WO2022257444A1 - 二元工质热能动力装置 - Google Patents
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Abstract
二元工质热能动力装置涉及工程热物理和节能技术领域，包括缸筒和活塞，所述缸筒的上下端封闭，活塞可上下移动地置于缸筒内的上方空间，缸筒内于活塞下方设有换热器，换热器设有进出口与外界连通，缸筒内注有二元工质溶液与换热器接触换热，向换热器注入热工质时，二元工质吸热释放出气体推动活塞上行，向换热器注入冷工质时，二元工质放热降温并吸收气体冷凝热使活塞下行。本装置具有结构简单、耗电及冷却液少、可靠性高等优点；换热器工作在变温加热与变温冷却交替换热过程，且加热与冷却之间采用延迟切换，使二元工质的气化潜热和饱和温度变化释放出的热量回收重复利用。
Description
本发明涉及工程热物理技术和节能技术领域，特别涉及二元工质热机和二元工质热泵组成的二元工质热能动力装置。
化石能源一级利用的火力发电厂、内燃机及钢铁水泥等工业燃炉企业均伴有巨量的100～200℃左右的中低温余热；中低温能源二级利用技术的各种膨胀机、制冷设备以及电驱动的热泵装置，或存在造价高、投资回收期长，或装置复杂庞大且热效率低等问题而不能得到广泛推广应用，且余热能的温度越接近环境温度，回收利用难度就越大、成本就越高。目前，中低温热量除部分回收用于冬季采暖、物料干燥或生活热水等能源的三级利用外，其余大部分均随烟汽水等排放至环境中，不但造成浪费，还形成碳热排放的温室效应，甚至伴随有害气体排放。为实现能源的梯级高效利用并补足能源二级应用短板，必须解决中低温热能的二级应用达到一级利用的效果，并为三级应用创造条件，开发一种新的中低温热源驱动的热机和热泵等新型热能动力装置，对节能减排和提高能源综合利用效率意义重大并能促进“双碳”目标。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述问题，利用二元工质的饱和温度特性和汽化冷凝的温压特性，提供一种采用沉浸换热器对二元工质进行变温加热和变温冷却交替延迟切换换热，使二元工质处于被加热就膨胀、被冷却就收缩的交替运行工作过程，由此产生强大的膨胀力以推动活塞对外做功，同时将收缩形成的冷凝热等回收重复利用，实现中低温热能高效高级利用的新型二元工质热能动力装置。
本发明的技术解决方案是：二元工质热能动力装置，包括缸筒和活塞，所述缸筒的上下端封闭，活塞可上下移动地置于缸筒内的上方空间，缸筒内于活塞下方设有沉浸式换热器， 沉浸式换热器设有进出口与外界连通，缸筒内注有二元工质溶液与沉浸式换热器接触换热，向沉浸式换热器注入热工质时，二元工质吸热释放出低沸点蒸汽膨胀推动活塞上行，向沉浸式换热器注入冷工质时，二元工质放热降温并吸收低沸点蒸汽冷凝收缩使活塞下行。
本发明的技术效果是：本装置主要由缸筒活塞、沉浸式换热器和二元工质构成，通过换热器的冷热交替变温换热，使二元工质在膨胀与收缩之间变化运行进而推动活塞往复移动对外做功；与此同时，通过换热器的加热与冷却之间的延迟切换，使二元工质的气化潜热和饱和温度变化释放出的热量回收重复利用，本热能动力装置的热效率达到60％以上的余热利用最佳水平；此外，本装置无需抽真空和精馏分凝设备、也无结晶和冰堵等问题，装置具有结构简单、耗电及冷却液少、可靠性高等优点；氨水等二元工质价廉用广、缸套活塞工艺成熟、换热器工作温度不超过200℃且可采用盘管式或直立套管式或沉浸螺旋板式等成熟技术。中低温热能通过本装置不但可以转换成热泵的气体压缩功能以提高发动机进气压力、压缩空气储能、天然气的管道输送等，和液体压缩功能以进行水的管道输送和水储能、石油管道输送、液压油压缩推动机械工作等，以及压缩制冷剂以实现余热制冷、太阳能空调、空气源热泵和水源热泵以及低温热回收制热等；还可以转换成低转速的热机并通过提速发电或机械拖动；本装置的冷源散热可用于采暖和热水，实现中低温热能的高效梯级利用。
图1为本发明二元工质热机的结构示意图；
图2为本发明二元工质热泵的结构示意图。
实施例1：
如图1所示的二元工质热机，包括缸筒1和活塞2，所述缸筒1的上下端封闭，活塞2可上下移动地置于缸筒1内的上方空间，缸筒1内于活塞2下方设有换热器3，换热器3设有进出口与外界连通，缸筒1内注有二元工质溶液与换热器3接触换热，通过进出口向换热器3注入热工质时，二元工质吸热释放出蒸汽推动活塞2上行，向换热器3注入冷工质时，二元 工质放热降温并吸收蒸汽冷凝热使活塞2下行。交替向换热器注入冷热工质，如此不断往复循环可推动活塞运转。
所述活塞2顶部设有用于向外界输出功的活塞杆4。通过活塞杆与外界的曲轴等部件连接，可将活塞的上下往复运动做功转变成旋转做功向外输出功率。
所述活塞2下方设有若干随活塞移动的喷淋头12，喷淋头12通过管路和喷淋泵13连接，可将低温稀浓度的二元工质抽到上方由喷淋头12向下喷淋。管路可经活塞杆接出，可将稀浓度的二元工质冷却后泵到上方由喷淋头向下喷淋来吸收汽化蒸汽以降低二元工质的膨胀压力。喷淋头也可以设在活塞下方的腔体。
活塞上方的空间内可设置有弹簧抵在活塞的顶面。在二元工质被加热汽化并向上推动活塞做功时，弹簧用于储能，之后蒸汽凝结的过程，弹簧再将能量释放出来向下推动活塞。
换热器是沉浸式换热器，采用盘管式或直立套管式或沉浸螺旋板式等承压高的并与缸筒相适应的环型结构。
二元工质溶液为两种或两种以上不同沸点的物质组成的二元或多元混合溶液，其是以低沸点的组分为汽化剂、高沸点的组分为吸收剂，汽化剂与吸收剂有极强的互吸性。
二元工质中的汽化剂(即制冷剂)对中低温热源十分敏感，如氨的标准蒸发温度为-33.3℃，氨的温度达50℃时膨胀压力达20atm、达到90℃时可产生50atm、达到130℃时可产生100atm；氨水是一种常用的二元工质溶液，常温下一个体积的水可溶解约700倍体积的氨蒸汽，水对氨的吸收性极强。
实施例1的二元工质热能动力装置(热机)工作过程：
本发明的沉浸式换热器进出口通过三通阀与外部的热源和冷源分别接通，外部热源由发动机等一级用能后的余热或太阳光热能提供并向沉浸式换热器注入热工质，外部冷源是一个换热冷却装置并向沉浸式换热器注入冷工质，冷工质与热工质是同一种载热流体。
向换热器注入热工质时，换热器上部进口接通外部热源、其下出口接通外部冷源，热工质通过换热器加热二元工质溶液使低沸点工质汽化产生膨胀压力并推动活塞上移，之后热 工质流进外部冷源，此过程中，二元工质溶液的饱和温度伴随其浓度的降低而逐渐升高且升高的斜率变化较大，以形成二元工质溶液的加热汽化过程是升温升压过程，同时为保证一定的传热温差也要求热工质的温度也逐渐升高即变温加热，当热工质的温度升高至冷源的最高温度时，应将换热器下出口切换至外部热源并继续加热运行至二元工质溶液浓度最低(稀溶液)、膨胀压力最大、活塞至上止点既为加热过程结束；加热过程的前期多数时间，外部热源提供的大部分热能用于二元工质溶液饱和温度提升和低沸点工质的汽化，还有少部分热量随热工质进入外部冷源，后期少数时间用外部热源进行循环升温加热。
所述在外部热源向换热器注入热工质的加热过程，前期多数加热时间中的热工质流入外部冷源里，后期少数加热时间中的热工质流回热源以继续循环加热升温。
向换热器注入冷工质时，将换热器下部出口切换接通外部冷源，启动冷源的冷工质从下出口进入换热器冷却并推动冷工质返流回外部热源，在换热器的下部冷却刚开始时，因二元稀溶液的饱和温度高于冷工质温度而被冷却，并由喷淋泵抽至活塞下部喷淋吸收汽化蒸汽，吸收汽化蒸汽的二元稀溶液成为二元浓热源且温度升高，再由换热器的上部换热降温逐渐下沉，最终全部成为二元浓溶液，与此同时，蒸汽的冷凝热和二元溶液被冷却使饱和温度降低所释放出来的热量均被冷工质送回热源；当二元溶液的饱和温度降至外部热源的最低温度(热源初始加热温度)时，再将换热器上入口切换至外部冷源并继续冷却至二元工质溶液浓度最高(浓溶液)、膨胀压力最小、活塞回至下止点既为冷却过程结束；冷却过程的前段时间，冷源工质除将高温冷凝热和饱和温度降低所释放出来的热量回收至热源外，还将加热过程多进入冷源的载热传质再由冷源推动流回至热源，而后期末段时间用外部冷源进行循环冷却掉的热量、与加热过程多进入冷源的传质被冷却掉的热量之和为外部冷源热损失；冷却全过程的二元工质溶液的饱和温度也伴随其浓度的升高而逐渐降低且变化斜率较大，以形成二元工质的冷却冷凝过程是降温降压过程。
所述在外部冷源向换热器注入冷工质的冷却过程，前期多数冷却时间中的冷工质流入外部热源里，后期少数时间中的冷工质流回冷源以继续循环冷却降温。
所述注入热工质的加热过程和注入冷工质的冷却过程为变温换热，其二者之间采用延迟切换方式，以回收冷凝热能和二元工质饱和温度变化释放的热能重复利用。
本发明的沉浸式换热器是在变温加热方式与变温冷却方式之间交替工作并延迟切换，即沉浸式换热器工作在变温换热且加热与冷却之间采用延迟切换。因缸筒内一定浓度的二元工质溶液的汽化或冷凝过程是升温升压或降温降压过程，且其饱和蒸汽压力曲线斜率较大，在保持一定的传热温差下，要求加热的热源温度高于对应的二元工质溶液的饱和温度且不低于其冷凝温度，并随二元工质溶液饱和温度的升高而对应逐渐升高；同样要求冷却的冷源温度低于对应的二元工质蒸汽的冷凝温度且不高于其饱和温度，并也要随二元工质溶液的饱和温度降低而逐渐降低，由此形成本发明的换热器的一种特殊加热和冷却方式-即变温加热和变温冷却，其不但形成较大幅度的温升或温降变化，而且形成换热器运行时的冷工质的初始温度高于热工质的初始温度，这个技术特性也正是冷凝热等回收再利用的理论依据；本发明是通过延时切换换热器上下的三通阀，使冷源工质推动高温冷凝热和饱和温度降低释放出的热量回收至热源，多进入热源的传质再由热源推动流回至冷源，所以本发明的换热器不但在变温加热和变温冷却交替过程中工作，而且换热器的外部热源和冷源的工质相同并采用相互延迟切换工作以使二元工质的气化潜热和饱和温度变化释放出的热量回收重复利用；冷源主要调节二元工质随压力变化的溶液饱和温度及末期的冷却过程，外部冷源散出的热量可用于采暖或生活热水等三级应用，所以本装置的热效率达到60％以上的余热利用最佳水平。
综上所述，本发明的沉浸式换热器工作在变温加热与变温冷却交替换热过程，且加热与冷却之间采用延迟切换，以实现中低温热能高效利用。
本发明中，由低温工质蒸汽形成膨胀压力使活塞产生向上移动的机械能，所以活塞也称为动力活塞，活塞上面的空间在其上下往复移动时可产生压缩和抽吸作用，即形成泵的功能；还可在活塞的上面或下面向上或向下用活塞杆来输出动力。
实施例2：
如图2所示的二元工质热泵，与实施例1不同的是，所述缸筒1内设有隔板5将缸筒1分隔 成上下两个腔室，活塞2和换热器3设在上方腔室内，下方腔室内设有下活塞6，活塞2和下活塞6之间连接有活塞杆4，活塞杆4穿过隔板5并与其形成密封的滑动连接，缸筒1的顶部和底部分别设有进孔7和出孔8，且缸筒1外设有连通管路9将活塞2上方的空间和下活塞下方的空间连通，在进孔7、出孔8和连通管路9两端处设置单向阀10，通过活塞2和下活塞6上下移动可以达到泵送流体的功能。
所述下活塞6上方的空间内设置有弹簧11抵在下活塞6的顶面。在二元工质被加热汽化并向上推动活塞做功时，弹簧用于储能，之后蒸汽凝结的过程，弹簧再将能量释放出来，向下推动活塞压缩腔内的工质。
所述下活塞6上方的空间内还可以充注较低绝热指数的气体，与弹簧一并用于储能并对滑动连接起到密封作用。与所述喷淋头12连接的管路中还可设有外置换热器14，以进一步降低低浓度二元工质喷淋溶液温度。
隔板5上设有二元工质出口，二元工质溶液中沉浸有换热器，换热器进口和出口穿过上缸筒或隔板5与下缸筒分别与三通阀连通用于切换冷热介质。活塞下面设置有喷淋头，喷淋头通过活塞杆4、软管及管路连接喷淋泵和二元工质出口并组成喷淋系统，用于抽吸低温稀二元工质溶液向蒸汽喷淋并吸收冷凝。
实施例2的二元工质热能动力装置(热泵)工作过程：
本发明的二元工质热泵的活塞工作过程与实施例1的热机工作过程一样，不同处是有上下两个流体抽压腔，即上抽压腔和下抽压腔，通过上下进出孔和连通管路两端设置的单向阀的方向不同，形成两种热泵工作过程，第一种是间断泵送、第二种是连续泵送。
二元工质热泵间断泵送工作过程：如图2所示二元工质热泵为间断泵送，向换热器注入热工质时产生了上抽压腔压出流体和下抽压腔抽吸流体，使流体从上抽压腔移至下抽压腔内并有弹簧储能的工作过程；向换热器注入冷工质时，形成了储能释放并产生上抽压腔从外部抽吸流体和下抽压腔压出流体的效果，从而完成流体被挤压排除；当流体为气体并具有可压缩性时，上活塞直径可以大于下活塞直径以使上抽压腔的抽压体积大于下抽压腔的抽压体 积，这样可使气体被抽压至下抽压腔内时的压力是升高的。两台装置交替工作可形成连续泵送工作。
二元工质热泵连续泵送工作过程：在如图2所示的连通管路中连入流体存储箱，并在管路两端都加上只向箱内方向流动的单向阀，即成为连续泵送装置，使两端的流体都流入存储箱后向外输出。向换热器注入热工质时，产生了上抽压腔压出流体至存储箱和下抽压腔从外部抽吸流体；向换热器注入冷工质时，形成了储能释放并产生上抽压腔从外部抽吸流体和下抽压腔压出流体至存储箱，即形成加热时上抽压腔泵送、冷却时下抽压腔泵送的连续泵送过程。
如图2所示二元工质热泵的活塞上方的空间内，还可设置有另一弹簧抵在活塞的顶面并形成双储能弹簧，使压缩力更高或输出机械功更大。
由二元工质的变饱和温度以及初始冷却温度高于初始加热温度的技术特性中，开发出二元工质热能动力装置，通过外部热源与冷源的延迟切换和变温加热或变温冷却，不但使二元工质膨胀对外形成多种形式做功，而且还能使大部分冷凝汽化潜热和变饱和温度释放的热量回收重复利用，找到了中低温热能高效、高级应用的新途径、也开启了换热器变温运行的新方式，其必将会引导下一代以高效能发动机为代表的热能动力装置并打开改善人类整个社会的能源效率的可能性。
Claims (7)
- 二元工质热能动力装置，包括缸筒(1)和活塞(2)，其特征在于，所述缸筒(1)的上下端封闭，活塞(2)可上下移动地置于缸筒(1)内的上方空间，缸筒(1)内于活塞(2)下方设有换热器(3)，换热器(3)设有进出口与外界连通，缸筒(1)内注有二元工质液体与换热器(3)接触换热，向换热器(3)注入热工质时，二元工质吸热释放出气体推动活塞(2)上行，向换热器(3)注入冷工质时，二元工质放热降温并吸收气体冷凝热使活塞(2)下行。
- 如权利要求1所述的二元工质热能动力装置，其特征在于，所述活塞(2)顶部设有用于向外界输出功的活塞杆(4)。
- 如权利要求1所述的二元工质热能动力装置，其特征在于，所述缸筒(1)内设有隔板(5)将缸筒(1)分隔成上下两个腔室，活塞(2)和换热器(3)设在上方腔室内，下方腔室内设有下活塞(6)，活塞(2)和下活塞(6)之间连接有活塞杆(4)，活塞杆(4)穿过隔板(5)并与其形成密封的滑动连接，缸筒(1)的顶部和底部分别设有进孔(7)和出孔(8)，且缸筒(1)外设有连通管路(9)将活塞(2)上方的空间和下活塞下方的空间连通，在进孔(7)、出孔(8)和连通管路(9)处设置单向阀(10)，通过活塞(2)和下活塞(6)上下活动可以达到泵送流体的功能。
- 如权利要求3所述的二元工质热能动力装置，其特征在于，所述下活塞(6)上方的空间内设置有弹簧(11)抵在下活塞(6)的顶面。
- 如权利要求1所述的二元工质热能动力装置，其特征在于，所述二元工质溶液为两种或两种以上不同沸点的物质组成的二元或多元混合溶液。
- 如权利要求1至5任一项所述的二元工质热能动力装置，其特征在于，所述活塞(2)下方设有若干随活塞移动的喷淋头(12)，喷淋头(12)通过管路和喷淋泵(13)连接，可将二元工质抽到上方由喷淋头(12)向下喷淋。
- 如权利要求1至6任一项所述的二元工质热能动力装置，其特征在于，所述沉浸式换热器工作在变温换热且加热与冷却之间采用延迟切换。
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