一段喷孔(42)，喷孔与一段直孔(43)相连，喷孔的大小与气体压力，温度及需求的功率有关，T形管的另一直通管通过螺纹与动力杆(18)的端部相连。
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