[发明专利]一种气动设备中的等温膨胀的实现方法

说明书

技术领域

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

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n为物质的量，单位mol；R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。

发明内容

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。

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:

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。

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。

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。

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。

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。

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℃。