專利名稱：熱力循環(huán)和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱力循環(huán)和裝置，詳細(xì)地說，涉及一種把熱能轉(zhuǎn)化成有用功的熱力循環(huán)和裝置。
背景技術(shù)：
人類為了把熱能轉(zhuǎn)化為有用功，目前已經(jīng)提出或應(yīng)用的熱力循環(huán)包括屬于氣體動(dòng)力循環(huán)的奧托循環(huán)、狄塞爾循環(huán)、布雷頓循環(huán)、焦耳循環(huán)、斯特林循環(huán)、埃里克森循環(huán)、卡諾循環(huán)等，和屬于蒸汽動(dòng)力循環(huán)的朗肯循環(huán)等，還有一些混合循環(huán)如二元蒸汽循環(huán)、燃?xì)?蒸汽循環(huán)等，以及上述循環(huán)的附屬循環(huán)如再熱循環(huán)、回?zé)嵫h(huán)等。上述這些熱力循環(huán)的采用，使人類的發(fā)展進(jìn)入了機(jī)械動(dòng)力和電氣動(dòng)力的時(shí)代。由于理論的限制，這些熱力循環(huán)和采用這些熱力循環(huán)的熱力裝置都存在熱效率低下的缺點(diǎn)，從而直接造成了大量能源的浪費(fèi)，并且間接地造成了目前嚴(yán)重的環(huán)境污染和能源危機(jī)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了消除目前的熱力循環(huán)和裝置熱效率低下的缺點(diǎn)，應(yīng)用本發(fā)明所述的熱力循環(huán)和裝置，能夠大大提高熱效率。
本發(fā)明所述的熱力循環(huán)由下列過程構(gòu)成(a)啟動(dòng)過程由真空泵(6)把膨脹機(jī)(3)、膨脹機(jī)(5)抽真空，當(dāng)采用乏氣冷凝-蒸發(fā)過程時(shí)，同時(shí)把凝汽器(7)、蒸發(fā)器(8)也抽真空；當(dāng)采用蒸汽作工質(zhì)時(shí)，由蒸汽發(fā)生器(1)產(chǎn)生的飽和蒸汽或再經(jīng)過過熱器(2)加熱成過熱蒸汽為初始狀態(tài)，其壓力為P、溫度為T；當(dāng)采用氣體工質(zhì)時(shí)，由壓氣機(jī)(14)壓縮出來的氣體或再經(jīng)過過熱器(2)加熱的氣體為初始狀態(tài)，其壓力為P、溫度為T；(b)膨脹作功過程有兩種選擇，第一種是初始狀態(tài)的氣態(tài)工質(zhì)進(jìn)入膨脹機(jī)(3)作功后成為乏氣，乏氣中液態(tài)工質(zhì)的含量為y，且y＝0；第二種是初始狀態(tài)的氣態(tài)工質(zhì)進(jìn)入膨脹機(jī)(3)作功至一定的中間壓力后，進(jìn)入再熱器(4)加熱升溫至較高的溫度，然后再進(jìn)入膨脹機(jī)(5)繼續(xù)膨脹作功后成為乏氣，乏氣中液態(tài)工質(zhì)的含量為y，且y＝0，這種再熱循環(huán)可以進(jìn)行多次；膨脹機(jī)(3，5)可以是渦輪機(jī)，也可以是活塞型膨脹機(jī)；(c)壓力恢復(fù)伴溫度升高過程作功后的乏氣可以直接進(jìn)入壓力恢復(fù)系統(tǒng)恢復(fù)至初壓P，同時(shí)溫度升高；對蒸汽工質(zhì)，還可以首先進(jìn)入凝汽器(7)冷凝成液體，在蒸發(fā)器(8)中再蒸發(fā)成蒸汽，然后進(jìn)入壓力恢復(fù)系統(tǒng)恢復(fù)至初壓，同時(shí)溫度升高；蒸發(fā)器(8)工作時(shí)液體工質(zhì)蒸發(fā)成氣態(tài)吸收的熱量來自冷源；壓力恢復(fù)系統(tǒng)的組成可以有下面四種選擇第一種只由引射器(11)組成，第二種由引射器(11)和壓氣機(jī)(12)組成，第三種由壓氣機(jī)(10)和引射器(11)組成，第四種由壓氣機(jī)(10)、引射器(11)和壓氣機(jī)(12)組成。引射器所需的高溫高壓的引射氣體的來源有下面十種選擇第一種是壓力為P的氣態(tài)工質(zhì)經(jīng)過過熱器(2)加熱的氣體，第二種是初始狀態(tài)即壓力為P、溫度為T的氣體，第三種是從膨脹機(jī)(3)中引出來的回?zé)釟怏w，第四種是從膨脹機(jī)(3)中引出來的回?zé)釟怏w再經(jīng)過過熱器(2)加熱的氣體；第五種是從再熱器(4)引出來的再熱氣體，第六種是從膨脹機(jī)(5)中引出來的回?zé)釟怏w，第七種是從膨脹機(jī)(5)中引出來的回?zé)釟怏w再經(jīng)過過熱器(2)加熱的氣體；第八種是壓力為P的氣體經(jīng)過壓氣機(jī)(13)升壓同時(shí)升溫后的氣體，第九種是壓力為P的氣體經(jīng)過壓氣機(jī)(13)升壓同時(shí)升溫后再經(jīng)過過熱器(2)升溫的氣體，第十種是由以上第一至第九種氣體中的兩種至多種混合而成的氣體；(d)溫度恢復(fù)過程作功后的乏氣，或經(jīng)過蒸發(fā)器(8)出來的飽和蒸汽，或從壓氣機(jī)(10)出來的初步壓縮的氣體，可以與熱泵(9)換熱，使工質(zhì)溫度得到初步提升。熱泵(9)是從冷源中吸收熱量。工質(zhì)經(jīng)過壓力恢復(fù)系統(tǒng)后，當(dāng)溫度仍比初溫T低時(shí)，再經(jīng)過過熱器(2)加熱至初溫T；當(dāng)溫度等于初溫T時(shí)，直接進(jìn)入下一熱力循環(huán)；當(dāng)溫度高于初溫T時(shí)，再進(jìn)入再熱器(4)中與再熱工質(zhì)換熱，降溫至初溫T；(e)恢復(fù)初態(tài)的工質(zhì)進(jìn)入膨脹機(jī)(3)而開始下一次熱力循環(huán)。
本發(fā)明所述的熱力裝置，是用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所述的熱力循環(huán)的，其由以下的設(shè)備按附圖1用管道和閥門連接構(gòu)成(f)啟動(dòng)設(shè)備由壓氣機(jī)(14)或蒸汽發(fā)生器(1)、過熱器(2)和真空泵(6)組成；(g)膨脹作功設(shè)備由膨脹機(jī)(3)構(gòu)成，當(dāng)采用再熱循環(huán)時(shí)，膨脹機(jī)的數(shù)量可按需增加；(h)冷凝-蒸發(fā)設(shè)備只當(dāng)采用冷凝-蒸發(fā)過程時(shí)才使用冷凝-蒸發(fā)設(shè)備，由凝汽器(7)和蒸發(fā)器(8)構(gòu)成；(j)壓力恢復(fù)設(shè)備由壓氣機(jī)(10，12)和引射器(11)組成壓力恢復(fù)系統(tǒng)，可以有四種不同的組合方式供選擇，第一種只由引射器(11)組成，第二種由引射器(11)和壓氣機(jī)(12)組成，第三種由壓氣機(jī)(10)和引射器(11)組成，第四種由壓氣機(jī)(10)、引射器(11)和壓氣機(jī)(12)組成；當(dāng)采用的引射氣體的壓力比熱力循環(huán)的初壓P高時(shí)，使用壓氣機(jī)(13)作為升壓設(shè)備；(j)溫度恢復(fù)設(shè)備由過熱器(2)和再熱器(4)組成可以選擇或不選擇熱泵(9)作為初步加熱設(shè)備。
本發(fā)明所述的熱力循環(huán)和裝置，不僅可以無須向冷源放熱，而且還可以通過熱泵從冷源吸收熱量用于作功，所以具有熱效率高的優(yōu)點(diǎn)，其理論熱效率可以達(dá)到和超過100％。


圖1熱力循環(huán)和裝置2熱力循環(huán)的P-V中1蒸汽發(fā)生器，2過熱器，3膨脹機(jī)，4再熱器，5膨脹機(jī)，6真空泵，7凝汽器，8蒸發(fā)器，9熱泵，10壓氣機(jī)，11引射器，12壓氣機(jī)，13壓氣機(jī)，14壓氣機(jī)。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合具體的實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
實(shí)施例1本實(shí)施例用水蒸氣作為工質(zhì)。由真空泵(6)將系統(tǒng)抽真空，蒸汽發(fā)生器(1)產(chǎn)生初始壓力為2.0MPa的水蒸汽，進(jìn)入過熱器(2)加熱成為初溫為560℃的過熱蒸汽，進(jìn)入渦輪機(jī)(3，5)膨脹作功，中間進(jìn)行5次再熱循環(huán)，各次再熱循環(huán)的參數(shù)見附圖2和下表，并且使從渦輪機(jī)(5)出來的乏氣的干度達(dá)到100％，乏氣(2kPa、17.5℃)在引射器(11)中在第4次再熱蒸汽(0.4MPa、560℃)的引射作用下初步壓縮成0.2MPa、120℃的飽和蒸汽，再由壓氣機(jī)(12)壓縮至0.4MPa，然后通過過熱器(2)加熱至560℃，重新達(dá)到初始蒸汽的參數(shù)，進(jìn)入下一輪循環(huán)。把各個(gè)過程的參數(shù)列于下表(數(shù)據(jù)來自水蒸汽表)。
引射器的高壓汽源的參數(shù)為0.4MPa、560℃，h1＝3616.2kJ/kg，而從引射器出來的混合飽和蒸汽的壓力為0.2MPa，飽和溫度為120，h2＝2706.7kJ/kg，乏氣的焓為h3＝2533.5kJ/kg。假設(shè)高壓汽源的質(zhì)量為m1，乏氣的質(zhì)量為m0，并且m1+m0＝1，根據(jù)熱量平衡，有m0/m1＝(h1-h2)/(h2-h3)代入后求得m0＝84％，m1＝16％。
則每次循環(huán)從熱源的吸熱量為Q＝Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+84％Q5+Q6＝1166 (kJ)而每次循環(huán)的作功量為W＝W1+W2+W3+W4+84％W5+84％W6-W7＝1166 (kJ)所以，循環(huán)的理論熱效率為ηt＝W/Q＝1166/1166＝100％
實(shí)施例2在實(shí)施例1的循環(huán)的基礎(chǔ)上，引入熱泵(9)從冷源中吸取熱量產(chǎn)生溫度為80℃熱水，乏氣首先與熱泵(9)的熱水進(jìn)行熱交換而加熱至80℃，然后再進(jìn)入引射器(11)壓縮至0.2MPa、120℃的飽和蒸汽。其余過程與實(shí)施例1相同。則單位工質(zhì)從熱泵(9)吸熱量為Qhp＝Cp(T2-T1)＝1.0×(80-17.5)＝62.5(kJ/kg)即加熱后乏氣的焓變?yōu)? h4＝2533.5+62.5＝2596 (kJ/kg)則引射器中的質(zhì)量比為 m0/m1＝(h1-h4)/(h4-h3)代入后求得m1＝10.9％，m0＝89.1％。
即實(shí)際從熱泵吸收的熱量為Q8＝m0Qhp＝0.891×62.5＝55.7(kJ)假設(shè)熱泵的(COP)h為4.0，則熱泵消耗的功為W8＝Q8/4.0＝13.9 (kJ)則每次循環(huán)從熱源吸熱量為Q＝Q1+Q2+Q3+Q4+89.1％Q5+Q6＝1178.8 (kJ)而每次循環(huán)的作功量為W＝W1+W2+W3+W4+89.1％W5+89.1％W6-W7-W8＝1220 (kJ)所以，循環(huán)的理論熱效率為ηt＝W/Q＝1220/1178.8＝103.5％＞100％。
權(quán)利要求
1.一種熱力循環(huán)，其特征在于由下列過程構(gòu)成(a)啟動(dòng)過程由真空泵(6)把膨脹機(jī)(3)、膨脹機(jī)(5)抽真空，當(dāng)采用乏氣冷凝-蒸發(fā)過程時(shí)，同時(shí)把凝汽器(7)、蒸發(fā)器(8)也抽真空；當(dāng)采用蒸汽作工質(zhì)時(shí)，由蒸汽發(fā)生器(1)產(chǎn)生的飽和蒸汽或再經(jīng)過過熱器(2)加熱成過熱蒸汽為初始狀態(tài)，其壓力為P、溫度為T；當(dāng)采用氣體工質(zhì)時(shí)，由壓氣機(jī)(14)壓縮出來的氣體或再經(jīng)過過熱器(2)加熱的氣體為初始狀態(tài)，其壓力為P、溫度為T；(b)膨脹作功過程有兩種選擇，第一種是初始狀態(tài)的氣態(tài)工質(zhì)進(jìn)入膨脹機(jī)(3)作功后成為乏氣，乏氣中液態(tài)工質(zhì)的含量為y，且y＝0；第二種是初始狀態(tài)的氣態(tài)工質(zhì)進(jìn)入膨脹機(jī)(3)作功至一定的中間壓力后，進(jìn)入再熱器(4)加熱升溫至較高的溫度，然后再進(jìn)入膨脹機(jī)(5)繼續(xù)膨脹作功后成為乏氣，乏氣中液態(tài)工質(zhì)的含量為y，且y＝0，這種再熱循環(huán)可以進(jìn)行多次；(c)壓力恢復(fù)伴溫度升高過程作功后的乏氣可以直接進(jìn)入壓力恢復(fù)系統(tǒng)恢復(fù)至初壓P，同時(shí)溫度升高；對蒸汽工質(zhì)，還可以首先進(jìn)入凝汽器(7)冷凝成液體，在蒸發(fā)器(8)中再蒸發(fā)成蒸汽，然后進(jìn)入壓力恢復(fù)系統(tǒng)恢復(fù)至初壓，同時(shí)溫度升高；(d)溫度恢復(fù)過程作功后的乏氣，或經(jīng)過蒸發(fā)器(8)出來的飽和蒸汽，或從壓氣機(jī)(10)出來的初步壓縮的氣體，可以與熱泵(9)換熱，使工質(zhì)溫度得到初步提升；工質(zhì)經(jīng)過壓力恢復(fù)系統(tǒng)后，當(dāng)溫度仍比初溫T低時(shí)，再經(jīng)過過熱器(2)加熱至初溫T；當(dāng)溫度等于初溫T時(shí)，直接進(jìn)入下一熱力循環(huán)；當(dāng)溫度高于初溫T時(shí)，再進(jìn)入再熱器(4)中與再熱工質(zhì)換熱，降溫至初溫T；(e)恢復(fù)初態(tài)的工質(zhì)進(jìn)入渦輪機(jī)(3)而開始下一次熱力循環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱力循環(huán)，其特征在于膨脹機(jī)(3，5)可以是渦輪機(jī)，也可以是活塞型膨脹機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱力循環(huán)，其特征在于蒸發(fā)器(8)工作時(shí)液體工質(zhì)蒸發(fā)成氣態(tài)吸收的熱量來自冷源。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱力循環(huán)，其特征在于壓力恢復(fù)系統(tǒng)的組成可以有下面四種選擇第一種只由引射器(11)組成，第二種由引射器(11)和壓氣機(jī)(12)組成，第三種由壓氣機(jī)(10)和引射器(11)組成，第四種由壓氣機(jī)(10)、引射器(11)和壓氣機(jī)(12)組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種熱力循環(huán)，其特征在于引射器所需的高溫高壓的引射氣體的來源有下面十種選擇第一種是壓力為P的氣態(tài)工質(zhì)經(jīng)過過熱器(2)加熱的氣體；第二種是初始狀態(tài)即壓力為P、溫度為T的氣體；第三種是從膨脹機(jī)(3)中引出來的回?zé)釟怏w；第四種是從膨脹機(jī)(3)中引出來的回?zé)釟怏w再經(jīng)過過熱器(2)加熱的氣體；第五種是從再熱器(4)引出來的再熱氣體；第六種是從膨脹機(jī)(5)中引出來的回?zé)釟怏w；第七種是從膨脹機(jī)(5)中引出來的回?zé)釟怏w再經(jīng)過過熱器(2)加熱的氣體；第八種是壓力為P的氣體經(jīng)過壓氣機(jī)(13)升壓同時(shí)升溫后的氣體；第九種是壓力為P的氣體經(jīng)過壓氣機(jī)(13)升壓同時(shí)升溫后再經(jīng)過過熱器(2)升溫的氣體；第十種是由以上第一至第九種氣體中的兩種至多種混合而成的氣體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱力循環(huán)，其特征在于熱泵(9)是從冷源中吸收熱量。
7.一種用于實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的一種熱力循環(huán)的熱力裝置，其特征在于由以下的設(shè)備按附圖1用管道和閥門連接構(gòu)成(f)啟動(dòng)設(shè)備由壓氣機(jī)(14)或蒸汽發(fā)生器(1)、過熱器(2)和真空泵(6)組成；(g)膨脹作功設(shè)備由膨脹機(jī)(3)構(gòu)成，當(dāng)采用再熱循環(huán)時(shí)，膨脹機(jī)的數(shù)量可按需增加；(h)冷凝-蒸發(fā)設(shè)備只當(dāng)采用冷凝-蒸發(fā)過程時(shí)才使用冷凝-蒸發(fā)設(shè)備，由凝汽器(7)和蒸發(fā)器(8)構(gòu)成；(i)壓力恢復(fù)設(shè)備由壓氣機(jī)(10，12)和引射器(11)組成壓力恢復(fù)系統(tǒng)，可以有四種不同的組合方式供選擇，第一種只由引射器(11)組成，第二種由引射器(11)和壓氣機(jī)(12)組成，第三種由壓氣機(jī)(10)和引射器(11)組成，第四種由壓氣機(jī)(10)、引射器(11)和壓氣機(jī)(12)組成；當(dāng)采用的引射氣體的壓力比熱力循環(huán)的初壓P高時(shí)，使用壓氣機(jī)(13)作為升壓設(shè)備；(j)溫度恢復(fù)設(shè)備由過熱器(2)和再熱器(4)組成；可以選擇或不選擇熱泵(9)作為初步加熱設(shè)備。
全文摘要
一種把熱能轉(zhuǎn)化成有用功的熱力循環(huán)，過程是初始狀態(tài)的氣態(tài)工質(zhì)經(jīng)過膨脹機(jī)作功后成為不含液體工質(zhì)的乏氣，乏氣經(jīng)過由引射器為主構(gòu)成的壓力恢復(fù)系統(tǒng)而恢復(fù)初壓，再經(jīng)過熱泵、過熱器處理而恢復(fù)初溫；一種用于實(shí)現(xiàn)上述熱力循環(huán)的熱力裝置，其構(gòu)成包括下列設(shè)備蒸汽發(fā)生器、過熱器、膨脹機(jī)、再熱器、真空泵、凝汽器、蒸發(fā)器、熱泵、壓氣機(jī)、引射器。該熱力循環(huán)和裝置，不僅可以無須向冷源放熱，而且還可以通過熱泵從冷源吸收熱量用于作功，所以具有熱效率高的優(yōu)點(diǎn)，其理論熱效率可以達(dá)到和超過100％。
文檔編號F01K27/00GK1891981SQ20051003579
公開日2007年1月10日 申請日期2005年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月4日
發(fā)明者陳培豪 申請人:陳培豪