专利名称：利用旋转热管的能量转换方法及热力机的制作方法
技术领域：
本发明是一种将热能转换成机械能的方法及热力机技术。
在现有的外燃机或着说仅依靠温差来运转的热力机中，以蒸汽轮机比较有代表性。蒸汽轮机主要包括锅炉、汽轮机和冷凝器。蒸汽轮机主要存在下述问题1.因有锅炉所以整机必然庞大笨重。
2.汽轮机叶片制造、安装技术复杂。
3.蒸汽从汽轮机中排出后，仍有很大的速度，效率不高。
4.汽轮机输出轴与轴承间必有动态密封问题。
5.因需将大量蒸汽冷凝，所以冷凝器也很笨重。
由于上述原因，蒸汽轮机使用受到很大的限制。内燃机是现在普遍大量使用的发动机，它的优点是体积小、重量轻功率大，使用方便。内燃机的种类虽然很多，但是它们一般都存在下述的问题1.对燃料要求严格。绝大部分内燃机是汽油机和柴油机。汽油和柴油都要从石油中提炼，但是现在石油贮量已是日趋枯竭了。虽有人提出用酒精或氢气做内燃机的新燃料，但是因酒精或氢气来源所限，所以使用酒精或氢气的内燃机都不能大量普及。
2.结构复杂，对材料要求高。
3.由于2，所以制造技术也复杂。
4.燃料在高温高压下燃烧，不可避免产生有毒气体。
5.由于燃料是爆炸式燃烧的，所以噪声很大。
6.效率低，内燃机效率一般都低于30%。
7.因内燃机为开式工作循环，必有动态密封问题。
由于内燃机存在上述问题，因此科技人员一直都在研究改进的方法，但是内燃机的工作原理就决定了一些问题是不可更改的，如燃料问题。
后来日本有人发明了一种热管式热机(专利号J57-52608)，但这种热机是在热管内工作蒸汽流动途径里设置汽轮机，使工作蒸汽吹动汽轮机旋转再通过一个转轴来输出转矩。这种热管式热机实质上就相当于一个简化了的蒸汽轮机。它存在的最大问题就是动态密封问题，而热管对密封的要求则是相当高的。
本发明的目的就是提供一种利用旋转热管动力学特性的热能与机械能转换方法，并且提供一种利用这种方法来工作的旋转热管式热力机。这种热力机只需有一外部热源供热就能运转。也就是说只要有一个温度差就可以工作。
本发明的构思是这样的热管是一种高效传热元件，由于它的超导热性和良好的适应性，因此近年来热管被广泛应用于各个需要高效传热的领域和行业。(参见《热管技术与应用》，郎逵、乔中复、尚国森编著，辽宁科学技术出版社一九八四年出版。)热管在工作时其内部工作蒸汽是高速运动着的，这些运动着的工作蒸汽具有很大的动能。如何充分有效的利用这些工作蒸汽的动能，使它直接转换为可供人利用的机械能，就是一个具有很大实用价值的研究课题。
根据质点系的动量矩守恒定律可知，对于转动着的力学系统，当没有外力矩作用时，如果力学系统的转动惯量J发生变化，它的角速度ω必将跟着改变，但它的总动量矩H则保持不变。在它的转动惯量和角速度发生变化的同时，它的动能E也发生了变化。下面通过理论来论证这一力学系统的动能变化。
参照
图1，一根细绳，穿过一根竖直的玻璃管，在绳的一端结着一个小球，小球的质量为m，另一端用手拉住。当把小球绕着玻璃管轴线转动时，小球就有一定的角速度ω1和旋转半径R1，那么这个小球就有转动惯量J1和动量矩H1;这时如把绳子沿玻璃管向下拉，这样就使小球的旋转半径减小为R2。因绳子拉力通过小球的转动轴对转动轴的力矩为零，因此不能改变小球的动量矩。
即H1＝H2J1ω1＝J2ω2(1)ω2=J1J2ω1=mR21mR22,ω1=(R1R2)2ω1(2)]]>因R1＞R2，所以ω2＞ω1，此时小球的动能也由E1变为E2。
E1＝ 1/2 J1ω21(3)E2＝ 1/2 J2ω22(4)考察(1)(2)(3)式，并将其代入(4)式E2= 1/2 J2ω22= ( (R1)/(R2) )2E1(5)△E=E2-E1=E1(R21R22-1) (6)]]>即动能增加了△E。在这里动能的增量等于外力拉动小球时克服离心力所做的功。
参照图2，那么如果这个力不是细绳提供而是由蒸汽推动，而且蒸汽推力也过轴心，并且蒸汽推动的不是小球而是蒸汽分子本身。那么因这个转动力学系统同样符合对转轴力矩为零的条件，因此这个力学系统的动量矩也守恒。而且蒸汽克服离心力作功后，同样能使这个转动力学系统的动能增加。这个蒸汽克服离心力作功的过程，我们让它在一个旋转着的热管内部来进行，并且利用这个旋转着的热管所围绕的转动轴以转矩的形式来输出这个力学系统的动能增量。工作蒸汽可以由热源加热工作液来产生。
由上面分析还可以看出，这个转动力学系统即旋转热管之所以能获得动能增量，是因为蒸汽克服离心力作了功。由此进一步分析可以知道，在旋转热管内部蒸汽克服离心力作功过程可分为①动量矩守恒;②动量矩不守恒两种类型。其中第一种类型又可分为喷射作功和推压作功两种具体形式;规定的第二种类型也可分为喷射作功和推压作功。经综合分析，以第一种类型中的喷射作功这种形式实用价值最大。因为采用这种形式时，能量转换的效率高而旋转热管本身的结构可以设计的很简单。采用这种形式之所以能量旋换效率高是因为工作蒸汽在克服离心力作功过程中动量矩守恒就是说至少工作蒸汽的旋转角速度是越来越大的，而随着工作蒸汽的角速度升高，其离心力也越大，那么克服离心力所作的功也就越大，从而可以使工作蒸汽的能量(压力能或动能)充分转化为工作蒸汽的动能增量(旋转动能增量)用喷射方式来实现上述的过程，就可以仅使工作蒸汽的动量矩守恒，而旋转热管外壳的角速度可以保持一个较为恒定的转速。从而给结构的简化创造了条件。
以上分析的是在工作蒸汽克服离心力作功的情况。为了使能量转换的连续进行。还应使工作蒸汽克服离心力作功，并冷凝成工作液后在返回加热段时工作液重新吸收的动能(因为在图2所示的旋转热管中，工作液在从靠近转轴的冷凝段返回回远离转轴的加热段时，由于加热段的线速度比冷凝段的线速度大，工作液会重新吸收动能。事实上，对于图2所示的旋转热管系统，工作液在返回加热段时吸收的动能恰好等于工作蒸汽克服离心力所作的功。图2所示的旋转热管只是为了分析这种能量转换的原理。)要小于工作蒸汽克服离心力所作的功。明确了这一点后，在具体设计时可采用的结构很多。在后面所述的本发明具体实施例提供了一种能保证能量转换连续而且稳定进行并保证能稳定连续输出转矩的本发明具体结构。
由上述的能量转换方法，可以把这种热力机设计成多种具体形式。参照图3，它一般包括定子1、旋转热管2、供热系统3三大部分。因图3为示意图，所以供热系统3仅用二个三角形符号来表示。定子1的作用是支撑保护旋转热管2和供热系统3。同时定子1也起固定机身的作用。旋转热管2是本发明热力机的能量转换元件，整个热能转换成机械能的过程完全是在旋转热管2内部进行的。供热系统3的作用就是向旋转热管2提供热能。因本发明热力机主要是利用现有热源(如太阳能、地热、锅炉余热等)工作，因此供热系统3实际上就是一个传热热管(供热系统3也可以用空气等作介质来向旋转热管2供热)。供热系统3的形式可取决于具体情况来定。
本发明热力机与现有热力机相比主要有下述优点
1.本发明热力机可以使用多种能源来工作。甚至于只要有一定的温差就可以工作。
2.本发明热力机的效率很高。
3.本发明热力机的功率与重量比值大。
4.本发明热力机结构简单紧凑。
5.由于4.所以本发明热力机的制造也不复杂。
6.本发明热力机无动态密封。
7.由于1.6.本发明热力机本身并不存在空气污染问题。但如采用燃料燃烧做热源时，也会产生空气污染。
8.本发明热力机噪音小。
9.由于1.2.3.4.6.7.8.，所以本发明热力机用途很广。尤其在太阳能应用，海水温差发电，地热能开发，余热废热应用等方面更显其优越性。在交通工具中，如利用本发明热力机做发动机，用潜热蓄热材料等做热源，那么就可以实现用低品位热能和可再生能源供车辆运行的目的。
为了更彻底的理解本发明，下面把本发明的最佳实施例做一具体描述。
图3是本发明热力机的示意图。
图4是本发明最佳实施例的纵向剖示图。
图5是本最佳实施例的A-A处剖面图。
图6是本最佳实施例的B-B处剖面图。
图7是传热热管23的形状示意图。
在本实施例中选取锅炉余热为热源。并选取风冷方式给旋转热管冷却段冷却。
参照图4，本发明的能量转换元件旋转热管2架在定子1上，在供热系统3的驱动下运转。供热系统3在本实用例中指传热热管2324为热源(即锅炉烟道中的烟气)。
参照图4，本实施例中，旋转热管2为圆盘状，中间有转动轴18，转动轴18固定在旋转热管2上。旋转热管2内分为左右两室左部为回流室8，右部为作功室6，左右两室通过环状隔盘12分开环状隔盘12牢固地固定在旋转热管2内。参照图5，在作功室6的靠近边缘处有加热段17，加热段17的作用就是使工作液在此加热汽化，所以加热段17的数量和形状并不受限制，本例中加热段17被画做四个呈放射状分布的瓶状体。加热段17通过喷咀5与作功室6相通，喷咀5最好采用缩放型喷咀，喷咀5的喷射方向指向转动轴18的轴心。在作功室6的边缘处远有作功室围板25，它的作用仅是使作功室6形成一完整空间，因此当加热段17的分布占满整个圆周时，作功室围板25就自然被取消了。参照图6，在回流室8的靠近边缘处有回流口9和冷却段10，冷却段10与加热段17通过回流管11连通，回流口9的作用是使由回流室8中的蒸汽进入冷却段10，冷却段10在平面的分布呈图6所示的形状，当然它的数量也是不受限制的，冷却段10的基本作用是冷却蒸汽，在本例中，冷却段10还起接收工作蒸汽的动能增量作用。回流管11的作用是使冷却段10内的工作液流回加热段17，在实际设计中也可以把冷却段10与加热段17直接连通，从而省去回流管11。旋转热管2内靠近转动轴18处有蜂腰形曲面槽7，它固定在旋转热管2内，它的作用是导引工作蒸汽从作功室6进入回流室8。作功室6与回流室8通过由环状隔盘12与曲面槽7围成的环形通道相通。为了增加冷却段10的外侧(空气侧)的换热，在其外侧安装了一组肋片14。
为了增强加热段17外侧的换热，安装了另一组肋片15。为了防止被肋片14带动的冷空气流向加热段17的外侧，又安装了导流肋片16。在加热段17与环状隔盘12之间还有隔热层13。旋转热管2内除工作液4外无运动部件。
定子1由外壳底座1A，外壳上盖1B，轴承19组成。参照图4，在外壳上盖1B和外壳底座1A的左侧开有进风口20和出风口21。进风口20、出风口21与肋片14共同构成一离心风扇冷却系统。外壳底座1A和外壳上盖1B的右侧有隔热层22和传热热管23。传热热管23的冷却段23a固定在定子1内。
热源24的热能经传热热管23传送并经冷却段23a释放出来从而给旋转热管2的加热段17加热。为了更好的给旋转热管2的加热段17加热，传热热管23的冷却段23a做成如图7所示的环状的。传热热管23就是现有的传热热管。
工作时，先由外力带动旋转热管2转动，使其有一初角速度，然后通过传热热管23的冷却段23a给旋转热管2的加热段17加热加热段17内工作液4受热沸腾变成工作蒸汽后，经喷咀5向轴心高速喷射。被喷出的工作蒸汽在作功室内由于克服离心力作功而使这些工作蒸汽本身绕转动轴18的旋转速度不断增大(旋转热管2外壳此时的角速度并不一起增大，工作蒸汽在作功室6内不受旋转热管2外壳的角速度约束即此时工作蒸汽的动量矩守恒)。当工作蒸汽达到曲面槽7处时，其旋转角速度达到最大值。此时，工作蒸汽一边绕转动轴18旋转一边沿蜂腰形曲面槽7的腰部流至回流室8内，此时工作蒸汽一边绕转动轴18转动一边扩大旋转半径，但其线速度仍保持很大，最后这些工作蒸汽经回流口9进入冷却段10内，同时向旋转热管2外壳输出一动能增量。旋转热管2外壳获得这一动能增量后如不再向外输出转矩，那么旋转热管2外壳的角速度就会增大一些;如此时旋转热管2外壳向外输出一转矩，就可以使旋转热管2外壳的角速度保持不变。工作蒸汽的动能增量向旋转热管2外壳输出后，工作蒸汽的动量矩不再守恒，其角速度也降低与旋转热管2外壳的角速度一致，并冷凝成工作液4。这些工作液4经回流管11又流入加热段17内部，并被重新汽化，继续进行循环。
由此可以更加清楚的看出，工作蒸汽的动能增量是在做功室6内克服离心力作功获得的。在本实施例中作功室6是一个由作功室围板25与曲面槽7围成的一个环形柱状空间，喷咀5的喷射方向对着轴心，这就保证了工作蒸汽从喷咀5喷射到作功室6后，即使旋转热管2外壳的角速度不增大工作蒸汽在克服离心力作功的过程中，工作蒸汽的动量矩也可以守恒。在本实施例中，回流室8位于作功室6的左部也是一个环形柱状空间。它的作用是使从作功室6内流出的高速旋转的工作蒸汽顺利扩大旋转半径，使高速旋转的工作蒸汽在位于旋转半径较大处的冷却段10输出动能增量和冷凝，从而使冷凝后的工作液4在返回加热段17过程中少吸收动能。在本实施例中，工作蒸汽克服离心力作功的过程因为动量矩是守恒所以工作蒸汽克服离心力所作的功可用公式(6)计算即△E=E2-E1=E1(R21R22-1)=12mR21ω21(R21R22-1)]]>
式中的m是被喷射的工作蒸汽质量，R1是这些蒸汽在喷射前的最大旋转半径，R2是这些蒸汽在曲面槽7处的最小旋转半径，ω1是这些蒸汽在喷射前的角速度(即旋转热管2外壳的角速度)。
工作蒸汽从喷咀5喷出后具有初速度V(这个速度方向由喷咀5指向转动轴18的轴心)，因此也就有一个初动能(这个初动能不是指工作蒸汽绕转动轴18旋转的动能)。理论上讲当旋转热管2外壳以某一角速度旋转时，这个工作蒸汽的初动能将完全转换为工作蒸汽的动能增量(指旋转动能增量)。如用T来表示所说的初动能的话，那么就是T＝△E1/2 mV2= 1/2 mR21ω21( (R21)/(R22) - 1)(7)得ω1＝R2VR1R21-R22(8)]]>公式(8)也可理解为当旋转热管2外壳角速度为ω1时，工作蒸汽以初速度V(V指向轴心)由R1到达R2后，初速度V位好为零因此当旋转热管2外壳以角速度ω1旋转时，其能量转换效率最高。
容易理解，在旋转热管2内进行的能量转换过程并不是只有图4所示的那一种结构能完成。而给旋转热管2加热和冷却的方式就更是多种多样的。旋转热管2外壳指的是除工作液4外的整个旋转热管。
权利要求
1.一种利用旋转热管的热能转换成机械能方法，是在定轴转动的旋转热管内，具有一定绕轴转动角速度的工作液受热沸腾变成工作蒸汽后，工作蒸汽由旋转热管内的半径较大处向半径较小处运动，同时克服离心力作功，其特征是在所说的作功过程中，至少工作蒸汽的角速度增大，使至少工作蒸汽在作功程中能获得(旋转)动能增量，所说的动能增量再传递给旋转热管的外壳。
2.一种如权利要求1所述的能量转换方法，其特征是所说的工作蒸汽在将动能增量传递给旋转热管的外壳后，工作蒸汽再冷凝成工作液，工作液再重新受热沸腾变成工作蒸汽进行新的循环。
3.一种适用于权利要求1、2的旋转热管式热力机，包括定子1、旋转热管2、供热系统3;所说的旋转热管2包括加热段17、作功室6、冷却段10、工作液4、转动轴18，其特征是旋转热管2呈圆盘(柱)状，中心有转动轴18，加热段17位于旋转热管2内半径较大处，作功室6是一个由转动轴18与加热段17围成的环形柱状空间，冷却段10与加热段17通过回流管11相通，所说的转动轴18是固定在旋转热管2上的。
4.一种如权利要求3所述的旋转热管式热力机，其特征是所说的定子包括外壳1A、1B和轴承19。
5.一种如权利要求3所述的旋转热管式热力机，其特征是所说的工作液4在加热段17受热沸腾变成工作蒸汽后，是从位于旋转半径较大处的加热段17沿法向向转动轴轴心喷射的。
6.一种如权利要求3所述的旋转热管式热力机，其特征是所说的供热系统3是传热热管23由传热热管23把热源24的热能提供裙 。
7.一种如权利要求3、4所述的旋转热管式热力机，其特征是所说的定子1是通过定子1上的轴承19来支撑旋转热管2的转动轴18的。
全文摘要
本发明提供了一种利用旋转热管的能量转换方法及利用这种方法工作的旋转热管式热力机。它是利用旋转热管内工作液受热沸腾变成工作蒸汽克服离心力作功来实现能量转换。用所述方法来工作的旋转热管式热力机，它包括定子、旋转热管、供热系统三大部分。这种热力机可利用多种热源工作。适合民用和工农业生产，以及交通等多方面应用。
文档编号F28D15/02GK1034605SQ8810033
公开日1989年8月9日 申请日期1988年1月20日 优先权日1988年1月20日
发明者王晓东 申请人:王晓东