发电热机系统内的人工第二热源系统的制作方法

本发明涉及发电热机技术领域，更为具体地，涉及一种发电热机系统内的人工第二热源系统。

背景技术：

目前所有发电热机系统外的第二热源物质，只起到了将做功后的工质气体所含的余热通过系统外部自然环境物质处于低温状态的情况来吸收余热并带走的作用，而不能使工质气体余热回收利用，而且要求外部环境物质的温度一定要很低，适用范围较小。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种发电热机系统内的人工第二热源系统，充分利用工质气体在循环过程中，有一个循环环节时工质气体本身处于低温状态，很便于吸收逆卡诺循环制冷系统分离工质气体所含的余热经加工升温后，其温度高于循环环节时工质气体本身处于低温状态的温度，所以达到了循环工质气体可自身可作为第二热源的功能作用，使逆卡诺循环制冷系统能够持续工作，不需要外面的自然环境的低温物质作为第二热源，而且利用循环工质气体能够使余热回收利用，提高了热能的利用率。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种发电热机系统内的人工第二热源系统，包括人工第二热源子系统；所述人工第二热源子系统包括逆卡诺循环制冷系统、人工第二热源物质储存室，已降温低温低压工质气体作为所述人工第二热源物质；逆卡诺循环制冷系统的制冷压缩机安装在低温低压工质气体压力容器内部，逆卡诺循环制冷系统的蒸发器安装在低温低压工质气体压力容器内部并与制冷压缩机连接，逆卡诺循环制冷系统的散热器安装在人工第二热源物质储存室的工质储存室中。

进一步地，包括热交换器；热交换器设置在人工第二热源物质储存室中，且热交换器与热交换器连接。

进一步地，包括气体压缩循环子系统；所述气体压缩循环子系统包括气体压缩机11、绝热性隔板，在绝热性隔板上设置有电磁阀门ev2；通过绝热性隔板将人工第二热源物质储存室分隔为工质暂存室和工质储存室；气体压缩机与工质暂存室连接，工质暂存室通过电磁阀门ev2与工质储存室连接；气体压缩机将工质气体压入到工质暂存室中，再通过打开电磁阀门ev2排入工质储存室中作为所述人工第二热源物质来吸收散热器和/或热交换器的热量，将已吸热工质气体压入到第一交换室中。

进一步地，包括气体工质储存调节室，气体工质储存调节室与气体压缩机连接。

进一步地，包括控制器；控制器与气体压缩机、人工第二热源物质储存室、第一交换室、第二交换室电性连接。

进一步地，包括排气机、调节热泵和排液泵，排气机、调节热泵和排液泵分别与控制器电性连接。

本发明的有益效果是：

本发明发电热机的第二热源系统，充分利用工质气体在循环过程中，有一个循环环节时(即在工质储存室132中)工质气体本身处于低温状态，很便于吸收逆卡诺循环制冷系统工作时分离工质气体所含的余热经加工升温后，其温度高于循环环节时工质气体本身所处于低温状态的温度，所以在吸热室中达到了循环工质气体可自身可作为第二热源的功能作用，使逆卡诺循环制冷系统能够持续工作，不再需要外面的自然环境的低温物质作为第二热源，而且利用循环工质气体能够使余热回收利用，提高热能的利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明第一结构示意图；

图2为本发明第二结构示意图；

图中，10-低温低压工质气体压力容器，40-高温高压工质气体压力容器，12-逆卡诺循环制冷系统，120-制冷压缩机，121-蒸发器，141-散热器，30-人工第二热源物质储存室，132-工质储存室，11-，-气体压缩机，17-高温气体与低温气体的交换腔体，16-涡流管，15-热交换器，151-热交换器，108-工质气体流动加热室，109-高压室高温区，108-工质气体流动加热室，18-排气机，22-液体与高温气体的交换腔，26-储液室，23-涡流管，24-热交换器，241-热交换器，39-调节热泵，20-热泵压缩机，21-热泵散热器，19-外部环境热泵蒸发器，28-控制器，27-传热翅片，252-水轮机，251-发电机，131-工质暂存室，132-吸热室，71-高压室放热室，710-高压室低温区放热区域，110-高压室低温区。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。本说明书中公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

一种发电热机系统内的人工第二热源系统，包括人工第二热源子系统；所述人工第二热源子系统包括逆卡诺循环制冷系统12、人工第二热源物质储存室30，已降温低温低压工质气体作为所述人工第二热源物质；逆卡诺循环制冷系统12的制冷压缩机120安装在低温低压工质气体压力容器10内部，逆卡诺循环制冷系统12的蒸发器121安装在低温低压工质气体压力容器10内部并与制冷压缩机120连接，逆卡诺循环制冷系统12的散热器141安装在人工第二热源物质储存室30的工质储存室132中。

进一步地，包括热交换器151；热交换器151设置在人工第二热源物质储存室30中，且热交换器151与热交换器241连接。

进一步地，包括气体压缩循环子系统；所述气体压缩循环子系统包括气体压缩机11、绝热性隔板68，在绝热性隔板68上设置有电磁阀门ev2；通过绝热性隔板68将人工第二热源物质储存室30分隔为工质暂存室131和工质储存室132；气体压缩机11与工质暂存室131连接，工质暂存室131通过电磁阀门ev2与工质储存室132连接；气体压缩机11将工质气体压入到工质暂存室131中，再通过打开电磁阀门ev2排入工质储存室132中作为所述人工第二热源物质来吸收散热器141和/或热交换器151的热量，将已吸热工质气体压入到第一交换室17中。

进一步地，包括气体工质储存调节室66，气体工质储存调节室66与气体压缩机11连接。

进一步地，包括控制器28；控制器28与气体压缩机11、人工第二热源物质储存室30、第一交换室17、第二交换室22电性连接。

进一步地，包括排气机18、调节热泵39和排液泵81，排气机18、调节热泵39和排液泵81分别与控制器28电性连接。

在本发明的实施例中，如图1～2所示，一种发电热机系统内的人工第二热源系统，包括高温高压工质气体压力容器40、低温低压工质气体压力容器10，高温高压工质气体压力容器40与低温低压工质气体压力容器10连接；逆卡诺循环制冷系统12的制冷压缩机120安装在低温低压工质气体压力容器10内部，逆卡诺循环制冷系统12的蒸发器121安装在低温低压工质气体压力容器10内部并与制冷压缩机120连接，逆卡诺循环制冷系统12的散热器141安装在高温高压工质气体压力容器40中；

在低温低压工质气体压力容器10中安装有气体压缩机11，气体压缩机11与蒸发器121连接，气体压缩机11与人工第二热源物质储存室30连接，人工第二热源物质储存室30与高温气体与低温气体的交换腔体17连接，高温气体与低温气体的交换腔体17的内部设有自由分隔活塞，低温低压工质气体进入高温气体与低温气体的交换腔体17时由所述自由分隔活塞下压排入高温高压工质气体压力容器40；

涡流管16的一端与高温气体与低温气体的交换腔体17连接，涡流管16的另一端与热交换器15连接，热交换器15利用管道与热交换器151连接，热交换器151与低温低压工质气体压力容器10连接，且热交换器15安装到高温高压工质气体压力容器40中；涡流管16能将高温气体与低温气体的交换腔体17中排出的工质气体升温，散热后排入到热交换器15进行热交换放热，利用管道排到热交换器151中继续交换放热，再利用管道回到低温低压工质气体压力容器10中；

在高温高压工质气体压力容器40设置有工质气体流动加热室108，在工质气体流动加热室108内形成高压室高温区109，在工质气体流动加热室108内安装有排气机18，排气机18与高温气体与低温气体的交换腔体17连接，排气机18能将高压室高温区109处工质气体排入到高温气体与低温气体的交换腔体17中，由涡流管16升温、散热排出；

在工质气体流动加热室108中安装有调节热泵39的热泵压缩机20和热泵散热器21，热泵散热器21与热泵压缩机20连接，热泵压缩机20与外部环境热泵蒸发器19连接；

控制器28与气体压缩机11、人工第二热源物质储存室30、高温气体与低温气体的交换腔体17和排气机18电性连接。

可选地，在高温高压工质气体压力容器40设置有人工第二热源物质储存室30，人工第二热源物质储存室30内设置有绝热隔板，在绝热隔板上安装有电磁阀门，绝热隔板将人工第二热源物质储存室30分隔为工质暂存室131与吸热室132；逆卡诺循环制冷系统12的散热器141安装在人工第二热源物质储存室30的工质储存室132中。

可选地，在高温高压工质气体压力容器40中设有绝热材质工质气体放热室71，且绝热材质工质气体放热室71，设有开口，开口与高温高压工质气体压力容器40内部连通，由工质气体放热室71与高温高压工质气体压力容器40构成高压室放热区710。

可选地，包括传热翅片27，所述传热翅片27设置在高温高压工质气体压力容器40的四周，通过传热翅片27与外部环境交换热量。

可选地，调节热泵39的外部环境热泵蒸发器19设置在外部环境中。

可选地，自由分隔活塞为绝热材料制作。

可选地，在低温低压工质气体压力容器10、高温气体与低温气体的交换腔体17、工质气体流动加热室108的四周均设置绝热隔层。

可选地，人工第二热源物质储存室30设置绝热隔层。

可选地，高温高压工质气体压力容器40、低温低压工质气体压力容器10的室壁材料均采用耐低温材料制作。

可选地，低温低压工质气体压力容器10的室壁材料采用低温镍钢。

本发明工作过程及原理：

启动总电源，系统自检，检测工作压力参数、温度参数等是否正常，如不正常则进行提示，如正常则启动控制器开始工作。根据高温高压工质气体压力容器40的容积大小而定，在高温高压工质气体压力容器40中通过气体工质注入阀注入工质气体进行预存，工质气体可以是氪气、氩气等比热容较低、临界温度低，同时又具有较高饱和蒸汽压力和较高临界压力的惰性气体，注入工质气体时控制高温高压工质气体压力容器40中气压在8～10mpa左右，启动发电系统开始工作直至注入工质气体的量达到高压室低温区压力在5.5mpa，温度在-63℃时，以及低温低压室内也充满-128℃，0.5mpa工质气体，各个空间充满工质气体，此时停止注入工质气体，即为发电系统的工质气体，控制器开始控制系统开始工作。

在低温低压工质气体压力容器10中温度在零下128℃作用时，在此温度状态及压力状态已大大低于临界温度和临界压力，由于工质气体的特性决定，此时工质气体气压很低。控制器28控制气体压缩机11工作，同时打开电磁阀门ev1，气体压缩机11将经过多次降温后的低温低压工质气体压缩至人工第二热源物质储存室30，装满人工第二热源物质储存室30中的工质暂存室131，气体压缩机11压入到人工第二热源物质储存室时节能的效果，此时工质气体已是呈现低温低压，容易压入，实现节省气体压缩机能耗的效果。人工第二热源物质储存室30内设置有隔板，在隔板上安装有电磁阀，将人工第二热源物质储存室30分隔为工质暂存室131与工质储存室132，工质储存室132用于吸收逆卡诺循环系统12工作时产生的余热，隔板做绝热处理，气体压缩机11维持设定压力条件，将低温低压工质气体经过压缩后增加密度压入工质暂存室131中暂时储存，控制器28控制电磁阀门ev2开启，低温低压工质气体进入工质储存室132中，当工质暂存室131与工质储存室132压力相等时，控制器关闭电磁阀门ev2；安装在工质储存室132中的逆卡诺循环制冷系统的散热器141对压入的低温低压工质气体进行散热，此时工质气体即为人工第二热源系统的一部分，由于此时工质气体温度很低，能用于作为吸收逆卡诺循环系统12的散热器141释放的热量的载体(此部分热量为逆卡诺循环系统12在低温低压工质气体压力容器10中时，吸收的工质气体做功后所含的余热并经加工升温后的热量，它将带走工质气体做功后所含的余热然后被循环利用，由于能量守恒)，同时，由于散热器141放热，使得工质储存室132中工质气体温度升高，压力增大。

控制器28控制电磁阀ev8和电磁阀门ev5同时开启，此时ev6、ev7均处于初始关闭状态，高温气体与低温气体的交换腔体17与低温低压工质气体压力容器10连通，自由分隔活塞上部分空间与低温低压工质气体压力容器10压力相等。此时，由于同时打开了电磁阀ev8，吸热后的低温低压工质气体压力高于低温低压工质气体压力容器10中的低温低压工质气体，此时吸热后的低温低压工质气体利用压力差作用进入高温气体与低温气体的交换腔体17推动自由分隔活塞上升，降低循环能耗。高温气体与低温气体的交换腔体17中已进入的工质气体通过电磁阀ev5排入到涡流管16，在涡流管16中升温，利用涡流管的结构功能对工质气体实现摩擦能量转化，温度升高，可达到80℃以上，同时涡流管16内的工质气体压力降低，工质气体排入到热交换器15中进行热量交换，同时会加热高压室高温区109中的工质气体，使其温度升高，热交换器15中的工质气体降温，利用管道进入热交换器151中进一步交换热量降温后再利用管道导流向低温低压工质气体压力容器10中，经逆卡诺循环制冷系统再降温，利用逆向卡诺制冷循环系统可将工质气体温度降低至零下128℃左右。

在高温气体与低温气体的交换腔体17内设置有位置传感器，由于高温气体与低温气体的交换腔体17中自由分隔活塞上部分空间内与低温低压工质气体压力容器10连通，压力相同，因此自由分隔活塞能被推动到顶部，利用位置传感器检测到自由分隔活塞到达顶部位置时，控制器28关闭电磁阀ev8，同时控制器28控制电磁阀门ev5关闭，打开电磁阀门ev6和电磁阀门ev7，此时控制器28控制排气机18将工质气体流动加热室108中高压室高温区109内升温后的工质气体排入到高温气体与低温气体的交换腔体17中，推动自由分隔活塞下移，做功推出自由分隔活塞下部分的吸收余热后的低温低压工质气体，进入高温高压工质气体压力容器40中，此时高温气体与低温气体工质气体循环实现第一个循环。

当进入下一个循环时，排出的吸收余热后的低温低压工质气体的温度相比高温高压工质气体压力容器40要低(由于这部分工质气体是循环工质气体，其在通过涡流管16、热交换器15时已经释放了大部分热量在高温高压工质气体压力容器40中，所以，此时排出的吸收余热后的低温低压工质气体的温度低于高温高压工质气体压力容器40中的工质气体温度)，从而能够与高温高压工质气体压力容器40中的工质气体进行对流，降低高温高压工质气体压力容器40中的温度。

本发明的应用实施例中，利用水轮机组25发出的电能，一部分进行储存供系统自用和对外输出净功，达到利用低温热能发电的目的。具体的描述，本发明通过将高温高压工质气体压力容器40中预存工质气体中的压力势能转换为机械能，再由机械能转换为电能，同时高温高压工质气体压力容器40中的工质气体会降低温度，根据能量守恒定律，热能最终转换为电能，使高温高压工质气体压力容器40中的热能减少，所以会降低高温高压工质气体压力容器40中的温度，当低于外部环境温度时，可以向外部环境中吸收热量，实现把环境中的低温热能转换为电能的目的，在本发明的实施例中，使用氪气为工质，由控制器28使系统运行至系统中高温高压工质气体压力容器40的高压工质气体温度降至零下63℃左右时，检测到压力从8～10mpa降低到5.5mpa左右时，控制器28使发电系统持续保持在近似动态平衡状态运行。此时，高温高压工质气体压力容器40中工质气体温度远远低于外部环境温度，可将其至于任何外部环境高度高于零下63℃左右的环境中，通过高温高压工质气体压力容器40四周布置的换热翅片自动吸收外部环境中的热能，来驱动系统继续循环运行，实现持续发电。

人工第二热源为由逆卡诺循环制冷系统12和第二热源循环工质储存气体组成，其中人工第二热源物质储存室接收逆卡诺循环制冷系统12的散热，使热能由人工第二热源物质储存室的工质气体吸收，这样逆卡诺循环制冷系统12不需要向外部环境放热，不依赖于外部环境低温物质来散热(寻找外部低温物质很困难，向外界环境物质放热成本高)，相当于人工在循环系统内构建了第二热源，也使工质气体余热能够回收利用。

利用工质气体的低临界温度、高饱和蒸汽压、低比热容、高临界压力等特性，以及基于本发明的工作原理、结构方案和运行机制，对热力学规律的运用，特别是对热力学第二定律中热量不能自发地从低温物体转移到高温物体，但不可能自发地从温度低的物体传递到温度高的物体的运用，本发明在热机系统中利用人工构建了第二热源，对热力学第二定律后半部分通过设计方案进行了补充和完善，即依赖人工第二热源热量能从温度低的物体传递到温度高的物体，并设计了系统，验证了热机系统内人工构建的第二热源与热机系统外部环境自然物质作为第二热源在一定条件下能够实现等效作用。本发明会吸收外部环境物质中的热能，使外部环境物质中温度降低的变化。

本发明实施例中，还可以驱动汽轮机组膨胀作功，汽轮机带动发电机产生电力输出，经过汽轮机作功后的低压工质气体通过排入低温低压工质气体压力容器10进入循环，在实施例中，使用气轮机作为工质气体内能转换为机械能的换能器时，单循环热电效率较低，因此气轮机转换效率一般会低于水轮机转换效率；在实施例中，通过液体工质注入阀向储液室26内注入液体工质，储液室26设计为形状为圆形，主要考虑压力加大，可以减少液体的使用量，要求液体无腐蚀，温度零下128℃为佳。

本发明实施例中，高温高压工质气体压力容器40用于环境热能对其加热，腔体壁材料导热性较好，在高压室内壁、外壁都安装有传热翅片26，传热翅片26内部长度优选达到高压室高度一半左右，利用传热翅片26将环境热能传递到高温高压工质气体压力容器40的气体工质；高压室壁材料采用耐低温材料，例如耐低温镍钢等，利用耐低温镍钢低于零下128℃仍然保持结构强度的特性，并做隔热层处理。

本发明实施例中，可以选择不同的工质气体及功率设计，以及相应电磁阀门信号的控制程序，实现利用更低温度的热能来发电的目的，对外输出。例如，在本发明的实施例中，采用氪气，调节热泵39的功率设计为本发明热发电系统中汽轮发电机组发出的电功率的5％～8％左右，逆卡诺循环制冷系统12的功率设计为本发明热发电系统中汽轮发电机组发出的电功率的35％～45％左右，气体压缩机11的功率设计为本发明热发电系统中汽轮发电机组发出的电功率的5％～8％左右，排气机18的功率设计为本发明热发电系统中汽轮发电机组发出的电功率的2％～3％左右，控制器28及其电磁阀门等辅助设备的功率设计为本发明热发电系统中汽轮发电机组发出的电功率的8％～10％。虽然发电系统自功耗较大，但是有净功率输出，一般大于总发电功率的15％，还可以实际情况进行优化提升，使得净输出功比例增大。

本发明的实施例中，发电系统中工质单个做功循环的热电效率一般高于40％，工质单个做功循环中工质所含余热，当量热损，摩擦热，漏热等都能被系统持续循环利用，所以具有较高的热效率。工业、生活余热发电系统中，能够利用更低温的余热来发电，余热包括生活余热、工业用热，实施例中30℃以下都可以利用这个设备实现，配合发电系统使用，降低工质循环的功耗。

本发明实施例中，各实施例可以根据实际情况互换结构和特征等。

本发明的系统方案，包括结构部件及部件关系，设计原理、方法步骤等在所附权利要求书请求保护的范围内，可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动，用等效特征替换等，在不脱离本发明的创造精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。