CN104838136A - 压力系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及能量转化和产生系统，更具体地，涉及一种通过工作流体的压力差而产生和转化能量的系统和方法。所描述的压力系统，包括：设置在闭环中的冷子系统、热子系统、功提取系统和液压泵。冷子系统和热子系统分别保持相对于彼此较低和较高的温度，以使工作流体通过泵在闭环内部循环流动，从而在两个子系统间产生不同的平衡蒸汽压。工作流体各自不同的状态函数导致两种不同水平的弹性势能，从而在两个子系统间产生压力差。功提取系统设置在两个子系统之间，将弹性势能/压力差转化为有用的动能。

Description

压力系统

技术领域

本发明涉及能量转化和产生系统，更具体地涉及一种工作流体中通过压力差实现能量产生和转化的系统和方法。

背景技术

尽管努力改变，世界范围内的人类继续消耗越来越多的能量。结果导致全球变暖、污染、化石燃料的减少，以及整体的能源成本提高，人们正在采取措施提供清洁、可再生并且更加便宜的能源。

尽管一些清洁能源能够被获取，例如风能、太阳能，还有一些其它能源仍然未被大量开发，如废热。例如，许多采用汽轮机的发电系统，并未从废蒸气中提取宝贵的能量。

此外，很多已知的发电系统仅在大规模建造时才具有实用性和有效性。

因此，有必要提供一种改进的清洁、低成本、高效，并且能够以多种尺寸，包括小系统，的能量产生(和转化)方法和系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进的能量产生和转化方法和系统。

本专利申请记载了一种系统(即，下面称为“压力系统”的“通过压力差产生动力”)，在“冷子系统”相对“热子系统”中呈现不同的状态函数⁽¹⁾，这能够利用工作流体⁽²⁾的属性来转化能量并提取功，该工作流体由化合物组成，通常为有机物，特点为具有低标准沸点(也被称为“N.B.P.”)⁽³⁾。

本身，在压力系统内部，当工作流体在不同的环境温度⁽⁵⁾下，在两个单独的封闭子系统中分别存储时，每个子系统主要包括一个存储容器，这些独立的热力学子系统的状态函数不同，导致流体在不同条件下部分气化，对应物质的两个不同状态。在每个子系统内部，所述气化导致流体的特定平衡蒸气压⁽⁹⁾,这对应产生压力差的不同环境压力⁽⁸⁾，能够被用于提取功。

压力系统的概念依赖于一些基于众所周知的工作流体物理学的基本功能原理。它们主要取决于工作流体的物质，这决定了它的以下物理特性：

1.挥发性

2.膨胀系数

3.气/液平衡

4.自由膨胀

5.冷凝

6.标准状态函数

7.临界点

上述功能原理量化了分别应用在冷、热子系统中的状态函数，其直接关系到工作流体物质的性质，尤其是关系到由挥发性导致的物理性能。它们决定了能够在两个子系统间产生的能够被用于提取功的压力差的平衡蒸气压。

在压力系统的每个子系统内部，由于工作流体的平衡蒸气压取决于所述挥发因素，其不随温度发生线性变化，状态函数W＝PV(压力乘以体积)也必须考虑相关的环境温度。为了简化本专利申请的理解，在状态函数W＝PV中:

-PV被认为是子系统的内能。气化过程使部分所述内能转化为本专利申请中称为“弹性势能”⁽⁷⁾的其它形式，通常采用焦耳度量。(参照图5和图6中示出的氟利昂R-410A的例子)，

-W被认为是相应的可提取功，通常采用瓦特度量(参见图5和图7)。

因此，压力系统的作用路径以包括一个环的装置表示，工作流体在该环中以闭环形式在两个子系统之间流动，其中流体被分别存储并分别保持在较低和较高的环境温度。由于此结构导致每个子系统的状态函数不同，对应不同的气化水平，这导致流体的气态部分(称为“饱和蒸气”)呈现不同的平衡蒸气压，从而引起冷子系统和热子系统之间的压力差，该压力差被用于提取功。

像电池一样，压力系统被设计为由两个热力单元组成的装置，该装置能够将存储的弹性势能转化为机械能，从而成为许多家庭和工业场所的常规动力源。

相应地，压力系统的实际应用(即“压力单元”，其具体实施方式记载在单独的申请号为PCT/CA2013/xxxxx的专利申请文件中，此处通过引用而包含其内容)主要的目标是功的提取，其能够但不限于是能够产生电力的工业设施如电站(也被称为发电厂，电厂或者发电所)。

压力系统与其它热力系统(例如兰金循环)的主要区别是基于压力差不会来自于超过工作流体的临界点的蒸气的热量，(例如，在温度范围超过300℃/540°F，甚至超过500℃/930°F时)，但能够来自于在低于它的临界点时，一般在直到大约20到30℃(68-86°F)处的环境温度下，处于相变的两种不同状态的物质的自然状态的事实。因此，所涉及的环境压力以1到64巴的范围被采用，这小于现有技术中的系统，现有技术中的系统中工作流体的蒸气能量“实际上的”大部分能量被消耗并且一定程度上被锅炉所损失。这使得本发明的系统能够完全仅采用可再生能源(例如，周围大气中的热能)产生动力。

当然，为实现上述性能，功提取过程必须设计为相应地利用大量低到中压蒸气，而不是高压气流。

压力单元的结构设计主要包括三个特别部件，分别执行上述作用路径：

●利用和/或回收热子系统的周围环境中发现的热能(即周围温度⁽⁶⁾)，并将其转化为以特定的平衡蒸气压存储在的工作流体的弹性势能(通过物质气化⁽¹⁰⁾)，在热子系统中的部件中实施，对应环境温度(即“热回收单元”，记载在申请号为PCT/CA2013/xxxxx的共同未决专利申请中，此处通过引用而包含其内容)。

●将该弹性势能转化为机械能，即功的提取，在位于热子系统和冷子系统之间的一个部件中实施，该部件利用由所述子系统中相遇的物质的不同平衡蒸气压造成的压力差(即，“功提取单元”，记载在申请号为PCT/CA2013/xxxxx的共同未决专利申请中，此处通过引用而包含其内容)。

●将蒸气回收进一个设置在冷子系统中的部件中，然而以较低的环境温度，这对应较低的环境压力，导致不同的平衡蒸气压使得物质能够发生液化⁽¹¹⁾(即“蒸气回收单元”，记载在申请号为PCT/CA2013/xxxxx的共同未决专利申请中，此处通过引用而包含其内容)。

本领域技术人员容易想到如何采用多种方式制造该三种部件，并且能够形成不同的结构或者物理形式，这能够改进此技术但并不离开本发明的基本概念。

在理解以下附图和具体说明的基础上，本发明的其它系统、方法、特征和优点对于本领域技术人员而言将是或者将变的明显。意思是所有附加系统、方法、特征和优点均包含在本描述中并包含在本发明的范围内并被权利要求所保护。

附图说明

为了进一步理解本发明，接下来将结合附图进行详细说明，其中：

图1示出了本发明一个具体实施例中的压力系统的概念示意图；

图2示出了在本发明一个具体实施例中的压力系统的工作流程图；

图3提出了在本发明一个具体实施例中的典型的工作流体的压力/温度曲线图；

图4示出了在本发明一个具体实施例中的典型工作流体的压力/温度表；

图5示出了在本发明一个具体实施例中作为典型工作流体的制冷剂(R-410A)的状态函数表；

图6示出了在本发明一个具体实施例中作为典型工作流体的制冷剂(R-410A)的弹性势能曲线图；

图7示出了在本发明一个具体实施例中作为典型工作流体的制冷剂(R-410A)的可提取功的曲线图；以及

图8示出了压力系统的一种典型实施方式的方框图。

本发明的优选实施方式的简要说明

工作流体物质

■环境温度和环境压力因素

通过上述可知，压力系统主要依赖于以下三个过程的性能：

-气化

-功的提取

-液化

所有这些缘自冷、热子系统中达到的环境温度和环境压力值。因此，压力系统的概念类型主要考虑每个过程的工作条件和所呈现的约束条件：

-热子系统中可利用的环境温度，通常应当与周围温度对应，应当避免使用任何消耗能源的外部加热；

-所产生的热子系统内部的环境压力应当足以产生足够的弹性势能；

-可以利用的将热子系统内部的环境温度加热到最佳范围的周围温度，从而高效大量地产生弹性势能(如图6和7中每幅中采用R-410A时0℃和55℃)，从而提高压力系统的性能，以及

-保持在冷子系统内部的环境压力，其代表可能的压力差，但同样地，因此通过自由膨胀和压缩，将环境温度用于蒸气回收过程及其液化；

并且，压力系统的概念类型应当考虑工作流体的物质，其标准沸点和参考值产生不同的系统状态函数。例如：

-冷子系统和热子系统两者内部的工作流体的液体/气体的体积当量(膨胀系数)，其决定了在系统内部流通的流体的体积用于产生足够的能量转化(提取功)，以及

-冷、热子系统内部可以利用的平衡蒸气压。

因此，这些因素也依赖于制造工作流体的物质，正如此后说明的。

■物质的选择

由于工作流体只部分填充热、冷子系统，每个热、冷子系统中的不同状态函数自然趋近于物质的不同平衡蒸气压，然而每个加压蒸气在其液相下处于一个特定水平的热力学平衡，因此能够存在两种物质状态：气态和液态。

-在冷子系统内部：工作流体的沸点与冷子系统内部的工作环境温度对应，其决定压力系统的基准水平(系统的“标准状态函数”)。优选地，冷子系统内部的工作环境温度应当尽量接近于物质的标准沸点，因为其能够形成一个相对于热子系统的较大压力差，本身具有更多的可提取功。

-在热子系统内部：环境热量条件决定了热子系统的工作环境温度，从而得到其工作环境压力。为了使压力系统的性能更好，热子系统的工作环境温度应当尽量接近于物质的临界点。

-在功提取过程中：热子系统和冷子系统之间产生的压力差，决定了可利用的弹性势能的总量，以及压力系统的可利用能量效率。

然而，可以被选择作为压力系统的工作流体的每种物质，呈现出与其温度/压力表现相关的不同的物质状态⁽¹⁴⁾标准。下面，“压力/温度曲线图”的例子(参照图4)提供了一些能够用于压力系统的工作流体的图例，表明了压力系统所能够运行的环境温度以及其各自的环境压力。

因此，选择物质是根本，应当根据冷、热子系统要保持的环境温度的工作条件来进行选择。

例如，本文中所作的大部分参考通常是基于将R-410A作为工作流体和数字模型，在此热子系统的周围温度发生变化，从而能够使热子系统的环境温度保持在ISMC附近，并且在此冷子系统保持在环境温度-40℃(-40°F)和-30℃(-22°F)之间。

工作流体物理学

通过上述可知，压力系统以冷子系统对热子系统的工作流体的物质状态为条件，其状态函数依赖于，尤其是，工作流体的挥发性和膨胀系数，以及其标准沸点和临界点。

■挥发性

工作流体的物质状态主要取决于物质的气化趋势，被称为其挥发性⁽¹³⁾，直接关系到物质的平衡蒸气压。

在给定温度下，系统的状态函数决定了以所确定的体积存储的流体或化合物的平衡蒸气压，在此平衡蒸汽压下其气相⁽¹²⁾(“蒸气”)与其液相平衡。

对比两个被认为是独立的闭环子系统的热力学系统，其中所存储的工作流体相同但是处于两种不同的环境温度(因此代表不同的状态函数)，在每个子系统内部为克服环境压力，并且促进液体形成蒸气所需要的挥发性(或平衡蒸气压)是不同的。

将标准温度下具有高蒸气压的物质称为挥发物。挥发性越强，在给定温度下的流体蒸气压越大，该流体的标准沸点越低。该性质通常通过蒸气压力图表(参照图3和图4)加以表示，其显示了从属于流体物质的蒸气压力作为它们的环境温度的函数。

■膨胀系数

在热子系统中，周围的热能被传递到液态的工作流体中，更通常地通过热交换，使得液体气化，并使体积明显增加：

○当被排放到ISMC大气压力平衡⁽¹⁵⁾的开放空间中，各种可能的工作流体在气态形式下的体积膨胀通常对应的膨胀系数范围大约是其液态形式标准体积下的200到400倍。例如，在ISCM条件下：

-R-410A的膨胀系数大约为256倍，

-丙烷的膨胀系数大约为311倍，并且

-二氧化碳的膨胀系数大约为845倍。

○当被限制在一个有限的体积内，该过程导致蒸气的压头增加，从而将内能转化为弹性势能。该受控的物质状态改变(相变)，如上所述，通过平衡容器内的工作流体的平衡蒸气压，只能使部分液体转化为气体。

在压力系统中，热子系统通常包含预先确定体积的工作流体，其应当保持恒定(通过真空泵系统)，以便系统的状态函数保持稳定。

气化过程导致工作流体在其气相状态下发生膨胀，使得加压蒸气的有效可利用体积逐步增加，然后减少，接下来，通过功提取过程将压力差转化为动能(也就是进行做功)，从而使得系统保持其状态函数平衡。

压力系统的概念类型也是基于气/液平衡：

■气/液平衡

物质的蒸气压或平衡蒸气压性能表示由处于热力学平衡的蒸气施加的压力条件是它的凝相处于密闭系统的给定温度下，当工作流体本身被存储在容器内时，其容量大于液态流体的体积当量但小于蒸气压体积当量，在子系统中所达到的特定温度/压力条件下

根据克劳修斯-克拉伯龙方程⁽¹⁶⁾，平衡蒸气压是流体气化率的象征，其随温度呈非线性增加。其与粒子从流体中逸出的趋势(波动)有关。

在两个子系统中，状态函数确定了工作流体物质如何与加压蒸气和液体的体积实现常态平衡。由于液态工作流体的体积小于子系统的存储容量，液态工作流体仅占存储容量的一部分，剩余部分被蒸气填充。在两个子系统中，工作流体自然能够找到其加压气/液平衡。如果子系统内的环境压力状态函数变得更低，有些液体将自动气化直到工作流体找到其平衡蒸气压，从而导致剩余的存储容量被加压蒸气填充。如果子系统内的环境压力状态函数变得更高，有些加压蒸气将自动发生液化。

由于重力作用，较重的液体部分占据装置容器的底部，较轻的加压气体被局限在顶部；因此：

-在热子系统中，加压气体会从功提取装置的顶部进行膨胀，以及

-在冷子系统中，液体会从底部泵出，重新导入热子系统。

■自由膨胀

在冷子系统内部，自由膨胀是个不可逆过程，其中气体膨胀进入隔离的真空室(即膨胀室)，从而导致其环境压力降低。真正的气体在自由膨胀过程中经历温度改变，在大膨胀室内部，环境压力减少得越低，膨胀气体的温度下降得越低(在大气压下，气体温度可能下降到露点，接近于其本身标准沸点)，从而导致一些从气态到液态的相变。

在自由膨胀过程中，气体不做功，这意味着没有能量消耗。气体在达到其最终状态之前，经过非热力学平衡的状态，这意味着人们无法定义热力学参数作为整体气体的值。例如，环境压力局部地点到点进行改变，被气体占据的体积(其由粒子构成)不是一个容易确定的量。这意味着该过程是环境温度下降的自然平衡。

该节流过程(也被称为“焦耳-汤姆逊效应”⁽¹⁷⁾)在技术上非常重要，由于其代表冷子系统中的气态工作流体再液化的最主要的第一步。

■冷凝

冷子系统达到再液化的第二步包括冷凝过程。冷却的膨胀气体被泵出膨胀室，并优选经过大量的开口(间隙/盖入口开口)排至冷凝器，本身经过一系列阀或多孔塞，迫使蒸气流过已经存储在所述装置中的液态工作流体。为此，泵需要为冷却蒸气增加一些环境压力，压缩系数以小于0.2巴为代表，从而使其通过入口开口，以使蒸气冷凝。

一些残余蒸气会被主动喷淋系统保持，它将会形成小泡，这些小泡当升起到存储的冷却工作流体的表面时，由于冷却环境温度而自然达到冷凝过程。

相应地，整个冷子系统将自稳定在接近工作流体的标准状态函数的工作压力和工作温度。

■标准状态函数

在压力系统中，参考值是工作流体的标准沸点，其应当呈现接近于冷子系统的标准状态函数。因此，工作流体应当根据冷子系统的开发标准进行选择。是冷子系统的环境温度决定了被选择物质的性质，从而使状态函数尽可能接近于工作流体的标准沸点。例如：

-the N.B.P.of R134A corresponds to a temperature of-26.3℃/-15.34°F.

-R23/氟苯的标准沸点对应的温度为-82.1℃/-115.78K，

-制冷剂R-410A的标准沸点对应的温度为-52.2℃/-61.96°F,以及

-R134A的标准沸点对应的温度为-26.3℃/-15.34°F。

■临界点

然而，在选择物质时，还必须考虑到到其“临界点”。每种可能的工作流体在某一沸点表现为特定的饱和状态，该点与其相转变的特定临界点相一致，在该临界点处，液/气相界面不再存在，物质仅以其气体形式存在，这限制了热子系统的状态函数需要获得的最高温度/压力，自身的环境压力通常在32bar至64bar之间，并且这与保持在所述热子系统中的环境温度的最高水平相一致，正如由工作流体的材料温度/压力表所确定的。例如：

-R23/三氟甲烷的临界点相当于在25.6℃/78°F下48.37bar(701.55psi)的压力；

-制冷剂R-410A的临界点相当于在72.5℃/162.5°F下49.4bar(716.49psi)的压力；

-R134A的临界点相当于在100.9℃/213.6°F下40.6bars(588.85psi)的压力。

具体实施方式

参照图1到图8，在一个典型实施例中，压力系统100的闭环的概念设计包括冷子系统105(即：A-蒸气回收单元)，热子系统110(即：B-热回收单元)，功提取过程115(即：C-功提取器单元)和传输泵120(即：D-液压泵)。

冷子系统105中的标准状态函数代表工作流体的平衡蒸气压的基准水平。

冷子系统105中永久存储有一些工作流体，其在基本在-80℃到-20℃之间变化的冷却环境温度中保持恒定，尽可能接近于流体物质的标准沸点(N.B.P)。根据所述环境温度下的工作流体的状态函数，工作流体的环境压力一般在0.1巴到2巴之间的计示压力变化(即，压力与当地的大气压有关)。

为了保持所述冷却环境温度恒定，冷子系统105优选包括：

-扩大了所述冷子系统105的容积效能的膨胀室130，从而使得工作流体以其气态形式自由膨胀到接近于大气压，并使其标准沸点体积被占用。这使得蒸气开始液化；

-真空系统135，使膨胀室130的环境压力保持在接近于大气压，并且使得冷子系统105的环境温度条件保持接近于工作流体的露点，同时压缩一些进入冷凝器140的气/液混合物；

-冷凝器140起到存储装置的作用，其中，剩余部分的气态工作流体发生液化，使得在环境温度略高于其标准沸点时，工作流体能够保持气/液平衡。这实现了蒸气的液化。

在工作中，缘于自由膨胀过程，压力系统100足以保持最低可能的环境压力，因此仅通过冷却就能够自然轻易达到冷却环境温度。

当系统由于任何原因停止工作，冷子系统105需要一个封闭的外部冷却装置(未示出)，以保持冷却环境温度，从而保持低环境压力。当系统因为任何原因停止工作后，冷子系统的温度将开始增加，冷子系统中的压力也同样会增加。在该例子中，冷子系统100需要一个外部冷却装置以保持所述冷却环境温度，从而保持低环境压力。无论如何，为了安全起见，在系统长时间停止并且没有外部冷却装置或者外部冷却装置基于任何原因停止工作的情况下，所开发的冷子系统应当能够承受高达30巴的压力。

■热子系统

热子系统110中也永久存储有一些工作流体，在在通常为-10℃和+80℃之间变化的一个较高的环境温度下保持恒定。根据其挥发性，热子系统中工作流体测量的环境压力通常在4到32巴之间变化。

所述环境温度通过与周围(室内、容器、建筑、工作场所或者室外)可获取的媒介实现热传递获得，通常采用的是热交换器(即气化器)205，热交换器205将周围的热能转化为工作流体的内能并且接下来，大部分所述内能转化为弹性势能：

-所述热交换器可以通过远距离设置的能量源加热，包括但不限于下组中所列：太阳能；地热；风能；生物能；燃料电池；水流如河流，海床，含水层或地下水源；地下发现的热梯度，例如，在矿井和建筑物的地下室；商业或工业热回收系统；温室；大气中发现的环境温度不含周围或工业建筑。以及

-所述热交换器还能够通过一个外部加热器进行加热，外部加热器能够以丙烷，天然气或其它化石燃料为燃料。

此外，需要注意的是热子系统110能够通过多个周围的热量源收集能量，通过使用环境热量收集器210和/或预热器215，它们能够被设置在远离压力系统100的地方，使得采用压力系统100能够完成混合工作流程。

■功提取过程

功提取过程必须被特别设计从而采用可变容量装置，如液压气动发动机305，其能够将压力转换成液压发动机310的运动。因此，通过利用热子系统110中工作流体的气化而产生的体积膨胀，该过程利用并转化冷子系统105和热子系统110之间的压力差，自身的功提取装置115将热子系统产生的弹性势能转化为动能。当然，其它装置，如涡轮机也能够被使用。

工作过程

相应地，压力系统的工作过程包括四个相互依存的特征(参照图2)：

■功的提取

来自于热子系统110的气态形式的工作流体，经过功提取装置115进入冷子系统105进行循环，导致热子系统110和冷子系统105之间产生环境压力差，使得弹性势能转化为动能，也就是功的提取。

因此，利用了气态工作流体在热子系统110和冷子系统105之间的压力差，将弹性势能转化为动能：

1A)通过推动并置换可移动面(如功提取器205包括一个气缸中的活塞)使气态工作流体的环境压力在可膨胀压力装置上施加力；

1B)通过简单的自由膨胀将气态工作流体释放到冷子系统105中。

■(2)热子系统110中的气/液物质状态平衡

由于上述过程通过减少加压蒸气相对液体的体积，改变了热子系统110中的平衡蒸气压，热子系统110中所满足的状态函数通过将部分液体气化为加压蒸气自动引起工作流体的物质状态再次平衡。

值得注意的是，热子系统110中工作流体的全部体积在功提取过程中被使用而暂时减少。工作流体体积的减少也会引起环境压力轻微降低，相应地将产生一个较低的环境温度。

■(3)冷子系统中的气/液物质状态平衡

功提取过程也改变了冷子系统105的平衡蒸气压，通过暂时增加加压蒸气相对于功提取装置115释放的液体物质的体积，这导致状态函数使环境压力增加一些，相应得到稍高的环境温度。因此，满足冷子系统105的状态函数需要通过液化蒸气使工作流体的物质状态重新平衡，这是通过冷子系统105中实施的冷凝过程实现的。

■(4)重新初始化

功提取的上述特征导致系统标准的改变，然而存储在热子系统110和冷子系统105中的工作流体的初始体积发生了改变。

为使压力系统恢复到其初始条件并重新初始化工作流程，从冷子系统105中泵出一些液态工作流体，通过泵120(即：D-液压泵)重新导入热子系统110。

工作条件

■压力差

如上所述，压力系统100的设计理念是在构想和设计上利用在初级冷子系统105中的标准状态函数，这使工作流体具有一个远低于“ISMC”的温度(15)(最好低于-20℃，但不是必须的)，对应约为大气环境的工作压力，的标准沸点并重新液化。

然后，在压力系统100中以闭环循环的流体物质，从这个冷子系统105，通过环境温度保持在大约为“ISMC”温度的次级热子系统110，使状态函数因工作流体的挥发性而自然改变，平衡其弹性势能和平衡蒸气压，且它的环境压力有几巴的增加，从而在热子系统110和冷子系统105之间产生足以被用于提取功的压力差。

■可利用的能量

由于工作流体的体积膨胀系数，该体积膨胀系数取决于作为工作流体的物质，在热子系统110中气化时，它的体积增大约200到400倍或更多，蒸气施加的总压力，当进入功提取装置205时，比从冷子系统105把工作流体泵回至较小体积的液体所需要的总压力大200至400倍。因此，它使压力系统100产生的可利用能量比使工作流体从冷子系统105到热子系统110循环所需要的能量更多。

此外，由于周围的热能被认为是无穷和免费的，来自于将所述热能转化成工作流体的弹性势能过程中所产生的可利用能量，所面临的唯一的问题是能够实现足够的热交换的热子系统110的具体规模。

■外部能量

压力系统100的工作过程表明功提取改变了冷子系统105和热子系统110的工作条件：

-在热子系统110内，除非重新加热，环境温度将会下降。

-在冷子系统105内，除非保持，环境温度将增加。

因此，需要采用外部能量(如周围热能和压缩功)将压力系统100重新平衡至其基础条件，从而确定压力系统100给定的部件的性质和尺寸。

本身，工作条件代表压力系统100的效率因数，其通过量化所包含和成功转化的不同能量的来计算，也就是整个系统回路的能量平衡分析：

■能量平衡

就1千克工作流体R-410A(参见图5)的例子而言：

1.气化

来自冷子系统105(例如在环境温度为-30℃/-22°F)的冷却液态工作流体必须被加热(如通过热交换将工作流体的周围热能转化为内能)到热子系统110(如20℃/68°F)的工作环境温度。

气化过程将部分内能转化为弹性势能。也就是说，为成为饱和蒸气，即在20℃和14.4巴条件下，17.6升(62.15立方英尺)，1千克液态工作流体表现出将25.3千焦内能转化为弹性势能，从而产生压力差。

2.功的提取

该压力差能够提取功。冷子系统的环境压力保持在-30℃条件下，压力差表现为11.7巴[14.4巴–2.7巴]并且17.6升加压蒸气对应可提取的功的量等于20.57千瓦[11.7巴x 17.6升]。

3.冷凝

当加压蒸气在功提取过程中被排出(如17.6升)时，自由膨胀过程，其不需要任何功，就能够使得体积增大(如饱和蒸气在2.7巴下94.2升/3.33立方英尺)，从而导致环境温度自然下降到露点(如以在冷子系统中所保持的大约-30℃)。需要注意的是，沸点和露点之间的差异非常小。

在冷凝过程的第二步，必须压缩蒸气做功(如0.2巴，表示1.9千瓦[94.2升x 0.2巴)，使得所有的蒸气成为液体回收。这导致存储在冷凝器的容器中的工作流体的环境温度很少增加，如相对于膨胀室内的环境温度大约差0.2℃。

4.重新初始化

在冷子系统105中，冷凝过程导致气态工作流体显著减少变成液体，改变大约200到400倍(如在环境温度为-30℃，环境压力为2.7巴，1千克R-410A在其气相下占94.2升/3.33立方英尺，而在其液相下只有大约0.774升)。

因此，将这些液体泵回环境温度较高的热子系统110，需要的外部能量显著低于提取的功。在环境压力为2.7巴的冷子系统105中和环境压力为14.4巴的热子系统110中，所作的功可以被计算为0.906千瓦[11.7巴x0.774升]。

示例

通过循环1千克(2.2磅)液态制冷剂流体R-410A(参见图5,6and 7):

■在冷子系统中＝-40℃/-40°F

保持环境压力为1.76巴(1巴＝100kPa或千帕＝14.5psi或磅/平方英寸)

○在所述环境压力下，自由膨胀过程引起工作流体的状态函数自然冷却，从而使得物质的平衡蒸气压保持在环境温度为-40℃/-40°F。

○在其加压蒸气形式，流体对应的体积为141.9升(5.01立方英尺)

a)在热子系统中＝20℃/68°F

保持在环境温度为20℃/68°F：

■在所述环境温度下，工作流体的状态函数引起的物质的平衡蒸气压所对应的环境压力为14.43巴，

■在其加压蒸气形式下，流体对应的体积为17.6升(0.62立方英尺)

■热子系统中的状态函数PV代表的弹性势能等于：17.6升x 14.43巴＝25.4千焦

■两个子系统代表12.67巴的压力差可以用来从17.6升的加压蒸气中提取功：

17.6升x 12.67巴＝22.23千瓦

其代表压力系统可能的效率比为87.5％(未计机械损耗)

b)在热子系统中＝30℃/86°F

保持在环境温度为30℃/86°F：

■环境压力为18.83巴

■加压蒸气的体积为13.1升(0.46立方英尺)

■弹性势能等于：

13.1升x 18.83巴＝24.7千焦

■压力差为17.07巴，13.1升加压蒸气中的可提取功等于：

13.1L升x 17.07巴＝22.28千瓦

其代表压力系统的可能效率比为90.2％(未计算机械损耗)

■在冷子系统中＝-30℃/-22°F

保持环境压力为2.7巴：

○在所述环境压力下，子系统在环境温度为-30℃/-22°F时达到平衡

○在其加压蒸气形式下，流体对应的体积为94.2升(3.33立方英尺)

a)在热子系统中＝20℃/68°F

保持环境温度在20℃/68°F：

■环境压力为14.43巴

■加压蒸气的体积为17.6升(0.62立方英尺)

■弹性势能等于：

17.6升x 14.43巴＝25.4千焦

■压力差为11.73巴时，17.6升加压蒸气中的可提取功等于：

17.6升x 11.73巴＝20.57千瓦

其代表压力系统可能的效率比为81％(不计机械损耗)

b)在热子系统中＝30℃/86°F

保持环境温度为30℃/86°F

■环境压力为18.83巴

■加压蒸气的体积为13.1升(0.46立方英尺)

■弹性势能等于：

13.1升x 18.83巴＝24.7千焦

■压力差为16.13巴时，13.1升加压蒸气中的可提取功等于：

13.1升x 16.13巴＝21.05千瓦

其代表压力系统可能的效率比为85.2％(未计机械损耗)

■效率

如图7所示，对于每千克R-410A型氟利昂，压力系统100使包含在热子系统110中的弹性势能中的一大部分用于提取功(即产生动力)。然而，由于热子系统110满足的状态函数确定了弹性势能的最大变化，压力系统100只能在该限度范围内提取功。

在低于或超过一定值时，应当考虑效率因素对于功提取不再是有利因素，应当通过设计系统相应地进行参数调整，以从最佳条件中受益，本身通过使用符合热、冷子系统中环境温度的最佳利用标准的工作流体物质。

在上述采用R-410A的例子中，当：

-冷子系统105保持在-40℃时，热子系统110的环境温度应当在0℃到55℃之间变化

-冷子系统105保持在-30℃时，热子系统110的环境温度应当在15℃到50℃之间变化，使得提取功超过20千瓦/千克。

■效益比

参见上面例子，对于每千克被处理的R-410A压力系统100提供以下能量平衡(没有计算可能的机械损耗)：

-交换25.3kJ热能到内能，接下来被转化为弹性势能，

-提取的功等于20.57千瓦，但是

○压缩功表现为大约1.9千瓦

○循环泵作的功等于1.115千瓦

使得有效利用的功被计算为17.55kW。

因此，能量平衡表示效率比为69.4％。

结论

一个或更多的当前优选实施例，已经通过示例的方式进行描述。对本领域技术人员而言，在未偏离本发明权利要求保护范围的情况下，容易做出多种变更和修改。

所有的引文在此通过引用而被包含。

术语和数据

(1)状态函数

热力学中的状态函数是系统的属性，其只取决于系统的当前状态，而不是系统获得该状态的方式(不依赖于路径)。状态函数描述了一个系统的平衡状态。

状态函数是系统参数的函数，其只取决于路径终点的稳态参数值。温度、压力，内能或弹性势能，焓和熵都是状态量，它们定量地描述了一个热力学系统的平衡状态，但不考虑系统如何达到该状态。

最好将状态函数看作是热力学系统的状态变量或属性，而非状态函数表示的是状态函数变化的过程。

例如，在本文件中，状态函数W＝PV(“PV”＝压力乘以体积)通过系统的路径能够成比例地随着流体的内能发生改变。但是，功"W"是系统做功过程中的能量转移的量值：内能像弹性势能一样是可以确定的，它是能量的一种特殊形式；功是已经改变形式或位置的能量值。

(2)工作流体

在以下的描述和引用中，工作流体通常是由化合物组成，通常是有机的或制冷剂，特点是能够根据环境温度和环境压力变化物质状态从气态到液态做可逆相变以及相反。

示例：

许多化合物和制冷剂能够与其它化合物混合。通过改变各成分的比例能够轻易改变混合物的特性。

在许多国家，采用工作流体作为制冷剂是有规定的。制冷剂传统上是碳氟化合物，尤其是氯氟化碳，但这些制冷剂由于臭氧消耗效应正在逐步被淘汰。其它常用的制冷剂现在在不同场合应用的有：近共沸混合物(如R-410A＝HFC-32/HFC-125)，三氟甲烷，氨，二氧化硫和非卤化烃。

当然，也可以用其它标准的化合物和有机物替代，如丁烷，丙烷或甲烷，还有化学元素像氮和氧的化合物如一氧化二氮和二氧化碳。新的工作流体可以设计成性能最优化，具有特殊设计方案的压力动力系统100(例如，为了适应在冷子系统105和热子系统110更低或更高的环境温度，还得提供相似的工作环境压力)。

因此，许多适用的工作流体的特性将展现出来。

(3)标准沸点

液体的沸点是当液体的蒸气压与环境压力相等的条件下(例如在环境压力包围液体)，液体转化为气体的温度。

○液体的标准沸点是一种特定情况，即液体的蒸气压等于定义的海平面的大气压力，即1个大气压(1.013巴)。在该温度下，液体的蒸气压足以克服大气压而使大多数液体中的蒸气泡形成(即气化)。

○在压力系统100内，工作流体的环境温度和环境压力决定了冷子系统105的沸点，其被看作是系统的“标准状态函数”的参考基准。

(4)功的提取

和状态函数形成对比的是，机械功和热是过程量，它们的值取决于两个平衡状态具体的转换(或路径)。

换言之，在压力系统中功的提取相当于内部能量的负变化，视系统的体积扩张过程中，状态函数的变化而定：系统对周围事物做功时，释放储存的内能。

在物理层面上，功是一个标量，可以描述为力乘以其通过的距离，叫做力做的功。

根据热力学第一定律，能量可以转化(即从一种形式变为另一种形式)，系统内能的变化等于提供给系统的热量(热能)，减去通过系统对周围事物所做功的量。

在温度和压力保持恒定的压力系统中，可以提取的有用功取决于系统中包含的物质对应的体积和物质状态的状态函数。

(5)环境温度

在以下的描述和引用中，环境温度是指在周围装置中的工作流体的温度，如容器中的温度，过程或系统中设备或部件的温度。

(6)周围温度

以下描述和引用中，周围温度的意思是：

(i)天或黑夜任何特定时间的室外、大气中的当前温度，或者水流像海洋，湖泊，河流，海床，蓄水层或地下水源发现的温度，以及

(ii)室内房间的温度(一般称为“室温”)包括但不限于：

-大厦或建筑物如办公大楼、公寓大楼或住宅内部的可控或不可控的温度，例如

-制造业或工业设施内部的温度，包括那些由于运行产生发出的热量而更高的温度，例如铸造，制造，造纸，纺织，餐饮和糕点房，或洗衣店和干洗店。

-在有或者没有有效采矿作业的一定深度的矿井中的温度。

-温室，小屋或其它复杂的专门建造的房屋设备中的温度。

(7)能量的形式

-热能和热不同。从其物理应用上严格来讲，热只是过程的一个特点，即它吸收或产生的能量交换，但它不是一种物质的静态特性。物质不含热而含热能。热是热能从物质的一个区域的边界传递或转换到另一个区域的过程。

-热力学中的内能，是热力学系统中包含的总能量。这是创建系统需要的能量，但不包括任何作为整体与运动相关，或由于外力场而产生的使系统周围产生位移的能量。内能包括两个主要组成部分：动能和势能。系统的内能可以通过对系统加热或对它做功改变；热力学第一定律说明，内能的增加等于总热量的增加和由周围事物所做功。如果系统和周围是隔开的，其内能不会改变。

-一个物体或物质的动能是由于运动产生的，其是机械能的一部分。它被定义为一个给定的物体从静止加速到既定的速度所需的功。在其加速期间获得能量，物体保持这种动能除非它的速度改变。物体从当前速度减速到静止状态需要同样的功。

速度，以及由此而来的物质的动能，在坐标系中是相关的(相对的)：它可以通过选择一个合适的惯性坐标参考系来得到任何非负的值。

-势能是存储在材料，物体或系统中的能量，由其物质状态，其在力场中的位置或其配置决定。势能有多种形式，每一种势能都和相应类型的力相关。更具体地，每一个守恒力都会产生势能。例如，弹性力所做的功称为弹性势能。

-弹性能量普遍被认为是被存储了机械势能，在系统中(对应于状态函数)或物理系统所包含的材料中，如通过扭曲其体积或形状做功。弹性能量的概念并不限正式的弹性理论，其主要发展了固体材料力学的解析认识。

弹性的本质是可逆性。施加在弹性材料上的力能够将能量转入材料内部，基于能量对其周围的屈服性，能够使其恢复原来的形状或体积。

虽然弹性与最常见的固体或材料力学有关，但在经典热力学早期文献中定义和使用的“流体弹性”和上文中宽泛的定义相匹配：

■可压缩的弹性势能和加压气体和液体

本发明是基于所述“流体弹性”的将弹性势能转换为功的方式：

-系统中流体的行为，在此它的环境压力/温度代表它的弹性势能，意味着从流体液态(以下也被称为“液体”)到气态(以下称为“蒸气”或“气”)的相变，及反相，改变了系统的状态函数。

-在两个分离的系统中(例如，单一环境温度和压力的不同状态函数)一种材料的相反的两种不同物质状态相对，通过将它们联系到一起能够产生压力差允许通过推动可膨胀的压力装置(例如，包括气缸中的活塞)进行能量转换(即产生功)，与使用机械压缩气体驱动发动机将弹性势能转化为动能的系统相似。

(8)环境压力

在以下描述和引用中，系统的环境压力是指工作流体直接施加于周围的压力，其可能是一个容器，特定的装置，过程或系统中的设备或部件。

环境压力与工作流体的环境温度有直接关系，物质在特定状态下的平衡蒸气压下转化成对应的弹性势能，由物质的相变特性确定。

(9)平衡蒸汽压

平衡蒸气压力是在一个给定温度的封闭系统中，蒸气在热力学平衡凝相(固态或液态)状态下蒸气释放的环境压力。平衡蒸气压是液体气化率的象征。它和粒子从液体(或固体)中逸出的趋势有关。在标准温度下具有高蒸气压的物质被称为挥发物。

根据克劳修斯-克拉伯龙方程，任何物质的蒸气压随温度呈非线性增加。在大气压下液体的沸点(也被称为标准沸点)是蒸气压力等于环境大气压时的温度。当温度在此基础上再升高，蒸气压力足以克服大气压使物质内部的液体大部分形成蒸气泡。液体的深层出现气泡需要更大的压力，从而需要更高的温度。因为在大气压之上的液体压力随着深度加深而增大。

(10)气化

一种元素或化合物的气化是指液态到气态的相变。有两种类型的气化：气化和沸腾。然而，在压能系统100中，主要的气化是指在给定的压力下，当温度低于沸点温度时，从液态到气态的相变。气化通常发生在表面。

(11)液化

液化是指气体的液化，也就是气体冷凝成液体的过程。在压力系统100中，液化对应工作流体通过冷却和小的压缩过程冷凝，从气态变成液态。

(12)相

取决于环境的压力，温度和体积，物质能够以不同的形式存在，分散的或聚集的，称为相。相是物质的一种形式，具有相对统一的化学组成和物理性质(如密度，比热，折射率，压力等等)，在特定的系统中，决定了它的状态函数。

相有时被称为物质状态，但这个术语可能会与热力学状态混淆。例如，两种气体保持在不同的压力，不同的热力学状态(不同的压力)，但相是相同的(都是气体)。给定的物质可以根据取决于自身状态函数的环境压力和环境温度改变状态或相，当这些条件改变时，给定的物质会转变到有利于它们存在的相。例如，当温度升高后，液体就会转变为气体。

(13)挥发

挥发是物质气化的趋势。挥发和物质的蒸气压力有直接关系。在给定的温度下，高蒸气压的物质比低蒸气压的物质更容易挥发。因此，在给定的温度下，液体的蒸气压力越高，越容易挥发，液体正常的沸点越低。

(14)物质状态

物质状态是物质在不同阶段呈现的不同形式。固体，液体和气体是最常见的物质状态。

物质的状态也可以依据相变定义。相变，是指结构的变化，属性上的突变。根据这个定义，独特的物质状态是任何一组状态可以通过相变区别于其它组的状态。

给定组的物质的状态或相的改变由系统的状态函数决定(环境压力和环境温度条件)，当这些条件改变时，物质就转化成适合它们的状态或相。例如，液体转变为气体和与环境温度或环境压力的增加/减少呈反向。

基于分子之间关系的不同可以区分不同的状态：液态指分子间的吸引力使分子接近，但不保持固定的关系，这符合其容器的形状，但在不考虑压力变化的情况下体积基本不变。气态指分子是相对分离的，分子间的吸引力对各自的运动影响相对较小，它没有固定的形状和体积，却占据了可以通过减少/增加环境压力/环境温度改变整个装置的压力。

(15)ISMC＝ISO 13443:

温度、压力和湿度的国际标准公制条件(饱和状态)是288.15K(15℃)和101.325kPa(1Atm)，用于实施天然气，天然气替代物及类似的处于气态的流体的测量和计算。

(16)克劳修斯-克拉伯龙方程

以Rudolf Clausius和PaulClapeyron命名，一种单一物质两种状态之间过渡状态的特性。在压力-温度(P–T)图中，分开两种状态的线被称为共存曲线。克劳修斯-克拉伯龙方程给出了曲线的斜率。数学上是，

$\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dT}}=\frac{L}{\mathrm{T\Δv}}$

其中dP/dT是共存曲线在任一点的切线的斜率，L是比潜热，T是温度，ΔV是相变过程中体积的变化。

(17)焦耳汤姆孙效应

在热力学中，焦耳汤姆逊效应或焦耳–开尔文效应或开尔文–焦耳效应或焦耳–汤姆逊膨胀，其中气体在真空中经历自由膨胀，描述了与环境隔绝无热量交换的环境中，通过一个阀或多孔塞的气体或液体的温度变化。这个过程称为节流过程或焦耳-汤姆逊过程。在室温下，除氢，氦，氖以外的所有气体的冷膨胀，都适用焦耳-汤姆逊过程。

Claims (27)

1.一种压力系统，包括：

冷子系统、热子系统、功提取系统，以及液压泵；

所述冷子系统，所述热子系统，所述功提取系统，和所述液压泵呈闭环布置；

所述冷子系统和所述热子系统分别保持相对于彼此较低和较高的温度；

工作流体周期性地在所述冷子系统和所述热子系统之间的闭环内循环流动，所述工作流体在所述冷子系统和所述热子系统中具有不同的平衡蒸气压，根据各自的状态函数，呈现出两种不同水平的弹性势能，从而在所述冷子系统和所述热子系统之间产生压力差；

所述功提取系统位于所述热子系统的出口和所述冷子系统的入口之间，可操作地将所述弹性势能/压力差转化为动能；以及

所述液压泵位于所述冷子系统的出口和所述热子系统的入口之间，可操作地使液态工作流体从所述冷子系统循环回至所述热子系统。

2.根据权利要求1所述的压力系统，其特征在于：所述工作流体以比冷子系统高的温度保存在热子系统中，冷子系统和热子系统的温度差足以确定两个不同的状态函数，热子系统中的工作流体的平衡蒸气压相对于冷子系统中的工作流体的平衡蒸气压产生一个可用于提取功的压力差。

3.根据权利要求1或2任一项所述的压力系统，其特征在于：所述工作流体的物质(或化合物)能够使其物质状态从气态到液态做可逆相变和反转。

4.根据权利要求1至3任一项所述的压力系统，其特征在于：所述冷子系统导致多数工作流体液化。

5.根据权利要求1至4任一项所述的压力系统，其特征在于：所述冷子系统包括一个压力容器。

6.根据权利要求5所述的压力系统，其特征在于：所述压力容器使所述冷子系统的容量扩大，能够使工作流体以气态形式自由膨胀至接近大气压。

7.根据权利要求1至6任一项所述的压力系统，其特征在于：所述冷子系统包括一个膨胀室。

8.根据权利要求7所述的压力系统，其特征在于：所述冷子系统包括冷凝器，其中部分气态的工作流体被液化，从而使得所述工作流体能够在稍高于它的标准沸点的环境温度下保持不变的蒸气/液体平衡。

9.根据权利要求8所述的压力系统，其特征在于，所述冷子系统的冷凝器包括压力容器，所述压力容器起到存储容器的作用。

10.根据权利要求1至9任一项所述的压力系统，其特征在于：所述冷子系统是隔热的。

11.根据权利要求1至10任一项所述的压力系统，其特征在于，所述冷子系统包括主动喷淋系统。

12.根据权利要求8至11任一项所述的压力系统，其特征在于，所述冷子系统包括：将所述工作流体从所述膨胀室传输到所述冷凝器的泵/真空系统。

13.根据权利要求1至12任一项所述的压力系统，其特征在于：在所述冷子系统中所述工作流体的存储温度接近并且略高于它的标准沸点。

14.根据权利要求1至13任一项所述的压力系统，其特征在于，还包括：将所述工作流体以液态形式从所述冷子系统的出口传输到所述热子系统的入口的泵。

15.根据权利要求1至14任一项所述的压力系统，其特征在于：所述热子系统使多数工作流体气化。

16.根据权利要求1至15任一项所述的压力系统，其特征在于：所述热子系统包括压力容器，所述压力容器起到存储容器的作用。

17.根据权利要求1至16任一项所述的压力系统，其特征在于：所述热、冷子系统的状态函数保持常量，使工作流体的挥发性分别保持蒸气/液体平衡，在此气相(“蒸气”)与液相平衡，从而使得处于液态形式的工作流体只部分填充所述压力容器，每个容器的其余部分被加压的气态工作流体填充。

18.根据权利要求1至17任一项所述的压力系统，其特征在于：所述热子系统收集周围热能保持其环境温度，通过将部分液相的工作流体气化为加压蒸气来影响工作流体的弹性势能。

19.根据权利要求1至18任一项所述的压力系统，其特征在于：所述热子系统包括一个或者多个热交换器。

20.根据权利要求19所述的压力系统，其特征在于：所述一个或者多个热交换器被其周围温度加热。

21.根据权利要求1至20任一项所述的压力系统，其特征在于，所述热子系统被从下组中选定的能量源加热：太阳能；地热；风能；生物能；燃料电池；水流如河流，海床，含水层或地下水源；地下发现的热梯度，例如，在矿井和建筑物的地下室；商业或工业热回收系统；温室；并不直接包围或者处于工业建筑内的大气中发现的环境温度。

22.根据权利要求19所述的压力系统，其特征在于：所述一个或者多个热交换器被外部加热器加热，外部加热器能够以丙烷，天然气或其他化石燃料为燃料。

23.根据权利要求1至22任一项所述的压力系统，其特征在于：所述热子系统能够收集远离所述压力系统的多种周围热能量源的能量，使得所述压力系统能够被用作混合系统。

24.根据权利要求1至23任一项所述的压力系统，其特征在于：所述热子系统保持在直接周围的温度。

25.根据权利要求1至24任一项所述的压力系统，其特征在于：所述热子系统的温度保持在所述工作流体的临界点以下。

26.根据权利要求1至25任一项所述的压力系统，其特征在于，所述工作流体从下组中进行选择：有机材料，化合物，化合物的混合物，制冷剂，氨，二氧化硫，非卤化烃如氟代苯，丙烷，甲烷，化学元素如氮和化合物如二氧化碳和氧化亚氮。

27.根据权利要求1至26任一项所述的压力系统，其特征在于：所述工作流体具有远低于‘ISMC’温度(国际标准公制的条件下的温度，压力和湿度或饱和状态：288,15°K[15℃]和101,325kPa[1ATM])的标准沸点(NBP)。