一种低温热能转换机械能装置及其使用方法与流程

1.本发明涉及热机技术领域，具体涉及一种低温热能转换机械能装置及其使用方法。


背景技术：

2.目前低温热能是指品位相对较低的热能，一般温度低于200℃，这些能源种类繁多，包括太阳热能、各种工业废热、地热、海洋温差等可再生能源；总量巨大，以工业废热为例，有统计指出，人类所利用的热能中有50％最终以低品位废热的形式直接排放；利用和回收这部分能源对于节能减排有着不可忽视的影响。
3.传统一般使用有机循环实现热能向机械能转换，但是在有机工质液化环节需要带走大量的热能，因此整体效率不高；
4.因此，提供一种新的低温热能转换机械能装置。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种低温热能转换机械能装置。
6.一种低温热能转换机械能装置，其特征在于，包括氨气换热单元和将所述氨气换热单元交换热能转换为机械能的气动装置；所述氨气换热单元包括若干个串联的热能单元、容纳器；
7.所述热能单元为回热器，
8.所述回热器内设置有氨水换热管和热源换热管，
9.相邻的两个所述回热器的热源出口和热源入口连通；
10.相邻的两个所述回热器内的所述氨水换热管出液口和氨水换热管入液口连通；
11.所述容纳器包括第一容纳器和第二容纳器；
12.所述第一容纳器和第二容纳器用于存储氨水/氨气，所述回热器内装有蓄热液；
13.所述第一容纳器和第二容纳器的上端出气口分别与气动装置通过氨气管道连通，所述第一容纳器的进出液口与串联的热能单元中的首端回热器的氨水换热管入液口通过第一管路连通，所述第二容纳器的进出液口与串联的热能单元中的末端回热器的氨水换热管出液口通过第二管路连通；
14.所述第二管路上设置有增压装置连通；
15.进一步，所述增压装置为增压循环泵；
16.进一步，所述第一容纳器和第二容纳器的顶端出气口分别通过第一连接管道与氨气管道连通，所述第一连接管道上固定安装有第一阀门；
17.所述第一连接管道内均设置有疏水过滤器；
18.进一步，所述第一容纳器和第二容纳器靠近顶部的侧壁上均开有回流口，所述回流口与所述进出液口通过第三分支管连通，所述第三分支管上安装有第二阀门；
19.进一步，相邻的两个所述回热器内的所述氨水换热管出液口和氨水换热管入液口
相互连通的管路上安装有气液分离器；
20.所述气液分离器包括与所述管路固定密封连接的壳体，所述壳体内设置有若干片疏水滤膜和网状固定支架，所述疏水滤膜位于所述网状固定支架内，所述管路位于所述壳体内的管壁上开有若干贯穿槽，所述网状固定支架固定安装在所述贯穿槽处，
21.所述壳体内部与所述氨气管道通过氨气管道连通；
22.所述氨气管道上安装有第三阀门；
23.进一步，相邻两个回热器中的一个回热器上安装有温度传感器；
24.进一步，所述气动装置为第一气动装置，所述一个串联热能单元两端分别与第一容纳器和第二容纳器一侧连接，第一容纳器和第二容纳器上端与第一气动装置连接；所述第一气动装置内部设置有气缸，所述气缸通过连杆与惯性飞轮连接，其中，所述连杆的两端分别与所述惯性飞轮和所述气缸铰接；
25.进一步，所述氨气换热单元设置有两组，所述气动装置为气轮机；
26.所述两个串联热能单元之间设置有并联的第三管路和第四管路，所述第三管路和第四管路上分别安装所述汽轮机，两个所述汽轮机的安装方向相反，且两个汽轮机两侧均设置有单向阀，单向阀均安装在所述第三管路和第四管路上；且安装在所述第三管路和第四管路上的单向阀气体流向相反；
27.一种低温热能转换机械能装置的使用方法，其特征在于，所述使用方法包括如下步骤：
28.步骤1：根据热源温度和预设废热排放温度，将热能单元进行预热或者降温，使各个热能单元的回热器产生从高到低温度的温度梯度，并使废热出口所在回热器温度低于废热预设排放温度；该温度梯度产生，可由热源流体依次流经各回热器温度逐级下降，并在靠近第二容纳器的回热器接入外源冷却水，使该末端回热器维持在较低的温度，温度梯度因此产生；
29.步骤2：通过热源入口注入热流体，同时循环泵将氨水从第二容纳器向第一容纳器转移；注入的热流体加热回热器和氨水，氨水从第二容纳器开始转移到第一容纳器；此过程氨水受热后温度升高产生氨气，氨气推动气动装置做功；
30.步骤3：热源流体停止注入，增压循环泵停止工作；低热源流体继续向回热器传递热能，温度持续降低；热源流体最终从废热出口排出，气动装置在惯性作用下保持原来运动状态，压力降低，氨水持续释放氨气，氨水中氨含量到达最小值，释放的氨气量到达最大值；
31.步骤4：热源流体继续保存停止注入状态，氨水从第一容纳器全部转移到第二容纳器，氨水温度降低，吸收氨气，氨气反向回流，最终氨水中氨含量到达最大值；
32.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
33.(1)本发明通过设置若干个热能单元串联组合，每个热能单元包含回热器、热源换热管，氨水换热管，热源换热管将热流体热能传递给热能单元，热能单元内回热器、氨水温度升高，氨水吸热后温度升高释放出氨气，氨气体积增大经气动装置转换为机械运动；热源经换热后温度降低，连续经过若干个热能单元后，热源温度逐级降到最低，最终经废热口排出；与此同时，第二容纳器内的氨水在循环泵作用下向第一容纳器转移，氨水逐级经过热能单元，吸收回热器内的热量温度逐级升高，氨水温度升高，释放氨气，经氨水换热管同上一过程产生的氨气一并进入气动装置实现热能转换为机械能；使得热源流体热能最大化被利
用，提高了能源的利用效率；同时通过若干个热能单元串联组合，一组热能单元产生的氨气经气轮机做功后被另一组吸收，可提高设备的功率体积比，满足大功率的设备运行需求；
34.(2)本发明由于通过热源直接注入到热能单元的回热器，热源和冷源在热交换时换热面积和温差大，因此低温热源换热效果佳；热源流体逐级降温，最终以最低温度排放出去。
附图说明
35.以下附图仅对本发明作示意性的说明和解释，并不用于限定本发明的范围，其中：
36.图1：本发明低温热能转换机械能装置第一种实施例结构示意图；
37.图2：为本发明低温热能转换机械能装置第一种实施例进一步结构示意图；
38.图3：为本发明低温热能转换机械能装置的气液分离器结构示意图；
39.图4：为本发明低温热能转换机械能装置的气液分离器连接示意图；
40.图5：为本发明低温热能转换机械能装置第二种实施例结构示意图；
41.图中：1-回热器，2-氨水换热管，2-1-氨水换热管入液口，2-2-氨水换热管出液口，3-热源换热管，3-1-热源入口，3-2-热源出口，4-1-第一容纳器，4-2-第二容纳器，4-1-3-第三分支管，5-增压循环泵，6-气液分离器，6-1-壳体，6-2-气液分离部，6-3-疏水滤膜，6-4-网状固定支架，7-第一连接管道，8-氨气管道，11-第一阀门，12-第二阀门，13-第三阀门，14-温度传感器，15-疏水滤器。
具体实施方式
42.为了使本发明的目的、技术方案、设计方法及优点更加清楚明了，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
43.如图1-图5所示，本发明提供了一种低温热能转换机械能装置，包括包括氨气换热单元和将所述氨气换热单元交换热能转换为机械能的气动装置；所述氨气换热单元包括若干个串联的热能单元、容纳器；
44.所述热能单元为回热器1，
45.所述回热器1内设置有氨水换热管2和热源换热管3，
46.相邻的两个所述回热器1的热源出口3-2和热源入口3-1连通；
47.相邻的两个所述回热器1内的所述氨水换热管出液口2-2和氨水换热管入液口2-1连通；
48.所述容纳器包括第一容纳器4-1和第二容纳器4-2；
49.所述第一容纳器4-1和第二容纳器4-2用于存储氨水/氨气，所述回热器1内装有蓄热液；
50.所述第一容纳器4-1和第二容纳器4-2的上端出气口分别与气动装置通过氨气管道8连通，所述第一容纳器4-1的进出液口与串联的热能单元中的首端回热器的氨水换热管入液口2-1通过第一管路连通，所述第二容纳器4-2的进出液口与串联的热能单元中的末端回热器的氨水换热管出液口2-2通过第二管路连通；
51.所述第二管路上设置有增压装置连通；
52.需要说明的是，所述气体为氨气，所述液体为氨水；所述氨水换热管2为翅片式换热管；所述热源换热管3为翅片式换热管；加强换热效果；回热器1内装的蓄热液为水，
53.其中增压装置为增压循环泵5；
54.需要说明的是，若干个热能单元串联组合，每个热能单元包含回热器、热源换热管，氨水换热管，热源换热管将热流体热能传递给热能单元，热能单元内回热器、氨水温度升高，氨水吸热后温度升高释放出氨气，氨气体积增大经气动装置转换为机械运动。热源经换热后温度降低，连续经过若干个热能单元后，热源温度逐级降到最低，最终经废热口排出；与此同时，第二容纳器内的氨水在循环泵作用下向第一容纳器转移，氨水逐级经过热能单元，吸收回热器内的热量温度逐级升高，氨水温度升高，释放氨气，经氨气管道同上一过程产生的氨气一并进入气动装置实现热能转换为机械能；可见，该装置的热源流体间歇式注入，提高了能源的利用效率；
55.其中，所述第一容纳器4-1和第二容纳器4-2的顶端出气口分别通过第一连接管道7与氨气管道8连通，所述第一连接管道7上固定安装有第一阀门11；
56.所述第一连接管道7内均设置有疏水过滤器15；
57.需要说明的是，热能单元的氨气管道8中被疏水滤膜隔开，增大了氨气与水的接触面积，有利于氨气吸收，同时防止氨水进入氨气管道；
58.其中，所述第一容纳器4-1和第二容纳器4-2靠近顶部的侧壁上均开有回流口，所述回流口与所述进出液口通过第三分支管4-1-3连通，所述所述第一容纳器4-1和第二容纳器4-2均为三通结构，所述第三分支管4-1-3上安装有第二阀门12；
59.其中，相邻的两个所述回热器1内的所述氨水换热管出液口2-2和入液口2-1相互连通的管路上安装有气液分离器6；
60.所述气液分离器6包括与所述管路固定密封连接的壳体6-1，所述壳体内设置有若干片疏水滤膜6-3和网状固定支架6-4，所述疏水滤膜6-3位于所述网状固定支架6-4内，所述管路位于所述壳体内的管壁上开有若干贯穿槽，所述网状固定支架6-4固定安装在所述贯穿槽处
61.所述壳体内部与所述氨气管道8通过氨气管道6-1连通；
62.所述氨气管道6-1上安装有第三阀门13；
63.其中，相邻两个回热器1中的一个回热器1上安装有温度传感器14；
64.需要说明的是，所述气液分离器的氨气管道上安装有第三阀门，回热器上配置有温度传感器，通过温度传感器检测回热器的问题，并将其他热能单元的阀门关闭，配合气动装置对氨气的压缩或者膨胀操作，根据压缩吸收氨气对外放热可实现对该热能单元回热器加热，根据膨胀释放氨气对吸热可实现对该热能单元回热器降温，最终可实现各热能单元温度的监测和控制，达到更好的能量利用效果；
65.气液分离器为可以安装若干片疏水滤膜，疏水滤膜由不锈钢网支撑，滤膜中间通过氨水，氨气可以通过疏水滤膜进出，增加氨气与氨水的接触面积；
66.其中，所述网状固定支架6-4为不锈钢固定网，
67.参见图1-图4，第一实施例，所述氨气换热单元设置有一组，所述气动装置为第一气动装置，所述第一气动装置内部设置有气缸，所述气缸通过连杆与惯性飞轮连接，其中，所述连杆的两端分别与所述惯性飞轮和所述气缸铰接；
68.其中，所述氨气换热单元设置有两组，所述气动装置为气轮机；
69.所述两组串联热能单元之间设置有并联的第三管路和第四管路，所述第三管路和第四管路上分别安装所述汽轮机，两个所述汽轮机的安装方向相反，且两个汽轮机两侧均设置有单向阀，单向阀均安装在所述第三管路和第四管路上；且安装在所述第三管路和第四管路上的单向阀气体流向相反；
70.参见图5，第二实施例，第二气动装置为汽轮机，高速氨气气流穿过固定喷嘴成为加速的气流后喷射到汽轮机叶片上，使装有叶片排的转子旋转，同时对外做功；
71.为满足超大功率设计，兼容当前工业领域大型汽轮机，提出了如下组合方案方案：由两组串联热能单元组成，两组串联热能单元分别连接汽轮机，一组串联热能单元与汽轮机连接，吸收热能产生的氨气经汽轮机实现机械能的输出，同时做功后的氨气进入一组串联热能单元被吸收；另一组串联热能单元与汽轮机连接，吸收热能后将上一过程吸收的氨气释放，经另一汽轮机实现机械能输出，做功的氨气进入原装置；两个过程反复循环工作过程：
72.值得说明的是：第一，由于通过热源直接注入到热能单元的回热器，热源和冷源在热交换时温差大，因此低温热源换热效果佳；热源流体逐级降温，最终以最低温度排放出去；
73.第二，可由外部冷源冷却和本低温热能转换机械能装置所用热源配合；自动调节多个回热器的温度；
74.第三，通过设置若干个热能单元串联组合，每个热能单元包含回热器、热源换热管，氨水换热管，热源换热管将热流体热能传递给热能单元，热能单元内回热器、氨水温度升高，氨水吸热后温度升高释放出氨气，氨气体积增大经气动装置转换为机械运动；热源经换热后温度降低，连续经过若干个热能单元后，热源温度逐级降到最低，最终经废热口排出；与此同时，第二容纳器内的氨水在循环泵作用下向第一容纳器转移，氨水逐级经过热能单元，吸收回热器内的热量温度逐级升高，氨水温度升高，释放氨气，经氨水换热管同上一过程产生的氨气一并进入气动装置实现热能转换为机械能；使得热源流体能最大化被利用，提高了能源的利用效率；同时通过若干个热能单元串联组合，增加回热面积和回热器蓄热能力，满足大功率的设备运行需求。
75.本技术低温热能转换机械能装置的使用方法：吸热做功，膨胀吸热，压缩回热三个过程的具体工作过程如下：
76.步骤一，预备：根据热源温度和预设废热排放温度，将热能单元进行预热或者降温，使各个热能单元的回热器1产生从高到低温度的温度梯度，并使废热出口所在回热器1温度低于废热预设排放温度。该温度梯度产生，可由外部冷源冷却和该装置回热器1内的蓄热液配合产生；
77.一种简易实现方式是将各个回热器内部的液体直接替换为所需要的液体；此时氨水第一容纳器4-1氨水为空，氨水第一容纳器的氨水转移到氨水第二容纳器4-2内，氨水第二容纳器4-2处于满的状态，氨水饱和的低温状态，气动装置内氨气体积最小。
78.步骤二，吸热做功：热源入口注入热流体，同时循环泵将氨水从第二容纳器4-2向第一容纳器4-1转移；注入的热流体加热回热器和氨水，同时第二容纳器4-2中的氨水从低温区域向高温区域转移，回热器中热能向氨水释放，氨水整体温度逐级升高，释放出氨气，
气动装置内氨气体积增大，带动惯性装置对外做功。氨水从第二容纳器4-2全部转移到第一容纳器4-1，此时气动装置内氨气体积为最大体积一半，膨胀到达中部位置；
79.步骤三，持续吸热，排出废热：热源流体停止注入，循环泵5停止工作；气动装置在惯性装置作用下体积持续增大，氨气压力开始变小，氨气持续释放，该过程吸热，回热器热量被吸收温度降低，便于吸收热源流体中的热能，并进一步降低热源流体的温度；热源流体最终从废热出口排出；此时气动装置内氨气体积最大，膨胀到达最高位置；
80.步骤四，回热复位：热源流体继续保存停止注入状态，气动装置在惯性装置作用下，氨气被压缩，同时第一容纳器中氨水在循环泵作用下向第二容纳器转移，氨水温度从高温回热器向低温回热器逐级流动，温度逐级降低，氨气溶解度增大，吸收氨气，同时放热，回热器吸收热能，温度上升，实现热能的回收。氨水从第一容纳器4-1全部转移到第二容纳器4-2，此时气动装置内氨气体积最小，收缩到达最低位置，回到步骤一所述最终状态，接步骤二，持续反复循环，实现热能向机械能的转换。
81.值得说明的是，本发明的低温热能转换机械能装置通过设置若干个热能单元串联组合，每个热能单元包含回热器、热源换热管，氨水换热管，热源换热管将热流体热能传递给热能单元，热能单元内回热器、氨水温度升高，氨水吸热后温度升高释放出氨气，氨气体积增大经气动装置转换为机械运动；热源经换热后温度降低，连续经过若干个热能单元后，热源温度逐级降到最低，最终经废热口排出；与此同时，第二容纳器内的氨水在循环泵作用下向第一容纳器转移，氨水逐级经过热能单元，吸收回热器内的热量温度逐级升高，氨水温度升高，释放氨气，经氨水换热管同上一过程产生的氨气一并进入气动装置实现热能转换为机械能；使得热源流体能最大化被利用，提高了能源的利用效率。
82.以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。