[发明专利]应用顾氏热力循环方式工作的热工装置

说明书

本发明涉及的是热力工程和热工装置的技术领域，特别涉及到的是应用顾氏热力循环方式工作的热工装置，这类热力循环中至少有一级子循环，其蒸发换热过程曲线和冷凝换热过程曲线是彼此不平行的。

众所周知，所谓热力循环都是由多个热力过程构成的循环闭路，若采用三个或三个以上的热工机械相互串、并联而构成一个循环闭路系统，并适当地选择某种或某些种工质在这个闭路循环系统中循环以实现其所预期的热力循环过程，则这种闭路循环系统便称为按照某种热力循环过程而工作的热工装置。

由不同的热力过程经过不同的组合可以形成不同的热力循环，而每一种热力循环都可以按照工质在系统中的循环方向不同而分成相应的正向循环和逆向循环两类循环方式。在温熵图上，工质按顺时针方向进行的循环称为正向循环，反之，工质按逆时针方向进行的循环称为逆向循环。

卡诺在1824年提出了著名的卡诺热力循环，该循环由等温可逆吸热过程、绝热可逆膨胀过程、等温可逆放热过程和绝热可逆压缩过程所组成（参见文献《工程热力学理论基础及工程应用》著者：H.D.贝尔，科学出版社，1985）。图1为卡诺循环的温熵图。

从理论上说，应用卡诺循环在两个无限大热源间工作的热工机械的效率是最高的，但是卡诺循环在工程上实现起来是很困难的，因此工程上常使用朗肯循环近似代替卡诺循环，正向朗肯循环由一个等压吸热过程、一个绝热膨胀过程、一个等压放热过程和一个绝热压缩过程所组成;逆向朗肯循环其方向与之相反。图1为卡诺循环的温熵图，图2为朗肯循环的温熵图。由图2可以看出，朗肯循环巧妙地利用纯物质等压相变换热时，其温度不变的特点，并且让循环中的压缩和膨胀过程都在单向区内进行，（从而可以避免两相工作的膨胀和压缩装置效率甚低的缺陷），这样，朗肯循环可以很好地近似卡诺循环。在实施朗肯循环时可以发现，在实现循环的装置中，工质是极其重要的，是工质的热力学性质决定了循环的特征，并在相当大的程度上决定了循环的性能。

但是，在两个有限大热源之间工作的热机，使用卡诺循环的话，其热效率并不高，朗肯循环也一样。其原因在于，有限大热源放热或吸热时，伴随着温度的减少或增加，因而导致了在卡诺循环的吸热及放热过程中，其换热温差不均匀，致命换热不可逆损失增加，循环热效率降低。例如，在热水发电、热泵、制冷和空调系统就是如此。因为这些热工装置都工作在两个有限大热源之间。鉴于这一原因，在1965年，劳伦兹提出一种新的热力循环，即劳伦兹循环（参见文献“THE    USE    OF    NON-AZEOTROPIC    REFRIGERANT    MIXTURES    IN    HEAT    PUMPS    FOR    ENERGY    SAVING”，作者R.Jakobs和H.Kruse国际制冷学会B2委员会1978年会议论文集）。其正循环由一个变温吸热过程、一个绝热膨胀过程、一个变温放热过程和一个绝热压缩过程构成，且吸热过程曲线和放热过程曲线是平行的。图3为劳伦兹循环的温熵图。显然，劳伦兹循环在能量合理利用方面确较卡诺循环和朗肯循环有较大改进。但是，直到1978年这一循环方式才得到热工界的重视和肯定，并公认为其很可能在未来的热水发电、热泵、制冷系统中代替现行的朗肯循环。1985年一些公司开始制造了第一批按照劳伦兹热力循环工作的冰柜和空调器。然而，本发明人的多年研究结果表明，劳伦兹循环仍存在许多不足，比如说，这一循环方式要求其吸热过程曲线和放热过程曲线彼此平行，这仍将造成部分能量得不到充分利用，另外在中、低温余热资源的热水发电系统中劳伦兹循环也跟卡诺循环及朗肯循环一样，存在一个最佳初始蒸发温度，从而使余热流体的排放温度过高，造成能量浪废。（参见文献“A    HEAT-POWER    CYCLE    FOR    ELECTRICITY    GENERATION    FROM    HOT    WATER    WITH    NON-AZEOTROPIC    MIXTRUES”，作者：顾雏军和林澜“Energy”，No.6，1988）。总之，上述这三种循环方式的能量利用率都不高。