一种动力输出方法及装置

技术领域

本发明涉及利用热能获取动力的方法及系统，具体涉及利用热力循环系统输出动力的方法及装置。

背景技术

地球的空气或水资源中，有取之不尽的热量，但因温度低、热能品位低，极少利用它们的热量产生动力或电力。

风力发电是利用空气的动能或势能，而不是空气的热能；水力发电亦然。

在国内，空气源热泵被普遍地冠名为空气能，热泵与水泵原理相近而得名，水泵把低处的水往高处送，仅提高了水的势能；热泵系统是，从低温区吸收热量，输送到高温区，实现热量在不同区域间的转移，目的是提高空气的温度，并非利用空气热量产生动力。

液体变为气体时，体积膨胀数十至百倍，当热量不断补充时，具有做功能力；但汽化所需热量远大于汽化输出的膨胀功，能耗与膨胀功的比值太大，能量利用率低。传统火力发电把水汽化为蒸汽，然后继续加热至数百摄氏度，提高过热蒸汽的压力，再进行气-气膨胀，输出动力，从而提高发电效率和燃料热量的利用率。传统火力发电主要是利用汽化过程推动过热气体做气-气膨胀功，体现为做功过程气体状态迅速变化；本发明的汽化膨胀做功，主要体现为做功过程中，气体在做功装置内的状态变化不明显。

正向与逆向循环：高压液态工质吸热汽化为高压过热气态工质，高压过热气态工质做功后，冷却为低压液态工质，低压液态工质加压为高压液态工质的循环过程是正向循环系统，通常为做功系统；低压液态工质吸热汽化后，压缩为高压气态工质，高压气态工质液化后，降压为低压液体工质的循环过程为逆向循环系统，通常为制冷或热泵系统。

现有利用空气热量做功的设备中，通常有三种。第一种是采用热泵系统驱动正向循环的动力系统；第二种是采用热泵系统驱动逆向循环的动力系统；第三种是两个动力系统相互驱动。三者都是两个系统。

第一种的制冷或热泵系统不对外做功；正向循环的动力系统对外做功或发电；存在如下两个主要问题：(1)存在主动消耗动力的问题，因热泵系统的作用仅是提高了热源的温度或降低了冷源的温度，为动力系统的工质汽化和液化服务；(2)存在两个系统工质之间的传热总温差大、热泵输入功率可能高于动力系统的输出功率的问题，该系统最高工作性能是热泵系统同时用于动力系统的工质汽化和液化，工质之间存在两个传热温差，热泵系统自身液化温度最高、自身汽化温度最低，动力系统需要克服两个传热温差的增压消耗。

第二种的制冷或热泵系统不对外做功；逆向循环的动力系统对外做功或发电；存在如下两个问题：(1)与第一种同理，存在主动消耗动力的问题。(2)存在做功效率低的问题，动力系统采用独立的动力输出装置与独立的增压装置，工质在两个装置之间的流动或移动存在做功能力的损失，做功效率下降。例如，授权公告号为CN105042939B的发明专利公开了“一种利用低温介质获取冷气、电能的方法及其装置”，存在所述主动消耗动力和独立增压装置的问题；而且采用了同温度的水为冷凝和汽化的介质，还存在传热总温差大，耗能高的问题。

第三种包括一个逆向循环动力系统和一个正向循环动力系统，存在如下两个主要问题：(1)存在逆向循环系统效率低、体积大的问题，逆向循环系统液化温度最高、汽化温度最低，导致系统的压缩比大，压缩能效比低，而且同样的动力输出时，装置的体积大；(2)存在做功效率低的问题，逆向循环动力系统采用独立的动力输出装置与独立的增压装置，工质在两个装置之间的流动或移动存在做功能力的损失，做功效率下降。

因此，现有技术中的热力循环动力输出系统普遍存能耗高、动力输出量少的不足。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种在热力循环系统中实现动力输出方法，该方法可降低能耗、提高动力输出量。

本发明的第二个目的在于提供一种用于实现上述动力输出方法的动力输出装置。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种动力输出方法，工质在密闭系统内循环工作，工质在循环中至少包括以下3个热力状态点A、B和C的依次循环转化的主过程：

由低压气体工质状态点A转化为高压气体工质状态点B的增压主过程；由所述高压气体工质状态点B转化为液体工质状态点C的液化主过程；由所述液体工质状态点C转化为所述低压气体状态点A的汽化主过程；其中，所述汽化主过程中液态工质变为气态工质，体积膨胀对外做功；液化主过程的工质对外放热，汽化主过程的工质对外吸热；

工质在密闭系统中采用以下至少一种工作模式：第一，液化主过程的工质和汽化主过程的工质之间直接进行热交换，降低所述增压主过程的增压差值，降低增压能耗；第二，工质对外做功压力与增压起始压力相近，提高能量的转化效率。

本发明的上述动力输出方法中，首先利用液态工质汽化时体积膨胀的特点，推动做功装置进行做功，从而获得动力输出，不同于现有技术中利用汽化后的气体降压做功的方式。其中，通过让液化主过程的工质和汽化主过程的工质之间直接进行热交换，相当于汽化做功的大部分热量为系统自身提供，有效减少吸热与放热的传热温差，降低所述增压主过程的增压差值，降低增压能耗，使得动力输出量相对提高，并可实现动力输出量大于所述增压能耗量的动力正输出。

另外，通过让工质对外做功的压力与增压起始压力相近，也就是说工质在汽化过程中维持相对稳定的压力对外做功，做功完毕后，直接在当前压力下进行增压。其带来的好处在于：现有逆向循环做功技术中通常利用气体降压做功，其不足在于，气态工质降压做功后，需要由低压点重新增压至降压前的压力并进一步增压至冷凝压力，由于存在能量损耗，降压过程所做的功不足以补偿工质由低压点重新增压至降压前的压力的能耗，使得整体上净做工量不多。而本发明中，通过让工质在汽化过程中维持相对稳定的压力对外做功，使得工质做功时与背压的压差保持最大化，从而确保具有最强的做功能力，使得净做工量最大化，与此同时，做功完毕后，直接在当前压力下进行增压，没有降压后再升压的能量额外损耗，使得系统的净做功量更多，能耗更少，增加了动力输出量。

优选地，所述工质增压的方式是机械压缩；所述增压耗能是电能或机械能。

优选地，所述液化主过程包括但不限于过热气体工质冷却、气液混合态工质的液化和液体冷却子过程；所述液化主过程中，工质放热。

优选地，所述体积膨胀主过程包括但不限于液体降压、气液混合态的汽化、气体过热、气体状态不变的做功和气体降压膨胀子过程；所述气液混合态的汽化压力根据所述吸热对象的温度或所述对外做功的量调节；所述汽化压力是恒定的，或者是变化的。

优选地，所述工质放热和所述工质吸热的对象还包括外部环境或特定对象；所述外部环境包括环境空气或水资源；所述特定对象包括其它设备的废弃能量，或者是制冷吸热的对象或热泵放热的对象。

优选地，所述对外做功是工质的能量向动力需求装置转化，产生动力输出；所述动力需求装置包括但不限于发电机、发动机、动力机械；所述动力需求装置的工作背压可以调节；所述动力需求装置也可为所述增压主过程提供动力。

优选地，在两个系统之间，通过其中一个系统中的液化主过程的工质与另一个系统中的汽化主过程的工质直接进行热交换。所述两个系统是指两个工质的热力循环系统。

一种动力输出装置，包括用于实现工质热力循环的依次设置的放热装置、膨胀阀、吸热装置以及做功与增压一体化装置，其中，所述放热装置用于实现由高压气体工质状态点B转化为液体工质状态点C的液化主过程，所述膨胀阀和所述吸热装置用于实现由液体工质状态点C转化为所述低压气体状态点A的汽化主过程，所述做功与增压一体化装置用于实现由低压气体工质状态点A转化为高压气体工质状态点B的增压主过程，并实现工质对外做功压力与增压起始压力相近；所述放热装置和所述吸热装置之间直接进行热交换以降低所述增压主过程的增压差值，汽化主过程不足的热量由外部热源补充；所述吸热装置与所述放热装置之间设置有所述做功与增压一体化装置，液态工质在所述吸热装置中汽化时膨胀直接推动所述做功与增压一体化装置对外做功，做功完毕后，所述做功与增压一体化装置对工质进行增压，所述增压的功耗小于做功的量，所述做功与增压一体化装置对外动力正输出。

优选地，所述放热装置和所述吸热装置之间直接进行热交换可采用板式换热器、套管式换热器和管壳式换热器等；所述做功与增压一体化装置是往复式活塞气缸装置；所述活塞的背压可以调节；所述外部热源为空气或水的自然资源。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明中，通过降低工质增压的能耗或/和通过提升工质做功的量，使得输出动力总量可以高于增压所输入的动力总量，实现动力的正输出。

2、本发明中，没有热泵系统，利用动力系统中高温气体工质液化与低温液体工质汽化互为冷源和热源，低温液体工质汽化的补充热源是外部热源，无需额外采用高压气体工质液化的冷源，节省了热泵系统以及由此带来的能耗。

3、增压能耗少。通过让液化工质与汽化工质直接相互换热，两者温差以及压差大大降低，从而减少增压能耗。

4、做功净量大。通过让工质在汽化过程中维持相对稳定的压力对外做功，做功完毕后，直接在当前压力下进行增压，使得工质做功的量更大，能耗更好。尤其是将做功装置和增压装置做成一体化装置时，其效果更佳明显。

5、汽化吸热的附加能耗低。因为液化工质与汽化工质相互换热，系统需要外界补充的热量为做功的能量，工质与外界换热的消耗动力较小。

6、利用环境热量作为工质汽化的热源，比太阳能和风能更为稳定。因为以空气等可再生自然资源的热量为补充，相当于把空气的热量转化为动力，应用条件更易满足。

附图说明

图1为本发明第一种实施方式的工质循环的压焓图，其中，工质所处各点的位置分别代表：1(A)为所述低压气体(做功的终点、增压的起点)，2(B)为所述高压气体(增压终点、冷凝起点、冷凝器进口)，3(C)为所述高压液体(可包括过冷的冷凝终点、液体降压起点、节流元件进口)，4为液体降压终点(汽化起点、蒸发器的进口)，5’为等压汽化终点(等压过热起点)，5为等压过热终点(做功起点，做功装置的进口)，5和1的压力相近。

图1中，工质状态变化过程分别代表：1-2为所述低压气体工质转化为高压气体工质的增压主过程；2-2’为所述冷凝放热过程的过热气体工质冷却过程，2’-3’为所述冷凝放热过程的气液混合态的液化过程；3’-3为所述冷凝放热过程的液体过冷子过程；3-4为所述的液体降压子过程；4-5’为所述气液混合态的等压汽化子过程；5’-5为所述气体等压过热子过程；5-1为所述气体状态变化较小的做功子过程。

图2为本发明中的一种具体的工质流程原理简图。

图3为本发明中的第二种具体的工质流程原理简图。

图4为本发明中的第三种具体的工质流程原理简图。

图5为本发明中的第四种具体的工质流程原理简图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员很好地理解本发明的可实施技术方案，下面结合工质流程的原理图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。

实施例1参见图1和图2，本实施例的动力输出方法中，工质在密闭系统内循环工作，工质在循环中至少包括以下3个热力状态点A、B和C的依次循环转化的主过程：由低压气体工质状态点A转化为高压气体工质状态点B的增压主过程；由所述高压气体工质状态点B转化为液体工质状态点C的液化主过程；由所述液体工质状态点C转化为所述低压气体状态点A的汽化主过程；其中，所述汽化主过程中液态工质变为气态工质，体积膨胀对外做功；液化主过程的工质对外放热，汽化主过程的工质对外吸热；工质在密闭系统中采用以下至少一种工作模式：第一，液化主过程的工质和汽化主过程的工质之间直接进行热交换，降低所述增压主过程的增压差值，降低增压能耗；第二，工质对外做功压力与增压起始压力相近(由于在做功过程中受到做功速度与汽化速度的影响，难以获得绝对不变的压力值，因此会不可避免地导致压力产生波动，本实施例中的“相近”是指非主动地去改变压力，但涵盖不可避免的压力波动的情况，保持两者压力趋于相同)，提高能量的转化效率。

参见图1和图2，本实施例的动力输出装置包括用于实现工质热力循环的依次设置的放热装置、膨胀阀、吸热装置以及做功与增压一体化装置，其中，所述放热装置用于实现由高压气体工质状态点B转化为液体工质状态点C的液化主过程，所述膨胀阀和所述吸热装置用于实现由液体工质状态点C转化为所述低压气体状态点A的汽化主过程，所述做功与增压一体化装置用于实现由低压气体工质状态点A转化为高压气体工质状态点B的增压主过程，并实现工质对外做功压力与增压起始压力相近；所述放热装置和所述吸热装置之间直接进行热交换以降低所述增压主过程的增压差值，汽化主过程不足的热量由外部热源补充；所述吸热装置与所述放热装置之间设置有所述做功与增压一体化装置，液态工质在所述吸热装置中汽化时膨胀直接推动所述做功与增压一体化装置对外做功，做功完毕后，所述做功与增压一体化装置对工质进行增压，所述增压的功耗小于做功的量，所述做功与增压一体化装置对外动力正输出。

具体地，所述工质是制冷剂R507；工质汽化温度更低时，可采用二氧化碳工质；具体工质因使用的环境和性能而定。

参见图1，5和1的状态相近，近似重合，图中以重合表示，5-1为所述工质状态变化较小的做功过程；参见图2，由供气储气罐7的气体工质进入做功与增压一体化装置11的气缸10推动活塞1(气缸10中的虚线表示活塞1做功前所处的位置)完成工质做功过程。所述供气储气罐7与所述气缸10之间设有工质换热器2.1和做功供气阀8，所述工质换热器2.1用于进一步提高气体工质的温度。所述做功与增压一体化装置11可以设有多个气缸10和对应的做功供气阀8，联动使用，用于控制做功的供气节奏和供气终点压力，形成持续做功的动作。所述联动使用可以是机械装置控制，也可以是电气系统控制。

参见图1，点1到点2为所述低压气体工质的增压过程；参见图2，由做功与增压一体化装置11的活塞1的部分返程完成。

参见图2，所述低压气体工质在气缸10内完成做功过程时，所述活塞1返程，对所述低压气体工质进行压缩；当低压气体工质转化为所述高压气体工质后，打开排气阀9，所述高压气体工质排向所述工质换热器2.1，下一个做功过程开始时，关闭所述排气阀9，打开所述做功供气阀8；实际应用时，所述活塞1返程消耗的动力为动力系统增压的消耗动力。

参见图1，点2到点3为所述高压气体工质转化为液体工质的冷凝放热过程；参见图2，由放热装置完成。

参见图2，所述高压气体工质在放热装置内液化，进入放热装置时为气体，离开时为液体；所述放热装置由两个工质热交换器2.1和2.2和一个二级冷却器3组成；所述工质热交换器2.1和2.2用于所述冷凝放热工质与所述对外做功工质进行热交换；所述二级冷却器3用于保证工质完全冷凝为液体，可以设置，也可以不设置。

参见图2，所述工质热交换器2.1和2.2为板式换热器；所述二级冷却器3是空气(水)-制冷剂换热器。

参见图2，管道连接上，所述工质热交换器2.1，共有两个出口和两个入口，其中，一个入口与所述做功与增压一体化装置11的出口连接，对应的出口与所述工质热交换器2.2连接，另一个入口与供气储气罐7出口连接，对应的出口与做功与增压一体化装置11的入口连接。

参见图2，管道连接上，所述工质热交换器2.2，共有两个出口和两个入口，其中，一个入口与所述工质热交换器2.1出口连接，对应的出口与所述二级冷却器3连接，另一个入口与一级蒸发器6出口连接，对应的出口与供气储气罐7的入口连接。

参见图2，储液器4用于暂时储存液体工质，所述液体工质从所述二级冷却器3流进所述储液器4。

参见图1，点3到点4为所述液体工质的降压子过程，参见图2，由节流元件(膨胀阀5)完成。

参见图2，所述膨胀阀5对所述液体工质进行降压，工质发生首次膨胀，降压后的工质流入一级蒸发器6。所述储液器4的出口与所述膨胀阀5的入口连接。

参见图1，点4到点5为等压过程，其中4-5’为所述气液混合态的等压汽化子过程；5’-5为所述气体等压过热子过程；参见图2，由汽化装置完成，工质进行吸热膨胀，同时实现动力输出。所述吸热装置由所述一级蒸发器6、工质热交换器2.1和2.2组成。

参见图2，所述首次膨胀的工质在所述一级蒸发器6内进行吸热，实现部分汽化，在所述工质热交换器2.2内进一步吸热，实现全部汽化并过热；所述过热的气体工质依次流经供气储气罐7、所述工质热交换器2.1、所述做功供气阀8，所述做功与增压一体化装置11的气缸10，推动活塞1完成动力输出。

参见图2，所述供气罐7用于稳定动力输出的供气压力，其出口与所述工质热交换器2.1的入口相连，所述工质热交换器2.1的出口与所述做功与增压一体化装置11的入口连接，前述两者中间设置做功供气阀8。

参见图2，所述活塞1的另一面与所述背压储气罐12之间相通，用于调节活塞做功的背压和防止工质泄露向环境等，具体背压可以为比大气压力稍高，密封性高的系统可以是真空。所述背压也可以是直接与大气相连。

所以，本工质工作流程原理中采用液体汽化膨胀对外做功的动力输出总量为活塞对外做功的量，动力输入总量可分为两部分。

参见图1，输出过程5-1，即所述气体状态变化较小，近似等压推动活塞过程的功，近似为过程4-5的膨胀功；

参见图1，输入的第一部分是过程5(1)-2的增压消耗；输入的第二部分是一级蒸发器吸热时，风机的消耗，这个占比较少，因此，当过程4-5的膨胀功大于过程5(1)-2的增压消耗时，整个系统为一个动力输出大于增压动力输入的系统。

因此，本发明是一个“吸热量大于放热量”的系统，多出的热量转化为动力。

本实施例中，存在几个关键点为：

(1)汽化做功的量＝压差*体积变化量，参见图1，所述压差为气液混合工质4的汽化压力与所述背压储气罐12的压力之差；采用工质的膨胀由体积小的液体开始，体积变化的量大，所述体积变化的量为过热气体工质5的体积与液体工质3的体积之差，故输出功较大。

(2)汽化过程做功的热量容易满足，采用工质自身互为换热对象为主，外部热量为辅，采用低温压力较高的制冷剂进行吸热，容易吸收自然环境资源的热量。

(3)增压消耗的外力少，采用工质自身互为换热对象为主，工质液化压力与汽化压力之差小，参见图1，实际消耗的动力是过程5(1)-2的增压。与日常使用制冷系统相比，本发明的液化压力(冷凝压力)由蒸发压力决定，而不是环境温度。

下面以一组量化数据对本实施例做进一步的描述。

以图1的工质流程为例，工质(R507)在各状态点的数值化关系表：

本实施例，假设工质蒸发温度为20℃，冷凝温度为30℃，蒸发与冷凝温差10℃，背压为120kPa(约1.2倍大气压)，各点的状态参数仅需两个数据，可以查表得其它所有参数，所有假设数据在应用中均可容易实现。

本实施例，单位质量工质的动力输入量和输出量数据：

(1)总输入量＝焓2-焓1，过程1-2的输入量为6.02kJ/kg；

(2)总输出量＝(压力5-背压)*(比容5-比容3)，过程3-5的输出量为18.07kJ/kg；

(3)净输出量＝总输出量(2)-总输入量(1)＝18.07-6.02＝12.05kJ/kg；

(4)若一级蒸发器6与外部热源之间采用强制换热，则会消耗一部分动力，但占输出量的比例较少，一般不会超过10％。

本实施例中，净输出量远高于总输入量，因工质相互换热，增压耗能少，工质在5-1过程视为等压做功计算；应用中，即使工质做功过程中的压力有所下降，总输出量减少，但仍可容易实现动力的正输出。

当环境温度(外部热源温度)的温度进一步降低，假设液化温度和汽化温度可同步降低，或采用其它工质。假设数据不是最优组合数据，仅代表本发明具有创新性的一个组合。

实施例2

参见图3，与上述实施例1不同的是，本实施例中采用了独立的做功装置11和独立的压缩装置(压缩机13)，所述压缩机13的吸气和所述做功装置11的排气均为所述的低压气体工质，由所述压缩机13进行低压气体工质的增压，所述压缩机13的背压为独立调节，由背压储气罐14调节，所述背压储气罐14和所述背压储气罐12的压力可以相同也可以不相同，也可以合并为一个背压储气罐。

实施例3

参见图4，与上述实施例1不同的是，本实施例中没有工质换热器2.2，仅保留了工质换热器2.1，用于进一步提高低压工质气体的温度，汽化子过程的吸热采用了外部热源；进一步地所述工质换热器2.1可以不设置。

实施例4

参见图5，与上述实施例不同的是，本实施例为两个实施例1的系统构成的双循环系统，系统1的一级蒸发器6流出的工质，流向系统2的工质换热器2.2进一步汽化，同时，系统2的一级蒸发器流出的工质，流向系统1的工质换热器2.2进一步汽化，在图1中，理论上，可以为两个重合的工质循环系统，每个系统与实施例1的单系统具有同样的温差和主要性能，应用上，可以是两个有差别控制的工质循环系统。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。