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热效率最高的热机
热效率最高的热机——热磁发电斯特林发动机
项目编号:
197351
详细介绍:
高效率的热磁发电斯特林发动机制冷机
或可破解能源危机
破解能源危机,还我蓝天白云、青山绿水,这一切或许并不遥远,热磁发电斯特林发动机的热效率高于任何一种已知的热机。
用于太阳能斯特林发动机的改进,大幅提高热效率,降低发电成本,直至火电水平,且几乎无污染,用于汽车尾气余热利用,也可大幅提高热效率,还可用于火电烟气余热利用,地热资源利用,也可用于潜艇,大幅提高续航能力,没有深奥的理论,所有的计算根据简单的物理原理,选用最常见的工业原料及其标准的各项物理参数,实际制做出来的机器即使与计算结果有所误差,误差也不应很大,在可以接受的范围之内。
这一切简单、自然,一切计算均有物理学定律作为依据,无可质疑.
斯特林发动机是理论上达到卡诺循环效率的热机,它是1816年由苏格兰的R·斯特林发明的一种外燃的闭式循环往复式热力发动机,可用氢、氨、氦或空气为工质。
在封闭的气缸内充有一定容积的工质,气缸的一端为膨胀缸,另一端为压缩缸,作为发动机时,膨胀缸温度高,为热缸,压缩缸温度低,为冷缸;作为制冷机时,膨胀缸为冷缸,压缩缸为热缸。
膨胀缸与压缩缸间用吸热器、回热器和冷却器连接,回热器内充有填料,大多为不锈钢丝。
在理论上,回热器容储热量等于回热量,斯特林发动机的效率等于卡诺循环效率。
以太阳能为高温热源的太阳能斯特林发动机,近年来有较大发展,美国已建造太阳能斯特林发动机的电站,中国也准备在近年来建造太阳能斯特林发动机电站。
在这方面要想有较大进展,首先要提高斯特林发动机的效率,以降低发电成本,力求达到火电的发电成本。
此外,还需要解决工质泄露的问题,由于需要提高功率及效率,所以工质的压力很高,造成工质密封困难,而工质的泄露使得发动机无故障工作时间缩短。
这个问题可从结构设计的改进得到解决,另文谈此事。
本发明对斯特林回热器部分加以改动,使之除仍有储热,回热的功能外,还起到发电的作用,从而大幅度提高斯特林发动机、的效率。
在斯特林发动机的每一个做功循环中,冷热气体(工质)分别交替流过回热器一次,回热器中的填充物一般为不锈钢丝网,近来也有研究将填充物做成片状,以减小气阻。
本发明是用磁性材料片充当回热器中的填充物,用作填充物的磁性材料片是处于磁场中而被磁化的软磁材料片,所谓软磁材料,当它位于外加磁场中时被磁化,撤去外加磁场时,其磁性则消失,其磁性随温度变化也发生变化,如硅钢片,软铁片或坡莫合金片等等,多片软磁片形成软磁片组,软磁片间留有气隙,可供工质流过,软磁片组的两端与软磁铁芯相连,软磁铁芯由磁导率很高的软磁材料(如
1J22软磁合金,坡莫合金、纯铁等)组成,软磁铁芯与强力磁铁相连。
磁铁、软磁铁芯与软磁片组,形成一个闭合磁路。
在软磁铁芯上绕有线圈,如果回热器的外壳由铁磁性材料组成,则要在软磁铁芯和回热器外壳之间加装由弱磁性材料,如铝、铜等构成的隔磁圈和隔磁片、隔磁圈与软磁铁芯、回热器外壳紧密连结,以保证回热器内的工质不外泄,如附图所示,如回热器外壳由弱磁性材料构成,则无需隔磁圈、垫,软磁铁芯直接与回热器外壳紧密连接。
在斯特林发动机、制冷机的每一个做功循环中,冷热气体(工质)分别交替流过回热器一次,从而使得软磁片的温度及磁力发生变化,温度升高时,磁性减弱,反之则增加,而磁铁、软磁铁芯和软磁片组构成了一个闭合磁路,软磁铁芯的磁力也将改变。
于是线圈所包围的截面内所含的磁力线的数量也将改变,根据法拉弟电磁感应定律,线圈两端将产生感生电动势,这时线圈成为一个电源,可向外界提供电能。
为了便于叙述,我将在后文中将这个由闭合磁路及线圈等组成的部分,称作热磁发电机,本发明可看作斯特林发动机与热磁发电机的组合,所以本发明起名为热磁发电斯特林发动机。
比较斯特林发动机和本发明,除回热器的填充物改变为软磁片组等物外,斯特林发动机的其他部分均无变动,而且我们可以让软磁片的质量、比热容与工质的接触面积等,尽量与原填充的钢丝网相等,使回热器储热、回热作用基本不变,这样对原斯特林发动机、制冷机的工作状况影响较小,而我们又从热磁发电机部分额外得到一部分电能,所以本发明的热效率高于斯特林发动机。
由于热磁发电机的工作原理是电磁感应,不同于热机由气态工质受热膨胀做功,所以在理论上,它不受卡诺循环效率的限制,热磁发电机将工质的热能除磁滞损失外,转换为电能,转换率极高,所以效率极高。
而且在热磁发电斯特林发动机的等温压缩过程中,热磁发电机也同时在将工质的热能转化为电能,从而降低了工质的温度,从而降低压缩过程中的压力,也提高了斯特林发动机的效率。
综上所述,热磁发电斯特林发动机中的热磁发电机的工作伴随斯特林发动机的热力循环而产生。
在此同时,又强化了斯特林发动机部分的工作,二者相辅相成,形成一个不可分割的完整的机器。
从能量转换的角度来看,热磁发电斯特林发动机将热能转换为电能及机械能,类似于热机将热能转换成机械能,使热能得到利用,但这个机器是一种发电机与热机的组合,工作原理与热机有较大区别,而从热效率的角度来看,这种机器优于传统热机。
我们用一个将斯特林发动机改装成热磁发电斯特林发动机的例子,来进一步说明这个问题,同时也就说明了热磁发电斯特林发动机的实用性。
一个3kw的斯特林太阳能发动机,工质为氦气,氦气比热为10J/g℃,压力为6MPa,转速为35转/秒,每秒通过回热器的工质流量为60克,回热器两端的工质温度保持在800℃和500℃,回热器长度为5㎝,回热器填充物为不锈钢丝网,钢丝网直径为0.04㎜,不锈钢密度为7.8g/cm3,比热为0.45J /g℃,填充物的质量为630克。
所以比热容为283.5J/0C.
我们将回热器用如前所述的方法改装成热磁发电机,将回热C软磁铁芯之间置有多组软磁合金片组,其居里点由高向低排列。
温度最高端为居里点为8000c的软磁合金片组,然后是居里点7670C的硅钢片组,再是居里点为7400C,7000C的硅钢片组, 再是居里点为6600C,6200C,5800C,5400C的铁基软磁合金片组。
铁基软磁合金片的厚度为0.02mm,密度为7.2g/cm3,比热为0.45J/g0C.饱和磁感应强度为1.4-1.7T.硅钢片的厚度为0.02㎜,密度为7.8g/cm3,比热为0.45J /g℃,居里点为7670C,740℃,饱和磁感应强度为2.15T,2T。
居里点为800
0C的软磁合金片的密度为8.3/cm3,饱和磁感应强度为2.1T,由软磁合金GMT-22掺Mo钼而得。
GMT-22的居里点9300C,饱和磁感应强度2.4T。
为计算简便,我们取所有软磁合金片的平均饱和磁感应强度为1.6T,平均密度为7.3g/cm3,比热为0.45J/g0C.为了使软磁合金片组的比热容与原回热器中的不锈钢丝网的比热容相等,所以软磁合金片组的总质量为630克,总体积为86.3cm3,软磁合金片的高度为6mm,则软磁合金片的总横截面积,即软磁合金片的一端与软磁铁芯的总接触面积,也是磁力线从其中穿过的软磁合金片的总横截面积为140cm2,软磁合金片高度为0.6㎝(即在附图的A-A剖面视图中软磁片在竖直方向的长度)。
硅钢片在居里点附近的温度系数为0.8%,即温度每改变1℃,磁感应强度改变0.8%。
设回热器的温度梯度由800℃至500℃线性变化,回热器的平均温度为650℃,由以上数据可推算出,在每一个热力循环中,工质由热端向冷端流动时,软磁合金片平均温度升高8℃,反之则降低8℃,可推出硅感应强度的变化0.102T。
线圈由漆包线绕成,绕在直径为8㎝的软磁铁芯上,漆包线的横横截面积为3.5mm2,线圈由两组1800(60×30)匝的线圈并联而成,可推算出线圈的电阻为2Ω,磁路长度约为30㎝。
ns△B
线圈两端产生电压为u=
△t
每一个热力循环费时1/35秒,其中硅钢片被加热和冷却
ns△B
各一次,各需费时1/70秒,将以上数据代入u=
△t
可得u=180伏。
这就是说,我们得到一个电动势180V,内阻3Ω的电源,我们可用电子电路处理后,向电网供电,或带动单相交流异步电动机,在带动单相交流电动机时,其电流波形为平滑连续的单相交变曲线,可使单相交流电动机工作状态良好。
这种做法的好处是省去复杂昂贵的电子电路输出热磁发电机的电能。
这样一个电动势为180V,内阻2Ω的电源,随外接负载的阻抗不同,而有不同大小的工作电流。
如工作电流为10A时,电源的总功率为1.8kw,其中线圈发热功率为0.2KW,输出功率为1.6KW;如工作电流为20A时,电源的总功率为3.6KW,其中线圈发热功率为0.8KW,输出功率为2.8KW,线圈发热量较大,要设法给线圈降温,如在线圈间放置水冷管道。
软磁合金片组的磁阻太小,所以必须减小其磁导率,可以控制其退火温度,在保证其饱和磁感应强度改变很小的前提下,选择合适的退火温度,使其磁导率为淬态的几十分之一到百分之一(见《东北大学》杨仁福的论文《软磁非晶合金的晶化,结构和磁性能的研究》。
还可掺加磷,其含量超过0.03%时,磁导率剧降。
横磁退火也降低磁导率。
要保证软磁合金片组的磁阻在发动机工作时的温度下远大于软磁铁芯的磁阻。
否则线圈的电压很低。
还要保证所有的软磁合金片组工作在居里点附近。
软磁铁芯用1J22软磁合金制作,它的饱和磁感应强度2.45T,居里点9800C,磁导率为坡莫合金的两倍。
气隙高度虽然只有6㎜,但磁力线仍集中在磁钢片中,气隙中漏磁很少,这有些类似于电流集中于电阻很小的支路,而电阻很大的支路中电流很小。
此外,为方便回热器外壳几何尺寸的设计,软磁合金片组可采用几组并联的形式,软磁合金片组的制作类似于家用电器(如音箱)中的小型变压器铁芯的制作,可利用这类产品的厂家的技术和设备,为保证气隙宽度的均匀性及制作的方便,每两片软磁合金片间可夹入由软磁合金1j22做的窄薄片,置于软磁合金片的上、下边缘处,两窄薄片之间的距离为气隙的高度。
某些太阳能斯特林发动机热缸温度只有600℃,则热磁发电机中的软磁片可用居里点较低一些的软磁合金片,我们有居里点从-50℃至1000℃的多种软磁材料可供选择,都有现成的产品供货。
如居里点略低于600℃,饱和磁感应强度不低于1.4T的非晶态合金.
现在磁性材料的开发,为了磁性元件工作的稳定性,往往设法降低温度系数。
如果反其道而行之,有意识去提高温度系数,则会有多品种的居里点范围宽广的温敏磁性材料问世。
运用高温度系数的软磁片在热磁发电机中,可减少线圈匝数,从而减少线圈电阻,减少线圈发热,提高输出功率及效率。
在上例中,软磁片的质量与比热的乘积即比热容,与原斯特林发动机的回热器的填充的不锈钢丝网的比热容相等,热交换面积相差不大,回热器的长度可保持不变,也可作造当调整,所以热磁发电机保留了原回热器的储热、回热功能,对斯特林发动机那部分的工作影响较小,而且热磁发电机的输出电能是由工质的热能转化而来,将降低冷缸工作温度,增大斯特林发动机那部分的效率,而且额外获得热磁发电机的电能,所以热效率大幅提高。
但是我们还不满意这个结果,还希望热效率有五倍以上的提高,这也是有希望的。
可采取以下三个办法。
一.减小发动机所带动的发电机的功率,以提高发动机的转速。
如上例中,如转速提高到70转/秒,则线圈电压为360伏。
。
二.在上述的热磁发电斯特林发动机的举例中,热磁发电机的磁路为—闭合磁路。
我们还可在磁铁的N、S极之间再用另一条软磁铁芯连接,形成另一条磁路支路,长度不超过40㎝,当软磁片因温度变化而引起其所在支路的磁通量增加(减少)时,则这另一条磁路支路的磁通量将减少(增加),若磁路设计合理,两条支路的磁通量变化量的大小几乎相等,在新增支路上绕以线圈,也可产生感生电动势,则热磁发电机的输出电能可大幅增加,较之前面所举例子,几乎是成倍提升电能输出。
采取以上两个办法后,我们得到两个360伏,2欧的电源。
当电流20安时,总功率14.4kw,发热功率1.6kw,输出功率12.8kw。
三.工质流过热磁发动机后,温度500度,与室温相差很大,所以可以再添加一个热磁发动机,又得到两个新电源,其效能与上述的两个360伏,2欧的电源相近。
太阳能斯特林发动机的成本主要分布在三大部分:
斯特林发动机、太阳能反射镜及跟踪系统、支架部分。
而将斯特林发动机换成热磁发电斯特林发动机,所增加的零部件的费用,相对于这三大部分而言是很小的。
而太阳能斯特林发动机的发电成本已接近于光伏发电,而使用热磁发电斯特林发动机又能极大的提高光电转换效率,所以大幅度降低发电成本,有望接近火电成本。
由于现有的斯特林发动机的热缸的活塞高温无油润滑,工作状态恶劣,无故障工作时间短,密封难度高,难以提高工作压力,提高工作效率,购买国外专利费用高,阻碍了我国太阳能斯特林发动机的应用。
这个问题可从热缸密封的结构设计的改进得到解决。
获得有自主知识产权高效率的发动机。
另文讲此问题。
热磁发电斯特林发动机还可用于低温热源的开发利用上,如地热资源的开发利用等。
在我国已将斯特林发动机用于潜艇上,若使用热磁发电斯特林发动机,则可大幅节省燃料,增大续航能力。
火电的排烟道中,可置入热磁发电斯特林发动机的吸热器,吸热器做成蒸汽机的火管的样子,增大热交换面积,也可用多组热磁发电斯特林发动机,不同的温度区域,采用不同居里点的软磁片,以保证热磁发电机的正常工作,软磁片总横截面积较大时,可采用前述的并联方式,每条磁路支路上均可加绕线圈,充分利用烟气余热发电。
在汽车的排气管中置入热磁发电斯特林发动机的吸热器,将汽车尾气的热能经热磁发电机转化为电能。
因尾气浪费的热能约占燃烧热的40%,有很大的节能空间,这种办法特别适合于混合动力汽车。
实际上,汽油发动机做功冲程结束时,燃气尚含10%以上的CO,这意味着40%以上的燃烧热尚未释放,汽车尾气带走的热量损失是超过燃烧热的40%的,这部分的热损失是所有热损失中最大的一部分,但因为相对于做功冲程中的温度及压力,做功冲程刚结束时的燃气的温度及压力居于低温低压,其热能很难有效利用,而用热磁发电斯特林发动机,将尾气热能转化为电能,效率可达到较高。
此举将大幅度提高热效率,这时需要大量进口石油的我国,无疑具有重大意义。
总之,热磁发电斯特林发动机,是一种热磁发电机与斯特林发动机有机地组合而成的一种完整的机器,它的工作原理与任何一种传统的热机有所区别,但它的热效高于传统热机,而且其工作温度范围宽广,适用面广,低污染,所以其发展前景好。
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