CN113898431A - 一种高效率热能转化方法及装置 - Google Patents

Abstract

目前，热力发电的效率一般在35%左右。因此，提高热力发电的效率，对国民生产有着重要意义。本发明提出一种东点循环的新的热力循环方式，并基于该循环方式设计了基本的热力循环装置。东点循环中，首先使用特殊工质A，该工质可在一定条件下至少分解为工质R及工质L，且分解后的工质R及工质L在一定条件下重新形成工质A时吸收外部热量。其次，在循环中，将分解后的工质R分解为至少两个流Y1和Y2，利用流Y1与工质L混合，流Y2对外做功。流Y2按照卡诺循环方式循环，流Y1吸收流Y2卡诺循环中释放的热量，实现流Y1的冷却。此后，混合流Y1及流Y2，重新形成工质A。在此基础上，设计了基于东点循环的转换装置，包括外部热源、工质、加热装置、热交换装置、功率输出及压缩装置、连接管道及阀门、控制器等。

Description

一种高效率热能转化方法及装置

技术领域

本发明涉及能量转换领域，尤其涉及由热能到机械能的转换领域。

背景技术

热力发电是我国目前电能供给的主要来源。目前，热力发电的效率一般在35%左右，其余的热能都由冷却装置带走，造成了大量的能量浪费。为提高热电转化效率，有多种实施途径。如通过材料的热电效应直接实现热电转换等，这类效率目前最高在15%左右，整体效率仍然偏低，热能浪费情况严重。因此，一种高效的热能转换方法及装置对我国国民生产有着重要意义。

根据卡诺循环，气体对外做功的过程分为四个阶段，分别为1）等温吸热，2）绝热膨胀，3），等温放热，4）绝热压缩。整个系统对外做功的多少取决于过程2）与过程4）的能量差。理想状态下，希望过程3）散热尽可能少，过程4）的气体体积尽可能小，以尽量提高系统的工作效率。实际的卡诺循环中，通过尽可能拉大气体工作的最高温及最低温来提高整个系统的工作效率。

Rankine循环为水蒸气做功的经典循环过程。在Rankine循环过程中，对于膨胀后的耗尽流，不论其温度为多少，所含热量多少，都需要有一个冷凝过程。在该过程中，需要向外部散热。正是由于该过程的存在，导致整个Rankine循环中，热效率始终无法有效提高。

将本发明所提出的循环过程命名为东点循环。在东点循环过程基本按照Rankine循环过程执行。但在Rankine循环的工质冷凝中，东点循环利用多种工质R与工质L相互混合时吸收热量的特性，吸收耗尽流中的全部或部分能量。

本发明提出一种热能循环方法东点循环，及基于东点循环的热能循环装置。该方法及装置热能利用率高，可以有效减少热力发电过程的能量浪费。

发明内容

本发明的特征为，采用特殊工质A作为初始工作工质。所述工质A为一种或多种物质的混合。在温度压力变化、电磁诱导、化学催化等情况下，工质A通过物理或化学的反应生成至少工质R和工质L。工质R为一种或多种物质的混合，工质L为一种或多种物质的混合；通过温度、压力、浓度、电磁环境等控制，工质R和工质L至少有一种可转变为气相。工质R与工质L在同样温度、压力、浓度、电磁环境或催化等条件下，通过物理或化学的反应，形成工质A，并吸收外部热量。具有这类特点的工质较多，如硝酸钾的水溶液，在硝酸钾溶解于水的过程中吸收外部热量；苯酚和四氯化碳溶液，在溶解时吸收外部热量；重铬酸钾溶于水时也可以吸收大量外部热量。这些物质的混合溶液都可以作为工质A，其两个组成部分分别为工质R和工质L，并通过控制温度，使其中沸点较低的一方变为气态。

工质A的工作循环过程为： 初始态A处于任意状态。高温工作态：A从初始态经温度，压力调节后进入高温工作态，此时A处于高温工作温度和高温压力下，A为非气相或气相与非气相的混合物。

所述高温工作态与低温工作态是相对A的工作温度而言，并非相对自然界的温度而言。如对于溶于液氮的物质而言，液氮的沸点温度可作为高温态，此时的高温态温度约零下二十度左右，但对于常温而言，其温度仍然较低。

所述工质A及工质R、工质L按下列东点循环过程进行循环：

1) 工质A接收外部热量、辐射、电离等刺激，或在温度压力的调节下发生物理或化学的反应，至少生成气相的工质R及工质L；工质L可为气相或非气相；

2）工质R及工质L的一部分或全部体积膨胀，对外做功，处于膨胀后的低压低温下；

3）分离工质R及工质L，并将工质R分为压缩部分Y1和非压缩部分Y2；

4）外部压缩工质R，工质L的压缩部分Y1，使其部分恢复为非气相或气相与非气相的混合物；

5）压缩部分Y1与非压缩部分Y2进行热交换，但不混合，非压缩部分Y1持续对外做功，直至压缩部分Y1与未压缩部分Y2达到热平衡，切Y1成为一耗尽流；

6）压缩部分的工质Y1和工质L混合，通过温度、压力、电磁环境控制等，使Y1与工质L产生物理或化学的反应。由于工质的热特性，此时混合物从外部吸热。未压缩部分工质Y2与混合物热交换，降低未压缩部分工质Y2的温度及压力；

7）将Y1和工质L的混合物与工质Y2 再次混合，通过温度、压力、电磁环境控制等，使Y2与工质L产生物理或化学的反应，重新压缩形成新的工质A；

8）压缩后的工质A再次进入初始态或高温工作态，重新开始循环。

东点循环中，工质R与工质L相互混合时具有吸收外部热量的特性。在步骤6中，工质R及工质L混合，吸收耗尽流中的全部或部分能量。在Rankine循环中，该部分的能量通过外部冷凝，向外部释放热量。在东点循环中，部分热量被工质R及工质L的混合体回收，降低了工质R及工质L混合体的温度及压力，减少了外界将工质R及工质L混合体变为高温高压工质A的能量需求。从而使得膨胀过程中工质R及工质L对外做功多，而压缩过程中外界对工质R及工质L做功少，使得外界获得净能量输出。由于东点循环中减少了向外界环境释放的能量，故东点循环能够提高整个循环过程的能量转化效率。

过程3）中，基本要求是将工质L及工质R分解为压缩部分Y1和非压缩部分Y2。也可将工质L及工质R分解为3个及以上的更多流，并将其中部分流按照东点循环过程循环，另一部分流对外散热，或参与其他循环。

在过程5的热交换过程中，可以仅使用Y1与Y2进行热交换，也可使用Y2或工质L、步骤2中未转化完全的工质A或其余工质与Y1进行热交换，吸收Y1的相变热。

在东点循环中，可以利用过程2）与过程4）、过程6）的做功差，获得外界的净输出功。也可以在必要时，将工质R及工质L通过冷凝的方式对外散热。对外散热可进一步加快工质R及工质L再次合成为工质A的过程。

从未压缩部工质Y2看，工质Y2在气化后的过程是一个典型的卡诺循环过程。在步骤5中，工质流Y2吸收来源于流Y1的外部热量，对外做功。步骤6中，工质流Y2在工质流Y1与工质L混合后，工质流Y2降温。步骤7中，工质流Y2与工质流Y1重新混合，形成一个新的循环过程。

从压缩部分工质Y1看，其过程是一个典型的气化、液化的往复过程。气化过程中，吸收的热量来源于初始工质A，即工质L与工质R的混合热、工质A的初始热量；液化过程中，将液化热通过热交换的方式传递给工质流Y2。

上述东点循环可用于独立循环，也可在循环过程中向环境释放热量。如，在循环过程的过程6中，可向外部释放部分热量，以加快整个循环过程。

多类物质或其组合可作为初始工质A，并根据工质A的性质，可以设定整个东点循环的高温高压及低温低压的温度及压力。其压力及温度可能高于常温常压，也可能低于常温常压。

所述工质A为固体与液体的混合物或液体与液体的混合物，且两者在混合过程中吸收外部热量。如固液混合物中，工质A为硝酸钾、硝酸铵、硫酸铁钾等的饱和水溶液，工质R为水蒸气，工质L为硝酸钾。Y1及Y2分别为部分水蒸气。液液混合物种，如工质A为苯加四氯化碳饱和溶液，工质R为苯蒸气，工质L为四氯化碳，Y1及Y2为部分苯蒸气。

实现上述东点循环的装置有多类，工质A可使用多种外部热源进行加热，包括各种电力厂废热，以及可能的热水等热源。这类热源指的是温度高于工质A工作的高温温度的一切热源。

东点循环的实现装置中，至少包括外部热源、工质、加热装置、热交换装置、功率输出及压缩装置、连接管道及阀门、控制器。

所述控制器至少包含一个传感器，用于监视加热装置、装置中的温度及压力，并由控制器根据传感器的数据，控制阀门的开关闭合，实现对整个循环过程的控制。

在整个循环过程中，首先由加热装置通过吸收外部热源的热量，对工质A进行加热，以达到设定的工质A的工作压力及工作温度。加热装置可采用锅炉等形式对工质A进行加热。

加热后的工质A可在锅炉中或独立的推力室中进行膨胀分解，以形成分解后的工质R及工质L。通过控制工质A在推力室或锅炉中的压力，或对A进行催化或诱导，实现工质A的分解。

分解后的工质R及工质L部分或全部推动功率输出装置做功，实现对外界的功率输出。工质R及工质L部分或全部为气体，在工质A部分或完全分解后产生，体积对外膨胀，推动功率输出装置，对外部做功。功率输出装置可选用活塞、涡轮等方式实现气体膨胀过程的功率输出。

膨胀后的工质R及工质L的部分或全部在管路阀门的控制下，分为压缩部分Y1和非压缩部分Y2。通过压缩装置，对压缩部分Y1进行压缩。压缩装置选用活塞形式，通过外部驱动活塞运动，压缩Y1部分工质的体积，直至其温度与工质A的初始温度一致。

热交换装置用于实现工质Y1和工质Y2的热量交换，其主要形式包括大量管路等形式，管路材料选用具有良好导热性的材料，如铜等材料。管路内部为工质Y1，外部为工质Y2。热交换过程分为2个步骤进行，第一步为压缩Y1过程，此时工质Y1向工质Y2传递热量，直至两者达到热平衡，Y1在外部压力下变为液体。在此过程中，Y2同时对外膨胀，推动功率输出装置，对外部做功。控制器判定Y2与Y1达到热平衡，且Y1完成相变后，通过管路阀门系统将工质L运送到指定位置，准备混合工质Y1及工质L。第二步为混合工质Y1及工质L的过程。此时，Y1温度降低，通过Y2吸收热量，直至Y1与Y2达到热平衡。

控制器判定Y2与Y1达到热平衡，开始启动压缩装置，压缩冷却后的Y2，混合冷却后的Y2、Y1与工质L的混合物。混合时，可直接将Y2通过管路压缩到Y1的工作室中，也可通过其他工作室，将Y2压缩后再混合两者。

Y2与Y1混合完成后，由控制器再次将混合物通过管路阀门系统输送到加热装置。

管路阀门系统中包括工质R及工质L的输送管路、流动控制阀门等设备。

可选地，在所述装置中，还包括工质A的分解产物工质R及工质L的分离过滤设备，用于分离及转移工质R及工质L，并转移向其他工作室。典型如通过滤网过滤硝酸钾溶液的析出物硝酸钾，并通过传送带等方式传送到其他工作室。

上述功率转换装置为实现东点循环的典型装置。也可按照东点循环的步骤，在每一个步骤中有一个独立的工作室。加热室用于实现工质A的加热；分离室用于控制工质A的温度、压力，通过电磁诱导、催化剂催化等方式，实现工质A分解为工质R及工质L；压缩室分别用于工质R分解的第一压缩流Y1和第二压缩流Y2的压缩及做功，并通过热交换装置进行热交换；冷凝室用于工质Y1与工质L的第一步混合和热交换；混合室用于工质Y1的混合物与工质Y2的第二次混合；加压室用于混合物的加压及注入到锅炉。

附图说明

图1典型实施例下的热能转化装置原理图

图2工质循环过程图

实施例

下面结合具体实施例说明本发明的具体实施过程，本实施例为本发明的一个具体实现，不应视为对本发明的约束。

图1给出了本发明的一个实施例，本实施例中，采用的工质A为硝酸钾饱和水溶液。初始态，硝酸钾饱和水溶液101位于锅炉202中，由外部热源201给锅炉202内的硝酸钾饱和水溶液101加热。通过压力控制阀203，控制锅炉202内的压力。

通过单向阀门及管路301，将部分硝酸钾饱和水溶液101导入分离室402内。分离室402维持在较低压力下。在此情况下，过热的硝酸钾饱和水溶液101在402内分离成气、固、液三相。其中，气体为水蒸气102，推动活塞401向外部做功；液体部分为因温度下降而浓度下降的饱和硝酸钾水溶液101；固体部分为析出的硝酸钾固体103。

分离室402内的气态水蒸气102经管路及阀门302后，分成第一气体流104和第二气体流108两个气体流，分别进入工作室501和工作室504。在工作室501内，外部电机通过活塞502压缩第一气体流104，并驱使第一气体流104进入热交换管道505。第二气体流108通过热交换管道506，吸收第一气体流104在压缩液化时释放的相变热，体积膨胀，并推动活塞503运动，实现向外部做功。

在第一气体流104与第二气体流108达到热平衡，且第一气体流104实现完全液化后，通过管路及阀门系统303，将第一气体流104液化后形成的液化水导入工作室601，并由活塞602控制工作室601内部的压力。此时，将分离室402内形成的硝酸钾固体103通过管路加入液化水105中，形成饱和硝酸钾水溶液105。由于硝酸钾的溶解特性，此时104系统温度降低，由活塞602驱动饱和硝酸钾水溶液在管路605中运动，与管路606进行热交换。

第二气体流108通过管路及阀门系统304导入工作室603后，由活塞604维持工作室603内的压力，并驱动第二气体流108流经热交换管路606，与热交换管路606进行热交换，直至热平衡。此后，活塞604进一步压缩第二气体流108，直至形成汽水混合物106.

通过管路阀门系统305，将混合后饱和硝酸钾水溶液105导入混合室701；通过管路阀门系统306将汽水混合物106导入混合室701；通过管路阀门系统307将分离室402内剩余的饱和硝酸钾水溶液101导入混合室701，在混合室701内，将上述物质混合，重新形成饱和硝酸钾水溶液及部分未溶解的硝酸钾工质107。

通过管路及阀门系统308，经由泵309的加压，将饱和硝酸钾水溶液及部分未溶解的硝酸钾工质107重新导入锅炉202，开始下一循环。

图2给出了整个循环过程中，饱和硝酸钾水溶液101(工质A)的变化过程。在锅炉202内，工质A接受外部热源加热，此后在分离室402内分解，形成水蒸气（工质R）、固态硝酸钾（工质L），根据温度差，还有可能形成部分低温硝酸钾饱和溶液（工质A）。此后，水蒸气（工质R）分解为2个水蒸气流（工质Y1和工质Y2）。此后，对第一水蒸气流(工质Y1)进行压缩，第二水蒸气流（Y2）吸收第一水蒸气流(工质Y1)压缩相变过程释放的热量，并对外做功。热平衡后，混合第一水蒸气流(工质Y1)与固态硝酸钾（工质L），并吸收第二水蒸气流（Y2）的热量，降低第二水蒸气流（Y2）的温度及压力。此后，压缩第二水蒸气流（Y2）与第一水蒸气流(工质Y1)的饱和溶液达到热平衡。再次将第一流形成的饱和溶液与第二流混合，形成新的工质A，并送入锅炉，开始下一轮循环。

假定锅炉中的工作压力为16atm，初始态硝酸钾的饱和水溶液的温度为200摄氏度，含100g水。此后，溶液压力变为1atm。此时，系统对外做功5.41kJ，形成水蒸气15.2L。将此15.2L水蒸气分解为12.2L的第一流和3L的第二流，对第一流进行压缩，第二流吸收第一流的热量对外做功。此过程中，压缩第一流消耗能量4.81kJ，第二流对外做功2.4kJ。再次混合第一流和第二流，并压缩第一流和第二流，至16atm，共消耗能量2.1kJ。由此整个循环过程中，外界压缩工质消耗总能量约6.9kJ，工质对外做功约7.8kJ，获取净能量约0.9kJ。

对比直接采用Rankine循环的过程，本发明中的对外功率输出较小，约为Rankine循环的10%左右。但本发明的特点在于，整个循环过程中不需要向外部散热，因此热量向能量的转化效率较高。忽略系统的工质转运能量消耗时，本发明的能量转化效率接近100%。

Claims (9)

1.一种高效率热能向机械能转化的方法，其特征在于，所述系统按照下列东点循环的方式进行工质循环： a. 工质A接收外部热量、辐射、电离等刺激，或在温度压力的调节下发生物理或化学的反应，形成至少两种工质R及工质L；通过控制外界温度压力等条件，使得至少工质R为气相； b. 工质R及工质L的一部分或全部体积膨胀，对外做功 c. 将气相的工质R或工质R及工质L混合物分为压缩部分Y1和非压缩部分Y2； d. 外界压缩压缩部分Y1，使其部分恢复为非气相或气相与非气相的混合物 e. 非压缩部分Y2吸收压缩部分Y1压缩过程释放的热量，持续对外部做功，直至热平衡； f. 压缩部分Y1与工质L混合，通过温度、压力、电磁环境控制或催化等，使Y1与工质L产生物理或化学的反应，并吸收非压缩部分Y2的热量g. 非压缩部分Y2压缩后再与工质Y1与工质L混合物混合，或非压缩部分Y2工质Y1与工质L混合物混合后再压缩，通过温度、压力、电磁环境控制或催化等，使Y2与工质L产生物理或化学的反应， h. 重新形成工质A，加热工质A，返回步骤a，开始下一轮循环。

2.基于权利要求1所述的系统，其特征在于： a. 采用特殊工质A作为东点循环的工作工质；工质A为一种或多种物质的混合； b. 工质A在温度压力变化、电磁诱导、化学催化等情况下，工质A通过物理或化学的反应生成至少工质R和工质L c. 工质R为一种或多种物质的混合，工质L为一种或多种物质的混合； d. 通过温度、压力、电磁环境等条件控制，工质R和工质L至少有一种可转变为气相 e. 工质R与工质L混合后，通过物理或化学的反应，形成工质A，并吸收外部热量。

3.基于权利要求1~2所述的东点循环，其特征在于，所述过程c中，可将工质R及工质L分解为3个流或更多流，并选择其中一部分按东点循环过程循环。

4.基于权利要求1~2的循环系统，可在循环的过程e）、过程f)中插入向外部释放热量的冷凝过程，以加快循环过程。

5.基于权利要求1所属的东点循环，其特征在于，在过程f）的热交换过程中，可以仅使用Y1与Y2进行热交换，也可使用Y2或工质L、步骤2中未转化完全的工质A或其余工质与Y1进行热交换，吸收Y1的相变热。

6.基于权利要求1所述的东点循环，其特征在于，工质A的循环高温温度压力及低温温度压力取决于工质A的分解物工质R及工质L的沸点及压力。

7.一种用于实现上述东点循环过程的热力装置，至少包括外部热源、工质A、加热装置、热交换装置、功率输出及压缩装置、连接管道及阀门、控制器： a. 外部热源，温度高于工质A工作的高温温度的热源，用于加热工质A，保证其工作的温度； b. 工质A，满足东点循环的工质特性要求，用于循环做功的工质； c. 加热装置，包括锅炉等设备，用于提供工质A的加热环境； d. 热交换装置：包括热管道等，用于实现工质循环过程的热交换； e. 功率输出及压缩装置：包括涡轮、活塞等设备，用于实现工质与外界的能量交换； f. 控制器用于监视整个装置的工作状态，控制管路及阀门的开关。

8.基于权利要求7所述的系统，还可包括工质的分离过滤装置。

9.基于权利要求7所述的系统，还可包括多个工作室，分别用于实现东点循环中的过程a~过程h。

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