[发明专利]热力发动机系统

说明书

技术领域

本发明涉及热力发动机系统和产生功(producing work)的方法。

背景技术

热力发动机是将热能转换成机械功的系统。热力发动机通过从高温热源(T_H)向低温散热器(T_L)转移能量来完成这项工作。除了其它因素以外，任何热力发动机的效率被认为主要由热源和散热器之间的温度差异决定。目前使用的各种热力发动机的效率在3％至约60％的范围之间。大多数汽车发动机的效率为约25％，而超临界的燃煤发电站的效率为约35-41％。

因为认为所有热力发动机的效率都取决于热源和散热器之间的温度梯度，因此已经作过很多尝试，试图通过增大这种温度梯度来提高热力发动机效率。通常认为要增大热力发动机中的温度梯度，就必须提高热源的温度，因为散热器的温度受地球大气温度的限制。

理论上，效率最高的热力发动机是由卡诺循环(Camot cycle)定义的，包括锅炉(boiler)、涡轮机(turbine)、冷凝器和泵。根据卡诺循环，工作流体(working fluid)经历了来自锅炉的高温水池的恒温可逆加热、使工作流体的温度从高温(T_H)降到低温(T_L)的绝热可逆膨胀、对流向冷凝器中的低温水池的工作流体进行的恒温可逆冷却，和在泵中使工作流体的温度从T_L上升到T_H的绝热可逆压缩。按照卡诺循环工作的热力发动机的热效率(η_TH)由以下等式定义：

η_TH＝1-T_L/T_H

然而，实践中，不可能按照理想的卡诺循环那样运行热力发动机，因为没有一个处理步骤在实践中是真正“可逆”的。可逆处理是在发生过后还能被逆转的理想处理，并且在发生和逆转时不会给系统或其周围环境带来任何改变。许多因素会使卡诺循环中的处理不可逆，包括系统中的摩擦损失。

可用于运行热力发动机的可替换方案是兰金循环(Rankine cycle)，该循环的效率不如卡诺循环高。理想的兰金循环包括由泵进行的从低压到高压的绝热可逆压缩，来自锅炉中高温热源的恒压(等压)热传递，在涡轮机中进行的从高压到低压的绝热可逆膨胀，和从工作流体到冷凝器中的低温散热器的恒压(等压)热传递。

兰金循环与卡诺循环的不同主要在于：在兰金循环中，工作流体在冷凝器中发生从蒸汽到液体的完整冷凝过程。这样做的原因是尽管这样做会降低热力发动机的效率，但在实践中，泵很难象卡诺循环要求的那样处理液体和蒸汽的混合物。另一个不同之处在于，如果工作流体在锅炉中被加热成超热蒸汽，在卡诺循环中，所有的热传递都是在恒温条件下进行的，因此，在这种处理期间，必须减小压强。这意味着，在蒸汽经历膨胀处理的同时必须向蒸汽传递热量(但在实践中这是很难执行的)，相反，在兰金循环中，蒸汽在恒压的条件下被过度加热。在实践中，兰金循环中的等压热传递处理比卡诺循环中的绝热处理更容易实现。

大多数公用发电厂，包括燃煤发电厂都按照兰金循环工作。然而，在实践中，因为与以上针对卡诺循环所列出的原因相类似的原因，根据兰金循环工作的热力发动机的效率比最大理论效率(即，理想兰金循环的效率)低。

另一种循环是布雷顿循环(Brayton cycle)。布雷顿循环的工作过程与兰金循环相类似，只是在循环的整个过程中工作流体都仅以气相的形式存在(即，布雷顿循环不包括工作流体的冷凝和沸腾)。在闭合的布雷顿循环中，系统包括等熵压缩，之后为等压加热，之后发生工作流体的等熵膨胀从而产生功，再之后为工作流体的等压冷却。燃气涡轮机通常按照开放的布雷顿循环工作，其中在压缩机之后易燃燃料被添加到工作流体中，于是燃料的燃烧提升工作流体的温度，之后工作流体在涡轮机中被膨胀从而产生功。来自涡轮机的排出物包含燃料的燃烧产物与工作流体的混合物，该排出物被送往垃圾堆，而并不被送回到压缩机的入口。