专利名称：应用顾氏热力循环方式工作的热工装置的制作方法
技术领域：
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“THEUSEOFNON-AZEOTROPICREFRIGERANTMIXTURESINHEATPUMPSFORENERGYSAVING”，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“AHEAT-POWERCYCLEFORELECTRICITYGENERATIONFROMHOTWATERWITHNON-AZEOTROPICMIXTRUES”，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。
为了解决这些在先技术中存在的上述问题，本发明人经过多年的研究，发明了一种新的热力循环-顾氏热力循环，发明人曾就这个循环应用于热水发电系统的一种方案，写成了一篇论文并由美国“ENERGY”杂志于1988年6月发表了，这个新型热力循环已被命名为顾氏循环。此文公开了一种多级顾氏循环热水发电方案。这种已公开的多级顾氏循环热水发电的实施方案，仅仅是若干多级顾氏循环方案中的一种，这种方案是将单级劳伦兹循环按照多级顾氏循环的组合原则组合而成的，(多个单级劳伦兹系统可以按照劳伦兹循环组合原则，组合成多级劳伦兹循环)。如图4所示，这种循环的每个单级都是由变温吸热过程、绝热膨胀过程、变温放热过程和绝热压缩过程组成，且变温吸热过程和变温放热过程线平行。将各级的蒸发过程无温差串联起来，而放热过程保持在同种的温度下进行即构成了多级顾氏循环，(如果放热过程也无温差地串联起来，则构成多级劳伦兹循环)。
按照由两级或两级以上的劳伦兹子循环构成的多级顾氏热力循环方式工作的、可供实用的若干种热工装置已披露在中国发明专利申请89100212中。这类热工装置的特点在于它的蒸发换热曲线和冷凝换热曲线总体上说来是彼此不平行的。尽管它们在每一个子循环中都是彼此平行的。
由于这种装置的每一单级子循环还是按照劳伦兹子循环工作的循环，因此，顾氏循环的许多优点并没有完全发挥出来。由于这种循环具有顾氏循环所独有的特性，显然它可以比其它在先的热力循环方式具有种种优点。但是这种多级顾氏循环尚存在一些不足。首先，这种由多个劳伦兹子循环构成的顾氏循环装置，一般难于满足用户的关于制冷及供热流体的严格温度要求，往往不是偏高就是偏低，从而在实际使用中不是达不到要求，就是有一部份能量被浪费;其次，应用这种多级顾氏循环的热工装置不能用于小型热工系统，因为将这种多级顾氏循环系统拆为单级循环时就复原为单级的劳伦兹循环，因而不再具有顾氏热力循环的种种优点，有必要寻找能实现单级顾氏循环的热工装置。
众所周知，在热力循环和热工装置的技术领域中，所谓的工质指的是热力过程中所使用的工作介质。在目前已知的工质中，按照等压相变时，其温度是否变化及怎样变化来划分，可分为三大类第一类是在整个等压相变过程中，其相变温度不变的工质，它可用于朗肯循环系统;第二类是在等压相变过程中，相变温度是变化的，并且这个变化的斜率不随初始相变温度的不同而不同，这类工质可用于劳伦兹循环系统，它的特性可保证实现劳伦兹循环的放热和吸热过程在温熵图上彼此平行;其余的工质均属于第三类，这类工质数量最大，其特点是蒸发换热过程曲线和冷凝换热过程曲线彼此不平行，由于这类工质既不能用于朗肯循环，又不能用于劳伦兹循环，因而一直被人们认为它们是在热力循环装置中没有使用的价值的。
如上所述，顾氏热力循环较卡诺循环、朗肯循环、劳伦兹循环，具有更多的优点，但是，由多个劳伦兹子循环构成的多级顾氏循环。显然难以应用于小型热工装置，比如家用冰箱、空调等等，因而大大限制了这种最具发展前景的热力循环方式的商业应用。
为了解决上述问题，本发明人进行了进一步的研究工作。现以发现，其顾氏热力循环和朗肯循环、劳伦兹循环的最大差异在于朗肯循环和劳伦兹循环，它们在热力循环的蒸发换热过程和冷凝换热过程中，不论其等压相变温度是不变的(朗肯循环)，还是变化的(劳伦兹循环)，但这两个过程的相变换热曲线均是彼此平行的，而在用多个劳伦兹子循环构成的多级顾氏循环中，这两个过程的换热曲线总体看来是彼此不平行的。在此基础上，本发明人提出了另一种顾氏热力循环方式，即选用一直为人们弃之不用的第三类工质为这类顾氏循环的工质，这类顾氏循环由等熵膨胀过程、变温蒸发换热过程、等熵压缩过程和变温冷凝换热过程构成的，且蒸发换热过程曲线和冷凝换热过程曲线是彼此不平行的。在实际的顾氏循环中，它由绝热膨胀过程(实际过程是不等熵的)、变温吸热过程(包括相变吸热段及单相吸热段)、绝热压缩过程(实际过程是不等熵的)和变温放热过程(包括相变放热段及单相放热段)组成，并且变温吸热过程中的相变吸热段和变温放热过程中的相变放热段，在温熵图上彼此不平行。
本发明对此进行了大量的创造性工作，发明了若干种采用这类顾氏循环的可供实用的热工装置。总体说来，它们都至少含有一个以顾氏热力循环方式运行的顾氏子循环，并且在该子循环中的蒸发换热段和冷凝换热段的斜率各不相等。而且，仅由一个顾氏子循环构成的热力循环称为单级顾氏循环。
下面将结合最佳实施例和附图更详细地说明其中的几种热工装置。
图1为卡诺循环的温熵图，其中ab为等熵膨胀过程，bc为等温放热过程，cd为等熵压缩过程，da为等温吸热过程。
图2为朗肯循环的温熵图，其中ab为绝热膨胀过程，bc为等压放热过程，cd为绝热压缩过程，da为等压吸热过程。
图3为劳伦兹循环的温熵图，其中ab为等熵膨胀过程，bc为等压变温放热过程，cd为等熵压缩过程，da为等压变温吸热过程，过程da和过程bc平行。
图4为本发明的顾氏正循环的温熵图，其中ab为等熵膨胀过程，bc为等压变温放热过程，cd为等熵压缩过程，da为等压变温吸热过程。
图5为本发明的第一类顾氏逆循环的温熵图，其中ab为等熵压缩过程，bc为等压变温放热过程，cd为等熵膨胀过程，da为等压变温吸热过程。其特征是放热线的斜率大于吸热线的斜率。这一类顾氏逆循环常用于热泵系统，也可用于制冷系统等。
图6为本发明的第二类顾氏逆循环的温熵图，其中ab为等熵压缩过程，bc为等压变温放热过程，cd为等熵膨胀过程，da为等压变温吸热过程。其特征是放热线的斜率小于吸热线的斜率。这一类顾氏逆循环常用于制冷系统，也可用于热泵系统等。
图7为本发明的多级顾氏正循环的温熵图，其中a1b1为等熵膨胀过程，b1c1为等压变温放热过程，c1d1为第一级等熵压缩过程，d1c2为第二级等压变温放热过程，c2d2为第二级等熵压缩过程，……，dn-1cn为第n级等压变温放热过程，cndn为第n级等熵压缩过程，dna1为等压变温吸热过程。其特点是至少有一吸热线与放热线在温熵图上不平行，顾氏正循环系统常用于热流体发电系统。
图8为本发明的多级第一类顾氏逆循环的温熵图，其中a1b1为等熵压缩过程，b1cn为等压变温放热过程，cndn为第n级等熵膨胀过程，dnan为第n级等压变温吸热过程，andn-1为第n-1级等熵膨胀过程，dn-1an-1为第n-1级等压变温吸热过程，……，d2a2为第二级等压变温吸热过程，a2d1为第一级等熵膨胀过程，d1a1为第一级等压变温吸热过程。其特点是至少有一吸热线与放热线在温熵图上不平行，这种多级顾氏逆循环系统常用于热泵系统中，也可用于制冷系统等。
图9为本发明的多级第二类顾氏逆循环的温熵图，其中a1b1为第一级等熵压缩过程，b1c1为第一级等压变温放热过程，c1b2为第二级等熵压缩过程，b2c2为第二级等压变温放热过程，……，bn-1cn-1为第n-1级变温放热过程，cn-1bn为第n级等熵压缩过程，bncn为第n级等压变温放热过程，cndn为等熵膨胀过程，dna1为等压变温吸热过程。其特点是至少有一吸热线与放热线不平行，这种多级顾氏逆循环系统常用于热泵系统中，也可用于制冷系统中。
图10为单级实际顾氏循环的温熵图。
图11为单级顾氏循环热流体发电装置的系统图。
图12为单级顾氏逆循环热泵装置的系统图。
图13为单级顾氏循环制冷装置的系统图。
图14为分立式多级顾氏循环热流体发电装置系统图。
图15为组合式多级顾氏循环热流体发电装置系统图。
图16为分立式多级顾氏循环热泵装置系统图。
图17为组合式多级顾氏循环热泵装置。
图18为分立式多级顾氏循环制冷装置系统图。
图19为组合式多级顾氏循环制冷装置系统图。
一.单级顾氏循环热流体发电装置该装置的循环温熵图如图4所示。这类装置的一种实施方案如图11所示，包括一个变温蒸发过程、绝热压缩过程、变温冷凝过程和一个绝热膨胀过程，并且在温熵图上，蒸发过程和膨胀过程不平行，这些过程分别由蒸发器、透平、冷凝器及泵组成。这种装置比劳伦兹循环及朗肯循环热流体发电系统，每吨热流体的发电量增加80%到110%。从热力学上讲它具有最高的能量利用率。按照图11所示的装置，严格说来，它所实现的是实际顾氏循环，与图4所示的理论顾氏循环，还有一定的实际区别，其严格的实际循环图应为图10所示。图10所表示的顾氏循环的基本特征在于其放热过程的相变放热段bc和吸热过程的相变吸热段a′d不平行。但按照热力学循环分析的习惯仅以理论循环进行比较，其结论可以类推到对应的实际循环，在介绍某一循环时，热力学习惯也是仅仅介绍其理论循环，对应的实际循环是可以根据热力学原理，非常方便在温熵图上表示出来。由于这一原因，以下的介绍将不在区别理论和的实际循环。
结合附图11及附图10再具体说明一下这种实施方案的具体构成。
图11为顾氏循环热流体发电装置系统图，图中v代表蒸发器，T为透平，e为热源流体，c为冷凝器，p为泵，w为冷凝流体。在实际工作过程中，冷凝器实现等压变温冷凝过程，压缩机实现绝热压缩过程(在实际过程中是不等熵的)，蒸发器实现等压变温蒸发过程，透平实现绝热膨胀过程(实际过程中是不等熵的)，技术特点是蒸发器的蒸发过程和冷凝器的冷凝过程在温熵图上不平行，例如，可以选择混合工质R12/R11/R113/R13，它们的摩尔浓度0.2/0.3/0.4/0.1，就可以实现这种技术特点，另外，如果在蒸发器和冷凝器中，适当选择工质的热物性，便可以使这些换热器内部各点的换热温差处处相等，即实现了最佳匹配的换热过程，从而使得热流体发电系统的换热温差为最小，这样的顾氏循环热流体发电系统将是所有热流体发电系统中能量利用率最高的。
图10为实际顾氏热流体发电循环的温熵图，其中ab为绝热膨胀过程，bc为变温冷凝过程，cd为绝热压缩过程，da为变温蒸发过程，很明显，实际的顾氏循环中有一蒸汽过热段，这一点在理想循环是省略的。技术特点是，蒸发过程da′和冷凝过程bc不平行，工质的选择应使换热过程为最佳匹配，从而使换热温差为最小。
在先技术中的几种热力循环，卡诺循环、朗肯循环、劳伦兹循环，它的蒸发换热曲线和冷凝换热曲线都是彼此平行的，这将导致在产业上实施时存在下列问题1，能量的浪费。这里仅以正循环为例说明，例如使用朗肯循环，劳伦兹循环的热流体发电装置，由于它们的蒸发和冷凝过程曲线彼此平行，故存在一个最佳蒸发温度，因而使得热源流体的能量不能充分利用，排放的能量有时可达40%至50%左右。
2.换热过程不能最佳配匹，或换热过程最佳配匹不能达到能量最佳利用的目标。仍以热流体发电装置为例，在肯循环热流体发电系统中，热流体放热使朗肯循环的工质蒸发，其中热流体的放热过程为变温的斜线，而工质的吸热蒸发过程为水平线，故不能配匹。使用劳伦兹循环的热流体发电装置，虽然能使换热器最佳配匹，却导致了冷凝水温升太高，从而使丢舍的能量增加。
3.热力装置的整体系统不能最优化。因为两个换热过程彼此平行，因此一个换热过程约束了另外一个过程，往往是一个过程最优，另外一个过程就不优。
4.虽然由多个劳伦兹循环构成的顾氏热力循环在相当大的程度上改善了上述几个缺陷，但没有彻底根除这些缺陷，其原因在于它的每级子循环都是劳伦兹子循环。同时它本身的缺陷是不能用于小型装置。一但用于单级的小型装置，它便还原成劳伦兹循环，从而失去了顾氏循环一切优点。
在这里有必要明确指出的是，本发明的这类顾氏热力循环的推出绝不仅仅是一项科学发现，它同时也是一项能够在产业上实施的、极具发展前景的全新的技术解决方案。特别值得指出的是，采用这类顾氏循环的热工装置不仅可以克服采用在先技术中的种种热力循环的热工装置的上述缺点，更为重要的是，现有的采用朗肯循环、劳伦兹循环的热工装置甚至可以不对其机械结构进行任何实质上的变动，仅仅变换一下工质，并使该工质按顾氏热力循环的方式运行，就可形成为应用顾氏循环的新型的热工装置，从而具有原热工装置所无法比拟的技术优点。当然，最理想的情况是根据顾氏循环的工作特性，对原结构进行优化设计，这样的顾氏循环的热工装置具有最高的能量利用率。
正是由于有了这种顾氏热力循环，才使得这种简单、节能的技术改进有可能使它在产业上实施，这就是这类顾氏热力循环所具有的技术意义。正如前所述，可以不对现有热工装置的机械结构进行改造的前提下，采用这类顾氏循环方式便可以赋于原热工装置新的技术特征。因此，所属技术领域的普通技术人员可以参照上述最佳实施例极为方便的得到下述的技术改型。
将现有的应用多级逆向朗肯循环、劳伦兹循环工作的热工装置，比如说热泵供热装置、制冷装置、空调装置等等，与本发明所给出的多级逆向顾氏循环方式相结合，便可以构成应用多级逆向顾氏循环工作的热泵供热装置、制冷装置、空调装置等。
将现有的应用单级正向朗肯循环、劳伦兹循环工作的热工装置，比如热流体发电装置等等与本发明所给出的单级正向顾氏循环方式相结合，便可以构成应用单级正向顾氏循环工作的热流体发电装置。
将现有的应用单级逆向朗肯循环、劳伦兹循环工作的热工装置，比如说热泵供热装置、制冷装置、空调装置等等，与本发明所给出的单级逆向顾氏循环方式相结合，便可以构成应用单级逆向顾氏循环工作的热泵供热装置、制冷装置、空调装置。
由于单级顾氏循环亦具有顾氏循环的全部优点，所属技术领域的技术人员根据本发明所给出的技术教导，完全可以根据实际工程需要将单级顾氏循环和单级朗肯循环和/或单级劳伦兹循环结合使用，构造出其中具有至少一级为单级顾氏循环的多级热力循环，应用这种多级热力循环的热工装置也将具有应用顾氏循环的热工装置的优点，因此这种热工装置也是属于本发明所建议的应用扩展顾氏热力循环的热工装置中的一部分。
下面，再结合附图给出其中的几种应用这类顾氏循环的热工装置，以便更清楚地说明本发明的核心内容。
二.单级顾氏循环热泵装置该装置的循环温熵图如图5及图6所示。这类装置的一种实施方案如图12所示，包括一个变温蒸发过程、绝热压缩过程、变温冷凝过程和一个绝热膨胀过程，并且在温熵图上，蒸发过程和膨胀过程不平行，这些过程分别由蒸发器、压缩机、冷凝器及膨胀阀(或膨胀机)组成。这种装置比劳伦兹循环及朗肯循环热泵系统节电20%到60%。从热力学上讲它具有最高的能量利用率。
结合附图12再具体说明一下这种实施方案的具体构成。
图12为顾氏循环热泵装置系统图，图中∪代表热用户，v代表蒸发器，y为压缩机，p为膨胀阀(或膨胀机)，e为低温热源，c为冷凝器。在实际工作过程中，冷凝器实现等压变温冷凝过程，压缩机实现绝热压缩过程(在实际过程中是不等熵的)，蒸发器实现等压变温蒸发过程，膨胀阀实现等焓膨胀过程(或膨胀机实现绝热膨胀过程，实际过程中是不等熵的)，技术特点是蒸发器的蒸发过程和冷凝器的冷凝过程在温熵图上不平行，另外，如果在蒸发器和冷凝器中，适当选择工质的热物性，可以使这些换热器内部各点的换热温差处处相等，即实现了最佳匹配的换热过程，从而使得热泵系统的换热温差为最小，这样的顾氏循环热泵系统将是所有热泵系统中能量利用率最高的。
三.单级顾氏循环制冷装置该装置的循环温熵图如图5及图6所示。这类装置的一种实施方案如图13所示，包括一个变温蒸发过程、绝热压缩过程、变温冷凝过程和一个绝热膨胀过程，并且在温熵图上，蒸发过程和膨胀过程不平行，这些过程分别由蒸发器、压缩机、冷凝器及膨胀阀(或膨胀机)组成。这种装置比劳伦兹循环及朗肯循环制冷系统节电20%到60%。从热力学上讲它具有最高的能量利用率。
结合附图13再具体说明一下这种实施方案的具体构成。
图13为顾氏循环制冷装置系统图，图中∪代表冷用户，v代表蒸发器，y为压缩机，p为膨胀阀(或膨胀机)，e为高温热源，c为冷凝器。在实际工作过程中，冷凝器实现等压变温冷凝过程，压缩机实现绝热压缩过程(在实际过程中是不等熵的)，蒸发器实现等压变温蒸发过程，膨胀阀实现等焓膨胀过程(或膨胀机实现绝热膨胀过程，实际过程中是不等熵的)，技术特点是蒸发器的蒸发过程和冷凝器的冷凝过程在温熵图上不平行，另外，如果在蒸发器和冷凝器中，适当选择工质的热物性，可以使这些换热器内部各点的换热温差处处相等，即实现了最佳匹配的换热过程，从而使得制冷系统的换热温差为最小，这样的顾氏循环制冷系统将是所有制冷系统中能量利用率最高的。
四.单级顾氏循环的空调装置把上述的单级顾氏循环的制冷装置和单级顾氏循环的热泵装置中的至少一个取代原空调装置中的制冷装置和/或热泵装置，就构成了单级顾氏循环的空调装置。
五.多级顾氏循环热流体发电装置该装置的循环温熵图如图7所示。这类装置的一种实施方案如图14所示，它可以由N(N＝2，3，4，……，n)级组成，每级都是一个顾氏循环的热流体发电组件，每一个单级都包括一个变温蒸发过程，绝热压缩过程，变温冷凝过程和一个绝热膨胀过程，并且在温熵图上，蒸发过程和冷凝过程不平行，这些过程分别由蒸发器、透平、冷凝器及泵来实现。仅把每一级的蒸发器的热源流体串联起来，并尽可能使每个蒸发器中换热温差为最小，这就构成了一个多级顾氏循环热流体发电装置。本发明的这种装置比通常的劳伦兹循环以及朗肯循环热流体发电装置，每吨热流体的发电量增加80%到110%。从热力学上可以证明它为最佳的热流体发电循环，具有最高的能量利用率。技术特点是，至少有一个冷凝过程和蒸发过程在温熵图上不平行，各级应按照顾氏循环的各级配匹原则，工质应灌注顾氏循环要求的工质，如再保证换热器的换热温差为最小，则就可以得到一个最佳的多级顾氏循环热流体发电装置。
结合附图14再具体说明一下这种实施方案的具体构成。
图14为分立式多级顾氏循环热流体发电装置系统图，图中C1，C2，……，Cn代表多级热流体发电系统中各级冷凝器，T1，T2，……，Tn代表多级热流体发电系统中各级透平，v1，v2，……，vn代表多级热流体发电系统中各级蒸发器，p1，p2，……，pn代表多级热流体发电系统中各级泵，w1，w2，……，wn代表热流体发电系统中温度为环境温度的冷凝流体，e为热源流体。在实际工作过程中，每级冷凝器实现等压变温冷凝过程，每级透平实现绝热膨胀过程(在实际过程中是不等熵的)，每级蒸发器实现等压变温蒸发过程，每级泵实现绝热压缩过程(其实际过程也是不等熵的)。多级顾氏热流体发电循环的组合方式的关键技术是将热源流体在各级蒸发器中无温差地串联起来，热源流体在各级蒸发器中连续降温，由最初的热源温度降到接近环境温度，这就实现了一个多级顾氏循环热流体发电系统的发电过程。在各个冷凝器和蒸发器中，如果适当选择工质的热物性和循环的级数，可以使这些换热器内部各点的换热温差处处相等，即实现了最佳匹配的换热过程，从而使得热流体发电系统的换热温差为最小，这样的顾氏循环热流体发电系统将是所有热流体发电系统中能量利用率最高的。
图15是这类装置的另一种可供实施的系统，这种系统可以用一个多级进气的透平代多个分立的透平，用一个组合蒸发器代替各个分立的蒸发器，用一个冷凝器代替多个分立的冷凝器，但泵仍为多个分立式的，这种装置的循环温熵图与图7十分近似，但是这种装置结构紧凑，占地面积少，并且成本更低。这种装置称为组合式的多级顾氏循环装置。前面所介绍的装置则称为分立式的多级顾氏循环装置。
在图15中，图中e代表热源流体，C代表多级热流体发电系统中组合式冷凝器，T代表一个带有多级进汽口的组合式透平，v代表组合式多级热流体发电系统的蒸发器，p1，p2，……，pn代表组合式多级顾氏循环热流体发电系统中各级泵，w代表热流体发电系统中温度为环境温度的冷凝流体。在实际工作过程中，组合式冷凝器实现等压变温冷凝过程，组合式透平实现绝热膨胀过程(在实际过程中是不等熵的)，蒸发器实现等压变温蒸发过程，每级泵实现绝热压缩过程(其实际过程也不是等熵的)。组合式多级顾氏热流体发电循环的组合方式的关键技术也是将热源流体在组合式蒸发器中串联流动，使得热源流体在组合式蒸发器中持续降温，由最初的热源温度降到接近环境温度，这就实现了一个多级顾氏循环热流体发电系统的发电过程。在组合式冷凝器和蒸发器中，如果适当选择工质的热物性和组合式顾氏热流体发电循环的组合级数，可以使这些换热器内部各点的换热温差处处相等，即实现了最佳匹配的换热过程，从而使得热流体发电系统的换热温差为最小，这样的顾氏循环热流体发电系统将是所有热流体发电系统中能量利用率最高的。组合式多级顾氏循环热流体发电系统比较其分立式系统，具有结构紧凑、成本较低、运行可靠等优点。
六.多级顾氏循环热泵供热装置该装置的循环温熵图如图8所示。这类装置的一种实施方案如图16所示，它可以由N(N＝2，3，4，……，n)级组成，每级都是一个顾氏循环的热泵组件，每一个单级都包括一个变温蒸发过程，绝热压缩过程，变温冷凝过程和一个绝热膨胀过程，并且在温熵图上，蒸发过程和冷凝过程不平行，这些过程分别由蒸发器、气体压缩机、冷凝器及膨胀阀(或膨胀机)实现。仅把每一级的冷凝器的供热流体串联起来，如再尽可能使每个冷凝器中换热温差为最小，这就构成了一个多级顾氏循环热泵装置。本发明的这种装置比通常的劳伦兹循环以及朗肯循环热泵装置节能20%到60%。从热力学上可以证明它为最佳的热泵循环，具有最高的能量利用率。对于大型供热系统(包括民用和工业上使用的热泵系统)，由于它们本来就是由多个压缩机并联使用的，因此，只要把这些系统按照顾氏循环方式串联布置，并充以顾氏热力循环所要求的混合工质，按照顾氏循环的各级配匹原则，则就可以改造成多级顾氏循环热泵装置。
结合附图16再具体说明一下这种实施方案的具体构成。
图16为分立式多级顾氏循环热泵装置系统图，图中∪代表热用户，C1，C2，……，Cn代表多级热泵系统中各级冷凝器，y1，y2，……，yn代表多级热泵系统中各级压缩机，v1，v2，……，vn代表多级热泵系统中各级蒸发器，p1，p2，……，pn代表多级热泵系统中各级膨胀阀(或膨胀机)，e1，e2，……，en代表热泵系统中温度为环境温度的低温流体。在实际工作过程中，每级冷凝器实现等压变温冷凝过程，每级压缩机实现绝热压缩过程(在实际过程中是不等熵的)，每级蒸发器实现等压变温蒸发过程，每级膨胀阀实现等焓膨胀过程(或每级膨胀机实现绝热膨胀过程，其实际过程也不是等熵的)。多级顾氏热泵循环的组合方式的关键技术是将供热流体在各级冷凝器中无温差地串联起来，供热流体在各级冷凝器中连续升温，由最初的回水温度升到热用户所需要的供热水温度，这就实现了一个多级顾氏循环热泵系统的供热过程。在各个冷凝器和蒸发器中，如果适当选择工质的热物性和循环的级数，可以使这些换热器内部各点的换热温差处处相等，即实现了最佳匹配的换热过程，从而使得热泵系统的换热温差为最小，这样的顾氏循环热泵系统将是所有热泵系统中能量利用率最高的。
图17是这类装置的另一种可供实施的系统，这种系统可以用一个多级排气的压缩机代多个分立的压缩机，用一个组合冷凝器代替各个分立的冷凝器，用一个蒸发器代替多个分立的蒸发器，但膨胀阀(或膨胀机)仍为多个分立式的，这种装置的循环温熵图与图8十分近似，但是这种装置结构紧凑，占地面积少，并且成本更低。这种装置称为组合式的多级顾氏循环装置。前面所介绍的装置则称为分立式的多级顾氏循环装置。
在图17中，图中∪代表热用户，c代表多级热泵系统中组合式冷凝器，y代表一个带有多级排汽出口的组合式压缩机，v代表组合式多级热泵系统的蒸发器，p1，p2，……，pn代表组合式多级顾氏循环热泵系统的各级膨胀阀(或膨胀机)，e代表热泵系统中温度为环境温度的低温流体。在实际工作过程中，组合式冷凝器实现等压变温冷凝过程，组合式压缩机实现绝热压缩过程(在实际过程中是不等熵的)，蒸发器实现等压变温蒸发过程，每级膨胀阀实现等焓膨胀过程(或每级膨胀机实现绝热膨胀过程，其实际过程也是不等熵的)。组合式多级顾氏热泵循环的组合方式的关键技术也是将供热流体在组合式冷凝器中串联流动，使得供热流体在组合式冷凝器中持续升温，由最初的回水温度升到热用户所需要的供热水温度，这就实现了一个多级顾氏循环热泵系统的供热过程。在组合式冷凝器和蒸发器中，如果适当选择工质的热物性和组合式顾氏热泵循环的组合级数，可以使这些换热器内部各点的换热温差处处相等，即实现了最佳匹配的换热过程，从而使得热泵系统的换热温差为最小，这样的顾氏循环热泵系统将是所有热泵系统中能量利用率最高的。组合式多级顾氏循环热泵系统比较其分立式系统，具有结构紧凑、成本较低、运行可靠等优点。
七.多级顾氏循环制冷装置这类装置的循环温熵图如图9所示。这类装置的一种实施方案如图18所示，它可以由N(N＝2，3，4，……，n)级组成，每级都是一个顾氏循环的制冷装置，每一个单级都包括一个变温蒸发过程，绝热压缩过程，变温冷凝过程和一个绝热膨胀过程，并且在温熵图上，蒸发过程和冷凝过程不平行，这些过程分别由蒸发器、气体压缩机、冷凝器及膨胀阀(或膨胀机)实现。把每一级的蒸发器的放热流体串联起来，如再尽可能使每个蒸发器中换热温差为最小，这就构成了一个多级顾氏循环制冷装置。这种装置比劳伦兹循环以及常用的朗肯循环制冷装置节能10%到50%。从热力学上可以证明它为最佳的制冷循环，具有最高的能量利用率。对于大型制冷系统(包括民用和企业上使用的制冷系统)，由于它们本来就是由多个压缩机并联使用的，因此，只要把这些系统按照顾氏循环方式串联布置，并充以顾氏循环所要求的混合工质，按照顾氏循环的各级配匹原则，则就可以改造成多级顾氏循环装置。
结合附图18再具体的说明一下这种实施方案的具体构成。
图18为分立式多级顾氏循环制冷装置系统图，图中∪代表冷用户，c1，c2，……，cn代表多级制冷系统中各级冷凝器，y1，y2，……，yn代表多级制冷系统中各级压缩机，v1，v2，……，vn代表多级制冷系统中各级蒸发器，p1，p2，……，pn代表多级制冷系统中各级膨胀阀(或膨胀机)，e1，e2，……，en代表制冷系统中温度为环境温度的高温流体。在实际工作过程中，每级冷凝器实现等压变温冷凝过程，每级压缩机实现绝热压缩过程(在实际过程中是不等熵的)，每级蒸发器实现等压变温蒸发过程，每级膨胀阀实现等焓膨胀过程(或每级膨胀机实现绝热膨胀过程，其实际过程也不是等熵的)。多级顾氏制冷循环的组合方式的关键技术是将致冷流体在各级蒸发器中无温差的串联起来，致冷流体在各级蒸发器中连续降温，由最初的流体回温降至冷用户所要求的制冷温度，这就实现了一个多级顾氏循环制冷系统的制冷过程。在各个冷凝器和蒸发器中，如果适当选择工质的热物性和循环的级数，可以使这些换热器内部各点的换热温差处处相等，即实现了最佳匹配的换热过程，从而使得制冷系统的换热温差为最小，这样的顾氏循环制冷系统将是所有制冷系统中能量利用率最高的。
图19是这类装置的另一种可供实施的改进系统，这种方案用一个多级排气的压缩机代多个分立的压缩机，用一个组合蒸发器代替各个分立的蒸发器，用一个冷凝器代替多个分立的冷凝器，但膨胀阀(或膨胀机)仍为多个分立式的，这种装置的循环温熵图与图9十分近似，但是这种装置结构紧凑，占地面积少，并且成本更低。这种装置称为组合式的多级顾氏循环装置。
在图19中，图中∪代表冷用户，c代表多级制冷系统中冷凝器，y代表一个带有多级进汽入口的组合式压缩机，v代表组合式多级制冷系统的组合式蒸发器，p1，p2，……，pn代表组合式多级顾氏循环制冷系统的各级膨胀阀(或膨胀机)，e代表制冷系统中温度为环境温度的高温流体。在实际工作过程中，冷凝器实现等压变温冷凝过程，组合式压缩机实现绝热压缩过程(在实际过程中是不等熵的)，组合式蒸发器实现等压变温蒸发过程，每级膨胀阀实现等焓膨胀过程(或每级膨胀机实现绝热膨胀过程，其实际过程也不是等熵的)。组合式多级顾氏制冷循环的组合方式的关键技术也是将致冷流体在组合式蒸发器中串联流动，使得致冷流体在组合式蒸发器中持续降温，由最初的流体回温降至冷用户所需要的致冷温度，这就实现了一个多级顾氏循环制冷系统的制冷过程。在组合式蒸发器和冷凝器中，如果适当选择工质的热物性和组合式顾氏制冷循环的组合级数，可以使这些换热器内部各点的换热温差处处相等，即实现了最佳匹配的换热过程，从而使得制冷系统的换热温差为最小，这样的顾氏循环制冷系统将是所有制冷系统中能量利用率最高的。组合式多级顾氏循环制冷系统比较其分立式系统，具有结构紧凑、成本较低、运行可靠等优点。
八.多级顾氏循环的空调装置把上述的多级顾氏循环的制冷装置和多级顾氏循环的热泵装置中的至少一个取代原空调装置中的制冷装置和/或热泵装置，就构成了多级顾氏循环的空调装置，类似地，多级顾氏循环空调装置也有分立式和组合式两种。
九.顾氏循环的正逆循环混合装置把上述的单级顾氏正循环发电装置和上述的单级顾氏逆循环的热泵装置和/或制冷装置混合使用，就构成了正逆顾氏循环的混合装置。类似地，多级正逆顾氏循环的混合装置也可由此构成。如某些余热制冷装置就是这类装置。对这类装置的绝大多数的多级热工装置，也只需变换现行并联系统，使之按顾氏循环重新计算各点的热力参数，然后按此参数运行这类热力装置即可。而一旦对传统的热工装置加以适当的改造，使之形成为按多级顾氏循环工作的热工装置，则后者的能量利用率将至少比原热工装置提高10%。
还应该明确的是，使用顾氏循环的热工装置，其所有提高的能量利用率，并不是由于其各部件的性能有所提高，(实际顾氏循环的各部件的能量利用性能可以不提高，略提高，或略下降，这些都对整体顾氏循环的能量利用性能影响不大)，而极其主要的是由于采用顾氏循环对某些部件的调整方法并改变成顾氏循环工质所带来的好处，对于大型的多级系统，也主要的是由于采用多级顾氏循环时对各部件重新组合并改变循环工质的要求所带来的好处，这两点无论在任何循环中(如朗肯循环，劳论兹循环)，都是纯粹的循环的特征。而且本发明的核心就是首次提出了采用常规的热工部件、按照由顾氏循环构成方式工作的可供实用的全新的组合方式，并以最佳实施例的方式给出了这类热工装置的若干种具体的构成形式。根据本发明所给出的技术解决方案，本技术领域的工作人员可以根据实际需要十分容易地构造出上述种种具体构成形式的不同的改型。因此凡是有这类顾氏循环的特征的热工装置都属于本专利的发明内容。
权利要求
1.一种按照单级正向热力循环方式工作的热工装置，如热流体发电装置等，它由蒸发器、透平、冷凝器及泵等组件构成，并且使用一些工作介质在所述的各组件构成的闭路中循环，其特征在于所使用的工质为第三类工质，从而使所述的热力循环中的蒸发换热过程曲线和冷凝换热过程曲线彼此不平行。
2.一种按照单级逆向热力循环方式工作的热工装置，如热泵装置、制冷装置和空调装置等，它由蒸发器、压缩机、冷凝器及膨胀阀(或膨胀机)等组件构成，并且使用一些工作介质在所述的各组件构成的闭路中循环，其特征在于所使用的工质为第三类工质，从而使所述的热力循环中的蒸发换热过程曲线和冷凝换热过程曲线彼此不平行。
3.一种按照多级正向热力循环方式工作的热工装置，如中、大型热流体装置等，它由蒸发器、透平、冷凝器及泵等组件构成，并且使用一些工作介质在所述的各组件构成的闭路中循环，其特征在于所述的多级热力循环中至少有一个子循环所使用的工质为第三类工质。从而使该热力子循环中的蒸发换热过程曲线和冷凝换热过程曲线彼此不平行。
4.一种按照多级逆向热力循环方式工作的热工装置，如中、大型热泵装置、制冷装置及空调装置等，它由蒸发器、压缩机、冷凝器及膨胀阀(或膨胀机)等组件构成，并且使用一些工作介质在所述的各组件构成的闭路中循环，其特征在于所述的多级热力循环中至少有一个子循环所使用的工质为第三类工质，从而使该热力子循环中的蒸发换热过程曲线和冷凝换热过程曲线彼此不平行。
5.一种按照多级正向热力循环方式工作的热工装置，如中、大型热流体发电装置，它由蒸发器、透平、冷凝器及泵等组件构成，并且使用一些工作介质在所述的各组件构成的闭路中循环，其特征在于所述的多级热力循环中至少有一个子循环所使用的工质为第三类工质，从而使该热力子循环中的蒸发换热过程曲线和冷凝换热过程曲线彼此不平行，并且循环组件中的透平是一个带有多个进汽口的组合式透平和/或循环组件中的蒸发器是一个组合式蒸发器。
6.一种如权利要求5所述的热工装置，其特征在于循环组件中的冷凝器是一个组合式冷凝器。
7.一种按照多级逆向热力循环方式工作的热工装置，如中、大型热泵装置、制冷装置及空调装置等，它由蒸发器、压缩机、冷凝器及膨胀阀(或膨胀机)等组件构成，并且使用一些工作介质在所述的各组件构成的闭路中循环，其特征在于所述的热力循环中至少有一个子循环所使用的工质为第三类工质，从而使该热力子循环中的蒸发换热过程曲线和冷凝换热过程曲线彼此不平行，并且循环组件中的组合式压缩机是一个带有多个进汽口的压缩机和/或是一个带有多个排汽口的组合式压缩机。
8.一种如权利要求7所述的热工装置，其特征在于循环组件中的冷凝器是一个组合式冷凝器和/或各子循环组件中的蒸发器是一个组合式蒸发器。
9.一种按照由正向子循环和逆向子循环构成的多级混合热力循环方式工作的热工装置，它由蒸发器、压缩机、冷凝器及膨胀阀(或膨胀机)、透平、泵等组件构成，并且使用一些工作介质在所述的各组件构成的闭路中循环，其特征在于所述的多级热力循环中至少有一个子循环所使用的工质为第三类工质，从而使该热力子循环中的蒸发换热过程曲线和冷凝换热过程曲线彼此不平行。
10.一种按照由正向子循环和逆向子循环构成的多级混合式热力循环方式工作的热工装置，它由蒸发器、压缩机、冷凝器及膨胀阀(或膨胀机)、透平、泵等组件构成，并且使用一些工作介质在所述的各组件构成的闭路中循环，其特征在于所述的多级热力循环中至少有一个子循环所使用的工质为第三类工质，从而使该热力子循环中的蒸发换热过程曲线和冷凝换热过程曲线彼此不平行，并且循环组件中的透平是一个带有多个进汽口的透平和/或循环组件中的压缩机是一个带有多个进汽口的压缩机和/或是一个带有多个排汽口的压缩机。
全文摘要
一种按单级正向和/或单级逆向顾氏热力循环方式工作的热工装置，如热流体发电、热泵、制冷及空调装置，它可由蒸发器、透平和/或压缩机、冷凝器及泵和/或膨胀阀(或膨胀机)等组件构成，并使用一些工质在所述的闭路中循环，其特征是所使用的工质为第三类工质，从而使所述热力循环中的蒸发换热过程曲线和冷凝换热过程曲线彼此不平行，这种单级顾氏子循环还可与其它的顾氏子循环、劳伦兹子循环等相结合，构成多级顾氏循环。
文档编号F25B29/00GK1036246SQ8910037
公开日1989年10月11日 申请日期1989年1月28日 优先权日1989年1月28日
发明者顾雏军 申请人:顾雏军