本发明涉及一种利用二氧化碳固气相变的热机循环方法。
背景技术：
热力学循环离不开冷凝过程。这是因为循环工质必须完成向低温热源释放气化潜热才能重新液化，完成循环。热机循环排放的冷凝热相当于热功转换耗热的50％，制冷循环排放的冷凝热大于制冷量。尽管冷凝这一循环过程不可或缺，但可以通过改变工质相变方式来提高循环效率，扩展系统对环境能量的应用。
技术实现要素：
通过二氧化碳工质固气相变循环，即凝华和升华提高热机效率，扩展热机对环境能量的应用。
二氧化碳临界温度低31.1℃，压力高7.3兆帕。三相点-56.6℃(对应压力0.52兆帕)，常压下沸点-78.5℃。从三相点-56.6℃到临界点31.1℃，87℃的温差压力增加12.8倍。相应压力温降到三相点-56.6℃之下或常压温降到沸点-78.5℃之下，气体不经液化直接凝华成固态，称为干冰。温度高于-78.5℃，不经液化干冰直接升华为气态。
气体性质与体积、温度和压力三要素有关。体积不变，提高温度气体的压强增加。反之降低压力温度下降。如果体积增大气体的温度和压力都会下降。温度和压力正相关，与体积负相关。膨胀机是利用压缩气体膨胀降压时向外输出机械功使气体温度降低原理获得机械功和冷量的机械，多用于制冷。膨胀机膨胀输出的功以气体焓值减小为代价。气体因能量减少而增加的吸热能力称为膨胀机制冷量。膨胀机制冷量指它在膨胀过程对外作功的大小，等于气体在膨胀过程减小的焓值。膨胀机膨胀空气从0.6mpa压降到0.1mpa理论上温降可达80～90℃。二氧化碳的密度大于空气，同比膨胀温降会更大。
常压下气体的沸点不同，二氧化碳约194k、氧气90k、氮气77k、氢气21k、氦气4k。通过加压然后突然减压膨胀就可以得到比常压沸点更低的温度。各种气体中，二氧化碳不仅沸点高，而且在环境温度区间压力最大，大到无需外功就足够膨胀机将其温降至三相点或沸点之下。二氧化碳临界温度31.1℃(在环境温度区间)，压力7.3兆帕，同等压力水的饱和蒸汽温度为288℃。
临界温度，压力7.3兆帕的二氧化碳气体经膨胀机膨胀对外输出功压降到0.52兆帕(温降至-56.6℃)，就会释放出气化潜热和溶解潜热成为固态。通过螺杆压缩机将干冰送入换热器。进入换热器的干冰从环境吸热对环境制冷，重获内能的升华气体(压力回升至7.3兆帕)再度进入膨胀机，完成固气相变对外输出功的热机循环。
膨胀机效率等于实际制冷量除以理论制冷量，效率高低取决于膨胀机进口与出口之间的温差和压差(主要是压差)。将压差折算为温差膨胀机理论上应遵守卡诺效率1-t2/t1。例如膨胀机进口二氧化碳临界压力折算水饱和蒸汽288℃，出口-78.5℃，其卡诺效率理论值约为65.3％，效率高是因为低温热源更靠近绝对零度。这里的t1指的是环境温度(膨胀机入口)，t2指的是膨胀机出口温度。二氧化碳固气相变热机循环将热力学循环的低温热源(环境温度)变成高温热源，膨胀机出口温度为低温热源，这意味着适宜人类生存的地球平均温度-环境能量作为能源成为可能。对人类来说，蕴含在地球大气和海洋中的太阳能几乎是无限的。
二氧化碳固气相变热机循环伴随着深度制冷。不同于制冷循环，它并非通过压缩机提升工质温度至环境温度之上向环境放热，而是通过膨胀机(输出更多的功)更深度制冷来完成相变，其制冷效率比较制冷循环成倍提高。
二氧化碳固气相变热机循环符合热向冷传递输出功，输出的功以温降为代价的热力学原理。循环过程产生的低温导致环境自发放热(热向冷传递输出功)。放热对系统来说是熵减，对环境来说是熵增(环境越来越冷)。换言之，循环过程如果没有低温产生，环境就无法向系统放热，没有热能系统就不能做功，低温也就无从产生。
蒸汽机问世以来，热力学循环都是以环境为低温热源，系统向环境放热，注定无法利用环境能量。二氧化碳固气相变热机循环将现行热机的低温热源降低了一个台阶至热力学温度273.15k之下。使得环境温度成为热机高温热源，环境能量即太阳辐射能成为可利用的能源。
具体实施方式
二氧化碳固气相变循环由换热、膨胀、压缩三部分组成。
假定换热器(环境)温度27℃，换热器中的气相二氧化碳对应压力为6.7兆帕。
6.7兆帕高压气体经膨胀机向低压端膨胀，对外输出功气体自身温降至三相点-56.6℃以下(压力0.52兆帕以上)或常压-78.5℃之下凝华。
螺杆压缩机将干冰送入换热器。
进入换热器的干冰从环境温度吸热对外制冷。升华回补内能的二氧化碳气体重回27℃，6.7兆帕，进入下一循环。