阅读说明：本技术 复叠式重力场做功方法及所用装置 (Overlapping gravity field acting method and device ) 是由 李斌 王厉 骆菁菁 于 2020-06-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种复叠式重力场做功装置,由至少两级的重力场做功子系统组成；在相邻两级的重力场做功子系统之间设置级间循环系统,级间循环系统包括级间循环泵(4)；每级的重力场做功子系统包括高位冷凝器(1)、低位液体涡轮(2)和低位蒸发器(3)；上一级的重力场做功子系统的高位冷凝器(1)的吸热通道、下一级的重力场做功子系统的低位蒸发器(3)的放热通道、级间循环泵(4)依次相连形成闭合式循环。本发明还同时提供利用上述装置进行的复叠式重力场做功方法。本发明减小了系统工做所需的位置落差,适用范围更广；通过复叠式循环,在位置落差一定情况下,扩大了蒸发器冷凝器温差。(The invention discloses a cascade gravitational field work-doing device, which consists of at least two stages of gravitational field work-doing subsystems; an interstage circulation system is arranged between the gravity field work doing subsystems of two adjacent stages, and comprises an interstage circulation pump (4); each stage of gravity field work-doing subsystem comprises a high-level condenser (1), a low-level liquid turbine (2) and a low-level evaporator (3); the heat absorption channel of the high-level condenser (1) of the gravity field work-doing subsystem of the previous stage, the heat release channel of the low-level evaporator (3) of the gravity field work-doing subsystem of the next stage and the interstage circulating pump (4) are sequentially connected to form closed circulation. The invention also provides a method for applying work by utilizing the device in the overlapping type gravity field. The invention reduces the position fall required by system operation, and has wider application range; by the cascade circulation, under the condition of certain position drop, the temperature difference of the evaporator and the condenser is enlarged.)

复叠式重力场做功方法及所用装置

技术领域

本发明涉及动力设备技术领域，具体为一种复叠式重力场做功装置及方法。

背景技术

蒸汽动力法是目前热动力循环方法的主要方法，该方法对于低品位热源的利用效率不高，特别是应用于广泛存在的低于80℃的低品位热源时，由于工质的蒸汽压力比较小，不能有效利用蒸汽压力能来做功发电，即使采用有机工质朗肯循环，在低热源温度下的效率仍然较低。专利申请(201711419509.X)提出了一种重力场做功热管装置，利用了重力场中压力能和重力势能的相互转换实现在流动中的自然增压及减压过程，不需要膨胀阀和蒸汽压缩机，具有较高的能量利用效率，将传统的气体压力能发电转化为用液体压力能发电，可以在较小的温差下获得很大的压力势差，特别适合于利用低品位能源做功。但是该装置存在对位置落差要求较高的缺点，如在几十度的常规蒸发冷凝温度差下所要求的位置落差达到数百米，降低了其现实可行性。

为此，有必要针对该系统提出一种改进的系统形式，使之能够具有较小的位置落差要求，从而增强该系统的适用范围。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种复叠式重力场做功方法及所用装置。

为解决上述技术问题，本发明提供一种复叠式重力场做功装置，由至少两级的重力场做功子系统组成；在相邻两级的重力场做功子系统之间设置级间循环系统，级间循环系统包括级间循环泵；

因此，各级的重力场做功子系统之间通过级间循环系统的热传递作用形成复叠关系；

每级的重力场做功子系统包括高位冷凝器、低位液体涡轮和低位蒸发器，高位冷凝器放置在高位，低位液体涡轮和低位蒸发器放置在低位；

高位冷凝器的冷凝放热通道、低位液体涡轮、低位蒸发器的吸热通道依次相连形成闭合式循环；

即，高位冷凝器冷凝放热通道出口连接低位液体涡轮液体进口，低位液体涡轮液体出口连接低位蒸发器吸热通道进口，低位蒸发器的吸热通道出口连接高位冷凝器冷凝放热通道进口，三者形成闭环系统；

上一级的重力场做功子系统的高位冷凝器的吸热通道、下一级的重力场做功子系统的低位蒸发器的放热通道、级间循环泵依次相连形成闭合式循环；

即，上一级重力场做功子系统的高位冷凝器的吸热通道出口与下一级重力场做功子系统的低位蒸发器的放热通道进口相连，下一级重力场做功子系统的低位蒸发器的放热通道出口通过位于此两级重力场做功子系统间的级间循环泵后与上一级重力场做功子系统高位冷凝器的吸热通道进口相连，形成复叠关系；

首级重力场做功子系统的低位蒸发器的放热通道与外部热源连接；末级重力场做功子系统的高位冷凝器的吸热通道与外部冷源连接。

作为本发明的复叠式重力场做功装置的改进：同级重力场做功子系统中，高位冷凝器与低位蒸发器之间的落差＞100米。

说明：同级重力场做功子系统中，低位液体涡轮和低位蒸发器可在同一水平位，也可略有高度差；不同的重力场做功子系统中的高位冷凝器可在同一水平位，也可略有高度差。

作为本发明的复叠式重力场做功装置的进一步改进：以低品位热源作为外部热源，以空气作为外部冷源。

本发明还提供了利用上述装置进行的复叠式重力场做功方法，为以下任一方法：

方法一，方形循环方法：

每级重力场做功子系统内的制冷剂循环状态在T-S图上表示为方形循环；

方法二，方形、三角形循环方法：

首级重力场做功子系统内的制冷剂循环状态在T-S图上表示为方形循环；其余各级重力场做功子系统内的制冷剂循环状态在T-S图上表示为三角循环；

方法三，三角循环方法：

每级重力场做功子系统内的制冷剂循环状态在T-S图上表示为三角循环；

方法四，三角、方形循环方法：

首级重力场做功子系统内的制冷剂循环状态在T-S图上表示为三角循环；其余各级重力场做功子系统内的制冷剂循环状态在T-S图上表示为方形循环。

作为本发明的复叠式重力场做功方法的改进，方形循环时(同一级重力场做功子系统内)：

从高位冷凝器的冷凝放热通道流出的制冷剂为低温低压气液混合物(为干度较低的低温低压气液混合物)，在重力和压差的共同作用下绝热流动到低位液体涡轮入口处，形成超高压液体工质进入低位液体涡轮，释放其液体压力能对外做功，成为高压工质；高压工质继续流入低位蒸发器的蒸发吸热通道，吸收低位蒸发器的放热通道流体所释放的热量后，成为高温高压气液混合物(具有一定干度的高温高压气液混合物)；所述高温高压气液混合物在压差的作用下、克服重力向高位冷凝器的冷凝放热通道进口绝热流动，当到达高位冷凝器冷凝放热通道进口时，成为低温低压气液混合物(干度较高的低温低压气液混合物)；所述低温低压气液混合物在高位冷凝器冷凝放热通道中向高位冷凝器吸热通道中的流体释放潜热后，成为干度降低后的低温低压气液混合物(即，干度较低的低温低压气液混合物后)流出高位冷凝器冷凝放热通道，再流向液体涡轮；如此循环。

作为本发明的复叠式重力场做功方法的改进，三角形循环时(同一级重力场做功子系统内)：

从高位冷凝器的冷凝放热通道流出的制冷剂为低温低压饱和/或过冷液体工质，在重力和压差的共同作用下绝热流动到低位液体涡轮入口处，形成超高压液体工质进入低位液体涡轮，释放其液体压力能对外做功，成为高压工质；高压工质继续流入低位蒸发器的蒸发吸热通道，吸收低位蒸发器的放热通道流体所释放的热量后，成为高温高压气液混合物(具有较小干度的高温高压气液混合物)；高温高压气液混合物在压差的作用下、克服重力向高位冷凝器的冷凝放热通道进口绝热流动，当到达高位冷凝器冷凝放热通道进口时，成为低温低压气液混合物(干度较高的低温低压气液混合物)；所述低温低压气液混合物在高位冷凝器冷凝放热通道中向高位冷凝器吸热通道中的流体释放潜热后，成为低温低压饱和/或过冷液体工质后流出高位冷凝器冷凝放热通道，再流向液体涡轮；如此循环。

作为本发明的复叠式重力场做功方法的进一步改进，级间循环系统内：上一级高位冷凝器吸热通道内的载冷剂吸收该级高位冷凝器冷凝放热通道内的低温低压气液混合物放出的潜热后温度升高，在级间循环泵的作用下，流入下一级低位蒸发器的放热通道内，向所述低位蒸发器蒸发吸热通道内的高压工质放热；温度降低，再依靠级间循环泵加压后流入上一级高位冷凝器吸热通道内，如此循环。

本发明中，重力场做功子系统可为两级或多级。

同级重力场做功子系统的高位冷凝器、低位蒸发器、液体涡轮之间的闭环系统内的工质为制冷工质(制冷剂)，例如为R22。

不同级的重力场做功子系统之间通过级间循环泵4运送的工质为一般载冷剂，如水。

本发明与现有的重力场做功系统相比，具有以下优点：

1、减小了系统工做所需的位置落差，适用范围更广。通过复叠式循环，在位置落差一定情况下，扩大了蒸发器冷凝器温差；

2、对于外部热源的形式，既适合恒温热源，也适变温热源。

3、本发明通过两级或多级循环复叠，大幅减少系统所需高差，且具有四种性能不同的运行方法，即方形/方形循环，方形/三角形循环，三角形循环和三角形/方形循环。

附图说明

下面结合附图对本发明的

具体实施方式

作进一步详细说明。

图1为本发明复叠式重力场做功装置的结构示意图；

图2为现有系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

装置实例1、一种复叠式重力场做功装置，如图1所示，由至少两级的重力场做功子系统组成；在相邻两级的重力场做功子系统之间设置级间循环系统，级间循环系统由级间循环泵4及其管路组成；因此各级的重力场做功子系统之间通过级间循环系统的热传递作用形成复叠关系。

每级的重力场做功子系统具体如下：包括高位冷凝器1、低位液体涡轮2和低位蒸发器3。高位冷凝器1放置在高位，低位液体涡轮2和低位蒸发器3放置在低位。

高位冷凝器1冷凝放热通道、低位液体涡轮2、低位蒸发器3吸热通道依次相连形成闭合式循环；即，高位冷凝器1冷凝放热通道出口连接低位液体涡轮2液体进口，低位液体涡轮2液体出口连接低位蒸发器3吸热通道进口，低位蒸发器3的吸热通道出口连接高位冷凝器1冷凝放热通道进口，三者形成闭环系统。

同级重力场做功子系统中，低位液体涡轮2和低位蒸发器3可在同一水平位，也可略有高度差；高位冷凝器1与低位蒸发器3之间的落差一般超过100米(例如为下述实施例1中所述的300.9米)；不同的重力场做功子系统中的高位冷凝器1可在同一水平位，也可略有高度差。

上一级的重力场做功子系统的高位冷凝器1的吸热通道、下一级的重力场做功子系统的低位蒸发器3的放热通道、级间循环泵4依次相连形成闭合式循环；即，上一级重力场做功子系统高位冷凝器1的吸热通道出口与下一级重力场做功子系统的低位蒸发器3的放热通道进口相连，下一级重力场做功子系统的低位蒸发器3的放热通道出口通过位于此两级重力场做功子系统间的级间循环泵4后与上一级重力场做功子系统高位冷凝器1的吸热通道进口相连，形成复叠关系。

首级重力场做功子系统的低位蒸发器3的放热通道与外部热源连接；末级重力场做功子系统的高位冷凝器1的吸热通道与外部冷源连接。一般，选用低品位热源作为外部热源，选用环境空气作为外部冷源。

以下实施例1～实施例4均采用上述装置实例1所述系统；区别在于低位冷凝器3出口状态是完全冷凝还是部分冷凝，低位冷凝器3出口状态的这两种选择造成在T-S热力循环图上方形和三角形的区别，从而也显著影响到复叠系统的高差和效率。

实施例1、复叠式重力场做功装置方形循环方法，其工作方式如下：

1.1、在同一级的重力场做功子系统内：

从高位冷凝器1的冷凝放热通道流出的干度较低的气液混合物在重力和压差的共同作用下绝热流动到低位液体涡轮2入口处，随着在重力场中高度减小，重力势能降低，压强逐渐增加，温度升高；因此形成超高压液体工质进入低位液体涡轮2，释放其液体压力能对外做功，同时压力降低到高压，成为高压工质；高压工质继续流入低位蒸发器3的蒸发吸热通道，吸收低位蒸发器3的放热通道流体所释放的热量后，成为具有一定干度的高温高压气液混合物。该气液混合物在压差的作用下、克服重力向高位冷凝器1的冷凝放热通道进口绝热流动，压强逐渐降低，重力势能增加，同时温度降低，干度增加，当到达高位冷凝器1放热通道进口时，成为干度较高的低温低压气液混合物。低温低压的气液混合物在高位冷凝器1放热通道中将向高位冷凝器1吸热通道中的流体释放潜热后，成为干度较低的低温低压气液混合物后流出高位冷凝器1放热通道，再流向液体涡轮2。如此循环。

说明：在首级重力场做功子系统内，低位蒸发器3放热通道内的热源是指外部的低品位热源；而后的重力场做功子系统内，低位蒸发器3放热通道内的热源是指从上一级重力场做功子系统的高位冷凝器1吸热通道流入的载冷剂。高位冷凝器1的冷凝放热通道内的气液混合物是指R22气液混合。

1.2、在级间循环系统内：

上一级高位冷凝器1吸热通道内的载冷剂吸收该级高位冷凝器1放热通道内的低温低压气液混合物放出的潜热后温度升高，在级间循环泵4的作用下，流入下一级低位蒸发器3的放热通道内，向该低位蒸发器3蒸发吸热通道内的高压工质放热；温度降低，再依靠级间循环泵4加压后流入上一级高位冷凝器1吸热通道内，如此循环。

1.3以此类推，末级重力场做功子系统的高位冷凝器1的吸热通道与外部冷源连接，从而实现整个系统的循环与能量梯级利用。

该实施例1中一级及其他各级的制冷剂循环状态在T-S图上表示为方形循环特征。以两级循环为例；计算参数见表1(针对1kg R22)。

设计条件为：系统采用两级循环，高温热源(一级高位冷凝器1的进口)平均温度为65℃，低温热源(二级低位蒸发器3入口)平均温度为10℃。高位与低位相差300.9米，即，同一级重力场做功子系统内，高位冷凝器1和低位蒸发器3的落差为300.9米。

一级低位蒸发器的蒸发温度60℃，工质为R22，热力循环计算显示，一级高位冷凝器的温度/压强为40℃/1.528Mpa，排热量为20kJ/kg，一级低位蒸发器温度/压强为60℃/2.420Mpa，一级液体涡轮的进口压力为3.744Mpa，出口压力为2.420Mpa，输出的做功量为1.282kJ/kg，级间循环泵循环倍率为1.004，循环温差损失为3℃。二级低位蒸发器吸热量为19.93kJ/kg，二级液体涡轮输出功为1.419kJ/kg，系统COP(定义为涡轮总做功量与一级高位蒸发器耗热量的比值)为0.127，系统火用效(定义为液体涡轮输出功和外部热源提供的热火用之比)为78％。由此可见，实施例1相比原有系统，所需高度从原来的899.7米减少到现在的300.9米，减少了2/3，大大减小了所需高差，有效实现了本发明的初衷。

实施例2、复叠式重力场做功装置方形、三角形循环方法，其工作方式如下：

2.1、在第一级(首级)的重力场做功子系统内：

同实施例1的1.1。

2.2、在除第一级之外的同一级的重力场做功子系统内：

从高位冷凝器1的冷凝放热通道流出的低温低压饱和(或过冷)液体工质在重力和压差的共同作用下绝热流动到低位液体涡轮2入口处，随着在重力场中高度减小，重力势能降低，压强逐渐增加，温度升高；因此形成超高压液体工质进入低位液体涡轮2，释放其液体压力能对外做功，同时压力降低到高压，成为高压工质；高压工质继续流入低位蒸发器3的蒸发吸热通道，吸收低位蒸发器3的放热通道流体所释放的热量后，成为具有较小干度的高温高压气液混合物。该气液混合物在压差的作用下、克服重力向高位冷凝器1的冷凝放热通道进口绝热流动，压强逐渐降低，重力势能增加，同时温度降低，干度增加，当到达高位冷凝器1放热通道进口时，成为干度较高的低温低压气液混合物。低温低压的气液混合物在高位冷凝器1放热通道中将向高位冷凝器1吸热通道中的流体释放潜热后，成为低温低压饱和(或过冷)液体工质后流出高位冷凝器1放热通道，再流向液体涡轮2。如此循环。

2.3、在级间循环系统内：

同实施例1的1.2。

2.4、同实施例1的1.3。

该实施例2中，首级的制冷剂循环状态在T-S图上表示为方形循环特征，二级及其他级在T-S图上表示为三角循环特征。

以两级循环为例；实施例2的计算参数见表1(针对1kgR22)。设计条件为：系统采用两级循环，高温热源平均温度为65℃，低温热源平均温度为10℃。高位与低位相差219.1米，一级低位蒸发器的蒸发温度60℃，工质为R22，热力循环计算显示，一级高位冷凝器温度/压强为44.6℃/1.707Mpa，排热量为20kJ/kg，一级低位蒸发器温度/压强为60℃/2.420Mpa,一级液体涡轮进口压力为2.487Mpa，出口压力为2.420Mpa，输出的做功量为0.584kJ/kg。级间循环泵循环倍率为0.6，循环温差损失为3℃。二级蒸发器吸热量为33.19kJ/kg，二级液体涡轮输出功为0.9kJ/kg，系统COP(定义为涡轮总做功量与一级高位蒸发器耗热量的比值)为0.071。与实施例1相比，系统火用效和COP分别为40.5％和0.071，与实例1相比，系统火用效和COP均降低，但所需系统高度进一步降低，从实施实例1的300.9米减少到218.3米，有效实现了本发明的初衷。

实施例3、复叠式重力场做功装置三角循环方法，其工作方式如下：

3.1、在同一级的重力场做功子系统内：

同实施例2的2.2。

3.2、在级间循环系统内：

同实施例1的1.2。

3.3、同实施例1的1.3。

该实施例3中各级的制冷剂循环状态在T-S图上表示为三角形循环特征。

以两级循环为例；实施例3的计算参数见表2(针对1kgR22)。设计条件为：高温热源平均温度为65℃，低温热源平均温度为10℃。高位与低位相差164.2米，一级低位蒸发器的蒸发温度60℃，工质为R22，热力循环计算显示，一级高位冷凝器温度/压强为40.6℃/1.55Mpa，排热量为25.54kJ/kg，一级低位蒸发器温度/压强为60℃/2.420Mpa,一级液体涡轮进口压力为3.361Mpa，出口压力为2.420Mpa，输出的做功量为0.758kJ/kg。级间循环泵循环倍率为0.91，循环温差损失为3℃。二级蒸发器吸热量为28kJ/kg，二级液体涡轮输出功为0.98kJ/kg。与实例2相比，实例3系统火用效和COP分别为47％和0.066，即火用效更高，其高度相比实施实例2又进一步减小，即从实施实例2的218.3米减少到163.4米，有效实现了本发明的初衷。

实施例4、复叠式重力场做功装置三角、方形循环方法，其工作方式如下：

4.1、在第一级(首级)的重力场做功子系统内：

同实施例2的2.2。

4.2、在除第一级之外的同一级的重力场做功子系统内：

同实施例1的1.1。

4.3、在级间循环系统内：

同实施例1的1.2。

4.4、同实施例1的1.3。

该实施例4中，首级的制冷剂循环状态在T-S图上表示为三角形循环特征，二级及其他级在T-S图上表示为方形循环特征。

以两级循环为例；实施例4的计算参数见表2(针对1kgR22)。设计条件为：高温热源平均温度为65℃，低温热源平均温度为10℃。高位与低位相差225.1米，一级低位蒸发器的蒸发温度60℃，工质为R22，热力循环计算显示，一级高位冷凝器温度/压强为35.7℃/1.37Mpa，排热量为31.4kJ/kg，一级低位蒸发器温度/压强为60℃/2.420Mpa,一级液体涡轮进口压力为3.917Mpa，出口压力为2.420Mpa，输出的做功量为2.042kJ/kg。级间循环泵循环倍率为1.58，循环温差损失为3℃。二级蒸发器吸热量为19.9kJ/kg，二级液体涡轮输出功为1.818kJ/kg。实施实例4中的系统高度与实施实例2差不多，但其火用效相比实施实例1、2、3有大幅提升，达到93.7％，在实现了较低系统高差的要求下保持了很高的火用效，有效地实现了本发明的初衷。

表1、实施现有系统、实施例1和实施例2的热力计算结果(针对1kgR22)

表、2实施例3和实施例4的热力计算结果(针对1kgR22)

以上实施例中，可综合考虑具体的使用条件与要求、技术经济性能等因素合理确定系统的设计参数，以兼顾系统的适用性和经济性。

相对而言，实施例1～实施例4相较传统的非复叠式系统都可以显著降低系统垂直高度，实现本发明的初衷，其中实施例1系统火用效最高，但垂直高度要求也最高，实施例2和实施例3垂直高度要求低，但火用效也很低，实施例4高度要求比较低，同时火用效很高。因此如果单纯从火用效考虑，实施例1占优，单纯从对系统垂直高度的要求来考虑，实施例3占优，偏向于综合系统火用效及垂直高度考虑时实施例4占优。

说明：表1中的现有系统为发明专利(201711419509.X)，如图2所述，其不能多级搭配，只能一级循环做功，使用场所有限。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。