专利名称：热力循环过程的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用交替压缩和膨胀的气体为工质的热力循环过程，在此过程中所采用的工质在压缩后高温条件下由化学过程而引起体积增大，而在膨胀后低温条件下体积相应变小。
在热力循环中，通常存在的问题是效率受限制，其效率一方面由物理规律决定，另一方面取决于结构部件。这样，由于技术上的原因，大多数这类装置运行时效率较低。
在本说明书开始部分所提到的那种方法中(如UK-A2017226)曾力求提高效率。在此产生能量的循环过程中，不仅利用供给的热能按常规的加热方法使气体膨胀。还利用其他的热量，使吸热的化学过程来释放另一种气体，也就是说使体积继续增大。此方法的优点是在较高温度下能得到更多的工作气体，但由此产生的缺点是在循环低温段相应的放热体积缩小过程中向冷库放出较多的热量。
本发明的任务是要提供一种有很高效率的、如本说明书开始部分所提到的循环过程。
本发明的技术解决方案是使其体积增大时放热，体积缩小时吸热。
与已公知的循环相反，本发明的循环过程不需要用附加的能量来得到补充的气体，更确切地说，在高温产生补充的气体时相应化学过程是放热的，从而只要该气体到达相应温度，上述过程就自动进行。所以对于热机，在高温时只需要供给较少的热量，因此提高了效率。另一方面在低温时由于相应的体积缩小是吸热的，则向低温冷库放出较少的热量，这导致效率进一步提高。甚至可以设想，在低温时从周围环境得到热量。
如果在热泵中采用此循环过程，同样也能提高效率。在热泵中从冷库吸收热量，并借助于机械能将其传给热库。如果在高温发生工质的放热化学膨胀，则在高温下能放出较多热量。而在低温由于吸热化学反应体积缩小，则吸收较多热量。在消耗相同机械能的情况下，可以获得更多的热能，效率也就提高了。
完成该循环过程的一种可能方法是利用一种分子气体，其分子在高温时分解成其单个组成部分，极端情况下分成单个原子。另一种可能性如同下面进一步描述的那样，是加热已吸附了气体的金属粉末。
基于工质在高温时占有较大体积这一事实，该气体可以比其他情况作出更多的功。然后在低温进行与化学反应和/或解吸过程相反的过程即吸收及吸附过程，从而气体又恢复到正常体积，并重新进行循环。
由于所采用的工质在高温体积增大时变热，因而在热机的情况，需提供的热量很少，这意味着可大大节省能量。
在一个较好的实施例中，该化学过程是吸附/解吸过程。
在一个特别好的实施例中，至少有一部分气体工质的吸附/解吸是在与高温和低温气体轮流接触的表面上完成的。
该表面可以设置在一个伸入到高温和低温气体中的可转动圆盘上。该圆盘可以由几个扇形区段组成，例如高温气体流过旋转轴上部的区段，而低温气体流过旋转轴下部的区段。虽然，相应区段的壁必须保证高压气体不会经过圆盘而流到循环的低压区。
代替上述实施例，可采用二种互相不起化学反应的组分组成的工质，其中一种组分是普通气体，另一种组分会由化学反应和/或解吸过程而增大或缩小体积，这同样是很有效的。显然，两种化学反应也可以彼此结合起来。
在两种组分混合的情况，不参与化学反应的工质用来作为热量的传输介质和/或随气体一起进入循环的金属粉末的传输介质，在金属粉末工发生吸附/解吸过程。
无论是将起吸附/解吸作用的金属置于圆盘上，还是将金属粉末一起送入气流中，该气体都可以是氢气。金属可采用铂、钯或其它能吸附氢气拇ッ航鹗簟 如果在热机中采用此循环，则最好将膨胀机与一台发电机相连。该发电机提供电能而不是提供机械能。至少加热容器中加热能量的一部分可以由发电机来提供。尤其是当气体由化学反应和/或解吸过程引起体积增大时急剧加热的情况，甚至可以力求使加热能量全部由发电机提供。在许多其它的情况下，利用现有的热源来达到此目的是比较简单的。
最好在工质循环过程中的一部分设置可促进或增强引起体积增大/缩小的反应的表面。尤其是加热容器和热交换器，或者它们中的一部分可设置这样的表面。
热交换器可跟环境中的空气进行热交换。但是也可与水进行热交换，为此必须配备水泵。为了在一些极端情况下避免热交换器中工质温度过低，可以首先压缩要从外部流过热交换器的空气，使其加热，这已被证明是很合适的。然后将排出的空气引导至膨胀机，从而用于提高环境空气压力的能量中至少有一部分能进行回收。这样，整个装置可以进一步提高效率。
下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。
图1是按本发明循环过程工作的热机结构示意图。
图2是用来说明图1所示热机工作原理的P-V图。
图3是按本发明循环过程工作的热泵结构示意图。
图4是用来说明图3所示热泵工作原理的P-V图。
图5是按本发明方法工作的另一种热机的结构示意图。
图6是给出具体数值的实施例的P-V图。
在图1所示的热机中，气体工质首先在压气机〔1〕中压缩，然后沿箭头方向进入加热容器〔2〕。加热容器〔2〕内有一个由热源〔4〕加热的加热元件〔3〕。显然，加热元件〔3〕也可以是加热容器〔2〕的外壁;在有些情况，也可采用单独的加热元件〔3〕，例如在电加热时。
在压缩过程已被加热的工质将被引导通过一个轴向可让气体透过的圆盘形部件〔20〕的上部。另一方面气体沿圆周方向的运动至少受到圆盘形部件〔20〕上扇形区段的强烈阻挡，甚至完全不能沿圆周方向运动。此外，圆盘形部件〔20〕由一个外罩包住，从而实际上从一侧引入圆盘形部件的全部气体从另一侧流出。圆盘形部件中装有散布开的吸附氢气的细粉末。例如，这些金属粉末可以散布在硅泡沫塑料上。最合适的材料是那些吸附氢时冷却、解吸氢时加热的金属粉末。而且这些金属粉末应能与尽可能多的氢结合。
由于气体经过加热元件〔3〕温度升高了，金属粉末释放出氢气。因此有更多的气体可被利用，它们在膨胀机〔5〕中膨胀，作机械功。此外，放热过程使那时由原来的气体和氢气组成的工质继续加热。
经过膨胀机〔5〕以后已膨胀的气体，更确切地说是上述工质，经调节阀〔6〕进入到热交换器〔7〕中，在该热交换器中与环境进行热交换，从而该气体又恢复到它原来的温度。
在那里，气体多次来回流经热交换器〔7〕，在流经热交换器之前和之后，气体还多次通过圆盘形部件〔20〕的下部区域。因为圆盘形部件〔20〕在此期间是转动的，位于圆盘下部区域的金属最初不含氢，此时则吸附氢，这同时伴随着发生工作气体的冷却，因为吸附是吸热过程。这样向周围环境放出较少的热能，在最有利的情况下甚至还从周围环境中得到热能。用这种方法可获得很高的效率。
然后气体又回到压气机〔1〕中再次被压缩。
由电机〔9〕驱动的鼓风机〔8〕用来促进与环境的热交换。
压气机〔1〕与膨胀机〔5〕安装在同一个轴〔10〕上，从而压气机一经启动就由循环过程自身来驱动，也就是说由膨胀机〔5〕来驱动。除此以外可供使用的机械能由发电机〔11〕接收，该发电机产生的电能一部分经导线〔12〕输送给电机〔9〕来驱动鼓风机〔8〕，另一部分由〔13〕输出，以供他用。此外，也可由轴〔10〕通过〔14〕输出机械能。
图中还指出轴〔10〕也可带动圆盘形部件〔20〕转动。但是可用通常的方法使圆盘形部件〔20〕的旋转速度低于压气机〔1〕、膨胀机〔5〕和发电机〔11〕的旋转速度。为此设置了一个图中未画出的减速装置。
图2的P-V图清楚地说明了循环的工作原理。原来不含氢的工质在压气机〔1〕中沿P-V图中曲线1-2压缩，进入加热容器〔2〕。在加热容器中气体由加热元件〔3〕加热，因此在压力维持不变时体积增大(P-V图中线段2-3)。在圆盘形部件〔20〕中，在放出能量时释放氢气(P-V图中3-3′)。在P-V图状态3′，工作气体由原来的气体(状态3时的体积)和氢气组成，氢气在状态3时体积为0，而在状态3′有其实际的体积。P-V图表示出此两部分气体体积的总和。
然后原来的工质和氢气在膨胀机〔5〕中膨胀作功(P-V图中曲线3′-4′)，从而输出机械功。
接着，在圆盘形部件的低压和低温区，在吸热的条件下吸附氢气(P-V图中线段4′-4)。仅仅原来的气体在这之后还须继续冷却(P-V图中线段4-1)。该热量至少有一部分由吸附氢的吸热过程来接收。然后气体又恢复到原始状态(状态1);循环重新开始。
图3表示一种按本发明循环过程工作的热泵。图3中热泵与图1中的热机的主要不同之处在于设置了一个热交换器〔21〕来代替加热容器〔2〕、加热元件〔3〕和热源〔4〕，待加热介质(例如室内空气)由此热交换器来加热。
运行时，图3中热泵的轴〔10〕由电机/发电机〔11〕在〔13〕处供给的电能驱动或者由在〔14〕处机械能驱动。在压气机〔1〕中已加热并压缩的气体在圆盘形部件〔20〕中随着解吸过程再次被加热;该热量在热交换器〔21〕中传给待加热的介质。在膨胀机〔5〕中回收了部分能量以后，气体中的氢气在圆盘形部件〔20〕的下部在吸热的条件下被吸附。此外在这里应吸热，因为循环中由膨胀而冷却的气体必须再次被加热。该相应的热量在热交换器〔7〕中从周围环境来取得。
图4是描述热泵工作原理的P-V图。中性工作气体沿曲线1-2绝热压缩到超过氢化物分解温度，即超过了开始解吸被吸收氢气的温度。在线段2-3处，气体被送入圆盘形部件，并将热传给圆盘形部件的材料，直到放热的解吸过程开始为此。沿线段2-3′生成了氢气，并放出生成热。
曲线3-4相应于工作气体的绝热膨胀。曲线3′-4′相应于工作气体和氢气绝热膨胀的总和。氢气使曲线3-4移到3′-4′处。
沿线段4′-1，在吸热情况下再吸附氢气，直到再到达起始状态1为止，也就是说到达氢气体积为0的状态1。中性工作气体沿曲线4-1吸收热量，并到达状态1。
图5中所表示的热机中省去了圆盘形部件〔20〕。代替的是将金属粉末一起引入气体循环中。在此实施例中，工质体积增大时氢气放热解吸过程在加热容器〔2〕中完成。原来的工作气体、氢气和金属粉末然后一起在循环中运行，直到在热交换器〔7〕中氢气在吸热过程中再被金属粉末吸附为止。这保留了、而且完全保留了放热和吸热过程及相应的体积增大和缩小的优点。唯一的缺点仅仅在于在工作介质中必须带有金属粉末，这会导致管道、压气机和膨胀机壁出现磨损。
在此循环过程中，氢气通过吸附被“压缩”到体积为0，而不需要附加的能量消耗，此循环过程效率明显地提高可用这一点来解释。
该效率明显提高可以用一个对1kg氮气和0.1kg氢气计算得到的数值例子来进行说明。下面给出数值结果，并在图6上作图解说明。
1Kg N2和0.1Kg H2的P-V图1Kg 2+ 0.1Kg H2R＝0.297KJ/Kg·KR＝4.124KJ/Kg·KCp＝1.039KJ/Kg·KCp＝14.38KJ/Kg·KCv＝0.743KJ/Kg·KCv＝10.26KJ/Kg·KV1＝0.210m3T1＝283.00°K P1＝400KPaV2＝0.109m3T2＝367.88°K P2＝1000KPaV3＝0.114m3T3＝385.00°K P3＝1000KPaV3′＝0.273m3T3′＝385.00°K P3′＝1000KPaV4′＝0.525m3T4′＝296.18°K P4′＝400KPaV4＝0.220m3T4＝296.18°K P4＝400KPa曲线1-2绝热压缩线，工质为1Kg N2，体积变化功为W＝63Nm/Kg。
线段2-3等压线，供热Q＝17.78KJ/Kg，体积变化功为W＝5.08K、Nm/Kg。
线段3-3′放热化学过程，生成气体，-等压充填过程，体积变化功为W＝158.8K Nm/0.1Kg H2。
曲线3′-4′1Kg N2加0.1Kg H2的膨胀功W＝65.95+91.57＝157.5KNm。
线段4′-4吸热化学过程，吸附气体，所必需吸收的热量相应于氢气沿线段3-3′和3′-4′所作的功，W＝158.8+91.57＝250.37KNm/0.1Kg H2，其中13.69KJ来自线段4-1的放热，236.68KJ来自与环境的换热。
线段4-1等压线，放热Q＝13.69KJ/Kg，体积变化功W＝3.9KNm/Kg有用功Wt＝-W1-2+W2-3+W3-3′+W3′-4′-W4-1Wt＝-63+5.1+158.8+157.5-3.9Wt＝254.5KNm品质因数E＝ (Wab)/(W)E＝ 254.5/17.8E＝14.3吸热化学过程与有用功有关的、所必需的生成能SH＝250KJ/0.1KgH2。与加热活性贮存表面有关的生成能(估计值)SH＝140KJ/0.1KgH2。生成能SH总＝3900KJ/KgSH＝7.8J/mol。
与传输体积有关的功率
WtLtr= (Wt)/(V4′)WtLtr＝ 254.5/0.525WtLtr＝484.76Nm/Ltr
权利要求
1.一种利用交替压缩和膨胀的气体为工质的热力循环过程，在此过程中所采用的工质在压缩后高温条件下由化学过程而引起体积增大，而在膨胀后低温条件下体积相应变小，其特征在于体积增大时放热，体积缩小时吸热。
2.权利要求1所述的热力循环过程，其特征在于上述化学过程是一个吸附/解吸过獭
3.权利要求2所述的热力循环过程，其特征在于至少有一部分气体工质的吸附/解吸过程发生在与高温和低温气体交换接触的表面上。
4.权利要求3所述的热力循环过程，其特征在于上述表面设置在一个可伸到高温和低温气体中的可转动圆盘上。
5.权利要求1至4中任何一个权利要求所述的热力循环过程，其特征在于采用了两种相互不起化学反应的气体工质，其中一种组分是普通气体，另一种组分能由化学反应和/或解吸过程引起体积增大/缩小。
6.权利要求1、2或5所述的热力循环过程，其特征在于采用一种气体和粉末的混合物来作为由化学反应和/或解吸过程而引起体积增大的工质。
7.权利要求6所述的热力循环过程，其特征在于上述粉末是一种金属粉末。
8.权利要求1至7中任何一个权利要求所述的热力循环过程其特征在于所述气体是氢气。
9.权利要求1至8中任何一个权利要求所述的热力循环过程，其特征在于该循环采用一台压气机压缩工质，以便产生机械能，用一个加热容器来加热已压缩的工质，用一台膨胀机产生机械能，用一个热交换器与环境进行热交换。
10.权利要求1至8中任何一个权利要求所述的热力循环过程，其特征在于上述循环运行时在冷却冷库的条件下由机械能来获得热量(热泵)。
11.权利要求1至8中任何一个权利要求所述的热力循环过程，其特征在于工质的循环容器的部分具有可加速或增强引起体积增大/缩小的反应的表面。
12.权利要求1至11中任何一个权利要求所述的热力循环过程，其特征在于当工质温度下降到低于环境温度时，通过热交换器吸收热量。
13.权利要求1至12中任何一个权利要求所述的热力循环过程，其特征在于采用了二种气体混合物来作为由化学反应和/或解吸过程而引起体积增大的工质，其中至少一种气体是合成的，并象催化剂那样对另一种气体起作用。
全文摘要
本发明涉及一种利用交替压缩和膨胀的气体为工质的热力循环过程，此过程中该工质在压缩后高温条件下由化学过程而引起体积增大，而在膨胀后低温条件下体积相应缩小。本发明的改进之处在于该循环在体积增大时放热，在体积缩小时吸热，从而提高了效率。因此，在热机中或者在热泵中采用此循环过程都能提高效率。
文档编号F03G7/06GK1033472SQ87108370
公开日1989年6月21日 申请日期1987年12月11日 优先权日1987年12月11日
发明者朱尔根·舒基 申请人:朱尔根·舒基