[发明专利]一种V型热能动力设备及其做功方法

说明书

技术领域

本发明属于热能动力设备领域，尤其是利用太阳能、地热、可燃物燃烧产生的高温气体、内燃机热能或尾气、工厂排出的高温气体等热能转换成动能的动力设备。

背景技术

传统的动力设备有蒸汽机、内燃机、外燃机。

蒸汽机：离不开锅炉，整个装置既笨重又庞大；新蒸汽的压力和温度不能过高，排气压力不能过低，热效率难以提高；它是一种往复式机器，惯性限制了转速的提高；工作过程是不连续的，蒸汽的流量受到限制，也就限制了功率的提高。

内燃机：结构复杂，对燃料要求较高，对燃料的洁净度要求严格，对环境污染。

外燃机，如斯特林发动机是其中一种，斯特林发动机与内燃机比较具备以下优点：

适用于各种能源，无论是液态的、气态的或固态的燃料，当采用载热系统(如热管)间接加热时，几乎可以使用任何高温热源(太阳能放射性同位素和核反应等)，而发动机本身(除加热器外)不需要作任何更改。同时斯特林发动机无需压缩机增压，使用一般风机即可满足要求，并允许燃料具有较高的杂质含量；斯特林发动机单机容量小，机组容量从20－50kw，可以因地制宜的增减系统容量；结构简单，零件数比内燃机少40%，降价空间大；维护成本低。

斯特林发动机在运行时，由于燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，独立于燃气的工质通过加热器吸热，并按斯特林循环对外做功，因此避免了类似内燃机的爆震做功和间歇燃烧过程，从而实现了高效、低噪和低排放运行。高效：总能效率达到80%以上；低噪：1米处裸机噪音底于68dBA；低排放：尾气排放达到欧5标准。

由于工质不燃烧，外燃机避免了传统内燃机的震爆做功问题，从而实现了高效率、低噪音、低污染和低运行成本。外燃机可以燃烧各种可燃气体，如：天然气、沼气、石油气、氢气、煤气等，也可燃烧柴油、液化石油气等液体燃料，还可以燃烧木材，以及利用太阳能等。只要热腔达到700℃，设备即可做功运行，环境温度越低，发电效率越高。外燃机最大的优点是出力和效率不受海拔高度影响，非常适合于高海拔地区使用。

同时斯特林发动机尚存在的主要问题和缺点是：制造成本较高，工质密封技术较难，密封件的可靠性和寿命还存在问题，材料成本高，功率调节控制系统较复杂，机器较为笨重；膨胀室、压缩室、加热器、冷却室、再生器等的成本高，热量损失是内燃发动机的2-3倍等。

有机朗肯循环系统包括泵、蒸发器、膨胀机、发电机、冷凝器等。集热器吸收太阳辐照，集热器内换热介质温度升高，换热介质通过蒸发器把热量传给有机工质。有机工质在蒸发器中定压加热，高压的气态有机工质进入膨胀机膨胀做功，带动发电机发电；膨胀机尾部排出的有机工质进入冷凝器中定压冷凝，冷凝器出口的有机工质经过泵加压后进入蒸发器完成一次发电循环。

有机朗肯循环系统存在转换效率不高，体积大，需要借助结构复杂的膨胀机做功。

V型发动机，简单的说就是将所有汽缸分成两组，把相邻汽缸以一定夹角布置一起（左右两列气缸中心线的夹角γ＜180°），使两组汽缸形成一个夹角的平面，从侧面看汽缸呈V字形（通常的夹角为60°），故称V型发动机。

与直列布局形式相比，V型发动机缩短了机体的长度和高度，而更低的安装位置可以便于设计师设计出风阻系数更低的车身，同时得益于汽缸对向布置，还可抵消一部分振动，使发动机运转更为平顺。由于汽缸之间已相互错开布置，因此在汽缸之间有较大的空间，这样便于通过扩大汽缸直径来提高排量和功率。V型发动机的汽缸均成一角度对向布置，可以抵消一部分振动。不足之处是：V型发动机的缺点是必须使用两个汽缸盖，结构较为复杂。另外其宽度加大后，发动机两侧空间较小，不易再安排其它装置。

发明内容

本发明克服了外燃机存在的膨胀室、压缩室、加热器、冷却室、再生器等的成本高，热量损失是内燃发动机的2-3倍等问题；克服了有机朗肯循环系统需要膨胀机或汽轮机，制造成本高的技术难题；克服了内燃机V型发动机结构较为复杂、制造成本高的问题。本发明提出的V型热能动力设备是采用了现有V型发动机结构，结合斯特林发动机、有机朗肯循环系统和内燃机V型发动机优点的热动力设备。由集热器把热能吸收后对气化反应器进行加热，使工质高温气化彭胀推动活塞产生动能做功。 

本发明提供了一种热能转换效率高、工质能循环使用、最大功率范围内能调整工质数量来调整输出功率、能通过调整温度进行调整输出功率、机器输出功率平稳的热能动力设备。