【技术领域】

本发明涉及一种热力循环发动机，尤其涉及一种吸热式热力循环发动机。

【背景技术】

早在人类生存的初期，人们就试图用各种方法来代替人们繁重的体力劳 动。蒸汽机的出现，引起了世界第一次工业革命，极大地提高了生产力。随 着世界工业的飞速发展，人类对动力能源的需求日益膨胀。目前主要的动力 能源是通过热功转换而来的，也即把石化燃料燃烧的化学能或核反应堆的核 能，以热能的方式通过热功转换成机械能或者再转换成电能加以利用。由于 石化燃料的快速开采，将逐渐枯竭；各种燃料机所排放的有害产物，严重污 染环境，危及人类健康及生物生长，特别是二氧化碳的急剧增加，导致了全 球温室效应的加剧，给生态系统造成极大的副面影响。然而，核能的利用， 给人类带来希望，可是一旦失控，将给人类带来巨大危机；而且核废料较难 以处理。

为此，提供一种可充分利用自然界中现有存在的能源的装置成为目前有 待解决的技术课题。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种吸热式热力循环发动机，其可充分利用外界 环境的热能，并通过热功转换以转换成机械。

为了实现上述目的，提供一种吸热式热力循环发动机，其包括制冷循环 系统、动力循环系统和控制该制冷循环系统和该动力循环系统工作的控制系 统，其中该动力循环系统包括动力介质、动力介质通道、吸热器和通过该动 力介质进行热功转换的机械动力输出装置，该动力介质可于该动力介质通道 中循环流动，该制冷循环系统将驱动该机械动力输出装置做功后的动力介质 循环冷却，该吸热器吸取外界热能以将被该制冷循环系统冷却的动力介质蒸 发膨胀，从而通过该蒸发膨胀的动力介质驱动该机械动力输出装置做机械功。

所述制冷循环系统包括制冷压缩机、制冷介质、制冷介质通道、制冷膨 胀阀、制冷介质储备容器，其中该制冷介质通道包括热端和冷端，其中该热 端和冷端之间通过制冷介质通道并联设置该制冷压缩机、该制冷膨胀阀和该 制冷介质储备容器，其中该热端和冷端分别通过冷凝换热器和冷凝蒸发器与 该动力循环系统连接，以对该动力介质循环冷却。

所述制冷膨胀阀与该热端之间设置第一电磁阀，所述制冷介质储备容器 与该冷端之间设置第二电磁阀，所述制冷介质储备容器与该热端之间设置有 单向阀。

所述动力循环系统还包括动力介质储备容器和回热器，其中通过该动力 介质通道，该动力介质储备容器的一端依次穿过该冷凝换热器和该回热器与 该吸热器的进口连接，并且依次穿过该冷凝蒸发器和该回热器与该机械动力 输出装置的出口连接；该动力介质储备容器的另一端与该回热器和冷凝蒸发 器之间的动力介质通道连接，该吸热器的出口与该机械动力输出装置的进口 连接，所述动力循环系统还包括与该动力介质通道连接并位于该冷凝换热器 和冷凝蒸发器之间的增压泵。

所述动力介质通道于该冷凝换热器和动力介质储备容器之间设置第三电 磁阀；该动力介质储备容器的另一端通过电磁阀与该回热器和冷凝蒸发器之 间的动力介质通道连接，该动力介质储备容器与该增压泵之间设置有单向阀， 该单向阀分别与该第三电磁阀和增压泵连接。

所述机械动力输出装置为动力涡轮或透平。

所述控制系统包括工作控制模块、压力控制模块和温度控制模块，其中 该工作控制模块对操作命令进行处理，同时对该压力控制模块和温度控制模 块的数据进行接收和处理并对其发出控制指令，该工作控制模块包括动力源 切换机构，以对制冷压缩机和增压泵的动力源进行切换。

所述压力控制模块包括压力传感器，该压力传感器主要分布在该涡轮或 透平两端的动力介质通道、制冷介质储备容器一端的动力介质通道和动力介 质储备容器一端的动力介质通道上，以将压力数据传递给工作控制模块，该 压力控制模块还包括介质增减机构，控制第二电磁阀和第四电磁阀，以接收 该工作控制模块发出的控制指令来补充或吸入动力介质和制冷介质。

所述温度控制模块包括温度传感器，该温度传感器分布在位于该冷凝蒸 发器和冷凝换热器内的动力介质通道和制冷介质通道、回热器和吸热器内的 动力介质通道上，以将温度数据传递给工作控制模块。

所述温度控制模块还包括防冻控制器，该防冻控制器设于该吸热器上。

与现有技术相比，本发明吸热式热力循环发动机包括制冷循环系统、动 力循环系统和控制该制冷循环系统和该动力循环系统工作的控制系统，其中 该动力循环系统包括动力介质、动力介质通道、吸热器和通过该动力介质进 行热功转换的机械动力输出装置，该动力介质可于该动力介质通道中循环流 动，该制冷循环系统将驱动该机械动力输出装置做功后的动力介质循环冷却， 该吸热器吸取外界热能以将被该制冷循环系统冷却的动力介质蒸发膨胀，从 而通过该蒸发膨胀的动力介质驱动该机械动力输出装置做机械功。借此，本 发明吸热式热力循环发动机可充分利用外界环境的热能，并通过热功转换以 转换成机械。

【附图说明】

图1是本发明吸热式热力循环发动机的示意简图。

图2本发明吸热式热力循环发动机的控制系统的结构框图。

图3是本发明吸热式热力循环发动机的动力介质工作的P-V图。

图4是本发明吸热式热力循环发动机的动力介质工作的T-S图。

【具体实施方式】

以下结合附图对本发明进行详细说明。

如图1和图2所示，本发明吸热式热力循环发动机10主要采用热力学第 二定律，以外界环境为高温热源，以该制冷循环系统20为低温热源，该动力 循环系统30为热机，该控制系统40起到控制制冷循环系统20和动力循环系 统30的作用，以确保其稳定工作。

具体来讲，本发明吸热式热力循环发动机10包括该制冷循环系统20、 动力循环系统30和控制该制冷循环系统20和该动力循环系统30工作的控制 系统40。其中该动力循环系统30包括动力介质、动力介质通道31、吸热器 32和通过该动力介质进行热功转换的机械动力输出装置33，该动力介质可于 该动力介质通道31中循环流动。该制冷循环系统20将驱动该机械动力输出 装置33做功后的动力介质循环冷却。该吸热器32吸取外界热能以将被该制 冷循环系统20冷却的动力介质蒸发，从而通过该蒸发的动力介质驱动该机械 动力输出装置33做机械功。借此，本发明吸热式热力循环发动机10可充分 利用外界环境的热能，并通过热功转换以转换成机械，以下详细说明。该吸 热器32与一般散热器的结构相同，只是其用来吸收外界热量。

在本实施例中，该制冷循环系统20是一个完整的制冷系统，其包括制冷 介质、制冷介质通道21、制冷压缩机22、制冷膨胀阀23、制冷介质储备容 器24，其中该制冷介质通道包括热端211和冷端212，其中该热端211和冷 端212之间通过制冷介质通道并联设置该制冷压缩机22、该制冷膨胀阀23 和该制冷介质储备容器24。其中该热端211和冷端212分别通过冷凝换热器 25和冷凝蒸发器26与该动力循环系统30连接，以对该动力介质循环冷却。 此外，该制冷膨胀阀23与该热端211之间设置第一电磁阀27，该制冷介质 储备容器24与该冷端212之间设置第二电磁阀28，该制冷介质储备容器24 与该热端211之间设置有单向阀29。

在本实施例中，该动力循环系统30还包括动力介质储备容器34和回热 器35，其中通过该动力介质通道31，该动力介质储备容器34的一端依次穿 过该冷凝换热器25和该回热器35与该吸热器32的进口连接，并且依次穿过 该冷凝蒸发器26和该回热器35与该机械动力输出装置33的出口连接；该动 力介质储备容器34的另一端与该回热器35和冷凝蒸发器26之间的动力介质 通道31连接，该吸热器32的出口与该机械动力输出装置33的进口连接，所 述动力循环系统30还包括与该动力介质通道31连接并位于该冷凝换热器25 和冷凝蒸发器26之间的增压泵36。该动力循环系统30可是一个完整的蒸汽 动力系统，也可为燃气动力系统，也即该动力介质可为蒸汽也可为燃气。

在本实施例中，该动力介质通道31于该冷凝换热器25和动力介质储备 容器34之间设置第三电磁阀37；该动力介质储备容器34的另一端通过第四 电磁阀38与该回热器35和冷凝蒸发器26之间的动力介质通道31连接，该 动力介质储备容器34与该增压泵36之间设置有单向阀39。在本实施例中， 该机械动力输出装置33为动力涡轮或透平。

如图2所示，在本实施例中，该控制系统40包括工作控制模块41、压 力控制模块42和温度控制模块43。其中该工作控制模块41对操作命令进行 处理，同时对该压力控制模块42和温度控制模块43的数据进行接收和处理 并对其发出控制指令，该工作控制模块41包括动力源切换机构，以对制冷压 缩机和增压泵的动力源之间进行切换；该压力控制模块42包括压力传感器， 以将压力数据传递给工作控制模块41，该压力控制模块42还包括介质增减 机构，以接收该工作控制模块41发出的控制指令来补充或排除动力介质和制 冷介质；该温度控制模块43包括温度传感器，以将温度数据传递给工作控制 模块41，该温度控制模块43还包括防冻控制器，以下详细说明。

制冷时，在外界动力源的作用下，该制冷压缩机22被驱动，将冷凝蒸发 器26中被蒸发的制冷介质压缩到该冷凝换热器25。该制冷介质因在冷凝蒸 发器26中蒸发而带走热量，从而可通过热交换降低通过该冷凝蒸发器26的 动力介质的温度，让其冷凝。被压缩到冷凝换热器25中的制冷介质释放热量， 而对该动力介质进行初步加热，使其膨胀，但其温度仍然比较低。由于制冷 介质储备容器24中的压力较大，通过该制冷膨胀阀23可连通该热端211和 冷端212，从而形成热端211高压而冷端212低压，便于热端211的制冷介质 在该冷凝换热器25中放热，而冷端212的制冷介质在冷凝蒸发器26中吸热。

该制冷介质储备容器24中存储有制冷介质，在工作开始时，该第二电磁 阀28被控制而处于打开状态，当该制冷介质通道21中的制冷介质被制冷压 缩机22压缩到冷凝换热器25时，由于制冷压缩机22和制冷膨胀阀23之间 的制冷介质通道21中制冷介质较少，压强增大，从而工作控制模块41将控 制该压力控制模块42的介质增减机构，让该第二电磁阀28处于打开状态， 部分制冷介质从该制冷介质储备容器24流出，以平衡位于制冷压缩机22和 制冷膨胀阀23之间的制冷介质通道21内的压力，当达到平衡后，该第二电 磁阀28被驱动而处于关闭状态。

当制冷工作结束时，该第一、第二电磁阀27、28被控制而处于关闭状态， 在外界动力源作用下该制冷压缩机22被驱动从而将大部分制冷介质压入到 制冷介质储备容器24中，当开启时，该第二电磁阀28被控制而处于打开状 态，由于制冷介质储备容器24中的压力较高，从而让制冷介质流入该制冷介 质通道31内，进行循环冷却动力介质。

对外做功时，该第三、第四电磁阀37、38被控制而处于打开状态，由于 动力介质储备容器34中的压力较大，从而将动力介质压入到动力介质通道 31内，然后通过该冷凝蒸发器26，由于冷凝蒸发器26中的制冷介质蒸发而 带走大量热量，从而让该动力介质冷却，以至让其达到冷凝状态。由于动力 介质储备容器34中的压力较大，冷凝后的动力介质被增压泵36压到该冷凝 换热器25中，由于该冷凝换热器25中的制冷介质处于散热状态，从让该冷 凝后的动力介质膨胀，但其温度仍然较低。然后动力介质进入该回热器35内， 进一步被回热。从回热器35中出来的动力介质进入该吸热器32内。该吸热 器32通过充分吸收外界环境的热能，形成高温热能，然后对该动力介质进行 充分加热，以让该动力介质受热膨胀，推动该涡轮或透平作功，以输出机械 能。由于第四电磁阀38被控制处于关闭状态，做完功的动力介质通过回热器 35降温后然后又流入该冷凝蒸发器26，然后重复以上过程，进而可重复不断 驱动该涡轮或透平作功，以输出机械能，从而可充分利用外界环境的热能， 并通过热功转换以转换成机械。使用过程中，该输出的机械能可用来驱动该 增压泵36和制冷压缩机22运行，从而替换外界动力源输入。

当使用结束时，该第三、第四电磁阀37、38被控制而处于关闭状态，增 压泵36在外界的作用下将动力介质压入该动力介质储备容器34。在循环工 作工程中，当动力介质通道31中动力介质较少时，动力介质通道31中的压 强增大，从而工作控制模块41将控制该压力控制模块42的介质增减机构， 让该第四电磁阀38处于打开状态，部分动力介质从该动力介质储备容器34 流出，以平衡动力介质通道31内的压力，当达到平衡后，该第四电磁阀38 被驱动而处于关闭状态。

图3所示为动力介质在循环过程中的P-V图，即压强与体积变化示意图。 一并参阅图1，当动力介质进入该增压泵36和从该增压泵36中被压出的过 程是等体积加压过程，此过程为绝热压缩过程，也即图3中A点到B点；动 力介质进入该冷凝换热器25和从该冷凝换热器25中出来的过程是等压膨胀 过程，此过程为等压吸热过程，也即图3中B点到C点；动力介质从进入该 回热器35和从该回热器35中出来的过程是等压膨胀过程，此过程为等压吸 热过程，也即图3中C点到D点；动力介质从进入该吸热器32和从该吸热 器32中出来的过程是等压膨胀过程，此过程为等压吸热过程，也即图3中D 点到E点；动力介质驱动该涡轮或透平作功的过程是等体积降压过程，此过 程为绝热膨胀过程，也即图3中E点到F点；做完功的动力介质进入该回热 器和从该回热器中出来的过程是等压收缩过程，此过程为等压放热过程，也 即图3中F点到G点；动力介质从进入该冷凝蒸发器26和从该冷凝蒸发器 26中出来的过程是等压收缩过程，此过程为等压放热过程，也即图3中G点 到A点。

图4所示为动力介质在循环过程中的T-S图，即温度与熵变化示意图。 一并参阅图3和图1，当动力介质进入该增压泵36和从该增压泵36中被压 出的过程中，温度随熵的缓慢增加而迅速升高，也即图4中A点到B点；动 力介质从进入该冷凝换热器25和从该冷凝换热器25中出来的过程中，温度 随熵的增加而升高，也即图4中B点到C点；动力介质从进入该回热器35 和从该回热器35中出来的过程中，温度随熵的迅速而缓慢升高，也即图4中 C点到D点；动力介质从进入该吸热器32和从该吸热器32中出来的过程中， 温度随熵的增加而升高，也即图4中D点到E点；动力介质驱动该涡轮或透 平作功的过程中，温度随熵的降低而迅速降低，也即图4中E点到F点；做 完功的动力介质进入该回热器35和从该回热器35中出来的过程中，温度随 熵的降低而降低，也即图4中F点到G点；动力介质从进入该冷凝蒸发器26 和从该冷凝蒸发器26中出来的过程中，温度随熵的降低而降低，也即图4中 G点到A点。

为了更好地控制该制冷循环系统20和动力循环系统30，本发明吸热式 热力循环发动机10还具有控制系统40。该控制系统40包括工作控制模块41、 压力控制模块42和温度控制模块43。

其中该工作控制模块41对操作命令进行处理，同时对该压力控制模块 42和温度控制模块43的数据进行接收和处理并对其发出控制指令，该工作 控制模块41包括动力源切换机构，以对制冷压缩机22和增压泵36的动力源 之间进行切换，也即驱动该制冷压缩机22和增压泵36的外部动力源和该涡 轮或透平作为动力源之间的切换。

该压力控制模块42包括压力传感器，该压力传感器主要分布在该涡轮或 透平两端的动力介质通道31、制冷介质储备容器24一端的制冷介质通道和 动力介质储备容器34一端的动力介质通道31上，以将对应的压力数据分别 传递给工作控制模块41。该压力控制模块41还包括介质增减机构，介质增 减机构通过控制该第二、第四电磁阀28、38，在接收该工作控制模块41发 出的控制指令来补充或吸进动力介质和制冷介质，以平衡动力介质通道31和 制冷介质通道21内的压力。

该温度控制模块43包括温度传感器，该温度传感器分布在位于该冷凝蒸 发器26和冷凝换热器25内的动力介质通道31和制冷介质通道21、回热器 35和吸热器32内的动力介质通道31上，以将温度数据传递给工作控制模块 43。

该温度控制模块43还包括防冻控制器，该防冻控制器设于该吸热器32 上，以防止该吸热器32中动力介质通道31内的动力介质结冻，保持该动力 介质通道31畅通，其原理与电冰箱的防冻原理相同。

尽管通过以上实施例对本发明进行了揭示，但是本发明的范围并不局限 于此，在不偏离本发明构思的条件下，以上各元件或构造可用所属技术领域 人员了解的相似或等同元件或构造来替换。