一种热功转换装置及运行方法

本发明涉及发动机、制冷机、热泵领域，尤其涉及一种热功转换装置及运行方法。

背景技术：

1、储能系统是解决可再生能源的不稳定性与间歇性的关键技术之一，同时也是常规电力系统削峰填谷、提高区域能源系统效率和安全性的关键技术之一。目前主流储能技术包括抽水蓄能、化学电池储能、谷电制氢、压缩空气储能等。

2、近年来卡诺电池储能系统正逐渐获得相关关注，该装置通过逆向循环将低谷电能或富余电能转化为高温热能和低温冷能并分别存储起来，在用电时通过正向动力循环将存储的高温热能作为高温热源、低温冷能作为低温冷源，将热/冷能转化为电能释放出来，因此，卡诺电池储能系统需要热功转换装置。目前卡诺电池的热功转换装置主要基于布雷顿循环和有机朗肯循环等，这些热功转换装置中涉及压缩过程与膨胀过程，并需要一台压缩机和一台膨胀机实现上述过程，而且压缩机与膨胀机的等熵效率对热功转换装置效率至关重要。然而，目前热功转换装置中主流的压缩机与膨胀机采用涡轮机械方案，等熵效率通常只能达到90％，继续提升等熵效率的难度非常大。综上，目前卡诺电池储能系统的热功转换装置存在压缩效率与膨胀效率较差的问题，导致效率较低，成本高，与抽水蓄能、化学电池储能、谷电制氢、压缩空气储能等其他储能方式相比，无论效率与成本都存在非常大的差距，从而导致无法实现卡诺电池储能系统的商业化。

3、此外，制冷、制热需求广泛，其消耗的能量占全社会总能量的40％，因此，提高制冷、制热装置的效率对于双碳目标的达成非常关键。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种基于定容过程的热功转换装置，压缩与膨胀过程通过往复式活塞实现，具有压缩与膨胀效率高的优点，同时，利用工质旁通流道可避免高温腔高温工质流向低温腔过程中与高温换热器内传热媒介间、低温腔低温工质流向高温腔过程中与低温换热器内传热媒介间的不可逆换热，具有热力学完善度高、储能密度高的优点。

2、本发明进一步提供一种上述回热式装置的运行方法。

3、为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

4、一种热功转换装置，包括依次相连的低温腔、低温换热器、高温换热器和高温腔，所述低温腔和所述高温腔设于气缸内，所述气缸内设有活塞，热功转换装置还包括与所述高温换热器并行的第一工质旁通流道，所述高温腔内的热工质通过所述第一工质旁通流道流出，低温腔来的冷工质通过所述高温换热器流入所述高温腔，高温腔来的热工质通过所述低温换热器流入所述低温腔；

5、和/或，热功转换装置还包括与所述低温换热器并行的第二工质旁通流道，所述低温腔内的冷工质通过所述第二工质旁通流道流出，低温腔来的冷工质通过所述高温换热器流入所述高温腔，高温腔来的热工质通过所述低温换热器流入所述低温腔。

6、作为上述技术方案的进一步改进：所述低温换热器与所述高温换热器之间设有回热器，所述第一工质旁通流道一端与所述回热器一端相连，第一工质流入流道另一端与所述高温腔相连，所述第二工质旁通流道一端与所述回热器另一端相连，第二工质旁通流道另一端与所述低温腔相连。

7、作为上述技术方案的进一步改进：所述高温换热器的换热器壁上具有传热媒介流道，所述传热媒介流道的传热媒介入口位于靠近所述高温腔的一端且传热媒介出口位于靠近所述低温腔的一端，所述低温换热器的换热器壁上也具有传热媒介流道且传热媒介流道的传热媒介入口位于靠近低温腔的一端，传热媒介出口位于靠近高温腔的一端。

8、作为上述技术方案的进一步改进：所述传热媒介流道呈螺旋形；

9、和/或，所述低温换热器长度≥10cm，所述高温换热器长度≥10cm；

10、和/或，所述高温换热器内传热媒介入口温度≤500℃；

11、和/或，所述高温换热器内传热媒介入口与出口之间温差≥20℃，所述低温换热器内传热媒介入口与出口之间温差≥20℃；

12、和/或，所述高温换热器连接有第一储热单元，所述低温换热器连接有第二储热单元。

13、作为上述技术方案的进一步改进：所述低温换热器内传热媒介入口与传热媒介出口之间温差和所述回热器两端温差之比在0.15～10之间；

14、和/或，所述高温换热器内传热媒介入口与传热媒介出口之间温差和所述回热器两端温差之比在0.15～10之间；

15、和/或，所述低温腔内工质最高压力与最低压力之比在1.2～10之间；

16、和/或，热功转换装置还包括压比调节机构。

17、作为上述技术方案的进一步改进：热功转换装置还包括弹性元件，所述弹性元件一端与所述活塞连接，另一端固定。

18、作为上述技术方案的进一步改进：所述高温换热器长度大于所述第一工质旁通流道长度；

19、作为上述技术方案的进一步改进：所述低温换热器长度大于所述第二工质旁通流道长度。

20、一种热功转换装置，包括活塞、传动机构、以及依次相连的低温腔、低温换热器、高温换热器和高温腔，所述低温腔、所述高温腔和所述活塞设于气缸内，所述传动机构具有传动轴，所述活塞连接于所述传动机构的传动轴，

21、所述活塞包括第一活塞和第二活塞；或，所述热功转换装置还包括排出器；

22、所述高温换热器设有并行的第一工质旁通流道和/或所述低温换热器设有并行的第二工质旁通流道；

23、发动机模式时，所述高温腔的热工质通过所述第一工质旁通流道流出，所述低温腔的冷工质通过所述第二工质旁通流道流出。

24、一种上述的热功转换装置的运行方法，

25、当工质从高温腔流向回热器时，高温换热器与高温腔之间的流道关闭，第一工质旁通流道打开，工质依次通过高温腔和第一工质旁通流道流向回热器；当工质从回热器流向高温腔时，第一工质旁通流道关闭，高温腔与高温换热器之间的流道打开，工质依次通过回热器和高温换热器流向高温腔；

26、当工质从回热器流向低温腔时，低温腔与低温换热器之间的流道打开，第二工质旁通流道关闭，工质依次通过回热器和低温换热器流向低温腔；当工质从低温腔流向回热器时，低温换热器与低温腔之间的流道关闭，第二工质旁通流道打开，工质依次通过低温腔和第二工质流入流道流向回热器；

27、从第一储热单元流出的传热媒介从高温换热器的传热媒介入口流入，从高温换热器的传热媒介出口流出，从第二储热单元流出的传热媒介从低温换热器的传热媒介入口流入，从低温换热器的传热媒介出口流出。

28、一种上述的热功转换装置的运行方法，

29、当热功转换装置包括第一活塞和第二活塞时，发动机模式时，所述第一活塞运行相位领先于所述第二活塞运行相位60～150°；

30、或，当热功转换装置包括活塞和排出器时，发动机模式时，所述排出器运行相位领先于所述活塞运行相位60～150°。

31、与现有技术相比，本发明的优点在于：

32、本发明公开的热功转换装置，包括活塞以及依次相连的低温腔、低温换热器、高温换热器和高温腔，低温换热器设有并行的第二工质旁通流道，高温换热器设有并行的第一工质旁通流道，使得低温腔内的冷工质通过第二工质旁通流道流出，高温腔内的热工质通过第一工质旁通流道流出，高温腔来的工质通过低温换热器流入低温腔，低温腔来的工质通过高温换热器流入高温腔，可实现热功转换装置大压缩比、低不可逆损失运行，从而具备高热力学完善度、高储能密度。

33、本发明公开的热功转换装置的运行方法，通过控制各流道的开启和关闭，使得低温腔内的冷工质通过第二工质旁通流道流出，高温腔内的热工质通过第一工质旁通流道流出，低温腔来的冷工质通过高温换热器流入高温腔，高温腔来的热工质通过低温换热器流入低温腔，易于实现，并可实现高效率。