專利名稱：高效熱力微循環(huán)及其回?zé)崞鞯闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種高效熱力微循環(huán)，它涉及熱工學(xué)中一種熱力微循環(huán)過程。
在目前火力發(fā)電系統(tǒng)中，一般采用朗肯循環(huán)，如圖(2)所示，工質(zhì)(水蒸汽)由蒸發(fā)器中吸收外界熱源的熱量，等壓的由點(diǎn)1膨脹到點(diǎn)3，然后進(jìn)入汽輪機(jī)。等熵膨脹作功至點(diǎn)4，由點(diǎn)4進(jìn)入冷卻器，工質(zhì)于冷凝器中向外界冷沅(冷卻水)定壓的放熱至點(diǎn)5，由點(diǎn)5，工質(zhì)進(jìn)入冷凝循環(huán)泵，由冷凝循環(huán)泵將工質(zhì)由低壓泵向高壓，即泵向點(diǎn)1，從而構(gòu)成了一個(gè)閉合循環(huán)。
由于該種循環(huán)采用的是汽輪機(jī)，輸出功率可以做得很大，因此在發(fā)電系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。該循環(huán)存在一向外界放熱的定壓過程4-5，它向外界釋放的熱量，占工質(zhì)在1-2-3定壓吸熱過程總吸熱量的50～65%。另外冷凝循環(huán)泵也要消耗小量的機(jī)械功，因此熱效率較低。
另外目前在熱工學(xué)中，熱效率高的是斯特林循環(huán)，它的熱效率就是卡諾熱效率ηi＝1-Tc/TR(Tc、TR分別為最低、最高循環(huán)溫度)，其循環(huán)過程如圖(1)上方a-b-c-d-a。
a-b為等溫壓縮過程，工質(zhì)由狀態(tài)點(diǎn)a被壓縮到狀態(tài)點(diǎn)b，此過程溫度保持不變，即點(diǎn)a的溫度Ta，等于點(diǎn)b的溫度Tb，與此其壓力Pb＞Pa，比容Vb＜Va，為實(shí)現(xiàn)等溫壓縮，工質(zhì)必須通過冷卻器向外界釋放熱量Qab，壓縮熱應(yīng)等于外界輸入的壓縮功Wa-b。
b-c為定容加熱過程，工質(zhì)從回?zé)崞髦蝎@得熱量Qb-c，使工質(zhì)由點(diǎn)b的溫度Tb，升高到點(diǎn)c的溫度Tc，壓力也相應(yīng)的從Pb升高到Pc，但容積Vb＝Vc保持不變，實(shí)現(xiàn)了等容加熱過程，在這一過程中，工質(zhì)與外介無熱交換，也不做功，但工質(zhì)的內(nèi)能增加。
c-d，等溫膨脹作功過程，在這一過程中，工質(zhì)最高循環(huán)溫度Tc＝Td下，完成等溫膨脹，并向外界做功，工質(zhì)為完成等溫膨脹做功，必須由加熱器從外界向工質(zhì)提供熱量Qc-d，其功值為Wc-d，等于外界供給工質(zhì)的熱量Qc-d。在這一過程中，工質(zhì)的壓力由Pc降到Pd，比容由Vc增大到Vd。
d-a，定容冷卻過程，該過程是由工質(zhì)由最高循環(huán)溫度Td(Td＝Tc)，流經(jīng)回?zé)崞鲿r(shí)，通過回?zé)崞鲗崃酷尫沤o上一定容加熱過程b-c，使工質(zhì)由最高循環(huán)溫度Td降到最初溫度Ta，壓力也從Pd降到Pa，但比容Va保持不變，即Vd＝Va，實(shí)現(xiàn)了定容冷卻過程，到此全部參數(shù)回到起始狀態(tài)，完成一閉合循環(huán)，在等容冷卻過程中，工質(zhì)與外界無熱交換，也不做功，但內(nèi)能和熵均下降，工質(zhì)向回?zé)崞麽尫诺臒崃縌d-a，它等于b-c過程工質(zhì)向回?zé)崞魑盏臒崃縌b-c，且Qd-a+Qb-c＝0。
從以上的循環(huán)過程可以看出，斯特林循環(huán)主要采用了回?zé)崞鲗?duì)定容冷卻過程d-a所釋放的余熱由定容吸熱過程b-c進(jìn)行回收。所以斯特林循環(huán)比朗肯循環(huán)熱效率高。盡管如此。但斯特林循環(huán)有兩個(gè)缺點(diǎn)。其一，在室溫壓縮過程a-b中壓縮熱Qa-b要向外界釋放，所消耗的壓縮功占系統(tǒng)的輸出功的比例很大。其二，實(shí)現(xiàn)該循環(huán)的動(dòng)力機(jī)是雙活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，并采用菱形配氣機(jī)構(gòu)，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，更主要的是由于活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的功率不能制造的很大，因此在火力發(fā)電系統(tǒng)中得不到廣泛的采用。
斯特林循環(huán)詳細(xì)原理詳見“熱氣機(jī)”一書-國(guó)防工業(yè)出版社、錢國(guó)柱同志編(一九八二年十月第一次印刷)。
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種絕對(duì)熱效率為1且不需冷源，并能采用大功率汽輪機(jī)為動(dòng)力的循環(huán)系統(tǒng);它不僅可高效利用高溫?zé)嵩吹臒崮芏疫€可利用目前所有熱機(jī)無法利用的低溫?zé)嵩吹臒崮堋?br> 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案達(dá)到，如圖(1)所示的如下三種熱力微循環(huán)都可以達(dá)到絕對(duì)熱效率為1，并且不櫪湓吹姆獗杖攘ξ⒀罰 第一、等溫膨脹作功熱力微循環(huán)1-8-2-a1-3-4-2-5-1;
第二、等熵膨脹作功，定壓回復(fù)熱力微循環(huán)1-8-2-a1-3-6-6-4-4-2-5-1;
第三、等熵膨脹作功，定容回復(fù)，熱力微循環(huán)1-8-2-a1-3-7-7-4-4-2-5-1。
以上三種熱力微循環(huán)的特點(diǎn)都是吸收了斯特林循環(huán)回?zé)徇^程的優(yōu)點(diǎn)。但斯特林循環(huán)的等溫壓縮(即

圖1中a-b)過程要消耗機(jī)械功而本發(fā)明的熱力微循環(huán)的等熵膨脹作功過程(圖1中5-1)為輸出功，所以，本發(fā)明的熱力微循環(huán)沒有消耗功的過程。
下面以等熵膨脹作功，定壓回復(fù)熱力微循環(huán)1-8-2-a1-3-6-6-4-4-2-5-1加以說明由圖(1)或圖(4)可見，當(dāng)工質(zhì)由圖(1)所示狀態(tài)點(diǎn)1的溫度T1、壓力P1進(jìn)入圖(5)所示的回?zé)崞?后，便吸收由定壓冷卻過程4-2-5釋放出的熱量，使定容態(tài)工質(zhì)從狀態(tài)點(diǎn)1的溫度T1，壓力P1定容的增加到狀態(tài)點(diǎn)a1的溫度Ta1壓力Pa1，從而在回?zé)崞髦型瓿啥ㄈ菸鼰?或回?zé)?過程1-8-2-a1繼之工質(zhì)由狀態(tài)點(diǎn)a1進(jìn)入圖(5)所示的補(bǔ)助加熱器8，由外界熱源使工質(zhì)從點(diǎn)a1的溫度Ta1壓力Pa1定容的加熱到點(diǎn)3的溫度T3壓力P3，這樣便完成了從點(diǎn)1到點(diǎn)3的定容加熱全過程1-8-2-a1-3。
當(dāng)工質(zhì)達(dá)到圖(1)所示的狀態(tài)點(diǎn)3的溫度T3壓力P3后，由點(diǎn)3進(jìn)入圖(5)所示的汽輪機(jī)1中，沿圖(1)中等熵線3-6等熵膨脹作功，并完成等熵膨脹作功過程3-6。(點(diǎn)6落在定壓線2-4上)。
然后工質(zhì)再由點(diǎn)6進(jìn)入圖(5)所示的定壓回復(fù)加熱器4中吸收外界熱源的熱量，使工質(zhì)定壓的由圖(1)中狀態(tài)點(diǎn)6的溫度T6增加到點(diǎn)4的溫度T4，并使T4＝T3，致此工質(zhì)又完成了從外界熱源定壓吸熱過程6-4。
從點(diǎn)4，工質(zhì)又進(jìn)入圖(5)所示的回?zé)崞?，并向回?zé)崞髦卸ㄈ葸^程1-8-2-a1的工質(zhì)釋放其冷卻熱量，使定壓冷卻過程的工質(zhì)由點(diǎn)4的高溫T4降到點(diǎn)5的低溫T5，工質(zhì)又完成了定壓放熱過程4-2-5。
工質(zhì)冷卻到點(diǎn)5的溫度T5后，進(jìn)入圖(5)所示的透平膨脹機(jī)，并沿等熵線5-1，等熵膨脹作功致點(diǎn)1，從而完成了一封閉式熱力微循環(huán)。
從以上循環(huán)可以看出，熱力微循環(huán)有兩個(gè)向外界熱源吸熱過程a1-3及6-4和兩個(gè)作功過程3-6及5-1，以及一對(duì)于回?zé)崞髦羞M(jìn)行熱交換的定壓冷卻放熱過程4-2-5及定容吸熱過程(或稱回?zé)徇^程或稱為預(yù)熱過程)1-8-2-a1，由于這兩個(gè)過程的熱量相等符號(hào)相反，因此循環(huán)過程的定壓冷卻熱量全部為定容吸熱過程所回收即整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)不向外界冷源放熱或不需冷源。
另外由于定容全過程1-8-2-a1-3的吸熱量大于定壓冷卻過程4-2-5的冷卻放熱量(若相反本發(fā)明便不成立)因此定壓冷卻過程所提供的熱量只能使定容過程進(jìn)行到a1，由于定壓過程點(diǎn)4的溫度T4等于點(diǎn)3的溫度T3，而T3大于點(diǎn)a1的溫度Ta1，因此T4也大于Ta1，如圖1所示，定壓過程點(diǎn)5的溫度T5也大于定容過程點(diǎn)1的溫度T1。另外在飽和蒸汽區(qū)內(nèi)，當(dāng)定壓過程5-2的熱量與定容過程1-8的熱量相等時(shí)，定壓過程點(diǎn)2的溫度T2，也大于定容過程點(diǎn)8的溫度T8因此定壓冷卻過程各點(diǎn)的溫度T4、T2、T5都分別大于定容過程各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度Ta1、T8、T1，所以在回?zé)崞髦卸▔豪鋮s過程4-2-5向定容吸熱過程1-8-2-a1的放熱是自然發(fā)生的。
由于定壓冷卻過程4-2-5的放熱量全部被定容吸熱過程1-8-2-a1所吸收，即未向外界冷源放熱。因此兩個(gè)吸熱過程a1-3及6-4的吸熱量，必須等于兩個(gè)作功過程3-6及5-1的功的當(dāng)量熱，所以根據(jù)熱力學(xué)第一定律，熱力微循環(huán)的絕對(duì)熱效率等于1。
附圖的圖面說明圖(1)、斯特林循環(huán)和三種熱力微循環(huán)在甲烷壓-焓圖上的表示(參“氣體加工工程數(shù)據(jù)手冊(cè)”-石油工業(yè)出版社，一九八四年三月北京第一版。潘光坦譯);
圖(2)、朗肯循環(huán)在工質(zhì)的壓-焓圖上的表示;
圖(3)、定溫膨脹作功熱力微循環(huán)在工質(zhì)的壓-焓圖上的表示;
圖(4)、定溫膨脹作功;定熵膨脹作功，定壓回復(fù);定熵膨脹作功，定容回復(fù)熱力微循環(huán)及三角形熱力微循環(huán)在工質(zhì)的壓-焓圖上的表示。
以上圖中箭頭所指的方向?yàn)楣べ|(zhì)的循環(huán)方向。
P＝c、V＝c，S＝c，T＝c是指壓力，比容、熵、溫度各為常數(shù)的定態(tài)過程。
圖(5)定熵膨脹作功，定壓回復(fù)，熱力微循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)圖;
圖中1-汽輪機(jī)，2回?zé)崞鳎?透平機(jī)，4定壓回復(fù)加熱器，5鍋爐或熱源，6汽輪發(fā)電機(jī)，7聯(lián)軸器，8補(bǔ)充加熱器;
圖6定熵膨脹作功，定容回復(fù)熱力微循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)圖;
圖中1-8同圖(5)，9一定容回復(fù)加熱器。
本發(fā)明下面將結(jié)合附圖進(jìn)一步說明以上三種熱力微循環(huán)過程和各過程單位工質(zhì)的吸熱、放熱和功及功的當(dāng)量熱分述如下1、等溫膨脹作功熱力微循環(huán)。
(1)等溫膨脹作功微循環(huán)各定態(tài)過程單位工位的吸熱，放熱，功及功的當(dāng)量熱。
圖(1)所示的等溫膨脹作功過程1-8-2-a1-3-4-2-5-1，由定容吸熱過程1-8-2-a1、補(bǔ)助加熱過程a1-3、等溫膨脹作功過程3-4、等溫加熱過程3-4、(該過程由外界熱源向汽輪機(jī)各葉片級(jí)間輸送熱量，以保證工質(zhì)等溫膨脹，因此和等溫膨脹作功過程3-4重疊)，定壓冷卻放熱過程4-2-5及等熵膨脹作功過程5-1所組成。其中定壓冷卻過程4-2-5的放熱量等于定容吸熱過程1-8-2-a1的吸熱量，符號(hào)相反。
1-3-2-a1為工質(zhì)于回?zé)崞髦卸ㄈ菸沼啥▔豪鋮s過程4-2-5向回?zé)崞麽尫诺臒崃浚构べ|(zhì)由狀態(tài)點(diǎn)1加熱到狀態(tài)點(diǎn)a1，其單位工質(zhì)(1公斤-下同)的吸熱量為(以下計(jì)算公式均是熱工學(xué)中的公式)qv1-a1＝(ia1-i1)-AVa1(Pa1-P1)(大卡/公斤)……(1)a1-3為繼1-8-2-a1定容吸熱過程之后，通過補(bǔ)助加熱器向外界熱源定容的吸熱過程，其吸熱量為qva1-3＝(i3-ia1)-AV3(P3-Pa1)(大卡/公斤)……(2)式中Va1＝V3＝V13-4為工質(zhì)在補(bǔ)助加熱器中加熱到狀態(tài)點(diǎn)3后進(jìn)入汽輪機(jī)等溫膨脹作功的過程，為完成等溫膨脹作功，并保持溫度不變，即保證T3＝T4則外界熱源必須不斷的向汽輪機(jī)各葉片級(jí)間連續(xù)供熱，其供熱量為qT3-4＝T4(S4-S3)+A(P4V4-P3V3)(大卡/公斤)……(3)該過程向外界的作功為L(zhǎng)T3-4＝ 1/(A) [T4(S4-S3)-(i4-i3)]+(P4V4-P3V3)(公斤·米)……(4)該過程的輸出功率為NT3-40= (ALT3-4)/860= (［T4(S4-S3)-(i4-i3)］+A(P4V4-P3V3))/860 (千瓦)……(5)內(nèi)部功率為NT3-4ηio= (〔T4(S4-S3)-(i4-i3)〕+A(P4V4-P3V3))/860 ηiT(千瓦)……(6)
式中ηir-汽輪機(jī)定溫過程絕對(duì)指示熱效率或絕對(duì)熱效率(下同)包括工質(zhì)耗熱為功時(shí)向冷源的放熱量，汽機(jī)內(nèi)不可逆損失。
該過程功的當(dāng)量熱qNT3-40＝[T4(S4-S3)-(i4-i3)]+A(P4V4-P3V3)(大卡/公斤)……(7)以上各式中的溫度，T3＝T4(°K)4-2-5為定壓冷卻過程，當(dāng)工質(zhì)由汽機(jī)流出后，工質(zhì)參數(shù)達(dá)到狀態(tài)點(diǎn)4，并由狀態(tài)點(diǎn)4進(jìn)入回?zé)崞?，向回?zé)崞髦心嫦蛄鲃?dòng)的定容吸熱過程釋放熱量，定壓冷卻過程4-2-5在回?zé)崞髦械姆艧崃繎?yīng)等于回?zé)崞髦卸ㄈ菸鼰徇^程1-8-2-a1的吸熱量。
定壓過程4-2-5的冷卻放熱量為qP4-5＝(i5-i4)(大卡/公斤)……(8)a＝-(i4-i5)(大卡/公斤)……(8)b它應(yīng)等于定容過程1-8-2-a1的吸熱量(符號(hào)相反)即qP4-6＝(i5-i4)＝qv1-a1＝(ia1-i1)-AYa1(Pa1-P1)或qP4-5+qv1-a1＝0……(9)5-1為定熵膨脹作功過程，當(dāng)工質(zhì)由狀態(tài)點(diǎn)4于回?zé)崞髦卸▔旱睦鋮s到狀態(tài)點(diǎn)5后，工質(zhì)進(jìn)入透平機(jī)中等熵的由點(diǎn)5膨脹到1，并向外界作功，并完成一個(gè)閉合循環(huán)過程。
透平機(jī)輸出的功為L(zhǎng)S5-1＝ 1/(A) (i5-i1)-(P5v5-P1v1)(公斤-米)……(10)透平機(jī)的功率為NS5-10= (ALS5-1)/860 = ((i5-i1)-A(P5V5-P1V1))/860 (千瓦)……(11)透平機(jī)內(nèi)部功率為
NS5-1ηio= ((i5-i1)-A(P5V5-P1V1))/860 ηis(千瓦)……(12)式中ηis-透平機(jī)絕對(duì)指示效率(含工質(zhì)轉(zhuǎn)熱為功時(shí)向冷源的放熱量及機(jī)內(nèi)不可逆損失)透平機(jī)功的當(dāng)量熱qNS5-10＝(i5-i1)-A(P5V5-P1V1)(大卡/公斤)……(13)以上各式中的符號(hào)為(下同)P-(絕對(duì)大氣壓)(簡(jiǎn)稱大氣壓)，T-溫度(°K);i-焓(大卡/公斤);S-熵(大卡/公斤·度);V-比容(米3/公斤);q-熱量(大卡/公斤);A＝ 1/427 (大卡/公斤·米);L-功(公斤·米);N-功率(千瓦);符號(hào)的角標(biāo)分別表示該點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)、性質(zhì)蛩Φ淖刺蹋鏸a1表示a1的焓;qv1-2表示點(diǎn)1至點(diǎn)2定容過程的熱量等。
(2)補(bǔ)充過程的功熱力微循環(huán)采用的回?zé)崞髋c斯特林循環(huán)所采用的回?zé)崞鹘厝徊煌?，我們知道定容態(tài)工質(zhì)由點(diǎn)1膨脹到點(diǎn)a1，若不是在定容積中加熱，而讓其在管道中流動(dòng)，那么，由于點(diǎn)a1的壓力Pai大于點(diǎn)1的壓力P1，于是在定容態(tài)工質(zhì)的輸運(yùn)過程中，便要消耗功，該功應(yīng)由外界機(jī)械功提供，以克服定容態(tài)工質(zhì)的壓差△Pva1-1＝Pa1-P1。
如何使定容態(tài)工質(zhì)在管道中既要流動(dòng)加熱，又要保持比容不變。按照流動(dòng)過程比容V的表達(dá)式V＝ (ωS)/(G) (米/公斤)……(14)式中ω-定容工質(zhì)在管道中的流速(米/秒);S-管道過流截面積(米2);G工質(zhì)流量(公斤/秒)。
若使式中ω、S及G在工質(zhì)于管道的流動(dòng)中始終保持不變，則過過程中的比容也保持不變，因此(14)便是工質(zhì)在加熱中既要流動(dòng)又要保持容積不變的表達(dá)式。
在回?zé)崞髦醒a(bǔ)充功的平衡，據(jù)熱工學(xué)，定壓過程的換熱量為qP4-5＝△uP4-5+ALP4-5……(15)據(jù)熱工學(xué)，工質(zhì)的內(nèi)能△uP4-5是按定容加熱時(shí)工質(zhì)的吸熱確定既△uP4-5＝-Cv(T4-T5)其功為L(zhǎng)P4-5＝-P4(V4-V5)＝-R(T4-T5)于是qP4-5＝-[(Cv+AR)(T4-T5)]……(16)式中負(fù)號(hào)表示定容過程為放熱，C、R分別為定容比熱、氣體常數(shù)。
定容過程換熱量在熱力微循環(huán)中，由于要求工質(zhì)不停流動(dòng)加熱其外熱源只提供內(nèi)能增加，點(diǎn)a1至點(diǎn)1的壓差需外界功克服。
于是有qva1-1＝△uva1-1+ALva1-1＝Cv(Ta1-T1)+AR(Ta1-T1)＝Cv(Ta1-T1)+AVa1(Pa1-P1)＝(Cv+AR)(Ta1-T1)……(17)在回?zé)崞髦?，由于要求qva1-1＝qP4-5，據(jù)(16)及(17)式有(Cv+AR)(Ta1-T1)＝-[(Cv+AR)(T4-T5)]或Ta1-T1＝T4-T5……(18)由此得△uva1-1＝△uP4-5＝Cv(Ta1-T1)＝-cv(T4-T5)……(19)Lva1-1＝LP4-5＝R(Ta1-T1)＝-R(T4-T5)……(20)(20)式說明克服定容過程點(diǎn)a1至點(diǎn)1間的壓差所消耗的機(jī)械功，全由定壓過程的工質(zhì)收縮功補(bǔ)償，前者為負(fù)補(bǔ)充功，后者為正補(bǔ)充功。由于T4＝T3、T5＞T1不難證明定容過程1-3-2-a1-3的換熱量大于定容過程4-2-5的冷卻放熱量qv3-1＝(Cv+AR)(T3-T1)＞｜[(Cv+AR)(T4-T5)]｜……(21)NVLa1-10= (A VVa1-1)/860 = (A Va1(Pa1-P1))/860 (千瓦)……(22)
(22)式為負(fù)補(bǔ)充功率。負(fù)補(bǔ)充功的當(dāng)量熱為qNVLa1-10＝AVa1(Pa1-P1)(大卡/公斤)……(23)正補(bǔ)充功率NPL4-50= (A P4(V5-V4))/860 (千瓦)……(24)正補(bǔ)充功的當(dāng)量熱pNPL4-50＝AP4(V5-V4)(大卡/公斤)……(25)(3)定容吸熱過程點(diǎn)a的參數(shù)的確定為了確定a1的焓值，應(yīng)從定容、定壓兩過程在回?zé)崞髦袚Q熱量相等的條件求得，定容過程的吸熱量(見(1)式)。
qv1-a1＝(ia1-i1)-AVa1(Pa1-P1)(大卡/公斤)等于定壓過程4-2-5的放熱量見(8)a式qP4-5＝i5-i4(大卡/公斤)即qv1-a1＝｜qP4-5｜或(ia1-i1)-AVa1(Pa1-P1)＝-(i4-i5)[(ia1-i1)-AVa1(Pa1-P1)]+(i4-i5)＝0……(26)點(diǎn)3至點(diǎn)a1間的定容吸熱量為qva1-3＝qv1-3-qv1-a1＝qv1-3+qP4-5……(27)式中qva1-3＝(i3-ia1)-AV3(P3-Pa1)(大卡/公斤)……(28)qv1-3＝(i3-i1)-AV3(P3-P1)(大卡/公斤)……(29)于是由(27)式可求得點(diǎn)a1的焓值(i3-ia1)-AV3(P3-Pa1)＝[(i3-i1)-AV3(P3-P1)]+(i5-i4)于是ia1＝[(i1+i4)-i5]+AV3(Pa1-P1)因Pa1≈P1所以有
ia1＝[(i1+i4)-i5]+AV3(P3-P1)(大卡/公斤)……(30)點(diǎn)a1的比容Vva1＝V1＝V2＝V3求得點(diǎn)ia1的值后，便可在定容線2-3上確定點(diǎn)a1，然后由點(diǎn)a1，據(jù)圖(1)確定其它參數(shù)。
(4)定容過程點(diǎn)8的參數(shù)確定。
根據(jù)回?zé)崞髦袃蔂顟B(tài)工質(zhì)換熱平衡的條件。
定容過程1-8的吸熱量qv1-8＝(i8-i1)-AV8(P8-P1)(大卡/公斤)……(31)它應(yīng)等于定壓過程2-5的放熱量qP2-5＝i5-i2即[(i8-i1)-AV8(P8-P1)]+(i5-i2)＝0于是i8＝[(i2-i5)+i1]+AV8(P8-P1)≈(i2-i5)+i1(大卡/公斤)……(32)求得i8后，便可在定容線上確定點(diǎn)8，并由此確定點(diǎn)8的對(duì)應(yīng)參數(shù)如溫度、壓力、比容、熵(5)熱力微循環(huán)的能量平衡方程大家知道在勢(shì)能場(chǎng)中，當(dāng)質(zhì)量為M的質(zhì)點(diǎn)，由開始的高度h0。上升到h1然后又從h回到h0，其勢(shì)能的增量為零，同樣在熱學(xué)勢(shì)場(chǎng)中根據(jù)熱力學(xué)第一定律，工質(zhì)由于受熱，從外界得到能量應(yīng)該等于它對(duì)外界作功所付出的能量與過程始末其內(nèi)能的變化量之和，即當(dāng)工質(zhì)經(jīng)一循環(huán)過程后，回到它的始點(diǎn)，工質(zhì)本身能量的增加為零。因此在圖(1)所示的循環(huán)過程1-8-2-a1-3-4-2-5-1，各定態(tài)過程的熱量及功的當(dāng)量熱之和，應(yīng)等于(1)、(2)、(3)、(8)a，及(7)、(13)、(23)、(25)之和qv1-a1+qva1-3+qT3-4+qP4-5＝qNT3-40+qNS5-10+qNVLa1-10+qNPL4-50(大卡/公斤)……(32)由于定容吸熱量qv1-a1等于定壓放熱量qT4-5且符號(hào)相反。正補(bǔ)充過程的當(dāng)量熱qNPL4-50也等于負(fù)補(bǔ)充過程功的當(dāng)量熱qNVLa1-10，且符號(hào)相反。因此(32)式可簡(jiǎn)化為qva1-3+qT3-4＝qNT3-40+qNS5-10……(33)由于熱力微循環(huán)定壓冷卻過程4-2-5的放熱量qP4-5＝i5-i4完全被定容吸熱過程1-8-2-a1所吸收，定容吸熱量為qv1-a1＝(ia1-i1)-AVa1(Pa1-P1)因此整個(gè)系統(tǒng)沒有余熱向外界釋放，若把以上各值代入方程(32)或(33)便會(huì)得到準(zhǔn)確的恒等式。
(6)熱力微循環(huán)的絕對(duì)熱效率按絕對(duì)熱效率的定義，熱機(jī)實(shí)際出發(fā)的功的當(dāng)量熱ALT與熱機(jī)從熱源中吸取的熱量之比即為絕對(duì)熱效率或絕對(duì)指示效率。
ηiT= (A LT)/(qiT)式中功的當(dāng)量熱為ALT＝qNT3-40+qNS5-10＝{[T4(S4-S3)-(i4-i3)+A(P4V4-P3V3)}+[(i5-i1)1-A(PSV5-P1V1)]吸熱量為qir＝qva1-3+qT3-4＝[(i3-ia1)-AV3(P3-Pa1)]+[T4(S4-S3)+
A(P4V4-P3V3)于是ηiT= (｛［T4(S4-S3)-(i4-i3)］+A(P4V4-P3V3)｝+(i5-i1)-A(P5V5-P1V1))/((i3-ia1)-A V3(P3-Pa1)+［T4(S4-S3)+A(P4V4-P3V3)］) =1……(34)由式(34)知，由于熱力微循環(huán)不向外界冷源放熱，全過程向外界的吸熱量等于全過程向外界作功的當(dāng)量熱，因此，熱力微循環(huán)的絕對(duì)熱效率ηir＝1。
以上所討論的是等溫膨脹作功熱力微循環(huán)，由于等溫膨脹作功時(shí)為保證溫度在膨脹過程中不變，就必須使外界熱源連續(xù)不斷地向汽輪機(jī)各葉片級(jí)間補(bǔ)充熱量，這樣就使得汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，成本提高。因此等溫膨脹作功的熱力微循環(huán)只能作為理論分析之用，有關(guān)等溫膨脹作功的熱力微循環(huán)動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)原理詳見“附件”-原理部分中的圖(2)及其附件中的說明。
2、定熵膨脹作功，定壓回復(fù)熱力微循環(huán)(以下簡(jiǎn)稱定壓回復(fù)熱力微循環(huán))。
該循環(huán)過程見圖(1)中1-8-2-a-3-6-6-4-4-5-5-1。其循環(huán)過程已在前面作了介紹。
該循環(huán)除等熵膨脹作功過程3-6及定壓回復(fù)加熱過程6-4與以上的循環(huán)不同外，其它過程的放熱量、吸熱量及功和功的當(dāng)量熱均同于定溫膨脹作功過程。因此下面只列出3-6及6-4過程的功、功的當(dāng)量熱和向外界熱源的吸熱量。
(A)等熵膨脹過程3-6單位工質(zhì)的功率及功的當(dāng)量熱汽輪機(jī)等熵膨脹過程3-6的輸出功率N＝(i-i)-A(PV-PV)/860(千瓦)……(35)
汽輪機(jī)內(nèi)部功率
式中-微循環(huán)的絕對(duì)指示效率或絕對(duì)熱效率，定義同前。
其功的當(dāng)量熱為qNS3-60＝(i3-i6)-A(P3V3-P6V6)(大卡/公斤)……(37)(B)定壓回復(fù)過程6-4向外熱源的吸熱量qP6-4＝i4-i6(大卡/公斤)……(38)(C)定壓回復(fù)熱力微循環(huán)的熱平衡方程定壓回復(fù)式熱力微循環(huán)各定態(tài)過程吸熱、放熱及功的當(dāng)量熱之和應(yīng)等于(1)、(2)、(8)a、(38)及(37)、(13)、(23)、(25)各式之和。
即qv1-a1+qva1-3+qP4-6+qP6-4＝qNS3-60+qNS5-10+qNVLa1-10+qNPL4-50(大卡/公斤)……(39)由于qv1-a1+qP4-5＝0，qNVLa1-10+qNPL4-50＝0因此(39)式可簡(jiǎn)化為qva1-3+qP6-4＝qNS3-60+qNS5-10(大卡/公斤)……(40)(D)定壓回復(fù)式熱力微循環(huán)的絕對(duì)熱效率按前述定義，其絕對(duì)指示效率為ηis= (A LP)/(qiP) ……(41)式中功的當(dāng)量熱為ALP＝qNS3-60+qNS5-10根(37)及(13)式有ALP＝[(i3-i6)-A(P3V3-P6V6)]+[(i5-i1)-A(P5V5-P1V1)]
吸熱量為qiP＝qva1-3+qP6-4根據(jù)(38)及(2)式有qip＝(i4-i6)+[(i3-ia1)-AV3(P3-Pa1)]代以上兩式于(41)，ηis= (［(i3-i6)-A(P3V3-P6V6)］+［(i5-i1)-A(P5V5-P1V1)］)/((i4-i6)＋［(i3-ia1)-AV3(P3-Pa1)］) =1……(42)由(42)式知，定壓回復(fù)熱力微循環(huán)絕對(duì)熱效率同樣為1，由于定壓冷卻過程的熱量全部由定容吸熱過程吸收，因此循環(huán)過程不需冷源。
3、定容回復(fù)熱力微循環(huán)該循環(huán)和上一循環(huán)基本相同，不同的僅是工質(zhì)由狀態(tài)點(diǎn)3進(jìn)入汽輪機(jī)后，等熵膨脹直至點(diǎn)7，點(diǎn)7相交于等容線4-7之上。當(dāng)工質(zhì)在汽輪機(jī)等熵膨脹到點(diǎn)7后，便進(jìn)入圖(6)所示的定容回復(fù)加熱器9中，通過定容回復(fù)器9，外熱源將工質(zhì)由狀態(tài)點(diǎn)7等容的加熱到點(diǎn)4(即溫度T4且T4＝T3)，自點(diǎn)4，工質(zhì)又進(jìn)入圖(6)所示的回?zé)崞?，致此以后的各過程與前相同，其循環(huán)過程為1-8-2-a1-3-7-7-4-4-2-5-1。
(A)以下只列出與前述不同的等熵膨脹作功過程3-7及等容回復(fù)吸熱過程7-4的吸熱量和功及功的當(dāng)量熱，定容回復(fù)熱力微循環(huán)的汽輪機(jī)單位工質(zhì)輸出功率及功的當(dāng)量熱。
等熵膨脹過程3-7的輸出功率NS3-70＝(i3-i7)-A(P3V3-P7V7)/860(千瓦)……(43)汽輪機(jī)的內(nèi)部輸出功率
NS3-7ηin＝ηis·NS3-70＝(ηis/860)(i3-i7)-A(P3V3-P7V7)(千瓦)……(44)式中ηis-微循環(huán)絕對(duì)指示效率(定義同前)功的當(dāng)量熱qNS3-70＝(i3-i7)-A(P3V3-P7V7)(大卡/公斤)……(45)(B)定容回復(fù)過程7-4單位工質(zhì)向外熱源吸收的熱量qv7-4＝(i4-i7)-AV4(P4-P7)(大卡/公斤)……(46)(C)定容回復(fù)式熱力微循環(huán)單位工質(zhì)的熱平衡方程定容回復(fù)式熱力微循環(huán)各定態(tài)過程的吸熱、放熱及功的當(dāng)量熱之和應(yīng)等于(1)、(2)、(8)a、(46)及(45)、(13)、(23)、(25)各式之和。
即qv1-a1+qva1-3+qP4-5+qv7-4＝qNS3-70+qNS5-10+qNVLa1-10+qNPL4-50。(大卡/公斤)……(47)由于qv1-a1+qP4-5＝0;qNVLa1-10+qNPL4-50＝0因此(47)式可簡(jiǎn)化為qva1-3+qv7-4＝qNS3-70+qNS5-10(大卡/公斤)……(48)(D)定容回復(fù)式熱力微循環(huán)的絕對(duì)熱效率根據(jù)絕對(duì)指示效率的定義ηis= (A LV)/(qiV) ……(49)式中功的當(dāng)量熱為ALv＝qNS3-70+qNS5-10由式(45)及(13)ALv＝[(i3-i7)-A(P3V3-P7V7)]+(i5-i1)-A(P5V5-P1V1)由(46)及(2)式，吸熱量為
qiv＝qv7-4+qva1-3＝[(i4-i7)-AV4(P4-P7)]+[(i3-ia1)-AV3(P3-Pa1)]代入(49)式中ηis= (［(i3-i7)-A(P3V3-P7V7)］+［(i5-i1)-A(P5-V5-P1V1)］)/(［(i4-i7)-AV4(P4-P7)］+(i3-ia1)-AV3(P3-Pa1)) =1……(50)結(jié)論和以上兩種循環(huán)相同。
以上兩種循環(huán)均可用作制冷，只要T3、T4的溫度低于被致冷要求的溫度即可，首先致冷空氣由空氣再致冷被致冷物體，這樣的制冷機(jī)不但不消耗機(jī)械功，相反還會(huì)得到機(jī)械功。
4、單環(huán)循環(huán)本發(fā)明的目的還可以通過以上三種熱力微循環(huán)的單環(huán)循環(huán)達(dá)到。以上三種熱力微循環(huán)，即定溫膨脹作功熱力微循環(huán)，定壓回復(fù)及定容回復(fù)熱力微循環(huán)，均有兩個(gè)作功過程，即定溫膨脹作功過程3-4;等熵膨脹作功過程3-6及3-7，以及一個(gè)公有的等熵膨脹作功過程5-1。因此可將以上三種循環(huán)由點(diǎn)2斷開，于是圖(1)或圖(4)中便形成了1-8-2-5-1，及2-a1-3-4-2;2-a1-3-6-6-4-4-2;及2-a1-3-7-7-4-4-2四個(gè)單環(huán)。
在單環(huán)1-8-2-5-1中，定容吸熱過程1-8及定壓冷卻放熱過程2-5，其換熱均在回?zé)崞髦型瓿?，且定容吸熱量qv1-8等于定壓冷卻放熱量qP5-2。8-2為于熱交換器中向外熱源定容吸熱的過程。5-1為等熵膨脹作功過程，從圖(13)可以看出，點(diǎn)2可延伸到點(diǎn)2′。即可延伸到高臨界線Lb以外。
為了實(shí)現(xiàn)2-a1-3-4-2;2-a1-3-6-6-4-4-2;2-a1-3-7-7-4-4-2。三個(gè)單環(huán)循環(huán)，必須于定壓線4-2上，從C1開始見圖(4)]，用人為的方法使工質(zhì)定壓的由點(diǎn)C1冷卻到點(diǎn)2，C1點(diǎn)應(yīng)選擇在TC1-T2＝5-10℃為宜，由于回?zé)崞髦袃蔂顟B(tài)工質(zhì)的熱量要保持相等，因此C1點(diǎn)越向點(diǎn)4靠近，a1點(diǎn)便越向點(diǎn)2靠近，這樣將使熱循環(huán)效率降低較多。
由于熱力微循環(huán)單位工質(zhì)的輸出功較小，同等量的輸出功與其它熱力循環(huán)所需的工質(zhì)流量要大很多，同時(shí)，溫差(T4-Ta1;T5-T1)等又較小，因此為減少回?zé)崞黧w積，后三種單循環(huán)有較大的意義。特別是高溫?zé)嵩?，可利用高溫?zé)嵩吹挠欣蛩兀裹c(diǎn)2的溫度高于自然冷源的溫度(如冷卻水溫)，這樣點(diǎn)C1-2的人為冷卻，便不需另設(shè)一套致冷裝置。
以上單環(huán)循環(huán)都可用于致冷，且都可得到機(jī)械功的輸出。
5、三角熱力微環(huán)本發(fā)明的目的還可通過三角熱力微循環(huán)達(dá)到，三角熱力微循環(huán)是利用液態(tài)工質(zhì)的壓差及部分等熵膨脹的方法輸出機(jī)械功，如圖(4)上的飽和線處(左上方)的三角形1′-2′-3′-4′-5′-6′-1′。
三角循環(huán)也有一個(gè)定容吸熱。(回?zé)?過程1′-2′，及一個(gè)定壓冷卻放熱過程3′-4′-5′，這兩個(gè)過程也要在回?zé)崞髦袚Q熱，所不同的是定壓過程4′-5′為過冷液態(tài)工質(zhì)。圖中2′-3′為定容吸熱過程，它由熱交換器中吸收外界熱源。
5′-6′-1′為作功過程，其中5′-6′為水輪機(jī)作功過程，其壓力頭為點(diǎn)5′的壓力P5′與點(diǎn)6′的壓力P6′之差，6′-1′為等熵膨脹作功過程，由汽輪機(jī)負(fù)責(zé)完成，若把點(diǎn)1′選擇在點(diǎn)6′，即選擇在飽和線上(實(shí)際只能接近飽和線)則等熵過程便可消失，這時(shí)只需一個(gè)水輪機(jī)進(jìn)行工作三角循環(huán)可以和水力發(fā)電相結(jié)合，即水力發(fā)電和水熱發(fā)電共用一水輪機(jī)，具體運(yùn)行中，采用那種運(yùn)動(dòng)方式要看在那種季節(jié)比較合算。
根據(jù)其特點(diǎn)，三角熱力循環(huán)也可稱為“汽-液循環(huán)”。
6、驗(yàn)證能量方程和絕對(duì)熱效率以圖(1)的定壓回復(fù)熱力微循環(huán)為例，驗(yàn)證能量平衡方程(39)或(40)及絕對(duì)熱效率(42)。
圖(1)中各點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)參表(1)，各定態(tài)過程的吸熱、放熱量及功的當(dāng)量熱參表(2)據(jù)(39)式qv1-a1+qva1-3+qP4-5+qP6-4＝qNS3-60+qNS5-10+qNVLa1-10+qNPL4-50式中右側(cè)后兩項(xiàng)為正負(fù)補(bǔ)充功，兩者大小相同，符號(hào)相反其值又小，故可取消，由表(2)查得qv1-a1＝97.4508(大卡/公斤);qP4-5＝-97.4508(大卡/公斤)qva1-3＝2.17436(大卡/公斤);qP6-4＝24.8407(大卡/公斤)qNS3-60＝22.45147(大卡/公斤);qNS5-10＝4.53808(大卡/公斤);
代入以上各值97.4508+2.17436+(-97.4508)+24.8407＝22.45147+4.5380827.01506＝26.98955(大卡/公斤)即相等，等號(hào)兩側(cè)相差值占一側(cè)總值的百分比為Kg＝ (27.01506-26.98955×100)/27.01506 ＝0.094428%由此看出相差甚微，相差值為查表誤差，可見能量方程是平衡的驗(yàn)算絕對(duì)熱效率
由(41)
由表(2)qNS3-60＝22.45147(大卡/公斤);
qNS5-10＝4.53808(大卡/公斤);
qva1-3＝2.17436(大卡/公斤);
qP6-4＝24.8407(大卡/公斤);
代入以上各值得ηis＝ (22.45147+4.53808)/(2.17436+24.8407) ＝ 26.98955/27.01506＝0.999056≈1。
可見熱力微循環(huán)的絕對(duì)熱效率為1，能量方程也是平衡的，即系統(tǒng)向外界的吸熱量，全用于系統(tǒng)向外界作功，另外在回?zé)崞髦卸ㄈ葸^程1-8-2-a1的吸熱量qv1-a1＝97.4508(大卡/公斤)與定壓冷卻過程4-2-5在回?zé)崞髦械姆艧崃縬P4-5＝-79.4508(大卡/公斤)，是大小完全相等，符號(hào)相反的，即系統(tǒng)的冷卻放熱量全部被定容過程回收或熱力微循環(huán)不需外界冷源。
熱力微循環(huán)的積極效果熱力微循環(huán)若用于火力發(fā)電，可使標(biāo)煤?jiǎn)魏挠赡壳?.45公斤/度，減少到0.1334公斤/度，即節(jié)煤3.373倍，詳見附件-原理部分第55頁的例題。
若由熱力微循環(huán)取代目前的汽油機(jī)和柴油機(jī)，可使汽油機(jī)的絕對(duì)熱效率由25-32%，柴油機(jī)的絕對(duì)熱效率由35～48%，分別提高4～3.125及2.86～2.08倍，若取代航空燃汽輪機(jī)，可使其絕對(duì)熱效率由目前20-39%，提高5-2.56倍或同等攜油量延長(zhǎng)續(xù)航5-2.56倍。
若用于常溫水熱發(fā)電(由于不需冷源)，1米3/秒流量的淡水(河流、湖泊等)由25℃降至0℃，可發(fā)電10萬千瓦。若用于海洋水熱發(fā)電。1米3/秒的海水由25℃降至-3℃，可發(fā)電112931千瓦，(這兩個(gè)例題詳見附件“-原理部分48頁及55頁例一和例二)我國(guó)長(zhǎng)江流域總流量為4萬～5萬(米3/秒)，可發(fā)電40億～50億千瓦，截止82年底，世界上總裝機(jī)容量超過1億千瓦的有美國(guó)(6.67億千瓦)，蘇聯(lián)(2.88億千瓦)，日本(1.54億千瓦)。三個(gè)國(guó)家合計(jì)才11.09億千瓦，與長(zhǎng)江流域水熱能發(fā)電相比還相差甚遠(yuǎn)。
常溫水熱發(fā)電不需高壩，與水力發(fā)電又不發(fā)生矛盾，因此在近區(qū)有河流的大城市附近，就可建站，減少高壓輸壓線路投資，由于不需高壩，不燒煤，因此其基建千瓦投資相當(dāng)水電站基建千瓦投資的1/3強(qiáng)，且發(fā)電運(yùn)行成本也很低。
若用于輪船軍艦等，可不用任何燃料，直接利用海洋表面25℃海洋熱水能，便可得到充分的動(dòng)力，因它與國(guó)外海洋溫差發(fā)電原理不同。海洋溫差發(fā)電是利用海表面25℃的溫水與海下500～1000米深處4℃的冷水的溫差進(jìn)行發(fā)電，因此該法不適用于運(yùn)動(dòng)機(jī)械和內(nèi)陸河流發(fā)電，同時(shí)熱效率也很低。
實(shí)施例-回?zé)崞髡f明本發(fā)明將結(jié)合圖(7)-(10)實(shí)施例作進(jìn)一步說明，為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，除了汽油機(jī)、透平機(jī)、定壓回復(fù)加熱器等常規(guī)設(shè)備外，還需定容回復(fù)加熱器、定容補(bǔ)助加熱器及回?zé)崞鳎笕N換熱設(shè)備因與常規(guī)設(shè)備不同，故此特作說明，由于這三種設(shè)備計(jì)算方法和工作特點(diǎn)基本相同，所以以下僅著重介紹回?zé)崞鞯墓ぷ鬟^程及結(jié)構(gòu)特征。
回?zé)崞髦饕D(zhuǎn)產(chǎn)生歐拉力，克服定容過程壓差。回?zé)崞鞯慕Y(jié)構(gòu)為(A)旋轉(zhuǎn)部分參圖(7)、(8)由螺旋轉(zhuǎn)葉片6及貫穿于螺旋葉片6之上的螺旋管5。并都按對(duì)數(shù)螺旋線線形固定在輪鼓30上，螺旋管進(jìn)口的導(dǎo)引段4將螺旋管分若干組焊在管板槽3上，其螺旋管進(jìn)入角為α1，見圖(7)、(8)、(9)。螺旋管的出口7通過補(bǔ)助加熱器加熱段La1-3后流出，其出口角為
各螺旋葉片6形成螺旋葉道，螺旋葉片6在其進(jìn)口有風(fēng)動(dòng)葉片13，其進(jìn)口角為β4。其出口也有出口風(fēng)扇葉片16，其出口角為α5見圖(7)、(8)、(9)。它們都和輪鼓30固為一體構(gòu)成一葉輪，葉輪通過銷鍵和主軸27聯(lián)為一體一同旋轉(zhuǎn)。
(B)固定部分，包括機(jī)殼31、定容態(tài)工質(zhì)進(jìn)口1、導(dǎo)流錐20、定容態(tài)工質(zhì)進(jìn)口固定導(dǎo)葉2、定容態(tài)工質(zhì)出口導(dǎo)葉8、定容態(tài)工質(zhì)出口蝸殼環(huán)道9a、定容態(tài)工質(zhì)出口9b、以及定壓態(tài)工質(zhì)進(jìn)口11，定壓態(tài)工質(zhì)進(jìn)口蝸殼環(huán)道10，定壓態(tài)工質(zhì)進(jìn)口固定導(dǎo)葉12定壓態(tài)工質(zhì)出口固定導(dǎo)葉17、定壓態(tài)工質(zhì)出口蝸殼環(huán)道18、定壓態(tài)工質(zhì)出口19。
由于圖(1)的定容吸熱過程a1-3段需在補(bǔ)助加熱器中由外熱源加熱，并且該段熱量又小，因此圖(7)、(8)中付設(shè)了補(bǔ)助加熱器，即補(bǔ)助加熱段La1-3。補(bǔ)助加熱段中的螺旋管是回?zé)崞髦新菪艿难永m(xù)，螺旋葉片也是回?zé)崞髦新菪~的延續(xù)。而固定部分為外熱載流體進(jìn)口22，載熱流體進(jìn)口蝸殼環(huán)道21，載熱流體出口蝸殼環(huán)道23，載熱流體24，以及載熱流體內(nèi)進(jìn)出道25、26。除以上所說之外還有止退軸承28，減速機(jī)構(gòu)29、絕熱層32、電動(dòng)機(jī)33潤(rùn)滑油腔34組成。
圖(9)中1為螺旋管的對(duì)數(shù)螺旋線形，2為螺旋葉的對(duì)數(shù)螺旋線形。
(C)回?zé)崞鞯墓ぷ鬟^程如下螺旋管中流過的是定容態(tài)工質(zhì)，螺旋葉所構(gòu)成的螺旋葉道中流過的是定壓態(tài)工質(zhì)，且兩者以相反的方向流動(dòng)。
定壓態(tài)工質(zhì)由圖(1)所示的狀態(tài)點(diǎn)4由定壓態(tài)工質(zhì)進(jìn)口11，蝸旋環(huán)道10，及定壓態(tài)工質(zhì)進(jìn)口固定導(dǎo)葉12，定壓態(tài)工質(zhì)進(jìn)口風(fēng)動(dòng)葉片13，進(jìn)入螺旋葉片葉道后外掠螺旋管。將其冷卻放熱量釋放給螺旋管中定容態(tài)工質(zhì)，從而得到冷卻。當(dāng)定壓態(tài)工質(zhì)流過回?zé)崞鞴ぷ鞫蜭1-a1[見圖(7)]后，定壓態(tài)工質(zhì)由于熱量不斷的向定容態(tài)工質(zhì)釋放，最終達(dá)到圖(1)中的狀態(tài)點(diǎn)5，完成定壓冷卻過程4-5。然后由其出口的風(fēng)動(dòng)葉片16改變流速方向。見圖(9)中m1-m2的轉(zhuǎn)向段。并通過固定導(dǎo)葉17、定壓態(tài)工質(zhì)出口蝸殼環(huán)道18的集流后，由其出口19流出。
當(dāng)其通過定壓態(tài)工質(zhì)進(jìn)口扇動(dòng)葉片13及出口風(fēng)扇動(dòng)葉片16時(shí)，由于流動(dòng)方向改變，因此釋放出定壓過程的收縮功，既對(duì)葉輪作功。
定容態(tài)工質(zhì)由圖(1)所示的狀態(tài)點(diǎn)1，由定容態(tài)工質(zhì)的進(jìn)口1進(jìn)入，并由導(dǎo)流錐20導(dǎo)流后，通過固定導(dǎo)葉2分流，并調(diào)整流速方向，進(jìn)入螺旋管道管板槽3，由管板槽3將定容態(tài)工質(zhì)再一次的分配給管板槽中各自的每個(gè)螺旋管，然后進(jìn)入螺旋管導(dǎo)流段4，繼之進(jìn)入螺旋管工作段L1-a1，在螺旋管工作段內(nèi)和定壓態(tài)工質(zhì)相反的流向不斷吸收由定壓冷卻過程4-5所釋放的熱量后，定容態(tài)工質(zhì)達(dá)到圖(1)所示的狀態(tài)點(diǎn)a1，從而完成定容吸熱回收過程1-8-2-a1，繼之定容態(tài)工質(zhì)由點(diǎn)a1進(jìn)入補(bǔ)助加熱段La1-3見圖(7)，由外熱源(載熱流體)給予加熱，定容態(tài)工質(zhì)由圖(1)所示的點(diǎn)a繼續(xù)加熱升溫至點(diǎn)3，工質(zhì)達(dá)到狀態(tài)點(diǎn)3，工完成了1-8-2-a1-3的全部定容加熱過程，然后由螺旋管出口7，出口固定導(dǎo)葉8，改變流速方向并進(jìn)入定容態(tài)工質(zhì)出口蝸殼環(huán)道9a集流后，由定容態(tài)工質(zhì)出口9流出。
定壓態(tài)工質(zhì)的進(jìn)口速度三角形及出口速度三角形分別由圖(9)中的kji和fgh示出，定容態(tài)工質(zhì)的進(jìn)出口速度三角形，由圖(9)中的oab及cde示出，由定容態(tài)工質(zhì)的進(jìn)出口速度三角形可以看出，由于絕對(duì)出口速度Ca1大于絕對(duì)進(jìn)口速度C1，因此是耗功過程，定壓態(tài)工質(zhì)的絕對(duì)進(jìn)口速度C4′，大于定壓態(tài)工質(zhì)的絕對(duì)出口速度C5′因此定壓態(tài)工質(zhì)輸出收縮功。由以前的討論知，這兩個(gè)作功過程功量大小相等方向相反。因此從理論上講，葉輪旋轉(zhuǎn)是不需要外界機(jī)械功的補(bǔ)助，但因摩擦阻力等因素的客觀存在。因此圖(7)中加設(shè)了電動(dòng)機(jī)33以克服摩擦阻力。
由于管式回?zé)崞鞯男D(zhuǎn)管根數(shù)很多，并且和螺旋葉助互貫穿，因此回?zé)崞鞯募庸すに囀謴?fù)雜，成本較高，所以可將管式回?zé)崞鞲臑闊峁苁交虬宄崾交責(zé)崞?(熱管式回?zé)崞骷鞍宄崾交責(zé)崞髟敿?xì)說明見“附件”-回?zé)崞鞑糠?或用高導(dǎo)熱率鋁發(fā)泡體制造更好(透氣性鋁發(fā)泡體由日本中央電氣工業(yè)工司最近開發(fā)成功)因其單位體積換熱面積很大。
(2)高導(dǎo)熱率泡沫塑料回?zé)崞鞑还苁枪苁竭€是熱管式或是板翅式回器，它們共同的特點(diǎn)都要作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且體積都較大，下面介紹的高導(dǎo)熱率泡沫塑料回?zé)崞?，它不僅體積小，而且也不受高轉(zhuǎn)速的限制，因此是最理想的回?zé)崞鞲倪M(jìn)方案(關(guān)于泡沫回?zé)崞鞯脑敿?xì)討論見“附件”-回?zé)崞鞑糠?。
高導(dǎo)熱率泡沫塑料回?zé)崞?，是利用泡沫塑料具有良好的彈性和柔軟性，特別是單位體積內(nèi)具有非常大的表面積(換熱面積)一般的泡沫塑料，單位體積表面積約為213200(米2/米3)。比目前換熱面積最大的板翅換熱器(2000～3000米2/米3)還大106.6～71.06倍，當(dāng)然泡沫塑料回?zé)崞髦荒苡糜跓崃ξ⒀h(huán)等工作溫度不太高的地方。
大家知道，一般的泡沫塑料是絕熱體，但目前世界上不少國(guó)家都在研究高導(dǎo)電性塑料，大約分為兩大類，一類是復(fù)合導(dǎo)電塑料，其辦法是在塑料內(nèi)加石墨、銅、鐵鎳等粉末。一類是使塑料本身具有金屬導(dǎo)電性，其方法主要是減小分子晶體(或稱能級(jí)距離)中靜止原子和自由運(yùn)行的原子間能量差異，如日本筑波大學(xué)物理工程系白川英樹教授與日立制作所共同開發(fā)的高導(dǎo)電率聚乙炔薄膜，其導(dǎo)電率達(dá)到每厘米12000西門子，相當(dāng)于鉍的導(dǎo)電率，大家知道，導(dǎo)熱率和導(dǎo)電率是成正比的，利用這種材料，便可制成高導(dǎo)熱率泡沫塑料回?zé)崞鳌?br> 高導(dǎo)熱率泡沫塑料回?zé)崞鞯幕窘Y(jié)構(gòu)見圖(10)a、b、c。圖(10)a為泡沫塑料回?zé)崞鰽-A的斷面圖，圖(10)b為泡沫塑料回?zé)崞髦髌适緢D，圖(10)c為泡沫塑料回?zé)崞餍菊归_圖。圖(10)d為高導(dǎo)熱塑料硬管與高導(dǎo)熱率塑芯結(jié)構(gòu)的局部放大圖。
圖中1-高導(dǎo)熱率泡沫塑料芯，2-高導(dǎo)熱率塑料硬管，3-主軸，4-滾輪架，5-滾輪，6-與高導(dǎo)熱率塑料管接聯(lián)的折曲尼龍管，7-尼龍管絕熱復(fù)蓋層，8-回?zé)崞鲀?nèi)殼，9-柔性隔板，10-滾輪軸，11-回?zé)崞魍鈿ぃ?2、15-回?zé)崞魃享斏w，13-減速機(jī)構(gòu)，14-電動(dòng)機(jī)、16、17-內(nèi)外殼絕熱蓋層，18-柔性上蓋板，19-定容態(tài)工質(zhì)出口管，20-定壓態(tài)工質(zhì)進(jìn)口管，21-尼龍管，22-硬管內(nèi)高導(dǎo)熱率塑芯。
A、B分別為高導(dǎo)熱率塑料芯的定容態(tài)工質(zhì)進(jìn)出口，C、D分別為定壓態(tài)工質(zhì)的進(jìn)出口。
工作過程定壓態(tài)工質(zhì)由圖(1)中的狀態(tài)點(diǎn)4進(jìn)入高導(dǎo)熱率塑料硬管的進(jìn)口C，然后按著圖(10)C中連接折曲的尼龍管6進(jìn)入對(duì)應(yīng)的塑料硬管2(高導(dǎo)熱率塑料硬管2，是垂直的插入，并和高導(dǎo)熱率塑芯粘結(jié)為一體，硬管2不能作周向移動(dòng)，但可作徑向運(yùn)動(dòng)，其徑向運(yùn)動(dòng)是靠尼龍管接頭的饒曲性作保證的)。由于是定壓態(tài)工質(zhì)，便在圖(10)c所示的曲管道中一直流向出口D，在進(jìn)出口之間，定壓態(tài)工質(zhì)將其冷卻熱量釋放給高導(dǎo)熱率泡沫塑芯中定容態(tài)工質(zhì)，直到圖(1)所示的狀態(tài)點(diǎn)5為止，完成定壓冷卻過程4-2-5。
另一方面，定容態(tài)工質(zhì)由圖(1)所示的狀態(tài)點(diǎn)1以與定壓態(tài)工質(zhì)相反的方向，進(jìn)入高導(dǎo)熱率泡沫塑料的進(jìn)口A，其進(jìn)入的方法為當(dāng)滾輪5在電動(dòng)機(jī)14，通過減速機(jī)構(gòu)13及主軸3并通過滾輪架4的帶動(dòng)下，越過柔性隔板9后(如圖10a所示的m1位置)于是柔性隔板9與滾輪之間便形成真空，定容態(tài)工質(zhì)便吸入高導(dǎo)熱率泡沫塑芯1中當(dāng)滾輪繼續(xù)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，下一個(gè)滾輪也越過柔性隔板9，于是兩個(gè)滾輪之間便形成一封閉的空間(如圖10a所示的m1-m2區(qū)間)在該區(qū)間內(nèi)充滿著定容態(tài)工質(zhì)，從而也完成了一個(gè)吸汽(進(jìn)汽)過程，當(dāng)滾輪繼續(xù)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，定容態(tài)工質(zhì)便在兩滾輪的夾持下一起逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)并不斷地吸收硬管2中定壓態(tài)工質(zhì)的冷卻放熱量，并使其溫度、壓力不斷提高，由于兩滾輪m1-m2間為定容積，所以工質(zhì)的容積始終不變，即實(shí)現(xiàn)了定容吸熱，最后，當(dāng)一個(gè)滾輪越過隔板9后(定容態(tài)工質(zhì)已由圖(1)c所示的狀態(tài)點(diǎn)1變化到狀態(tài)點(diǎn)a1，完成了定容積吸熱過程1-8-2-a)定容態(tài)工質(zhì)便在后一個(gè)滾輪的擠推下，由柔性隔板的另一側(cè)的出口B被擠壓出來，從而完成了一個(gè)定容吸熱(回?zé)徇^程)。以后如此往復(fù)。
鑒于上述定容態(tài)工質(zhì)的壓差△Pa1-1＝Pa1-P1便由滾輪的推動(dòng)來完成。
若取消圖(10)a中的滾輪，該回?zé)崞鞅愠蔀橐黄胀ǖ母咝阅艿膿Q熱器，如蒸發(fā)器或冷凝器等。
若取消圖(10)a中的硬管2，便成為一種輸出功率與抇程和轉(zhuǎn)數(shù)成正比的泵，若抇程不變，輸入功率和轉(zhuǎn)數(shù)成正比。即轉(zhuǎn)數(shù)不論大小，但抇程保持不變，而功率正比轉(zhuǎn)速。(詳見“附件”-回?zé)崞鞑糠?。
圖(7)為螺旋式回?zé)崞?，圖(8)為圖(7)的A-O-B，D-E-F等的剖示圖。圖(9)為螺旋管螺旋葉片對(duì)數(shù)螺旋線形圖。
權(quán)利要求
1.一種高效熱力微循環(huán)，都包括斯特林循環(huán)的定容吸熱(余熱回收)過程，特征在于都由一定壓冷卻放熱過程線4-2-5與一定容吸熱過程1-8-2-a1-3相交于高臨界線Lb之上的點(diǎn)2或高臨介線Lb之外的點(diǎn)2′所構(gòu)成的三種雙循環(huán)及一種三角形循環(huán)。(1)定溫膨脹作功熱力微循環(huán)1-8-2-a1-3-4-2-5-1；它由定熵膨脹作功過程5-1及定溫膨脹作功過程3-4和定容吸熱過程a1-3及定溫吸熱過程3-4，以及定壓冷卻放熱(余熱)過程4-2-5和定容吸熱(余熱回收)過程1-8-2-a1組成。(2)定壓回復(fù)熱力微循環(huán)1-8-2-a1-3-6-6-4-4-2-5-1它由定熵膨脹作功過程5-1及3-6和定容吸熱過程a1-3及定壓回復(fù)吸熱過程6-4以及定壓冷卻放熱(余熱)過程4-2-5及定容吸熱(余熱回收)過程1-8-2-a1組成。(3)定容回復(fù)熱力微循環(huán)1-8-2-a1-3-7-7-4-4-2-5-1它由定熵膨脹作功過程5-1及3-7和定容吸熱過程a1-3及定容回復(fù)吸熱過程7-4以及定壓冷卻(余熱)過程4-2-5和定容吸熱(余熱回收)過程1-8-2-a1組成，(4)三角熱力微循環(huán)(或稱汽-液循環(huán))1′-2′-3′-4′-5′-6′-1′。它由液態(tài)工質(zhì)壓差作功過程5′-6′、及等熵膨脹作功過程6′-1′，和定容吸熱過程1′-2′和定壓(余熱)冷卻放熱過程3′-4′以及定容吸熱(余熱回收)過程2′-3′組成。以上四種循環(huán)的定壓冷卻放熱(余熱)過程和定容吸熱(余熱回收)過程均在回?zé)崞髦羞M(jìn)行。
2.一種專用于權(quán)利要求1所述的熱力微循環(huán)所需的回?zé)崞?，其特征在?1)螺旋式回?zé)崞?，它由螺旋?貫穿于螺旋葉片6并固定于輪鼓30之上，形成一和主軸27回旋轉(zhuǎn)的葉輪組成，不管是采用管式還是熱管式或是板翅式或泡沫鋁式換熱元件，它們共同的特點(diǎn)是要作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。(2)高導(dǎo)熱率泡沫回?zé)崞?，是利用高?dǎo)熱率泡沫塑料的單位體積內(nèi)換熱面積很大并且富有彈性和柔性的特點(diǎn)而形成的回?zé)崞鳎酶邔?dǎo)熱率塑料硬管(管內(nèi)也充填高導(dǎo)熱率泡沫塑芯)插粘在高導(dǎo)熱率泡沫塑芯之中或由其它措施構(gòu)成兩狀態(tài)工質(zhì)的熱交換器，對(duì)于回?zé)崞?，則需加滾輪，使定容態(tài)工質(zhì)在兩滾輪夾持下作圓周運(yùn)動(dòng)并和硬管中流動(dòng)的定壓態(tài)工質(zhì)進(jìn)行熱交換。該回?zé)崞鞯奶卣魇遣捎酶邔?dǎo)熱率泡沫塑料為換熱元件。
全文摘要
本系統(tǒng)屬熱工學(xué)中一封閉式新型循環(huán)，其特征為由兩條相交高臨界線Lb之上點(diǎn)2或點(diǎn)2′的定容過程1-8-2-a1-3及定壓過程4-2-5為特征的微循環(huán)，它由兩個(gè)作功過程，一個(gè)共有的等熵作功過程5-1及三個(gè)定溫，等熵作功過程3-4或3-6或3-7，及一對(duì)于回?zé)崞髦羞M(jìn)行定壓冷卻放熱過程4-2-5與定容吸熱(回?zé)?過程1-8-2-a
文檔編號(hào)F02G1/043GK1032058SQ88100660
公開日1989年3月29日 申請(qǐng)日期1988年2月3日 優(yōu)先權(quán)日1988年2月3日
發(fā)明者陳家恩 申請(qǐng)人:陳家恩