罗茨机构熵循环发动的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种罗茨机构熵循环发动机，包括罗茨机构，所述罗茨机构的一端经连通通道与储气罐连通，所述罗茨机构的另一端经连通通道与燃烧室连通，在所述储气罐上和/或在所述连通通道上设工质导出口。本发明提供了一种新型的发动机结构，其根据发明人提出的熵循环原理工作，可以提高发动机的热效率，有利于节约能源，且结构简单、实用性强，具有广阔的应用前景。
【专利说明】罗茨机构熵循环发动机
【技术领域】
[0001]本发明属于热能与动力领域，特别是一种罗茨机构熵循环发动机。
【背景技术】
[0002]近年来，传统内燃机的高能耗、高污染排放问题日显突出，所以，热气机得到了广泛重视，然而现有的热气机结构比较单一，并且都是以外燃加热方式对工质进行加热的，众
所周知，外燃加热过程很难得到温度较高的工质，因此，造成大量化学_损失。不仅如此，
由于外燃加热的速率有限，对材料要求高，负荷响应差，所以严重制约了热气机的单机功率和整机功率密度，最终使热气机的用途严重受限。因此，需要发明一种新型发动机。
【发明内容】
[0003]为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出的技术方案如下:
[0004]方案一:一种罗茨机构熵循环发动机，包括罗茨机构，所述罗茨机构的一端经连通通道与储气罐连通，所述罗茨机构的另一端经连通通道与燃烧室连通，在所述储气罐上和/或在所述连通通道上设工质导出口。
[0005]方案二:在方案一的基础上，在所述罗茨机构和所述储气罐之间的所述连通通道上设回热器。
[0006]方案三:在方案一的基础上，在所述罗茨机构和所述储气罐之间的所述连通通道上设冷却器。
[0007]方案四:在方案三的基础上，在述罗茨机构和所述冷却器之间的所述连通通道上设回热器。
[0008]方案五:在方案一至方案四中任一方案的基础上,所述罗茨机构设两个以上,每个所述罗茨机构的一端各连通一个所述储气罐，每个所述罗茨机构的另一端均与同一所述燃烧室连通。
[0009]方案六:在方案一的基础上，所述罗茨机构设两个以上，且两个所述罗茨机构并联设置。
[0010]方案七:在方案五或方案六的基础上，在所述燃烧室和所述罗茨机构之间的所述连通通道上设控制阀。
[0011]方案八:一种罗茨机构熵循环发动机，包括罗茨机构，所述罗茨机构的一端经连通通道与储气罐连通，所述罗茨机构的另一端与加热器连通。
[0012]方案九:在方案八的基础上，在所述罗茨机构和所述储气罐之间的所述连通通道上设回热器。
[0013]方案十:在方案八的基础上，在所述罗茨机构和所述储气罐之间的所述连通通道上设冷却器。
[0014]方案十一:在方案十的基础上，在所述罗茨机构和所述冷却器之间的所述连通通道上设回热器。
[0015] 方案十二:在方案八至方案^ 中任一方案的基础上，所述罗茨机构设两个以上，每个所述罗茨机构的一端各连通一个所述储气罐，每个所述罗茨机构的另一端均与同一所述加热器连通。
[0016]方案十三:在方案八的基础上，所述罗茨机构设两个以上，且两个所述罗茨机构并
联设置。
[0017]方案十四:在方案十二或方案十三的基础上，在所述加热器与所述罗茨机构之间的加热通道上设控制阀。
[0018]本发明的原理是:在设有所述燃烧室的结构中，所述燃烧室中燃烧膨胀的高温高压工质推动所述罗茨机构对外做功，并将工质储存在所述储气罐中，当所述储气罐中的工质压力到达一定程度时将反向推动所述罗茨机构对外做功。所述燃烧室中导入的物质将使系统中的工质的量逐渐累加，因此需要从所述工质导出口导出多余的工质。
[0019]在设有所述加热器的机构中，所述罗茨机构熵循环发动机中的工质处于密封的环境，通过所述加热器加热工质，工质膨胀推动所述罗茨机构对外做功，并将工质储存在所述储气罐中，当所述储气罐中的工质压力到达一定程度时将反向推动所述罗茨机构对外做功。
[0020]本发明中所述罗茨机构可以设两个以上，且两个所述罗茨机构并列设置或每个所述罗茨机构的一端各连通一个所述储气罐，另一端均与同一所述燃烧室或所述加热器连通，通过所述罗茨机构与所述燃烧室或所述加热器之间的所述控制阀可以控制各个所述罗茨机构的工作。
[0021 ] 本发明中，所谓A和B连通是指A与B之间工质发生流动，包括工质从A流到B或者从B流到A，或者工质先从A流到B再从B流到A。所谓的“连通”包括直接连通、间接连通和经操作单元连通，所述操作单元包括阀、控制机构、供送机构(泵)和热交换器等。
[0022]本发明中，所谓的“冷却器”是指一切可以制冷的装置，包括散热器和以冷却为目的的热交换器等。
[0023]本发明中，所述罗茨机构熵循环发动机内的工质需要经过压缩、加热升温升压、做功以及被冷却的过程，这就要求所述罗茨机构熵循环发动机自身能承受一定压力，选择性地，此承压能力可设为大于 2MPa、2.5MPa、3MPa、3.5MPa、4MPa、4.5MPa、5MPa、5.5MPa、6MPa、6.5MPa、7MPa、7.5MPa、8MPa、8.5MPa、9MPa、9.5MPa、lOMPa、10.5MPa、llMPa、11.5MPa、12MPa、12.5MPa、13MPa、13.5MPa、14MPa、14.5MPa、15MPa、15.5MPa、16MPa、16.5MPa、17MPa、17.5MPa、18MPa、18.5MPa、19MPa、19.5MPa、20MPa、20.5MPa、21MPa、22MPa、23MPa、24MPa、25MPa、26MPa、27MPa、28MPa、29MPa、30MPa、31MPa、32MPa、33MPa、34MPa、35MPa、36MPa、37MPa、38MPa、39MPa 或大于 40MPa。
[0024]本发明中，应根据发动机、热气机及热动力领域的公知技术，在必要的地方设置必要的部件、单元或系统。
[0025]本发明人提出如下所述P-T图和热力学第二定律的新的阐述方式:
[0026]压力和温度是工质的最基本、最重要的状态参数。然而，在至今为止的热力学研究中，没有将以压力P和温度T为坐标的P-T图用于对热力学过程及热力循环的研究中。在热力学诞生以来的两百多年里，本发明人第一次提出用P-T图研究热力学过程和热力循环的思想。在利用P-T图研究热力学过程和热力循环中，本发明人发现P-T图比常用的P-V图和T-S图都具有明显的优势，它能更本质地描述热力学过程和热力循环中工质状态的变化，使大家对热力学过程和热力循环有更深刻的理解。利用P-T图，本发明人总结了十条热力学第二定律的新的阐述方式，这些新的阐述方式与以往的开尔文和克劳修斯的热力学阐述方式虽然等价，但是更明确的揭示了对工质的加热过程和压缩过程的区别，也为高效热机的开发指明了方向。这一新方法和新定律，将大大促进热力学的发展和热机工业的进步。具体如下:
[0027]P-V图和T-S图在热力学研究中早已被广泛应用，然而鉴于P、T是工质最重要的状态参数，所以本发明人以压力P和温度T为坐标绘制了 P-T图，并将Carnot Cycle和OttoCycle标识在图13所示的P-T图中。很明显地，P-T图使热力学过程和热力循环中工质状态的变化更加显而易见，也使热力学过程和热力循环的本质更易理解。例如:图13所示的Carnot Cycle的P-T图,可以使大家容易地得出这样的结论:Carnot Cycle的可逆绝热压缩过程的使命是以可逆绝热压缩的方式将工质的温度升高至其高温热源的温度，以实现与高温热源的温度保持一致的前提下自高温热源恒温吸热膨胀过程。此外，大家还可以明显地看出:当Carnot Cycle的高温热源的温度升高时,必须在Carnot Cycle的可逆绝热压缩过程中将工质更加深度地压缩，使其达到更高的温度，以达到升温后的高温热源的温度，以实现与升温后的高温热源的温度保持一致的前提下自升温后的高温热源恒温吸热膨胀过程，从而实现效率的提高。
[0028]根据绝热过程方程(其中，C是常数，k是工质的绝热指数)，本发明人将
不同C值的绝热过程方程的曲线绘制在图14中。根据数学分析，并如图14所示，任何两条绝热过程曲线都不相交。这意味着:在同一条绝热过程曲线上的过程是绝热过程，而与任何绝热过程曲线相交的过程是非绝热过程，换句话说，任何连接两条不同绝热过程曲线的过程是非绝热过程(所谓的非绝热过程是指具有热量传递的过程，即放热的过程和吸热的过程)。在图15中，本发明人标注了两个状态点，即点A和点B。如果一个热力过程或一系列相互连接的热力过程从点A出发到达点B，则本发明人称之为连接点A和点B的过程，反之本发明人称之为连接点B和点A的过程。根据图15所示，本发明人可以得出这样的结论:如点B在点A所在的绝热过程曲线上，则连接点A和点B的过程是绝热过程；如点B在点A所在的绝热过程曲线的右侧，则连接点A和点B的过程是吸热过程；如点B在点A所在的绝热过程曲线的左侧，则连接点A和点B的过程是放热过程。由于连接点A和点B的过程可能是放热过程、绝热过程或吸热过程，所以本发明人以点B为参照，将点A分别定义为具有过剩温度、理想温度和不足温度。同理，连接点B和点A的过程可能是放热过程、绝热过程或吸热过程，所以本发明人以点A为参照，将点B分别定义为具有过剩温度、理想温度和不足温度。
[0029]通过这些分析和定义，本发明人得出如下十条关于热力学第二定律的新的阐述方式:
[0030]1、没有吸热过程的参与，不可能将放热过程恢复至其始点。
[0031]2、没有放热过程的参与，不可能将吸热过程恢复至其始点。
[0032]3、没有非绝热过程的参与，不可能将非绝热过程恢复至其始点。[0033]4、仅用绝热过程，不可能将非绝热过程恢复至其始点。
[0034]5、用放热过程以外的热力过程使吸热过程的压力恢复到其始点的压力时，其温度一定高于其始点的温度。
[0035]6、用吸热过程以外的热力过程使放热过程的压力恢复到其始点的压力时，其温度一定低于其始点的温度。
[0036]7、吸热过程不可能不产生过剩温度。
[0037]8、放热过程不可能不产生不足温度。
[0038]9、任何在压缩过程中不放热的热机的效率不可能达到卡诺循环的效率。
[0039]10、对工质的加热过程和对工质的压缩过程的区别在于:加热过程一定产生过剩温度，而压缩过程则不然。
[0040]关于热力学第二定律的十条新的阐述方式，是等价的，也是可以经数学证明的，这十条阐述方式中的任何一条均可单独使用。本发明人建议:在热力学研究过程中，应广泛应用P-T图及上述关于热力学第二定律的新的阐述方式。P-T图以及关于热力学第二定律的新的阐述方式对热力学的进步和高效热机的开发具有重大意义。
[0041]热力学第二定律的新的阐述方式的英文表达:
[0042]1.1t is impossible to return a heat rejection process to its initialstate without a heat injection process involved.[0043]2.1t is impossible to return a heat injection process to its initialstate without a heat rejection process involved.[0044]3.1t is impossible to return a non-adiabatic process to its initialstate without a non-adiabatic process involved.[0045]4.1t is impossible to return a non-adiabatic process to its initialstate only by adiabatic process.[0046]5.1f the final pressure of heat injection process is returned to itsinitial pressure by process other than heat rejection process, the temperatureof that state is higher than that of the initial state.[0047]6.1f the final pressure of heat rejection process is returned to itsinitial pressure by process other than heat injection process, the temperatureof that state is lower than that of the initial state.[0048]7.1t is impossible to make heat injection process not generateexcess-temperature.[0049]8.1t is impossible to make heat rejection process not generateinsufficient-temperature.[0050]9.1t is impossible for any device that operates on a cycle to reachthe efficiency indicated by Carnot cycle without heat rejection in compressionprocess.[0051]10.The difference between heat injection process and compressionprocess which are applied to working fluid of thermodynamic process or cycle isthat heat injection process must generate excess-temperature, but compressionprocess must not.[0052]本发明的有益效果如下:
[0053]本发明提供了一种新型的发动机结构，其根据发明人提出的熵循环原理工作，可以提高发动机的热效率，有利于节约能源，且结构简单、实用性强，具有广阔的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0054]图1是本发明实施例1所述的罗茨机构熵循环发动机的结构示意图；
[0055]图2是本发明实施例2所述的罗茨机构熵循环发动机的结构示意图；
[0056]图3是本发明实施例3所述的罗茨机构熵循环发动机的结构示意图；
[0057]图4是本发明实施例4所述的罗茨机构熵循环发动机的结构示意图；
[0058]图5是本发明实施例5所述的罗茨机构熵循环发动机的结构示意图；
[0059]图6是本发明实施例6所述的罗茨机构熵循环发动机的结构示意图；
[0060]图7是本发明实施例7所述的罗茨机构熵循环发动机的结构示意图；
[0061]图8是本发明实施例8所述的罗茨机构熵循环发动机的结构示意图；
[0062]图9是本发明实施例9所述的罗茨机构熵循环发动机的结构示意图；
[0063]图10是本发明实施例10所述的罗茨机构熵循环发动机的结构示意图；
[0064]图11是本发明实施例11所述的罗茨机构熵循环发动机的结构示意图；
[0065]图12是本发明实施例12所述的罗茨机构熵循环发动机的结构示意图；
[0066]图13所示的是卡诺循环和奥拓循环的P-T图，其中，Ctl, C1和C2是不同数值的常数，k是绝热指数，循环0-1-2-3-0是卡诺循环，循环0-1-4-5-0是闻温热源温度升闻后的卡诺循环，循环0-6-7-8-0是奥拓循环；
[0067]图14所示的是多条不同绝热过程曲线的P-T图，其中，C1, C2，C3,(；和(:5是不同数值的常数，k是绝热指数，A和B是状态点；
[0068]图15所示的是绝热过程曲线的P-T图，其中，C是常数，k是绝热指数，A和B是状点，
[0069]图中:
[0070]I罗茨机构、2连通通道、3储气罐、4燃烧室、5工质导出口、6冷却器、7回热器、8加热器、20连通通道、21加热通道、41氧化剂入口、42还原剂入口、43控制阀。
【具体实施方式】[0071]实施例1
[0072]如图1所示的罗茨机构熵循环发动机，包括罗茨机构I，所述罗茨机构I的一端经连通通道2与储气罐3连通，所述罗茨机构I的另一端经连通通道20与燃烧室4连通，在所述储气罐3上设工质导出口 5，所述工质导出口处设有控制阀。
[0073]本实施例中，所述燃烧室4设有点火装置，外界导入的氧化剂和还原剂在所述燃烧室4中燃烧，因此所述燃烧室4上还设有氧化剂入口 41和还原剂入口 42。
[0074]所述燃烧室4中燃烧膨胀的高温高压工质推动所述罗茨机构I对外做功，并将工质储存在所述储气罐3中，当所述储气罐3中的工质压力到达一定程度时将反向推动所述罗茨机构I对外做功。系统工作中产生的多余的工质从所述工质导出口 5导出。[0075]可选择地，将所述工质导出口 5设在所述连通通道2上，或在所述储气罐3上和在所述连通通道2上同时设置。
[0076]实施例2
[0077]如图2所示的罗茨机构熵循环发动机，其与实施例1的区别在于:在所述罗茨机构I和所述储气罐3之间的所述连通通道2上设冷却器6。所述工质导出口 5改为设置在所述罗茨机构I和所述储气罐3之间的所述连通通道2上。
[0078]实施例3
[0079]如图3所示的罗茨机构熵循环发动机，其与实施例1的区别在于:在所述罗茨机构I和所述储气罐3之间的所述连通通道2上设冷却器6，在所述罗茨机构I和所述冷却器6之间的所述连通通道2上设回热器7。
[0080]本发明中，所述燃烧室4中预先存储有燃料和氧化剂，因此取消了所述氧化剂入口 41和还原剂入口 42。
[0081]实施例4
[0082]如图4所示的罗茨机构熵循环发动机，在实施例3的基础上:所述罗茨机构I设为两个，每个所述罗茨机构I的一端各连通一个所述储气罐3，两个所述罗茨机构I的另一端均与同一个所述燃烧室4连通。
[0083]作为可变换的实施方式，所述罗茨机构I还可设为三个以上。
[0084]实施例5
[0085]如图5所示的罗茨机构熵循环发动机，其与实施例4的区别在于:两个所述罗茨机构I与同一个所述储气罐3连通。
[0086]实施例6
[0087]如图6所示的罗茨机构熵循环发动机，在实施例5的基础上，在所述燃烧室4和所述罗茨机构I之间的所述连通通道20上设控制阀43。
[0088]实施例7
[0089]如图7所示的罗茨机构熵循环发动机，包括罗茨机构I，所述罗茨机构I的一端经连通通道2与储气罐3连通，所述罗茨机构I的另一端与加热器8连通。
[0090]本实施例中，系统中的工质处于密封的环境，通过所述加热器8加热工质，工质膨胀推动所述罗茨机构I对外做功，并将工质储存在所述储气罐3中，当所述储气罐3中的工质压力到达一定程度时将反向推动所述罗茨机构I对外做功。
[0091]实施例8
[0092]如图8所示的罗茨机构熵循环发动机，其与实施例7的区别在于:在所述罗茨机构I和所述储气罐3之间的所述连通通道2上设冷却器6。
[0093]实施例9
[0094]如图9所示的罗茨机构熵循环发动机，其与实施例7的区别在于:在所述罗茨机构I和所述储气罐3之间的所述连通通道2上设冷却器6，在所述罗茨机构I和所述冷却器6之间的所述连通通道2上设回热器7。
[0095]实施例10
[0096]如图10所示的罗茨机构熵循环发动机，在实施例9的基础上:所述罗茨机构I设为两个，每个所述罗茨机构I的一端各连通一个所述储气罐3，两个所述罗茨机构I的另一端均与同一个所述加热器8连通。
[0097]实施例11
[0098]如图11所示的罗茨机构熵循环发动机，其与实施例10的区别在于:两个所述罗茨机构I与同一个所述储气罐3连通。
[0099]实施例12
[0100]如图12所示的罗茨机构熵循环发动机，在实施例11的基础上，在所述加热器8和所述罗茨机构I之间的加热通道21上设控制阀43。
[0101]显然，本发明不限于以上实施例，根据本领域的公知技术和本发明所公开的技术方案，可以推导出或联想出许多变型方案，所有这些变型方案，也应认为是本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种罗茨机构熵循环发动机，其特征在于:包括罗茨机构(1)，所述罗茨机构(I)的一端经连通通道(2)与储气罐(3)连通，所述罗茨机构(I)的另一端经连通通道(20)与燃烧室(4)连通，在所述储气罐(3)上和/或在所述连通通道(2)上设工质导出口(5)。
2.如权利要求1所述罗茨机构熵循环发动机，其特征在于:在所述罗茨机构(I)和所述储气罐(3)之间的所述连通通道(2)上设回热器(7)。
3.如权利要求1所述罗茨机构熵循环发动机，其特征在于:在所述罗茨机构(I)和所述储气罐(3)之间的所述连通通道(2)上设冷却器(6)。
4.如权利要求3所述罗茨机构熵循环发动机，其特征在于:在所述罗茨机构(I)和所述冷却器(6)之间的所述连通通道(2)上设回热器(7)。
5.如权利要求1所述罗茨机构熵循环发动机，其特征在于:所述罗茨机构(I)设两个以上，每个所述罗茨机构(I)的一端各连通一个所述储气罐(3)，每个所述罗茨机构(I)的另一端均与同一所述燃烧室(4 )连通。
6.如权利要求1所述罗茨机构熵循环发动机，其特征在于:所述罗茨机构(I)设两个以上，且两个以上所述罗茨机构(I)并联设置。
7.如权利要求5或6所述罗茨机构熵循环发动机，其特征在于:在所述燃烧室(4)和所述罗茨机构(I)之间的所述连通通道(20 )上设控制阀(43 )。
8.一种罗茨机构熵循环发动机，其特征在于:包括罗茨机构(1)，所述罗茨机构(I)的一端经连通通道(2)与储气罐(3)连通，所述罗茨机构(I)的另一端与加热器(8)连通。
9.如权利要求8所述罗茨机构熵循环发动机，其特征在于:在所述罗茨机构(I)和所述储气罐(3)之间的所述连通通道(2)上设回热器(7)。
10.如权利要求8所述罗茨机构熵循环发动机，其特征在于:在所述罗茨机构(I)和所述储气罐(3 )之间的所述连通通道(2 )上设冷却器(6 )。
【文档编号】F02G1/02GK103644041SQ201310188085
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年5月20日 优先权日:2012年5月22日
【发明者】靳北彪 申请人:摩尔动力(北京)技术股份有限公司