利用空气热能输出动力、制冷、淡水的冷态发动的制造方法
【专利摘要】利用空气热能输出动力、制冷和淡水的冷态发动机或装置由汽化器、高压膨胀机、高压工质泵、空气换热器、循环泵、发电机、管、阀、仪表等相互连接可操作组成，用单原子或双原子气体做工质，根据深冷工质热力–制冷循环和无霜两级换热循环工作原理，需一次性加注深冷液体或高压气体做工质和启动动力，深冷液态工质吸热汽化为高压蒸汽，进入膨胀机推动活塞轮转动，输出机械功和深冷冷量，空气换热器输出制冷、冷凝水和干空气。本发明提供了利用环境流体热能输出动力、制冷、淡水的方法和装置。
【专利说明】利用空气热能输出动力、制冷、淡水的冷态发动机
【技术领域】
[0001]本发明属新能源领域，是一款能方便高效利用空气热能输出动力、制冷和淡水的冷态发动机或装置，特别是组成该冷态发动机或装置的“深冷工质热力-制冷循环”，“无霜两级换热循环”等根本方法，和“高压膨胀机”等关键装置。
[0002]发明背景
[0003]大气是一个低温热源库，具有巨大的热能。大气热能主要来自太阳能，其次是地热能和人类各种能源消费活动(如煤，油，气，电等的使用)释放到大气中的废热。可以说大气是一个具有无穷无尽热能的“能量海”。
[0004]然而现有的热力学理论，方法和装置均不能利用这一随处可取，无穷无尽的大气热能来输出有用功或电力。
[0005]之前，曾报道多种方法和装置试图利用环境热能做功或输出电力，但无一成功。而与本发明相似的方法和装置迄今未见报道。
[0006]在此文中对任何文件，方法或物品所做的参考或讨论，除非特别说明，都不代表所参考或讨论的文件，方法，物品或者任何一种组合，或在 优先权日:期时是公众知识或者与此描述有关的其他问题解决方案。
[0007]发明目的
[0008]本发明的目的是提供一种装置和方法，以克服或显著改善公知技术的短处和限制，或者提供给公众一种有用的选择。本发明的另一目的是提供一种可以在一系列功能性需求上有用的装置和方法。
[0009]发明简介
[0010]相应地，在本发明的第一方面，本发明利用空气热能输出动力、制冷、淡水的冷态发动机或装置，由两级循环即第一级循环和第二级循环组成。
[0011]第一级循环由膨胀机、汽化器和工质泵三个主件组成，工质泵安装在膨胀机和汽化器之间。
[0012]第二级循环由汽化器、空气换热器和循环泵三个主件组成，循环泵安装在汽化器和空气换热器之间。
[0013]其中，膨胀机、汽化器、工质泵、空气换热器、循环泵经管道连接组成。
[0014]优选地，本装置还包括一个储罐，安装在汽化器和膨胀机之间并相互连通。
[0015]优选地，储罐上安装有温度表和压力表，以监测显示储罐内的温度和压力。
[0016]优选地，各部件通过包括管道的连接装置流体连接。
[0017]优选地，汽化器筒状壳体表面有两对流体入口出口，一对入口出口分别管道连接膨胀机和工质泵，另一对入口出口分别连接空气换热器和循环泵。
[0018]优选地，汽化器上还安装有安全阀和放气阀。
[0019]优选地，连接装置包括至少一个温度表和压力表，以监测显示储罐内的温度和压力。
[0020]优选地，在膨胀机出口处安装有单向阀。[0021]优选地，在膨胀机、工质泵及其连接管的外表面包覆有绝热层。
[0022]优选地,空气换热器有一个壳体，壳体内有管状结构，管内循环冷传热液，风扇加速空气流动，强化换热，冷传热液吸热变暖。
[0023]优选地，膨胀机轴连接发电机，将膨胀机输出的机械功转化为电能输出。
[0024]优选地，膨胀机是将高压工质压力能转化为机械功和冷量输出的装置，由缸筒，工质流体入口，出口，可转动活塞轮，筒状活塞轮至少包括一圈活塞腔，一圈活塞腔位于轴的外圆面。
[0025]优选地，每个活塞腔的外圆周都有密封环槽，带状密封环安装在槽中。
[0026]优选地，活塞轮和带状密封环安装在缸筒内，呈精密配合，当高压工质流体冲入活塞腔，推动活塞轮转动，输出机械功。
[0027]优选地，该型膨胀机还由三圈活塞腔组成，通过连接管将三圈活塞腔串联连接使用，这样可以获得膨胀机定容做功过程的足够位移。
[0028]优选地，膨胀机上的工质流体入口，出口根部变粗，且与缸筒呈正切方向连接。
[0029]优选地，带状密封环由多个方框型密封小环组成，密封小环中部有长方形通孔，每个密封小环通过接头相连组成一圈带状密封环。
[0030]优选地，每个带状密封环的接头两侧都有一小片弹簧片，接头形式呈槽，榫连接。
[0031]优选地，至少两圈活塞腔呈串联连接使用，每圈活塞腔的外圆面有带状密封环安装槽，用来安装带状密封环。
[0032]优选地，带状密封环外圆面与缸筒内壁呈精密贴合，带状密封环内圆面与活塞轮上的密封环槽外圆面呈精密贴合。
[0033]相应地，在本发明的第二方面，本发明利用空气热能输出动力、制冷、淡水的方法由两级循环组成，组成第一级循环和第二级循环的组件描述如下；
[0034]第一级循环的组件；
[0035]膨胀机；用高压气体产生机械功和冷量。
[0036]汽化器；装深冷工质流体，工质泵驱动深冷工质流体从膨胀机循环到汽化器，工质泵安装在膨胀机和汽化器之间。
[0037]第二级循环的组件；
[0038]汽化器；产生高压蒸汽。
[0039]空气换热器；用来与空气换热。
[0040]循环泵；安装在汽化器和空气换热器之间。
[0041]膨胀机，汽化器，工质泵，空气换热器和循环泵之间通过管道连接组成。
[0042]本发明的方法由第一级循环和第二级循环组成；
[0043]在第一级循环:
[0044]深冷工质流体在汽化器吸热汽化膨胀为高压蒸汽，此高压蒸汽进入膨胀机经历绝热膨胀过程，输出机械功和冷量，高压蒸汽发生绝热焓降，工质蒸汽的温度降到液化温区，工质蒸汽液化为深冷液体，深冷液体被工质泵泵回汽化器。
[0045]第二级循环，通过汽化器与第一级循环偶联:
[0046]冷传热液从汽化器循环到空气换热器与外部热源(如空气，水)换热，空气热能被吸收，温度降低变为冷空气，传热液吸收空气热能后温度升高，变为暖液体，暖传热液循环到汽化器与深冷工质换热，深冷工质吸热汽化，膨胀为高压暖蒸汽，暖传热液的热能被吸收后温度降低，变为冷传热液。
[0047]优选地，最初的变化是第二级循环先于第一级循环发生，然后都是同时发生。
[0048]优选地，传热液用水或低冰点防冻液。
[0049]优选地，深冷工质用单原子气体(如，N2，He-4)或其混合物(如，空气)，或双原子气体(如，C02)。
[0050]优选地,膨胀机输出的机械功，因为耗散效应,最终转化为废热释放到大气中，大气热能又能被本发明吸收利用，因此实现热能循环利用。
[0051]优选地，空气换热器产生大量冷凝水，收集纯化处理即为优质淡水，所以空气换热器可制成空气水生产设备。
[0052]优选地，空气通过换热器后，空气中的水汽冷凝成水，空气变为干空气，所以，空气换热器具有除湿功能，可以作为除湿器。
[0053]相应地，在本发明的第三方面，本发明中的膨胀机，其将高压工质转化为机械功输出，由装有工质流体入口，出口的缸筒，旋转轴，至少一圈活塞腔组成的活塞轮，活塞轮上的密封环槽，带状密封环组成。
[0054]活塞轮，带状密封环，缸筒呈精密配合，高压工质进入活塞腔，推动活塞轮转动，输出机械功。
[0055]优选地，该型膨胀机还可由三圈活塞腔串联连接使用，如此可获得膨胀机定容做功过程的足够位移。
[0056]优选地，工质流体入口，出口的根部变粗，且与缸体呈正切方向连接。
[0057]优选地，每个带状密封环由多个方框型密封小环拼接组成，每个密封小环中部有长方形通孔，靠接头连接。
[0058]优选地，每个带状密封环的接头两侧有小弹簧片，接头形式呈槽，榫连接。
[0059]优选地，三圈活塞腔串联连接使用，每圈活塞腔外圆面有带状密封环安装槽，用以安装带状密封环。
[0060]优选地，带状密封环外圆面直径与缸筒内壁直径相同，呈紧密贴合，带状密封环内圆面直径与密封环安装槽外圆面直径相同，也呈紧密贴合。
[0061]相应地，在本发明的第四方面，本发明的组成装置有汽化器，高压膨胀机，高压工质泵，空气换热器，循环泵，发电机，管，阀，仪表等流通连接组成。用单原子或双原子气体做工质，根据深冷工质热力-制冷循环和无霜两级换热循环工作原理，需一次性加注深冷液体或高压气体作工质和启动动力，吸收空气热能，汽化膨胀为高压气体，进入膨胀机推动活塞轮转动输出机械功和冷量，空气换热器输出制冷，冷凝水和干空气。
[0062]优选地，深冷工质热力-制冷循环又称第一级循环由汽化器，高压膨胀机，高压工质泵三个主件和管，阀，仪表等辅件可操作流体连接组成循环装置。
[0063]优选地，深冷工质热力-制冷循环又称第一级循环由三个相连的热力过程组成，即汽化器的定压吸热过程，膨胀机的绝热膨胀过程和高压工质泵的等熵压缩过程。
[0064]优选地，用至少一个汽化器来产生高压蒸汽，汽化器安装在高压工质泵和高压膨胀机之间，汽化器壳侧流高压工质，管侧流低压传热液。
[0065]优选地，在汽化器和高压工质泵之间至少安装一个膨胀机，膨胀机的功能是输出机械功和冷量。
[0066]优选地，在膨胀机和汽化器之间至少要安装一个高压工质泵来将膨胀机出口的工质升压，泵回汽化器。
[0067]优选地，在汽化器和膨胀机之间连通安装一个储罐，用来增大容积和过热蒸汽。
[0068]优选地，用单原子气体(如，N2, He-4)或其混合气体(如，空气)或双原子气体(如，C02)做工质。
[0069]优选地，需一次性加注深冷工质液体或高压工质气体作启动动力。
[0070]优选地，采用工质气一液相变循环技术。
[0071]优选地，根据气态工质的液化温度(T2)来设定循环的初压(Pl)参数，并采用大膨胀比(P1:P2 = 120 - 150)。
[0072]优选地，采用的无霜两级循环换热技术由第一级循环和第二级循环组成，汽化器，膨胀机，工质泵组成第一级循环，汽化器，空气换热器，循环泵组成第二级循环。
[0073]优选地，第二级循环通过汽化器与第一级循环偶联。
[0074]优选地，第二级循环用水或低冰点防冻液作传热液。
[0075]优选地，空气换热器的工作温度通过调节第二级循环中传热液的循环流量来达到。
[0076]优选地，膨胀机，工质泵及其连接管的外表面均包覆一层绝热层，以降低传热。
[0077]优选地，高压膨胀机输出的机械功可直接用作车，船，飞行器和多种机械的动力，也可转化为电能，热能应用。
[0078]优选地，该型膨胀机是高压膨胀机，其输出的机械功，因为耗散效应，最终转化为废热释放进入大气，而大气热能又能被本发明吸收利用，因此实现热能的循环利用。
[0079]优选地，本发明装置用于工业耗能大户如钢铁厂，水泥厂等，宜用闭式热能循环利用方法。
[0080]优选地，高压膨胀机输出的深冷冷量(_196°C?-210°C )，采用相应的换热技术和设备，可以实现深冷冷量的分级利用(如；空调，20°C — 25°C，冷藏，4°C，冷冻，-8°C —-80°C，深冷处理，-120°C—-160°C，空气液化，-196 °C—-21 (TC等)，因此可制成多种制冷设备。
[0081]优选地，根据用途，本发明装置规模设计可大可小，可设计制成微型便携式电源，大型电站，还可设计制成每户一台的供能，产水，制冷空调等多功能装置。
[0082]优选地，空气换热器能产生大量冷凝水，收集纯化处理即为优质淡水，因此本发明装置可制成空气水生产设备，淡水应用后排入环境，蒸发进入大气，形成平衡的水循环。
[0083]优选地，空气通过换热器后，水汽被冷凝成水，空气变为干空气，因此具有除湿功能，可制成除湿器。
[0084]优选地，本发明装置还能利用水体(如，江，河，湖，海等)热能做功，因此可制成舰船，潜水艇等的动力装置。
[0085]优选地，该高压膨胀机由缸筒，活塞轮，带状密封环，轴，轴承座，端盖等组成，缸筒上有工质流体入口，出口和串联连接管，入口管和出口管的根部尽可能变粗，以增大启动推力。
[0086]优选地，活塞轮有一圈或多圈蜂巢状小室作活塞腔，多圈活塞腔串联使用可以获得工质做功的足够位移。
[0087]优选地，每个活塞腔容积设计成尽可能小并相等，推力面面积设计成尽可能大。
[0088]优选地，高压膨胀机的做功位移长度要根据膨胀机出口处的工质压力降到接近于零来设计。
[0089]优选地,活塞轮在缸筒内转动,活塞轮外表面和缸筒内壁形成一个摩擦表面。
[0090]优选地，每个活塞腔有一个开口，口部有带状密封环安装槽，带状密封环的四周断面呈U型夹层，具有自密封功能。
[0091]优选地，每圈活塞腔都有一个带状密封环，带状密封环安装在活塞腔外圆面的安装槽中，与缸筒内壁呈精密配合，自密封环与活塞轮之间通过定位键固定。
[0092]优选地，带状自密封环是开口环，端头呈槽，榫连接，榫的两侧有小弹簧片。
[0093]优选地，膨胀机还可用于将流体压力能转化为机械功或扭矩输出的领域。
[0094]相应地，在本发明的第五方面，本发明的构成，两级循环中的冷量和水，组成第一级循环和第二级循环所用的装置描述如下；
[0095]第一级循环的组件；
[0096]膨胀机，用闻压蒸汽输出机械功和冷量。
[0097]汽化器，装深冷工质并吸热汽化，产生高压蒸汽。
[0098]工质泵安装在膨胀机和汽化器之间，将膨胀机出口的深冷工质泵回汽化器。
[0099]第二级循环的组件；
[0100]汽化器。
[0101]空气换热器用来与外部空气换热。
[0102]循环泵安装在汽化器和空气换热器之间，驱动传热液循环流动。
[0103]膨胀机，汽化器，工质泵，空气换热器，循环泵经管道连接组成。
[0104]第一级循环和第二级循环的组成方法；
[0105]在第一级循环中，汽化器中的深冷液态工质吸热汽化，膨胀为高压蒸汽，此高压蒸汽即为优良的做功气体。进入膨胀机经历绝热膨胀过程，输出功和冷量，工质蒸汽发生绝热焓降，降压降温，直至液化为深冷液体。此深冷液体被工质泵泵回汽化器。
[0106]在第二级循环中，汽化器是一个共用装置；
[0107]冷传热液从汽化器循环到空气换热器，与外部空气换热，空气热能被吸收，温度降低变为冷空气，冷传热液吸热升温变为暖传热液，暖传热液循环到汽化器与深冷工质换热，暖传热液的热能被深冷工质吸收，温度降低变为冷传热液。
[0108]该膨胀机包括一个缸筒，缸筒内有活塞轮，活塞轮上有三圈活塞腔，高压工质流体冲入活塞腔，推动活塞轮转动，输出机械功。
[0109]相应地，在本发明的第六方面，本发明中的高压膨胀机，包括一个缸筒，缸筒内有活塞轮，活塞轮上有三圈活塞腔，高压工质流体冲入活塞腔，推动活塞轮转动，输出机械功。
[0110]本发明利用空气热能输出动力，制冷，淡水的冷态发动机或装置由汽化器，高压膨胀机，高压工质泵，空气换热器，循环泵，发电机，管，阀，仪表等可操作相互连接组成。用单原子或双原子气体做工质，根据深冷工质热力-制冷循环和无霜两级换热循环为工作原理，一次性加注深冷液体或高压气体作工质和启动动力，汽化器中的深冷工质吸热汽化，膨胀为高压蒸汽，进入膨胀机推动活塞轮转动，输出机械功和冷量，空气换热器输出制冷，冷凝水和干空气，产生无穷，绿色，免费的能源，制冷和淡水。
[0111]本发明提供下述方法和装置；
[0112]1.选用自然的单原子气体(如，氮，氦等)或其混合物(如，空气)或双原子气体(如，C02)做工质。
[0113]2.深冷工质热力一制冷循环方法。
[0114]3.工质气一液相变循环方法。
[0115]4.无霜两级循环换热方法。
[0116]5.动力利用方法。
[0117]6.热能循环利用方法。
[0118]7.深冷冷量分级利用方法。
[0119]8.空气水生产方法。
[0120]9.除湿方法。
[0121]10.水体热能利用方法。
[0122]11.高压膨胀机。
[0123]12.翅片管壳式汽化器。
【专利附图】
【附图说明】
[0124]现通过参考附图来描述本发明:
[0125]图1是第I循环和第2循环组成的冷态发动机或装置原理图。
[0126]图2是图1的原理框图。
[0127]图3是以氮气作工质的第I循环压-焓图。
[0128]图4是第I循环使用的高压膨胀机外观图。
[0129]图5是图1中使用的高压膨胀机活塞轮外观图。
[0130]图6是图4和图5的A-A剖面图。
[0131]图7是图4和图5的膨胀机(I型)B-B剖面图。
[0132]图8是图4和图5的膨胀机(2型)B-B剖面图。
[0133]图9(a)是带状密封环(I型)外观图。
[0134]图9(b)是带状密封环(I型)B-B剖面图。
[0135]图9(c)是带状密封环(I型)A-A剖面图。
[0136]图10(a)是带状密封环(2型)外观图
[0137]图10(b)是带状密封环(2型)B-B剖面图。
[0138]图10(c)是带状密封环(2型)A-A剖面图。
[0139]图11(a)是环状密封垫外观图。
[0140]图11(b)是环状密封垫A-A剖面图。
[0141]图12(a)是用于冷态发动机或装置的汽化器外观图。
[0142]图12 (b)是汽化器A-A剖面图。
[0143]图12 (C)是汽化器B-B剖面图。
【具体实施方式】[0144]下述是本发明一种实施例的描述，称为“冷态发动机”或“装置”或“无霜两级循环热力一制冷系统”和“高压膨胀机”。本发明不只这些实施例，显然在本发明的原理内还可能有多种变型和改进型。
[0145]本发明称为“冷态发动机”或“装置”或“无霜两级换热循环热力一制冷系统”，现参考图1和图2描述如下；
[0146]本发明由“深冷工质热力一制冷循环”又称“第一级循环”和“无霜两级换热循环”又称“第二级循环”组成，第一级循环和第二级循环偶联组成“无霜两级循环热力一制冷系统”，又称“冷态发动机”或“装置”。
[0147]从图1和图2可见，第一级循环由下述三个主件组成，即汽化器(I)，高压膨胀机
(4)和高压工质泵(6)，这三个组件经管道如图1连接组成，此外，如图1可见，还要安装一些辅件如开关阀(3)，储罐(7)，温度表(11)，压力表(12)，安全阀(13)，放气阀(14)，单向阀(15)和发电机等。膨胀机(4)，工质泵(6)及其连接管的外表面包覆一层绝热层(16)。
[0148]如图1所示，第二级循环主要由循环泵(8)，空气换热器(9)和汽化器(I)经管道相互连接组成。第二级循环的目的是克服空气换热器表面容易结霜难题，其次是输出制冷，产生冷凝水和具有除湿功能。
[0149]两个循环，称为第一级循环和第二级循环经汽化器(I)偶联组成无霜两级循环热力一制冷系统或冷态发动机或装置。汽化器里的深冷工质如液氮，液空或液态二氧化碳(C02)，从汽化器入口(14)加入深冷液体或高压气体作工质和启动动力，
[0150]第一级循环过程，由下述三个热力过程组成(见图2)。
[0151]IV-V:定压吸热过程
[0152]汽化器中的深冷液体工质与第二级循环的传热液进行换热，深冷液体工质吸收传热液的热能(此为第一级循环的热输入，是温差传热的自发过程，不耗功)汽化膨胀为高压蒸汽，温度接近环境温度(如，Tl = 300K)，压力达到设定的最大工作压力(如，Pl =12Mpa)，此高压蒸汽也充满储罐和到开关阀(3)之间的管道。
[0153]1-11:绝热膨胀过程；
[0154]汽化器和储罐中的高压蒸汽(初态参数；T1 = 300K, Pl = 12Mpa)沿管道进入高压膨胀机推动活塞轮转动，输出机械功(是膨胀功，比功大)，高压蒸汽的热能转化为机械功输出后，工质蒸汽的温降与压降呈正比地大幅下降，当工质蒸汽的温度降到液化温区(如，N2，T2，63K-76K ；P2,0.1Mpa)，工质蒸汽发生气液相变而液化为深冷液体。因为液态工质是深低温，所以膨胀机输出机械功的同时输出深冷冷量。
[0155]I1-1I1:等熵压缩过程
[0156]深冷工质沿管道进入高压工质泵(膨胀机，工质泵及其连接管的全部外表面包覆一层绝热层)，被泵进汽化器，又经历定压吸热，汽化膨胀为高压蒸汽的过程。高压工质泵工作过程耗功，因为液态工质几乎无压缩性，升压容易，工质泵消耗的是推进功，比功小(根据计算，大约是膨胀机输出功的5% )。
[0157]重复上述三个过程，形成“深冷工质热力一制冷循环”或“第一级循环”。
[0158]图1，图2左边可见，第二级循环是无霜换热循环，在第二级循环中，用水，更好是低冰点(如，-500C )防冻液做传热液，传热液在循环泵的驱动下循环流动。防冻液与深冷工质换热，热量被深冷工质吸收，防冻液温度降到设定温度(如，-20°C )，冷防冻液循环到空气换热器与空气进行换热，空气热量被吸收，温度降到低温(如，-200C )，此时空气换热器排出的冷空气就是优良冷量，可用于多种制冷用途。当空气温度降到露点温度，空气中的水汽冷凝成水，收集处理即为优质淡水。当防冻液吸收空气热能，温度上升到接近空气温度(如，25°C )，变为暖防冻液，循环到汽化器与深冷工质进行换热，热能传给第一级循环的深冷工质(此为第一级循环的热输入)，防冻液温度下降，变为冷液体。重复这一过程，形成第二级换热循环。
[0159]总之，在第一级循环过程中，首先深冷工质在汽化器吸热，汽化膨胀为高压蒸汽。此高压蒸汽沿管道进入高压膨胀机，推动活塞轮转动(未显示)输出机械功和冷量。高压蒸汽的压力能转化为机械功并发生绝热焓降，温度和压力呈正比的大幅下降，当高压蒸汽的温度降到液化温区，发生气一液相变而液化。高压工质泵(6)将液化的工质升压，泵回汽化器(I)经历“定压吸热过程”，汽化膨胀为高压蒸汽，然后进入膨胀机(4)做功。重复上述过程，形成“深冷工质热力一制冷循环”或“第一级循环。
[0160]图1左边可见，第二级循环是无霜换热循环，在第二级循环中，传热液是水，更好是低冰点(如，-500C )防冻液，在循环泵(8)驱动下循环流动。空气通过换热器(9)温度下降，排出的冷空气就是优良冷量。当空气温度降到露点温度，空气中的水汽冷凝成水，收集处理即为优质淡水。传热液循环到空气换热器(9)换热后变为暖液体，暖传热液又循环到汽化器(I)换热，暖传热液热能被深冷工质吸收，温度下降变为冷传热液，在循环泵驱动下又循环到空气换热器，形成第二级循环。深冷工质吸热，汽化膨胀为高压蒸汽，导致第一级循环，如上解释了其发生过程。
[0161]如上解释，两个循环，称为第一级循环和第二级循环，通过汽化器(I)偶联组成“无霜两级循环热力一制冷系统”。从汽化器入口(14)加入液态深冷工质或高压气体作工质和启动动力，为了操作安全，液态工质的加入量要根据汽化器(1)，储罐(7)，管道(2)组成的汽化容积来确定加入量，即深冷液态工质完全汽化膨胀后，只能达到循环系统的最大工作压力。如果是通过汽化器(I)加入高压气体，也只能加到循环系统的最大工作压力。只要循环系统无泄漏，加入的原动力(即加入的深冷液态工质或高压气体)总是留存在循环系统中(像制冷剂长久留存在制冷机中一样)，开阀就启动运转，关阀就停机，阀的开度直接控制工质流量，进而直接控制膨胀机(4)的输出转速和扭矩，如此，膨胀机输出的功或扭矩是无级变速的，不需要变速箱。
[0162]如上解释，第二级循环中的传热液是水或更好是低冰点(如，_50°C )水基防冻液。空气换热器(9)的工作温度通过调节装置(未显示)调节循环泵转速进而调节循环水流量来达到。
[0163]第一级循环由几个热力过程组成，汽化器(10)中的深冷工质吸收空气热能，汽化膨胀为高压蒸汽，这一过程(定压吸热过程)是温差传热的自发过程，不耗功。高压蒸汽进入膨胀机经历绝热膨胀过程，输出机械功(是膨胀功，比功大)和冷量，高压工质泵将深冷工质升压(等熵压缩过程)泵回汽化器(I)，此过程耗功，是推进功。因为液态工质几乎无压缩性，升压容易，消耗的推进功，比功小。根据理论计算，约占膨胀机(4)输出功的5%。
[0164]为了强化换热，第二级循环中的循环泵(8)，风扇(9)耗功，也是推进功，比功小。根据理论计算，约占膨胀机输出功的I %。所以，膨胀机输出功减掉工质泵，循环泵，风扇，控制装置等的耗功后，仍有大量净功输出。[0165]本发明中,膨胀机输出的机械功是优质能量，(火用，exergy)为100%,可直接用作多种机械的动力，也可转化为电能，热能和其它形式能量应用，因为耗散效应，这些能量应用后最终转化为废热释放到大气中，而大气热能又能被本发明吸收利用，因此形成一种热能应用后既不累积造成热污染，也不会使用耗竭的“热能循环利用方法”。这是一种免费，方便，绿色，无穷的新能源利用技术。
[0166]绝热膨胀后膨胀机产生的液态工质是深低温，采用相应的换热技术和设备，可实现“深冷冷量的分级利用”(如，空调，21°C—25°C，冷藏，8°C，保鲜，4°C，冷冻，_4°C—-80°C，深冷处理，-120°C一-160°C，空气液化，-186°C一-210°C等)。
[0167]用自然气体(如，氮气，空气)作工质，应用中即使发生泄漏，对环境也毫无危害，消除了现行制冷剂对环境的危害性，开创了全新的绿色，免费制冷新技术。
[0168]所有空气都含有水汽，只是湿度不同。当空气通过换热器热交换后，热量被吸收，温度下降到露点温度，空气中的水汽冷凝成水，收集处理后即为优质淡水，这一从空气生产淡水的新方法，将根本解决淡水短缺难题，为人类移居沙漠，海洋等淡水稀缺地区提供了可靠技术。
[0169]空气中的水汽被冷凝脱水后，空气变为干空气。所以本发明具有除湿功能。
[0170]所有空气都含有水汽。当空气直接与深冷工质换热，空气换热器表面容易结霜，霜导热不良，引起换热器效能下降，当霜越积越多，将导致换热器完全失效。设计的“无霜两级循环热力-制冷系统”就为解决这一难题。水比热大，易流动。用深冷工质与水换热，水再与空气换热，构成“深冷工质一7jC—空气”两级换热方法。水温与换热量呈正比，与流量呈反比，换热量直接正比于输出功率，当输出功率确定后，换热量不可调，但是循环水流量可调，通过调节循环水流量来达到所需要的水温，以循环水不冻结，空气换热器表面不结霜为原则。为了节省循环泵耗功和本发明装置能在寒冷地区有效应用，用低冰点(如，_50°C)水基防冻液做传热液更为适宜。
[0171]实施例1:用氮气作工质
[0172](见图1，图2和图3)，根据氮气的热物性数据表；
[0173]液化温区；63.151K ?77.335K,
[0174]临界点；T= 126.19Κ, P = 3.3978MPa
[0175]I 点；T1 = 300K, Pl = 12Mpa, hi = 291.94Kj/Kg, P I = 122.88kg/m3
[0176]II 点；T2 = 76K, P2 = 0.1Mpa, h2 = -124.86Kj/Kg, P 2 = 812.88kg/m3
[0177]III 点；T3 = 82K, P3 = 12Mpa, h3 = -105.82kj/kg, P 3 = 810.9kg/m3
[0178]IV 点?III 点
[0179]V 点 点
[0180]其中，T =温度，P =压力，h =比焓，P =密度
[0181]图3是根据上述氮气的热物性数据绘制的压?焓图
[0182]给第2循环系统加注传热液，同时根据汽化容积，汽化温度算出液氮加入量，通过汽化器(I)入口(14) 一次性定量加注液氮到第I循环系统作工质和启动动力。液氮在汽化器(I)中与第2循环的传热液进行换热，液氮吸热汽化为高压蒸汽(Tl = 300K，Pl =12Mpa)，此高压蒸汽充满汽化器(1)，储罐(7)和到开关阀(3)之间的管道。打开开关阀
(3)，高压蒸汽沿管道(2)进入高压膨胀机(4)推动活塞轮转动做功，经历绝热膨胀过程，输出功和深冷冷量，高压蒸汽的压力降到P2 = 0.1Mpa，温度相应降到T2 = 76K，此时工质温度已降到液化温区(如；N2，63.151K~77.335K)，氮蒸汽发生气/液相变而液化为深冷液体。
[0183]例如:氮气可视为理想气体，根据理想气体绝热膨胀状态方程；当Tl = 300K，Pl=12Mpa, P2 = 0.1Mpa, k(比热比)=1.4,终温(T2)可按下式算出；
【权利要求】
1.一种利用空气热能输出动力、制冷和淡水的冷态发动机或装置由汽化器、高压膨胀机、高压工质泵、空气换热器、循环泵、发电机、管、阀仪表相互连通可运作组成，用单原子或双原子气体做工质，根据深冷工质热力-制冷循环和无霜两级换热循环工作原理，需一次性加注深冷液体或高压气体做工质和启动动力，深冷工质液体吸收空气热能汽化膨胀为高压蒸汽，进入膨胀机推动活塞轮转动，经历绝热膨胀过程，输出机械功和深冷冷量，空气换热器输出制冷，冷凝水和干空气。
2.如权利要求1所述的冷态发动机，其中，深冷工质热力-制冷循环又称第一级循环由汽化器，高压膨胀机，高压工质泵3个主件和管，阀，仪表等辅件相互连接可操作组成。
3.如权利要求1或2所述的冷态发动机，其中，深冷工质热力-制冷循环又称第一级循环由3个相连的热力过程组成；即汽化器的定压吸热过程、膨胀机的绝热膨胀过程和工质泵的等熵压缩过程。
4.如权利要求1或2所述的冷态发动机，其中，至少用一个汽化器来产生高压蒸汽，并将其安装在高压工质泵和高压膨胀机之间，汽化器壳侧流高压工质，管侧流低压传热液。
5.如权利要求1或2所 出机械功和深冷冷量。
6.如权利要求1或2所述的冷态发动机，其中，在膨胀机和汽化器之间至少要安装一个高压工质泵来将膨胀机出口的工质升压，泵回汽化器。
7.如权利要求1或2所述的冷态发动机，其中，在汽化器和膨胀机之间连通安装一个储罐来增大容积和过热蒸汽。
8.如权利要求1所述的冷态发动机，其中，用单原子气体(如氮气，氦气)或其混合物(如空气)或双原子气体(如二氧化碳)做工质。
9.如权利要求1或2所述的冷态发动机，其中，需一次性加注深冷液体或高压气体做工质和启动动力。
10.如权利要求1或2所述的冷态发动机，其中，采用工质气-液相变循环技术。
11.如权利要求10所述的冷态发动机，其中，循环的工质初压参数(PI)要根据气态工质的液化温度(T2)来设定，并采用大膨胀比(PI:P2 = 120 - 150)。
12.如权利要求1至11中任一所述的冷态发动机，其中，采用由第一级循环和第二级循环组成的无霜两级换热循环技术，第一级循环由汽化器、膨胀机、工质泵组成，第二级循环由汽化器、空气换热器、循环泵组成。
13.如权利要求12所述的冷态发动机，其中，第一级循环和第二级循环通过汽化器偶联组成。
14.如权利要求12或13所述的冷态发动机，其中，用水或低冰点防冻液做传热液。
15.如权利要求14所述的冷态发动机，其中，空气换热器的工作温度通过调节第二循环中传热液的循环流量来达到。
16.如前述权利要求中任一项所述的冷态发动机，其中，膨胀机、工质泵及其连接管的外表面都包覆绝热层，以降低传热。
17.如前述权利要求中任一项所述的冷态发动机，其中，高压膨胀机输出的机械功可直接用作车，船，飞行器和多种机械的动力，还可进一步转化为电能，热能利用。
18.如权利要求17所述的冷态发动机，其中，该膨胀机是一款高压膨胀机，其输出的机械功，因为耗散效应，功将变为废热释放到大气中，而大气热能又能被本发明吸收利用，因此形成热能循环利用方法。
19.如前述权利要求中任一项所述的冷态发动机，其中，可用作钢铁厂、水泥厂等工业耗能大户的供能装置，并且是采用闭式热能循环利用方法。
20.如前述权利要求中任一项所述的冷态发动机，其中，高压膨胀机输出的深冷冷量(_196°C~-210°C )，采用相应的换热技术和装置可以实现深冷冷量的分级利用(空调，20 - 25 °C，冰箱，4~-80°C，材料深冷处理，-120°C~_160°C，空气液化，-196 °C~_21 (TC )，因此可制成多种制冷设备。
21.如前述权利要求中任一项所述的冷态发动机，其中，根据用途，所述装置的规模大小可根据需要设计，可设计制造成便携式电源、大型电站，还可制成每户一台的供能、产水、空调制冷等多功能装置。
22.如前述权利要求中任一项所述的冷态发动机,其中，该换热器是一款空气换热器，能产生大量冷凝水，收集纯化处理即为优质淡水，因此可制成空气水生产设备，淡水应用后排入环境，蒸发进入大气，形成良好的水循环。
23.如权利要求22所述的冷态发动机，其中，空气通过换热器后，空气中的水汽变为冷凝水，空气变为干空气，因此具有除湿功能，可制成多种除湿器。
24.如前述权利要求中任一项所述的冷态发动机，其中，该装置能利用水体(如，江，河，湖，海)热能做功，因此能制成舰船，潜水艇等的动力装置。
25.如权利要求1或18所述的冷态发动机，其中，高压膨胀机由缸筒、活塞轮、带状密封环、轴、轴承座、端盖第组成，缸筒上有工质流体进口，出口和串联连接管，进口和出口的根部变粗。
26.如权利要求25所述的冷态发动机，其中，活塞轮上有一圈或多圈蜂巢状腔室作活塞腔，多圈活塞腔串联使用可以获得做功的足够位移。
27.如权利要求26所述的冷态发动机，其中，单一活塞腔容积设计成尽可能小并且每个腔容积相等，推力面面积设计成尽可能大。
28.如权利要求27所述的冷态发动机，其中，高压膨胀机的做功位移长度要根据膨胀机出口的工质终压(P2)接近于零来设计。
29.如权利要求25至28中任一所述的冷态发动机，其中，活塞轮在缸筒内转动，缸筒内壁与活塞轮外表面形成一个摩擦表面。
30.如权利要求25至28中任一所述的冷态发动机，其中，每个活塞腔都有一个开口，口部有带状密封环安装槽，带状密封环一圈呈U型断面夹层，具有自密封功能。
31.如权利要求25所述的冷态发动机，其中，活塞腔包括一个带状自密封环，其安装在活塞腔口部外圆面槽中，与缸筒内壁呈精密配合，自密封环与活塞轮通过定位键固定。
32.如权利要求25所述的冷态发动机，其中，带状自密封环是开口环，端头呈槽榫连接，榫的两侧有小弹簧片。
33.如前述权利要求中任一项所述的冷态发动机，其中，膨胀机还可用在将有压流体压力能转化为机械功或扭矩输出的领域。
34.一种利用空气热能输出动力、制冷、淡水的方法由两级循环组成，第一级循环和第二级循环所使用的组件如权利要求1所述，第一级循环使用的组件包括； 膨胀机一用高压蒸汽输出功和冷量， 汽化器一内装深冷工质，产生高压蒸汽， 工质泵一安装在膨胀机和汽化器之间，将膨胀机出口的低压工质升压泵回汽化器， 第二级循环使用的组件包括； 汽化器， 空气换热器一与环境空气进行换热， 循环泵一安装在汽化器与空气换热器之间， 其特征是；膨胀机，汽化器，工质泵，空气换热器和循环泵相互流通可操作连接组成， 第一级循环和第二级循环的组成方法是； 在第一级循环，深冷液态工质吸热汽化，膨胀为高压蒸汽，进入膨胀机经历绝热膨胀，输出机械功和深冷冷量，高压蒸汽发生绝热焓降，压力和温度呈正比地大幅降低，直至液化为深冷液体，深冷液体被工质泵升压泵回汽化器， 在第二级循环，汽化器是第一级循环和第二级循环的共用组件， 来自汽化器的冷传热液循环到空气换热器与环境空气换热，空气热能被吸收，温度下降变为冷空气，传热液吸热变为暖液体，暖的传热液循环到汽化器进行换热，深冷工质吸热汽化为高压暖蒸汽，传热液热量被吸收，温度下降变为冷液体。
35.如权利要求1所述的高压膨胀机，其中，膨胀机有一个筒状缸体，内部安装至少一个活塞轮，活塞轮上有多圈活塞腔，高压流体冲入活塞腔，推动活塞轮转动，输出机械功。
36.冷态发动机或装置或膨胀机的实质性描述还应参考相关附图。
【文档编号】F03G7/04GK103930672SQ201280055288
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2012年11月15日 优先权日:2011年11月16日
【发明者】刘金阳 申请人:刘金阳