專利名稱：低溫熱源熱動力裝置及其工作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及熱動力裝置，特別是涉及能夠利用低溫熱源、以使低沸點工質在完全封閉狀態(tài)下進行不斷做功和不斷自循環(huán)的低溫熱源熱動力裝置，以及其裝置的工作方法。
截至到目前，利用低溫熱源、使用低沸點工質、并在封閉狀態(tài)下進行做功和自循環(huán)的熱動力裝置，都是應用現(xiàn)代蒸汽動力裝置的基本熱力循環(huán)，即朗肯循環(huán)，其工作方法就是將蒸發(fā)器內的液體工質通過熱源加熱成高溫高壓的過熱蒸汽，過熱蒸汽進入透平機內膨脹做功，將一部分熱能轉換為推動透平機旋轉的動能，成為低溫低壓蒸汽從透平機排出再進入凝汽器，經冷卻后又凝結成液態(tài)工質，再用工質泵將液態(tài)工質泵入蒸發(fā)器內，如此不斷循環(huán)，就對外不斷的輸出動力，帶動發(fā)電機即可發(fā)電。其文獻如專利號CN96111171.2《利用低溫工質制冷發(fā)電的方法及制冷發(fā)電站》、專利號CN02288206.5《溫差發(fā)動機組》、專利號CN94115035.6《熱能發(fā)電機》、專利號03125333.4《熱動力裝置》等；還有應用在空調器廢熱利用領域的、以空調的排熱為初始低溫熱源的，如專利號CN02240119.9《利用空調排熱的動力裝置》；應用在內燃機廢熱利用領域、以內燃機的燃燒室外殼熱和排氣熱為熱源的，如專利號200410030011.0《廢熱利用系統(tǒng)》、專利號CN01133223.9《內燃機氨冷余熱利用節(jié)油裝置》；以及應用在太陽能熱動力領域的、利用小面積光照所收集的低溫太陽能熱為熱源的，如專利號CN02208516.5《太陽能發(fā)電裝置》、專利號CN02213421.2《太陽能氨熱發(fā)電裝置》、專利號CN03804562.1《廢熱太陽能系統(tǒng)》、專利號CN98110142.9《一種小型太陽能發(fā)電機》等。
總之，不論以上技術文獻以及現(xiàn)有已知技術方案，只要其應用的是朗肯循環(huán)，或者是應用由朗肯循環(huán)改進而成的回熱循環(huán)和再熱循環(huán)，都必須使用工質泵來保持整個系統(tǒng)的持續(xù)循環(huán)，其工質泵不斷的將冷凝器內的液態(tài)工質泵回到蒸發(fā)器內的同時，又要阻止高壓的蒸發(fā)器向低壓的冷凝器發(fā)生泄漏，而維持蒸發(fā)器內的高壓狀態(tài)，所以就必須要消耗一定的功，這對于正是應用以上技術的火力發(fā)電、核能發(fā)電、大型太陽能熱發(fā)電、地熱發(fā)電等熱源溫度大于150℃的，尤其是大于300℃至500℃的大型發(fā)電設備來說，由于其泵耗能和熱散失等損失并不隨著其蒸發(fā)器內過熱蒸汽的蒸汽溫度和蒸汽壓力的升高而升高，所以只要盡量提高過熱蒸汽的蒸汽溫度和蒸汽壓力，就可以提高整機的熱功效率、更高效率的進行發(fā)電；但是對于利用低于150℃的尤其是低于100℃的低溫熱源、而使低沸點工質在封閉狀態(tài)下進行做功和自循環(huán)的熱動力設備，由于其并不具備像大型發(fā)電設備那樣的高溫熱源和高溫高壓工作蒸汽，所以如果將以上朗肯循環(huán)技術應用于利用低溫差進行做功和自循環(huán)的熱動力設備上，必然造成極低的熱功效率，甚至其自身的發(fā)電量都無法維持自身的泵耗電量。
例如已有的利用平板式太陽能集熱器所產生的溫度低于100℃的低溫熱水、而進行發(fā)電的小功率低沸點工質熱動力機，其系統(tǒng)效率一般只有5％以下，這尤其表現(xiàn)在隨著設備的小型化、熱源的低溫化而更加嚴重，使這種利用低熱、廢熱、余熱的熱動力機失去實用性和經濟性。這正是熱源溫度低于150℃的尤其是低于100℃的低溫熱，如太陽能熱水器、空調廢熱、低溫地熱、海洋溫差、等領域產生的低熱、廢熱只能用于供暖、制冷、工農業(yè)用熱和旅游療養(yǎng)等，而難以用于熱動力發(fā)電的根本原因。
如我國于70年代在廣東豐順、湖南灰湯、江西宜春、遼寧熊岳及河北懷來等地先后利用67~92℃的地下熱水建立一批裝機容量僅為50~300kW的所謂“試驗性”地熱電站，由于效率太低，不久紛紛下馬。再如美國洛克希德公司于1979年在夏威夷海域安裝一臺50千瓦的發(fā)電裝置，同年8月開始發(fā)電。在表層海水溫度28℃、深層海水溫度7℃時發(fā)電功率為53.6千瓦。裝置自耗電功率為35.1千瓦，凈輸出電功率為18.5千瓦，這種發(fā)電系統(tǒng)的熱效率低，導致部件相應龐大。
另一方面，已有的低沸點工質熱動力機都是采用將透平機和發(fā)電機安裝于同一封閉腔的方法來實現(xiàn)無泄漏，如中國太陽能網(wǎng)于2003年4月25日所報道的美國新南威爾士州的格林里奇公司開發(fā)了2KW家用太陽熱發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)由加入潛熱材料蓄熱罐、厚絨布、蒸發(fā)器的板式熱交換器、透平發(fā)電機、熱煤循環(huán)泵等組成。熱媒體使用低沸點冷媒，使透平旋轉發(fā)電。透平發(fā)電機收藏在與電冷箱壓縮機很相似的殼體內，目前2KW級熱發(fā)電系統(tǒng)已可望產品化。還有采用雙循環(huán)有機工質朗肯循環(huán)系統(tǒng)的地熱發(fā)電系統(tǒng)，它以低沸點有機物為工質，使工質在流動系統(tǒng)中從地熱流體中獲得熱量，并產生有機質蒸汽，進而推動透平機旋轉，帶動發(fā)電機發(fā)電，其汽輪式的透平機和發(fā)電機也是封閉于同一腔內。
上述方法雖然采用將透平機和發(fā)電機安裝于同一封閉腔的方法來實現(xiàn)了無泄漏，但是卻造成了其發(fā)電機的散熱困難、或者還要單獨配備散熱系統(tǒng)、受高溫影響而加快老化、為了延長壽命減少維修而采用高成本材料、人工維修時需要打開封閉腔所以日常維護困難等問題。以及造成了維修其封閉腔內的發(fā)電機時會泄漏部分工質，而且如果將封閉腔采用焊接密封雖然實現(xiàn)了長久不泄漏工質，可是維修時就要用焊或鋸的方法來開腔，所以維修困難，而如果將封閉腔采用法蘭安裝雖然可以相對簡單的打開封閉腔，但是由于法蘭接合面無法實現(xiàn)完全無縫隙，所以根本無法實現(xiàn)不泄漏工質，即使在法蘭內加入軟性封閉圈如橡膠材料，其密封壽命由于化學反應和氣壓因素也是很短的。
另一方面，由于已有的低沸點工質熱動力機將透平機和發(fā)電機安裝于同一封閉腔，所以就無法方便的對多套透平機的動力輸出軸進行動力整合，而首先要對金屬封閉腔進行開腔改造，才能對動力輸出軸進行動力整合。
以上問題也正是造成使用低沸點工質的封閉自循環(huán)熱動力機的低實用性，而難以進行大規(guī)模產業(yè)發(fā)展的首要原因。以上問題也一直成為封閉式熱動力循環(huán)發(fā)電技術領域的技術難題。
本發(fā)明正是針對上述現(xiàn)有應用朗肯循環(huán)的低溫熱源熱動力機的高泵耗能、低熱功效率問題，以及針對無法方便的對其封閉腔內的發(fā)電機進行散熱和維修，還有針對無法方便的對其多套透平機的動力輸出軸進行動力整合問題，而提供一種不需朗肯循環(huán)所必須的工質泵，也不需將發(fā)電機安裝于透平機的封閉腔內，就可實現(xiàn)利用低溫熱源、使用低沸點工質、而且使低沸點工質在全封閉狀態(tài)下進行不斷做功和不斷自循環(huán)、并且能夠方便的對其多套透平機的動力輸出軸進行動力整合的以實現(xiàn)高熱功效率的低溫熱源熱動力機。
本發(fā)明的另一目的是提供上述低溫熱源熱動力機的工作方法。
本發(fā)明的低溫熱源熱動力機通過以下結構實現(xiàn)他包括蒸發(fā)器101、換熱器106、透平機100、動力輸出軸117、散熱器119、連接管道107、109、102、118、120、和閥門108、110、103、121連接組成，其特征在于它是由至少兩套或多套安裝在同一動力輸出軸117上的全封閉式熱動力機組成，其每套全封閉式熱動力機的基本結構都相同，其第一套熱動力機是由蒸發(fā)器101、換熱器106、透平機100、散熱器119、連接管道107、109、102、118、120、和閥門108、110、103、121連接組成，其蒸發(fā)器101位于換熱器106內，蒸發(fā)器101、透平機100、和散熱器119通過管道102、118、120相連，蒸發(fā)器101與透平機100之間的管道102上、以及與散熱器119之間的管道120上都有閥門103、121，其換熱器106上裝有帶閥門108、110的換液管道107、109，其散熱器119和透平機100在垂直于重心方向上的位置的全部或部分高于蒸發(fā)器101；其熱動力機的透平機100由外殼111、進氣口122、出氣口123、葉片輪113、內永磁114、內軸承130、外永磁116、外軸承131組成，其葉片輪113、內永磁114、內軸承130位于透平機外殼111之內，其外永磁116、外軸承131、動力輸出軸117位于透平機外殼111之外，其透平機外殼111的導磁部分可以是桶形、平面、或弧形的形狀，當其透平機外殼111的導磁部分是桶形時，其至少一塊或多塊內永磁130固定在葉片輪113的內側表面，其葉片輪113的桶狀內表面的兩端通過內軸承130以可以轉動的固定在透平機外殼111的桶形內壁上，其至少一塊或多塊外永磁116固定在動力輸出軸117的外表面上，其動力輸出軸117通過外軸承131以可以轉動的固定在透平機外殼111的桶形外壁上，其位于透平機外殼內的內永磁的部分或全部面積與位于透平機外殼之外的外永磁相對應。
另外為了避免其蒸發(fā)器內在工作的過程中存有工質，蒸發(fā)器101與透平機100之間還可以裝有帶閥門105的回液管道104。
為了增加每套熱動力機的散熱時間，和增加動力輸出軸的動力連慣性，可以將2、3、4、5以及更多套熱動力機安裝在同一動力輸出軸117上。
為了減少散熱器的散熱時間，可以采用水塔式的散熱器，可以把多套熱動力機的散熱器安裝在一個水塔散熱器內，也可以通過采用增加安裝在同一動力輸出軸上的熱動力機的數(shù)量的方法來減小散熱器的體積，延長散熱時間。
為了提高其動力輸出軸的轉速穩(wěn)定性，可以在其動力輸出軸上安裝慣性輪，這樣當熱機輸出的動力是用于發(fā)電時，就會使發(fā)電機發(fā)出更加穩(wěn)定的電力。
為了提高其透平機的內永磁與動力輸出軸上的外永磁之間的磁強度，可采用具有高磁能級的釹鐵硼永磁，也可增大磁塊的面積、體積和數(shù)量來提高磁強度。
其透平機的內永磁與動力輸出軸上的外永磁之間的位置，除了上述的內永磁通過透平機的內壁將動力傳遞到外永磁外，還可以采用通過透平機的側壁或外壁將動力輸出到外永磁。
本發(fā)明的低溫熱源熱動力機的工作方法如下首先對第一套熱動力機作以下操作，把其換熱器的換液管道上的閥門打開，并同時將蒸發(fā)器與散熱器和與透平機之間的管道上的閥門關閉，使溫度高于其蒸發(fā)器內低沸點工質氣化溫度的高溫液體或蒸汽充滿換熱器，然后將換熱器的換液管道上的閥門關閉，這樣通過位于換熱器內的蒸發(fā)器外殼、就將其蒸發(fā)器內的低沸點液體工質加熱成高溫高壓的過熱蒸汽，然后再將蒸發(fā)器與透平機之間的管道上的閥門打開，使過熱蒸汽進入透平機內膨脹做功，如其氣體沖擊力沖擊透平機的葉片，就將帶動位于一體的葉片輪以及其內的內永磁進行同時轉動，由于受到內永磁的吸引力或排斥力，就使位于透平機封閉腔之外的、并位于動力輸出軸外表面的外永磁也隨之進行同步的轉動，這樣和外永磁安裝于一體的動力輸出軸也在進行旋轉，就對外輸出了轉動力。
由于當蒸發(fā)器與散熱器的內部氣壓相等時，第一套熱動力機就不再對其動力輸出軸做功，所以在第一套熱動力機停止對動力輸出軸輸出動力之前、或者停止對動力輸出軸輸出動力的同時，第二套熱動力機馬上又會如第一套熱動力機的工作過程一樣對其動力輸出軸進行做功，此時第一套熱動力機的散熱器內的工質逐漸凝結成液態(tài)工質后，再將連接于蒸發(fā)器與散熱器和與透平機之間的管道上的閥門打開，使散熱器內的液態(tài)工質和殘留在透平機內的液態(tài)工質流回到蒸發(fā)器內，由于其換熱器內的液體或蒸汽的溫度已經由高于其蒸發(fā)器內低沸點工質氣化的溫度，變成了低于其蒸發(fā)器內低沸點工質氣化的溫度，所以蒸發(fā)器內的溫度并不會對液態(tài)工質的流回產生阻力，然后將蒸發(fā)器與透平機和與散熱器之間管道上的閥門關閉，再打開換熱器上換液管道上的閥門，使溫度高于其蒸發(fā)器內低沸點工質氣化溫度的高溫液體或蒸汽重新充滿換熱器，同時原來的低溫液體或蒸汽也就由換液管道排出，然后再將換熱器的換液管道上的閥門關閉，等第二套熱動力機就要停止或剛剛停止對動力輸出軸做功時，第一套熱動力機又會重復上述步驟重新對動力輸出軸進行做功，這兩套熱動力機交替的對動力輸出軸做功，這樣其動力輸出軸就會不斷的對外輸出轉動力，如果帶動發(fā)電機就可持續(xù)不斷的發(fā)出電力。
如果本發(fā)明的低溫熱源熱動力機是采用多套共用同一動力輸出軸的、結構相同的熱動力機組成，也可以按照上述工作過程逐套進行工作，為了讓其動力輸出軸不間斷的輸出轉動力，其熱動力機在做功前的準備工作應已經全部按步驟完成，如共有四套熱動力機安裝在同一個動力輸出軸上，從第一套開始工作，當?shù)谒奶淄瓿勺龉r，此時第一套熱動力機已經完成了散熱器的散熱、低沸點工質的冷凝并回流到蒸發(fā)器內、以及換熱器的換水過程，然后馬上開始對動力輸出軸做功，這樣就實現(xiàn)了其動力輸出軸不間斷的輸出動力。
另外其換熱器的換水工作在有些熱源環(huán)境可以通過安裝在換水管道上的泵來實現(xiàn)，其泵可以通過動力輸出軸來帶動，也可以使用外接的電力，其換熱器的換水工作在有些熱源環(huán)境也可以不必使用泵，而依靠熱源液體或氣體本身就具有的流動性來實現(xiàn)，如不需要使用泵的內燃機水冷系統(tǒng)。
如果其散熱器內的氣態(tài)低沸點工質的溫度仍然可以使另一種低沸點工質發(fā)生過熱氣化，并且另一種低沸點工質按照上述機械結構和工作過程進行過熱氣化并膨脹做功后的蒸汽仍然高于環(huán)境溫度，即能夠在環(huán)境中散熱，那么就可以將第一級熱動力機的散熱器作為下一級熱動力機的換熱器，這樣多級的熱機能夠使整機具有更高的熱功效率。
本發(fā)明的上述工作過程可以采用全自動化電子程控組件來進行控制，如上述閥門可采用電子控制閥門，并且受到程控組件的控制，其換熱器的出水管道上可裝有溫度感應器，當感應到高溫液體或高溫氣體時說明其換熱器已經完成換液工作，就可自動關閉換熱器上的電子控制閥門再進行下一步的蒸發(fā)器蒸發(fā)做功工作。再如其蒸發(fā)器內可裝有液位感應器，當液位感應器感應到液位達到低沸點工質未受熱時的高度時，說明低沸點工質由氣體冷凝成液體的工作已完成，然后再自動關閉蒸發(fā)器的全部電子控制閥門，再自動打開換熱器上的電子控制閥門，并進行更換高溫液體或氣體的工作。
由于本發(fā)明實現(xiàn)了其動力輸出軸位于透平機封閉腔體之外，其動力輸出軸的長度就不會受到封閉腔的限制，這樣本發(fā)明所述的至少兩套或多套低溫熱動力機就可以共用一個動力輸出軸，這樣至少兩套或多套低溫熱動力機就可以交替的進行換液、蒸發(fā)、做功、冷凝、回流工作，就會使動力輸出軸不間斷的輸出轉動力，使連接于動力輸出軸的發(fā)電機能夠受到穩(wěn)速的轉動力而穩(wěn)定的工作。而且對多套透平機的動力輸出軸進行動力整合也會極大的提高低溫熱源熱動力機的熱功效率，由于本發(fā)明對當前應用朗肯循環(huán)的低溫熱動力機進行了上述改進，從而使低溫熱源熱動力機不需朗肯循環(huán)所必須的工質泵，就可實現(xiàn)利用低溫熱源、使用低沸點工質、而且在封閉狀態(tài)下進行不斷做功和不斷自循環(huán)，這樣免去了泵耗能，就提高了整機的熱功效率，其整機的熱功效率即為透平機的熱功效率為75％，其整機的熱電效率即為透平機與發(fā)電機的效率總和75％乘以90％即67.5％，這尤其是對于熱源溫度低于150℃尤其是低于100℃的低溫熱源熱動力機，其系統(tǒng)效率要遠高于目前已有的5％，也就會使這種利用低熱、廢熱、余熱的，尤其是小型化的熱動力機具有實用性和經濟性，而使其可以廣泛的應用于如低溫地熱、海洋溫差、住宅小區(qū)的大面積太陽能熱水器所產生的低溫熱水等大規(guī)模低溫熱源，中央空調廢熱、家用空調廢熱、冰箱廢熱、等電器廢熱，汽車、火車、輪船等內燃機廢熱，鋼鐵生產、水泥生產、等工業(yè)廢熱，等領域低溫熱源的高效率化熱動力做功或熱動力發(fā)電成為可能，使綠色能源和清潔能源占有更高的能源結構比例，這在環(huán)境不斷惡化，能源逐漸緊張的現(xiàn)代是更加重要和迫切。
另一方面，通過上述對整機的透平部分的設計，實現(xiàn)了具有磁傳動功能的全封閉透平機，其發(fā)電機就可以安裝在透平機的封閉腔體之外，而暴露于環(huán)境中，其全封閉透平機所產生的轉動力通過自身所具有磁傳動功能傳導到動力輸出軸、再傳導到與之連接的發(fā)電機上即可發(fā)電。這樣與以往的透平機和發(fā)電機安裝于同一封閉腔的結構相比，就實現(xiàn)了可以通過簡單的方法對發(fā)電機進行高效散熱，如采用附著于發(fā)電機外殼的散熱片或直接進行風冷的散熱方法，這樣也就更有利于延長其發(fā)電機的壽命，也不必采用更高成本的材料。而且由于維修發(fā)電機時不需要打開透平封閉腔，所以可以方便的進行日常維護，這樣即保證了其封閉腔的安全性，也不會泄漏任何的工質，最大程度的避免了泄漏污染。
再一方面，由于其具有磁傳動功能的全封閉透平機與其動力輸出軸之間只是用軸承進行連接，所以他們就可以方便的安裝與拆卸，而且由于其動力輸出軸可以保露于環(huán)境中，就可以方便的對多套熱動力機的動力輸出軸進行固定，那么就可以根據(jù)熱源的情況和負載的需要，并通過上述兩種方法方便的對多套熱動力機進行動力整合或動力減少，或者對正在工作中的低溫熱動力機進行方便的輸出功率放大或減少，而實現(xiàn)具有高結構和動力靈活性的低溫熱動力機。
再一方面，由于本發(fā)明的實現(xiàn)除了自身的上述結構外，對于外界的需要只有具有溫差的環(huán)境和重力，這對于至少存在上述兩種環(huán)境條件的外星球的發(fā)電技術、如在月球或火星上發(fā)電開辟了新的途徑，其成本、造價、以及發(fā)電效率等方面要遠遠優(yōu)于目前的太陽能電池。


下文將結合附圖來詳細描述本發(fā)明。
圖1是本發(fā)明的低溫熱源熱動力機的實物示意2是第一套熱動力機的正視剖面3是第二套熱動力機的正視剖面4是圖1的正視剖面5是透平機的實物6是透平機的實物分解7是透平機的實物剖面8是透平機的正視剖面9是采用兩對磁塊的透平機圖10是采用八對磁塊的透平機圖11至圖15是幾種不同磁塊形狀的透平機的側視剖面16是利用透平機的側壁來傳導動力的透平機正視剖面17圖18圖19是圖16的具有幾種磁塊變形的透平機側視剖面20是利用透平機的外壁來傳導動力的透平機側視剖面21是利用透平機的外壁和側壁來傳導動力的透平機側視剖面22是無葉片式透平機的正視刨面23是無葉片式透平機的側視刨面圖具體實施方式
應用示例如圖1、圖2、圖3所示，將本發(fā)明應用在安裝有大面積太陽能熱水器的居民住宅樓，利用其太陽能熱水器所產生的溫度不高于90攝氏度的熱水進行發(fā)電。
所使用的低溫熱源熱動力機是由兩套共用同一動力輸出軸117的、結構相同的熱動力機組成。其第一套熱動力機是由蒸發(fā)器101、換熱器106、透平機100、散熱器119、連接管道102、104、118、120，和閥門108、110、103、105、121，組成，其蒸發(fā)器101位于換熱器106內，蒸發(fā)器101通過管道102連接在透平機100上、并通過管道120連接在散熱器119上，透平機100通過管道118連接在散熱器119在，管道102上裝有閥門103，管道104上裝有閥門105，管道120上裝有閥門121，其換熱器106通過裝有閥門108的換液管道107和裝有閥門110的換液管道109串連連接在太陽能熱水器243的儲水箱242上，其儲水箱242的出水端管道上裝有水泵241，其散熱器119和透平機100在垂直于重心方向上的位置的全部或部分高于蒸發(fā)器101。
其第二套熱動力機是由蒸發(fā)器201、換熱器206、透平機211、散熱器219、連接管道202、204、218、220，和閥門208、210、203、205、221，組成，其蒸發(fā)器201位于換熱器206內，蒸發(fā)器201通過管道202連接在透平機211上、并通過管道220連接在散熱器219上，透平機211通過管道218連接在散熱器219在，管道202上裝有閥門203，管道204上裝有閥門205，管道220上裝有閥門221，其換熱器206通過裝有閥門208的換液管道207和裝有閥門210的換液管道209串連連接在太陽能熱水器243的儲水箱242上，其儲水箱242的出水端管道上裝有水泵241，其散熱器219和透平機211在垂直于重心方向上的位置的全部或部分高于蒸發(fā)器201。
其第一套熱動力機的透平機100由進氣口122、出氣口123、葉片112、葉片輪113、內永磁114、內軸承130、外永磁116、外軸承131、動力輸出軸117等組成，其8塊長方形狀的內永磁114按照均等的間距排列固定在葉片輪113的內側表面，其葉片輪113的桶狀內表面的兩端通過內軸承130以可轉動的固定在透平機111外殼的內壁上。其8塊長方形狀的外永磁116按照均等的間距排列固定在動力輸出軸117的外表面上，其動力輸出軸117的兩端通過外軸承131以可轉動的固定在外殼內側的外表面兩端上。
其第二套熱動力機的透平機211由進氣口222、出氣口223、葉片212、葉片輪213、內永磁214、內軸承230、外永磁216、外軸承231、動力輸出軸117等組成，其8塊長方形狀的內永磁214按照均等的間距排列固定在葉片輪213的內側表面，其葉片輪213的桶狀內表面的兩端通過內軸承230以可轉動的固定在透平機211外殼的內壁上。其8塊長方形狀的外永磁216按照均等的間距排列固定在動力輸出軸117的外表面上，其動力輸出軸117的兩端通過外軸承231以可轉動的固定在外殼內側的外表面兩端上。
其動力輸出軸上安裝有慣性輪239，其動力輸出軸的一端連接在發(fā)電機240的轉子上。
本發(fā)明的低溫熱源熱動力機的工作方法如下首先對第一套熱動力機作以下操作，把其換熱器106的換液管道107和換液管道109上的閥門108和閥門110打開，并同時將閥門103、105、121關閉，使溫度高于其蒸發(fā)器101內低沸點工質氣化溫度的儲水箱內的高溫水通過泵241充滿換熱器106，然后將換熱器106的換液管道107、109上的閥門108、110關閉，這樣通過位于換熱器106內的蒸發(fā)器101的外殼、就將其蒸發(fā)器101內的低沸點液體工質加熱成高溫高壓的過熱蒸汽，然后再將蒸發(fā)器101與透平機100之間的管道102上的閥門103打開，使過熱蒸汽進入透平機100內膨脹做功，其氣體沖擊力沖擊透平機111的葉片112，就將帶動位于一體的葉片輪113以及其內的內永磁114進行同時轉動，由于受到內永磁114的吸引力或排斥力，就使位于透平機111封閉腔之外的、并位于動力輸出軸117外表面的外永磁116也隨之進行同步的轉動，這樣和外永磁116安裝于一體的動力輸出軸117也在進行旋轉，就對外輸出了轉動力。
當蒸發(fā)器101與散熱器119的內部氣壓相等時，第一套熱動力機就不再對其動力輸出軸117做功，所以在第一套熱動力機停止對動力輸出軸117輸出動力之前、或者停止對動力輸出軸117輸出動力的同時，第二套熱動力機此時已經完成了如第一套熱動力機做功之前的工作過程，而馬上又會如第一套熱動力機的工作過程一樣對其動力輸出軸117進行做功，此時第一套熱動力機的散熱器119內的工質逐漸凝結成液態(tài)工質后，再將連接于蒸發(fā)器101與散熱器119和與透平機100之間的管道上的閥門103、105、121打開，使散熱器119內的液態(tài)工質和殘留在透平機100內的液態(tài)工質流回到蒸發(fā)器101內，由于其換熱器106內的液體或蒸汽的溫度已經由高于其蒸發(fā)器101內低沸點工質氣化的溫度，變成了低于其蒸發(fā)器101內低沸點工質氣化的溫度，所以蒸發(fā)器101內的溫度并不會對液態(tài)工質的流回產生阻力，然后將蒸發(fā)器101與透平機100和與散熱器119之間管道上的閥門103、105、121關閉，再打開換熱器106上換液管道107、109上的閥門108、110，使溫度高于其蒸發(fā)器101內低沸點工質氣化溫度的高溫液體或蒸汽從換液管道107進入并重新充滿換熱器106，同時原來的低溫液體或蒸汽也就由換液管道109排回到儲水箱242中，然后再將換熱器106的換液管道107、109上的閥門108、110關閉，等第二套熱動力機就要停止或剛剛停止對動力輸出軸117做功時，第一套熱動力機又會重新對動力輸出軸117進行做功，這兩套熱動力機交替的對動力輸出軸117做功，這樣其動力輸出軸117就會不斷的對外輸出轉動力，帶動發(fā)電機240就持續(xù)不斷的發(fā)出電力，并且由于慣性輪239的慣力穩(wěn)速作用，使發(fā)電機240能夠發(fā)出更加穩(wěn)定的電力。
為了讓其動力輸出軸117不間斷的輸出轉動力，其熱動力機在做功前的準備工作應已經全部按步驟完成，當?shù)诙淄瓿勺龉r，此時第一套熱動力機已經完成了散熱器119的散熱、低沸點工質的冷凝并回流到蒸發(fā)器101內、以及換熱器106的換水過程，然后馬上開始對動力輸出軸117做功，這樣就實現(xiàn)了其動力輸出軸117不間斷的輸出動力。
另外其換熱器106和換熱器206的換水工作是通過安裝在換水管道107上的泵241來實現(xiàn)，也可以通過太陽能熱水器的內部自流現(xiàn)象來完成(當太陽能熱水器在受太陽光照而對其內部的水進行加熱時，熱水總是不停的作上升運動，同時儲水箱內的冷水總是不停的作向下運動)，當使用泵241來進行換水工作時，其泵241可以通過動力輸出軸117來帶動，也可以使用外接的電力。
另外為了減少散熱器的散熱時間，可以采用水塔式的散熱器，可以把多套熱動力機的散熱器安裝在一個水塔散熱器內，也可以通過采用增加安裝在同一動力輸出軸上的熱動力機的數(shù)量的方法來減小散熱器的體積，延長散熱時間。
為了提高其透平機的內永磁與動力輸出軸上的外永磁之間的磁強度，可采用具有高磁能級的釹鐵硼永磁，也可增大磁塊的面積、體積和數(shù)量來提高磁強度，如圖9和圖10所示其內永磁116與外永磁114可以采用數(shù)量相等的二塊，也可以采用數(shù)量相等的八塊。
如圖11、圖12、圖13、圖14、圖15所示，其透平機100的內永磁114和動力輸出軸117上的外永磁116可以采用各種變形來增加磁接觸面積。
如圖16、圖17、圖18、圖19、圖20、圖21所示，它包括透平機151、葉片152、內磁塊153、磁塊座154、葉片輪155、軸承156、外磁塊158、磁塊座157、軸承159、動力輸出軸160組成，其透平機151的內永磁153與動力輸出軸160上的外永磁158之間的位置，除了上述的內永磁114通過透平機100的內壁將動力傳遞到外永磁116外，還可以采用通過透平機151的側壁或外壁將動力輸出到外永磁158。而且其透平機151的內永磁153和外永磁158可以采用各種變形來增加磁接觸面積。
如圖22、圖23所示，其透平機也可以采用無葉片式的設計，如無葉片的氣孔式氣輪512。
上述工作過程可以采用全自動化電子程控組件來進行控制，如上述閥門可采用電子控制閥門，并且受到程控組件的控制，其換熱器的出水管道上可裝有溫度感應器，當感應到高溫液體或高溫氣體時說明其換熱器已經完成換液工作，就可自動關閉換熱器上的電子控制閥門再進行下一步的蒸發(fā)器蒸發(fā)做功工作。再如其蒸發(fā)器內可裝有液位感應器，當液位感應器感應到液位達到低沸點工質未受熱時的高度時，說明低沸點工質由氣體冷凝成液體的工作已完成，然后再自動關閉蒸發(fā)器的全部電子控制閥門，再自動打開換熱器上的電子控制閥門，并進行更換高溫液體或氣體的工作。
如果其散熱器內的氣態(tài)低沸點工質的溫度仍然可以使另一種低沸點工質發(fā)生過熱氣化，并且另一種低沸點工質按照上述機械結構和工作過程進行過熱氣化并膨脹做功后的蒸汽仍然高于環(huán)境溫度，即能夠在環(huán)境中散熱，那么就可以將第一套熱動力機或第二套熱動力機的散熱器作為下一級熱動力機的換熱器，這樣多級的熱機能夠使整機具有更高的熱功效率。
當將本發(fā)明應用在低溫地熱、海洋溫差、住宅小區(qū)的大面積太陽能熱水器所產生的低溫熱水等大規(guī)模低溫熱源，中央空調廢熱、家用空調廢熱、冰箱廢熱、等電器廢熱，汽車、火車、輪船等內燃機廢熱，鋼鐵生產、水泥生產、等工業(yè)廢熱時，其熱動力機的尺寸、輸出功率、使用何種低沸點工質、散熱器的體積及散熱速度、每套熱機的做功時間、和作用于同一動力輸出軸的熱機的套數(shù)，以及是否需要使用換液泵，可根據(jù)熱源的溫度和熱量、負載所需要的最大動力、熱源液體或蒸汽是否具有流動性、使用環(huán)境的體積、重量、噪音、污染等限制，等因素來充分考慮而設計。
例如當將本發(fā)明應用在小區(qū)太陽能低溫熱水發(fā)電時，由于北方日照時間短，就可以增加太陽能熱水器的數(shù)量以增加熱水量，再增加作用于同一動力輸出軸的熱機套輸以增加發(fā)電功率，而南方的日照時間較長，氣溫較高，則可以相對減少太陽能熱水器的面積，并采用高效率的水塔式散熱。當將本發(fā)明應用在中央空調或家用空調的廢熱做功或發(fā)電時，可將原有的空調散熱器換成很小體積的散熱器，并安裝在儲水箱內，此儲水箱內的熱水即是熱機的熱源，按照本發(fā)明的機械結構和工作方法，使熱機進行不斷做功或發(fā)電，其熱機散熱器的散熱速度越快，空調散熱器的體積就可以更小，空調的制冷效率就更高，如果將此熱機所產生的轉動力或電力供給此空調的壓縮機時，那么其制冷效率必然會極大的提高，這也是具有高廢熱的電器領域實現(xiàn)高效率化高節(jié)能化發(fā)展的必然趨勢。
當將本發(fā)明應用在汽車的內燃機廢熱做功或發(fā)電時，原有的由水箱向環(huán)境空氣散熱改為由熱機的散熱器向環(huán)境空氣散熱，而原有的內燃機水箱則用來給多套熱機的換熱器進行換水供熱，其水箱內的熱水即是熱機的熱源，所以可以減小原內燃機水箱的體積，并將熱機安裝在汽車的某個部位，按照本發(fā)明的機械結構和工作方法，使熱機進行不斷做功或發(fā)電。由于熱機的蒸發(fā)器大量吸收換熱器內熱水的熱量，使其換熱器內熱水的溫度遠低于內燃機水箱的溫度，所以當換熱器的閥門打開時，冷熱水之間便產生強烈的自流和融合現(xiàn)象，而不必采用換液泵來進行換水工作。為了提高熱源的熱量，可以將內燃機的排氣筒的表面用水箱或水管進行包附，水箱或水管的另一端則連接在水箱上，這樣排氣筒的尾氣熱也被收集作為熱機的熱源。其熱機產生的動力如果與內燃機的動力相結合，必然會大大提高內燃機的效率，或者用于車用空調的動力源，也會改善小型車空調動力不足的問題，而大大改善車內舒適度。
以上所訴的僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施例。應當指出，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干變形和改進，也應視為屬于本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.低溫熱源熱動力裝置，包括蒸發(fā)器(101)、換熱器(106)、透平機(100)、動力輸出軸(117)、散熱器(119)、連接管道(107、109、102、118、120)、和閥門(108、110、103、121)連接組成，其特征在于它是由至少兩套或多套安裝在同一動力輸出軸(117)上的全封閉式熱動力機組成，其每套全封閉式熱動力機的基本結構都相同，其第一套熱動力機是由蒸發(fā)器(101)、換熱器(106)、透平機(100)、散熱器(119)、連接管道(107、109、102、118、120)、和閥門(108、110、103、121)連接組成，其蒸發(fā)器(101)位于換熱器(106)內，蒸發(fā)器(101)、透平機(100)、和散熱器(119)通過管道(102、118、120)相連，蒸發(fā)器(101)與透平機(100)之間的管道(102)上、以及與散熱器(119)之間的管道(120)上都有閥門(103、121)，其換熱器(106)上裝有帶閥門(108、110)的換液管道(107、109)，其散熱器(119)和透平機(100)在垂直于重心方向上的位置的全部或部分高于蒸發(fā)器(101)；其熱動力機的透平機(100)由外殼(111)、進氣口(122)、出氣口(123)、葉片輪(113)、內永磁(114)、內軸承(130)、外永磁(116)、外軸承(131)組成，其葉片輪(113)、內永磁(114)、內軸承(130)位于透平機外殼(111)之內，其外永磁(116)、外軸承(131)、動力輸出軸(117)位于透平機外殼(111)之外，其透平機外殼(111)的導磁部分可以是桶形、平面、或弧形的形狀，當其透平機外殼(111)的導磁部分是桶形時，其至少一塊或多塊內永磁(130)固定在葉片輪(113)的內側表面，其葉片輪(113)的桶狀內表面的兩端通過內軸承(130)以可以轉動的固定在透平機外殼(111)的桶形內壁上，其至少一塊或多塊外永磁(116)固定在動力輸出軸(117)的外表面上，其動力輸出軸(117)通過外軸承(131)以可以轉動的固定在透平機外殼(111)的桶形外壁上，其位于透平機外殼內的內永磁的部分或全部面積與位于透平機外殼之外的外永磁相對應。
2.如權利要求1所訴的低溫熱源熱動力機，其特征在于蒸發(fā)器(101)與透平機(100)之間還有帶閥門(105)的回液管道(104)。
3.如權利要求1所訴的低溫熱源熱動力機，其特征在于其動力輸出軸(117)上有慣性輪(239)。
4.如權利要求1所訴的低溫熱源熱動力機，其特征在于可以采用2、3、4、5以及更多套共用同一動力輸出軸(117)的熱動力機組成。
5.如權利要求1所訴的低溫熱源熱動力機，其特征在于其內永磁(130)或外永磁(131)可采用具有高磁能級的釹鐵硼永磁，也可采用更大面積、體積或更多數(shù)量的磁塊來提高磁強度。
6.如權利要求1所訴的低溫熱源熱動力機，其特征在于其散熱器(119)可以采用水塔式的散熱器，或者把多套熱動力機的散熱器安裝于一個水塔散熱器內。
7.本發(fā)明低溫熱源熱動力裝置的工作方法首先對第一套熱動力機作以下操作，把其換熱器(106)的換液管道(107、109)上的閥門(108、110)打開，并同時將蒸發(fā)器(101)與散熱器(119)和與透平機(100)之間的管道上的閥門(103、121)關閉，使溫度高于其蒸發(fā)器(101)內低沸點工質氣化溫度的高溫液體或蒸汽充滿換熱器(106)，然后將換熱器(106)的換液管道上的閥門(108、110)關閉，這樣通過位于換熱器(106)內的蒸發(fā)器(101)外殼、就將其蒸發(fā)器(101)內的低沸點液體工質加熱成高溫高壓的過熱蒸汽，然后再將蒸發(fā)器(101)與透平機(100)之間的管道上的閥門(103)打開，使過熱蒸汽進入透平機(100)內膨脹做功，其氣體沖擊力沖擊透平機(100)的葉片，就將帶動位于一體的葉片輪(113)以及其內的內永磁(114)進行同時轉動，由于受到內永磁(114)的吸引力或排斥力，就使位于透平機(100)封閉腔之外的、并位于動力輸出軸(117)外表面的外永磁(116)也隨之進行同步的轉動，這樣和外永磁(116)安裝于一體的動力輸出軸(117)也在進行旋轉，就對外輸出了轉動力；由于當蒸發(fā)器(101)與散熱器(119)的內部氣壓相等時，第一套熱動力機就不再對其動力輸出軸(117)做功，所以在第一套熱動力機停止對動力輸出軸(117)輸出動力之前、或者停止對動力輸出軸(117)輸出動力的同時，第二套熱動力機馬上又會如第一套熱動力機的工作過程一樣對其動力輸出軸(117)進行做功，此時第一套熱動力機的散熱器(119)內的工質逐漸凝結成液態(tài)工質后，再將連接于蒸發(fā)器(101)與散熱器(119)和與透平機(100)之間的管道上的閥門(103、121)打開，使散熱器(119)內的液態(tài)工質和殘留在透平機(100)內的液態(tài)工質流回到蒸發(fā)器(101)內，由于其換熱器(106)內的液體或蒸汽的溫度已經由高于其蒸發(fā)器(101)內低沸點工質氣化的溫度，變成了低于其蒸發(fā)器(101)內低沸點工質氣化的溫度，所以蒸發(fā)器(101)內的溫度并不會對液態(tài)工質的流回產生阻力，然后將蒸發(fā)器(101)與透平機(100)和與散熱器(119)之間管道上的閥門(103、121)關閉，再打開換熱器(106)上換液管道上的閥門(108、110)，使溫度高于其蒸發(fā)器(101)內低沸點工質氣化溫度的高溫液體或蒸汽重新充滿換熱器(106)，同時原來的低溫液體或蒸汽也就由換液管道(107或109)排出，然后再將換熱器(106)的換液管道上的閥門(108、110)關閉，等第二套熱動力機就要停止或剛剛停止對動力輸出軸(117)做功時，第一套熱動力機又會重復上述步驟重新對動力輸出軸(117)進行做功，這兩套熱動力機交替的對動力輸出軸(117)做功，這樣其動力輸出軸(117)就會不斷的對外輸出轉動力，如果帶動發(fā)電機(240)就可持續(xù)不斷的發(fā)出電力。
8.如權利要求7所訴的低溫熱源熱動力機的工作方法，其特征在于如果本發(fā)明的低溫熱源熱動力機是采用多套共用同一動力輸出軸(117)的、結構相同的熱動力機組成，也可以按照上述工作過程逐套進行工作，為了讓其動力輸出軸(117)不間斷的輸出轉動力，其熱動力機在做功前的準備工作應已經全部按步驟完成，如共有四套熱動力機安裝在同一個動力輸出軸(117)上，從第一套開始工作，當?shù)谒奶淄瓿勺龉r，此時第一套熱動力機已經完成了散熱器(119)的散熱、低沸點工質的冷凝并回流到蒸發(fā)器(101)內、以及換熱器(106)的換水過程，然后馬上開始對動力輸出軸(117)做功，這樣就實現(xiàn)了其動力輸出軸(117)不間斷的輸出動力。
9.如權利要求7所訴的低溫熱源熱動力機的工作方法，其特征在于其換熱器(106)的換水工作在有些熱源環(huán)境可以通過安裝在換水管道上的泵(241)來實現(xiàn)，其泵(241)可以通過動力輸出軸(117)來帶動，也可以使用外接的電力，其換熱器(106)的換水工作在有些熱源環(huán)境也可以不必使用泵(241)，而依靠熱源液體或氣體本身就具有的流動性來實現(xiàn)，如不需要使用泵(241)的內燃機水冷系統(tǒng)。
10.如權利要求7所訴的低溫熱源熱動力機的工作方法，其特征在于其透平機(100)的內永磁(114)與動力輸出軸(117)上的外永磁(116)之間的位置，除了上述的內永磁(114)通過透平機(100)的內壁將動力傳遞到外永磁(116)外，還可以采用通過透平機(100)的側壁或外壁將動力輸出到外永磁(116)。
全文摘要
本發(fā)明涉及熱動力裝置，特別是涉及能夠利用低溫熱源、以使低沸點工質在完全封閉狀態(tài)下進行不斷做功和不斷自循環(huán)的低溫熱源熱動力裝置，以及其裝置的工作方法。本發(fā)明針對現(xiàn)有應用朗肯循環(huán)的低溫熱源熱動力機的高泵耗能、低熱功效率問題，以及無法方便地對其封閉腔內的發(fā)電機進行散熱和維修，以及無法方便地對其多套透平機的動力輸出軸進行動力合并問題，而設計了由蒸發(fā)器、換熱器、透平機、散熱器、連接管道和閥門等組成的低溫熱動力發(fā)電裝置，其通過至少兩套熱動力機間歇性工作，使隔壁式磁傳動動力輸出軸不斷地輸出轉動力，負載發(fā)電。本發(fā)明屬非朗肯循環(huán)，無泵無耗電，熱功效率達75％，使各領域余熱有充分的利用價值。
文檔編號F01K25/00GK1807849SQ20061000236
公開日2006年7月26日 申請日期2006年1月27日 優(yōu)先權日2006年1月27日
發(fā)明者鞠洪君, 鞠清鵬 申請人:鞠洪君, 鞠清鵬