提高蒸汽机循环做功热效率的方法

摘要

本发明公开一种提高蒸汽机循环做功热效率的方法，包括在蒸汽机中循环进行如下步骤，使工质在所述蒸汽机中封闭的循环运行：将液态工质在汽化装置中加热汽化，形成具有预定温度和压力的气态工质；使所述气态工质在第一气体做功单元中膨胀做功的同时被继续加热；使在所述第一气体做功单元中做功后的所述气态工质在第二气体做功单元中膨胀做功；以及使在所述第二气体做功单元中做功后所述气态工质在冷凝装置中冷凝回复为所述液态工质。

说明书

技术领域

本发明涉及蒸汽机循环做功方法，特别涉及提高蒸汽机循环做功热效率的方法。

背景技术

蒸汽机是能够将气态工质，例如水蒸汽中的能量转换为机械功的热机，由于其中的燃烧过程在热机外部进行，属于热机中的外燃机。在传统的火车和轮船中都曾使用蒸汽机驱动。但传统的气缸-活塞式蒸汽机的热功转换效率只有10-15％，最高仅为20％左右。由于蒸汽机的热功转换效率低，结构笨重，在现代交通工具中蒸汽机已被内燃机所取代。

然而，外燃机的优点是明显的，不像内燃机那样必须用液态或气态燃料，煤、木炭等固态燃料也可以使外燃机运转，只要是热能，如太阳能、地热能、生物质能等都可以使它运行。因此，高效外燃机，如汽轮机、斯特林发动机等一直是人们研究开发的热点，特别是新能源开发用动力机械的研发重点。

发明内容

基于此，有必要针对原有蒸汽机热效率不高的问题，提供一种提高蒸汽机循环做功热效率的方法。

一种提高蒸汽机循环做功热效率的方法，包括在蒸汽机中循环进行如下步骤，使工质在所述蒸汽机中封闭的循环运行：

将液态工质在汽化装置中加热汽化，形成具有预定温度和压力的气态工质；

使所述气态工质在第一气体做功单元中膨胀做功的同时被继续加热；

使在所述第一气体做功单元中做功后的所述气态工质在第二气体做功单元中膨胀做功；以及

使在所述第二气体做功单元中做功后所述气态工质在冷凝装置中冷凝回复为所述液态工质。

在一实施例中，所述液态工质为非连续的定量供给至所述汽化装置。

在一实施例中，所述气态工质为非连续的定量供给至所述第一气体做功单元和所述第二气体做功单元。

在一实施例中，所述气态工质在所述第一气体做功单元中膨胀做功的同时被继续加热，使得膨胀过程中所述气态工质的温度保持恒定，压力降低。

在一实施例中，所述气态工质在所述第二气体做功单元中膨胀做功量为膨胀前后所述气态工质的内能或焓值之差。

在一实施例中，所述气态工质在所述第一气体做功单元中的做功过程为等温膨胀过程，在所述第二气体做功单元中的做功过程为绝热膨胀过程。

在一实施例中，所述的提高蒸汽机循环做功热效率的方法还包括：

利用在所述第二气体做功单元中做功后的所述气态工质的热量加热所述汽化装置中汽化前的所述液态工质。

在一实施例中，所述工质为水，或含有溶质的水溶液。

在一实施例中，所述工质为具有合适的熔点、沸点及蒸汽压的有机物，使所述工质在所述蒸汽机各单元和装置中具有对应的状态。

在一实施例中，所述第一气体做功单元包括加热器和第一活塞-气缸单元，所述第一活塞-气缸单元包括活塞和气缸，所述加热器通过对所述活塞-气缸单元加热，使所述第一活塞-气缸单元内的所述气态工质在所述气缸中膨胀并推动所述活塞对外做功的同时被加热。

本申请提供的提高蒸汽机循环做功热效率的方法是：在气态工质膨胀做功过程中，通过外部提供热量，使工质在做功的同时吸收热量；并且，利用加热膨胀做功后气态工质仍然保持极高的温度的特点，将其用于绝热膨胀过程中进一步做功，形成多级做功体系，从而提高蒸汽机的热机转换效率。本申请提供的提高蒸汽机循环做功热效率的所用的蒸汽机结构相对简单，另外，相对于内燃机对燃料的限制，外燃机可以广泛适应各种热源的利用，例如可广泛应用在太阳能、生物质能、地热能、燃油、燃气、煤等能源利用领域。

附图说明

图1为本发明实施例的提高蒸汽机循环做功热效率的流程图；

图2为本发明实施例的蒸汽机的结构示意图；

图3为本发明一实施例的蒸汽机的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“设置在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。实施例附图中各种不同对象按便于列举说明的比例绘制，而非按实际组件的比例绘制。

请参阅图1和图2，本发明实施例提供一种提高蒸汽机循环做功热效率的方法，包括在蒸汽机10中循环进行如下步骤：

S1，将液态工质在汽化装置100中加热汽化，形成具有预定温度和压力的气态工质；

S2，使所述气态工质在第一气体做功单元200中膨胀做功的同时被继续加热；

S3，使在所述第一气体做功单元200中做功后的所述气态工质在第二气体做功单元300中膨胀做功；以及

S4，使在所述第二气体做功单元300中做功后所述气态工质在冷凝装置400中冷凝回复为所述液态工质。

蒸汽机10为外燃机，能够使所述工质在蒸汽机10中封闭的循环运行，并通过外部提供的热量，使蒸汽机10中的工质在一个循环过程中经历液相-气相-液相的循环，通过对外做功将热能转换为机械能。蒸汽机10可包括汽化装置100、第一气体做功单元200、第二气体做功单元300和冷凝装置400。

工质通过加热汽化和冷凝在气相和液相之间相互转换。本发明实施例以水为例进行描述和热力学计算，但所述工质不限于水，例如还可以是含有其它溶质的水溶液或有机物。所述有机物具有合适的熔点、沸点及蒸汽压，使所述工质在所述蒸汽机各环节中具有对应的状态。所述有机物例如可以选自烷烃类化合物、烯烃类化合物、氟利昂类化合物中的至少一种，如正丙烷、甲苯。在一实施例中，所述工质为氨水。

在所述蒸汽机10循环做功的整个过程中，所述工质在所述蒸汽机10中封闭的循环运行。在蒸汽机10的不同部件中所述工质可以具有相同或不同的状态，例如具有相同或不同的温度、压力、体积和/或物质状态。

在步骤S1中，在汽化装置100中，所述工质经历升温、升压和相变过程，通过汽化装置100对液态工质进行加热，使液态工质蒸发，从低温低压的液态工质转变为高温高压的气态工质。所述汽化装置100用于将液态工质加热汽化，形成具有预定温度和压力的气态工质。汽化装置100可包括定容的容器和加热器，通过加热器加热使容器内的液态工质汽化后得到高温高压的气态工质。汽化装置100能够分别与冷凝装置400和第一气体做功单元200流体连通，使冷凝装置400的液态工质输入至汽化装置100形成气态工质，然后输入第一气体做功单元200。步骤S1中形成的气态工质在汽化装置100的出气口处具有预定温度和预定压力，或称第一温度和第一压力。

具体的，可以在所述液态工质转变为气态工质后，通过继续加热进一步将气态工质进行升温升压，例如在汽化装置100的定容的容器中通过加热气态工质提高气态工质的温度和压力。另外，所述工质也可在液态时即进行升温和/或升压，例如通过泵和出水阀提高进入汽化装置100中的液态工质的压力。

在一实施例中，液态工质非连续的，例如以脉冲的形式，定量的供给至汽化装置100。具体的，一定量的液态工质，例如一个脉冲的液态工质，进入汽化装置100，被汽化并基本排出后，下一个脉冲的液态工质才进入汽化装置100。

在一实施例中，可通过泵110与间歇式开启的出水阀120的配合，使具有一定压力的液态工质被脉冲式的定量泵入汽化装置100中。每次定量供给至汽化装置100的液态工质的量可根据步骤S2中第一气体做功单元200的参数(例如加热温度、传热效率、容积等)和蒸汽机10输出功率的大小设计和控制。因此，可根据蒸汽机10的输出功率需要，控制每次供给至汽化装置100的液态工质的量。

在一实施例中，冷凝装置400与汽化装置100通过管路和设置在管路上的泵110流体连通。泵110将冷凝装置400中的液态工质输入汽化装置100中。在一实施例中，汽化装置100与泵110之间的管路上可设置出水阀120。出水阀120用于使出水阀120与泵110之间的液态工质增压后进入汽化装置100。出水阀120可间歇的开启和关闭，使加压后的液态工质非连续的，如呈脉冲式的，定量的输入至汽化装置100。出水阀120与泵110配合可以控制一次进入汽化装置100的液态工质的量。

在步骤S2中，气态工质在第一气体做功单元200中通过体积膨胀而对外做功，输出机械能。同时，第一气体做功单元200对内部的气态工质继续进行加热，使得气态工质在对外做功的同时基本保持自身温度基本不变，压力下降。第一气体做功单元200用于在所述气态工质膨胀做功的同时继续加热所述气态工质。第一气体做功单元200可以包括能够将内能转换为机械能输出的第一气体做功装置和用于加热第一气体做功装置内的气态工质的加热器220。加热器220设置在第一气体做功装置附近，能够对第一气体做功装置加热。

在一实施例中，第一气体做功单元200的第一气体做功装置为第一活塞-气缸单元210。第一活塞-气缸单元210可包括气缸和能够在气缸中往复运动的活塞。第一气体做功单元200能够分别与汽化装置100和第二气体做功单元300流体连通。

具体的，在步骤S2中，气态工质在第一气体做功单元200的做功过程为吸热膨胀过程。优选的，该做功过程为近似等温膨胀过程。

可以理解，等温膨胀为理想状态，在实际应用中，气态工质在不同时间点的温度可能会有一定差异，但只要使气态工质在第一气体做功单元200中进行吸热膨胀并做功，即相对于不进行吸热膨胀步骤的蒸汽机循环做功具有更高的热效率。

在一实施例中，在步骤S2后，所述方法进一步包括使膨胀做功后的压力降低的气态工质从第一气体做功单元200中排出的步骤。

第一气体做功单元200能够分别与汽化装置100和第二气体做功单元300流体连通。从第一气体做功单元200排出的气态工质进入第二气体做功单元300。具体的，第一气体做功单元200的进气口与汽化装置100的出气口通过管路流体连通；第一气体做功单元200的排气口与第二气体做功单元300的进气口通过管路流体连通。在气态工质通过第一气体做功单元200的排气口排出时，具有第二温度和第二压力。在一实施例中，第二温度与第一温度基本相同，第二压力小于第一压力。

在一实施例中，气态工质为非连续的定量供给至第一气体做功单元200。具体的，一定量的气态工质进入第一气体做功单元200并膨胀做功，做功后压力降低的气态工质基本被排出后，另一定量的气态工质才进入第一气体做功单元200。第一气体做功单元200进气口和出气口上可分别设置进气阀122和出气阀124，用于控制进气口和出气口的适时的开启和关闭。

在一实施例中，在进气和做功过程中，对应第一气体做功单元200的进气阀122开启，出气阀124关闭，第一活塞-气缸单元210的气缸内部与汽化装置100流体连通，并与第二气体做功单元300流体隔离；汽化装置100中具有预定温度和压力的气态工质进入第一活塞-气缸单元210的气缸内部，通过膨胀推动活塞运动；另外，此时出水阀120关闭，汽化装置100与泵110之间流体隔离。在排气过程中，对应第一气体做功单元200的出气阀124开启，进气阀122关闭，第一活塞-气缸单元210的气缸内部与汽化装置100流体隔离，并与第二气体做功单元300流体连通；动力转换装置驱动活塞复位，将气缸中完成一次膨胀做功后压力降低的气态工质从气缸的出气口排出，并输入第二气体做功单元300；另外，此时出水阀120开启，下一个定量的液态工质被泵入汽化装置100中。

在步骤S3中，气态工质在第二气体做功单元300中通过体积膨胀而对外做功，使气态工质的内能进一步转变为机械能。气态工质在第二气体做功单元300中膨胀做功量基本等于膨胀前后气态工质的内能或焓值之差，也就是气态工质在第二气体做功单元300中的做功过程为近似绝热膨胀过程。在一实施例中，第二气体做功装置为第二活塞-气缸单元310。第二活塞-气缸单元310可包括气缸和能够在气缸中往复运动的活塞。

在一实施例中，第二气体做工单元300内外可基本上不进行热交换，气态工质在第二气体做功单元300中可近似处于绝热状态。气态工质在第二气体做功单元300中对外做功的温度下降，压力下降。做工后经第二气体做功单元300的排气口排出时，气态工质具有第三温度和第三压力。第三温度小于第二温度，第三压力小于第二压力。第二气体做工单元300包括能够将气体工质内能转换为机械能输出的第二气体做功装置。

在一实施例中，在步骤S3后，所述蒸汽机10循环做功的方法进一步包括使膨胀做功后的气态工质从第二气体做功单元300中排出的步骤。从第二气体做功单元300排出的气态工质进入冷凝装置400。

第二气体做功单元300分别与第一气体做功单元200和冷凝装置400流体连通。具体的，第二气体做功单元300的进气口与第一气体做功单元200的出气口通过管路流体连通；第二气体做功单元300的排气口与冷凝装置400的进气口通过管路流体连通。

气态工质可以为连续或非连续的定量供给至第二气体做功单元300。在一实施例中，一定量的气态工质进入第二气体做功单元300并膨胀做功，做功后压力降低的气态工质基本全部被排出后，另一定量的气态工质才进入第二气体做功单元300。第二气体做功单元300的进气口和出气口上可分别设置进气阀122和出气阀124，用于控制进气口和出气口的开启和关闭。

在一实施例中，在进气和做功过程中，对应第二气体做功单元300的进气阀122开启，出气阀124关闭，第二活塞-气缸单元310的气缸内部与第一气体做功单元200流体连通，并与冷凝装置400流体隔离；第一气体做功单元200中具有第二温度和第二压力的气态工质进入第二活塞-气缸单元310的气缸内部，通过膨胀推动活塞运动。在排气过程中，对应第二气体做功单元300的出气阀124开启，进气阀122关闭，第二活塞-气缸单元310的气缸内部与第一气体做功单元200流体隔离，并与冷凝装置400流体连通；动力转换装置驱动活塞复位，将气缸中完成一次膨胀做功后具有第三温度和第三压力的气态工质从气缸的出气口排出，并输入冷凝装置400。

可以理解，上述步骤S2和S3可分别进行一次或多次。

在一实施例中，可以使气态工质分别同时进入多个第一气体做功装置，例如多个第一活塞-气缸单元，使气态工质分别在多个第一气体做功装置中对外做功，例如使多个第一气体做功装置相互并联。在另一实施例中，可以使气态工质分别同时进入多个第二气体做功装置，例如多个第二活塞-气缸单元，使气态工质分别在多个第二气体做功装置中对外做功，例如使多个第二气体做功装置相互并联。

在一实施例中，可以使气态工质逐级的通过多个第一气体做功装置，在先的第一气体做功装置的压力大于在后的第一气体做功装置的压力，使气态工质的压力逐级降低，并使气态工质逐级的通过多个第一气体做功装置对外做功。同理，在另一实施例中，可以使气态工质逐级的通过多个第二气体做功装置，使气态工质逐级的通过多个第二气体做功装置对外做功。在一实施例中，可以将多个第一气体做功装置与多个第二气体做功装置组合，例如依次串联。

上述并联和串联可根据需要相互组合，并且第一气体做功装置与第二气体做功装置的数量可以相同或不同。

在一实施例中，在步骤S4前，所述蒸汽机10循环做功的方法还包括以下步骤：

利用在第二气体做功单元300中做功后的气态工质的热量加热汽化装置100中汽化前的液态工质。

请参阅图3，连接第二气体做功单元300和冷凝装置400的管路16可经过汽化装置100附近，优选经过泵110与出水阀120之间的管路12附近，使从第二气体做功单元300排出的气态工质在进入冷凝装置400前将部分热量传递至汽化装置100内，加热汽化装置100内的液态工质，提高热效率。具体的，管路16可以盘绕在管路12外，或者管路16的一段外同轴的设置在管路12外的套管。

在步骤S4中，气态工质在冷凝装置400中降温，冷凝为液态工质，完成一个循环。在冷凝装置400中形成的液态工质再次进入汽化装置100。冷凝装置400用于使在所述第二气体做功单元300中做功后所述气态工质冷凝回复为所述液态工质。

本申请实施例的提供的蒸汽机循环做功方法和蒸汽机，将近似等温膨胀的加热膨胀做功过程和近似绝热膨胀做功过程相结合。在等温膨胀过程中，通过外部提供热量，可以使工质在做功的同时吸收热量，等温膨胀吸收的热量近似等于对外做功量。并且，利用加热膨胀做功后气态工质仍然保持极高的温度的特点，将其用于近似绝热膨胀过程中进一步做功，形成多级做功体系，使热效率大于同等条件下的普通蒸汽机的热效率，从而提高蒸汽机的热机转换效率。

上述分析结果通过理论的近似计算可以验证。为了计算方便，将第一气体做功单元200中的做功过程看作等温膨胀，将第二气体做功单元300中的做功过程近似为绝热膨胀，并将水蒸气近似为理想气体。

第一气体做功单元200中等温膨胀时系统的吸热量等于对外做功量W1，可根据公式(1)计算：

其中V1为等温膨胀前气态工质的体积，V2为等温膨胀后气态工质的体积。在等温膨胀前气态工质的温度和压力T1和P1，以及等温膨胀后气态工质的温度和压力T2和P2已知的条件下，当工质为水时，V1和V2可通过查过热蒸汽参数表得到。

第二气体做功单元300中绝热膨胀后的温度T3可根据公式(2)计算：

其中，P3为绝热膨胀后的气态工质的压力，γ为等熵系数。

绝热膨胀时系统对外做工量W2等于系统的焓降，可根据公式(3)计算：

W2＝H2-H3 (3)

其中H2为绝热膨胀前的气态工质的焓值，H3为绝热膨胀后气态工质的焓值，当工质为水且P2、T2和P3、T3已知时H2和H3可通过查表得到。

因此，系统总做功量可根据公式(4)计算：

W＝W1+W2 (4)

系统的总吸收热量Q可根据公式(5)计算：

Q＝H2+W1 (5)

系统的热机转换效率η可根据公式(5)计算：

η＝W/Q×100％ (6)

以图2的实施例为例，计算以水为工质的蒸汽机的热效率。

当第一温度T1和第二温度T2均为500℃，第一压力P1为20MPa，第二压力P2为2MPa，第一气体做功单元200中近似等温膨胀过程的对外做功量为：

当第三压力P3为0.12MPa，第二气体做功单元300中近似绝热膨胀后气态工质的第三温度T3为：

第二气体做功单元300中近似绝热膨胀过程的对外做功量为：

W2＝H2-H3＝3466-2700＝766kJ/kg

系统总做功量为：

W＝W1+W2＝867+766＝1633kJ/kg

系统总吸热量为：

Q＝H2+W1＝3466+867＝4333kJ/kg

系统的热机转换效率η为：

η＝1633/4333＝37.68％

如果按照图3的实施例，利用气态工质的余热使进入汽化装置100前的液态工质加热到100℃，根据水的比热，可以计算出这一步骤回收的热量为417kJ/kg。

则系统总吸热量为：

Q’＝Q-417＝4333-417＝3916kJ/kg

热机转换效率η’为：

η’＝1633/3916＝41.7％

根据上述公式，以预设的不同温度T1、T2和不同压力P1、P2、P3，计算蒸汽机10的热机转换效率如表1所示。

表1

上述热机转换效率是在图2和图3的实施例的基础上通过理论近似计算得到的，也就是基于相对简单的蒸汽机结构，且气体做功装置均采用活塞-气缸单元，可以看到，蒸汽机10的热机转换效率可以达到35％以上。

而传统的气缸-活塞式蒸汽机的最高热效率仅有20％左右，例如，将图3的实施例中的第一气体做功单元200去掉，将汽化装置100中的过热水蒸气直接输入第二气体做功单元300进行绝热膨胀做功。T1＝500℃、P1＝20MPa，水蒸汽的焓值为3238kJ/kg；水蒸汽直接绝热膨胀至T3＝110℃、P3＝0.12MPa，焓值为2700kJ/kg，则计算热机转换效率η’为：

如T1＝500℃、P1＝10MPa；T3＝110℃、P3＝0.12MPa，计算热机转换效率η’为：

上述这些计算结果可以定性的证明：采用加热膨胀做功过程和近似绝热膨胀做功过程相结合的蒸汽机比只有近似绝热膨胀做功过程的蒸汽机具有更高的热机转换效率。

相对于内燃机对燃料的限制，本申请实施例的蒸汽机属于外燃机，可以广泛适应各种热源，可广泛应用在太阳能、生物质能、地热能、燃油、煤等能源利用领域。本申请实施例的蒸汽机在较低的燃烧温度下具有较高的热效率，可以降低燃料燃烧中氮氧化物等污染物排放。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。