一种将热能转化为机械能的新装置
技术领域
本发明涉及气体热力学技术领域，尤其涉及利用气体受热热能增加后膨胀做功将热能转化为机械能的技术领域。
背景技术
现有技术中，将热能转化为机械能的装置是蒸汽机，在蒸汽锅炉中，通过加热水沸腾产生高压蒸汽，高压蒸汽被送到汽缸或者蒸汽涡轮等机构推动机械装置运转，产生机械能。
蒸汽机转化热能为机械能的过程中，存在工质由液相受热汽化转化为气相的过程，在这一过程中需要消耗大量热能，因液相变气相消耗掉的热能仅仅是热能发生了转移，也就是由热源的热能转化为了蒸汽机工质的热能，并没有转化为机械能，这造成了蒸汽机转化热能为机械能的效率十分低下的问题。所以，现有技术的蒸汽机仅能将热源的很小一部分热能转化为机械能，造成能源的巨大浪费。
另一方面，有一些温度很高但是单位时间内产生的热能总量相对较小的热源，比如内燃机做功后排放的高温废气，其温度通常在600℃以上，然而单位时间内排放出的高温废气的总能量相对较小，如果用现有技术中的蒸汽机转化这部分热源的热能为机械能，则现有技术中的蒸汽机结构显得过于笨重，结构越是笨重各种损耗也越大，进一步降低了将热能转化为机械能的效率，也限制了现有蒸汽机的应用范围。目前有很多的高温废气、高温废水等的热能未能被有效转化为机械能加以利用，造成了能源的浪费；其中，以内燃机排放的高温废气最具代表性，若能将其高效的转化为机械能直接加以利用，或者再由机械能带动发电机转化为电能等加以利用，将会大幅度降低内燃机的燃油消耗率，达到节能减排的目的。
发明内容
为了解决现有技术的蒸汽机在将热能转化为机械能的过程中将液相工质汽化为气相从而损失大量热能的问题，也为了解决将一些温度高但是热能总量相对较小的热源的热能转化为机械能的问题，比如，将内燃机排放的高温废气的热能转化为机械能，本发明提供了一种将热能转化为机械能的新装置，所述新装置利用气体受热膨胀做功转化热能为机械能，不存在工质相变的过程，可以将热能高效率的转化为机械能，同时所述新装置的结构更加轻便，尤其适合总体热能相对较小的工况。
技术原理如下：
理想气体状态方程：pV＝nRT，描述了理想气体状态的参量压强p、体积V和绝对温度T之间的函数关系；式中R是气体常量；p为理想气体压强，单位是Pa；V为气体体积，单位是立方米；n为气体的物质的量，单位mol；T为理想气体的绝对温度，单位K；对于混合理想气体，其压强p是各组成部分的分压强p1、p2、......之和，故：(p1+p2+......)V＝(n1+n2+......)RT，式中n1、n2、......是各组成部分的物质的量。
以上两式是理想气体和混合理想气体的状态方程，由此得出：理想气体的体积V＝nRT/p，当理想气体压强p恒定时，其体积V与其绝对温度T的数值成正比关系，所以，理想气体在压强p恒定和温度T上升的过程中，其体积V将会增大，热能增加。
因为各种实际气体近似遵循理想气体状态方程，尤其在压强为几个大气压以下时，偏差很小，可以用从理想气体状态方程中得出的气体在等压条件下，其绝对温度上升则其体积增大、热能增加的结论应用在实际气体上。
所述一种将热能转化为机械能的新装置的技术方案如下：
本发明提供了一种将热能转化为机械能的新装置，包括气体增压装置、气体膨胀容器和气动执行装置；所述气体膨胀容器设置在被热源加热的位置；所述气动执行装置通入高压气体后会产生机械运动；所述气体增压装置、所述气体膨胀容器和所述气动执行装置顺序连接，形成工质气体的流动通道；所述气体增压装置吸取相对低温的工质气体并把所述工质气体增压后排入所述气体膨胀容器中，所述气体增压装置排出的所述工质气体的压力不小于所述气动执行装置运转所需要输入的最低气压，所述工质气体在气压的作用下从所述气体增压装置流向所述气动执行装置，所述工质气体在流动的过程中被热源通过加热所述气体膨胀容器间接加热，所述工质气体在所述加热作用下温度升高、热能增加后输入所述气动执行装置中膨胀做功；所述气动执行装置在所输入的所述工质气体的作用下产生机械运动，对外输出机械能；实现了将热源的热能转化为机械能的目的；需要说明的是，设定所述气体增压装置排出的所述工质气体的压力不小于所述气动执行装置运转所需要输入的最低气压的优点是保证了所述气体增压装置向所述气体膨胀容器中排入所述工质气体的过程可以与所述工质气体受热热能增加的过程以及所述工质气体输入所述气动执行装置膨胀做功的过程同时进行，保证了所述气体增压装置可以连续向所述气体膨胀容器中排入工质气体，从而保证了所述一种将热能转化为机械能的新装置的连续平稳运行；在所述气动执行装置做机械运动对外做功的过程中，忽略所述工质气体在流动过程中的沿程压力损失，理论上，所述气体增压装置所排出的工质气体所具有的初始压力等于所述气动执行装置的输入气压，所述工质气体在所述气体膨胀容器内受热热能增加的过程，理论上，可看作是定压温度上升的过程，在实际上，在保证所述工质气体在流动过程中的沿程压力损失较小的情况下，所述热能增加的过程是近似定压温度升高、体积膨胀的过程；而工质气体输入所述气动执行装置膨胀做功的过程是气压下降体积膨胀的过程；
进一步地，所述工质气体优选空气；
进一步地，所述气动执行装置优选蒸汽蜗轮机构；
可选地，所述气动执行装置优选汽缸活塞机构；
进一步地，所述气体增压装置优选气体压缩机；
进一步地，所述气体膨胀容器为长管状结构的气体膨胀管道，所述热源为高温废气，比如内燃机排放的高温废气；
进一步地，所述气体膨胀管道和通有所述高温废气的管道有共同的管壁，所述工质气体在所述气体膨胀管道内沿所述共同的管壁流动的方向与所述高温废气沿所述共同的管壁流动的方向相反；
进一步地，所述新装置还包括工质气体回流管道，所述回流管道的一端与所述蒸汽涡轮机构的排气口连接，承接流出所述蒸汽涡轮机构的工质气体，所述回流管道的另一端通往所述气体膨胀管道的低温区域，引导所述工质气体流向所述低温区域；
进一步地，所述气体膨胀管道、通有所述高温废气的管道和所述工质气体回流管道集成为热交换器，所述热交换器为三层管道结构，所述三层管道的排列方案是所述工质气体膨胀管道层居于通有所述高温废气的管道层和所述工质气体回流管道层的中间；
进一步地，所述热交换器的表面覆盖有绝热材料；所述绝热材料隔绝所述热交换器与外界的热传递；
进一步地，所述热交换器总体呈长管状结构，所述长管状结构的截面形状可以是但不限于圆形、矩形、多边形等；
可选地，所述一种将热能转化为机械能的新装置，还包括逻辑控制电路模块，所述逻辑控制电路模块内部的记忆单元设置有对应各种气体压力、气体温度、所述气体增压装置的转速、所述气动执行装置的运行速度等各种特定条件下的所述新装置的优化运行方案的程序；
进一步地，所述气体增压装置的排气口设置有压力传感器，用以采集所述排气口的气体压力信息，所述气体膨胀容器的内部设置有压力传感器和温度传感器，用于采集所述气体膨胀容器内气体的压力和温度信息，所述通有高温废气的管道的内部设置有压力传感器和温度传感器，用以采集所述高温废气的压力和温度信息，所述气动执行装置上设置有速度传感器，用以采集所述气动执行装置的运行速度，所述气体增压装置的气体入口设置有温度传感器和压力传感器，用以采集所述气体入口的气体的温度和压力信息，所述温度传感器和所述速度传感器都与所述逻辑控制电路模块相连接，所述逻辑控制电路模块接收到所有所述压力传感器、所述温度传感器和所述速度传感器的信息后，按照所述优化运行方案的程序输出信号给所述气体增压装置和所述气动执行装置，控制其的启动和/或关闭以及控制其运行速度等。
本发明提供的技术方案带来的有益效果如下：
1.本发明提供的一种将热能转化为机械能的新装置，从设计上免除了热能转化为机械能时需要工质由液相吸热变为气相的过程，减少了热能的损失，提高了热能转化为机械能的效率；
2.本发明提供的一种将热能转化为机械能的新装置，设计上更加轻便化，减少了运行过程中的能量损耗，尤其适合温度较高、单位时间内散发的热能总量较小的气体热源。
3.本发明提供的一种将热能转化为机械能的新装置，可以回收汽车上的内燃机排放的高温尾气的热能为机械能，所述机械能可以连接发电机后用于发电，供给整车使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
图1是本发明实施例提供的一种将热能转化为机械能的新装置的一种优选实施结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种将热能转化为机械能的新装置的一种优选实施结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种将热能转化为机械能的新装置的热交换器的优选实施结构示意图；
图4是本发明的实施例3提供的热交换器截面形状为圆形时的结构示意图；
其中，附图标记包括：1-气体增压装置，11-气体压缩机，2-气体膨胀容器，21-气体膨胀管道，22-热源流道，23-回流流道，24-热源管壁，25-回流管壁，3-气动执行装置，31-蒸汽涡轮机构，32-发电机，411-保温层。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例1
在本发明的一个实施例中，提供了一种将热能转化为机械能的新装置，参见图1，图中箭头方向表示气体的流动方向，所述新装置包括气体增压装置1、气体膨胀容器2和气动执行装置3；所述气体膨胀容器2设置在被热源加热的位置；所述气动执行装置3通入高压气体后会产生机械运动；所述气体增压装置1、所述气体膨胀容器2和所述气动执行装置3顺序连接，形成工质气体的流动通道；所述气体增压装置1吸取相对低温的工质气体并把所述工质气体增压后排入所述气体膨胀容器2中，所述气体增压装置1排出的工质气体的压力不小于所述气动执行装置3运转所需要输入的最低气压，所述工质气体在气压的作用下从气体增压装置1流向气动执行装置3，在流动的过程中，被所述热源通过加热所述气体膨胀容器2间接加热，所述工质气体在所述加热作用下温度升高、热能增加后输入所述气动执行装置3中膨胀做功；所述气动执行装置3在所输入的高温高压的工质气体的作用下产生机械运动；实现了将热源的热能转化为机械能的目的；需要说明的是，设定所述气体增压装置1排出的工质气体的压力不小于所述气动执行装置3运转所需要输入的最低气压的优点是保证了气体增压装置1向气体膨胀容器2中排入工质气体的过程可以与所述工质气体受热热能增加的过程以及所述工质气体输入气动执行装置3膨胀做功的过程同时进行，保证了气体增压装置1可以连续向气体膨胀容器2中排入工质气体，从而保证了所述一种将热能转化为机械能的新装置的连续平稳运行；在所述气动执行装置3做机械运动对外做功的过程中，忽略所述工质气体在流动过程中的沿程压力损失，理论上，所述气体增压装置1所排出的工质气体所具有的初始压力等于所述气动执行装置3的输入气压，所以，所述工质气体在所述气体膨胀容器2内受热热能增加的过程，理论上，可看作是定压温度上升的过程，在实际上，在保证所述工质气体在流动过程中的沿程压力损失较小的情况下，所述热能增加的过程是近似定压温度升高的过程。
另外，所述新装置在实际运行过程中，常常需要自动化调整运行参数以达到最优化运行的目的，比如调整所述气体增压装置1在单位时间内的排气量、调整所述气体增压装置1的排气压力、调整所述气动执行装置3的输出功率等，所述自动化调整运行参数的技术方案是：
所述新装置，还设置有逻辑控制电路模块，所述逻辑控制电路模块内部的记忆单元设置有对应各种气体压力、气体温度、所述气体增压装置的转速、所述气动执行装置的运行速度等各种特定条件下的所述新装置的优化运行方案的程序；所述气体增压装置1的排气口设置有压力传感器，用以采集所述排气口的气体压力信息，所述气体膨胀容器2的内部设置有压力传感器和温度传感器，用于采集所述气体膨胀容器2内气体的压力和温度信息，所述通有高温废气的管道的内部设置有压力传感器和温度传感器，用以采集所述高温废气的压力和温度信息，所述气动执行装置3上设置有速度传感器，用以采集所述气动执行装置3的运行速度，所述气体增压装置1的气体入口设置有温度传感器和压力传感器，用以采集所述气体入口的气体的温度和压力信息，所有的所述温度传感器和所有的所述速度传感器都与所述逻辑控制电路模块相连接，所述逻辑控制电路模块接收到所有的所述压力传感器、所有的所述温度传感器和所有的所述速度传感器的信息后，按照所述优化运行方案的程序输出信号给所述气体增压装置1和所述气动执行装置2，控制其的启动和/或关闭以及控制其运行速度等。
实施例2
在本发明的一个优选实施例中，提供了一种将热能转化为机械能的新装置，参见图2，图中箭头方向表示气体的流动方向，本实施例2是在实施例1的基础上通过进一步优化设计结构，达到进一步提高将热能转化为机械能的效率的目的，本实施例2所提供的一种将热能转化为机械能的新装置，包括气体压缩机11、气体膨胀管道21、热源流道22、回流流道23、热源管壁24、蒸汽涡轮机构31；作为一种优选结构，所述气体膨胀管道21与所述热源流道22拥有共同的热源管壁24，回流流道23与气体膨胀管道21拥有共同的回流管壁25，作为优选，热源管壁24和回流管壁25由导热性较好的材料制成，如金属铜和金属铝等；所述气体压缩机11、所述气体膨胀管道21和所述蒸汽涡轮机构31顺序连接，形成工质气体的流动通道；回流管道23一端与蒸汽涡轮机构31的排气口连接，承接流出所述蒸汽涡轮机构31的工质气体，所述回流管道23的另一端通往气体膨胀管道21的低温区域，引导工质气体流向所述气体膨胀管道21的低温区域；在本实施例2中，下面，热源将以内燃机做功后排放的高温废气为例、工质气体以环境中的空气为例，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；所述高温废气的温度通常在600℃以上；本实施例2所提供的一种将热能转化为机械能的新装置的工作过程如下：
所述气体压缩机11吸取环境中的空气并把所述空气增压后排入所述气体膨胀管道21中，所述气体压缩机11排出的空气的压力不小于所述蒸汽涡轮机构31运转所需要输入的最低气压；内燃机排放的高温废气排入热源流道22，所述高温废气在热源流道22中流动时对所述管壁24进行加热，所述管壁24的温度升高后又加热所述气体膨胀管道21中的空气，使所述空气温度上升、热能增加后在气压的作用下输入所述蒸汽涡轮机构31中膨胀做功，推动所述蒸汽涡轮机构31中的转子产生机械转动；实现了将内燃机排放的高温废气的热能转化为机械能的目的；因为所述空气在所述气体膨胀管道21内往往可以被加热到数百摄氏度以上，所以所述空气输入蒸汽涡轮机构31做功后的温度往往还是会高于所述气体压缩机入口处的空气温度，仍旧富含热能，所以设置了回流管道23，所述膨胀做功后仍旧高温的空气在回流管道23的引流下到达气体膨胀管道21的回流管壁25处，作为优选，所述管壁25对应所述气体膨胀管道21的低温区域，所述仍旧高温的空气对所述管壁25产生加热作用，所述管壁25又加热气体膨胀管道21中的空气，使所述空气受热热能增加，实现了将膨胀做功后的空气的富余热能回收利用的目的，最终提高了将内燃机排放的高温废气的热能转化为机械能的效率；显然，当从所述蒸汽涡轮机构31排出的空气的温度较低时，比如，已经接近或低于所述气体压缩机11的进气口处空气的温度时，则回流管道23的结构可以取消，则所述蒸汽涡轮机构31直接将所输入的高压空气排入环境中的空气，并不影响所述一种将热能转化为机械能的新装置的运行。
本实施例2提供的一种将热能转化为机械能的新装置，还包括发电机32，所述发电机32的转动轴与所述蒸汽涡轮机构31的转动轴同轴相连，所述蒸汽涡轮机构31转动时，带动所述发电机32转动，发电机32发出电能，当内燃机为汽车发动机时，所述电能可以供给汽车使用。
在本实施例2中，气体压缩机11是实施例1中气体增压装置1的一种优选方案；气体膨胀管道21是实施例1中气体膨胀容器2的一种优选方案；蒸汽涡轮机构31是实施例1中的气动执行装置3的一种优选方案；显然，其他气动元件，如汽缸活塞机构、气动马达等也是实施例1中气动执行装置1的可选技术方案。
实施例3
在本发明的一个优选实施例中，提供了一种将热能转化为机械能的新装置，参见图3和图4，图中箭头方向表示气体的流动方向，所述新装置在实施例2的基础上做进一步的优化设计，所述优化设计的方案是所述气体膨胀管道21、所述热源流道22和所述工质气体回流管道23集成为热交换器，所述热交换器为三层管道结构的长管状结构，所述三层管道的排列方案是所述气体膨胀管道21管道层居于所述热源流道22管道层和所述回流管道23管道层的中间，所述热交换器的表面覆盖绝热材料411，所述绝热材料411隔绝所述热交换器与外界的热传递；所述气体膨胀管道21、所述热源流道22和所述回流流道23均为长管状结构，所述气体膨胀管道21和所述热源流道22有共同的热源管壁24、所述气体膨胀管道21和所述回流流道23拥有共同的回流管壁25；所述热交换器的长管状结构的截面形状可以是但不限于圆形、矩形、多边形等；所述热交换器的工作过程是：实施例2中的气体压缩机11将增压后的空气排入所述气体膨胀管道21中，所述空气经受热、热能增加后输入蒸汽涡轮机构31中膨胀做功，所述空气膨胀做功后流入所述回流流道23中，作为热源的内燃机排放的高温废气流入所述热源流道22中；所述热源流道22中的高温废气通过加热热源管壁24间接加热所述气体膨胀管道21中的空气，同时，回流流道23中回流的高温空气通过加热回流管壁25间接加热所述气体膨胀管道21中的空气；为增强热传递的能力和效率，作为优选结构，所述热交换器内气体的流动采用对流方案，所述对流方案的技术方案是：通过对气体流动入口和出口的位置的设置，使所述热源流道22中的高温废气的流动方向和所述回流流道23中回流的空气的流动方向相同，与所述气体膨胀管道21中的待加热空气的流动方向相反；所述热交换器的总体长管状设计的优点是：所述热源流道22中的高温废气和所述回流流道23中的回流空气因为在长管道中流动的过程中会放出热量加热所述气体膨胀管道21中的空气，其自身温度逐渐降低，沿着气体的流动方向形成温度的降温梯度分布，所述降温梯度分布的特点是从气体流动的入口到气体流动的出口温度逐渐降低，而所述气体膨胀管道21中的空气因为受到加热作用，其自身的温度逐渐上升，沿着气体的流动方向会形成温度的升温梯度分布，所述升温梯度分布的特点是从气体流动的入口到气体流动的出口处温度逐渐上升；所述对流方案的设计的优点是：所述降温梯度分布的高温分布区域加热所述升温梯度分布的高温分布区域，所述降温梯度分布的低温分布区域加热所述升温梯度分布的低温分布区域，也就是热源气体的高温区域加热工质气体的相对高温区域，热源气体的低温区域加热工质气体的相对低温区域，使热传递的过程更加平稳，也使高温气体的热能最大限度的传递给了低温气体，避免出现随着待加热工质气体温度逐渐升高，而热源的高温气体自身温度逐渐下降后，两者的温差减小甚至相等时，热传递无法进行的状况，使高温气体的热能充分地传递给待加热工质气体。
本发明所述的一种将热能转化为机械能的新装置，是一种全新的装置，其能在没有工质的液相与气相相互转化的前提下，利用气体先受热充分吸收热源的热能，再对外膨胀做功将吸收的热能转化为机械能的特性，实现了将热能转化为机械能的目的，在结构上也更加轻便化，解决了使用蒸汽机将热能转化为机械能效率非常低下的问题。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
