利用液化空氣做功驅(qū)動機械設(shè)備、液氮做功產(chǎn)生電能的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及能量轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種利用液化空氣做功驅(qū)動機械設(shè)備、液氮做功產(chǎn)生電能的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，內(nèi)燃機燃燒汽油、柴油等燃料，并將得到的熱能轉(zhuǎn)為機械能以驅(qū)動眾多機械設(shè)備，其工作循環(huán)由進氣、壓縮、做功、排氣四個過程組成，以汽油機為例:
[0003]進氣過程，吸入環(huán)境空氣；
[0004]壓縮過程，對空氣進行絕熱壓縮，得到高溫壓縮空氣；
[0005]做功過程，壓縮結(jié)束時燃燒燃料，高溫壓縮空氣等容吸熱，得到高溫高壓空氣，高溫高壓空氣絕熱膨脹而做功，得到高溫低壓廢氣；
[0006]排氣過程，將高溫低壓廢氣排放至環(huán)境進行等容放熱。
[0007]內(nèi)燃機排氣過程中排放二氧化碳(CO2)，且排放的CO2與其所燃燒的燃料成正比，交通運輸業(yè)為能源密集型行業(yè)，使用了大量內(nèi)燃機，其排放的CO2約為80億噸/年，約占全球0)2排放量的22-25%，CO2為主要溫室氣體，CO 2排放加劇了溫室效應(yīng)，造成全球氣候變暖，進而引發(fā)了各種自然災(zāi)害。內(nèi)燃機排氣過程中還排放一氧化碳(CO)、碳?xì)浠衔?HC)、氮氧化物(NOx)、顆粒物(PM)等污染物，交通運輸業(yè)污染物排放量約為6億噸/年，其中，C0、HC、N0x、PM分別約占75%、9.5%Λ4%Λ.5%, CO會使人缺氧，HC含有致癌物質(zhì)，NOx^危害呼吸系統(tǒng)，PM會危害呼吸系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)，這些污染物已成為空氣污染的重要來源，是造成灰霾、光化學(xué)煙霧污染的重要原因。
[0008]內(nèi)燃機做功過程中氣缸、活塞等零件直接吸熱而升溫，為了防止高溫造成零件損壞、潤滑油氧化、早燃爆震，內(nèi)燃機通過水冷式或風(fēng)冷式冷卻系向環(huán)境放熱，形成的冷卻熱損失約為20-30%，另外排氣熱損失約為30-40%，機械摩擦熱損失約為10%，所以內(nèi)燃機有效熱效率較低，例如船舶柴油機、汽車柴油機、汽車汽油機的有效熱效率分別約為50%、40%、30%。
[0009]目前，火力發(fā)電燃燒煤、石油、天然氣等燃料，并將得到的熱能通過火力發(fā)電設(shè)備轉(zhuǎn)為電能，其工作循環(huán)由壓縮、吸熱、膨脹、放熱四個過程組成，其中:
[0010]壓縮過程，給水栗對凝結(jié)水進行絕熱壓縮，得到過冷水；
[0011]吸熱過程，鍋爐燃燒燃料，過冷水等壓吸熱，得到高溫高壓過熱蒸汽；
[0012]膨脹過程，高溫高壓過熱蒸汽絕熱膨脹而做功驅(qū)動汽輪機組發(fā)電，得到乏汽；
[0013]放熱過程，乏汽通過凝汽器向環(huán)境等壓放熱，得到凝結(jié)水。
[0014]火力發(fā)電放熱過程中，乏汽通過凝汽器并利用循環(huán)冷卻水向環(huán)境等壓放熱，形成的冷端熱損失約為45 %，且大量循環(huán)冷卻水蒸發(fā)為蒸汽并被排放至環(huán)境，另外鍋爐排煙熱損失約為6%，生產(chǎn)損耗約為9%，所以火力發(fā)電循環(huán)熱效率較低，約為40%。
[0015]因此，目前內(nèi)燃機/火力發(fā)電燃燒燃料，得到高溫高壓空氣/過熱蒸汽，再令其絕熱膨脹而做功，該類能量轉(zhuǎn)換排放COjP污染物，造成了全球氣候變暖和空氣污染，且該類能量轉(zhuǎn)換中約40%燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)為機械能/電能，其余約60%轉(zhuǎn)為低位熱能并形成冷卻/冷端熱損失、排氣/排煙熱損失、機械摩擦熱損失/生產(chǎn)損耗，熱效率較低，所以如何實現(xiàn)清潔高效的能量轉(zhuǎn)換，是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]本發(fā)明的目的是提供一種利用液化空氣做功驅(qū)動機械設(shè)備、液氮做功產(chǎn)生電能的方法，以實現(xiàn)清潔高效的能量轉(zhuǎn)換。
[0017]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0018]一種利用液化空氣做功驅(qū)動機械設(shè)備的方法，包括以下步驟:
[0019]步驟1，將熱介質(zhì)與液化空氣混合，液化空氣等容吸熱，得到常溫高壓空氣；
[0020]步驟2，令常溫高壓空氣絕熱膨脹而做功驅(qū)動機械設(shè)備，并得到低溫低壓空氣。
[0021]本方法中將熱介質(zhì)與液化空氣混合，得到常溫高壓空氣，再令其絕熱膨脹而做功，則即便熱介質(zhì)攜帶低位熱能時，也可得到驅(qū)動機械設(shè)備的動力；本方法排放低溫低壓空氣，不排放COjP污染物，且混合及做功過程也不產(chǎn)生污染；本方法中常溫高壓空氣絕熱膨脹而做功，所以工作溫度較低，整個能量轉(zhuǎn)換過程中無冷卻熱損失，提高了熱效率。本方法實現(xiàn)了清潔高效的能量轉(zhuǎn)換，且其適用于高位熱能、低位熱能，所述低位熱能為空氣能、水熱能、地?zé)崮堋⒐I(yè)余熱等等。
[0022]可選地，所述熱介質(zhì)為高溫壓縮空氣或乏汽。
[0023]可選地，所述機械設(shè)備為內(nèi)燃機、氣動馬達(dá)或汽輪機。
[0024]將高溫壓縮空氣作為熱介質(zhì)與液化空氣混合，液化空氣等容吸熱，得到常溫高壓空氣，再令其絕熱膨脹而做功，將得到的功分為兩部分，用一部分驅(qū)動機械設(shè)備，用另一部分可以驅(qū)動空壓機制取高溫壓縮空氣，并將其作為熱介質(zhì)用于再次做功，則利用液化空氣實現(xiàn)了空氣能做功，空氣能熱效率約為400-600%，所以空壓機能耗約為其制取的高溫壓縮空氣的熱能的1/4-1/6。
[0025]將乏汽作為熱介質(zhì)與液化空氣混合，液化空氣等容吸熱，得到常溫高壓空氣，可以令其絕熱膨脹而做功驅(qū)動汽輪發(fā)電機組，得到低溫低壓空氣，則利用液化空氣實現(xiàn)了乏汽發(fā)電，且整個能量轉(zhuǎn)換過程中無冷卻熱損失，若對低溫低壓空氣進行節(jié)流膨脹，得到液化空氣并將其用于再次做功，則整個能量轉(zhuǎn)換過程中還無排氣熱損失，該方案消除了火力發(fā)電冷端熱損失，即火力發(fā)電循環(huán)熱效率從約40%提高至約85%，且乏汽向液化空氣放熱而冷凝為凝結(jié)水，省去了循環(huán)冷卻水。
[0026]可選地，排放所述常溫高壓空氣，所述常溫高壓空氣絕熱膨脹產(chǎn)生反作用力而做功以驅(qū)動所述機械設(shè)備，所述機械設(shè)備為船舶、火車或汽車。
[0027]排放常溫高壓空氣，并用產(chǎn)生的反作用力驅(qū)動船舶、火車或汽車，則整個能量轉(zhuǎn)換過程中無冷卻、機械摩擦熱損失，提高了熱效率，即提高了功率。
[0028]可選地，所述熱介質(zhì)為水，其向所述液化空氣放熱后得到降溫高壓水。
[0029]自然物質(zhì)中除氫氣、氦氣、液氨外，水是比熱容最大的物質(zhì)，環(huán)境水、用太陽能制取的高溫低壓水、工業(yè)循環(huán)冷卻水、用低谷電制取的高溫低壓水、用乏汽和液化空氣制取的高溫低壓水、工業(yè)廢水、燃燒燃料而制取的高溫低壓水、地下熱水等等均攜帶大量低位熱能。
[0030]可選地，釋放所述降溫高壓水，所述常溫高壓空氣絕熱膨脹而做功并排放所述降溫高壓水，再用排放產(chǎn)生的反作用力驅(qū)動所述機械設(shè)備，所述機械設(shè)備為船舶。
[0031]排放降溫高壓水，并用產(chǎn)生的反作用力驅(qū)動船舶，則整個能量轉(zhuǎn)換過程中無冷卻、機械摩擦熱損失，常溫高壓空氣絕熱膨脹而做功，得到低溫低壓空氣，若對低溫低壓空氣進行節(jié)流膨脹，得到液化空氣并將其用于再次做功，則整個能量轉(zhuǎn)換過程中還無排氣熱損失，所以該方案熱效率約為100%。
[0032]可選地，釋放所述降溫高壓水，所述常溫高壓空氣絕熱膨脹而做功并推動所述降溫高壓水驅(qū)動所述機械設(shè)備，所述機械設(shè)備為水輪機。
[0033]常溫高壓空氣絕熱膨脹而做功，得到低溫低壓空氣，則整個能量轉(zhuǎn)換過程中無冷卻熱損失，若對低溫低壓空氣進行節(jié)流膨脹，得到液化空氣并將其用于再次做功，則整個能量轉(zhuǎn)換過程中還無排氣熱損失，該方案能用于發(fā)電，且水輪發(fā)電機組效率高于90%所以發(fā)電熱效率較高，例如用于火力發(fā)電時無冷端熱損失，循環(huán)熱效率高于85%。
[0034]可選地，對所述低溫低壓空氣進行節(jié)流膨脹，得到液化空氣再將其反饋給所述步驟I。
[0035]對低溫低壓空氣進行節(jié)流膨脹得到液化空氣，則該液化空氣焓值等于低溫低壓空氣焓值，且該液化空氣被反饋給步驟1，用于再次混合及做功，所以該方案消除了排氣熱損失。
[0036]可選地，將所述常溫高壓空氣與另一份熱介質(zhì)混合，所述常溫高壓空氣等容吸熱，得到升溫增壓空氣并令其絕熱膨脹而做功以驅(qū)動所述機械設(shè)備，或?qū)⑺錾郎卦鰤嚎諝馀c另一份液化空氣混合，該液化空氣等容吸熱，得到降溫增壓空氣并令其絕熱膨脹而做功以驅(qū)動所述機械設(shè)備。
[0037]增壓能得到更大扭矩或反作用力，若在等容條件下持續(xù)進行升溫增壓和降溫增壓，則實現(xiàn)了無需散熱的恒溫持續(xù)增壓。
[0038]可選地，將