一种气动设备中的等温膨胀的实现方法技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及，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】
本专利技术涉及气动设备
，尤其涉及。
技术介绍
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。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: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。该方案存在以下缺点: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)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。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: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。该方案存在以下缺点: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。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。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。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。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。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。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的是针对现有技术结构上的缺点，提出，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。为了达到上述专利技术目的，本专利技术实施例提出的是通过以下技术方案实现的:，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。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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。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。进一步优选的，所述热交换物质为丙烷或丁烷。在上述技术方案中: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)。因此保留原文表述，并对物质做出定义。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。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是: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】通过下面结合附图对其示例性实施例进行的描述，本专利技术上述特征和优点将会变得更加清楚和容易理解。图1为本专利技术实施例1中的方法原理示意图；图2为本专利技术实施例2中的方法原理示意图；图3为本专利技术实施例3中的方法原理示意图；图4为本专利技术实施例4中的方法原理示意图；【具体实施方式】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。本专利技术正是基于此，提出，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。本专利技术的技术核心在于: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。下面结合附图通过多个实施例对本专利技术作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解:实施例1:参见图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。然后关闭进气阀本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张钟元，
申请(专利权)人：张钟元，
类型：发明
国别省市：