利用环境热能对外做功的方法及环境热能做功系统

摘要

本发明涉及一种利用环境热能对外做功的方法及用该方法的环境热能做功系统。其方法利用热泵产生的热能和冷能，被介质吸收后作为热源和冷源，然后热源和冷源分别与环境温度的介质配合，驱动热做功装置对外做功，且热做功装置温度升高做功，温度降低也做功，在整个过程中的所有环节，采用多级热交换，即用多份的介质多次热交换让某个环节逐渐降温或者升温到所需温度，同时得到不同品质的冷热介质，分别储存起来，相同的顺序多个热交换过程可以让介质的品质逐渐升高，从而不断得到可以利用的高品质冷热介质，充分利用冷能和热能。

说明书

技术领域

本发明属于动力机械技术领域，具体地说，涉及一种利用环境热能对外做功的方 法及用该方法的环境热能做功系统。

背景技术

因经济的发展，各国都对能源的需求很大，并且日益增加，而石油煤炭天然气等能 源，总会有枯竭的一天，人类社会为了发展必须寻找新的能源，但各种取得能源的技术都有 其自身的不足，成本高，有危险，会枯竭，有污染，破坏环境，即使水力风力地热等清洁能源 发电，非常受环境限制，而且需要大量的设施等等，不能完美的解决能源问题。

在我们生活的环境中存在大量的能源，现有的技术只是利用了其中的风能、太阳 能，而没有利用环境中的热能，传统利用太阳能、风能的方式受条件制约大，在能量转换时， 所需要的设备成本较高，且受地域影响。而本发明可以在任何地方利用环境中的热能，不受 地域时间等等限制，且对环境几乎无污染。

发明内容

本发明为解决现有技术的不足，提供一种利用热泵吸收环境中的热能对外做功的 方法，该装置可以将环境的热能转化为动能输出，环保且使用方便。

发明采用的技术方案为：

一种利用热泵吸收环境中的热能对外做功的方法，它包含一个热泵系统，一个热做功 系统，以及一个多级热交换及储能系统。

其原理为利用热泵产生高温热源和低温热源，并利用环境温度的介质作为第三个 热源，一般情况下介质为水、油或者空气，高温热源和低温热源分别与第三个热源配合，驱 动热做功装置做功，且热做功装置温度升高做功，温度降低也做功。同时在所有需要进行热 交换的地方采用多级热交换，即用多份的介质多次热交换让某个环节逐渐降温或者升温到 所需温度，同时得到不同品质的冷热介质，分别储存起来而不是排到环境中去，一般情况下 介质为水或者油，相同的顺序多个热交换过程可以让介质的品质逐渐升高，从而不断得到 可以利用的高品质冷热介质，充分利用冷能和热能。

一种利用环境热能对外做功的方法，利用热泵产生高温热源和低温热源，并利用 环境温度的介质作为第三个热源；所述环境温度的介质为水、油或者空气；高温热源和低温 热源分别与环境温度的介质配合，驱动热做功装置做功，且热做功装置温度升高做功，温度 降低也做功，并在整个过程中的所有热交换环节，采用多级热交换，即用多份的环境温度的 介质多次热交换让某个环节逐渐降温或者升温到所需温度，同时得到不同品质的冷热介 质，分别把余热余冷储存起来而不是排到环境中去，相同的顺序多个热交换过程可以让介 质的品质逐渐升高，从而不断得到可以利用的高品质冷热介质，充分利用冷能和热能。

所述高温热源与所述环境温度的介质组成热机，所述低温热源也与环境温度的介 质组成热机，驱动热做功装置做功，且热做功装置在被加热温度升高时做功，在被冷却温度 降低时也做功。

整个过程中的所有热交换环节，采用多级热交换，将需要被加热或冷却的环节加 热或冷却到一定温度，同时得到不同温度的介质并将余热储存在介质中，而不是将热能和 冷能排到环境中去，重复该过程以不断获得最高品质可以利用的热介质或者冷介质。

所述热做功装置为气缸，该气缸对可变负载做功。

热泵内工质蒸发时的能量通过做功气缸或者透平机回收。

用上述的利用环境热能的对外做功方法的环境热能做功系统，所述环境热能做功 系统包括热泵模块、热能做功模块及冷能做功模块；所述热泵模块包括一热水容器和一冷 水容器，所述热能做功模块的一端与所述热水容器相接，所述冷能做功模块的一端与所述 冷水容器相接。

所述热泵模块包括通过管道依次循环连接的热水容器、第一级多级加热装置、第 一级储气罐、能量回收装置、第二级多级加热装置、第二级储气罐、压缩机、冷水容器、多级 冷却装置以及储液罐。

所述热能做功模块包括做功气缸、多级冷却装置和可变负载；所述冷能做功模块 包括做功气缸、多级加热装置、可变负载。

所述热能做功模块包括储液罐、透平机、储气罐及多级冷却装置；所述热水容器、 透平机、储气罐、多级冷却装置及储液罐依次循环相接；所述冷能做功模块包括储液罐、多 级加热装置、透平机及储气罐；所述冷水容器、储液罐、多级加热装置、透平机、储气罐依次 循环相接。

所述多级热交换装置包括至少两个装有热交换介质且依次被管道穿过的热交换 容器，所述热交换容器开设有阀门。

所述多级热交换装置包括多个装有热交换介质的容器和气缸，容器分别位于所述 气缸的上方和下方，各容器和气缸之间设有介质通道，各容器与介质通道之间设有阀门。

所述多级热交换装置包括至少两个装有冷热介质的热交换容器，所述热能气缸或 者冷能气缸的缸体外部设有介质通道，所述介质通道的输入端与所述各热交换容器的输出 端相接，所述介质通道的输入端与所述热交换容器的输出端之间设有输出阀门，所述介质 通道的输出端与所述热交换容器的输入端相接，所述介质通道的输出端与所述热交换容器 的输入端之间设有输入阀门，所述输入阀门与所述介质通道的输出端之间设有水泵，所述 各容器设有排水阀。

该技术方案主要有两个特点。

1.做功部分。它有三个热源，即高温热源、低温热源源以及环境温度热源，一般为 热水、冷水以及环境温度的水，作为做功装置既在被加热时做功，也在被冷却时做功。

热做功装置可以是利用气体、液体、固体的热胀冷缩做功的装置，也可以是利用低 沸点液体的气化液化做功的装置，或者是双金属记忆金属等等利用热效应做功的装置，这 类装置的特点是吸热时能做功，放热时也能做功，这里以低沸点液体的气化液化做功的装 置为例进行说明。为便于表述，称相对于环境温度高的热源具有“热能”，相对于环境温度低 的热源具有“冷能”，实质都是产生了温差利用内能做功，其工作过程如下：

热泵致热端放出的热量用水吸收，然后用来作为高温热源加热沸点稍高于环境的液 体，使其气化，推动活塞对外做功，然后，再用环境温度的水使其冷却到环境温度，蒸汽冷却 液化体积缩小，大气压推动活塞做功，同样可以做功。此时一份热能可以做两次功。冷却水 吸收的热量还可以储存起来并加以利用，而不是排到环境中区，以提高效率。

在制冷端，与制热端同理，不同的是使用沸点稍低于环境温度的液体，被作为冷源 的冷水冷却液化体积减小，大气压推动活塞做功，然后从环境温度的水中吸热回到环境温 度，再次气化推动活塞做功。跟制热端一样，冷能也可以通过水存储起来。

让冷水、热水分别跟环境温度的水组合驱动热机做功，而不是直接让热水、冷水组 合驱动热机的好处是，利用热能做功时可以让环境温度的水提供跟热水等量的“冷能”，用 于把热机冷却到环境温度，利用冷能做功时，环境温度的水提供了跟冷水等量的热能，用于 把热机加热到环境温度，即环境温度的水额外的提供了一份冷能和一份热能，也就是说从 环境中吸收了一份冷能和一份热能用于做功过程。具体分析如下。

假设环境温度为T0，低于环境温度的冷水温度为T1，高于环境温度的热水温度为 T2，如果直接利用冷水作为冷源，热水作为热源组成热机，把热机由T1提高到T2分成两个过 程来看，即先把工作介质由T1加热到T0，需要Q1的热能做功W1，由T0加热到T2，需要Q2的热 能，做功W2，从T1到T2，温度为T2的热水需要消耗Q1+Q2的热能，对外做功W1+W2，而热机回到 T1状态时（为了简化，假设此过程不做功），冷水需提供Q1+Q2的冷能，这样，消耗了Q1+Q2的 热能，Q1+Q2的冷能，冷量和热量都减少了Q1+Q2，即2（Q1+Q2）的冷热能，共做功W1+W2。

如果利用环境温度的水，把热机由T1加热到T0，此时没有消耗温度为T2的热水里 的热能，即热能零消耗让热机做功W1，然后利用温度为T2的热水把热机加热到T2，此时消耗 了Q2的热能做功W2，到现在为止，只消耗了Q2的热能，却做了W1+W2的功，然后热机需要回到 温度为T1的状态，先用环境温度的水把热机由T2降低到环境温度T0，此时消耗冷源零冷能， 接着用温度为T1的冷水把热机冷却到T1，此时消耗Q1的冷能，热机回到原来温度为T1的状 态，整个总共消耗了Q1的冷能和Q2的热能，即只消耗了Q1+Q2的冷热能，也做了W1+W2的功， 能量消耗为前一种方式的一半，环境温度的水提供了Q1的冷能和Q2的热能。

因为热泵的压缩机工作时，温度是从环境温度到冷凝器端的温度（工作介质被水 冷却到了环境温度），所以它放出的热，如果也是在这两个温度之间做功的话，能够做的功 大致与压缩机消耗的功相当。蒸发器端冷能做功同理。又因为热机被加热和被冷却都做功， 所以得到的热能和冷能可以做了接近2至4倍压缩机消耗的功，被水吸收的余热余冷还可以 用来做功，故可以实现自运行。

利用气缸做功时，在液体继续蒸发时为一个近似等压的过程，气体的气压大于外 界气压，蒸发完成后，为了提高做功的效率，在气缸膨胀或者收缩到最大位置后，需要多次 接更轻点的负载使其继续做功，直到活塞内的蒸汽压强跟外界平衡，大致不能再对外做功， 到达无负载能达到的最大位置。以加热蒸发做功为例，液体在完全蒸发后体积达到带此负 载时的最大值，体积比较大，改变温度时，体积的变化也大，如果此时带的负载比较大，此时 蒸汽还能做的功依然比较多，冷缩形成负压收缩做功时同理，如果不加利用，这两个过程会 浪费相当多的能量。可变负载的主要作用是储能后再以较大的功率对外做功，让做功装置 以一种间歇做功的方式工作，当采用多个做功装置配合连续做功时，可以不要可变负载，也 可以采用恒定负载然后储能，牺牲一部分能量，或者使用其他方式吸收能量并储能。

热泵压缩机内工质减压蒸发前后具有压强差，工质体积膨胀，可以通过做功气缸 或者透平机等方式回收能量。压缩后产生的液态工质储存在储液罐中，然后经过多级热交 换装置后发生第一级气化膨胀，产生的高压气体储存在气罐中，然后气罐中的高压气体推 动能量回收装置对外做功，然后再经过一级多级热交换管道储存在另一个气罐中。当管道 足够长或者说管道容积够大时，储气罐和储液罐可以省略，能量回收装置可以回收大量能 量，但此系统的效率已经足够高，为了节省成本减小体积，能量回收部分可以省略。

2.多级热交换。利用中间介质分级多次加热或冷却，并采用储能池储存不同品质 的热能或“冷能”，在运行过程中，热能和冷能的品质不断提高，不断产生最高品质的冷热 能。

为了尽量提高热效率，此装置采用水或者油等作为热交换的中间介质进行热交 换，且循环回路跟环境绝热，这里以水为例来说明。采用中间介质的好处之一是热能或者冷 能可以通过热水和冷水储存，余热余冷可以在其他环节继续利用，而不是散发到环境中去， 这会大大提高能量的利用效率。同时，因为是通过中间介质加热或冷却，制取冷热水和利用 冷热水做功的过程可以被分离开来，制取冷热水的过程比较快，而利用冷热水做功一次有 两个过程，即膨胀和收缩，这个过程相对慢的多，可以先制取足够多的热水和冷水后让热泵 停下来，等到热水和冷水的品质被降低到一定程度后再次启动加热。

在所有环节进行分级加热或冷却，即某一环节利用水冷却到一定温度后排到一个 容器，然后再用另一份水继续冷却这个环节，重复直到这个环节冷却到要求的温度，同时产 生不同品质的热水存入不同的储热池，用水加热吸热环节同理，以产生不同品质的冷水。例 如，在热端，利用热能做功后冷却时，用冷却水分阶段冷却，获得不同品质的热水，分别倒入 不同的储热池，然后再次需要冷却时，按同样的次序继续作为冷却水使用，多次之后热水品 质会逐渐提高，当最先作为冷却水冷却用的最高品质的热水，达到最高温度后，换成环境温 度的水，在最后一次冷却时去冷却，这时最高品质储热池转变为了最低品质的，而次高品质 的取代它成为最高品质的，如此循环，不断产生较高品质热水。冷端同理，以不断产生较高 品质的冷水。冷凝器和蒸发器同样也是分级冷却或加热，来获得不同品质的热水和冷水，同 样也分别在其他环节利用或进入储热池或储冷池储存。这样可以让绝大多数的热能和“冷 能”被水吸收，而不是散发到环境中去，大大提高整个装置的热效率。储能池的冷水热水品 质提高到一个可观的程度且有一定的量后，储热池配合储冷池，可以获得达到可以利用水 平的温差，可以利用常规的地热发电的方式发电，也可以用这里采用的方式，用热水蒸发工 质冷水冷却工质推动活塞做功，也可以把它进一步加热或制冷后拿去做功。即使是具有最 低品质热能的热水，也比环境温度的热水温度高，可以代替环境温度的水在某个环节用来 加热，冷水同理，且在运行过程中，所有水的品质都会逐渐升高，所以没有品质低到此装置 不能利用的冷热能。

发明取得的有益效果为：本发明可以很容易的用来改进现有的热泵产品，把其中 某一个环节的冷热水用来制冷或加热即可，比如做功后热交换得到的最高品质冷热水，达 到节能、甚至产生能量的目的，同时它是一种新的原动机，环保并几乎免费。

附图说明

图1A为本发明多级热交换的实施方式一。

图1B为本发明多级热交换的实施方式二。

图1C为本发明多级热交换的实施方式三。

图2为本发明利用气缸做功的实施方式一。

图3为本发明利用透平机做功的实施方式二。

图4为本发明利用气缸做功的实施方式三。

图5为本发明利用透平机做功的实施方式四。

附图标记为：

图1A中：

1—冷却容器2—冷却容器3—冷却容器K1—阀门K2—阀门K3—阀门

图1B中：

4—冷却容器5—冷却容器6—冷却容器7—做功气缸8—加热容器

K4—阀门K5—阀门K6—阀门K7—阀门

图1C中：

9—冷却容器10—冷却容器11—冷却容器12—做功气缸

13—水泵K8—阀门K9—阀门K10—阀门K11—阀门K12—阀门K13—阀门K14— 阀门K15—阀门K16—阀门

图2中：

14—冷水容器15—多级加热装置16—压缩机17—热水容器18—多级加热装置 19—做功气缸20—可变负载21—多级冷却装置22—节流阀

图3中：

23—节流阀24—热水容器25—透平机26—储气罐27—多级冷却装置28—储液罐

图4中：

29—冷水容器30—多级加热装置31—第一级储气罐32—能量回收装置33—第一级 多级加热装置34—第二级储气罐35—压缩机36—热水容器37—第二级多级冷却装置 38—储液罐39——节流阀

图5中：

29—冷水容器30—多级加热装置31—第一级储气罐32—能量回收装置33—第一级 多级加热装置34—第二级储气罐35—压缩机36—热水容器37—第二级多级冷却装置 38—储液罐39——节流阀23—节流阀25—透平机26—储气罐27—多级冷却装置 28—储液罐

具体实施方式

多级热交换的实施方式一

图1A为对流体多级冷却的一种方式。热的流体（高于环境温度），热的流体经管道从冷 却容器3下方进入冷却环节，经过冷却容器3、冷却容器2、冷却容器1逐渐被冷却。冷却容器3 的水温最高，往上逐渐变低。多次对热的流体进行冷却后，冷却容器3中的水最先达到预定 温度，打开阀门K3排出，然后依次打开阀门K2、K1，让冷却容器2和冷却容器1中的水分别流 入冷却容器3和冷却容器2，再向最上面的冷却容器1中充入环境温度的水。

多级加热同理。

多级热交换的实施方式二

图1B中为对做功气缸多级冷却的一种方式，最开始打开加热容器8的阀门K7,让热泵发 热端加热后的热水加热做功气缸7中的工作介质膨胀做功，做功完成后关闭阀门K7，再逐个 打开和关闭冷却容器4的阀门K4、冷却容器5的阀门K5、冷却容器6的阀门K6对做功气缸7进 行分级冷却，缸体内的工作介质体积变小活塞拉动负载对外做功，多个此过程后，最先进行 冷却的冷却容器4里的水最先达到预定温度，排出后再充入环境温度的水，在之后冷却做功 气缸7时让它对应的阀门最后打开，而之前第二个打开的阀门变为第一个打开，依此类推。

多级加热同理。

多级热交换的实施方式三

图1C中为做功气缸多级冷却的另一种方式，冷却容器个数视情况而定，此处以3个为 例。

最开始用热泵发热端加热后的热水加热做功气缸12中的工作介质膨胀做功，再逐 个打开和关闭冷却容器11的阀门K16、冷却容器10的阀门K15、冷却容器9的阀门K4，冷却容 器11，冷却容器10和冷却容器9中的液体对做功气缸12分别进行多级冷却；单级冷却完成 后，分别打开阀门K10、K9、K8将液体通过水泵13分别泵回冷却容器11，冷却容器10和冷却容 器9；冷却后，缸体内的工作介质体积变小活塞拉动负载对外做功；多个此过程后，最先进行 冷却的冷却容器11里的水最先达到预定温度，打开阀门K13排出，然后依次打开阀门K12、 K11，让水逐级往下流，再向最上面的冷却容器9中充入环境温度的水。

多级加热同理。

系统实施例1：

参见图2此方式为利用做功气缸做功的方式，如图2，其工作过程如下：

热泵部分，热泵里的工作介质经压缩机16压缩，冷凝器放出的热量加热热水容器17里 的水以产生热水，此时热泵里的工作介质的温度较高，经过多级冷却装置21冷却到环境温 度，此时的多级冷却产生了多份不同温度的水，然后环境温度的热泵工作介质，经过节流阀 22后在蒸发器处蒸发冷却冷水容器14里的水产生冷水，此时热泵里的工作介质温度较低， 经过多级加热装置15后被加热到接近环境温度，同时产生多份低于环境温度的不同温度的 冷水，然后环境温度的工作介质又被压缩机16压缩，如此循环。

做功部分，以利用热能做功端为例，其中的可变负载20为一储能装置，其负载可以 改变大小，并且既可以推它做功也可以拉它做功，它可以让外界对其做的功以某种方式储 存起来，比如利用气弹簧储存起来。热水容器17里的热水加热做功气缸19里沸点稍高于环 境温度的工作介质，比如沸点为40度的工作介质，使其蒸发推动活塞对可变负载20做功，在 蒸发完全前，缸体里的气体的压力大致恒定，此时可变负载一直为最大负载状态，当蒸发完 全后，逐渐降低可变负载20，此时做功气缸19的活塞可以继续对可变负载做功，直到做功气 缸20内的气压跟外界一致。然后多级冷却装置18对做功气缸19进行多级冷却使其温度回到 环境温度，同时得到多份热水，在冷却的过程中，做功气缸19内的工作介质液化体积减小， 活塞拉动可变负载20对其做功，在冷却过程中，随着温度的降低，做功气缸19内工作介质的 饱和蒸汽压跟外界的压强差逐渐增加，也需要改变可变负载20的负载以做尽量多的功，如 此循环。可变负载的作用是储能后再以较大的功率对外做功，让做功装置以一种间歇做功 的方式工作，当采用多个做功装置配合连续做功时，可以不要可变负载。可变负载主要作用 是储能，可以采用恒定负载然后储能，牺牲一部分能量，或者使用其他方式吸收能量并储 能，也应被包括。

利用蒸发器端产生冷能做功过程同理，不同的是工作介质为沸点稍高于环境温 度，水由多级冷却到环境温度，变为多级加热到环境温度，同时得到不同温度的冷水。

系统实施例2：参见图3。

此方式为利用透平机做功的方式，在采用透平机做功时，系统管道里的工作介质 被加热气化产生正压，被冷却产生负压，气压差推动透平机做功。如图3，其工作过程如下：

热泵部分工作过程与实施例1相同。

做功部分以利用热水做功为例进行说明。首先，打开节流阀23，让沸点稍高于环境 温度的工作介质流下，热水容器24中的热水加热管道内工作介质使其沸腾气化，然后蒸汽 推动透平机25对外做功，做功后的气体存于储气罐26中，然后被多级冷却装置27多级冷却 到环境温度，同时得到不同温度的热水，然后液态的工作介质存储于储液罐28中，如此循 环。当管道的容积足够大时，储气罐可以省略。

利用蒸发器端产生冷能做功过程同理，不同的是工作介质为沸点稍高于环境温 度，水由多级冷却，变为多级加热到环境温度，同时得到不同温度的冷水。

系统实施例3：参见图4，

图4为利用做功气缸做功的另一种实施方式。在结构上与系统实施例1的区别仅在于在 热泵部分增设了第一级储气罐31，能量回收装置32，第一级多级加热装置33，第二级储气罐 34和储液罐38。热泵中的工作介质被加热气化产生正压，被冷却产生负压。其工作过程如 下：

热泵部分，工作介质经压缩机35压缩，冷凝器放出的热量加热热水容器36里的水以产 生热水；此时热泵里的工作介质的温度较高，经过多级冷却装置37冷却到环境温度，此时的 多级冷却产生了多份不同温度的水，储存在储液罐38中，然后环境温度的热泵工作介质，经 过节流阀39后在蒸发器处蒸发冷却冷水容器29里的水产生冷水，此时热泵里的工作介质温 度较低，经过第一级多级加热装置30后被加热到接近环境温度并存储在第一级储气罐31， 同时产生多份低于环境温度的不同温度的冷水，储气罐31中的环境温度的工作介质为气 态，压强较高，让它推动能量回收装置32对外做功，膨胀做功后的工作介质温度降低，再通 过第二级多级加热装置33加热回环境温度后存储于第二级储气罐34中，然后储气罐34中环 境温度的工作介质又被压缩机35压缩，如此循环。

做功部分工作过程与实施例1相同。

系统实施例4：参见图5，

此方式为利用透平机做功的另一方式，热泵部分结构与工作过程与实施例3相同，做功 部分结构与工作过程与实施例2相同。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定 本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在 不脱离本发明构思的前提下，其架构形式能够灵活多变，可以派生系列产品。只是做出若干 简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。