[发明专利]气压-热力膨胀式循环方法及其装置

说明书

所属技术领域

本发明涉及工程热力学的一种热力循环方式，特别是一种可使用低品位热能量作动力能源的制冷(热)和热力发动机热力循环方式。

背景技术

在工程热力学学科公知：现有热力循环技术根据热力循环的效果和进行方向不同，可分为正向循环和逆向循环。所有的热力发动机都是按正向循环工作，具代表性的有“蒸汽动力朗肯循环”，其装置主要由水泵、锅炉、汽轮机和冷凝器组成。正向循环过程中，循环工质以水泵及吸收锅炉高温热源热量作循环动力，汽化的循环工质将其中一部分热量经汽轮机对外热功交换转化为有用功，另一部分热量在作为低温热源的冷凝器放热。正向循环效果是消耗高温热能量而向外界输出机械能。逆向循环是将热量从低温物体传给高温物体，具代表性的有“蒸汽压缩式逆卡诺(理想)循环”，其装置主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器(低温换热器)组成。逆向循环过程中，循环工质以压缩机输入机械能作循环动力，在作为低温热源的低温换热器吸收热量，向作为高温热源的冷凝器放热。逆向循环效果是消耗机械能而达到制冷(热)目的。以上两种具代表性的循环系统装置均要求循环工质作周而复始的循环运行且质量不变，是由相应的部件采用管道或直接密封连接，组成相应的密闭系统循环装置。现有的热力循环技术及其装置可从中国机械工业出版社出版，蒋祖星主编的《热能动力基础》一书得以引证。目前，普及应用的制冷(热)和热力发动机装置，均以正向循环或逆向循环运行方式消耗不可再生能源。不可再生能源的大量消耗对地球资源、环保的负面影响日趋严重。并且现有普及应用的热力循环装置存在机械结构复杂，噪声大缺点。以上缺点存在原因是：现有普及应用的热力循环技术，未充分利用冷媒工质标准沸点适合易获得热源温度的特点，以及冷媒工质状态变化的自发过程。

发明内容

为了克服现有普及应用的热力循环技术，依赖消耗不可再生能源和循环装置的机械结构复杂、噪声大缺点，本发明提供一种气压-热力膨胀式循环方法及其装置，该循环方法及其装置可使用低品位热能量作动力能源(如太阳能、环境水、气温热能量)，驱动冷媒工质循环运行，可同时获得制冷、制热和向外输出机械能效果。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用气压—热力膨胀式循环方法，使冷媒工质在热和力的作用下循环运行，在完成一周循环后重新回复到原来的初始状态。冷媒工质的循环过程是：在压力作用下，过冷液进入混合气体空间绝热膨胀，产生低温液和低温冷媒蒸汽；受反向力及混合气体总压力的作用，混合气体推动冷媒工质对外做功，混合气体凝结出低温液；低温液受力的作用进入低温热源定压吸热而显热升温，不发生相变；显热升温低温液受力的作用进入高温热源定压吸热产生高温冷媒蒸汽；高温冷媒蒸汽在压力差作用下进入另一低温热源定压放热，冷却成为过冷液并维持冷凝压力。冷媒工质循环过程中，当过冷液液面压力与过冷液柱静压力之和大于混合气体总压力时，过冷液进入混合气体空间(根据帕斯卡原理)，在低温或低压的冷媒蒸汽分压力环境下及辅助气体分子之间绝热膨胀，过冷液热力学能减少产生低温湿蒸汽(即低温液和低温冷媒蒸汽)；同时，低温冷媒蒸汽压力势能增加，导致混合气体总压力增加。受反向力及混合气体总压力作用，混合气体推动冷媒工质对外做功；混合气体对外热功交换使其中低温冷媒蒸汽凝结出低温液，导致混合气体总压力下降，系统向外界输出机械能(根据热力学第一定律)。由膨胀产生和做功凝结的低温液受重力作用沉降于混合气体空间底部，在力的作用下进入低温热源(相当于逆向循环低温热源)，定压吸收低温热源热量而显热升温，不发生相变。显热升温低温液受力的作用进入高温热源(相当于正向循环高温热源)，定压吸收高温热源热量产生高温冷媒蒸汽。高温冷媒蒸汽在压力差作用下进入另一低温热源(相当于正向循环低温热源)定压放热，冷却成为过冷液并维持冷凝压力。本热力循环方式冷媒工质受热和力的作用，在一系列的变化过程中实现不断的循环，系统由此获得制冷、制热和向外输出机械能效果。混合气体推动冷媒工质对外做功，必须满足混合气体进行热功交换所需的做功量，使循环系统冷媒工质运行于稳定流动状态。选择标准沸点适于易获得热源温度的冷媒工质，当高温热源温度达到混合气体总压力和低温液柱静压力组成的合力或冷凝压力所对应的冷媒工质饱和温度及以上时，其内冷媒工质沸腾汽化，系统进入循环运行状态；因此本循环方法是可使用低品位热能量，而且是容易获得的清洁能源。混合气体推动冷媒工质对外热功交换，是通过热功转换机械将混合气体中一部份热能量转化为机械能向系统外界输出。混合气体是由辅助气体工质和冷媒蒸汽工质在混合气体空间组成，两种工质混合不发生化学反应。混合气体空间内辅助气体工质分压力与冷媒蒸汽工质分压力之和等于混合气体总压力(根据道尔顿分压定律)；须根据低温液运行压力和冷媒工质运行的冷凝压力设定辅助气体工质分压力，使混合气体总压力大于或等于冷凝压力。混合气体空间是设有进出口的开口系统，其内贮存一定压力的辅助气体工质，以建立混合气体总压力；为过冷液提供足够的空间体积和低温或低压冷媒工质分压力环境绝热膨胀；为避免外界热量传入而影响低温冷媒蒸汽分压力，须采取隔热保温绝热措施，使热量传递产生的影响减少至可忽略程度。辅助气体工质标准沸点低于冷媒工质标准沸点；选择理想的工质组对，使辅助气体工质在低温液运行温度下为干饱和或过热蒸汽气体，与低温液完全分离。