CN110398079A - 一种异工质及同工质气体压缩做功装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种异工质及同工质气体压缩做功装置，包括做功系统和制冷系统，所述做功系统和制冷系统采用不同工质，所述做功系统包括第一做功组件、与第一做功组件的出口相连的第一冷凝器和与第一冷凝器的出口相连的第一蒸发器，所述制冷系统包括压缩机、与压缩机的出口相连的第二冷凝器和与第二冷凝器的出口相连的第二蒸发器，所述压缩机的出口与第二冷凝器之间形成加热区；所述加热区与第一蒸发器进行热交换，所述第二蒸发器与第一冷凝器进行热交换，所述做功系统内工质的沸点低于制冷系统内工质的沸点，做功系统的工质能够被制冷系统的工质冷凝。具有对低温进行有效利用的技术效果。

Description

一种异工质及同工质气体压缩做功装置

技术领域

本发明实施例涉及做功组件技术领域，具体涉及一种异工质及同工质气体压缩做功装置。

背景技术

对于各种工业过程中产生的大量中低温(200℃～600℃)余热资源的回收，若采用传统的蒸汽朗肯循环系统存在回收难度大，系统复杂，占地面积大，投资成本高等问题。其它较为常见的中低温余热回收技术有卡琳娜循环和有机朗肯循环。卡琳娜循环是采用氨-水混合物作为循环工质，其对管材和汽轮机的接触面性质有着特殊的要求，并且要考虑工质泄漏对环境带来的污染。有机朗肯循环采用的有机工质同样会带来环境污染等问题。

CO2是一种天然工质，具有无毒、无污染、不易燃烧、价格低廉、化学惰性、临界状态易于实现等优点。超临界CO2的吸热过程为变温过程，该过程正好与变温热源相匹配，因此可有效降低换热过程中的不可逆损失。在19世纪末超临界CO2被作为制冷剂广泛用于船舶等工业领域的制冷循环过程中。

但目前为止，创造低温的成本很高，所以如何有效利用创造的低温，是提高发电效率的关键。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种异工质及同工质气体压缩做功装置，以解决现有技术中由于创造低温的成本很高导致的低温无法有效利用的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

一种异工质气体压缩做功装置，包括做功系统和制冷系统，所述做功系统和制冷系统采用不同工质，所述做功系统包括第一做功组件、与第一做功组件的出口相连的第一冷凝器和与第一冷凝器的出口相连的第一蒸发器，所述制冷系统包括压缩机、与压缩机的出口相连的第二冷凝器和与第二冷凝器的出口相连的第二蒸发器，所述第一蒸发器的出口与第一做功组件的入口相连，所述第二蒸发器的出口与压缩机相连，所述压缩机的出口与第二冷凝器之间形成加热区；所述加热区与第一蒸发器进行热交换，所述第二蒸发器与第一冷凝器进行热交换，所述做功系统内工质的沸点低于制冷系统内工质的沸点，所述做功系统的工质能够被制冷系统的工质冷凝。

进一步地，所述做功系统还包括第三蒸发器和第二做功组件，所述第一蒸发器为低压蒸发器，第三蒸发器为高压蒸发器，所述第三蒸发器的出口与第二做功组件相连，所述第二做功组件的出口通过加热区与第一做功组件的入口相连，所述第一做功组件为低压做功组件，所述第二做功组件为高压做功组件。

进一步地，所述制冷系统复叠至少两组，每组制冷系统内采用不同的工质进行制冷，所述做功系统的第一冷凝器与工质沸点最低的制冷系统的第二蒸发器进行热交换，工质沸点较低的所述第一蒸发器与工质沸点较高的做功系统的加热区进行热交换。

进一步地，所述做功系统复叠至少两组，每组做功系统均采用不同的工质进行做功，并且工质沸点较低的做功系统的第一蒸发器与工质沸点较高的做功系统的第一冷凝器进行热交换，工质沸点最低的做功系统的第一冷凝器与第二蒸发器进行热交换。

一种同工质气体压缩做功装置，包括做功系统和制冷系统，所述做功系统和制冷系统采用相同工质，所述做功系统包括第一做功组件、与第一做功组件的出口相连的第一冷凝器、与第一冷凝器相连的液化/凝华工质池和与液化/凝华工质池的出口相连的第一蒸发器，所述第一蒸发器的出口与第一做功组件相连，所述制冷系统包括压缩机、与压缩机的出口相连的第二冷凝器和与第二冷凝器的出口相连的第二蒸发器，所述第二蒸发器的出口与压缩机的入口相连，所述压缩机的出口与第二冷凝器之间形成加热区；所述加热区与第一蒸发器进行热交换，所述第二蒸发器与第一冷凝器进行热交换，所述压缩机流出的工质温度和压力高于该工质的临界温度和压力。

进一步地，所述做功组件复叠至少两个，工质沸点较低的做功系统的第一蒸发器与工质沸点较高的做功系统的第一冷凝器进行热交换，所述制冷系统的工质与工质沸点最低的做功系统的工质相同，工质沸点最低的所述做功系统的第一冷凝器与第二蒸发器进行热交换。

进一步地，工质沸点最低的做功系统的液化/凝华工质池连接有存储相同工质的液体池，所述液体池内浸泡有超导体，所述超导体与其余的多个做功组件的液化/凝华工质池均相连。

进一步地，所述做功系统还包括带有压力的气体源和与气体源的出口相连的第三做功组件，所述第三做功组件的出口与第一蒸发器相连，气体与第一蒸发器换热后，变成液体流入该气体工质的收集装置内。

进一步地，所述压缩机的入口与第二蒸发器之间连接有第一换热器，所述压缩机的出口与第二冷凝器之间连接有第二换热器，所述第一换热器依次与每个做功系统的第一冷凝器进行热交换，所述第二换热器依次与每个做功系统的第一蒸发器进行热交换。

本发明实施例具有如下优点：

在做功系统的侧方设置制冷系统，第一做功组件对压缩机进行供电，或者直接驱动压缩机，也可以直接使用外部电源使制冷系统正常运行，在做功系统做功时，从第一做功组件内出来的工质先进入到冷凝器内，并由第二蒸发器蒸发产生的低温对第一冷凝器内的工质进行冷凝，第二蒸发器又通过吸收第一冷凝器内的工质的热量来实现蒸发，在液体工质流入到蒸发器内时，由外界热源和加热区进行供热，使第一蒸发器内工质变为气体同时加热到更高的温度，同时第一蒸发器将第二冷凝器内的工质部分冷凝，进一步可以引入制冷系统，将未冷凝工质全部冷凝，同时制冷系统的高温高压气体作为第一蒸发器的高温热源。这样做功系统和制冷系统的热源和冷源相互利用，有效减少了能源的浪费，实现了对能源的高效利用。

设置第三蒸发器和第二做功组件，外界的热源根据温度一部分进入到第一蒸发器，另一部分较高温度的热源进入到第三蒸发器内进行给做功工质加热，然后高温高压的做功工质进入第二做功组件进行高压做功，做功完成之后，经过加热区加热，而后工质流入到第一做功组件内进行再次的做功，并且外界热源的温度越高，进入到第三蒸发器内的工质越多，这样外界热源的能量被利用的更加充分，发电效率更高。

复叠至少两组的制冷系统来给第一蒸发器和第三蒸发器进行过热，这样人为地创造较高温度的热源进入到第三蒸发器内的热源更多，这样大部分的工质都能够分别通过第一做功组件和第二做功组件来进行两次的做功，以提高发电量。

通过复叠至少两组的制冷系统，这样制冷系统能够给做功系统内提供更高的制冷温度，保证进入到第一冷凝器内的工质能够全部液化，以在后续流入到第一蒸发器时能够更加高效地吸收外界的热量，提高了做功的效率。

复叠至少两组的做功系统，并且用工质沸点更低的做功系统来对工质沸点更高的做功系统进行制冷，这样能够实现多组做功系统的同时工作，来吸收外界的热源并进行做功，从而有效提高做功的效率。

采用相同的工质来实现做功系统的发电，压缩机在对工质进行压缩时让工质的温度和压力更高，这样第一蒸发器能够吸收到更高的热量，并且第二蒸发器内的工质在蒸发时，其能够吸收的热量更多，从而保证第一冷凝器能够全部进行冷凝，从而实现了相同工质下的做功装置的发电。

复叠多个做功装置，这样多个做功装置能够进行同时发电，以提高发电的效率，同时工质沸点最低的做功系统能够通过相同工质的制冷系统进行制冷，来实现其有效的运行。

在沸点最低的做功系统内设置超导体，利用产生的超低温来满足超导体的使用条件，这样既能做功发电，也可以使用超导体。超导体还可以用于核磁共振、磁悬浮交通工具、超导蓄能线圈等用途。

设置气体源和第三做功组件，能够增大做功系统的发电量，同时使需要液化的气体液化。通过在制冷系统上分别设置第一换热器和第二换热器来进行换热，并且第一换热器和第二换热器能够同时与多个做功系统进行换热，以实现多个做功系统的高效运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例1提供的一种异工质气体压缩做功装置整体结构示意图；

图2为本发明实施例2提供的一种异工质气体压缩做功装置整体结构示意图；

图3为本发明实施例3提供的一种同工质气体压缩做功装置整体结构示意图；

图4为本发明实施例4提供的一种异工质气体压缩做功装置整体结构示意图；

图5为本发明实施例5提供的一种异工质气体压缩做功装置整体结构示意图；

图6为本发明实施例6提供的一种异工质气体压缩做功装置整体结构示意图；

图7为本发明实施例7提供的一种同工质气体压缩做功装置整体结构示意图；

图8为本发明实施例8提供的一种同工质气体压缩做功装置整体结构示意图；

图9为本发明实施例9提供的一种同工质气体压缩做功装置超导体冷却结构示意图；

图10为本发明实施例9提供的一种同工质气体压缩做功装置氦制冷机冷却结构示意图；

图11为本发明实施例10提供的一种同工质气体压缩做功装置整体结构示意图；

图12为本发明实施例10提供的一种同工质气体压缩做功装置压焓图。

图中：1、第一蒸发器；2、第一做功组件；3、第二蒸发器；4、压缩机；5、第二冷凝器；6、第一冷凝器；7、第三蒸发器；8、第二做功组件；9、液化/凝华工质池；10、第三做功组件；11、气体源；12、超导体；13、液氦池；14、氦制冷机；15、第一换热器；16、加热区；17、第二换热器。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一，一种异工质气体压缩做功装置，如图1所示，包括做功系统和制冷系统，做功系统包括第一做功装置、与第一做功装置的出口相连的第一冷凝器6和与第一冷凝器6的出口相连的第一蒸发器1，制冷系统包括压缩机4、与压缩机4的出口相连的第二冷凝器5和与第二冷凝器5的出口相连的第二蒸发器3，第一蒸发器1的出口与第一做功装置的入口相连，第二蒸发器3的出口与压缩机4的入口相连，压缩机4的出口与第二冷凝器5之间形成加热区16。

做功系统为二氧化碳做功系统，制冷系统为R404A制冷系统。

做功系统也可以采用R23、R508B等工质，制冷系统也可以采用R410、R134A等工质。R404A系统的蒸发器3与CO2做功系统的冷凝器连接，使做功后的CO2工质冷凝成液体。加热区16与第一蒸发器1进行热交换，第二蒸发器3与第一冷凝器6进行热交换。

假定R404系统的蒸发温度是-40度，冷凝温度是35度。

液体CO2流入第一蒸发器1后，首先由冷却水来加热，当然要预防冷却水结冰。假设需要的冷却水温度是15度，15度对应CO2保护压力大概51Bar。

在系统工作时，51Bar的CO2蒸汽流出做功系统的第一蒸发器11，并被加热区16出口的气体加热成过热蒸汽，假设加热到35度。然后进入第一做功组件2绝热膨胀，在即将进入干湿蒸汽区时，离开第一做功组件2回到制冷系统的压缩机4出口处再加热至30度～35度，再次进入第一做功组件2做功，在第一做功组件2的末端被制冷系统的第二蒸发器3的冷量冷凝成液体并再次循环。

由第二蒸发器3蒸发产生的低温对第一冷凝器6内的工质进行冷凝，第二蒸发器3又通过吸收第一冷凝器6内的工质的热量来实现蒸发，在液体工质流入到蒸发器内时，由外界热源和加热区16进行供热，使第一蒸发器1内工质变为气体同时加热到更高的温度，同时第一蒸发器1将第二冷凝器5内的工质部分冷凝，剩余未冷凝工质被制冷系统的冷却水冷凝，制冷系统冷却水的热量可以排放到周围环境，也可以被存储后再利用。这样做功系统和制冷系统的热源和冷源相互利用，有效减少了能源的浪费，实现了对能源的高效利用。

在实际使用中，如果系统很大，可以设置一个小的404压缩系统。首先启动小的系统，使第一做功组件2内的压力降低到预定压力后，启动第一做功组件2，由第一做功组件2带动大功率R404A压缩系统的压缩机4运行，多余的能量用来发电并入电网或者储存。

制冷系统采用R410工质，可以得到更低的做功系统的冷凝温度，更高的CO2蒸汽的过热度。

实施例二，一种异工质气体压缩做功装置，其结构与实施例一基本相同，其不同之处在于，如图2所示，做功系统还包括第三蒸发器7和第二做功组件8，所述第一蒸发器1为低压蒸发器，第三蒸发器7为高压蒸发器，所述第三蒸发器7的出口与第二做功组件8相连，所述第二做功组件8的出口与第一做功组件2相连，所述第一做功组件2为低压做功组件，所述第二做功组件8为高压做功组件。

当外界的冷却水需求达到设定值时，将部分液体CO2从第一蒸发器1，送入第三蒸发器7内，并在此靠外界和与之连接的压缩机4的排气端的制冷系统的冷凝热加热蒸发，在实施例1中存储的制冷系统冷却水的冷凝热，此时也可以用来加热液体CO2。按CO2的临界压力输出饱和CO2蒸汽，并与压缩机4的出口的R404A的过热蒸汽进行热交换至40度左右，进入第二做功组件8。绝热膨胀后CO2蒸汽温度降低至将近15度时，流出第二做功组件8，与第一蒸发器1了流出的CO2蒸汽一起去加热区16过热，然后进入第一做功组件2做功。

随着外界冷负载的减少，更多的液体CO2被送入第三蒸发器7，直至全部液体二氧化碳都被送入第三蒸发器7做功。

当采用更高温度的热源时，比如锅炉余热，燃气轮机的余热、氢气或者天然气、空气等气体的液化、或者该系统用于交通工具的发动机，需要燃烧燃料时。液体CO2在第一蒸发器1内，被环境热和制冷系统的冷凝热加热至接近临界温度，全部液体CO2流入第三蒸发器7内被高温的热源加热，然后进入第二做功组件8做功。温度降低接近常温时，流出第二做功组件8，再热后进入第一做功组件2继续做功，直到在第一做功组件2的末端被制冷系统的蒸发热冷凝成液体，然后进行再次循环。做功装置也可以采用膨胀机类的做功装置。

采用这种锅炉类的加热方式，由于不需要像内燃机燃烧那样过高的温度和压力，燃烧后的产物中氮氧化物含量会显著降低，有利于环境保护。

这样进入到第三蒸发器7内的工质会分别进入到第二做功组件8和第一做功组件2进行两次做功，外界热源的能量被利用的更加充分，发电效率更高。

实施例三，一种同工质气体压缩做功装置，如图3所示，包括做功系统和制冷系统，做功系统和制冷系统采用相同工质，做功系统包括第一做功组件2、与第一做功组件2的出口相连的第一冷凝器6、与第一冷凝器6相连的液化/凝华工质池9和与液化/凝华工质池9的出口相连的第一蒸发器1，第一蒸发器1的出口与第一做功组件2相连，制冷系统包括压缩机4、与压缩机4的出口相连的第二冷凝器5和与第二冷凝器5的出口相连的第二蒸发器3，第二蒸发器3的出口与压缩机4的入口相连，做功组件与压缩机4电连接，压缩机4的出口与第二冷凝器5之间形成加热区16；加热区16与第一蒸发器1进行热交换，第二蒸发器3与第一冷凝器6进行热交换。

第一做功组件2是气体绝热膨胀后，部分气体可以产生相变的膨胀机，工质液化或者凝华后进入液化/凝华工质池9。

该系统必须满足以下两个条件：1.制冷系统压缩后气体的温度和压力必须略高于该工质的临界温度和临界压力。2.进入第一蒸发器1的液体工质的密度必须尽可能高。

因为首先只有制冷系统进行跨临界循环，第一蒸发器1内的液体工质才能全部在临界温度附近蒸发，进入超临界状态。超临界状态的压力和温度升高比亚临界状态要高，有利于做功。

其次只有第一蒸发器1内的工质密度足够高，在绝热膨胀后才能够液化，而且密度越高液化的比例越高。

以氮气为例说明，事先制备好液氮，或者制冷系统的压缩机44有足够的压缩能力，可以多级压缩制备液氮。

将液氮注入第一第一蒸发器1和液化/凝华工质池9。在第一蒸发器1内先由外部热源将液氮加热成超临界的过热蒸汽，正常运行时第一蒸发器1与第二冷凝器5换热，靠冷凝热蒸发成气体。过热蒸汽进入第一做功组件2膨胀做功后冷凝成液氮；另一路，液氮经膨胀装置进入制冷系统的第二蒸发器3内，液氮蒸发成蒸汽来冷凝做功系统里剩余没有冷凝的氮气工质，然后被压缩机4压缩后，被压缩后氮气的温度和压力均高于氮气的临界温度和临界压力，进入第二冷凝器5内，在临界温度、临界压力点附近被冷凝成液氮，然后再次开始跨临界循环；或者氮气被冷却后，经过节流后变成液氮。循环过程如图12所示，在气体压缩系统的第二蒸发器3内，液体蒸发由1状态到2状态，由液体变成蒸汽；然后经压缩机4压缩，由状态2到3；然后经一系列的冷却，由气体状态3直接冷凝至4的高压液体，或者冷却到气体状态4后，经节流后冷凝成高压液体，再经过膨胀装置后进入气体压缩系统的第二蒸发器3，变成状态1，再次循环，图中的4到1是前一种的液体4经膨胀到液体状态1和气体4，经节流后成液体，液体再经膨胀后到状态1的简化画法。

此时，做功系统里的液氮在第一蒸发器1内，与制冷系统的被压缩氮气进行热交换。结果第一蒸发器1内的液氮被加热成氮气，再由外部热源加热至更高的温度和压力。然后经第一做功组件2后，部分氮气液化，没有被液化的氮气被制冷系统的第二蒸发器3内蒸发的液氮冷凝成液氮。

制冷系统的液氮在第二蒸发器3内蒸发，然后氮气被压缩机4压缩成高于临界温度和压力的过热氮气，过热氮气进入压缩系统的第二冷凝器5后，与第一蒸发器1内的液氮热交换后冷却，冷凝成液氮后，再次进行跨临界循环。

经过绝热膨胀后，液化的氮气比重越高，越可以保证系统持续工作，并可以从外界吸收更多的热能。

采用的工质不仅限于氮气，也可以是氢气、氦气、氖气等工质。

采用氢气做工质时，如果需要液氢保存的时间较长，需要有另外的液氢处理装置，使仲氢的比例达到要求，保证液氢不会很快气化。此技术属于现有技术，在此不再过多叙述。

采用这种方式，不仅可以做功发电，还可以使用于氢气、天然气的液化，氦气等稀有气体的回收提纯。氢气和天然气的液化需要液氮来冷却，所以液氢、液化天然气和气体液化的生产中采用气体压缩的做功方法，不但可以液化气体，还能发电。

实施例四，一种异工质气体压缩做功装置，其结构与实施例一基本相同，其不同之处在于，如图4所示，R404A、R23制冷系统复叠，R23制冷系统与R14做功系统组成一个系统。R404A和R23复叠可以制冷至-70度，R14做功工质在-70度冷凝，然后液体R14工质在蒸发器中加热，R14的临界温度是-46度，可以加热至常温甚至更高的温度，然后进入做功装置做功。

这样制冷系统能够给做功系统内提供更低的制冷温度，保证进入到第一冷凝器6内的工质能够全部液化，以在后续流入到第一蒸发器1时能够更加高效地吸收外界的热量，提高了做功的效率。

实施例五，一种异工质气体压缩做功装置，其结构与实施例四基本相同，其不同之处在于，如图5所示，R14做功系统上面再复叠一个CO2的做功系统，R14的蒸发器与CO2的冷凝器连接。假定设定CO2做功系统的冷凝温度为-40度，在复叠式机组的冷凝下，R14被冷凝成液体R14。R14进入做功系统的蒸发器内，与CO2做功系统的冷凝器内的气体CO2热交换，CO2被冷凝成液体CO2；液体R14被加热成蒸汽，然后继续被外界热源加热至设定温度后，进入做功装置做功，并被R404和R23的复叠式机组冷凝成液体R14。

实施例六，一种异工质气体压缩做功装置，其结构与实施例一基本相同，其不同之处在于，如图6所示，R404A制冷系统复叠一个小的R245FA或者NH3、CO2等工质的制冷系统，起到一个热泵的效果。将部分压缩机4压缩的R404A工质的蒸汽冷凝，并将冷凝温度提高到100度左右，甚至更高的温度，然后通过与第一蒸发器1连接，将热量传递给第一蒸发器1，提高蒸发温度和压力。

实施例七，一种同工质气体压缩做功装置，其结构与实施例三基本相同，其不同之处在于，如图7所示，利用不同的沸点对多个做功系统复叠，工质沸点最低的做功系统的第一冷凝器6与第二蒸发器3进行热交换。

根据工质的沸点和临界温度，最低级的工质是氦气，然后是氢气。

可以按照工质的物理特性，设置如下的复叠结构：

最低级是氦气系统，包括氦气的做功系统和氦气的制冷系统。在氦气系统之上的依次是氢气、氖气、氮气、氩气、甲烷、R14、CO2等的做功系统，不再需要各自的制冷系统。

每一级的第一蒸发器1与上一级的第一冷凝器6连接，并依次再向上一级的第一冷凝器6连接。即氦气做功系统的第一蒸发器1先于氢气的第一冷凝器6连接，然后再与氖气的第一冷凝器6连接，并依次向氮气、氩气、甲烷、R14、CO2连接。氦气最后的温度升得越高，压力越高，但需要综合考虑做功、技术条件、安全等方面。

氦气的沸点是-269度、临界温度-268度；氢气沸点是-252度、临界温度-240度；氖气沸点是-246度、临界温度-229度；氮气沸点是-195度、临界温度-147度；氩气沸点是-185度、临界温度-122度；甲烷沸点是-164度、临界温度-82度；R14沸点是-128度、临界温度-46度；

在实际使用中，可以按照沸点与临界温度的高低，自由选择做功工质，并根据技术条件，安全条件等综合考虑，蒸发的温度越高压力越高，做功能力越强，但也有耐压容器的成本等需要综合考虑，即使技术条件能够达到，也可以选择较低的温度压力，毕竟安全是第一位的。

在上述的做功系统中，如果都设计成膨胀机式的第一做功组件2，会得到液体工质，提高热机的做功效率。

上述所有的第一做功组件2都可以设计成膨胀机，蒸汽经过膨胀机绝热膨胀后，有部分工质液化，将提高做功的效率，液化得越多效率提高越多。

实施例八，一种同工质气体压缩做功装置，其结构与实施例三基本相同，其不同之处在于，如图8所示，做功系统还包括带有压力的气体源11和与气体源11的出口相连的第三做功组件10，所述第三做功组件10的出口与第一蒸发器1相连，其余的部分送入到收集装置内进行收集。进入第一蒸发器1的液氮，或者液氢，首先用来冷凝制冷系统的被压缩机4压缩的气体工质，使整个系统能够稳定工作。然后盈余的液体工质用来冷凝经过第一做功组件2的待液化气体，气体被液化后流向液化池。

实施例九，一种同工质气体压缩做功装置，其结构与实施例三基本相同，其不同之处在于，如图9所示，本发明的氦气做功系统的液化/凝华工质池9内设有超导体12，液氦首先用来冷凝氦气压缩系统的高压氦气，使整个系统能够稳定工作，然后多余的液氦流入液氦池13，使超导体12完全浸泡于液氦之内。随着少部分液氦蒸发，产生的氦气流入氦气压缩系统的压缩机4入口，被压缩后冷凝成液氦，再次循环。本发明的氦气做功系统，同时与液氢、液氮等系统复叠后与超导体12连接，超导体12能够对沸点较高的做功系统进行有效的制冷，以实现其余的做功系统的有效运行。

正常工作的系统，只将最少量的液氦送到第一蒸发器1、存有超导体12的液氦池13内。即只用于满足系统稳定运行的最低量，多余的液氦也不用于做功，而是留作液氦储备，在超导体12突然失超时，用于冷却超导体12，防止液氦系统因过热而导致液氦大量蒸发，压力过高出现问题。

的氦气绝热膨胀后液化成液氦的技术难度太高，所以也可以按照现有的技术，采用如图10所示的方案。

本发明的液氢和/或液氮系统与氦制冷机147连接，为氦制冷机14提供冷源。氦制冷机14压缩氦气后，由液氢或者液氮来冷却，节流后获得液氦。液氢或者液氮系统冷却压缩后的高压氦气，氦气经节流后形成的液氦送入液氦池139，使浸泡在内的超导体12降低到要求的温度。少量液氦蒸发后形成的氦气，与节流后未液化的氦气一起被压缩，然后被液氢或者液氮冷却，再次节流。

实施例十，一种同工质气体压缩做功装置，其结构与实施例三基本相同，其不同之处在于，如图11所示，与多级做功系统复叠时，压缩机4的入口与第二蒸发器3之间连接有第一换热器15，所述压缩机4的出口与第二冷凝器5之间连接有第二换热器17。而且第一换热器15与其复叠的上级的第一冷凝器6连接，然后再依次向下级的第一冷凝器6连接；第二换热器17与沸点最高的做功系统的第一蒸发器1连接，然后再依次向下一级的第一蒸发器1连接，最后与与之配套的做功系统的第一蒸发器1连接。通过这样热传递的方式，尽可能利用低温多用于冷凝，压缩机4压缩气体后必然温度也要升高，与其在低温处冷却压缩机4做功带来的温升，不如传递到接近常温甚至更高的温度处，作为用于第一蒸发器1蒸发的热源。这样通过在制冷系统上分别设置第一换热器15和第二换热器17来进行换热，并且第一换热器15和第二换热器17能够同时与多个做功系统进行换热，以实现多个做功系统的高效运行。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种异工质气体压缩做功装置，包括做功系统和制冷系统，所述做功系统和制冷系统采用不同工质，其特征在于，所述做功系统包括第一做功组件、与第一做功组件的出口相连的第一冷凝器和与第一冷凝器的出口相连的第一蒸发器，所述制冷系统包括压缩机、与压缩机的出口相连的第二冷凝器和与第二冷凝器的出口相连的第二蒸发器，所述第一蒸发器的出口与第一做功组件的入口相连，所述第二蒸发器的出口与压缩机相连，所述压缩机的出口与第二冷凝器之间形成加热区；

所述加热区与第一蒸发器进行热交换，所述第二蒸发器与第一冷凝器进行热交换，所述做功系统内工质的沸点低于制冷系统内工质的沸点，所述做功系统的工质能够被制冷系统的工质冷凝。

2.如权利要求1所述的一种异工质气体压缩做功装置，其特征在于，所述做功系统还包括第三蒸发器和第二做功组件，所述第一蒸发器为低压蒸发器，第三蒸发器为高压蒸发器，所述第三蒸发器的出口与第二做功组件相连，所述第二做功组件的出口通过加热区与第一做功组件的入口相连，所述第一做功组件为低压做功组件，所述第二做功组件为高压做功组件。

3.如权利要求2所述的一种异工质气体压缩做功装置，其特征在于，所述制冷系统复叠至少两组，每组制冷系统内采用不同的工质进行制冷，所述做功系统的第一冷凝器与工质沸点最低的制冷系统的第二蒸发器进行热交换，工质沸点较低的所述第一蒸发器与工质沸点较高的做功系统的加热区进行热交换。

4.如权利要求1所述的一种异工质气体压缩做功装置，其特征在于，所述做功系统复叠至少两组，每组做功系统均采用不同的工质进行做功，并且工质沸点较低的做功系统的第一蒸发器与工质沸点较高的做功系统的第一冷凝器进行热交换，工质沸点最低的做功系统的第一冷凝器与第二蒸发器进行热交换。

5.如权利要求1所述的一种同工质气体压缩做功装置，其特征在于，所述的做功系统位于运载装置上，为运载装置提供动力。

6.一种同工质气体压缩做功装置，包括做功系统和制冷系统，所述做功系统和制冷系统采用相同工质，其特征在于，所述做功系统包括第一做功组件、与第一做功组件的出口相连的第一冷凝器、与第一冷凝器相连的液化/凝华工质池和与液化/凝华工质池的出口相连的第一蒸发器，所述第一蒸发器的出口与第一做功组件相连，所述制冷系统包括压缩机、与压缩机的出口相连的第二冷凝器和与第二冷凝器的出口相连的第二蒸发器，所述第二蒸发器的出口与压缩机的入口相连，所述压缩机的出口与第二冷凝器之间形成加热区；

所述加热区与第一蒸发器进行热交换，所述第二蒸发器与第一冷凝器进行热交换，所述压缩机流出的工质温度和压力高于该工质的临界温度和压力。

7.如权利要求6所述的一种同工质气体压缩做功装置，其特征在于，所述做功组件复叠至少两个，工质沸点较低的做功系统的第一蒸发器与工质沸点较高的做功系统的第一冷凝器进行热交换，所述制冷系统的工质与工质沸点最低的做功系统的工质相同，工质沸点最低的所述做功系统的第一冷凝器与第二蒸发器进行热交换。

8.如权利要求7所述的一种同工质气体压缩做功装置，其特征在于，工质沸点最低的做功系统的液化/凝华工质池连接有存储相同工质的液体池，所述液体池内浸泡有超导体，所述超导体与其余的多个做功组件的液化/凝华工质池均相连。

9.如权利要求7所述的一种同工质气体压缩做功装置，其特征在于，所述做功系统还包括带有压力的气体源和与气体源的出口相连的第三做功组件，所述第三做功组件的出口与第一蒸发器相连，气体与第一蒸发器换热后，变成液体流入该气体工质的收集装置内。

10.如权利要求7述的一种同工质气体压缩做功装置，其特征在于，所述压缩机的入口与第二蒸发器之间连接有第一换热器，所述压缩机的出口与第二冷凝器之间连接有第二换热器，所述第一换热器依次与每个做功系统的第一冷凝器进行热交换，所述第二换热器依次与每个做功系统的第一蒸发器进行热交换。