热的制造方法

热的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及热机领域，具体而言，涉及热机。该热机包括：热源入口、竖直设置的主流管、竖直设置的回流管，第一逆流换热器、第二逆流换热器、回热水泵、第一散热器、第二散热器和叶轮机；主流管内充有第一液体工质；回流管内充有第二液体工质；第一液体工质的比热容与第二液体工质的膨胀系数的乘积小于第二液体工质的比热容与第一液体工质的膨胀系数的乘积；第一逆流换热器和第二逆流换热器分别连接主流管和回流管；回热水泵设置在回流管上；第一散热器设置在主流管上；第二散热器设置在回流管上；叶轮机设置在主流管内。本实用新型提供的热机，实现余热的回收再利用，只有一小部分无法再回收利用的余热被散热器散出，大大提高对能量的利用率。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及热机领域，具体而言，涉及热机。 热机

【背景技术】
[0002] 热机在人类生活中发挥着重要的作用，其可以将燃料的化学能转换为内能再转换 为机械能的设备。
[0003] 相关技术中的热机，以蒸汽轮机为例进行说明，蒸汽轮机通常包括通过管道依次 连接的锅炉、过热器、多级汽轮机及冷凝器，燃烧室为锅炉提供热量，锅炉内的水受热，当温 度压力达到一定程度后成为高压饱和蒸汽，使得燃烧室内的燃料的化学能转变为了水的热 能；高压饱和蒸汽通过锅炉与过热器之间的管道进入过热器，过热器对高压饱和蒸汽继续 加热，形成过热蒸汽，过热蒸汽和周围环境由于温度的原因形成压力差，存在压力差时，处 于不稳定状态，使过热蒸汽经过多级汽轮机向趋向于稳定状态，从而带动多级汽轮机转动 做功使水的热能转化为多级汽轮机的动能，多级轮机包括第一级轮机和第二级轮机等，各 级轮机之间通过轮机管道连接。在流动过程中，蒸汽是在不断的膨胀中推动多级汽轮机做 功的，而不断的膨胀过程又是降温过程，降温的过程也是过热蒸汽趋向于稳定状态的过程， 膨胀后的带有余热的废汽经过冷凝器降温冷凝成水，达到稳定状态，经过冷凝器之后的水 通常需要通过将一部份蒸汽抽到回热器来加热冷凝后的水来实现余热的回收，再使用高压 泵将水送回锅炉使用从而进行下一个循环，再次回到锅炉内的水只需补充少量的热量就可 达到其膨胀温度。
[0004] 但是，相关技术中的热机，在热能转化为机械能的过程中，大量的没有被转化为有 用功的那部份热能，在膨胀做功的同时也被膨胀成了不可逆状态，因为是不可逆状态，所以 就无法把大量的余热回收回来；另一方面，余热回收的过程是必须在蒸汽做功的同时进行 的，且还必须要经历一段不可逆的发展过程才能回收一部分，这种回收方式必然会使余热 回收困难而且回收效率低下，因此相关技术中热机效率低。 实用新型内容
[0005] 本实用新型的目的在于提供热机，以解决上述的问题。
[0006] 在本实用新型的实施例中提供了一种热机，该热机包括：热源入口、坚直设置的主 流管、坚直设置的回流管，第一逆流换热器、第二逆流换热器、回热水泵、第一散热器、第二 散热器和叶轮机；主流管内充有第一液体工质；回流管内充有第二液体工质；第一液体工 质的比热容与第二液体工质的膨胀系数的乘积小于第二液体工质的比热容与第一液体工 质的膨胀系数的乘积；第二液体工质用于吸收和传递第一液体工质的热量；第一逆流换热 器和第二逆流换热器分别连接主流管和回流管；第一逆流换热器用于将第一液体工质的热 量通过逆流的方式传递给第二液体工质，第二逆流换热器用于将第二液体工质的热量通过 逆流的方式传递给第一液体工质；回热水泵设置在回流管上，回热水泵用于控制回流管内 的第二液体工质的流动方向与第一液体工质的流动方向相反；第一散热器设置在主流管 上；第二散热器设置在回流管上；热源入口用于为主流管内的第一液体工质提供热量，叶 轮机设置在主流管内。
[0007] 优选地，主流管包括两条横管和两条坚管，热源入口设置在一条坚管的底端。
[0008] 进一步地，该热机，还包括：控制装置、第一温度监控装置、第二温度监控装置，第 一流速监控装置和第二流速监控装置；
[0009] 第一温度监控装置设置在第一逆流换热器中的主流管内，用于监测第一液体工质 的温度；第二温度监控装置设置在第一逆流换热器中的回流管内，用于监测第二液体工质 的温度；第一流速监控装置设置在主流管内，用于监测第一液体工质的流速；第二流速监 控装置设置在回流管内，用于监测第二液体工质的流速；控制装置分别与第一温度监控装 置、第二温度监控装置，第一流速监控装置、第二流速监控装置和回热水泵连接；控制装置 根据第一温度监控装置、第二温度监控装置，第一流速监控装置和第二流速监控装置获取 的监控结果控制回热水泵的转速。
[0010] 优选地，第一逆流换热器和第二逆流换热器均为多个。
[0011] 进一步地，该热机，还包括储藏室和第一液体工质泵，储藏室与主流管连通，储藏 室用于存储主流管内排出的第一液体工质，储藏室与主流管之间还设置有第一液体工质 泵，第一液体工质泵用于将主流管内的第一液体工质抽出至储藏室或将储藏室内的第一液 体工质压入主流管内。
[0012] 进一步地，该热机，还包括间隙室和气泵，间隙室与主流管连通，气泵与间隙室连 通，间隙室为主流管内的第一液体工质因温度变化引起的体积变化和/或气压变化提供缓 冲空间。
[0013] 进一步地，该热机，还包括压控器和第二截止阀，压控器的一端连接间隙室，另一 端连接气泵，间隙室和气泵之间还设置有第二截止阀，压控器用于监测间隙室内的气压；第 二截止阀用于在气泵停止工作时，截断气泵与间隙室之间的气体交换通道。
[0014] 进一步地，该热机，还包括第二温控器；第二温控器的一端连接主流管，另一端连 接热源入口，第二温控器用于根据主流管的温度控制热源入口的热量供应。
[0015] 优选地，第一液体工质为制冷剂；第二液体工质为水。
[0016] 本实用新型上述实施例的热机，主流管内充有第一液体工质，回流管内充有第二 液体工质，并且第一液体工质的比热容与第二液体工质的膨胀系数的乘积小于第二液体工 质的比热容与第一液体工质的膨胀系数的乘积，第一逆流换热器和第二逆流换热器分别连 接主流管和回流管，实现主流管与回流管之间的热量传递，第一液体工质在热源入口的作 用下受热后膨胀，经过第一逆流换热器，将热量传递至回流管内的第二液体工质，经过第一 逆流换热器前后的第一液体工质由于受热膨胀在两侧产生密度差而产生压力差，在压力差 的作用下推动叶轮机转动做功，当第一液体工质流至第一逆流换热器之后还需要利用第一 散热器将第一液体工质的余热散去，另外第二液体工质接收热量后，在回热水泵的作用下 开始沿着与第一液体工质流动方向相反的方向流动，当第二液体工质流出第二逆流换热器 之后还需要利用第二散热器将第二液体工质的余热散去，通过第二逆流换热器的第一液体 工质和第二液体工质再次进行热量传递，使得由第二液体工质吸收的热量再次被第一液体 工质利用，进而完成第一液体工质循环一周。分析上述过程可知，本实用新型提供的热机中 第一液体工质吸收的热量，一部分转换为叶轮机的机械能，另一部分是没有做功的余热，该 部分余热并没有向不可逆方向发展，而是通过第一逆流换热器传递给第二液体工质，最后 又由第二液体工质传递给第一液体工质，实现了转为多次传递且多次回收利用的热量，最 后该部分热量仍被第一液体工质所吸收继续做功，从而实现余热的回收再利用，只有一小 部分无法再回收利用的余热被散热器散出，大大提高了对能量的利用率。

【专利附图】

【附图说明】
[0017] 图1示出了本实用新型提供的热机的立体结构示意图；
[0018] 图2示出了本实用新型提供的热机的结构原理示意图。

【具体实施方式】
[0019] 下面通过具体的实施例子并结合附图对本实用新型做进一步的详细描述。
[0020] 结合图1和图2,在本实用新型的实施例中提供了一种热机，该热机包括：热源入 口 1、坚直设置的主流管2、坚直设置的回流管3,第一逆流换热器4、第二逆流换热器5、回 热水泵7、第一散热器8、第二散热器9和叶轮机6 ;主流管2内充有第一液体工质；回流管 3内充有第二液体工质；第一液体工质比热容与第二液体工质的膨胀系数的乘积小于第二 液体工质的比热容与第一液体工质的膨胀系数的乘积；第二液体工质用于吸收和传递第一 液体工质的热量；第一逆流换热器4和第二逆流换热器5分别连接主流管2和回流管3 ;第 一逆流换热器4用于将第一液体工质的热量通过逆流的方式传递给第二液体工质，第二逆 流换热器5用于将第二液体工质的热量通过逆流的方式传递给第一液体工质；回热水泵7 设置在回流管3上，回热水泵7用于控制回热水泵7内的第二液体工质的流动方向与第一 液体工质的流动方向相反，第一散热器8设置在主流管2上；第二散热器9设置在回流管3 上；热源入口 1用于为主流管2内的第一液体工质提供热量，叶轮机6设置在主流管2内。
[0021] 本实用新型提供的热机的工作原理是利用第一液体工质在主流管2中两侧即热 源入口侧和叶轮机侧所产生密度差而使主流管2的两区域形成压力差，从而在压力差的作 用下推动第一液体工质在主流管2中流动，即自然对流来实现第一液体工质的热能与叶轮 机6的机械能的转换。
[0022] 具体地，热机是利用密度差Λ p在重力的影响下所形成的压力差F来工作的， 且回流管和主流管中推动工质流动的压力比就是回流管两侧的压力差除以主流管两侧的 压力差。由于回流管和主流管的断面积S和高度h可以均相等，则有F 2/Fi= Ap2ghS/ Λ PighS，所以，Fl/F2 = Λ pl/Λ p2,其中Fi表示主流管的压力，F2表示回流管的压力， Λ P i表示主流管内两侧的密度差；Λ p 2表示回流管内两侧的密度差。
[0023] 在实际应用中，主流管2和回流管3均为坚直设置，且坚直高度相等。通常，主流 管2内充有第一液体工质，该第一液体工质可以是一定压力下的制冷剂，该制冷剂可以是 134a或R22,通常制冷剂的沸点均为零下，因此在常温下会沸腾为气态，因此需要在常温下 进行加压，以使第一液体工质为液态；当然，还可以通过改变环境温度，以使第一液体工质 在该环境温度下为液态，在实际应用过程中，采用制冷剂的膨胀率大且其比热容小，以及其 液态下的密度较大等特性，将其作为第一液体工质便于实现本实用新型提供的主流管2内 的第一液体工质产生较大膨胀，对叶轮机6做功。
[0024] 但是，考虑了实际情况，制冷剂在常温下，该常温可以理解为25±5摄氏度，由于 在常温下制冷剂为汽态，因此为了使得制冷剂处于液态，需要使用气泵12对主流管2内加 压，使得内部的制冷剂为液态，另外还可以通过温控器对主流管2内的第一液体工质的温 度进行控制，以防止其超过临界温度沸腾而使热机效率变低，具体地，温控器包括温度传感 器和温控线，温度传感器设置在主流管2内，感应主流管2内的实时温度，获取第一液体工 质的温度信号，并将该温度信号经过温控线传递至热源入口 1处，控制热源入口 1流过流体 的速度，以使热源入口 1提供的热量可以使得主流管2内的第一液体工质的温度置于其临 界温度下且高于环境温度。
[0025] 当第一液体工质在能量输入区域内受热膨胀后，与在能量输出区域内常温的第一 液体工质产生压力差，从而顺时针循环，当第一液体工质经过第一逆流换热器4,第一逆流 换热器4分别连接主流管2和回流管3,使得主流管2内的第一液体工质的热量传递至回流 管3内的第二液体工质，且第一液体工质经过第一逆流换热器4后温度下降，接近常温，流 出第一逆流换热器4的第一液体工质经过第一散热器8散去其余热，使得第一液体工质处 于常温的稳定状态，在能量输入区是热源入口的热能转化为势能的阶段，能量输出区是势 能转化为叶轮机的动能的阶段，能量输出区的第一液体工质在压力差的作用下，第一液体 工质向下运动，推动位于能量输出区域的叶轮机6转动做功。与此同时，第二液体工质接收 第一液体工质的热量后，在回热水泵7的作用下使得回流管3内的第二液体工质的流向与 第一液体工质的流向相反。第二液体工质吸收了第一液体工质的几乎全部热量，这可以通 过控制第一逆流换热器4的换热面积使得第二液体工质吸收第一液体工质的热量。
[0026] 在实际应用中，为了将主流管2内的余热散尽，可以选择设置多个第一散热器8， 当然对于回流管3内的余热，也可以选择设置多个第二散热器9,且第一散热器8和第二散 热器9的设置位置在此不做具体限定，只要将主流管2和回流管3内的余热散尽即可，以使 本实用新型提供的热机处于稳定安全的工作状态。
[0027] 第二液体工质吸收第一液体工质的热量后，逆时针流动，至第二逆流换热器5后， 第一液体工质做功之后也流至第二逆流换热器5,在第二逆流换热器5处，第一液体工质经 过第一散热器8后，其温度是常温，而第二液体工质由于吸收了第一液体工质的热量，使其 温度接近于能量输入区域的第一液体工质的温度，从而在第二逆流换热器5处，第一液体 工质的和第二液体工质实现再次交换热量，使得接近常温的第一液体工质吸收第二液体工 质的热量，使得在第一液体工质再次流动至热源入口 1处时，除了做功的损失外，其热量损 失很小，从而热源入口 1只需补充较少的热量，就可以使得第一液体工质再次膨胀，通过第 二液体工质吸收第一液体工质的热量，并最后将其吸收的热量再次交换给第一液体工质， 使得第一液体工质再次到达热源入口 1处后，只需补充较少的热量即可进行下一次循环， 实现对叶轮机6的再次做功。
[0028] 在实际应用中，为了减少第一液体工质的温降所带来的不可逆损失，需要第一液 体工质和第二液体工质的流速比满足一定的要求，具体地，本实用新型提供的热机中，最理 想的状态下，主流管2中的第一液体工质释放的热量和回流管3内的第二液体工质吸收的 热量相等且变化温度相等。即在第一逆流换热器4中第一液体工质释放的热量等于 第二液体工质吸收的热量，S卩：Q热== c2m2At2，其中，Q热为热量，Cl为第一液体工 质的比热容，1?为流经第一逆流换热器4的第一液体工质的质量，Λ ^为第一液体工质在 第一逆流换热器4的入口与出口的温度差，c2为第二液体工质的比热容，m2为流经第一逆 流换热器4的第二液体工质的质量，Λ t2为第二液体工质在第一逆流换热器4的入口与出 口的温度差；由于采用逆流换热器，在第一液体工质和第二液体工质的流速满足一定要求 时，在理想状态下Δ1^= At2,又由于m= pV;V = stvs，其中，m为质量，P为密度，V为 体积，s为主流管2或回流管3的断面积，t为液体流经第一逆流换热器4的时间，v s为液 体流经断面积的速度；由于主流管2与回流管3为相同的环形管道，故两个管道的断面积s 相等。代入Q热=。典Δ心=c2m2 Δ t2得至lj，q p ptVu Δ心=c2 p 2stvs2 Δ t2,简化公式为： ci P ivsi = c2 P We ;为了达到Δ ti = Δ h这个条件，第一液体工质和第二液体工质的流速 比为：f = 其中，P 1是第一液体工质的密度，P 2是第二液体工质的密度，vsl为第 一液体工质流经第一逆流换热器4的速度，也就是第一液体工质的流速，vs2是第二液体工 质流经第一逆流换热器4的速度，也就是第二液体工质的流速。
[0029] 根据上述对流速和压力差的分析可知，本实用新型提供的热机的 回热损失功率是采用第二液体工质将第一液体工质的余热再次输送回来的 过程中所产生的功率损失，热机的回热损失功率与主流管的输出功率比为 P回损= ^) = q'A'tP2。 c2-p2 ·Δρ, ΔA/ / Pi
[0030] 因为：-/，其中，av2表不第二液体工质的膨胀系数；avl表不第一液体工 ?ν? ΔΑ/ At 质的膨胀系数； Ap2
[0031] 化简得= A
[0032] 代入 '
[0033] 得到：A:. =/5: : G 。
[0034] 必须指出的是，这个公式是决定热机效率的关键内因，也是筛选最佳液体工质的 公式，如果比值等于1的话，那么系统对外不做功，输出功率为零。
[0035] 在实际应用中，在确定第一液体工质和第二液体工质后，即可以计算得到理想状 态下的流速比，为了使得第一液体工质和第二液体工质的流速比满足一定的要求，可以在 回流管3上设置回热水泵7,回热水泵7分别连接第一逆流换热器4和第二逆流换热器5， 以通过回热水泵7控制第二液体工质在回流管3内的流速，使得第一液体工质和第二液体 工质的流速比满足要求。
[0036] 采用回热水泵7控制回流管3内第二液体工质的流速，进而控制第一液体工质和 第二液体工质的流速比满足一定的要求，减少第一液体工质的温降，从而最大限度的减少 了不可逆的发生，达到了实现第一液体工质能量利用率的最大化。
[0037] 具体地，本实用新型还包括第一散热器8和第二散热器9,第一散热器8用于将主 流管2内的第一液体工质经过第一逆流换热器4后残存的余热散去，第二散热器9用于将 回流管3内的第二液体工质经过第二逆流换热器5后残存的余热散去，在实际应用过程中， 第一液体工质流出第一逆流换热器4后仍含有一定的余热，第一液体工质和第二液体工质 只有存在温差，第一逆流换热器4才可以工作，因此第一液体工质流出第一逆流换热器4后 是略高于常温的，这个温差是不可消除的，因此为了保证热机工作的长久性及稳定性，需要 通过第一散热器8将余热散去，否则经过一段时间的积累，热机可能发生热平衡而崩溃，为 了避免热机崩溃，可以选择利用第一散热器8将该余热散去，其中第二散热器9的工作原理 及作用与第一散热器8的工作原理及作用类似，在此不再赘述。
[0038] 本实用新型提供的热机，主流管2内充有第一液体工质，回流管3内充有第二液体 工质，并且第一液体工质的比热容与第二液体工质的膨胀系数的乘积小于第二液体工质的 比热容与第一液体工质的膨胀系数的乘积，第一逆流换热器4和第二逆流换热器5分别连 接主流管2和回流管3,实现主流管2与回流管3之间的热量传递，第一液体工质在热源入 口 1的作用下受热后膨胀，经过第一逆流换热器4,将热量传递至回流管3内的第二液体工 质，经过第一逆流换热器4前后的第一液体工质由于受热膨胀产生密度差而产生压力差， 在压力差的作用下推动叶轮机6转动做功，当第一液体工质流至第一逆流换热器4之后还 需要利用第一散热器8将第一液体工质的余热散去，另外第二液体工质接收热量后，在回 热水泵7的作用下开始沿着与第一液体工质流动方向相反的方向流动，当第二液体工质流 出第二逆流换热器5之后还需要利用第二散热器9将第二液体工质的余热散去，通过第二 逆流换热器5第一液体工质和第二液体工质再次进行热量传递，使得由第二液体工质吸收 的热量再次被第一液体工质利用，进而完成第一液体工质循环一周。分析上述过程可知，本 实用新型提供的热机中第一液体工质吸收的热量，一部分转换为叶轮机6的机械能，另一 部分是没有做功的余热，该部分余热并没有向不可逆方向发展，而是通过第一逆流换热器4 以可逆的形式传递给第二液体工质，最后又由第二液体工质通过第二逆流换热器5以可逆 的形式传递给第一液体工质，实现了转为多次传递且多次回收利用的热量，最后该部分热 量仍被第一液体工质所吸收，从而实现余热的回收再利用，只有一小部分无法再回收利用 的余热被散热器散出，大大提高了对能量的利用率。
[0039] 在逆流换热器中，由于其中的一个液体工质是依次与另一个具有无限多个温度逐 渐升高的液体工质进行较缓慢的热交换，在足够的条件下最终两者会达到热平衡，所以，只 要有足够的换热面积，理论上这种换热是可逆的，在实际中这种换热方式可以大大的减少 温降带来的不可逆损失，所以采用逆流换热器可以大量地回收余热，进而提高热机的热效 率。
[0040] 具体地，以第一逆流换热器4来进行说明，主流管2内的第一液体工质与具有无限 多个温度逐渐升高的第二液体工质进行缓慢的热交换，因此，只要第一逆流换热器4具有 足够大的换热面积，理论上第一液体工质和第二液体工质的换热是可逆的，采用第一逆流 换热器4可以将第一液体工质的余热大量地被第二液体工质回收，第二逆流换热器5与第 一逆流换热器的工作原理相同，第一逆流换热器4和第二逆流换热器5均可以大量地回收 余热，从而大大提高热机的热效率。
[0041] 为实现上述目的，还可以按照顺时针方向上，分别在第二逆流换热器5与第一逆 流换热器4之间的主流管2与回流管3上设置保温层，还可以根据实际需要选择保温层的 设置位置，在此不再一一列举。
[0042] 优选地，主流管2包括两条横管和两条坚管，热源入口 1设置在一条坚管的底端。
[0043] 在实际应用中，由于热机是利用两条坚管内的密度差在重力的影响下形成的压强 差来工作的，根据P= pgh= (Pn-P12) Dgh可知，其中Pll表示坚管内的右侧的密度， p 12表示坚管内的左侧的密度，在密度差（或者温度）一定的情况下，提高高度（理论上在 重力场范围之内），可以提商压强差，从而提商转换效率，所以为了提商商度，减少使用大量 金属导热，采用另一种液体工质在损失较小的情况下将余热输送回来，尽管有一定的损失， 但使热机实现了现实化、规模化、功率化，输送回余热的损失称回热损失，由于回热工质，即 第二液体工质的热膨胀系数、比热不同而产生的效果大不相同。
[0044] 进一步地，该热机，还包括：控制装置、第一温度监控装置、第二温度监控装置，第 一流速监控装置和第二流速监控装置；
[0045] 第一温度监控装置设置在第一逆流换热器中的主流管2内，用于监测第一液体工 质的温度；第二温度监控装置设置在第一逆流换热器中的回流管3内，用于监测第二液体 工质的温度；第一流速监控装置设置在主流管2内，用于监测第一液体工质的流速；第二流 速监控装置设置在回流管3内，用于监测第二液体工质的流速；控制装置分别与第一温度 监控装置、第二温度监控装置，第一流速监控装置、第二流速监控装置和回热水泵7连接； 控制装置根据第一温度监控装置、第二温度监控装置，第一流速监控装置和第二流速监控 装置获取的监控结果控制回热水泵7的转速。
[0046] 在实际应用中，由于第一液体工质流速较快，回热水泵7必需要有较好的灵敏度 来调整回流管3内的流速来满足主流管2内的第一液体工质和回流管3内的第二液体工质 的流速比。
[0047] 为了实现较高效率的余热回收，需要严格控制第一逆流换热器内第一液体工质和 第二液体工质的温差、第一液体工质和第二液体工质的流速比。因此，本实用新型提供的热 机还设置有第一流速监控装置、第二流速监控装置、第一温度监控装置、第二温度监控装置 和控制装置。
[0048] 其中，第一流速监控装置和第二流速监控装置可以是流速计，还可以是其他进行 流速监控的设备；第一温度监控装置和第二温度监控装置可以是温度传感器，还可以是其 他温度监控设备。控制装置可以是反馈控制设备，还可以是由各个电路元件组成的控制电 路，还可以是其他的机械控制装置。
[0049] 其中，第一温度监控装置设置在第一逆流换热器中的主流管2内，用于监测第一 液体工质的温度，第二温度监控装置设置在第一逆流换热器中的回流管3内，用于监测第 二液体工质的温度。第一流速监控装置设置在主流管2内，用于监测第一液体工质的流速。 第二流速监控装置设置在回流管3内，监测第二液体工质的流速。
[0050] 控制装置分别与第一温度监控装置、第二温度监控装置，第一流速监控装置，第二 流速监控装置和回热水泵7连接，当第一液体工质的温度与第二液体工质的温度的差值大 于预设的温度差时，控制装置加快回热水泵7的转速，增加第二液体工质的流速；当第一液 体工质的流速与第二液体工质的流速的比值低于预设的第一流速比值时，控制装置控制回 热水泵7降低转速，降低第二液体工质的流速；当第一液体工质的流速与第二液体工质的 流速的比值高于预设的第二流速比值时，控制装置控制回热水泵7提高转速，增加第二液 体工质的流速，以使它们始终处于预设比值，最大限度地减小温降带来的不可逆损失。第 一流速比值和第二流速比值分别为最优的第一液体工质的流速与第二液体工质的流速的 比值范围的下限和上限。
[0051] 为了使热量最大限度的回收回来，回流管3的出口温度最大限度的接近主流管2 的入口温度，主流管2每释放或吸收1°C，回流管3就必须上升或下降1°C来减少温降。也 就是说主流管2和回流管3的变化温度At必须相等。所以为了保证把热量最大限度的回 收回来，减少温降，就必须控制它们的流量比，在一定范围内对第一液体工质和第二液体工 质之间的流速进行严格的调控。
[0052] 优选地，第一逆流换热器4和第二逆流换热器5均为多个。
[0053] 在本实用新型提供的热机的效率损失来自于两个方面，即余热损失和回热损失 (不考虑正常的散热损失，液体受压缩产生体积变化而引起温度变化的损失、摩擦损失等， 这部分的热量损失总和较小，可以忽略）。
[0054] 热机的余热损失是由第一散热器8和第二散热器9带来的，而这部分热量是由第 一逆流换热器4和第二逆流换热器5不能回收的热量，因此第一散热器8和第二散热器9 的余热损失取决于第一逆流换热器4和第二逆流换热器5的效率，为了降低余热损失，可以 提高第一逆流换热器4和第二逆流换热器5的换热效率，具体可以采用加大换热面积或选 择适当的导热材料等，从而使得第一散热器8和第二散热器9的余热损失理论上接近0,但 永远不会为0。
[0055] 具体地，在第一逆流换热器4和第二逆流换热器5的参数相同时，两个逆流换热器 排放的热量相同，从而被第一散热器8和第二散热器9产生的余热损失也相同。假设主流 管2和第一散热器8的管径相同，均为R，第一散热器管径截面的面积为S，主流管2内的第 一液体工质的流速为V，第一液体工质流出第一逆流换热器4后的密度为P，因此可知每秒 第一散热器的第一液体工质的质量为q = S □ V □ P，若第一液体工质的比热容为C，第一 液体工质流出第一逆流换热器4的温度与常温下的第一液体工质的温度差为Λ t，那么流 过第一散热器8的余热损失功率为：SDVDpDCDAt第一散热器8和第二散 热器9的余热损失功率相同，则热机的总体的余热损失为2Pf ffi。
[0056] 进一步地，该热机，还包括储藏室10和第一液体工质泵，储藏室10与主流管2连 通，储藏室10用于存储主流管2内排出的第一液体工质，储藏室10与主流管2之间还设置 有第一液体工质泵，第一液体工质泵用于将主流管2内的第一液体工质抽出至储藏室10或 将储藏室10内的第一液体工质压入主流管2内。
[0057] 在实际应用过程中，第一液体工质可以是制冷剂，储藏室10内为一定压力下的密 闭空间，在维修和紧急情况下，可以通过第一液体工质泵，将主流管2内的制冷剂排至储藏 室10内进行存储，防止主流管2出现大规模制冷剂排出，不能再利用，造成制冷剂的浪费； 另外在排出热机的故障之后，还可以通过第一液体工质泵将储藏室10内的制冷剂再次压 入到主流管2内，使得热机进入工作状态。在实际应用中，为了有效控制压入或抽出制冷剂 的时机，可以设置截止阀，控制储藏室10和主流管2之间的输送管道的通断，通过截止阀和 第一液体工质泵共同作用控制制冷剂的压入或抽出。
[0058] 通过设置储藏室10,可以实现对制冷剂的存储再利用，便于热机的维修和维护。
[0059] 进一步地，该热机，还包括间隙室11和气泵12,间隙室11与主流管2连通，气泵 12与间隙室11连通，间隙室11为主流管2内的第一液体工质因温度变化引起的体积变化 和/或气压变化提供缓冲空间。
[0060] 为了进一步控制主流管2内的气压，使得主流管2内的制冷剂一直处于液态，本申 请还可以包括间隙室11和气泵12,间隙室的作用是为第一液体工质因温度变化引起的体 积变化或气压提供缓冲空间。通常间隙室11内为空气，间隙室11可以为主流管2内的制 冷剂提供热胀冷缩的活动空间以及主流管2内的气压和主流管2内的第一液体工质提供缓 冲的作用，保证主流管2的正常工作。
[0061] 需要说明的是，主流管2内的第一液体工质可以在首次充入后，就进行热胀冷缩 的测试，将主流管2内的第一液体工质的体积无论是常温或膨胀后的体积均可以维持主流 管2的正常工作。
[0062] 进一步地，该热机，还包括压控器和第二截止阀，压控器的一端连接间隙室11，另 一端连接气泵12,间隙室11和气泵12之间还设置有第二截止阀，压控器用于监测间隙室 11内的气压；第二截止阀用于在气泵12停止工作时，截断气泵12与间隙室11之间的气体 交换通道。
[0063] 具体地，压控器用于检测间隙室11内的气压，由于间隙室11与主流管2连通，压 控器可以间接检测主流管2内的气压，当主流管2的气压降低，使得主流管2内的制冷剂将 要沸腾时，需要将截止阀打开，将气泵12内的气体通过间隙室11充入主流管2内，以增强 主流管2内气压，以使主流管2内的制冷剂处于液态，正常工作。
[0064] 通过设置压控器，可以对间隙室11内的气压量化，便于通过气泵12对间隙室11 内的气压进行精确地控制，避免热机无法正常工作的情况，提高了热机的稳定性。
[0065] 进一步地，该热机，还包括第二温控器，第二温控器的一端连接主流管2,另一端连 接热源入口 1，第二温控器用于根据主流管2的温度控制热源入口 1的热量供应。
[0066] 在实际应用中，热源入口 1可以是导热板和热流，通过第二温控器连接主流管2， 对主流管2内的第一液体工质的温度进行检测，当第一液体工质的温度较低，可能是由于 热源入口 1的热量不足，此时可以通过第二温控器连接的导热板来改变热源入口 1所提供 的热量供应，具体地可以是通过控制导热板上流过的热流的速度来实现，流速越快，单位时 间内流过的热流越多，热源入口 1提供的热量可能就越多，还可以采用其他增加或降低热 源入口 1的热量供应的方式，在此不再一一列举，控制热源入口 1的热量供应可以有效避免 出现第一液体工质超出临界温度而沸腾的情形，使得第一液体工质的工作温度较为稳定， 安全性高。
[0067] 优选地，第一液体工质为制冷剂；第二液体工质为水。
[0068] 采用制冷剂作为第一液体工质，水作为第二液体工质，可以大大降低成本，容易实 现。
[0069] 下面以实际例子对本实用新型提供的热机效率进行进一步地说明。
[0070] 在实际应用中，由于第一液体工质的比热容或密度在不同的温度和压力下会有较 大的变化，在第一逆流换热器4和第二逆流换热器5内的温度也是变化的，因此在实际计算 过程中，有必要取中间值来预测实际结果。
[0071] 具体地，假设余热温度为95°C环境温度为25°C，把制冷剂134a作为第一液体工 质，它的比热容是：25°C /1435焦耳每千克开尔文，95°C /3424焦耳每千克开尔文，取中间 值2430焦耳每千克开尔文；25°C时的密度为：1206千克每立方米，95°C时的密度为：790 千克每立方米，取中间值998 ;把水作为第二液体工质，水在这个阶段内的比热容变化较 小，取水的比热容为4200焦耳每千克开尔文，25°C时的密度是：997千克每立方米，95°C 时的密度是：962千克每立方米，取中间值980,那么回热损失功率和主流管输出功率的 P . P _ 6.2 ,'2 Α,'Ι hk Μ, · ^水? ^制冷剂 _ ~7T- crPrm. =2430 χ 998 x (997-962)/4200 χ 980 χ (1206-790)=0.05。
[0072] 在另一个实例中，以海水温差5°C -25°C为例，把制冷剂134a作为第一液体工 质，它的比热容是：5°C /1343焦耳每千克开尔文，25°C /1435焦耳每千克开尔文，取中间 值1389焦耳每千克开尔文；5°C时的密度是：1276千克每立方米，25°C的密度是：1206千 克每立方米，取中间值1241 ;把水作为第二液体工质，水的比热容在这个温度下的变化很 小，比热容取4200焦耳每千克开尔文；5°C时的密度是：1000千克每立方米，25°C时的密度 是：997千克每立方米，取中间值998 ;那么回热损失功率和主流管输出功率的比是：P#水:P 制冷剂=1389X1241 X (1000-997)/4200X998 X (1276-1206) = 0.017。
[0073] 假设主流管和散热器的管径均为r，第一液体工质的密度为P，第一液体工质在 主流管内的流速为V，主流管的坚直高度为h，第一液体工质在能量输入区域和能量输出区 域的密度差为Λ p，则主流管的输出功率为Pa= Jir2hA p gV = ShA p gV，其中g为重力 加速度，取9. 807牛每千克；S为断面积。
[0074] 根据能量守恒定律，输入热功率=主流管输出功率+余热损失功率（不计正常散 热损失，液体受压缩产生体积变化而引起温度变化的损失，以及管内摩擦损失等），所以：
[0075] 热机的效率=P功（ι-P回损）APa+P余损）=SXhXApX9.8O7XVX(l_P0 )/(SXhX Δ p X9. 807XV+SXVX P XCX Δ t) = 9. 807 X Q_P 回损）X h X Λ p / (9. 807hX Δ p +p XCX At)；
[0076] 由以上公式可知，主流管采用膨胀率较高的、比热容较小的工质时可以提高热机 的效率；当液体工质一定时，提高高度和增加换热器的回收效率来减小余热输出温度可以 提高效率，增大温差来加大密度差也可以提高效率。
[0077] 当用于火力发电和工业余热回收时，以余热温度95°C以上，环境温度为25°C为 例，考虑到建设高度问题，热机工作高度为300米，考虑到工程造价问题（以5年回收成本 计算），散热器内的工质和冷源温差为〇· 2°C时，热机的效率约为：9· 807 X (1-0. 05) X 300 X (1206-790)/9. 807X300X (1206-790)+1206X 1435X0. 2X2 = 60%。
[0078] 当用于海水温差发电时，以海水温差5°C /25°C为例，热机工作温度5°C /25°C，高 度为300米，散热器内的工质和冷源温差为0. 2°C时，热机的效率约为：9. 807X (1-0. 017) X300X (1276-1206)/9. 807X300X (1276-1206)+1206X 1435X0. 2X2 = 22%。
[0079] 本实用新型提供的热机适用于各种温差能的转换，温差热源入口无论是来自地 热、昼夜温差还是海水温差，其含量是取之不竭、用之不尽的，且是绿色的最佳能源，而本实 用新型提供的热机使之成为人类最主要的能源成为了可能，可以相信本实用新型提供的热 机的出现对节能减排将起到至关重要的作用，对全国乃至世界能源格局都将有一定的影 响。
[0080] 以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本 领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则 之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种热机，其特征在于，包括：热源入口、坚直设置的主流管、坚直设置的回流管，第 一逆流换热器、第二逆流换热器、回热水泵、第一散热器、第二散热器和叶轮机； 所述主流管内充有第一液体工质；所述回流管内充有第二液体工质；所述第一液体工 质的比热容与所述第二液体工质的膨胀系数的乘积小于所述第二液体工质的比热容与所 述第一液体工质的膨胀系数的乘积；所述第二液体工质用于吸收和传递所述第一液体工质 的热量； 所述第一逆流换热器和所述第二逆流换热器分别连接所述主流管和所述回流管；所述 第一逆流换热器用于将所述第一液体工质的热量通过逆流的方式传递给所述第二液体工 质，所述第二逆流换热器用于将所述第二液体工质的热量通过逆流的方式传递给所述第一 液体工质； 所述回热水泵设置在所述回流管上，所述回热水泵用于控制所述回流管内的所述第二 液体工质的流动方向与所述第一液体工质的流动方向相反； 所述第一散热器设置在所述主流管上；所述第二散热器设置在所述回流管上； 所述热源入口用于为所述主流管内的所述第一液体工质提供热量，所述叶轮机设置在 所述主流管内。
2. 根据权利要求1所述的热机，其特征在于，所述主流管包括两条横管和两条坚管，所 述热源入口设置在一条所述坚管的底端。
3. 根据权利要求2所述的热机，其特征在于，还包括：控制装置、第一温度监控装置、第 二温度监控装置，第一流速监控装置和第二流速监控装置； 所述第一温度监控装置设置在所述第一逆流换热器中的主流管内，用于监测所述第一 液体工质的温度；所述第二温度监控装置设置在所述第一逆流换热器中的回流管内，用于 监测所述第二液体工质的温度；所述第一流速监控装置设置在所述主流管内，用于监测所 述第一液体工质的流速；所述第二流速监控装置设置在所述回流管内，用于监测所述第二 液体工质的流速； 所述控制装置分别与所述第一温度监控装置、所述第二温度监控装置，所述第一流速 监控装置、所述第二流速监控装置和所述回热水泵连接； 所述控制装置根据所述第一温度监控装置、所述第二温度监控装置，所述第一流速监 控装置和所述第二流速监控装置获取的监控结果控制所述回热水泵的转速。
4. 根据权利要求1所述的热机，其特征在于，所述第一逆流换热器和所述第二逆流换 热器均为多个。
5. 根据权利要求1所述的热机，其特征在于，还包括储藏室和第一液体工质泵，所述储 藏室与所述主流管连通，所述储藏室用于存储所述主流管内排出的第一液体工质，所述储 藏室与所述主流管之间还设置有第一液体工质泵，所述第一液体工质泵用于将所述主流管 内的第一液体工质抽出至所述储藏室或将所述储藏室内的第一液体工质压入所述主流管 内。
6. 根据权利要求5所述的热机，其特征在于，还包括间隙室和气泵，所述间隙室与所述 主流管连通，所述气泵与所述间隙室连通，所述间隙室为所述主流管内的第一液体工质因 温度变化引起的体积变化和/或气压变化提供缓冲空间。
7. 根据权利要求6所述的热机，其特征在于，还包括压控器和第二截止阀，所述压控器 的一端连接所述间隙室，另一端连接所述气泵，所述间隙室和所述气泵之间还设置有第二 截止阀，所述压控器用于监测所述间隙室内的气压；所述第二截止阀用于在所述气泵停止 工作时，截断所述气泵与所述间隙室之间的气体交换通道。
8. 根据权利要求7所述的热机，其特征在于，还包括第二温控器； 所述第二温控器的一端连接所述主流管，另一端连接所述热源入口，所述第二温控器 用于根据所述主流管的温度控制所述热源入口的热量供应。
9. 根据权利要求1-8中任一项所述的热机，其特征在于，所述第一液体工质为制冷剂； 所述第二液体工质为水。
【文档编号】F01K17/06GK203906027SQ201420350682
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年6月27日 优先权日:2014年6月27日
【发明者】王小龙 申请人:王小龙