一种利用自然热能作功的动力装置的制作方法

本发明一般涉及一种动力装置，特别是一种利用自然热能作功的动力装置。

背景技术：

自然热能普通存在，只不过低温且分散，中国发明专利，名称为“利用热泵技术的动力装置”，申请号201510317694.6提供了一种利用这种自然热能的技术方案，利用热泵技术来汇聚从空气、水中获得的低品位热量，经过电驱压缩机做功输出高品位热量，用来加热作功气体，并利用中国发明专利，专利号201120518791.9所提供的气动机作功，从而将获得的热能转换为机械能，两种方案的结合获得了很大的成功，已经在自然热能的利用方面迈出了实在的步伐。

在“利用热泵技术的动力装置”的专利申请中，申请人提出了一个双回路的技术方案，即“具有一个循环的气体作功系统，所述气体带有底压，所述系统内有一个压气机，出气端通过管道与一个热交换装置相连，热交换装置的出气端与气动机的进气端相连，气动机的出气端与压气机的进气端相连，组成循环的气体作功系统”这是一个作功回路，而另一回路为“所述的热交换装置与一个热泵装置的热端相接或与一个工业余热利用装置产生的热端相接，循环的气体作功系统中的气体隔着管壁吸收热端装置的热量”，上述的气体作功回路与热泵回路并行，其构思是热泵回路收集低热资源成为高端热源，通过热交换装置加热作功回路中的气体，使其具有高温高压作功气体的特点，进入气动机，使高温高压气体通过喷嘴喷出，使气动机获得转矩，用来带动发电机或其它作功装置。这是一个成功的方案，在实践中已产生很好的效果。

但上述方案是一个适应多种形势的万能机型，如果要考虑大功率，或不计较体积等场合是适宜的，但在某些场合的利用上是否考虑的，如将本装置用于汽车设计，则要考虑从简才有实用价值，另外汽车设计也无法考虑使用其它的热源，如前面提到的使用工业余热利用装置收集的热源等，所以在一些特殊的利用上，必须考虑一些特殊的技术方案，以适应各种条件的利用本技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一个能克服公知技术的不足，节省元件，更经济，直接从周围环境吸取热量的一个利用自然热能作功的动力装置。

为实现上述目的，本发明的方案为：一种利用自然热能作功的动力装置，有一个循环的气体作功系统，所述气体带有底压，所述系统内有压气机，其出气端与一个压力容器壁上的进气口相连，一个气动机容纳在压力容器内，气动机的进气装置安装在一个发电装置的轴端上，压力容器的进气口与进气装置通过管道相连，压力容器的壁上还开有出气口，通过接头与一个热交换装置的进气端相连，热交换装置的出气端与压气机的进气端相连。

进一步的方案为：所述气体为带有底压5Kg/cm²或以上的CO₂气体。

更具体的方案为：所述气体为带有底压20Kg/cm²的CO₂气体。

采用上述方案形成与公知技术有区别的循环气体作功系统，将热交换装置接在容纳有气动机的压力容器出气端与压气机进气端之间，而不是象公知技术是将热交换装置接在压气机出气端与气动机进气端之间，这是因为在上述形成的系统中，压气机出气口出来的高温高压气体进入气动机，从气动机动力杆端部的喷头喷射出来的气体即成为饱和气体，此处的饱和气体的压力和温度有一一对应的关系，对于CO₂气体来说，对应压力为20Kg/cm²，温度对应-20℃，当然是仅对CO₂气体，对应其他的气体可能不是这样，如对应介质R₂₂，对应20Kg/cm²的压力，其饱和气体温度在52℃，又如R134a，为68℃。相对-20℃的温度，我们人类日常活动的环境都比它高，所以气体能大范围吸热。在本系统中，由于饱和气体温度为-20℃，先是通过压力容器的壁向周围环境吸取热量，使其变为过热气体，由于压力容器壁的面积不够，吸收不到足够的热，所以在本方案中加一个换热装置，由于从压力容器出来的气体始终低于环境温度，又加上换热装置的换热面积足够，气体能继续吸收到足够的热，使其气体温度上升到与环境温度相同的过热气体，进入压气机后，气体的压力和温度都要升高，甚至高于环境温度，如果在压气机与气动机之间设置有换热装置，此时气体反而会通过换热装置向环境放热，热量就白白地损失掉了。因此由于换热装置安装的位置不同，一个起吸热作用，一个起放热作用，这是不能混淆的，气体在换热获得热量的过程中，其焓值增加，而在作功过程中消耗焓值，这是因为作功气体在喷嘴中膨胀加速时，压力、温度降低导致焓值降低，速度提高，气体携带的热能转变为汽流的动能，动力杆获得扭矩，带动发电机发电，由于能量来自于环境热量，事实上是太阳能，而本方案利用太阳能的方式，不象需接受太阳光照射的半导体材料，受阴天、黑液、雨雾的限制，在任何地方，任何条件都能进行，所以本技术方案耗费资源性能量很少，相比公知技术，用的元件更少，成本更经济，实现了本发明的目的。

下面结合图示及实施例对方案作详细的说明。

附图说明

图1为一种利用自然热能作功的动力装置的原理简图；

图2为图1中气动机结构图。

具体实施方式

如图1所示为单回路，以区别于公知技术的双回路。图示中，有一压气机1或称为压缩机，所述压气机的出气端与一个气动机2的入端相联，所述气动机即公知技术中利用作功气体将热能转换成机械能的装置，所述气动机是动力杆，喷嘴，进气装置等元件的总称，在本实施例中将上述元件装入压力容器4中，将气动机通过进气装置所设的进气口设为A点，通过喷射作功后，通过压力容器出气的出气口设为B点，从B点连接一个换热装置3，换热装置的出气端与压气机1的入端相连，组成一个密闭的作功系统，所述系统是通过管道连接压气机1，气动机2，热交换装置3，及容纳气动机的压力容器4，由气动机带动的发电机8。

如图2为一个具体的气动机结构图，一个压力容器4，用厚钢板焊接成一个筒形容器，压力容器分成两段，长筒身5，容纳主要结构，一段为盖6，两段通过法兰和螺栓连接，两个端头7均为弧形结构，本实施例的压力容器耐压能力为20Kg/cm²，在长筒身5的一段安装有一发电机8，即将发电机整体放入压力容器4内，或仅将发电机的轴端伸入压力容器与气动机结合，而将发电机机身移出压力容器，但要保证其转轴与压力容器上所开孔的密封问题，后一方案将减少压力容器的体积。本实施例是将发电机整体放入压力容器内，固定在与筒壁牢固连接的机座9上，发电机伸出的轴端安装有一进气装置，所述的进气装置由一个盒体10及盒盖11组成，盒体上开有轴孔与电机轴配合，用键连接，传递扭矩，盒体的圆周壁上开有一组孔，本实施例开有三个孔，成圆周120°的间隔分布在同一圆周平面上，通过孔连接三根动力杆12，每根动力杆的端部安装有一个喷头13，喷头的结构，也是公知技术所描绘的结构。盒盖11通过螺钉与盒体10的法兰盖连接，盒盖11的中心开有孔，孔内装有一端面轴承14，端面轴承紧靠一密封圈19，轴承内孔配合一根空心管15，空心管外圆有一窄的凸圈20，配合安装端面轴承，一端的管口伸入盒体10所形成的空腔内，向动力杆送气，空心管向外的一端装有一弯头16，弯头的另一端通过软管连接一安装在长筒身5上的管接头17，管接头在长筒身5外面的接口通过管道接入系统中，另开有一口18将充满在压力容器中的气体导入系统中，本实施例的气动机结构简洁，从管接头17向气动机内输入从压气机出来的高温高压气体，从空心管15内进入盒体10的空腔内，再从三根动力杆12所连接的喷头13喷出，如前所述，从喷头13喷出的气体由于焓值下降形成饱和气体，所谓的饱和气体中压力和温度有一一对应的关系，由于本实施例使用的气体为CO₂，底压为20Kg/cm²，所以此时气体温度为-20℃，与环境温度相比都很低，所以气体通过压力容器的壁吸收环境热量，使气体温度上升成为过热气体，由于压力容器的表面积有限，气体不可能吸收到足够热量，又进入换热器大量吸收环境热量，使气体温度至多能升到环境温度，这样的气体再进入压气机，经压缩成为压力更大，温度更高的作功气体，进入气动机作功。

如前所述，系统内加有底压20Kg/cm²的CO₂气体，由于从喷嘴出来的CO₂气体成为饱和气体，饱和气体的特点是压力和温度有一一对应的关系，如20Kg/cm²的压力，对应气体温度为-20℃，加压10Kg/cm²对应温度-40℃，本来-40℃比-20℃温度更低，吸热范围更大，但20Kg/cm²形成的CO₂气体体积更小，质量密度更大，这是根据物理学上的气体公式，气体的体积与压力成反比，从喷嘴喷出的气体质量越大，根据动能公式W=mv²，在同样的气体速度下气体质量越大，动能越大，况且CO₂气体比重是空气的两倍，所以选用CO₂有充分的理由。

本方案的有益效果，如在系统内采用3P的压气机，即其容积流是2.4升/秒，质量流为0.1263Kg/秒时，在0℃产生的功率为7.83157千焦耳/秒，10℃时为11.747千焦耳/秒，20℃时为15.663千焦耳/秒，其中1瓦=1焦耳，乘上效率就是实际获得的功率，此时一个3P的压气机需耗费两个千瓦的功，因此多余下来的功也是可观的。