利用液化空气做功驱动机械设备、液氮做功产生电能的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及能量转换技术领域，尤其涉及一种利用液化空气做功驱动机械设备、液氮做功产生电能的方法。
【背景技术】
[0002]目前，内燃机燃烧汽油、柴油等燃料，并将得到的热能转为机械能以驱动众多机械设备，其工作循环由进气、压缩、做功、排气四个过程组成，以汽油机为例:
[0003]进气过程，吸入环境空气；
[0004]压缩过程，对空气进行绝热压缩，得到高温压缩空气；
[0005]做功过程，压缩结束时燃烧燃料，高温压缩空气等容吸热，得到高温高压空气，高温高压空气绝热膨胀而做功，得到高温低压废气；
[0006]排气过程，将高温低压废气排放至环境进行等容放热。
[0007]内燃机排气过程中排放二氧化碳(CO2)，且排放的CO2与其所燃烧的燃料成正比，交通运输业为能源密集型行业，使用了大量内燃机，其排放的CO2约为80亿吨/年，约占全球0)2排放量的22-25%，CO2为主要温室气体，CO 2排放加剧了温室效应，造成全球气候变暖，进而引发了各种自然灾害。内燃机排气过程中还排放一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)、颗粒物(PM)等污染物，交通运输业污染物排放量约为6亿吨/年，其中，C0、HC、N0x、PM分别约占75%、9.5%Λ4%Λ.5%, CO会使人缺氧，HC含有致癌物质，NOx^危害呼吸系统，PM会危害呼吸系统、免疫系统、循环系统，这些污染物已成为空气污染的重要来源，是造成灰霾、光化学烟雾污染的重要原因。
[0008]内燃机做功过程中气缸、活塞等零件直接吸热而升温，为了防止高温造成零件损坏、润滑油氧化、早燃爆震，内燃机通过水冷式或风冷式冷却系向环境放热，形成的冷却热损失约为20-30%，另外排气热损失约为30-40%，机械摩擦热损失约为10%，所以内燃机有效热效率较低，例如船舶柴油机、汽车柴油机、汽车汽油机的有效热效率分别约为50%、40%、30%。
[0009]目前，火力发电燃烧煤、石油、天然气等燃料，并将得到的热能通过火力发电设备转为电能，其工作循环由压缩、吸热、膨胀、放热四个过程组成，其中:
[0010]压缩过程，给水栗对凝结水进行绝热压缩，得到过冷水；
[0011]吸热过程，锅炉燃烧燃料，过冷水等压吸热，得到高温高压过热蒸汽；
[0012]膨胀过程，高温高压过热蒸汽绝热膨胀而做功驱动汽轮机组发电，得到乏汽；
[0013]放热过程，乏汽通过凝汽器向环境等压放热，得到凝结水。
[0014]火力发电放热过程中，乏汽通过凝汽器并利用循环冷却水向环境等压放热，形成的冷端热损失约为45 %，且大量循环冷却水蒸发为蒸汽并被排放至环境，另外锅炉排烟热损失约为6%，生产损耗约为9%，所以火力发电循环热效率较低，约为40%。
[0015]因此，目前内燃机/火力发电燃烧燃料，得到高温高压空气/过热蒸汽，再令其绝热膨胀而做功，该类能量转换排放COjP污染物，造成了全球气候变暖和空气污染，且该类能量转换中约40%燃料化学能转为机械能/电能，其余约60%转为低位热能并形成冷却/冷端热损失、排气/排烟热损失、机械摩擦热损失/生产损耗，热效率较低，所以如何实现清洁高效的能量转换，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
【发明内容】
[0016]本发明的目的是提供一种利用液化空气做功驱动机械设备、液氮做功产生电能的方法，以实现清洁高效的能量转换。
[0017]本发明的技术方案如下:
[0018]一种利用液化空气做功驱动机械设备的方法，包括以下步骤:
[0019]步骤1，将热介质与液化空气混合，液化空气等容吸热，得到常温高压空气；
[0020]步骤2，令常温高压空气绝热膨胀而做功驱动机械设备，并得到低温低压空气。
[0021]本方法中将热介质与液化空气混合，得到常温高压空气，再令其绝热膨胀而做功，则即便热介质携带低位热能时，也可得到驱动机械设备的动力；本方法排放低温低压空气，不排放COjP污染物，且混合及做功过程也不产生污染；本方法中常温高压空气绝热膨胀而做功，所以工作温度较低，整个能量转换过程中无冷却热损失，提高了热效率。本方法实现了清洁高效的能量转换，且其适用于高位热能、低位热能，所述低位热能为空气能、水热能、地热能、工业余热等等。
[0022]可选地，所述热介质为高温压缩空气或乏汽。
[0023]可选地，所述机械设备为内燃机、气动马达或汽轮机。
[0024]将高温压缩空气作为热介质与液化空气混合，液化空气等容吸热，得到常温高压空气，再令其绝热膨胀而做功，将得到的功分为两部分，用一部分驱动机械设备，用另一部分可以驱动空压机制取高温压缩空气，并将其作为热介质用于再次做功，则利用液化空气实现了空气能做功，空气能热效率约为400-600%，所以空压机能耗约为其制取的高温压缩空气的热能的1/4-1/6。
[0025]将乏汽作为热介质与液化空气混合，液化空气等容吸热，得到常温高压空气，可以令其绝热膨胀而做功驱动汽轮发电机组，得到低温低压空气，则利用液化空气实现了乏汽发电，且整个能量转换过程中无冷却热损失，若对低温低压空气进行节流膨胀，得到液化空气并将其用于再次做功，则整个能量转换过程中还无排气热损失，该方案消除了火力发电冷端热损失，即火力发电循环热效率从约40%提高至约85%，且乏汽向液化空气放热而冷凝为凝结水，省去了循环冷却水。
[0026]可选地，排放所述常温高压空气，所述常温高压空气绝热膨胀产生反作用力而做功以驱动所述机械设备，所述机械设备为船舶、火车或汽车。
[0027]排放常温高压空气，并用产生的反作用力驱动船舶、火车或汽车，则整个能量转换过程中无冷却、机械摩擦热损失，提高了热效率，即提高了功率。
[0028]可选地，所述热介质为水，其向所述液化空气放热后得到降温高压水。
[0029]自然物质中除氢气、氦气、液氨外，水是比热容最大的物质，环境水、用太阳能制取的高温低压水、工业循环冷却水、用低谷电制取的高温低压水、用乏汽和液化空气制取的高温低压水、工业废水、燃烧燃料而制取的高温低压水、地下热水等等均携带大量低位热能。
[0030]可选地，释放所述降温高压水，所述常温高压空气绝热膨胀而做功并排放所述降温高压水，再用排放产生的反作用力驱动所述机械设备，所述机械设备为船舶。
[0031]排放降温高压水，并用产生的反作用力驱动船舶，则整个能量转换过程中无冷却、机械摩擦热损失，常温高压空气绝热膨胀而做功，得到低温低压空气，若对低温低压空气进行节流膨胀，得到液化空气并将其用于再次做功，则整个能量转换过程中还无排气热损失，所以该方案热效率约为100%。
[0032]可选地，释放所述降温高压水，所述常温高压空气绝热膨胀而做功并推动所述降温高压水驱动所述机械设备，所述机械设备为水轮机。
[0033]常温高压空气绝热膨胀而做功，得到低温低压空气，则整个能量转换过程中无冷却热损失，若对低温低压空气进行节流膨胀，得到液化空气并将其用于再次做功，则整个能量转换过程中还无排气热损失，该方案能用于发电，且水轮发电机组效率高于90%所以发电热效率较高，例如用于火力发电时无冷端热损失，循环热效率高于85%。
[0034]可选地，对所述低温低压空气进行节流膨胀，得到液化空气再将其反馈给所述步骤I。
[0035]对低温低压空气进行节流膨胀得到液化空气，则该液化空气焓值等于低温低压空气焓值，且该液化空气被反馈给步骤1，用于再次混合及做功，所以该方案消除了排气热损失。
[0036]可选地，将所述常温高压空气与另一份热介质混合，所述常温高压空气等容吸热，得到升温增压空气并令其绝热膨胀而做功以驱动所述机械设备，或将所述升温增压空气与另一份液化空气混合，该液化空气等容吸热，得到降温增压空气并令其绝热膨胀而做功以驱动所述机械设备。
[0037]增压能得到更大扭矩或反作用力，若在等容条件下持续进行升温增压和降温增压，则实现了无需散热的恒温持续增压。
[0038]可选地，将