CN102859309A - 用于优化压缩和/或膨胀装置内的热传递的方法和装置 - Google Patents

用于优化压缩和/或膨胀装置内的热传递的方法和装置 Download PDF

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CN102859309A CN2010800629649A CN201080062964A CN102859309A CN 102859309 A CN102859309 A CN 102859309A CN 2010800629649 A CN2010800629649 A CN 2010800629649A CN 201080062964 A CN201080062964 A CN 201080062964A CN 102859309 A CN102859309 A CN 102859309A
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Abstract

本发明描述了用于优化在用于压缩和/或膨胀气体（诸如空气之类）的装置或系统内的热传递的系统、方法和装置。本文描述了例如用于优化空气压缩和膨胀能量存储系统内的热传递的系统、方法和装置。压缩机和/或膨胀机装置可以包括传热元件的各种实施例中的一个或更多个，传热元件可以布置在用于压缩和/或膨胀气体（诸如空气之类）的气缸或压力容器的内部中。装置可以包括用于移动气缸或压力容器内的流体（例如液体或气体）的液压和/或气压致动器。传热元件可以用于移除压缩和/或膨胀过程期间产生的热能。

Description

用于优化压缩和/或膨胀装置内的热传递的方法和装置
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年12月24日提交的题为“System and Methodsfor Optimizing Efficiency of a Hydraulically Actuated System”的美国临时专利申请No.61/290107的优先权和权益，该美国临时专利申请的公开内容特此通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及用于压缩和/或膨胀气体（诸如空气之类）的系统、装置和方法，并且特别地涉及在压缩和/或膨胀气体期间用来优化热传递的系统、装置和方法。
背景技术
可以例如在压缩空气能量存储系统内使用一些用于压缩和/或膨胀诸如空气之类的气体以及/或者用于加压和/或泵送诸如水之类的液体的已知装置、方法和系统。在一些压缩空气装置和系统中，液压致动器可以用来移动或压缩压力容器内的空气。例如，致动器可以移动压力容器内的液体，使得液体压缩压力容器中的空气。
这种用于压缩和/或膨胀气体以及/或者用于加压和/或泵送液体的已知装置和系统可以例如在压缩或膨胀过程期间改变气体的温度。例如，对气体加以压缩可以使热能从其潜在形式（latent form）转化成其感知形式（sensible form），从而增加气体的温度。可以在压缩过程期间使用各种热传递机构将热能从压缩气体移除。在一些已知装置和系统中，在压力容器内受到压缩的气体的热能也可以传递给用于压缩该气体的液体。
因此，在用于压缩和/或膨胀气体的装置和系统内在压缩和/或膨胀过程期间进行气体和液体之间的热传递的热传递装置和方法需要得以改进。
发明内容
本文描述了对用于压缩和/或膨胀气体（诸如空气之类）的装置或系统内的热传递加以优化的系统、方法和装置。在一些实施例中，压缩空气装置和/或系统可以包括能够用于对压力容器内的气体进行压缩的致动器（诸如液压致动器之类）。致动器可以被致动使液体移动到压力容器内，从而液体对气缸或压力容器内的气体进行压缩。在这种压缩机/膨胀机装置或系统中，热可以在压缩和/或膨胀过程期间传递给用于对空气进行压缩的液体。压缩机和/或膨胀机过程可以包括传热元件，该传热元件可以用来在压缩和/或膨胀过程期间在气体和液体之间传递热能。
附图说明
图1是根据一个实施例的压缩和/或膨胀系统的示意图。
图2A是侧视图，部分地示出了根据一个实施例的压缩和/或膨胀装置的一部分的剖面。
图2B是沿图2A中的线2B-2B截取的图2A的压缩和/或膨胀装置的剖视图。
图3A是侧视图，部分地示出了根据另一个实施例的压缩和/或膨胀装置的一部分的剖面。
图3B是沿图3A中的线3B-3B截取的图3A的压缩和/或膨胀装置的剖视图。
图4A是侧视图，部分地示出了根据另一个实施例的压缩和/或膨胀装置的一部分的剖面。
图4B是沿图4A中的线4B-4B截取的图4A的压缩和/或膨胀装置的剖视图。
图5A是侧视图，部分地示出了根据另一个实施例的、以第一构造示出的压缩和/或膨胀装置的一部分的剖面。
图5B是侧视图，部分地示出了以第二构造示出的图5A的压缩和/或膨胀装置的一部分的剖面。
图6A是侧视图，部分地示出了根据另一个实施例的、以第一构造示出的压缩和/或膨胀装置的一部分的剖面。
图6B是侧视图，部分地示出了以第二构造示出的图6A的压缩和/或膨胀装置的所述部分的剖面。
图7A是侧视图，部分地示出了根据另一个实施例、以第一构造示出的压缩和/或膨胀装置的一部分的剖面。
图7B是侧视图，部分地示出了以第二构造示出的图7A的压缩和/或膨胀装置的所述部分的剖面。
图8是侧视图，部分地示出了根据另一个实施例的压缩和/或膨胀装置的一部分的剖面。
图9是侧视图，部分地示出了根据另一个实施例的压缩和/或膨胀装置的一部分的剖面。
图10A是侧视图，部分地示出了根据另一个实施例的、以第一构造示出的压缩和/或膨胀装置的一部分的剖面。
图10B是侧视图，部分地示出了以第二构造示出的图10A的压缩和/或膨胀装置的所述部分的剖面。
图11A是侧视图，部分地示出了根据另一个实施例的、以第一构造示出的压缩和/或膨胀装置的一部分的剖面。
图11B是侧视图，部分地示出了以第二构造示出的图11A的压缩和/或膨胀装置的所述部分的剖面。
具体实施方式
在此描述了用于对气体（诸如空气之类）进行压缩和/或膨胀，以及/或者用于对液体（诸如水之类）加压和/或进行泵送的系统、方法和装置。这种装置和系统可以例如用在压缩空气能量存储（CAES）系统内。在一些压缩和/或膨胀装置和系统中，液压致动器可以被用来移动压力容器内的气体或对其进行压缩。例如，致动器可以移动压力容器内的液体，使得液体对压力容器中的气体进行压缩。标题为“Compressor and/or Expander Device”的美国专利申请No.12/785086；美国专利申请No.12/785093；和美国专利申请No.12/785100（总体称为“压缩机和/或膨胀机装置申请”）中描述了这种压缩装置和系统，这些申请通过引用而被整体并入此文。压缩机和/或膨胀机装置申请描述了一种CAES系统，该CAES系统可以包括多个阶段的压缩和/或膨胀。标题为“System and Methods for Optimizingefficiency of a Hydraulically Actuated System”的Aborn等人的美国临时专利申请No.61/290107（“Aborn的申请”）中描述了用于对气体进行膨胀和/或压缩的装置和系统的其它示例，该美国临时专利申请的公开内容通过引用而被整体并入本文。
在一些压缩和/或膨胀装置和系统中，可以将活塞以可移动的方式布置在气缸或压力容器内，并且可以将该活塞致动以对气缸或压力容器内的气体进行压缩。这种装置可以包括单作用（single-acting）活塞或者双作用（double-acting）活塞，单作用活塞被构造成沿单个方向运动时对气体进行压缩，而双作用活塞被构造成沿任一方向运动时对气体进行压缩。Ingersoll等人的标题为“Compressor and/or ExpanderDevice with Rolling Piston Seal”的美国专利申请No.61/420505（“Ingersoll的申请”）中描述了这种压缩空气装置和系统的示例，该美国专利申请的公开内容通过引用被整体并入本文。
在一些实施例中，本文所描述的装置和系统可以被构造成仅用作压缩机。例如，在一些实施例中，本文所描述的压缩机装置可以用作天然气管路中的压缩机、天然气存储压缩机、或需要对气体加以压缩的任何其它工业应用场合。在另一个示例中，本文所描述的压缩机装置可以用来对二氧化碳进行压缩。例如，可以在用于增强型油回收或者用于碳封存（carbon sequestration）的过程中对二氧化碳进行压缩。
在一些实施例中，本文所描述的装置和系统可以被构造成仅用作膨胀装置。例如，本文所描述的膨胀装置可以用来发电。在一些实施例中，本文所描述的膨胀装置可以用在天然气输配系统中。例如，在高压（例如500psi）输送系统和低压（例如50psi）分配系统的交叉点，压力可以从高压逐步降至低压而释放能量。本文所描述的膨胀装置可以利用压降来发电。在其它实施例中，本文所描述的膨胀装置可以用在其它气体系统中，以便从高压至低压的调节过程中获取能量。
在一些实施例中，本文所描述的压缩和/或膨胀装置可以用在空气分离单元中。在一个示例性应用场合中，在空气分离器中，压缩和/或膨胀装置可用于气体液化过程。例如，空气可以被压缩直至液化，而空气的各种成分可以基于其不同的沸点而分离。在另一个示例性应用场合中，压缩和/或膨胀装置可以用在共同位于钢厂内的空气分离器中，在此处，与空气的其它成分分离的氧气被添加到鼓风炉以增加燃烧温度。
压缩和/或膨胀系统可以具有多种不同的构造，并且可以包括一个或更多个用于对压缩/膨胀装置内的气体（例如空气）进行压缩/膨胀的致动器。在一些实施例中，致动器可以包括一个或更多个泵系统，诸如例如一个或更多个液压泵和/或一个或更多个气压泵之类，其可以用来在各种水泵和压力容器之间移动系统内的一种或更多种流体。如本文所使用地，“流体”可以意指液体、气体、蒸汽、悬浮液、气溶胶、或其任何组合。以上通过引用并入的多个压缩机和/或膨胀机装置申请描述了各种能量压缩和膨胀系统，而本文所描述的系统和方法可以在这些系统中采用。
如本文所描述地，用于对气体（诸如空气之类）进行压缩和/或膨胀，并且/或者用于对液体（诸如水之类）加压和/或泵送的装置和系统可以在例如压缩过程期间释放和/或吸收热。本文所描述的装置和系统可以包括一个或更多个热传递机构以在压缩过程期间移除热。在一些实施例中，传热元件可以如所描述地用在例如被并入本文的压缩机和/或膨胀机装置申请和/或Ingersoll的申请中。在CAES系统中的膨胀过程期间，当压缩空气从存储结构释放并通过压缩机/膨胀机系统膨胀时，来自热源的热可以被添加到空气中以增加在膨胀过程期间产生的动力。在一些实施例中，热源的温度可以相对地低（例如，在例如大约10℃和大约50℃之间）。
在一些实施例中，传热元件可以位于在压缩机/膨胀机装置的压力容器内部中，以增加压力容器内与气体直接或间接接触的表面积量，从而增进热传递。传热元件可以构造成使热必须穿过空气以达到传热元件的距离最小化，诸如具有1/8英寸的最大距离和其它距离。传热元件可以（通过气体/液体交界面面积和/或气体/传热元件交界面）提供与受压缩中的气体和与发生膨胀中的气体进行热传递的、增大的热传递面积，同时允许优化压力容器的外部结构以及总体形状和尺寸，以满足其它考虑因素（诸如，压力极限值和/或运输尺寸限制条件）。在一些实施例中，传热元件可以是热容，其吸收和保持从受压缩中的气体释放的热，然后在后来将热释放给气体或液体。在一些实施例中，传热元件可以是热传递装置，该热传递装置从受压缩中的气体吸收热，然后帮助将热传递到压力容器外部。
在一些实施例中，可以经由在压缩机/膨胀机装置的一个或更多个压力容器中的液体在压缩期间从气体移除热能，以便将受压缩中的气体维持在相对恒定的温度。热能可以从气体传递给液体并且/或者压缩机和/或膨胀机装置直至布置在压力容器内的传热元件。在气体被供给压缩机/膨胀机装置之后，热能从气体移除，即，压缩气体保持比没有传热元件时更冷，并且可以被实现到气体的温度维持相对恒定的程度。气体的温度可以被维持在例如大约5℃、10℃、20℃、30℃或其它可期望的温度，直到被排出到例如压缩空气存储结构或下一个压缩阶段。如果存储结构自然地处于较高（或较低）温度，存储在存储结构中的气体可以通过传导性和/或对流性热传递被自然地加热（或冷却）。例如，在一些情况中，存储结构可以是地下结构，诸如构建在用于存储压缩空气的盐丘中的盐穴之类。在一些实施例中，传热元件可以被设计成使得气体的温度没有维持相对地恒定，而是增加了相对小的量，例如5℃、10℃、20℃、30℃。
如上文所讨论地，热可以在膨胀过程期间被添加到气体。例如，热可以在多阶段压缩/膨胀系统的一些或所有阶段被添加到气体，以在整个膨胀过程期间将气体温度保持在基本上恒定的温度，诸如在大约35℃或其它温度。气体在膨胀期间的总体温度变化可以通过与大幅度的热传递表面（例如，传热元件）接触而加以限制。
如上文所讨论地，热可以从气体传递和/或传递给气体，该气体通过压力容器内的液体（例如，水）进行压缩和/或膨胀。在压力容器中，在压缩和/或膨胀过程期间，气体/液体或气体/热元件的交界面可以移动和/或改变形状。这种运动和/或形状的改变可以为压缩机/膨胀机装置提供热传递表面，该热传递表面可以与进行压缩和/或膨胀操作的压力容器的内部区域的形状变化相适应。在一些实施例中，液体可以允许在压缩操作之后留在压力容器中的气体体积被近乎消除或完全消除（即，零余隙体积）。
与气体（诸如空气之类）相比，液体（诸如水之类）可以具有相对高的热容，因此，从气体传递一定量的热能到液体避免了气体温度的显著增加，且仅仅引起液体温度的适度增加。这对系统产生缓冲，使其免受大幅度的温度变化。换句话说，这种关系产生抵抗相当大的温度变化的系统。在气体和液体，或容器自身的部件之间传递的热可以通过一个或更多个过程从压力容器移动或移动到压力容器。在一些实施例中，可以利用压缩液体自身的质量传递使热进入或离开压力容器。在其它实施例中，可以利用将热传递到压缩液体中或使其离开压缩液体的热交换方法使热进入或离开压力容器，而不从压力容器移除压缩液体。这种热交换器可以与压缩液体、压缩容器的部件、传热元件或其任何组合有热接触。此外，热交换器也可以使用质量传递来将热移入或移出压力容器。可用于实现此热传递的一种热交换器是如以上通过引用并入的压缩机和/或膨胀机装置申请和Aborn的申请中所描述的热管。因此，压力容器内的液体可用来传递来自压缩气体的热（或将热传递给膨胀气体），并且还可以与热交换器结合地起作用以将热传递给外部环境（或传递来自外部环境的热）。
在一些实施例中，可以从压力容器中的压缩气体（诸如空气）传递热以增加压缩过程的效率。热可以从气体传递给液体，和/或从气体传递给压缩容器内的传热元件，和/或当压缩液体在压力容器内或外时从压缩液体传递。从受压缩中的气体体积传递的热量取决于从气体传递热的速率和进行热传递的时间，即进行气体压缩的循环时间。因此，对于系统所能实现的给定速率的热传递，系统操作越慢（即，压缩循环时间越长），压缩循环可以更接近等温压缩。然而，较慢的压缩循环时间也与较低的气体体积流率和/或气体质量流率相关联。在CAES系统的情况中，这等同于较低能量存储速率（等同地已知为较低功率（lower power））。相反地，在气体膨胀过程中，系统操作越慢，（在给定热传递速率下）更多的热能就可以被传递给膨胀中的气体，并且膨胀循环就可以更加接近等温膨胀，相对于所提取的/所转化的能量而言，这会对应于更有效的空气质量消耗。然而，在CAES系统的情况中，生成的较低膨胀气体流率会等同于较低功率生产。
利用液体（例如水）作为介质使热在压缩和/或膨胀期间（通过气体和液体之间的接触直接地或通过中间材料间接地）经其穿过，可以允许在提高的热传递速率下进行连续冷却或加热，并且可以提供让热能够移入和/或移出压力容器的机构。就是说，在压缩期间，液体可以从受压缩中的气体接收热，并且在气体正受到压缩的同时和在气体正被压力容器接收以用于后续压缩的同时将热从压力容器源源不断地传递给外部环境。类似地，当压缩机/膨胀机装置在膨胀模式下操作时，可以在膨胀期间和在膨胀气体自压力容器传送时添加热。
在一些实施例中，传热元件可以布置在压力容器内，该压力容器所能提供的气体/液体交界面以及热容足以在从压缩气体传递热到液体中时有效地起媒介作用。传热元件可以具有多种不同构造、形状、尺寸、结构等，从而在空气正受到压缩时和/或在压缩循环的冲程结束时为空气提供相对高的每单位体积或质量表面积。传热元件可以由多种不同材料的一种或更多种形成，所述材料提供比空气相对高的体积比热。密度、体积和比热的组合效应，以及这些参数如何在每单位体积起作用能够造就特定传热元件的吸收性能。例如，与特别是处于大气密度的空气相比，水和各种金属提供相对高的体积比热。因此，当金属或水从受压缩中的空气吸收热时，空气和/或水的温度仅仅适度地增加。
例如，空气、水和不锈钢（可以使用的一种示例金属）的质量比热值可以如下：
空气：1005J/kg-K;
水：4183J/kg-K；和
不锈钢：502J/kg-K。
由于特定材料的比热会取决于诸如例如材料温度之类的其它因素，上述数值仅是空气、水和不锈钢的质量比热值的一个示例。每单位体积的材料的热吸收能力与材料的密度和材料的质量比热有关。材料的密度也可以取决于材料的温度。空气、水和不锈钢的可能材料密度的示例如下：
空气：1.2kg/m3（在海平面压力下，20℃时）；
水：998kg/m3；和
不锈钢：8027kg/m3。
通过将质量比热和密度进行组合，空气、水和不锈钢的每单位体积的热吸收性能（其也可以称为热容）可以被确定为如下：
空气：1005J/kg-K×1.2kg/m3=1206J/m3-K（在海平面压力下，20℃时）；
水：4183×998kg/m3=4174634J/m3-K；和
不锈钢：502J/kg-K×8027kg/m3=4029554J/m3-K。
在上述示例中，相对于水和不锈钢，空气具有相对小的体积比热。空气对金属交界面的高的吸热性能可以提供一种利用金属作为（在空气和水之间的）中间吸收机构的压缩机/膨胀装置，这种中间吸收机构比直接的空气对水吸收机构的吸收程度更大。
应当理解，由于空气、水和不锈钢的密度和比热值会根据例如温度、压力和材料等级的其它因素发生变化，上文讨论的热吸收性能（例如热容）的计算仅仅是一个示例。例如，空气的密度及其热容与（给定温度下的）压力近似线性地成比例，使得上述数值在10bar压力下高上10倍，并且在100bar压力下高上100倍。类似地，空气的密度和热容与（给定压力下的）温度近似线性地成反比。因此，空气在586K（313℃）时的密度和热容值大约为空气在293K（20℃）时的密度和热容值的一半。然而，即使在本文所述压缩机/膨胀机装置所能产生的空气压力范围的较高端值，空气的热容也比水或不锈钢低一或两个数量级。此外，其它材料可用于传热元件，诸如例如钨和钛之类。钨可以具有例如19300kg/m3的密度和132J/kg-K的比热来提供2548000J/m3-K的每单位体积热吸收性能。钛可以具有例如4510kg/m3的密度和520J/kg-K的比热以提供2345200J/m3-K的每单位体积热吸收性能（或热容）。与不锈钢一样，密度和比重会根据例如温度、压力和材料的特定等级而变化。
在使用金属传热元件的实施例中，金属所吸收的热可以被传递给系统中的液体（例如水），再如前所述地可以通过诸如热交换器（例如，热管或其它机构）之类的其它方法传递出压力容器。
图1示意性地示出了根据一个实施例的压缩和/或膨胀装置（本文还称之为“压缩/膨胀装置”）的一部分。压缩/膨胀装置100可以包括：一个或更多个具有工作腔室140的压力容器120（本文还称之为“气缸”）；致动器122，该致动器能够改变工作腔室140的容积和/或工作腔室140的能被气体占据的那部分容积（所述容积减小以对气体进行压缩，所述容积增加以使气体膨胀）；和一个或更多个布置在工作腔室140内的传热元件124。压缩/膨胀装置100可以例如用来压缩或膨胀工作腔室140内的气体（诸如空气之类）。压缩/膨胀装置100可以例如用在CAES系统中。
压力容器120可以包括一个或更多个与工作腔室140流体连通的气体入口/出口导管130。可选地，压力容器120可以包括一个或更多个与工作腔室140流体连通的液体入口/出口导管128。在压缩和/或膨胀循环期间的多个时间段，工作腔室140可以含有一定体积的气体（例如空气），该气体可以经由入口/出口导管130通入通出工作腔室140，并且可选地，工作腔室也可以含有一定体积的液体（例如水），该液体可以经由入口/出口导管128通入通出工作腔室140。压缩/膨胀装置100也可以包括与入口/出口导管128、130和/或压力容器120连接的多个阀（图1未示出）。这些阀可以被构造用于操作性地打开和关闭与工作腔室140的流体连通。以上通过引用并入的压缩机和/或膨胀机装置申请中更详细地描述了这种阀的使用示例。
致动器122可以是用于选择性地改变工作腔室140的容积和/或工作腔室的能被气体占据的那部分容积的任何合适的机构。例如，工作腔室140可以由气缸和被布置用来在气缸内进行往复式移动的活塞（图1未示出）的表面来限定。活塞沿一个方向的运动将减小工作腔室140的容积，从而对含在工作腔室140中的气体进行压缩，而活塞沿另一方向的运动将增加工作腔室140的容积，从而使含在工作腔室140中的气体膨胀。因此，致动器可以是活塞以及用于使活塞在气缸内运动的合适装置，诸如气压或液压致动器（诸如例如在以上通过引用并入的Aborn的申请中所描述的液压致动器）之类。
在一些实施例中，工作腔室可以具有固定容积，即具有由边界固定的室限定的容积，并且工作腔室140的能被气体占据的那部分容积可以通过将液体引入工作腔室140或者将液体从工作腔室140移除而改变。因此，工作腔室140的容积具有含有一定体积的液体的第一部分和可含有气体的第二部分，气体体积为工作腔室140的总容积减去第一部分的容积（液体体积）。在这种实施例中，致动器122可以是用来将液体引入工作腔室或将液体从工作腔室移除的任何合适装置，诸如能够通过液体入口/出口导管128使液体移入移出工作腔室140的液压致动器之类。在这种实施例中，致动器122可以包括水泵（未示出），该水泵驱动布置在一壳体（未示出）内的液压驱动式活塞（未示出），并可被一个或更多个液压泵（未示出）驱动以将一定体积的液体移入移出工作腔室140。这种液压致动器的示例在以上通过引用并入的压缩机和/或膨胀机装置申请中得以描述。
在一些实施例中，工作腔室可以被构造成对上述技术加以组合，即可以例如利用如上所述的气缸和活塞使工作腔室的容积可变，并且能被气体占据的那部分可变容积可以通过将液体引入工作腔室或将液体从工作腔室移除而改变。在另一个实施例中，可以在整个或者部分压缩循环期间维持容积可变的工作腔室中的液体体积不变。
传热元件124可以具有各种不同的构造、形状、尺寸、结构等，以便当气体（例如空气）在工作腔室140内被压缩或膨胀时提供可以与气体接触的相对高的每单位体积或质量表面积。在一些实施例中，可期望的是包括一种传热元件124，形成这种传热元件的材料能够在工作腔室140内在横向方向和纵向方向上提供高的热传导性。传热元件124可以由各种不同材料的一种或更多种形成。例如，传热元件124可以由具有防腐蚀性能、重量轻且比一些金属材料廉价的复合材料（例如碳聚合物化合物）、纳米材料、碳纤维、混合丝（hybrid wire）、金属丝、和金属（例如不锈钢）形成。
传热元件124可以布置在工作腔室140内的各个位置，以便优化压力容器120内的热传递。例如，在一些实施例中，传热元件124可以布置在工作腔室140内，靠近工作腔室140在压缩循环终点附近由气体（例如，空气）占据的部分中的端部部分。当气体在压缩循环期间受到压缩时，对气体做的功添加热能到气体。热能被连续地传递（主要通过传导性和/或对流性热传递而不是辐射性热传递）给传热元件124。这种传递使气体温度维持在相比没有传热元件124的情况下更低的值，并且使传热元件124的温度适度地增加。
如上文所描述地，在一些实施例中，工作腔室140可以含有液体，并且/或者工作腔室140的可用于包含气体的部分可以利用致动器122将液体（诸如水之类）移入移出工作腔室而改变，从而通过液体对工作腔室140内的气体（诸如空气之类）进行压缩。在这种实施例中，根据用液体填充工作腔室140的速率以及传热元件124的传热递性能，气体和传热元件124将会相对地更接近或更远离热平衡，并由此在部分或整个压缩循环期间可以使工作腔室140中的液体接触传热元件124，以便从传热元件124接收该元件从压缩气体接收的热能。可选地，在压缩循环结束时，留在工作腔室140中的任何加压气体可以从工作腔室140得到释放，并且被传递到压缩过程中的下一步骤或阶段，或者被传递到存储设施。然后，液体可以被移入工作腔室140，以便通过引入更多液体和/或通过减小工作腔室的容积（例如通过移动活塞）来基本上填充由压缩后从工作腔室140释放的气体占据的容积（该容积现填充有处于较低压力下的气体）。然后，可以将存储在传热元件124中的热能（再次地通过传导性和/或对流性传递）传递给工作腔室140中的水。
在一些实施例中，传热元件124可以布置在工作腔室140的相当大的部分内，使得当液体填充工作腔室140容积的逐渐变大的部分并对工作腔室140内的空气进行压缩时，空气和水可以通过、沿着和/或越过传热元件124流动。在这种实施例中，传热元件124可以自压缩循环的起点与空气和水二者接触，并随着循环进展而逐渐变少地暴露至空气，并逐渐变多地暴露至水。
在一些实施例中，传热元件124的密度可以在该传热元件内随空间变化，从而可以定制热传递。例如，在一些实施例中，传热元件124可以如上所述地布置在压力容器120的相当大的部分内，并具有从传热元件124的底部到顶部变化的密度。例如，传热元件124的密度可以随空气从压缩循环的起点移动到压缩循环的终点而增大。换句话说，传热元件124在空气布置在压缩循环终点附近的地方比在空气布置在压缩循环起点的地方更密。可以通过改变传热元件的组成成分（即，使用密度不同的材料）和/或通过改变每单位体积的热传递材料数量（例如通过使诸如杆、管、丝等的传热元件的离散部件更加紧密地聚集）来改变密度。
在一些实施例中，可以将传热元件124设计成使工作腔室140中的要被压缩的气体量（quantity）最大化。因此，对于任何给定尺寸的压力容器120，增加可被压缩的气体的质量会增加该装置的功率密度（power density）。当传热元件124的密度（例如，每单位体积的热传递材料数量）增加时，工作腔室140中的可用于要被压缩的气体的质量的剩余容积减小。虽然传热元件124的增加的密度改善了从受压缩中的气体到传热元件124的热能传递，但是对于每次压缩循环，受压缩中的气体的体积减小。换句话说，对于任何给定的压力容器120，工作腔室140的由传热元件124占据的容积直接减小了可被压缩的气体的质量。此外，减小传热元件124的尺寸可以降低资本设备成本（例如通过节省材料来实现）和操作成本（例如降低了致动器所移动的设备的总重量）。因此，在一些实施例中，可以将传热元件124设计成使得传热元件的表面积足以移除由压缩气体而产生的热能，同时使工作腔室140的由传热元件124占据的容积最小化，从而使工作腔室140中的用于要被压缩的气体的容积最大化。在一些实施例中，多个传递元件124能够相对彼此移动，使得传热元件124在工作腔室140给定部分中的密度可以在整个压缩/膨胀循环期间进行变化，从而使热传递表面积最大化和使传热元件体积124最小化。
在一些实施例中，工作腔室140可以部分地填充有液体（例如水），该液体可以分别经由入口导管128和出口导管130或经由其它导管（未示出）通入通出工作腔室140。在压缩循环期间，在压缩过程期间产生的热能可以从气体传递到传热元件124，然后传递给液体。然后，受热液体的体积可以经由出口导管130或经由分离的液体排放导管（未示出）从压力容器120排出。如上文对传热元件124所描述地，占据一部分工作腔室140的液体体积减小了工作腔室140的可用于要被压缩的气体的质量的剩余容积。换句话说，虽然工作腔室140中的液体提供了一种能够将压缩气体所产生的热能从压力容器120移除的机构（即，通过首先冷浸传热元件124以将热能传递给液体，然后将受热液体排出压力容器120），但是液体和传热元件都占据了一部分工作腔室140，由此减小了可被压缩的气体的质量。在一些实施例中，工作腔室140中的一定体积的液体和传热元件能够被设计用于移除在压缩过程期间产生的足够量的热能，并同时使工作腔室140中的要被压缩的气体量最大化。例如，设置多个能够相对彼此移动的传热元件124，使得布置在含有气体的工作腔室的部分中的传热元件124的密度可以在整个压缩循环期间发生变化，从而可以减小用来冷浸传热元件124的液体体积。
在一些实施例中，可以使用两个以上的传热元件124。例如，在这种实施例中，可以使用两个以上同一类型的传热元件124，或者可以使用不同类型或构造的传热元件124的组合。此外，在给定的压缩/膨胀装置100内，可以在系统的一个或者更多个工作腔室140中使用传热元件124的一种或更多种相同或不同组合。在一些实施例中，可以在工作腔室140内布置一个或更多个传热元件124，从而传热元件的密度在压力容器120内变化。
在一些实施例中，传热元件124可以包括彼此同心地套置的多个管状构件。同心的管状构件可以沿竖直方向（即，近似垂直于工作腔室140中所含液体表面方向）放置在工作腔室140的内部内，使得空气在压缩循环期间在工作腔室140中移动时能够流动穿过同心的管状构件产生的环形空间。在一些实施例中，同心的管状构件可以具有沿其长度变化的直径。例如，同心的管状构件可以具有锥形形状、沙漏形状、或一些其它合适形状。
在一些实施例中，传热元件124可以包括多个伸长构件（其可以是实心的和/或管状的），这些伸长构件在工作腔室140内布置成束并且沿竖直方向取向。当空气在压缩循环期间在压力容器120中流动时，空气可以在伸长构件之间流动或流动穿过伸长构件（例如在管状伸长构件的情况下）。在一些实施例中，管状伸长构件和/或实心伸长构件可以具有沿其长度变化的直径。例如，管状构件或伸长构件可以具有锥形形状、沙漏形状、或一些其它合适形状。在一些实施例中，可以优化伸长构件的束以将其间隔开，并且该间隔可以例如沿伸长构件的长度或高度变化。
在一些实施例中，传热元件124可以包括金属镶嵌（tessellating）板或金属板堆叠体。这些板可以例如是平面的或弯曲的、多孔板、或网筛（mesh screen）。在一些实施例中，这些板可以相对彼此滑动，从而随冲程进展调整每空气单位体积的热传递表面积。基于镶嵌板的传热元件124的这种实施例对于实现较小的或更紧凑的压力容器120来说可能是有价值的。例如，在减小其中布置有传热元件124的气体体积的压缩冲程期间，传热元件124可以通过镶嵌聚集成在体积上紧凑的形式。可以将这种聚集（packing）设计成与压缩冲程一致地进行。在膨胀冲程期间，传热元件124可以展开（unpack），从而与膨胀冲程一致地在体积上膨胀。该板可以通过与工作腔室140的移动边界（例如活塞表面）接合和/或通过工作腔室140内含有的液体（例如在板漂浮着的情况下），和/或通过致动器来运动或移位。
在一些实施例中，传热元件124可以包括一个或更多个金属盘管。例如，传热元件124可以包括具有堆叠式盘管、圆锥形螺旋式盘管、或类似于
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的柔性螺旋形盘管的形式的结构。这种实施例可以具有类似于上文描述的镶嵌板实施例的效果，其中盘管上各个位置之间的相对运动允许传热元件124在循环（例如压缩或膨胀循环）中在轴向尺寸上伸长或缩短，从而在更小的封闭体积内提供与刚性设计相同的热传递表面积，同时适应工作腔室140的对应尺寸的变化（此变化例如随着界定出工作腔室140的一个端部的活塞的移动而发生）。
在一些实施例中，传热元件124可以包括类似于抹布或海绵的可吸收液体的结构和/或一个或更多个纤维元件和/或一个或更多个织物元件。这种传热元件124可以例如用于那些工作腔室中含有液体的实施例（例如，其中工作腔室140的可用于被气体占据的那部分容积能够通过将液体引入工作腔室140中或将液体从工作腔室140移除而改变）。传热元件可以将液体沿传热元件的长度芯吸到与工作腔室中的空气接触，并且/或者一旦与液体直接接触而润湿后就可以将液体例如以薄膜或液滴的形式保持在传热元件的表面上。在传热元件124的这种实施例中，传热元件上的液体提供了能够促进对织物和/或纤维元件的热传递的气体对液体交界面。
在一些实施例中，传热元件124可以设有纤维形式材料的三维网结构。这种纤维可以将液体或液体液滴保持在空间分布图形中，这种空间分布图形所能产生的气体对液体几何形状可以有利地促进热能在空气和液体之间迅速流动。该纤维也可包括提高纤维结构的液体粘附性能的表面处理和/或表面涂层（例如亲水材料的表面涂层）。在一些这种实施例中，三维纤维网络可以使空气在工作腔室140内所有或基本上所有的位置而不仅仅是在液体和空气的交界面（即液体的表面）与过程液体紧密接触。以这种方式，可以从空气到过程液体（例如水）中直接进行热传递。
在一些实施例中，传热元件124可以是静止不动的，在压缩循环期间，它基本上维持在工作腔室140内的固定位置中。在一些实施例中，传热元件124能够是可移动的或动态的，在压缩和/或膨胀循环期间，它能够在工作腔室140内移动。在一些实施例中，传热元件124能够在工作腔室140内折拢（collapse）和展开。例如，上文所描述的金属盘管的堆叠体或镶嵌板的堆叠体可以被构造成在工作腔室140内折拢和展开。在压缩和膨胀装置使用活塞来改变工作腔室140的容积的那些实施例中，传热元件124可以例如通过与活塞表面接合而随着活塞的冲程运动。在一些实施例中，传热元件124可以沿纵向方向和/或竖直方向运动（例如折拢和展开）。在一些实施例中，传热元件124可以沿径向方向运动（例如折拢和展开）。
从气体传递给传热元件124的热能可以转而通过任何合适装置（包括热管、循环流体等）传递到压力容器120之外的某一位置，在该位置它可以被消散、被用于其它过程、和/或被存储起来以便将来用于压缩/膨胀装置（例如在膨胀循环中）。另外地或备选地，从气体传递给传热元件124的热能可以从传热元件124传递给工作腔室140中含有的流体。然后，热能可以从流体传递到压力容器之外。可以例如在膨胀循环期间利用类似技术将热能从压力容器外部传递给传热元件124并从那里传递给工作腔室中的气体。
图2A和2B示出根据另一个实施例的压缩/膨胀装置。压缩/膨胀装置200包括压力容器220、被包含在压力容器内的工作腔室240、与压力容器220连接的致动器222和布置在工作腔室240内的传热元件224。压缩/膨胀装置200可以例如用于在压力容器220内对诸如空气之类的气体进行压缩并且/或者用于加压和/或泵送诸如水之类的液体。压缩/膨胀装置200也可以用于诸如压缩空气能量存储系统之类的压缩和膨胀系统。
压缩/膨胀装置200也包括入口导管228（也称为“入口”）和出口导管230（也称为“出口”），每个导管都与工作腔室240流体连通，并被构造成将液体分别通入通出工作腔室240，和通入通出致动器222。压缩/膨胀装置200还包括入口导管232和出口导管234，每个导管都与工作腔室240流体连通。入口232被构造用于将气体（例如空气）引入到工作腔室240中，而出口234被构造用于将气体从压力容器220移除。如之前所述地，压缩/膨胀装置200也可以包括多个阀236，这些阀与入口228、232和出口230、234连接，并且/或者与压力容器220连接。所述阀可以被构造用于操作性地打开和关闭进出工作腔室240的流体连通。
如在上文针对致动器122所描述地，致动器222可以例如是气压或液压致动器，该致动器分别经由入口228和出口230将液体移入移出工作腔室240。例如，致动器222可以包括水泵（未示出），该水泵驱动布置在一壳体（未示出）内的液压驱动式活塞（未示出），并可被或更多个液压泵（未示出）驱动以将液体移入移出工作腔室240。例如，可经入口228将一定体积的液体移入工作腔室240，使工作腔室240内的能够将一定量的气体包含在工作腔室240中的容积减小，从而对气体进行压缩，使气体能够经出口234从工作腔室240排出。当压缩气体离开压力容器220之后，由于一定量的气体经入口232引入到工作腔室240中，液体可以经出口230移出工作腔室240。可以重复这个过程，以便交替地泵送液体和气体进入离开压力容器。
如上文所描述地，通过对工作腔室240内含有的气体进行压缩在压缩循环期间产生热能。在压缩过程期间，一些热能可以从气体传递给被引入工作腔室240的液体。一些热能也可以从气体传递给传热元件224。
在这个实施例中，传热元件224包括多个伸长构件238，该多个伸长构件布置成束并且在工作腔室240内竖直地延伸。伸长构件238可以用绳或带250连接在一起，所述绳或带通过合适的连接机构252（例如螺栓连接到压力容器220的壁上的支架或夹具）连接到压力容器220的壁。在液体通过入口228流入工作腔室240时，液体可以在伸长构件232之间流动并且对布置在工作腔室240内的气体（例如空气）进行压缩，直到压缩空气离开出口234。因此，在压缩循环期间产生的热能可以从气体传递给液体和/或传热元件224的伸长构件238。
在备选实施例中，可以利用不同连接方法将伸长构件238的束与压力容器连接，并且/或者伸长构件可以被连接在与图2A和图2B所示位置不同的位置。在一些实施例中，伸长构件238的长度能够使其延伸到工作腔室240的底表面和/或工作腔室240的顶表面。另外，虽然伸长构件238在上文的示例中被示出为实心的，但应当理解，传热元件224可以备选地包括管状的伸长构件（例如具有内腔）。在这种备选实施例中，空气和液体可以在伸长构件之间流动并且流动穿过伸长构件的腔。
图3A和图3B示出根据另一个实施例的压缩/膨胀装置。压缩/膨胀装置300包括压力容器320、与压力容器320连接的致动器322和布置在压力容器320的工作腔室340内的传热元件324。
压缩/膨胀装置300还包括入口导管328和出口导管330，每个导管都与工作腔室340流体连通，并且被构造用于将液体分别通入通出工作腔室340，和通入通出致动器322。压缩/膨胀装置300还包括入口导管332和出口导管334，每个导管都与工作腔室340流体连通。入口332被构造用于将气体（例如空气）引入到压力容器320中，而出口334被构造用于将气体从压力容器320移除。如前所述，压缩/膨胀装置300还可以包括多个阀336，这些阀与到入口328、332和出口330、334连接，并且/或者与压力容器320连接。
致动器322可以在结构和功能上与致动器222相同或相似，并且可以被致动以分别经由入口328和出口330将液体移入移出工作腔室340。
如前所述，传热元件324可以用来在压缩循环期间从工作腔室340内的空气移出热能。在这个实施例中，传热元件324包括三维的网或网丝结构。如上所述，这种传热元件324可以将液体或液体液滴保持在空间分布图形中，这种空间分布图形所能产生的空气对液体几何形状可以有利地促进热能在空气和液体之间迅速流动。此外，虽然不是必须的，但在这个实施例中，传热元件324的密度沿着液体被添加到工作腔室340时的液体表面运动方向变化。例如，在这个实施例中，传热元件324包括四个部分342、344、346和348，该四个部分在工作腔室340中各具有不同的密度，即每单位体积的纤维或丝线量不同。靠近压缩循环起点的部分342的密度最低，而靠近压缩循环终点的部分348的密度最高。从部分342到部分348的密度的增加有助于补偿随着液体表面上升而减小的暴露至气体的传热元件的轴向长度——相比传热元件324的密度较低部分而言，每单位长度的表面积越大，允许从空气传递给传热元件324的热更多。
图4A和4B示出压缩/膨胀装置的另一个实施例。压缩/膨胀装置400包括压力容器420和与压力容器420连接的致动器422。压力容器420和致动器422可以在结构和功能上分别与压力容器220和320以及致动器222和322相同或相似，因此在这个实施例中将不再详细描述。压缩/膨胀装置400还包括布置在压力容器420的工作腔室440内的传热元件424。与前述实施例的情况一样，压缩/膨胀装置400可以用于对压力容器420内的气体（诸如空气之类）进行压缩，并且/或者用于加压和/或泵送液体（诸如水之类）。压缩/膨胀装置400也可以用于诸如压缩空气能量存储系统之类的压缩和膨胀系统。
在这个实施例中，传热元件424包括彼此同心地套置的多个管状构件438。同心的管状构件438可以例如用一个或更多个支柱450与压力容器420的壁连接。同心的管状构件438沿竖直方向布置在工作腔室440内部中，使得气体和/或液体可以在压缩循环期间在通过压力容器420时流动穿过同心的管状构件438产生的环形空间。在一些实施例中，同心的管状构件438可以具有沿其长度变化的直径。例如，在备选实施例中，压缩/膨胀装置400可以包括以锥形渐缩的同心的管状构件438。在一些实施例中，管状构件438可以具有变化的长度，例如，一些管状构件438以工作腔室440的整个长度延伸，而其它管状元件仅仅从工作腔室440的顶部向下延伸一段长度。由此产生的传热元件424在液体表面上方（即，与气体接触）的部分的每单位长度总表面积随着液体表面上升而增加（即，传热元件424上端部的密度比其下端部高）。
图5A和图5B示出压缩/膨胀装置的另一个实施例。压缩/膨胀装置500包括压力容器520和与压力容器520连接的致动器522。压缩/膨胀装置500还包括布置在压力容器520的工作腔室540内的传热元件524。
压缩/膨胀装置500还包括入口导管528（也称为“入口”）和出口导管530，每个导管都与压力容器520的工作腔室540流体连通，并且被构造用于将液体分别通入通出工作腔室540，和通入通出致动器522。压缩/膨胀装置500还包括入口导管532和出口导管534，每个导管与压力容器520的工作腔室540流体连通。入口532被构造用于将气体（例如空气）引入到工作腔室540中，而出口534被构造成将气体从工作腔室540移除。如前所述，压缩/膨胀装置500也可以包括多个阀536，这些阀与入口528、532和出口530、534连接，并且/或者与压力容器520连接。
致动器522在结构和功能上可以例如与致动器222相同或相似，并且可以被致动以分别经由入口528和出口530将液体移入移出工作腔室540。
与前述实施例的情况一样，通过在工作腔室540内提供与受压缩中的空气直接接触的、增加的表面积量，传热元件524可以用于将热能从工作腔室540内的空气移除。在这个实施例中，传热元件524包括在堆叠体中连接在一起的多块金属板538（也称之为“板”）。在一些实施例中，具有正浮力（positive buoyancy）的板538可以连接在一起，从而液体在压力容器520内流动以对气体进行压缩时，液体可以在板538上施加力，将板538压紧在如图5B中所示的较小的总高度中。在其它实施例中，没有正浮力的板538可以合并入在工作腔室540中具有活塞的装置500，从而活塞随冲程进展而将这些板538折拢。例如，板538可以用一条或更多条绳索525以类似于百叶窗（windowblind）的形式连接在一起。绳索525也可以用来将板538与压力容器520的内壁连接。虽然传热元件524被示出为在压力容器520的工作腔室540内具有特定长度或高度，但应当理解，传热元件524可以在压力容器520内具有任何长度。在一些实施例中，传热元件524例如可以具有基本上沿压力容器540的工作腔室540的长度或高度延伸的长度或高度。
在使用中，为了压缩压缩机装置500内的气体（诸如空气之类），具有第一压力的一定体积的气体可以通过入口528引入，并且进入压力容器520的工作腔室540中。致动器522可以被致动以经由入口528将一定体积的液体泵送到压力容器520中。当液体在压力容器520的工作腔室540内沿箭头A的方向（在图5B中示出）流动时，液体可以对压力容器520内的气体进行压缩、推动或移动压缩气体离开压力容器520进入出口530。因此，离开工作腔室540的压缩气体具有比进入工作腔室540的气体大的压力。由于沿箭头A的方向的液体表面，传热元件524的板538将彼此折拢，从而在压缩循环的终点形成紧密的堆叠体，如图5B中所示。如上文对于前述实施例描述地，在压缩循环期间，在该过程期间产生的热能可以从气体传递给传热元件524。由于传热元件524在压缩循环期间自折拢，传热元件524变得更加紧密，由此，随着压缩循环进展，更多的热可以传递给传热元件524。换句话说，传热元件524的总表面积在压缩循环的终点和在该循环的起点都适用于热传递（即，在液体表面上方并且因此与空气接触）。
图6A和6B示出压缩/膨胀装置的另一个实施例。压缩/膨胀装置600包括：具有工作腔室640的压力容器620；布置在工作腔室640内的传热元件624；和活塞654，该活塞可以在压力容器620内移动以改变工作腔室640的容积。活塞654可以通过活塞杆656与合适的致动器（未示出）连接。如前所述，致动器可以是例如液压或气压致动器，并且可以包括电机。
压缩/膨胀装置600还包括分别与工作腔室640流体连通的入口导管628和出口导管630。入口628可以与气体（例如空气）源连接，并可以将气体通入工作腔室640。出口630可以被构造用于将气体从工作腔室640通到另一个位置。如上文针对前述实施例描述地，阀636可以与入口628和出口630连接，并且可操作以打开和关闭与压力容器620的流体连通。
与前述实施例的情况一样，通过在压力容器620内提供与受压缩中的气体直接接触的增加的表面积量，传热元件624可用于将热能从压力容器620内的气体移除。在这个实施例中，传热元件624包括可折拢的盘管构件（示意性地示出）。当活塞654在压缩循环期间移动时，活塞654可以在传热元件624上施加力、使传热元件624折拢或压紧在如图6B中示出的较小的总高度中。
在一些实施例中，传热元件624可以与活塞654连接，从而直接随活塞654一起运动。在一些实施例中，传热元件624可以与压力容器620连接。在一些实施例中，传热元件624可以与活塞654和压力容器620二者连接。
在使用中，为了对压缩/膨胀装置600内的气体（诸如空气之类）进行压缩，可以经由入口628引入具有第一压力的一定量的气体，并使其进入工作腔室640中。可以致动活塞654，使活塞654从图6A所示第一位置移动到图6B所示第二位置。当活塞654沿箭头A的方向（图6B中示出）移动时，活塞654压缩工作腔室640内的气体。然后，可以经由出口630将压缩气体从工作腔室640排出。在活塞654沿箭头A的方向移动时，传热元件624（可折拢的盘管构件）折拢，其有效密度增加。传热元件的密度在活塞554的压缩冲程终点最大。换句话说，在整个压缩循环期间，传热元件624的总表面积暴露到空气。
在一些实施例中，工作腔室640可以部分地填充有液体（例如水），该液体可以分别经由通过入口导管628和出口导管630或者经由其它导管（未示出）通入通出工作腔室640。如上文针对前述实施例描述地，在压缩循环期间，压缩过程期间产生的热能可以从气体传递给传热元件624，然后传递给液体。然后，可以经由出口导管630或经由分离的液体排放导管（未示出）将一定体积的受热液体从压力容器620排出。
在一些实施例中，工作腔室可以被构造用于将上述技术组合起来，即，工作腔室可以例如利用如上描述的气缸和活塞而具有可变的容积，并且可被气体占据的那部分可变容积可以通过将液体引入到工作腔室中或者将液体从工作腔室移除而改变。例如，可以经由入口628引入具有第一压力的一定量的气体，并使其进入工作腔室640。活塞654可以被致动，以将活塞654从图6A所示第一位置移动到图6B所示第二位置。当活塞654沿箭头A的方向（图6B中示出）运动时，活塞654压缩工作腔室640内的气体。在压缩循环期间，压缩过程期间产生的热能可以从气体传递给传热元件624。如上文针对前述实施例描述地，在压缩循环的起点之前和/或在压缩循环期间的任何时间，可以经由入口导管628或者经由分离的液体入口导管（未示出）将液体引入到工作腔室640中，以便冷浸传热元件624而将热能传递给液体。然后，可以经由出口导管630或经由分离的液体排出导管（未示出）将一定体积的受热液体从压力容器620排出。
图7A和7B示出压缩/膨胀装置的另一个实施例。压缩/膨胀装置700包括：具有工作腔室740的压力容器720；布置在工作腔室740内的传热元件724；和活塞754，该活塞可以在压力容器720内移动，以便改变工作腔室740的容积。活塞754可以经由活塞杆756与合适的致动器（未示出）连接。如前所述地，致动器可以是例如液压或气压致动器，并且可以包括电机。
压缩/膨胀装置700还包括分别与工作腔室740流体连通的入口导管728和出口导管730。入口728可以与气体（例如空气）源连接，并且可以将气体通入工作腔室740。出口730可以被构造用于将气体从工作腔室740通至另一个位置。如上文针对前述实施例描述地，阀736可以与入口728和出口730连接，并且阀可操作以打开和关闭与压力容器720的流体连通。
与前述实施例的情况一样，通过在压力容器720内提供与受压缩中的气体直接接触的增加的表面积量，传热元件724可用于将热能从压力容器720内的气体移除。在这个实施例中，传热元件724包括两排竖直翅片，其中第二排翅片相对第一排翅片偏置。在压缩循环期间，当活塞754沿箭头A的方向运动时，活塞754朝着被附接至压力容器720的第一排竖直翅片移动第二排竖直翅片。这些偏置的翅片在压缩冲程的终点如图7B中所示地相互交错，从而增加了传热元件724的有效密度。传热元件的密度在活塞754的压缩冲程的终点最大。
在一些实施例中，工作腔室740可以部分地填充有液体（例如水），该液体可以分别经由入口导管728和出口导管730或者经由其它导管（未示出）通入通出工作腔室740。如上文针对前述实施例描述地，在压缩循环期间，压缩过程期间产生的热能可以从气体传递给传热元件724，然后传递给液体。然后，可以经由出口导管730或经由分离的液体排出导管（未示出）将一定体积的受热液体从压力容器720排出。
图8示出压缩/膨胀装置的另一个实施例。压缩/膨胀装置800包括：具有工作腔室840的压力容器820；布置在工作腔室840内的传热元件824；致动器822；和与工作腔室流体连通的入口导管828和出口导管830。压缩/膨胀装置还可以包括由致动器822驱动的活塞（未示出）。通过将液体引入工作腔室以减小工作腔室的可用于包含气体的那部分容积，和/或通过朝着工作腔室的上端部驱动活塞来减小工作腔室的容积，可以压缩工作腔室中含有的气体。备选地，工作腔室中的压缩气体可将液体逐出工作腔室，从而使工作腔室的可用于包含气体的那部分容积，并且/或者工作腔室中的压缩气体可以向下驱策活塞以允许气体膨胀。压力容器820、致动器822、入口导管828和出口导管830等可以分别在结构和功能上与其它实施例中的压力容器、致动器和导管相同或相似，因此在这个实施例中不再进一步详细描述。
在这个实施例中，传热元件824具有大量离散金属件（例如切屑、圆片、碎片和/或其它形状）829的形式，金属件被包含在布置在工作腔室840顶部的多孔容器831内。金属件可以例如由不锈钢或者体积比热比空气高的另一材料形成。传热元件824的金属件构造所提供的每单位体积表面积高，压缩气体在流动通过多孔容器831时与此传热元件接触，从而增进了热传递。备选地，传热元件不是由离散件形成，而是可以形成为更加统一的或互联的结构，诸如无需容器将其保持在期望位置中的棉状物（wool）或网丝（mesh）之类。这个实施例中的传热元件824布置在工作腔室840的一个端部附近（即在接近压缩循环终点的由气体占据的部分中），使得传热元件824在整个压缩循环的全部或绝大部分（包括在气体经过传热元件824时处于或接近其最大温度时的端部）暴露至气体，但不与液体接触。因此，当在压缩循环期间对气体进行压缩、对空气机械做功以添加热能至气体时，热能连续地传递（主要通过传导性和/或对流性热传递，而不是辐射性热传递）给传热元件824。这将气体温度维持在比没有传热元件824的情况下低的值，并逐渐地增加传热元件的温度。在压缩循环的终点，压缩气体可以从压力容器820释放到系统800中的下一个部件。然后，可以将更多的液体引入工作腔室840以基本上填充传热元件824所占据的容积。然后，存储在传热元件824中的热能可以传递（仍通过传导性和/或对流性传递）给工作腔室840中的液体。然后，可以通过任何合适机构将热能传递离开压力容器。
图9示出压缩/膨胀装置的另一个实施例。压缩/膨胀装置900包括：压力容器920，该压力容器具有工作腔室940和布置在工作腔室940内的传热元件924；致动器922；和与工作腔室流体连通的入口导管928和出口导管930。压缩/膨胀装置还可以包括由致动器922驱动的活塞（未示出）。压力容器920、致动器922、入口导管928和出口导管930等可以分别在结构和功能上与其它实施例中的压力容器、致动器和导管相同或相似，并因此在这个实施例中不再详细描述。
在这个实施例中，传热元件924可以布置在工作腔室940的相当大的部分内，从而当液体对工作腔室940内的气体进行压缩时，气体和液体可以流动通过传热元件924。传热元件924可以例如是保持在容器中的离散件（如上文所述）或诸如网丝或棉状物的更加统一的结构，此结构的孔眼颇多，从而不会在材料上抑制工作腔室940内的气体和/或液体流动，并同时提供用来与气体接触的高的表面积。在这个实施例中，传热元件924从压缩循环起点起与气体和液体接触，并随着循环进展而逐渐变少地暴露至气体和逐渐变多地暴露至液体。
应当理解，传热元件824和924可以备选地具有其它形状和构造，同时维持所描述的有效性能。例如，传热元件可以是金属棉构造（例如钢棉或刷毛垫），或者是具有与气体接触的高的每单位体积表面积的其它形状和构造。在一些实施例中，如针对传热元件924所描述的金属网丝构造可以仅仅布置如在针对装置800所描述的工作腔室顶部。类似地，如针对传热元件824所描述的金属件可以与传热元件924类似地布置在占据工作腔室较大部分的更大的容器中。
此外，在其它实施例中，传热元件可以布置在压力容器内的与图8和9所示位置不同的位置。在一些实施例中，可以使用两个以上的传热元件。在这种实施例中，可以使用两个以上同一类型的传热元件，或者可以使用不同构造的组合。此外，在给定的压缩和膨胀系统内，可以在系统的一个或更多个压力容器中使用传热元件的一种或更多种相同或不同组合。
图10A和10B示出压缩/膨胀装置的另一个实施例。压缩/膨胀装置1000包括：具有工作腔室1040的压力容器1020；布置在工作腔室1040内的传热元件1024；以及活塞1054，该活塞可以在压力容器1020内移动以改变工作腔室1040的容积。活塞1054可以经由活塞杆1056与合适的致动器（未示出）连接。如前所述地，致动器可以例如是液压或气压致动器，并且可以包括电机。
压缩/膨胀装置1000还包括分别与工作腔室1040流体连通的入口导管1028和出口导管1030。入口1028可以与气体（例如空气）源连接，并且可以将气体通入工作腔室1040。出口1030可以被构造用于将气体从工作腔室1040通至另一个位置。如上文针对前述实施例描述地，阀1036可以与入口1028和出口1030连接，并且可操作以打开和关闭与压力容器1020的流体连通。
与前述实施例的情况一样，通过在压力容器1020内提供与受压缩中的气体直接接触的增加的表面积量，传热元件1024可用于将热能从压力容器1020内的气体移除。在这个实施例中，传热元件1024包括与压力容器1020连接的多个竖直翅片。在其它实施例中，这些竖直翅片可以与活塞1054连接。当活塞1054在压缩循环期间沿箭头A的方向运动时，工作腔室1040内的气体可以受到活塞1054压缩而流动通过传热元件1024，从而允许将热从气体传递给传热元件1024。
在一些实施例中，工作腔室1040可以部分地填充有液体（例如水），该液体可以分别经由入口导管1028和出口导管1030或者通过其它导管（未示出）通入通出工作腔室1040。在压缩循环期间，压缩过程期间产生的热能可以从气体传递给传热元件1024，然后在液体流动通过传热元件1024时传给液体。然后，一定体积的受热液体可以经由出口导管1030或经由分离的液体排放导管（未示出）从压力容器1020排出。
图11A和11B示出压缩/膨胀装置的另一个实施例。压缩/膨胀装置1100包括：具有工作腔室1140的压力容器1120；布置在工作腔室1140内的传热元件1124；和活塞1154，该活塞可以在压力容器1120内移动以改变工作腔室1140的容积。活塞1154可以经由活塞杆1156与合适的致动器（未示出）连接。如前所述地，致动器可以例如是液压或气压致动器，并且可以包括电机。
压缩/膨胀装置1100还包括分别与工作腔室1140流体连通的入口导管1128和出口导管1130。入口1128可以与气体（例如空气）源连接，并且可以将气体通至工作腔室1140。出口1130可以被构造用于将气体从工作腔室1140通至另一个位置。如上文针对前述实施例描述地，阀1136可以与入口1128和出口1130连接，并且可操作以打开和关闭与压力容器1120的流体连通。
与前述实施例的情况一样，通过在压力容器1120内提供与受压缩中的气体直接接触的增加的表面积量，传热元件1124可用于将热能从压力容器1120内的气体移除。在这个实施例中，传热元件1124包括被附接至压力容器1120和活塞1154二者的多个竖直翅片。当活塞1154在压缩循环期间沿箭头A的方向运动时，活塞1154朝着被附接至压力容器1120的竖直翅片移动被附接至活塞1154的竖直翅片。被附接至压力容器1120的翅片和被附接至活塞1154的翅片偏置，使得翅片如图11B中所示地在压缩冲程的终点相互交错，从而增加了传热元件1124的有效密度。传热元件的密度在活塞1154的压缩冲程的终点最大。
在一些实施例中，工作腔室1140可以部分地填充有液体（例如水），该液体可以分别经由入口导管1128和出口导管1130或者经由其它导管（未示出）通入通出工作腔室1140。相互交错的两组翅片减小了在压缩循环终点冷浸传热元件1124所需的液体体积。例如，可以减小工作腔室1140中的液体体积，从而在压缩冲程的终点，液体体积仅足够用来占据完全地相互交错的两组翅片之间的空隙。如本文已经描述地，工作腔室内的液体表示可被压缩或膨胀的气体量的减小。因此，有利的是，减小由传热元件和液体占据的容积以便增加装置的功率密度。在一些实施例中，传热元件1124可以构造成使得工作腔室1140中的液体体积可以减小了例如50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%或者95%。
如上文针对前述实施例描述地，在压缩循环期间，压缩过程期间产生的热能可以从气体传递给传热元件1124，然后传递给液体。然后，一定体积的受热液体可以经由出口导管1130或经由分离的液体排放导管（未示出）从压力容器1120排出。
虽然上文已经描述本发明的各种实施例，但应当理解，它们已经仅通过示例的方式且不是通过限制的方式被给出。在上述方法和步骤指示以一定次序发生的某些事件的情况下，具有本公开的权益的本领域技术人员将认识到，某些步骤的排序可以被修改并且这种修改与本发明的变型一致。另外，某些步骤当可能时可以在平行过程中同时执行，以及如上所述顺序地执行。实施例已经被特别地示出且描述，但应当理解，可以作出形式和细节的各种变化。
例如，虽然各种实施例已经被描述为具有特别的特征和/或部件的组合，其它实施例可以具有来自本文所描述的任何实施例的任何特征和/或部件的任何组合或子组合。例如，虽然参考压缩/膨胀装置的特别实施例示出且描述传热元件的某些实施例，但应当理解，传热元件的各种实施例可以用于本文所描述的压缩和/或膨胀装置的各种实施例的任何实施例和这里未描述的压缩和/或膨胀装置的其它实施例。
另外，虽然压缩和/或膨胀装置的一些实施例包括布置在压力容器内的特别位置的传热元件，但应当理解，传热元件可以布置在与示出的且描述的那些位置不同的位置。压缩和/或膨胀装置的各种部件的特别构造也可以变化。例如，各种部件的尺寸和具体形状可以不同于示出的实施例，但仍然提供如本文所描述的功能。

Claims (32)

1.一种设备，包括：
压力容器，所述压力容器中有容积可变的工作腔室，并且所述压力容器具有气体导管，气体能够通过该气体导管而被引入所述工作腔室中和从所述工作腔室排出；以及
布置在所述工作腔室内的传热元件，
所述压力容器能够操作，以便通过减小所述工作腔室的容积对经由所述气体导管引入所述工作腔室中的气体进行压缩，并且使热能从受压缩的气体传递给所述传热元件以降低受压缩的气体的温度。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述传热元件能够操作，以便将从受压缩的气体接收的热能传递至所述工作腔室的外部。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述压力容器包括气缸和被安装用来在所述气缸内做往复式移动的活塞，所述工作腔室通过由所述气缸和所述活塞二者界定的容积来限定，其中，所述工作腔室的容积能够通过所述活塞在所述气缸内移动而至少部分地变化。
4.根据权利要求1所述的设备，还包括：液体导管，液体能够通过该液体导管而被引入所述工作腔室中和从所述工作腔室排出，其中，所述工作腔室的容积能够通过将液体引入所述工作腔室中或者将液体从所述工作腔室排出而至少部分地变化。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述压力容器还能够操作，以便将从受压缩的气体传递给所述传热元件的热能进一步从所述传热元件传递给所述工作腔室中含有的液体。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述压力容器还能够操作，以便通过增加所述工作腔室的容积而使经由所述气体导管引入所述工作腔室的气体膨胀，并使热能从所述传热元件传递给发生膨胀的气体以升高发生膨胀的气体的温度。
7.一种用于压缩在压力容器中的气体的方法，所述压力容器限定出具有容积的工作腔室，所述压力容器具有气体导管，气体能够通过该气体导管而被引入所述工作腔室中和从所述工作腔室排出，并且所述压力容器还具有液体导管，液体能够通过该液体导管而被引入所述工作腔室中和从所述工作腔室排出，所述压力容器还具有布置在所述工作腔室内的传热元件，所述方法包括以下步骤：
将给定体积的气体引入所述工作腔室中；
减小所述工作腔室的容积，使气体的压力增大并且使气体的温度升高到高于所述传热元件的温度，并且将压缩产生的热能从气体传递给所述传热元件；
经由所述液体导管将液体引入所述工作腔室中；以及
使液体与已经接收了从气体传递来的热能的、所述传热元件的一部分接触，从而将热能从所述传热元件传递给液体。
8.根据权利要求7所述的方法，其中减小所述工作腔室的容积的步骤包括将液体至少部分地引入所述工作腔室中。
9.根据权利要求7所述的方法，还包括：
将液体的至少一部分从所述工作腔室排出，以便移除从所述传热元件传递给液体的热能的至少一部分。
10.根据权利要求7所述的方法，还包括：
使受压缩的气体经由所述气体导管离开所述工作腔室；以及
进一步减小所述工作腔室的容积，以便使液体与已经接受了从气体传递来的另外热能的、所述传热元件的另一部分接触，从而将另外热能从所述传热元件的另一部分传递给液体。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括：
将第二给定体积的气体经由所述气体导管引入所述工作腔室；
增大所述工作腔室的容积，使气体的压力减小并使气体的温度降低至低于所述传热元件的温度，以及使热能从所述传热元件传递给气体。
12.根据权利要求7所述的方法，其中所述传热元件包括伸长的管状元件，并且其中，减小所述工作腔室的容积的步骤包括使液体流入所述伸长的管状元件的内部。
13.根据权利要求7所述的方法，其中所述传热元件包括能够被液体移动的部分，并且其中，将液体引入的步骤包括使所述传热元件的所述部分移动。
14.根据权利要求7所述的方法，其中所述传热元件包括多个纤维元件，这些纤维元件被构造用于吸收并保持液体，以便提供气体对液体交界面从而在气体和液体之间传递热能，并且其中，将液体引入的步骤包括经由所述气体对液体交界面将热能从气体传递给所述纤维元件。
15.一种设备，包括：
压力容器，所述压力容器中有能够包含气体的工作腔室，所述压力容器具有一个或更多个气体导管，气体能够通过该气体导管而被引入所述工作腔室中和从所述工作腔室排出，并且所述压力容器还具有一个或更多个液体导管，液体能够通过该液体导管而被引入所述工作腔室中和从所述工作腔室排出；以及
布置在所述工作腔室内的传热元件，
所述工作腔室具有容积，当在所述工作腔室内含有液体时，所述容积的第一部分被液体占据而第二部分能够被气体占据，
所述压力容器能够操作，以便通过经由所述一个或者更多个液体导管将液体引入所述工作腔室中或者将液体从所述工作腔室排出而改变所述第一部分的容积，
所述压力容器能够操作，以便减小所述工作腔室的第二部分的容积以压缩其中含有的气体，从而将热能从受压缩的气体传递给所述传热元件，并且使所述工作腔室的第一部分中的液体与所述传热元件接触而将从受压缩的气体传递给所述传热元件的热能传递给液体。
16.根据权利要求15所述的设备，其中所述压力容器包括气缸和被安装用来在所述气缸内进行往复式移动的活塞，所述工作腔室由所述气缸和所述活塞限定，所述压力容器能够操作，以便通过使所述活塞在所述气缸内移动而至少部分地减小所述工作腔室的第二部分的容积。
17.根据权利要求15所述的设备，其中所述压力容器能够操作，以便通过经由所述一个或更多个液体导管将液体引入所述工作腔室中而至少部分地减小所述工作腔室的第二部分的容积。
18.根据权利要求15所述的设备，其中所述传热元件包括多个伸长的构件，这些构件被定位成使得这些构件的伸长的轴线在与所述工作腔室中含有的液体的表面基本垂直的方向上延伸。
19.根据权利要求15所述的设备，其中所述传热元件包括彼此同心地套置的多个管状构件。
20.根据权利要求15所述的设备，其中被引入到所述工作腔室中的液体能够使所述传热元件相对于所述压力容器运动。
21.根据权利要求15所述的设备，其中所述传热元件包括多块板的堆叠体。
22.根据权利要求21所述的设备，其中在所述多块板的堆叠体中，每一块板都能够相对于每一块其它的板运动，从而所述多块板的堆叠体能够在第一构造和第二构造之间运动，在所述第一构造中，所述多块板的堆叠体具有第一轴向范围，而在所述第二构造中，所述多块板的堆叠体具有小于所述第一轴向范围的第二轴向范围。
23.根据权利要求16所述的设备，其中所述传热元件包括多个镶嵌板。
24.根据权利要求15所述的设备，其中所述传热元件包括多个环。
25.根据权利要求15所述的设备，其中所述传热元件包括多个盘管。
26.根据权利要求15所述的设备，其中所述传热元件包括多个网筛。
27.根据权利要求15所述的设备，其中所述传热元件包括多个多孔板。
28.一种设备，包括：
限定出工作腔室的压力容器，所述工作腔室中能够包含气体和液体，并且在所述工作腔室中，通过将液体引入所述工作腔室或使液体离开所述工作腔室能够使气体被压缩或使气体发生膨胀；
布置在所述压力容器内的多个纤维元件，所述多个纤维元件中的每一个被构造用于吸收并保持液体，以便提供气体对液体交界面从而在气体和液体之间传递热能。
29.根据权利要求28所述的设备，其中所述多个纤维元件被构造成用于使液体离开所述压力容器之后保持液体的液滴，所述液体的液滴提供气体对液体交界面，以便当再次引入液体到所述压力容器的工作腔室中对气体进行压缩时将热能从气体传递给所述液滴。
30.根据权利要求28所述的设备，其中所述多个纤维元件布置在三维的网结构中。
31.根据权利要求28所述的设备，其中所述多个纤维元件能够被引入所述工作腔室的液体移动。
32.根据权利要求28所述的设备，其中所述多个纤维元件的至少一部分包括由亲水材料组成的涂层。
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