專利名稱：效率提高的熱機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在熱機(jī)中將熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，提高熱機(jī)的熱效率，而不必改變上部和／或者下部循環(huán)溫度的方法。此外，本發(fā)明還涉及實(shí)施該方法的熱機(jī)。
熱機(jī)是能量轉(zhuǎn)化裝置，它將導(dǎo)入的熱能通過熱動(dòng)力循環(huán)轉(zhuǎn)化成傳動(dòng)軸功(=動(dòng)能)。為此將很高溫度水平的熱能加至熱機(jī)內(nèi)的工作介質(zhì)上并在循環(huán)結(jié)束后一部分重新降到較低的溫度水平。熱能導(dǎo)入量和排出量之間的差在理想情況下與熱機(jī)輸出的軸功相等。
這種熱機(jī)循環(huán)的熱效率為所到得的軸功和所施加的原始熱能之比。它隨著上部和下部循環(huán)溫度之間的差值而增長(zhǎng)并可以最高達(dá)到理想的卡諾機(jī)的值。最高可以達(dá)到的循環(huán)的熱效率從卡諾定理得出η=(TO-TU)/TO]]>其中η為循環(huán)的最高熱效率，TO為上部循環(huán)溫度，而TU為下部循環(huán)溫度。
為使所使用的每個(gè)單位的原始熱能獲得盡可能高效率的軸功或動(dòng)能，熱機(jī)必須具有盡可能高的熱效率。通過提高循環(huán)效率可以達(dá)到這一目的。為此，根據(jù)卡諾定理，要求或者降低下部循環(huán)溫度和／或者提高上部循環(huán)溫度。由于熱機(jī)中所使用物質(zhì)的耐熱性，提高上部循環(huán)溫度受到限制。降低下部循環(huán)溫度也受到限制，因?yàn)樵谶\(yùn)行熱機(jī)的傳統(tǒng)方法中，將余熱排放到外界并由此使降低下部循環(huán)溫度受到熱機(jī)外界溫度的天然限制(熱力學(xué)第二定律)。為將下部循環(huán)溫度降至接近外界溫度，例如使用了新鮮水冷卻系統(tǒng)，但由于存在對(duì)河湖的熱污染，出于環(huán)保原因此方法并非良策。另外一種選擇是，通過濕式和干式冷卻塔向空氣中排熱。
為提高熱機(jī)循環(huán)效率，眾所周知的還有通過利用從渦輪機(jī)抽取蒸汽預(yù)熱給水來降低循環(huán)余熱和提高熱量導(dǎo)入的平均溫度。由此產(chǎn)生了這種方法的上限，在給水預(yù)熱溫度過高的情況下，鍋爐廢氣溫度盡管空氣預(yù)熱仍不能保持其最低值。此外，余熱再循環(huán)的這種形式存在著缺點(diǎn)，因?yàn)榻o水最高只能預(yù)熱到余熱的溫度。
雖然借助現(xiàn)代化的大型計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)熱機(jī)循環(huán)變量的最佳化，例如電廠中預(yù)熱器的新汽狀態(tài)和二次加熱狀態(tài)、數(shù)量、效率和放汽壓力，冷凝器的規(guī)格和結(jié)構(gòu)，冷卻塔的設(shè)計(jì)等等。然而即使借助這些措施，提高效率仍會(huì)受到限制。
提高熱機(jī)效率的其它方法也都是在吸收和排放熱能時(shí)，通過盡可能充分地利用循環(huán)過程中所吸收的和所排放的熱之間可供使用的溫度降來減少能量損失。為此需要串聯(lián)兩臺(tái)或數(shù)臺(tái)設(shè)備，前置循環(huán)的余熱作為后置循環(huán)的加熱熱量使用。這種方法例如在現(xiàn)代化的聯(lián)合電廠(GuD-電廠)得到應(yīng)用，它是將燃燒過程的高溫先在一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)中加以利用，然后再將其廢氣用于蒸汽動(dòng)力設(shè)備的加熱。按照這種方式減少生產(chǎn)蒸汽的能量損失并分?jǐn)?shù)個(gè)階段利用處于燃燒溫度和外界溫度之間的溫度降。
串聯(lián)循環(huán)的方法是采用各自兩個(gè)串聯(lián)循環(huán)的專利說明書US 5 437157和US 4 428 190以及采用總共三個(gè)串聯(lián)循環(huán)的專利說明書AT 327229的主題。
在US 5 437 157中是將傳統(tǒng)熱電廠(工作介質(zhì)為水)的冷凝熱用于在第二次蒸汽循環(huán)中產(chǎn)生有機(jī)工作介質(zhì)的汽化。第二次循環(huán)的余熱隨后排放到外界。US 4 428 190采用的是類似的原理，它是將兩臺(tái)蒸汽循環(huán)裝置(水和有機(jī)工作介質(zhì))通過連接在其間的一臺(tái)蓄熱器完成連接，據(jù)稱蓄熱器能改進(jìn)電廠日運(yùn)行中的負(fù)荷分配。在AT 327 229中，介紹了借助于有機(jī)工作介質(zhì)基礎(chǔ)上的第三臺(tái)循環(huán)裝置對(duì)一臺(tái)鉀循環(huán)裝置和一臺(tái)水蒸汽循環(huán)裝置進(jìn)行連接，有機(jī)工作介質(zhì)將鉀循環(huán)的余熱作為加熱熱量傳遞給水循環(huán)。在所介紹的所有案例中，各循環(huán)裝置在物質(zhì)上均相互隔離，通過換熱器的壁完成熱量從一個(gè)循環(huán)到另一個(gè)循環(huán)的傳遞。
串行連接循環(huán)裝置的缺點(diǎn)是每個(gè)循環(huán)需要額外增加熱量傳遞和能量轉(zhuǎn)化裝置。此外，能量轉(zhuǎn)化的能量損失隨著串行連接的循環(huán)裝置的數(shù)量增長(zhǎng)，因?yàn)橹挥性诒３钟邢逌夭畹那闆r下才有可能借助換熱器傳遞熱量。此外的缺點(diǎn)是，串聯(lián)序列中最后的循環(huán)裝置的余熱同以往一樣必須排放到外界。
因此，本發(fā)明的目的在于，提供一種可以提高熱機(jī)的熱效率而不必改變熱循環(huán)上部和／或者下部循環(huán)溫度的方法。此外，本發(fā)明的目的還在于提供一種實(shí)施該方法的熱機(jī)。
這些目的通過具有權(quán)利要求1特征的方法和具有權(quán)利要求14特征的熱機(jī)得以實(shí)現(xiàn)。在從屬權(quán)利要求中敘述了依據(jù)本發(fā)明方法或依據(jù)本發(fā)明熱機(jī)的具有優(yōu)點(diǎn)的和優(yōu)選的進(jìn)一步構(gòu)成。
要理解本發(fā)明，重要的是要認(rèn)識(shí)到，熱機(jī)的熱效率并不等同于其中變化的循環(huán)過程的熱效率。
循環(huán)過程的熱效率由循環(huán)過程的每個(gè)周期中作出的功與所使用的熱能之比確定。而熱機(jī)的熱效率是由循環(huán)過程的所有周期中累加作出的功與所使用的熱能之比確定。
兩種效率在而且只有在循環(huán)過程的余熱離開熱機(jī)并擺脫其系統(tǒng)局限輸送到其外界情況下才是相同的。在傳統(tǒng)的熱機(jī)中，從循環(huán)過程排放的低溫?zé)崃吭诟髯灾芷诮Y(jié)束后排放到外界。因此，傳統(tǒng)熱機(jī)的效率最高與其熱力循環(huán)過程的效率相等。
在熱機(jī)內(nèi)其循環(huán)過程的余熱全部或部分重新作為原始能量使用的情況下(余熱再利用)，熱機(jī)的效率會(huì)大于其從屬的循環(huán)過程的效率。在這種情況下，循環(huán)過程余熱中所含的能量不需要或只部分需要由新的原始能量替換，并且熱機(jī)的累積效率隨著連續(xù)的循環(huán)過程-周期的數(shù)量增長(zhǎng)。


圖1所示為這一過程。圖1所示為熱機(jī)效率的變化過程，其中一假設(shè)的循環(huán)過程以35％的熱效率工作。經(jīng)過0％，20％，40％，60％，80％和100％的數(shù)個(gè)周期，排出的余熱重新導(dǎo)入這一循環(huán)過程(余熱再利用)。在沒有余熱返回的情況下(0％時(shí)的曲線)，熱機(jī)的效率與循環(huán)過程的效率相等。隨著余熱返回，熱機(jī)的效率隨著循環(huán)過程-周期的數(shù)量而增大，并在漸近線上接近理論最高值。
圖2所示為帶有僅5％的很差效率的循環(huán)過程的相同過程。即使對(duì)于這種很差的過程效率來說，熱機(jī)的效率仍可在數(shù)個(gè)周期數(shù)量之后大大增長(zhǎng)。當(dāng)有足夠有效的余熱返回時(shí)，這種熱機(jī)在利用低溫?zé)嵩辞闆r下可以非常經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)制造的傳統(tǒng)熱機(jī)使用唯一的內(nèi)部循環(huán)過程。它們或者通過蒸汽循環(huán)過程具有工作介質(zhì)相變(汽輪機(jī)，蒸汽機(jī))或者通過氣體循環(huán)過程不具有工作介質(zhì)相變(燃?xì)廨啓C(jī)，奧托(Otto)-、狄塞爾(diesel)-、汪克爾(Wankel)-，斯特林(Stirling)-，斯特爾策(stelzer)發(fā)動(dòng)機(jī))。
在傳統(tǒng)熱機(jī)中，余熱回流由此受到限制，即余熱溫度明顯低于所要導(dǎo)入循環(huán)過程的熱要求的溫度。因此余熱中所含的能量只有很少一部分重新導(dǎo)入循環(huán)過程。將余熱的溫度水平提高到上部過程溫度，在傳統(tǒng)熱機(jī)中要求使用熱力泵，由此可以使余熱的能量重新導(dǎo)入循環(huán)過程。但是這種熱力泵會(huì)消耗由第一臺(tái)熱機(jī)所產(chǎn)生的軸功。結(jié)果是采用現(xiàn)有技術(shù)的傳統(tǒng)熱機(jī)的余熱回流僅僅具有極有限的經(jīng)濟(jì)性。
依據(jù)本發(fā)明的方法，無需為傳統(tǒng)的熱力泵過程消耗軸功而通過內(nèi)部余熱回流提高熱機(jī)的累積熱效率。
傳統(tǒng)熱機(jī)或者通過唯一的蒸汽循環(huán)過程或者唯一的氣體循環(huán)過程或者是串行連接這兩個(gè)過程(燃?xì)廨啓C(jī)／汽輪機(jī)，內(nèi)燃機(jī)，GuD電廠)。依據(jù)本發(fā)明的熱機(jī)通過各個(gè)熱機(jī)內(nèi)的一個(gè)蒸汽循環(huán)過程和一個(gè)氣體循環(huán)過程，也就是通過兩個(gè)同時(shí)進(jìn)行的循環(huán)過程，使氣相中的物質(zhì)相互‘交叉’或疊加。
蒸汽循環(huán)過程的作用是產(chǎn)生軸功。蒸汽循環(huán)過程從一外部熱源得到其加熱熱量，蒸汽循環(huán)過程的余熱是所連接的氣體循環(huán)過程的加熱熱量。蒸汽循環(huán)過程中的工作介質(zhì)A為一種物質(zhì)或數(shù)種物質(zhì)的混合物，其成分擁有的分子偶極矩明顯高于氣體循環(huán)過程中工作介質(zhì)AB的成分B，B基本上持久處于氣態(tài)中。在蒸汽循環(huán)過程中，工作介質(zhì)A經(jīng)歷液相和氣相之間的周期性相變，而且在很大程度上如同傳統(tǒng)的蒸汽機(jī)或汽輪機(jī)中那樣。
氣體循環(huán)過程的作用是在依據(jù)本發(fā)明的熱機(jī)內(nèi)進(jìn)行余熱回流。為此，已減壓工作介質(zhì)A中所含的蒸汽循環(huán)過程的余熱作為產(chǎn)生軸功的加熱熱量以物質(zhì)導(dǎo)入氣體循環(huán)過程。氣體循環(huán)過程還將蒸汽循環(huán)過程的部分余熱轉(zhuǎn)化為軸功。其工作介質(zhì)AB(=氣體循環(huán)過程中的工作介質(zhì))為來自蒸汽循環(huán)過程工作介質(zhì)A氣態(tài)部分和氣體循環(huán)過程中工作介質(zhì)始終為氣態(tài)成分B的混合物。成分B是一種物質(zhì)或多種物質(zhì)的混合物，其組分擁有的分子偶極矩明顯低于來自蒸汽循環(huán)過程工作介質(zhì)A的物質(zhì)組分。在氣體循環(huán)過程中，來自蒸汽循環(huán)過程一定氣態(tài)量的工作介質(zhì)A有序地導(dǎo)入工作介質(zhì)AB并以液態(tài)形式重新抽取。由此工作介質(zhì)AB內(nèi)一定百分比的A通過氣體循環(huán)過程的封閉循環(huán)周期性變化。
氣相中兩個(gè)循環(huán)過程的物質(zhì)交叉，作用是兩個(gè)循環(huán)過程的物質(zhì)或物質(zhì)混合物A和AB之間進(jìn)行熱能的直接交換，并用于工作介質(zhì)A的冷凝。熱能的交換是在利用布朗分子運(yùn)動(dòng)的條件下通過兩種工作介質(zhì)物質(zhì)的氣體分子之間的彈性碰撞完成的(每秒1010數(shù)量級(jí)的碰撞頻率)。在顯微鏡下，分子的動(dòng)能(與溫度對(duì)應(yīng))根據(jù)麥克斯韋爾(Maxwell)理論呈統(tǒng)計(jì)學(xué)上的幾率分布。為進(jìn)行解釋需要說明的是，氣體或液體的原子或分子連續(xù)運(yùn)動(dòng)并不斷相互碰撞。通過碰撞過程它們不斷改變其運(yùn)動(dòng)方向及其能量，因此也改變其速度。氣體或液體中的速度對(duì)所有原子和分子來說并不相同，而是按照麥克斯韋爾速度分布進(jìn)行。在分子水平上，溫度和動(dòng)能通過玻耳茲曼(Boltzmann)常數(shù)結(jié)合，在忽略旋轉(zhuǎn)能和振蕩能情況下，一個(gè)粒子的平均動(dòng)能為E=3kT／2。因此，在氣相中不僅有溫度，而且有與分子速度的統(tǒng)計(jì)學(xué)分布相當(dāng)?shù)臏囟茸V。氣相中物質(zhì)組A和B分子的無序運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生分子間以不同的速度和偶極矩的彈性碰撞。工作介質(zhì)A物質(zhì)組的慢(=冷)分子間以高分子偶極矩的碰撞，由于中間分子力的影響，導(dǎo)致碰撞對(duì)聚集并由此導(dǎo)致形成更大的分子團(tuán)，最終形成小滴。物質(zhì)組A和B的分子團(tuán)和單個(gè)快分子間的碰撞導(dǎo)致動(dòng)能(=熱量)從較重的小滴向較輕的碰撞對(duì)凈傳遞。由此氣體循環(huán)過程的氣相AB分成快(=熱)和慢(=冷)部分。
根據(jù)微觀所見，在依據(jù)本發(fā)明熱機(jī)的氣體循環(huán)過程中，工作介質(zhì)A通過從物質(zhì)混合物AB中白發(fā)形成的霧團(tuán)完成相變。霧滴隨后可以借助恒定力場(chǎng)(例如重力或離心力場(chǎng))通過相位分離從氣體循環(huán)過程的氣相分離出去并通過給水泵重新導(dǎo)入蒸汽循環(huán)過程。由此一股氣相流的工作介質(zhì)A導(dǎo)入氣體循環(huán)過程并以液相重新抽取。導(dǎo)入氣體循環(huán)過程的熱量為所導(dǎo)入的氣相部分A中含有的潛在熱量，它相當(dāng)于冷凝熱。從蒸汽循環(huán)過程向氣體循環(huán)過程的熱傳遞通過氣體循環(huán)過程中工作介質(zhì)A的冷凝完成。氣體循環(huán)過程的余熱為以工作介質(zhì)A的液相排放的熱量。導(dǎo)入和排放熱量之間的差為工作介質(zhì)A在蒸汽循環(huán)過程和氣體循環(huán)過程之間交換的量的物質(zhì)流的冷凝熱。它相當(dāng)于氣體循環(huán)過程中可產(chǎn)生的最大軸功。因此，依據(jù)本發(fā)明熱機(jī)蒸汽循環(huán)過程的冷凝熱可以在氣體循環(huán)過程中(減去可能輻射的熱量)完全轉(zhuǎn)化為軸功。由此可見，依據(jù)本發(fā)明的熱機(jī)除去輻射的熱量外沒有其它的余熱。依據(jù)本發(fā)明的熱機(jī)的效率與傳統(tǒng)熱機(jī)相比，即使在蒸汽循環(huán)過程效率很差的情況下，仍隨著循環(huán)周期的數(shù)量增長(zhǎng)。由此得出，依據(jù)本發(fā)明的熱機(jī)也可作為換能器適于低溫?zé)崂谩?br> 對(duì)于依據(jù)本發(fā)明的熱機(jī)的運(yùn)行來說，例如可以使用下列物質(zhì)組合<
圖6依據(jù)本發(fā)明熱機(jī)的各功能組件具體圖示；以及圖7根據(jù)本發(fā)明一緊湊式熱機(jī)的功能組件圖示。
圖1所示為一假設(shè)熱機(jī)20個(gè)周期后效率的不同曲線。熱機(jī)循環(huán)過程具有35％的理論效率。只要沒有余熱返回到循環(huán)過程(0％時(shí)的曲線)，熱機(jī)就具有同樣的效率。如果將其排放的一定部分的余熱重新導(dǎo)入經(jīng)過數(shù)個(gè)周期的循環(huán)過程，那么熱機(jī)的效率會(huì)緩慢上升。當(dāng)余熱返回例如80％時(shí)，所示的熱機(jī)在20個(gè)周期后效率提高至約70％。
圖2所示為帶有僅5％效率的循環(huán)過程的相同過程。如圖2所示，熱機(jī)的效率在余熱返回80％時(shí)，提高至約20％。所以，借助余熱返回，熱機(jī)的效率與循環(huán)過程的效率提高約4倍。
圖3所示為蒸汽循環(huán)過程(左側(cè)pV曲線圖)和氣體循環(huán)過程(右側(cè)pV曲線圖)在其物質(zhì)連接下的示意圖。蒸汽循環(huán)過程在這里是一簡(jiǎn)單的過程，沒有重復(fù)的中間加熱。該方法同樣也可用于其它所有蒸汽循環(huán)過程。蒸汽循環(huán)過程標(biāo)有D1至D6六個(gè)點(diǎn)。氣體循環(huán)過程標(biāo)有G1至G4四個(gè)點(diǎn)。下面對(duì)各個(gè)步驟做詳細(xì)說明D1-D2蒸汽循環(huán)過程的液體通過泵從低壓到高壓輸送，并在高壓下輸入一蒸發(fā)器。
D2-D3工作介質(zhì)A高壓下在蒸發(fā)器中經(jīng)過供熱(Qzu)蒸發(fā)，并從液相轉(zhuǎn)化為氣相。
D3-D4蒸汽過熱，這種過熱不是必需的。在設(shè)計(jì)利用低溫?zé)岬臒釞C(jī)時(shí)可以去掉此過熱過程。
D4-D5蒸汽在軸功釋放下減壓，直至其壓力與氣體循環(huán)過程的混合物壓力相對(duì)應(yīng)。(說明該點(diǎn)所示為過熱蒸汽區(qū)，它也可以處于飽和蒸汽區(qū))。
D5-D6這條線段在傳統(tǒng)蒸汽循環(huán)過程中是蒸汽完全減壓而一直進(jìn)入飽和蒸汽區(qū)。但在依據(jù)本發(fā)明的熱機(jī)中，這一過程卻在氣體循環(huán)過程中發(fā)生。
D6-D1這條線段在傳統(tǒng)蒸汽循環(huán)過程中是蒸汽循環(huán)過程工作介質(zhì)A從氣相向液相的轉(zhuǎn)化，通過抽取熱量強(qiáng)制冷凝完成。加影線部分Qab相當(dāng)于蒸汽循環(huán)過程的余熱。這一過程在依據(jù)本發(fā)明的方法中，同樣是在氣體循環(huán)過程中發(fā)生。
D5-G2蒸汽循環(huán)過程全部或部分減壓的氣相工作介質(zhì)A向氣體循環(huán)過程轉(zhuǎn)移，并且氣態(tài)工作介質(zhì)A與氣體循環(huán)過程的壓縮氣態(tài)工作介質(zhì)AB相混合。通過工作介質(zhì)A混合到氣態(tài)混合物AB中，氣體混合物AB的相對(duì)濕度隨著成分A相應(yīng)增長(zhǎng)。
下面從第一步對(duì)氣體循環(huán)過程進(jìn)行說明G1-G2氣體循環(huán)過程工作介質(zhì)AB的絕熱壓縮。由此工作介質(zhì)AB的壓力和溫度上升，其相對(duì)濕度隨著物質(zhì)成分A相應(yīng)下降。在點(diǎn)G2上，混入來自蒸汽循環(huán)過程工作介質(zhì)A的物質(zhì)量，如同對(duì)D5-G2過程所述。
G2-G3實(shí)質(zhì)的混合過程在這里量上升，由此處于氣體循環(huán)過程中氣體混合物AB的體積圍繞來自蒸汽循環(huán)過程工作介質(zhì)A的導(dǎo)入物質(zhì)量增長(zhǎng)，而且混合物AB的相對(duì)濕度隨著物質(zhì)成分A相應(yīng)增長(zhǎng)。這里所示的混合過程為恒壓，這并非是必需的。就是說，該混合過程也可在壓力變化下完成?；旌贤瓿刹⑤敵鲚S功。
G3-G4氣體混合物絕熱減壓，并輸出軸功。此時(shí)工作介質(zhì)AB的壓力和溫度下降，氣體混合物AB的相對(duì)濕度隨著其物質(zhì)成分A的增長(zhǎng)超過飽和極限。帶有更高偶極矩的物質(zhì)A的分子，在其動(dòng)能釋放下呈滴狀凝聚到保留在氣相中的粒子AB上。在保留的殘余氣體AB的壓力和體積下降情況下形成霧。與物質(zhì)A相關(guān)的氣相AB的相對(duì)濕度上升到100％。冷凝成霧的物質(zhì)A的潛在的冷凝熱保留在殘余氣體AB中。G4-G1通過抽取液體使體積減少通過恒定力場(chǎng)(主要是離心力場(chǎng))中的相位分離，霧從工作介質(zhì)AB的殘余氣體中去除并作為液體重新導(dǎo)入蒸汽循環(huán)過程。點(diǎn)G4和G1實(shí)際上非常緊密地靠在一起，以致于pV曲線圖中氣體循環(huán)過程的輪廓線幾乎為三角形。G4-D1該步驟所述為與液態(tài)工作介質(zhì)A從氣體循環(huán)過程進(jìn)入蒸汽循環(huán)過程相關(guān)的物質(zhì)交換。從氣體循環(huán)過程抽取的帶有很高分子偶極矩的物質(zhì)A的液體因此重新導(dǎo)入蒸汽循環(huán)過程。
被連線D-1-2-3-4-5-6-1包圍的面積相當(dāng)于蒸汽循環(huán)過程中可產(chǎn)生的最大的功。被連線G-1-2-3-4-1包圍的面積相當(dāng)于氣體循環(huán)過程中可產(chǎn)生的最大的功。蒸汽循環(huán)過程的余熱從點(diǎn)D5傳遞到點(diǎn)G2，隨蒸汽循環(huán)過程工作介質(zhì)A的廢氣，作為輸入熱量輸送給氣體循環(huán)過程，而氣體循環(huán)過程的余熱從點(diǎn)G4傳遞到點(diǎn)D1，隨著冷凝液體，作為輸入熱量輸送到蒸汽循環(huán)過程之中。兩個(gè)循環(huán)靠所導(dǎo)入的熱量作功和并產(chǎn)生余熱。兩個(gè)循環(huán)過程在熱機(jī)中的組合，使得熱機(jī)不向外界排放余熱。
圖4為依據(jù)本發(fā)明的熱機(jī)中蒸汽循環(huán)過程和氣體循環(huán)過程之間的能量流動(dòng)過程。熱機(jī)包括兩個(gè)循環(huán)過程，它們各自從所導(dǎo)入的熱量中作功(WD和WG)并產(chǎn)生余熱(QD和QG)。從圖4可以看出，熱量Qexstern加QG導(dǎo)入蒸汽循環(huán)過程，熱量QD導(dǎo)入氣體循環(huán)過程。通過兩個(gè)循環(huán)過程互換將其各自的余熱流作為導(dǎo)入的熱量重新使用，熱機(jī)可以將從外部導(dǎo)入的熱流Qexstern全部轉(zhuǎn)化成軸功(減去可能輻射的熱量)。
這是可能的，因?yàn)槔脤?shí)際氣體中作用于分子間的偶極矩的情況下，通過霧化形成冷凝進(jìn)行快(=熱)和慢(=冷)粒子分離并在恒定力場(chǎng)中進(jìn)行隨后的分離。
氣相中分子間的能量傳遞通過彈性碰撞進(jìn)行并不受方向限制。在分子水平上，當(dāng)彈性碰撞時(shí)，動(dòng)能(=熱量)從重和慢(=冷)碰撞對(duì)向輕和快(=熱)碰撞對(duì)進(jìn)行凈傳遞。因?yàn)榉肿铀俣劝凑整溈怂鬼f爾原理的統(tǒng)計(jì)學(xué)分布，始終存在比適應(yīng)微觀測(cè)量到的溫度更快或更慢的碰撞對(duì)。帶有大和小偶極矩分子的氣體混合物，因此，在溫度下降時(shí)導(dǎo)致帶有高偶極矩的分子強(qiáng)行凝聚，它們?nèi)缓笞鳛檩^重的碰撞對(duì)在與具有較小偶極矩的分子進(jìn)行彈性碰撞時(shí)失去更多的動(dòng)能(=熱量)。通過絕熱膨脹(參見步驟G3-G4)強(qiáng)制溫度下降，以致于帶有大偶極矩的慢分子不得不相互附著，并將其動(dòng)能釋放到帶有小偶極矩的分子上。因?yàn)闅庀嘀欣淠裏岬膫鬟f不是在不同溫度的物體之間，而是在分子水平上通過麥克斯韋爾速度分布譜中粒子之間的彈性碰撞發(fā)生的，所以滿足熱力學(xué)第二定律。
圖5所示為這一過程。圖5的左側(cè)曲線圖所示為兩種工作介質(zhì)A和B氣態(tài)混合物的麥克斯韋爾速度分布，其中N(u)表示當(dāng)時(shí)具有確定速度u的分子的數(shù)量。冷卻時(shí)，通過絕熱冷凝進(jìn)行霧化凝結(jié)。工作介質(zhì)A和B的混合物隨著工作介質(zhì)A的減縮繼續(xù)保持在氣態(tài)下(圖5中右上曲線圖)。而工作介質(zhì)A形成滴狀并可以例如借助離心機(jī)從氣相中去除(圖5中右下曲線圖)。
物質(zhì)交換只在熱機(jī)內(nèi)的兩種循環(huán)過程之間進(jìn)行，并不與外界相關(guān)。熱機(jī)可以設(shè)計(jì)成封閉的系統(tǒng)，其系統(tǒng)邊界只用于熱能和軸功轉(zhuǎn)換。由于熱機(jī)不必將余熱返回到外界，所以它可將低溫?zé)崮茏鳛闊嵩?。為此要求蒸汽循環(huán)過程具有低于低溫?zé)嵩礈囟鹊南嘧儨囟?。否則低溫?zé)岵荒苡糜谡羝h(huán)工作介質(zhì)的霧化。由于在低溫下導(dǎo)入熱能會(huì)減少輻射損耗，所以熱機(jī)使用低溫?zé)岬男噬踔粮哂谑褂酶邷責(zé)釙r(shí)的效率。
依據(jù)本發(fā)明的熱機(jī)可以設(shè)計(jì)成活塞式機(jī)械(發(fā)動(dòng)機(jī))或葉片式機(jī)械(渦輪機(jī))。由于離心場(chǎng)有利于霧的相位分離，所以最好使用葉片式機(jī)械，因?yàn)樵跍u輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件中很容易產(chǎn)生這樣的離心場(chǎng)。
圖6和圖7為適用于對(duì)依據(jù)本發(fā)明方法進(jìn)行轉(zhuǎn)化的兩種葉片機(jī)械。
圖6所示為適用于帶有過熱蒸汽循環(huán)過程的綜合系統(tǒng)，圖7所示為緊湊式系統(tǒng)，作為最低配置它只包括絕對(duì)必需的系統(tǒng)元件。
兩張圖只包含各自機(jī)械的功能組件，無結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及組件之間的物料流程。
如圖6所示，依據(jù)本發(fā)明的熱機(jī)至少包括下列功能組件泵、蒸發(fā)器、汽輪機(jī)、混合室、燃?xì)廨啓C(jī)、冷凝器、離心機(jī)和壓縮機(jī)。蒸汽循環(huán)過程包括的組件有泵、蒸發(fā)器、汽輪機(jī)和冷凝器。氣體循環(huán)過程包括的組件有燃?xì)廨啓C(jī)和壓縮機(jī)。兩種循環(huán)過程之間的物質(zhì)交換借助于混合室和離心機(jī)進(jìn)行。軸功消耗裝置為壓縮機(jī)、泵和由燃?xì)廨啓C(jī)和／或者汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的離心機(jī)。同時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)和／或者汽輪機(jī)將軸功輸送給外部的消耗裝置。
液態(tài)的工作介質(zhì)A通過泵導(dǎo)入蒸發(fā)器，在給熱下高壓蒸發(fā)，在汽輪機(jī)中膨脹并輸出軸功。汽輪機(jī)的廢氣在混合室中與被壓縮機(jī)壓縮的氣體循環(huán)過程的工作氣體AB相混合，并通過燃?xì)廨啓C(jī)在釋放軸功下減壓膨脹。排出燃?xì)廨啓C(jī)后，在冷凝器中形成霧。霧在離心機(jī)中被從氣體循環(huán)過程的氣相中去除，并通過泵重新作為液態(tài)導(dǎo)入蒸汽循環(huán)過程。
圖7所含的功能組件有汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)以及渦輪機(jī)組件中的混合室和冷凝離心組件中的功能組件冷凝器和離心機(jī)。兩個(gè)循環(huán)過程的氣流在這里直接共同導(dǎo)入一個(gè)渦輪機(jī)，其廢氣在冷凝離心機(jī)中被分離成兩個(gè)相位。泵和壓縮機(jī)將各自的流體重新輸送回循環(huán)過程。這樣的機(jī)組可以制造得非常緊湊。
依據(jù)本發(fā)明的熱機(jī)，只要蒸汽循環(huán)過程的相變溫度低于熱源的溫度，便既可以在高溫范圍內(nèi)，也可以在低溫范圍內(nèi)使用。因?yàn)闊釞C(jī)不需與系統(tǒng)外界進(jìn)行物質(zhì)交換，所以它對(duì)環(huán)境是完全無害的。在低溫范圍內(nèi)可以使用在高溫范圍內(nèi)由于缺乏耐熱性而不能使用的材料。
因此，可以制出不與外界進(jìn)行物質(zhì)交換的低溫?zé)釞C(jī)，開發(fā)按現(xiàn)有技術(shù)制造的傳統(tǒng)熱機(jī)在低溫范圍無法使用的應(yīng)用領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1．在采用第一熱力學(xué)循環(huán)的熱機(jī)中將熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的方法，該方法是將第一循環(huán)的一部分余熱重新返回第一循環(huán)過程，其特征在于，至少具有第二循環(huán)，將第一循環(huán)的余熱導(dǎo)入第二循環(huán)，并將第二循環(huán)的余熱導(dǎo)入第一循環(huán)。
2．按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，第一和第二循環(huán)在不與外界進(jìn)行物質(zhì)交換下同時(shí)進(jìn)行。
3．按前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，第一循環(huán)為蒸汽循環(huán)，第二循環(huán)為氣體循環(huán)。
4．按前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，在蒸汽循環(huán)中使用工作介質(zhì)A，它包含帶有高分子偶極矩的一種物質(zhì)或物質(zhì)混合物，在氣體循環(huán)中使用工作介質(zhì)AB，它包含來自蒸汽循環(huán)工作介質(zhì)A和第二種成分B的氣相的混合物，成分B包含帶有低分子偶極矩的物質(zhì)或物質(zhì)混合物。
5．按前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，從外面導(dǎo)入熱機(jī)的熱能最好用于液態(tài)蒸汽循環(huán)工作介質(zhì)A的蒸發(fā)。
6．按前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，在氣體循環(huán)和蒸汽循環(huán)之間進(jìn)行物質(zhì)交換。
7．按前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，蒸汽循環(huán)工作介質(zhì)A通過物質(zhì)交換周期性地參與兩個(gè)循環(huán)過程。
8．按前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，蒸汽循環(huán)工作介質(zhì)A的氣相與氣體循環(huán)工作介質(zhì)AB的氣相相混合。
9．按前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，在蒸汽循環(huán)過程輸出軸功，且工作介質(zhì)A進(jìn)行液態(tài)-氣態(tài)-液態(tài)的周期性相變。
10．按前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，在氣體循環(huán)過程中輸出軸功，蒸汽循環(huán)工作介質(zhì)A相對(duì)氣體循環(huán)工作介質(zhì)AB進(jìn)行周期性的循環(huán)量變或濃縮變化。
11．按前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，蒸汽循環(huán)工作介質(zhì)A主要在氣體循環(huán)工作介質(zhì)AB的膨脹階段內(nèi)進(jìn)行冷凝。
12．按前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，通過蒸汽循環(huán)工作介質(zhì)A的相變形成的霧借助恒定力場(chǎng)，最好是離心力場(chǎng)，從氣體循環(huán)工作介質(zhì)AB中分離出來，并作為液體重新導(dǎo)入蒸汽循環(huán)過程的工作介質(zhì)A。
13．按權(quán)利要求4至12之一所述的方法，其特征在于，蒸汽循環(huán)工作介質(zhì)A和氣體循環(huán)工作介質(zhì)AB的第二種成分B可以具有下列組合A=水和B=空氣；A=二氧化碳和B=空氣／氮；A=氨和B=空氣／氮；A=致冷混合物和B=空氣／氮；A=氮和B=氫；或者A=氮和B=惰性氣體。
14．實(shí)施前述權(quán)利要求之一所述方法的熱機(jī)，其特征在于具有第一熱力學(xué)循環(huán)和第二熱力學(xué)循環(huán)，第一循環(huán)的余熱導(dǎo)入第二循環(huán)和第二循環(huán)的余熱導(dǎo)入第一循環(huán)，而且第一循環(huán)為蒸汽循環(huán)，第二循環(huán)為氣體循環(huán)。
15．按權(quán)利要求14所述的熱機(jī)，其特征在于，所述熱機(jī)至少包括功能組件泵、蒸發(fā)器、汽輪機(jī)、混合室、燃?xì)廨啓C(jī)、冷凝器、離心機(jī)和壓縮機(jī)。
16．按權(quán)利要求15所述的熱機(jī)，其特征在于，蒸汽循環(huán)的液態(tài)工作介質(zhì)A在壓力升高下導(dǎo)入蒸發(fā)器，在輸入熱能情況下在那里蒸發(fā)，并在輸出軸功時(shí)在汽輪機(jī)中膨脹。
17．按權(quán)利要求15或16所述的熱機(jī)，其特征在于，汽輪機(jī)的廢氣在混合室中與氣體循環(huán)的壓縮工作介質(zhì)AB混合，在燃?xì)廨啓C(jī)中輸出軸功時(shí)膨脹，并在冷凝器中通過膨脹而霧化，蒸汽循環(huán)工作介質(zhì)A的霧在離心機(jī)中得到分離并作為液體通過泵導(dǎo)入蒸發(fā)器，保留的氣體循環(huán)工作介質(zhì)AB從離心機(jī)中通過壓縮機(jī)重新導(dǎo)入混合室。
18．按權(quán)利要求15至17之一所述的熱機(jī)，其特征在于，壓縮機(jī)、泵和離心機(jī)由汽輪機(jī)和／或者燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)。
19．按權(quán)利要求15至18之一所述的熱機(jī)，其特征在于，汽輪機(jī)和／或者燃?xì)廨啓C(jī)向外部消耗裝置輸出軸功。
20．按權(quán)利要求15至19之一所述的熱機(jī)，其特征在于，功能組件，即汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和混合室組成一功能單元，即渦輪機(jī)，并且功能組件，即冷凝器和離心機(jī)組成一功能單元，即冷凝離心機(jī)。
21．按權(quán)利要求15至20之一所述的熱機(jī)，其特征在于，蒸汽循環(huán)工作介質(zhì)的相變溫度低于熱機(jī)的外界溫度。
全文摘要
本發(fā)明涉及將熱能(Q
文檔編號(hào)F01K19/04GK1278890SQ98811127
公開日2001年1月3日 申請(qǐng)日期1998年11月4日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月17日
發(fā)明者馬丁·齊格勒 申請(qǐng)人:馬丁·齊格勒