[发明专利]自冷式热力做功方法

说明书

技术领域

本发明属于热能动力领域。

背景技术

热力学第二定律是热力学基础结论从来没有被动摇，但是遵守其规律热力做功系统必须向低温热源排热而总是造成巨大的能源浪费，例如单循环做功过程热效率最高只接近50％，如燃气轮机热效率不足40％，虽然目前主流热力学领域没有质疑的报道，这并没有阻止人们对其探索与思考，尤其能源危机与环境破环严重的今天，任何可能的突破都是非常重要的。为实现单一热源做功有一些解决方案，遗憾的是还没有切实可行的案例，归纳起来有以下几种方案，(1)用热泵产热使热量在膨胀机做功，这早已被否定，现实中理想的逆卡诺循环不可能存在；(2)认为定温过程膨胀做功比定熵过程多，采用逆卡诺循环制冷源或制液体工质，然后定温膨胀做功，这同样是被卡诺定律否定的，因为任何可逆循环的热效率都和卡诺循环相等。(3)利用热泵使气体工质液化，再将热泵排热通过回热换热器加热已经液化的工质，再通过液体工质吸收空气能升温进入膨胀机做功，这同样是现实中无法存在的，错误的原因与(1)类似，而且换热器不可能没有温差而交换热量，即使开始能工作也会因为制冷量逐步衰减而最终停止工作。

尽管如此，有以下几种情况使单一热源做功存在可能，一、上述方案没有把热泵过程与膨胀做功过程分开来考虑，热泵过程温差越小制热系数越大而做功过程温差越大做功越多，热泵主要任务应该是将气体工质液化或降温而没必要高参数排热，没有充分灵活利用热泵优势。二、喷射制冷技术可获得过冷液，可以产生比液化前饱和气体温度更低的液化气，有利于持续实现回热换热。三、传统的喷射抽气器因为存在喉管缩放结构导致流动损失大效率低，其结构与性能有很大的改进空间，加上简单无转动件而且工质在液态泵力升压受热产生动力消耗压缩功最小，即喷射抽气制冷技术性能存在很大的提升空间。

发明内容

本发明的目的：大幅度提高热力做功效率，乃至实现单一热源做功。

本发明的技术方案：热力系统通过热泵尽可能低参数回收完成做功后的排放热Q₂，热泵排放热通过膨胀做功过程吸收后回收压缩功，通过回热循环最终使工质吸热升温过程吸收了Q₂，使热力系统在满足同样热力循环的前提下向热源吸热量减少Q₂，实现部分或全部Q₂只在系统内部循环而不向外排放，最大程度提高热效率。

具体方案为，热力系统的工质从热源吸收热量做功，包括了工质从低温状态升压吸热后成为动力气源的升温过程、动力气源进入膨胀做功系统后的膨胀做功过程，以及完成膨胀做功的低温气体工质(对于以空气为工质的开式循环这里的低温气体工质是从环境吸入的空气)进一步释放热量的排热过程，热力系统从升温过程、膨胀做功过程到排热过程后再到升温过程后实现热力循环过程，其特征是：工质从高于环境温度的热源(例如燃料燃烧或余热或地热及太阳能热力等)吸收了热量，或从等于或低于环境温度的热源(例如自然环境中的空气或湖水海水等热源)吸收了热量；热力系统采用了热泵过程吸收排热过程中低温气体工质释放的部分或全部热量，由膨胀做功过程或者由膨胀做功过程与升温过程吸收热泵过程释放的部分或全部热量，可以尽可能降低热泵排热温度或压力以减小热泵能耗；热力系统采用了回热过程，回热高温端有膨胀做功过程或排热过程或者二者都有，回热低温端有升温过程或热泵过程吸热工质或者二者都有，回热过程通过从高温端向低温端传热满足Q₂回收与循环。整体方案的实质是热力系统内部工质依然是在高低温度之间循环工作，而对外可以做到回收部分或全部排热实现大幅度提高热效率，理想循环工作过程可以理解为：热泵耗功W_p吸收热力过程排放热量Q₂后产生Q₂+W_p的热量进入膨胀做功系统做功W_p，将剩余的热量Q₂通过回热换热器被升温过程吸收，这样本应该从热源吸热Q₁的工质升温过程只需从热源吸热Q＝Q₁-Q₂，因为做功也是Q₁-Q₂，因此W＝Q热效率为1而不需要向冷源排热实现单一热源做功。这说明，只要解决好回热循环，至少在理论上自冷式热力循环可以利用热泵自动创造低于环境温度的冷源，可以从空气中吸热做功而成为纯空气能发动机。

一般情况膨胀做功系统吸收热泵过程释放热量的方式采用换热器换热或直接吸收其排放工质，热泵过程可以由膨胀做功过程直接提供动力或由专门的动力装置提供动力。