[发明专利]一种改进的卡诺循环方法

说明书

技术领域

本发明涉及卡诺循环，具体涉及一种改进的卡诺循环方法。

背景技术

卡诺循环是1824年N.L.S.卡诺在对热机的最大可能效率问题作理论研究时提出的。卡诺进一步证明了下述卡诺定理：①在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可逆热机的效率都相等，与工作物质无关，其中T1、T2分别是高温和低温热源的绝对温度。②在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切不可逆热机的效率不可能大于可逆卡诺热机的效率。可逆和不可逆热机分别经历可逆和不可逆的循环过程。

卡诺定理阐明了热机效率的限制，指出了提高热机效率的方向（提高T1、降低T2、减少散热、漏气、摩擦等不可逆损耗，使循环尽量接近卡诺循环），成为热机研究的理论依据、热机效率的限制、实际热力学过程的不可逆性及其间联系的研究，导致热力学第二定律的建立。

卡诺定理阐明了热机效率的限制，指出了提高热机效率的方向，可以简要理解为提高高温温度、降低低温温度、减少其它机械摩擦和热损耗。

卡诺定理也并确实没有限定低温必须高于多少？高温必须是什么范围？经过100多年的应用，人们已经太熟悉它了，今天反而人们几乎很少再去仔细推敲它的每一个字句，更多的人则是习惯于从前人那里吸收“成熟”的理论和实践经验，继续应用。

老师在给学生传授有关卡诺定理知识的时候，常常忘不了额外补充几句，比如：“实际上、低温热源温度T2降低很难实现，人们大都考虑如何提高高温热源温度T1，来提高效率”、“显然，高温热源温度T1越高，效率越高”、“卡诺循环决定了热机的最高理想效率，任何系统的效率都不可能超过这一结果”，等等。这几句话表面上看好像没有问题，但是再仔细推敲一下，就有些问题：

1、低温热源温度难以降低

在19世纪，甚至到20世纪初，确实，热机工作的低温热源通常是周围自然环境温度，降低环境的温度难度大、成本高，是不足取的办法。但是现在，已经今非昔比，很多条件、目标、要求都发生了很大的变化，到了该否定这个观点的时候了。

首先，制冷技术已经很成熟，用热泵技术移走热量实现制冷的效率已经很高，实现逆卡诺循环的实际效率可以达到理论值的60%以上。人们在维持低温热源T2温度的时候，还可以将热量转移到高温热源来进入再次循环，即便可能不经济，但是减少热排放、环保的作用可能变为主要目的。因此，如果必要，降低低温热源温度T2，既可行，也相对高效，继续研究下去，甚至有办法达到既经济又高效的结果。

2、温度越高效率越高

如果低温热源温度T2不能降低，那么确实高温热源T1温度越高，理论效率越高。但是也就意味着产生热源能源物质的品质需要越高。环境的温差加大以后材料性能、系统散热问题越来越突出，综合成本也大幅度提高，整体经济性不一定就高！

从下面的卡诺定理的效率公式ηc=1-T2/T1可以看出这个效率还有更有意思的情况，想达到同样的理论效率，如果T2越大，必须温差线性增大，T1急剧升高。

T2=-200℃，T1=20℃，热机效率理论值约是75%；T2=20℃，T1=1300℃，热机效率理论值也是75%；分析实际效率，假设摩擦损失一样，从超低温到常温的热机工作过程，几乎不会有热损失，甚至还会边膨胀做功、边吸受环境热，因为所有接触的热机零部件都有可能比工质温度高，整体热损失少或许还有增加；而在常温到1300℃高温之间工作的热机，其工质温度远远高于环境，必然会产生热量损失。显然在自然环境下，低温段工作的热机实际效率一定高于在高温段工作的热机；按能量热量总量条件分析，这两个过程，前者温差只有220度、后者温差达1280度，前者的能量可以免费资源中获得，后者的能量必须用燃料消耗获取。前者少量热能参与工作就有可能获得高效率，后者必须满足较高、较集中的热能供应条件才能追求高效率。如果考虑热机工作过程的材料、工艺、能源成本，追求高温的热机显然综合指标会大大低于低温段的热机。

如果温差一样，两组热机工作在不同温段，工作介质比热变化不大，热机热量消耗一样，但根据卡诺定理，工作温段越靠近绝对零度，低温热源温度T2小的理论效率高！高温段、低温段工作的热机效率理论值差异明显，高温段工作的热机几乎没有任何优点。

因此，这句话现在应该改为，工作温段越低，热机越容易获得高效。

3、过程热功转化效率等于系统热效率

其实卡诺循环本身没有这样说，后人们多这样理解和想当然。100多年前，维持低温热源恒温就依靠自然降温，还不到考虑效率的时候；维持高温热源恒温，就是燃料加热，也没有什么第二选择。