一种气动设备中的等温膨胀的实现方法
【专利摘要】本发明涉及一种气动设备中的等温膨胀的实现方法，该方法选择不反应且在常温常压下呈气态的两种物质，分别作为做功物质和热交换物质，所述热交换物质沸点高于做功物质；该方法如下：将液态的热交换物质注入高压换热器产生气态高压热交换物质，并将该气态高压热交换物质与处于气态、液态或气液混合态的做功物质注入所述腔室，在该腔室中所述做功物质和热交换物质推动活塞做功并降温，使所述热交换物质被逐渐液化并放出热量；最后在活塞的后半周运动中，液态热交换物质和气态做功物质所构成的乏气被排出腔室。其优点是：主要优化热力循环过程，通过实现等温循环的方式来提高空气动力设备对低温冷源或其他能量源的能量利用率，从而提高空气动力设备的能量密度。
【专利说明】一种气动设备中的等温膨胀的实现方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及气动设备【技术领域】，尤其涉及一种气动设备中的等温膨胀的实现方法。
【背景技术】
[0002]目前，国际上领先的两家气动动力装置公司分别为法国的MDI公司，以及美国的迪门低温发动机公司。
[0003]MDI公司采用的核心方案是压缩空气的等压循环驱动方案。该解决方案的主要原理为:
[0004]由压缩空气瓶提供动力源(高压空气)，以近似恒定的压力通入气缸做功，然后通过热交换的方式回收乏气降压过程中产生的内能，之后气体排出。
[0005]该方案存在以下缺点:
[0006]1、“燃料”的能量密度低。由于等压循环做功过程中，做功物质的能量密度为nRT，低于绝热循环，技术经济性较差。(其中η为物质的量，单位mol #为热力学常数，T为开氏温度)
[0007]2、动力性能较差。该解决方案中，压缩空气的升温主要采用乏气热交换的方式，不存在主动热交换过程，难以得到高效稳定的扭矩输出。
[0008]迪门低温发动机公司采用的核心方案是利用液态空气在腔体内相变膨胀的方式对外做功。该解决方案的主要原理为:
[0009]由液态氮或液态空气组成的工质，在“燃烧室”内与热交换液体混合，液态做功物质吸收热交换液体的热量，汽化过程中膨胀做功。
[0010]该方案存在以下缺点:
[0011]1、有关实验结果表明，使用热交换液体，容易导致发动机内部结霜的问题。
[0012]2、能量密度低。虽然与等压循环过程相比，该循环的能量利用率有所提高，但是其能量密度仍然远低于电池，技术经济性不佳。
[0013]3、润滑液的低温有效性。由于液氮的汽化温度极低，而且活塞等活动部件需要经历低温过程，所以润滑油需要在极低温度下保证有效的润滑性能。
[0014]4、热力循环过程复杂。由于膨胀做功的过程需要通过气相与液相之间的热交换来实现等温循环，其热传导效率较低。此外，该过程涉及的参数较多，分析与优化较难实现。
[0015]以上两种在空气动力发动机领域处于国际前沿的技术，存在一个共性问题，即空气动力的能量密度较低。这不但浪费了一定的能量，而且降低了方案的技术经济性。
[0016]针对这一问题，常见的解决方法是改善做功循环，增加做功过程中的吸热量。对于做功过程，在多种热力循环过程中，等温循环是相对较好的一种。
【发明内容】
[0017]本发明实施例的目的是针对现有技术结构上的缺点，提出一种气动设备中的等温膨胀的实现方法，主要优化热力循环过程，通过实现等温循环的方式来提高空气动力设备对低温冷源或其他能量源的能量利用率，从而提高空气动力设备的能量密度。
[0018]为了达到上述发明目的，本发明实施例提出的一种气动设备中的等温膨胀的实现方法是通过以下技术方案实现的:
[0019]一种气动设备中的等温膨胀的实现方法，该气动设备包括高压换热器以及带有可活动的活塞部件的腔室，其特征在于，该方法选择在气动设备工作环境温度和压力下呈气态的两种物质分别作为做功物质和热交换物质，所述做功物质和热交换物质之间不反应，且热交换物质沸点高于做功物质；该方法如下:将液态的热交换物质注入高压换热器产生气态高压热交换物质，并将该气态高压热交换物质与处于气态、液态或气液混合态的做功物质注入所述腔室，所述腔室封闭，所述做功物质和热交换物质在腔室中推动活塞做功并降温，在此过程中，所述热交换物质被逐渐液化并放出热量，所述做功物质吸收热量并继续膨胀做功；最后在活塞的后半周运动中，液态热交换物质和气态做功物质所构成的乏气被排出腔室。
[0020]该方法还包括步骤:通过气液分离装置回收所述乏气中液态热交换物质。
[0021]本发明所提供的方法的其中一种技术方案的步骤具体如下:将处于液态的做功物质和热交换物质共同注入高压换热器产生高压混合气体，之后将该高压混合气体注入所述腔室。
[0022]本发明所提供的方法的其中一种技术方案的步骤具体如下:将该气态高压热交换物质以及液态做功物质混合注入所述腔室，所述液态做功物质汽化，并和所述气态高压热交换物质共同膨胀做功。
[0023]本发明所提供的方法的其中一种技术方案的步骤具体如下:将所述气态高压热交换物质注入含有气态做功物质的腔室中，该气态高压热交换物质膨胀做功。
[0024]本发明所提供的方法的其中一种技术方案的步骤具体如下:将液态做功物质与上一循环中排出的部分气态做功物质混合形成气态做功物质，并注入所述腔室进行绝热压缩；然后将所述气态高压热交换物质注入腔室与被压缩的气态做功物质混合。
[0025]在上述技术方案中，所述做功物质为氮气或空气，所述热交换物质的沸点取值范围为标准状况下高于_196°C。
[0026]进一步优选的，所述热交换物质为丙烷或丁烷。
[0027]在上述技术方案中:
[0028]所使用的术语“物质”指的是一种化学物质(例如丙烷)，或者是由多种化学物质组成的混合物(例如空气)。
[0029]因此保留原文表述，并对物质做出定义。
[0030]活塞的后半周运动指的是腔室由最大容积到最小容积的活塞移动的过程。
[0031]与现有技术相比，本发明的有益效果是:可实现等温循环，比传统的绝热循环提高60%左右的能量密度。由于使用气态热交换物质，使得乏气的回收成为可能。根据模拟，这也可以在普通的等温循环的基础上，进一步提高50%的能量密度。不仅如此，由于气态等温循环在循环过程中温度分布的均匀性好，可以做到没有液态做功物质直接参与做功过程，活塞部件的温度相较于迪门发动机公司的方案有所提高，解决了发动机内结霜以及润滑剂的低温有效性的问题。同时，由于该技术可采用多种解决方案，其热力学过程的复杂程度可根据要求来进行选型，可以减少设备小型化过程中的风险。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]通过下面结合附图对其示例性实施例进行的描述，本发明上述特征和优点将会变得更加清楚和容易理解。
[0033]图1为本发明实施例1中的方法原理示意图；
[0034]图2为本发明实施例2中的方法原理示意图；
[0035]图3为本发明实施例3中的方法原理示意图；
[0036]图4为本发明实施例4中的方法原理示意图；
【具体实施方式】
[0037]在通常的空气动力系统中，为了保证功率，做功过程普遍较短，这就导致了膨胀做功过程中需要极大的热交换面积和温度差才能发生明显的热交换。基于此，可以近似理解为一个绝热循环。在同样的初始状态和膨胀比相同的前提下，等温循环所释放的能量要更多。据华盛顿大学的研究表明，等温循环相较于绝热循环可以提升60%左右的能量密度。本发明正是基于此，提出一种气动设备中的等温膨胀的实现方法，主要优化热力循环过程，通过实现等温循环的方式来提高空气动力设备对低温冷源或其他能量源的能量利用率，从而提高空气动力设备的能量密度。
[0038]本发明的技术核心在于:在系统最主要的膨胀做功过程中，通过沸点较高的气态热交换物质液化释放的热量来向做功物质传热，以保证工作物质在膨胀做功过程中处于等温状态。
[0039]下面结合附图通过多个实施例对本发明作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解:
[0040]实施例1:
[0041]参见图1所示(图例中，N2为做功物质，C3H8为热交换物质；1代表液态，g代表气态)，本实施例1中的等温膨胀实现方法为:将处于液态的做功物质与处于液态的热交换物质共同注入高压换热器，二者汽化形成高压混合气。之后将高压混合气通入带有可活动的活塞部件的腔室。然后关闭进气阀门，腔室封闭。混合气膨胀并对活塞做功，在压力作用下活塞产生位移，同时混合气产生降温趋势。在此过程中，混合气中的热交换物质由于沸点较高，逐渐液化并与做功物质分离，并释放一定的热量，做功物质吸收热量，并继续膨胀做功。在理想状态下，热交换物质降低到沸点温度后，逐渐液化并持续释放热量，在其全部液化前，可使做功物质的温度始终保持在热交换物质的沸点温度(由于腔室的压力变化，热交换物质的沸点会发生改变)。最后，在活塞的后半周运动中，排气阀门打开，液态热交换物质和气态做功物质所构成的乏气被排出腔室。
[0042]其中，对于热交换物质和做功物质的选择要求如下:
[0043]1、二者都是气态，这里的气态指的是在气动设备工作环境温度和压力下呈气态。在常规的工况中，选择常温常压下呈气态的气体即可。
[0044]2、热交换物质和做功物质均稳定，且二者不反应。
[0045]3、热交换物质的沸点高于做功物质的沸点。[0046]在优选的实施方式中，采用简单易获取的液化空气做做功物质，并选择沸点为-42.1度的丙烷作为热交换物质。以一个二冲程，输出约45KW的液态空气动力发动机为具体实施例，其工作的具体步骤如下:
[0047]1、将液态空气与丙烷以一定比例混合，混合的比例应当根据具体工况决定，在本实施例中液态空气与丙烷的比例为5:1。
[0048]2、经过注入系统注入铜管鳍片式散热器中产生高压混合气。其中，注入系统选型为齿轮液压泵，工况为3MPa、30L/min ;对铜管鳍片式散热器的要求为，压力达到3Mpa，温差30度以上，低温侧温度不低于-50度，热交换功率达到130KW以上。
[0049]3、经过配气系统，在腔室体积较小的时刻注入高压混合气。配气系统选择采用凸轮机构。
[0050]4、经过膨胀比为10的膨胀做功，压力为2.4bar左右的乏气将被排出。
[0051 ] 5、活塞经过后半周运动，将乏气排出腔室。
[0052]6、将乏气中液态的丙烷部分通过气液分离装置回收，之后与液态空气混合，开始下一循环。
[0053]实施例2:
[0054]本实施例中做功物质和热交换物质的选择和实施例1相同，参见图2所示，本实施例2中的具体步骤如下:
[0055]将液态热交换物质注入高压换热器，使之汽化形成高压气态热交换物质，并将其注入带有可活动的活塞部件的腔室；同时将液态做功物质注入腔室与高压气态热交换物质混合。液态做功物质气化，并会同高压气态热交换物质在封闭的腔室中共同膨胀做功，在此过程中，热交换物质液化并放热。做功物质将吸收热量，并继续膨胀做功。最后在活塞的后半周运动中，排气阀门打开，液态热交换物质和气态做功物质所构成的乏气被排出腔室。
[0056]实施例3:
[0057]本实施例中做功物质和热交换物质的选择和实施例1相同，参见图3所示，本实施例3中的具体步骤如下:
[0058]将液态热交换物质注入高压换热器，使之汽化形成高压气态热交换物质，并将其注入含有一定量气态做功物质的带有可活动的活塞部件的腔室。腔室的进气阀门关闭，混合气向活塞做功，在压力作用下活塞产生位移，混合气由于膨胀产生降温趋势。在做功过程中，混合气中的热交换物质由于沸点较高，自动液化并分离。混合气中的做功物质将吸收热量，并继续膨胀做功。最后在活塞的后半周运动中，排气阀门打开，液态热交换物质和气态做功物质所构成的乏气被排出腔室。
[0059]实施例4:
[0060]本实施例中做功物质和热交换物质的选择和实施例1相同，参见图4所示，本实施例4中的具体步骤如下:
[0061]将液态的热交换物质注入高压换热器，使之汽化，形成高压气态热交换物质。同时将液态做功物质与上一循环中排出的部分气态的做功物质混合注入所述腔室进行绝热压缩。液态的做功物质可通过汽化、升温等过程提供冷量，并形成气态做功物质，而此处的绝热压缩是指在短时内，容器变化率较小，而部分液态物质汽化导致物质密度增加，并由此带来了压缩效果。然后将气态高压热交换物质注入腔室与被压缩的气态做功物质混合。在压力作用下，活塞产生位移，混合气向活塞做功，发生膨胀后，产生降温趋势。在做功过程中，混合气中的汽化的液态热交换物质由于沸点较高，自动液化并分离。最后在活塞的后半周运动中，液态热交换物质和气态做功物质所构成的乏气被排出腔室。
[0062]以上通过多个实施例对于本发明的发明意图和实施方式进行详细说明，但是本发明所属领域的一般技术人员可以理解，本发明以上实施例仅为本发明的优选实施例之一，为篇幅限制，这里不能逐一列举所有实施方式，任何可以体现本发明权利要求技术方案的实施，都在本发明的保护范围内。
[0063]需要注意的是，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的【具体实施方式】仅限于此，在上述实施例的指导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形落在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种气动设备中的等温膨胀的实现方法，该气动设备包括高压换热器以及带有可活动的活塞部件的腔室，其特征在于，该方法选择在气动设备工作环境温度和压力下呈气态的两种物质分别作为做功物质和热交换物质，所述做功物质和热交换物质之间不反应，且热交换物质沸点高于做功物质；该方法如下:将液态的热交换物质注入高压换热器产生气态高压热交换物质，并将该气态高压热交换物质与处于气态、液态或气液混合态的做功物质注入所述腔室，所述腔室封闭，所述做功物质和热交换物质在腔室中推动活塞做功并降温，在此过程中，所述热交换物质被逐渐液化并放出热量，所述做功物质吸收热量并继续膨胀做功；最后在活塞的后半周运动中，液态热交换物质和气态做功物质所构成的乏气被排出腔室。
2.根据权利要求1所述的一种气动设备中的等温膨胀的实现方法，其特征在于，该方法还包括步骤:通过气液分离装置回收所述乏气中液态热交换物质。
3.根据权利要求2所述的一种气动设备中的等温膨胀的实现方法，其特征在于，该方法的步骤具体如下:将处于液态的做功物质和热交换物质共同注入高压换热器产生高压混合气体,之后将该高压混合气体注入所述腔室。
4.根据权利要求2所述的一种气动设备中的等温膨胀的实现方法，其特征在于，该方法的具体步骤如下:将该气态高压热交换物质以及液态做功物质混合注入所述腔室，所述液态做功物质汽化，并和所述气态高压热交换物质共同膨胀做功。
5.根据权利要求2所述的一种气动设备中的等温膨胀的实现方法，其特征在于，该方法的具体步骤如下:将所述气态高压热交换物质注入含有气态做功物质的腔室中，该气态高压热交换物质膨胀做功。
6.根据权利要求2所述的一种气动设备中的等温膨胀的实现方法，其特征在于，该方法的具体步骤如下:将液态做功物质与上一循环中排出的部分气态做功物质混合形成气态做功物质，并注入所述腔室进行绝热压缩；然后将所述气态高压热交换物质注入腔室与被压缩的气态做功物质混合。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种气动设备中的等温膨胀的实现方法，其特征在于:所述做功物质为氮气或空气，所述热交换物质的沸点取值范围为标准状况下高于-196。。。
8.根据权利要求7所述的一种气动设备中的等温膨胀的实现方法，其特征在于:所述热交换物质为丙烷或丁烷。
【文档编号】F01K25/00GK103437839SQ201310395588
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年9月3日 优先权日:2013年9月3日
【发明者】张钟元 申请人:张钟元