CN101430145A - 气压-热力膨胀式循环方法及其装置 - Google Patents

Abstract

气压－热力膨胀式循环方法及其装置是涉及工程热力学的热力循环技术，特别是解决现有普及应用的热力循环技术依赖消耗不可再生能源的一种热力循环方法。它可使用低品位热能量(如太阳能、环境水、气温热能量)作冷媒工质的循环动力，使冷媒工质循环过程中的状态变化为：a点状态过冷液经绝热膨胀而成b点状态，b点状态湿蒸汽的低温冷媒蒸汽对外做功而成c点状态，c点状态低温液定压吸热显热升温而成d点状态，d点状态显热升温低温液定压吸热而成e点状态，e点状态高温冷媒蒸汽定压放热而成a点状态。本循环的冷媒工质循环运行时，可同时获得制冷、制热和输出机械能效果。

Description

气压-热力膨胀式循环方法及其装置

所属技术领域

本发明涉及工程热力学的一种热力循环方式，特别是一种可使用低品位热能量作动力能源的制冷(热)和热力发动机热力循环方式。

背景技术

在工程热力学学科公知：现有热力循环技术根据热力循环的效果和进行方向不同，可分为正向循环和逆向循环。所有的热力发动机都是按正向循环工作，具代表性的有“蒸汽动力朗肯循环”，其装置主要由水泵、锅炉、汽轮机和冷凝器组成。正向循环过程中，循环工质以水泵及吸收锅炉高温热源热量作循环动力，汽化的循环工质将其中一部分热量经汽轮机对外热功交换转化为有用功，另一部分热量在作为低温热源的冷凝器放热。正向循环效果是消耗高温热能量而向外界输出机械能。逆向循环是将热量从低温物体传给高温物体，具代表性的有“蒸汽压缩式逆卡诺(理想)循环”，其装置主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器(低温换热器)组成。逆向循环过程中，循环工质以压缩机输入机械能作循环动力，在作为低温热源的低温换热器吸收热量，向作为高温热源的冷凝器放热。逆向循环效果是消耗机械能而达到制冷(热)目的。以上两种具代表性的循环系统装置均要求循环工质作周而复始的循环运行且质量不变，是由相应的部件采用管道或直接密封连接，组成相应的密闭系统循环装置。现有的热力循环技术及其装置可从中国机械工业出版社出版，蒋祖星主编的《热能动力基础》一书得以引证。目前，普及应用的制冷(热)和热力发动机装置，均以正向循环或逆向循环运行方式消耗不可再生能源。不可再生能源的大量消耗对地球资源、环保的负面影响日趋严重。并且现有普及应用的热力循环装置存在机械结构复杂，噪声大缺点。以上缺点存在原因是：现有普及应用的热力循环技术，未充分利用冷媒工质标准沸点适合易获得热源温度的特点，以及冷媒工质状态变化的自发过程。

发明内容

为了克服现有普及应用的热力循环技术，依赖消耗不可再生能源和循环装置的机械结构复杂、噪声大缺点，本发明提供一种气压-热力膨胀式循环方法及其装置，该循环方法及其装置可使用低品位热能量作动力能源(如太阳能、环境水、气温热能量)，驱动冷媒工质循环运行，可同时获得制冷、制热和向外输出机械能效果。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用气压—热力膨胀式循环方法，使冷媒工质在热和力的作用下循环运行，在完成一周循环后重新回复到原来的初始状态。冷媒工质的循环过程是：在压力作用下，过冷液进入混合气体空间绝热膨胀，产生低温液和低温冷媒蒸汽；受反向力及混合气体总压力的作用，混合气体推动冷媒工质对外做功，混合气体凝结出低温液；低温液受力的作用进入低温热源定压吸热而显热升温，不发生相变；显热升温低温液受力的作用进入高温热源定压吸热产生高温冷媒蒸汽；高温冷媒蒸汽在压力差作用下进入另一低温热源定压放热，冷却成为过冷液并维持冷凝压力。冷媒工质循环过程中，当过冷液液面压力与过冷液柱静压力之和大于混合气体总压力时，过冷液进入混合气体空间(根据帕斯卡原理)，在低温或低压的冷媒蒸汽分压力环境下及辅助气体分子之间绝热膨胀，过冷液热力学能减少产生低温湿蒸汽(即低温液和低温冷媒蒸汽)；同时，低温冷媒蒸汽压力势能增加，导致混合气体总压力增加。受反向力及混合气体总压力作用，混合气体推动冷媒工质对外做功；混合气体对外热功交换使其中低温冷媒蒸汽凝结出低温液，导致混合气体总压力下降，系统向外界输出机械能(根据热力学第一定律)。由膨胀产生和做功凝结的低温液受重力作用沉降于混合气体空间底部，在力的作用下进入低温热源(相当于逆向循环低温热源)，定压吸收低温热源热量而显热升温，不发生相变。显热升温低温液受力的作用进入高温热源(相当于正向循环高温热源)，定压吸收高温热源热量产生高温冷媒蒸汽。高温冷媒蒸汽在压力差作用下进入另一低温热源(相当于正向循环低温热源)定压放热，冷却成为过冷液并维持冷凝压力。本热力循环方式冷媒工质受热和力的作用，在一系列的变化过程中实现不断的循环，系统由此获得制冷、制热和向外输出机械能效果。混合气体推动冷媒工质对外做功，必须满足混合气体进行热功交换所需的做功量，使循环系统冷媒工质运行于稳定流动状态。选择标准沸点适于易获得热源温度的冷媒工质，当高温热源温度达到混合气体总压力和低温液柱静压力组成的合力或冷凝压力所对应的冷媒工质饱和温度及以上时，其内冷媒工质沸腾汽化，系统进入循环运行状态；因此本循环方法是可使用低品位热能量，而且是容易获得的清洁能源。混合气体推动冷媒工质对外热功交换，是通过热功转换机械将混合气体中一部份热能量转化为机械能向系统外界输出。混合气体是由辅助气体工质和冷媒蒸汽工质在混合气体空间组成，两种工质混合不发生化学反应。混合气体空间内辅助气体工质分压力与冷媒蒸汽工质分压力之和等于混合气体总压力(根据道尔顿分压定律)；须根据低温液运行压力和冷媒工质运行的冷凝压力设定辅助气体工质分压力，使混合气体总压力大于或等于冷凝压力。混合气体空间是设有进出口的开口系统，其内贮存一定压力的辅助气体工质，以建立混合气体总压力；为过冷液提供足够的空间体积和低温或低压冷媒工质分压力环境绝热膨胀；为避免外界热量传入而影响低温冷媒蒸汽分压力，须采取隔热保温绝热措施，使热量传递产生的影响减少至可忽略程度。辅助气体工质标准沸点低于冷媒工质标准沸点；选择理想的工质组对，使辅助气体工质在低温液运行温度下为干饱和或过热蒸汽气体，与低温液完全分离。

实施本发明循环方法的装置的技术方案是：在循环系统中各部件出入口采用管道或直接密封连接，冷媒工质密封在循环系统内。按水平高度由上至下顺序排列安装冷凝器、低温液发生器、低温换热器和集热器，各上下相邻的上方部件出口与下方部件入口连接；集热器出口与热功交换机入口连接，热功交换机出口与冷凝器入口连接。系统装置运行时，冷凝压力与过冷液柱静压力之和大于混合气体总压力，过冷液进入低温液发生器绝热膨胀，产生低温液和低温冷媒蒸汽；同时，受冷凝压力和过冷液柱静压力的反向力及混合气体总压力作用，混合气体直接推动由集热器产生的高温冷媒蒸汽对外做功，混合气体凝结出低温液。由绝热膨胀和对外做功产生的低温液在重力作用下沉降于低温液发生器底部，并进入低温换热器，在混合气体总压力下吸收外界热量而显热升温，且不发生相变。重力作用下显热升温低温液进入集热器，在混合气体总压力下吸热汽化产生高温冷媒蒸汽。在混合气体总压力与冷凝压力压差作用下，高温冷媒蒸汽以准平衡过程流经热功交换机，推动连接外界负荷的转动部件后进入冷凝器，在冷凝压力下向外界排放热量冷却成为过冷液。冷媒工质作周而复始循环，系统装置从而获得制冷、制热、向外输出机械能效果。本发明循环装置使用的热功交换机是由冷媒工质推动叶轮平稳转动的部件，避免了现有普及应用的热力循环技术所采用的压气机，因压缩气体和振动产生的噪声；其结构简单、噪声小。热功交换机是按需转换热能量的要求设计输出做功量，以冷媒工质做推动力，向外输出动力的机械部件；其结构主要由，在设有工质进出口的机体外壳内设置滑动配合的转动叶轮，叶轮转轴伸出机体外壳连接一定的机械负荷而组成。低温液发生器作为混合气体空间，主要由隔热保温的钢性开口容器贮存一定压力的辅助气体工质组成，其上方开口为过冷液入口，下方开口为低温液出口。低温换热器作为低温热源，是以液体显热吸收外界热量的换热设备；运行时，其管道内任一截面均有混合气体和低温液存在，低温液吸热不发生相变。冷凝器作为另一低温热源，是高温冷媒蒸汽向外界排放热量的换热设备，冷媒工质在其内自上而下流动。集热器作为高温热源，可吸收任何方式产生的高于冷媒工质温度的热量，并具有对其内混合气体加热而分离辅助气体工质和冷媒蒸汽工质的结构特点。

本发明的有益效果是：可使用低品位热能量，而且是容易获得的清洁能源(如太阳能、环境水、气温热能量)作动力能源，达到制冷(热)和获取机械能目的，从而改变现有普及应用的热力循环技术依赖消耗不可再生能源现状。本循环装置唯一的机械转动部件是热功交换机，其结构简单、噪声小。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是气压-热力膨胀式循环p-h(压-焓)图。

图2是气压-热力膨胀式循环装置实施例的系统构造图；图中1.低温液发生器，2.出液阀，3.低温换热器，4.集热器，5.热功交换机，6.冷凝器，7.单向阀，8.进液阀，9.电磁阀。

具体实施方式

在图1中，冷媒工质一周循环的状态变化过程为：a点状态过冷液经绝热膨胀成b点状态，b点状态湿蒸汽的低温冷媒蒸汽对外做功凝结出低温液，并与膨胀产生的低温液成c点状态，c点状态低温液定压吸热而显热升温成d点状态，d点状态显热升温低温液定压吸热成e点状态，e点状态高温冷媒蒸汽定压放热成a点状态。

气压-热力膨胀式循环方法第一个实施例：在冷凝压力与过冷液柱静压力之和大于混合气体总压力作用下，过冷液进入混合气体空间绝热膨胀，产生低温液和低温冷媒蒸汽；受冷凝压力和过冷液柱静压力的反向力及混合气体总压力作用，混合气体直接推动在高温热源产生的高温冷媒蒸汽对外做功，混合气体凝结出低温液；低温液受重力作用进入低温热源，在混合气体总压力下吸收热量而显热升温，不发生相变；显热升温低温液受重力作用进入高温热源，在混合气体总压力下吸收热量产生高温冷媒蒸汽；在混合气体总压力与冷凝压力的压差作用下，高温冷媒蒸汽以准平衡过程流动，对外做推动功后进入另一低温热源，在冷凝压力下排放热量冷却成为过冷液，并维持冷凝压力。本实施例设定混合气体总压力等于冷凝压力。通过增大显热升温低温液比体积成为高温冷媒蒸汽，从而增大一定压力下单位质量显热升温低温液的做功量，以达到混合气体对外热功交换所需的做功量。利用不同工质具有不同标准沸点的特点，高温热源内混合气体吸收高温热量而分离辅助气体工质与冷媒蒸汽工质，使辅助气体工质封存于高温热源出口与混合气体空间入口之间。

气压-热力膨胀式循环方法第二个实施例：在冷凝压力与过冷液柱静压力之和大于混合气体总压力作用下，过冷液进入混合气体空间绝热膨胀，产生低温液和低温冷媒蒸汽；受冷凝压力和过冷液柱静压力的反向力及混合气体总压力作用，混合气体通过低温液传递压力，推动在高温热源产生的高温冷媒蒸汽对外做功，混合气体凝结出低温液；低温液受混合气体总压力作用进入低温热源，在混合气体总压力和低温液柱静压力组成的合力下吸收热量而显热升温，不发生相变；显热升温低温液受混合气体总压力和低温液柱静压力组成的合力作用进入高温热源，在混合气体总压力和低温液柱静压力组成的合力下吸热汽化，产生高温冷媒蒸汽；在混合气体总压力和低温液柱静压力组成的合力与冷凝压力的压差作用下，高温冷媒蒸汽以准平衡过程流动，对外做推动功后进入另一低温热源，在冷凝压力下排放热量冷却成为过冷液，并维持冷凝压力。本实施例设定混合气体总压力等于冷凝压力。选择合适的冷媒工质比体积，使低温液做推动功的体积变化量满足做功量的需求，以达到混合气体对外热功交换所需的做功量。利用液封特点，将辅助气体工质封存于低温热源的低温液面与混合气体空间入口之间。

气压-热力膨胀式循环方法第三个实施例：在由热力产生的过冷液液面压力与过冷液柱静压力之和大于混合气体总压力作用下，过冷液进入混合气体空间绝热膨胀，产生低温液和低温冷媒蒸汽；受过冷液液面压力和过冷液柱静压力或机械设置的反向力及混合气体总压力作用，混合气体直接推动低温液对外做功，混合气体凝结出低温液；低温液受混合气体总压力作用进入低温热源，在混合气体总压力和低温液柱静压力组成的合力下吸收热量而显热升温，不发生相变；显热升温低温液受混合气体总压力和低温液柱静压力组成的合力作用，对外做推动功后进入高温热源，在冷凝压力下吸热汽化产生高温冷媒蒸汽；在高温热源膨胀压力与冷凝压力的压差下，高温冷媒蒸汽以准平衡过程流动，进入另一低温热源，在冷凝压力下排放热量冷却成为过冷液，并维持冷凝压力。本实施例设定混合气体总压力大于冷凝压力。通过增大低温液的推动力，从而增大单位质量低温液的做功量，以达到混合气体对外热功交换所需的做功量。利用液封特点，将辅助气体工质封存于低温热源的低温液面与混合气体空间入口之间。

在图2所示实施例中，各部件冷媒工质出入口采用管道或直接密封连接，按水平高度由上至下顺序排列安装冷凝器6、单向阀7、进液阀8、低温液发生器1、出液阀2、低温换热器3、电磁阀9和集热器4；使低温液发生器1出口与出液阀2入口连接，出液阀2出口与低温换热器3入口连接，低温换热器3出口与电磁阀9入口连接，电磁阀9出口与集热器4入口连接，集热器4出口与热功交换机5入口连接，热功交换机5出口与冷凝器6入口连接，冷凝器6出口与单向阀7入口连接，单向阀7出口与进液阀8入口连接，进液阀8出口与低温液发生器1入口连接；系统内充注冷媒工质，从而组成密闭系统循环装置。根据低温液运行压力调整辅助气体工质分压力，使系统运行中低温液发生器1内混合气体总压力等于冷媒工质冷凝压力。循环装置投入运行时，首先开启电磁阀9，使低温换热器3内冷媒液进入集热器4吸热而建立运行压力；当运行压力等于或接近混合气体总压力时，出液阀2和进液阀8同时开启，循环装置进入运行状态。当循环装置停止运行时，关闭电磁阀9以保留低温换热器3内冷媒液；同时，出液阀2和进液阀8关闭，以维持低温液发生器1内冷媒工质处于低温或低压状态，便于下次投入运行以及对系统装置检修。单向阀7作用是防止辅助气体工质进入冷凝器。

Claims (13)

1.一种气压—热力膨胀式循环方法，在热力循环过程中，系统内冷媒工质经历一系列的状态变化，完成一周循环后重新回复到原来的初始状态，其特征是：

在压力作用下，过冷液进入混合气体空间绝热膨胀，产生低温液和低温冷媒蒸汽；

受反向力及混合气体总压力作用，混合气体推动冷媒工质对外做功，并凝结出低温液；

低温液受力的作用进入低温热源定压吸热而显热升温；

显热升温低温液受力的作用进入高温热源定压吸热产生高温冷媒蒸汽；

高温冷媒蒸汽在压力差作用下进入另一低温热源定压放热，冷却成为过冷液。

2.根据权利要求1所述的气压-热力膨胀式循环方法，其特征是：混合气体推动冷媒工质对外做功，应选择合适的冷媒工质比体积，也可通过增大冷媒工质比体积或推动力，以达到混合气体对外热功交换所需的做功量。

3.根据权利要求1所述的气压-热力膨胀式循环方法，其特征是：高温热源达到混合气体总压力或和低温液柱静压力组成的合力或冷凝压力所对应的冷媒工质饱和温度及以上时，系统进入循环运行状态。

4.根据权利要求2所述的气压-热力膨胀式循环方法，其特征是：混合气体对外热功交换，是通过热功转换机械将混合气体热能量转化为机械能向外输出。

5.根据权利要求1所述的气压-热力膨胀式循环方法，其特征是：混合气体空间是设有进出口的开口系统，其内贮存一定压力的辅助气体工质，以建立混合气体总压力；为过冷液提供足够的空间体积和低温或低压冷媒工质分压力环境绝热膨胀。

6.根据权利要求1或3或5所述的气压-热力膨胀式循环方法，其特征是：冷媒工质循环运行时，混合气体总压力大于或等于冷凝压力。

7.根据权利要求1所述的气压-热力膨胀式循环方法，其特征是：混合气体是由辅助气体工质和冷媒蒸汽工质组成。

8.根据权利要求1至3或5或7所述的气压-热力膨胀式循环方法，其特征是：辅助气体工质标准沸点低于冷媒工质标准沸点。

9.一种实施权利要求1的方法的装置，在循环系统中各部件出入口采用管道或直接密封连接，冷媒工质密封在循环系统内，其特征是：按水平高度由上至下顺序排列冷凝器、低温液发生器、低温换热器和集热器，各上下相邻的上方部件出口与下方部件入口连接；集热器出口与热功交换机入口连接，热功交换机出口与冷凝器入口连接。

10.根据权利要求9所述的一种实施权利要求1的方法的装置，其特征是：热功交换机是应用于冷媒工质循环系统中，按需转换热能量要求设计输出做功量的机械部件；其结构主要由有工质进出口的机体外壳内设置滑动配合的转动叶轮，叶轮转轴伸出机体外壳连接一定的机械负荷而组成。

11.根据权利要求9所述的一种实施权利要求1的方法的装置，其特征是：低温液发生器主要由隔热保温的钢性开口容器，贮存一定压力的辅助气体工质组成；其上方开口为入口，下方开口为出口。

12.根据权利要求9所述的一种实施权利要求1的方法的装置，其特征是：低温换热器是以液体显热吸收外界热量的换热设备。

13.根据权利要求9所述的一种实施权利要求1的方法的装置，其特征是：集热器可吸收任何方式产生的高于冷媒工质温度的热量，并具有对其内混合气体加热而分离辅助气体工质和冷媒蒸汽工质的结构特点。

Images