专利名称：高效热力微循环及其回热器的制作方法
技术领域：
本发明是一种高效热力微循环，它涉及热工学中一种热力微循环过程。
在目前火力发电系统中，一般采用朗肯循环，如图(2)所示，工质(水蒸汽)由蒸发器中吸收外界热源的热量，等压的由点1膨胀到点3，然后进入汽轮机。等熵膨胀作功至点4，由点4进入冷却器，工质于冷凝器中向外界冷沅(冷却水)定压的放热至点5，由点5，工质进入冷凝循环泵，由冷凝循环泵将工质由低压泵向高压，即泵向点1，从而构成了一个闭合循环。
由于该种循环采用的是汽轮机，输出功率可以做得很大，因此在发电系统中得到广泛的应用。该循环存在一向外界放热的定压过程4-5，它向外界释放的热量，占工质在1-2-3定压吸热过程总吸热量的50～65%。另外冷凝循环泵也要消耗小量的机械功，因此热效率较低。
另外目前在热工学中，热效率高的是斯特林循环，它的热效率就是卡诺热效率ηi＝1-Tc/TR(Tc、TR分别为最低、最高循环温度)，其循环过程如图(1)上方a-b-c-d-a。
a-b为等温压缩过程，工质由状态点a被压缩到状态点b，此过程温度保持不变，即点a的温度Ta，等于点b的温度Tb，与此其压力Pb＞Pa，比容Vb＜Va，为实现等温压缩，工质必须通过冷却器向外界释放热量Qab，压缩热应等于外界输入的压缩功Wa-b。
b-c为定容加热过程，工质从回热器中获得热量Qb-c，使工质由点b的温度Tb，升高到点c的温度Tc，压力也相应的从Pb升高到Pc，但容积Vb＝Vc保持不变，实现了等容加热过程，在这一过程中，工质与外介无热交换，也不做功，但工质的内能增加。
c-d，等温膨胀作功过程，在这一过程中，工质最高循环温度Tc＝Td下，完成等温膨胀，并向外界做功，工质为完成等温膨胀做功，必须由加热器从外界向工质提供热量Qc-d，其功值为Wc-d，等于外界供给工质的热量Qc-d。在这一过程中，工质的压力由Pc降到Pd，比容由Vc增大到Vd。
d-a，定容冷却过程，该过程是由工质由最高循环温度Td(Td＝Tc)，流经回热器时，通过回热器将热量释放给上一定容加热过程b-c，使工质由最高循环温度Td降到最初温度Ta，压力也从Pd降到Pa，但比容Va保持不变，即Vd＝Va，实现了定容冷却过程，到此全部参数回到起始状态，完成一闭合循环，在等容冷却过程中，工质与外界无热交换，也不做功，但内能和熵均下降，工质向回热器释放的热量Qd-a，它等于b-c过程工质向回热器吸收的热量Qb-c，且Qd-a+Qb-c＝0。
从以上的循环过程可以看出，斯特林循环主要采用了回热器对定容冷却过程d-a所释放的余热由定容吸热过程b-c进行回收。所以斯特林循环比朗肯循环热效率高。尽管如此。但斯特林循环有两个缺点。其一，在室温压缩过程a-b中压缩热Qa-b要向外界释放，所消耗的压缩功占系统的输出功的比例很大。其二，实现该循环的动力机是双活塞发动机，并采用菱形配气机构，不仅结构复杂，更主要的是由于活塞发动机的功率不能制造的很大，因此在火力发电系统中得不到广泛的采用。
斯特林循环详细原理详见“热气机”一书-国防工业出版社、钱国柱同志编(一九八二年十月第一次印刷)。
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种绝对热效率为1且不需冷源，并能采用大功率汽轮机为动力的循环系统;它不仅可高效利用高温热源的热能而且还可利用目前所有热机无法利用的低温热源的热能。
本发明的目的可以通过以下技术方案达到，如图(1)所示的如下三种热力微循环都可以达到绝对热效率为1，并且不枥湓吹姆獗杖攘ξ⒀罚 第一、等温膨胀作功热力微循环1-8-2-a1-3-4-2-5-1;
第二、等熵膨胀作功，定压回复热力微循环1-8-2-a1-3-6-6-4-4-2-5-1;
第三、等熵膨胀作功，定容回复，热力微循环1-8-2-a1-3-7-7-4-4-2-5-1。
以上三种热力微循环的特点都是吸收了斯特林循环回热过程的优点。但斯特林循环的等温压缩(即
图1中a-b)过程要消耗机械功而本发明的热力微循环的等熵膨胀作功过程(图1中5-1)为输出功，所以，本发明的热力微循环没有消耗功的过程。
下面以等熵膨胀作功，定压回复热力微循环1-8-2-a1-3-6-6-4-4-2-5-1加以说明由图(1)或图(4)可见，当工质由图(1)所示状态点1的温度T1、压力P1进入图(5)所示的回热器2后，便吸收由定压冷却过程4-2-5释放出的热量，使定容态工质从状态点1的温度T1，压力P1定容的增加到状态点a1的温度Ta1压力Pa1，从而在回热器中完成定容吸热(或回热)过程1-8-2-a1继之工质由状态点a1进入图(5)所示的补助加热器8，由外界热源使工质从点a1的温度Ta1压力Pa1定容的加热到点3的温度T3压力P3，这样便完成了从点1到点3的定容加热全过程1-8-2-a1-3。
当工质达到图(1)所示的状态点3的温度T3压力P3后，由点3进入图(5)所示的汽轮机1中，沿图(1)中等熵线3-6等熵膨胀作功，并完成等熵膨胀作功过程3-6。(点6落在定压线2-4上)。
然后工质再由点6进入图(5)所示的定压回复加热器4中吸收外界热源的热量，使工质定压的由图(1)中状态点6的温度T6增加到点4的温度T4，并使T4＝T3，致此工质又完成了从外界热源定压吸热过程6-4。
从点4，工质又进入图(5)所示的回热器2，并向回热器中定容过程1-8-2-a1的工质释放其冷却热量，使定压冷却过程的工质由点4的高温T4降到点5的低温T5，工质又完成了定压放热过程4-2-5。
工质冷却到点5的温度T5后，进入图(5)所示的透平膨胀机，并沿等熵线5-1，等熵膨胀作功致点1，从而完成了一封闭式热力微循环。
从以上循环可以看出，热力微循环有两个向外界热源吸热过程a1-3及6-4和两个作功过程3-6及5-1，以及一对于回热器中进行热交换的定压冷却放热过程4-2-5及定容吸热过程(或称回热过程或称为预热过程)1-8-2-a1，由于这两个过程的热量相等符号相反，因此循环过程的定压冷却热量全部为定容吸热过程所回收即整个循环系统不向外界冷源放热或不需冷源。
另外由于定容全过程1-8-2-a1-3的吸热量大于定压冷却过程4-2-5的冷却放热量(若相反本发明便不成立)因此定压冷却过程所提供的热量只能使定容过程进行到a1，由于定压过程点4的温度T4等于点3的温度T3，而T3大于点a1的温度Ta1，因此T4也大于Ta1，如图1所示，定压过程点5的温度T5也大于定容过程点1的温度T1。另外在饱和蒸汽区内，当定压过程5-2的热量与定容过程1-8的热量相等时，定压过程点2的温度T2，也大于定容过程点8的温度T8因此定压冷却过程各点的温度T4、T2、T5都分别大于定容过程各对应点的温度Ta1、T8、T1，所以在回热器中定压冷却过程4-2-5向定容吸热过程1-8-2-a1的放热是自然发生的。
由于定压冷却过程4-2-5的放热量全部被定容吸热过程1-8-2-a1所吸收，即未向外界冷源放热。因此两个吸热过程a1-3及6-4的吸热量，必须等于两个作功过程3-6及5-1的功的当量热，所以根据热力学第一定律，热力微循环的绝对热效率等于1。
附图的图面说明图(1)、斯特林循环和三种热力微循环在甲烷压-焓图上的表示(参“气体加工工程数据手册”-石油工业出版社，一九八四年三月北京第一版。潘光坦译);
图(2)、朗肯循环在工质的压-焓图上的表示;
图(3)、定温膨胀作功热力微循环在工质的压-焓图上的表示;
图(4)、定温膨胀作功;定熵膨胀作功，定压回复;定熵膨胀作功，定容回复热力微循环及三角形热力微循环在工质的压-焓图上的表示。
以上图中箭头所指的方向为工质的循环方向。
P＝c、V＝c，S＝c，T＝c是指压力，比容、熵、温度各为常数的定态过程。
图(5)定熵膨胀作功，定压回复，热力微循环发电系统图;
图中1-汽轮机，2回热器，3透平机，4定压回复加热器，5锅炉或热源，6汽轮发电机，7联轴器，8补充加热器;
图6定熵膨胀作功，定容回复热力微循环发电系统图;
图中1-8同图(5)，9一定容回复加热器。
本发明下面将结合附图进一步说明以上三种热力微循环过程和各过程单位工质的吸热、放热和功及功的当量热分述如下1、等温膨胀作功热力微循环。
(1)等温膨胀作功微循环各定态过程单位工位的吸热，放热，功及功的当量热。
图(1)所示的等温膨胀作功过程1-8-2-a1-3-4-2-5-1，由定容吸热过程1-8-2-a1、补助加热过程a1-3、等温膨胀作功过程3-4、等温加热过程3-4、(该过程由外界热源向汽轮机各叶片级间输送热量，以保证工质等温膨胀，因此和等温膨胀作功过程3-4重叠)，定压冷却放热过程4-2-5及等熵膨胀作功过程5-1所组成。其中定压冷却过程4-2-5的放热量等于定容吸热过程1-8-2-a1的吸热量，符号相反。
1-3-2-a1为工质于回热器中定容吸收由定压冷却过程4-2-5向回热器释放的热量，使工质由状态点1加热到状态点a1，其单位工质(1公斤-下同)的吸热量为(以下计算公式均是热工学中的公式)qv1-a1＝(ia1-i1)-AVa1(Pa1-P1)(大卡/公斤)……(1)a1-3为继1-8-2-a1定容吸热过程之后，通过补助加热器向外界热源定容的吸热过程，其吸热量为qva1-3＝(i3-ia1)-AV3(P3-Pa1)(大卡/公斤)……(2)式中Va1＝V3＝V13-4为工质在补助加热器中加热到状态点3后进入汽轮机等温膨胀作功的过程，为完成等温膨胀作功，并保持温度不变，即保证T3＝T4则外界热源必须不断的向汽轮机各叶片级间连续供热，其供热量为qT3-4＝T4(S4-S3)+A(P4V4-P3V3)(大卡/公斤)……(3)该过程向外界的作功为LT3-4＝ 1/(A) [T4(S4-S3)-(i4-i3)]+(P4V4-P3V3)(公斤·米)……(4)该过程的输出功率为NT3-40= (ALT3-4)/860= (［T4(S4-S3)-(i4-i3)］+A(P4V4-P3V3))/860 (千瓦)……(5)内部功率为NT3-4ηio= (〔T4(S4-S3)-(i4-i3)〕+A(P4V4-P3V3))/860 ηiT(千瓦)……(6)
式中ηir-汽轮机定温过程绝对指示热效率或绝对热效率(下同)包括工质耗热为功时向冷源的放热量，汽机内不可逆损失。
该过程功的当量热qNT3-40＝[T4(S4-S3)-(i4-i3)]+A(P4V4-P3V3)(大卡/公斤)……(7)以上各式中的温度，T3＝T4(°K)4-2-5为定压冷却过程，当工质由汽机流出后，工质参数达到状态点4，并由状态点4进入回热器，向回热器中逆向流动的定容吸热过程释放热量，定压冷却过程4-2-5在回热器中的放热量应等于回热器中定容吸热过程1-8-2-a1的吸热量。
定压过程4-2-5的冷却放热量为qP4-5＝(i5-i4)(大卡/公斤)……(8)a＝-(i4-i5)(大卡/公斤)……(8)b它应等于定容过程1-8-2-a1的吸热量(符号相反)即qP4-6＝(i5-i4)＝qv1-a1＝(ia1-i1)-AYa1(Pa1-P1)或qP4-5+qv1-a1＝0……(9)5-1为定熵膨胀作功过程，当工质由状态点4于回热器中定压的冷却到状态点5后，工质进入透平机中等熵的由点5膨胀到1，并向外界作功，并完成一个闭合循环过程。
透平机输出的功为LS5-1＝ 1/(A) (i5-i1)-(P5v5-P1v1)(公斤-米)……(10)透平机的功率为NS5-10= (ALS5-1)/860 = ((i5-i1)-A(P5V5-P1V1))/860 (千瓦)……(11)透平机内部功率为
NS5-1ηio= ((i5-i1)-A(P5V5-P1V1))/860 ηis(千瓦)……(12)式中ηis-透平机绝对指示效率(含工质转热为功时向冷源的放热量及机内不可逆损失)透平机功的当量热qNS5-10＝(i5-i1)-A(P5V5-P1V1)(大卡/公斤)……(13)以上各式中的符号为(下同)P-(绝对大气压)(简称大气压)，T-温度(°K);i-焓(大卡/公斤);S-熵(大卡/公斤·度);V-比容(米3/公斤);q-热量(大卡/公斤);A＝ 1/427 (大卡/公斤·米);L-功(公斤·米);N-功率(千瓦);符号的角标分别表示该点的状态参数、性质蛩Φ淖刺蹋鏸a1表示a1的焓;qv1-2表示点1至点2定容过程的热量等。
(2)补充过程的功热力微循环采用的回热器与斯特林循环所采用的回热器截然不同，我们知道定容态工质由点1膨胀到点a1，若不是在定容积中加热，而让其在管道中流动，那么，由于点a1的压力Pai大于点1的压力P1，于是在定容态工质的输运过程中，便要消耗功，该功应由外界机械功提供，以克服定容态工质的压差△Pva1-1＝Pa1-P1。
如何使定容态工质在管道中既要流动加热，又要保持比容不变。按照流动过程比容V的表达式V＝ (ωS)/(G) (米/公斤)……(14)式中ω-定容工质在管道中的流速(米/秒);S-管道过流截面积(米2);G工质流量(公斤/秒)。
若使式中ω、S及G在工质于管道的流动中始终保持不变，则过过程中的比容也保持不变，因此(14)便是工质在加热中既要流动又要保持容积不变的表达式。
在回热器中补充功的平衡，据热工学，定压过程的换热量为qP4-5＝△uP4-5+ALP4-5……(15)据热工学，工质的内能△uP4-5是按定容加热时工质的吸热确定既△uP4-5＝-Cv(T4-T5)其功为LP4-5＝-P4(V4-V5)＝-R(T4-T5)于是qP4-5＝-[(Cv+AR)(T4-T5)]……(16)式中负号表示定容过程为放热，C、R分别为定容比热、气体常数。
定容过程换热量在热力微循环中，由于要求工质不停流动加热其外热源只提供内能增加，点a1至点1的压差需外界功克服。
于是有qva1-1＝△uva1-1+ALva1-1＝Cv(Ta1-T1)+AR(Ta1-T1)＝Cv(Ta1-T1)+AVa1(Pa1-P1)＝(Cv+AR)(Ta1-T1)……(17)在回热器中，由于要求qva1-1＝qP4-5，据(16)及(17)式有(Cv+AR)(Ta1-T1)＝-[(Cv+AR)(T4-T5)]或Ta1-T1＝T4-T5……(18)由此得△uva1-1＝△uP4-5＝Cv(Ta1-T1)＝-cv(T4-T5)……(19)Lva1-1＝LP4-5＝R(Ta1-T1)＝-R(T4-T5)……(20)(20)式说明克服定容过程点a1至点1间的压差所消耗的机械功，全由定压过程的工质收缩功补偿，前者为负补充功，后者为正补充功。由于T4＝T3、T5＞T1不难证明定容过程1-3-2-a1-3的换热量大于定容过程4-2-5的冷却放热量qv3-1＝(Cv+AR)(T3-T1)＞｜[(Cv+AR)(T4-T5)]｜……(21)NVLa1-10= (A VVa1-1)/860 = (A Va1(Pa1-P1))/860 (千瓦)……(22)
(22)式为负补充功率。负补充功的当量热为qNVLa1-10＝AVa1(Pa1-P1)(大卡/公斤)……(23)正补充功率NPL4-50= (A P4(V5-V4))/860 (千瓦)……(24)正补充功的当量热pNPL4-50＝AP4(V5-V4)(大卡/公斤)……(25)(3)定容吸热过程点a的参数的确定为了确定a1的焓值，应从定容、定压两过程在回热器中换热量相等的条件求得，定容过程的吸热量(见(1)式)。
qv1-a1＝(ia1-i1)-AVa1(Pa1-P1)(大卡/公斤)等于定压过程4-2-5的放热量见(8)a式qP4-5＝i5-i4(大卡/公斤)即qv1-a1＝｜qP4-5｜或(ia1-i1)-AVa1(Pa1-P1)＝-(i4-i5)[(ia1-i1)-AVa1(Pa1-P1)]+(i4-i5)＝0……(26)点3至点a1间的定容吸热量为qva1-3＝qv1-3-qv1-a1＝qv1-3+qP4-5……(27)式中qva1-3＝(i3-ia1)-AV3(P3-Pa1)(大卡/公斤)……(28)qv1-3＝(i3-i1)-AV3(P3-P1)(大卡/公斤)……(29)于是由(27)式可求得点a1的焓值(i3-ia1)-AV3(P3-Pa1)＝[(i3-i1)-AV3(P3-P1)]+(i5-i4)于是ia1＝[(i1+i4)-i5]+AV3(Pa1-P1)因Pa1≈P1所以有
ia1＝[(i1+i4)-i5]+AV3(P3-P1)(大卡/公斤)……(30)点a1的比容Vva1＝V1＝V2＝V3求得点ia1的值后，便可在定容线2-3上确定点a1，然后由点a1，据图(1)确定其它参数。
(4)定容过程点8的参数确定。
根据回热器中两状态工质换热平衡的条件。
定容过程1-8的吸热量qv1-8＝(i8-i1)-AV8(P8-P1)(大卡/公斤)……(31)它应等于定压过程2-5的放热量qP2-5＝i5-i2即[(i8-i1)-AV8(P8-P1)]+(i5-i2)＝0于是i8＝[(i2-i5)+i1]+AV8(P8-P1)≈(i2-i5)+i1(大卡/公斤)……(32)求得i8后，便可在定容线上确定点8，并由此确定点8的对应参数如温度、压力、比容、熵(5)热力微循环的能量平衡方程大家知道在势能场中，当质量为M的质点，由开始的高度h0。上升到h1然后又从h回到h0，其势能的增量为零，同样在热学势场中根据热力学第一定律，工质由于受热，从外界得到能量应该等于它对外界作功所付出的能量与过程始末其内能的变化量之和，即当工质经一循环过程后，回到它的始点，工质本身能量的增加为零。因此在图(1)所示的循环过程1-8-2-a1-3-4-2-5-1，各定态过程的热量及功的当量热之和，应等于(1)、(2)、(3)、(8)a，及(7)、(13)、(23)、(25)之和qv1-a1+qva1-3+qT3-4+qP4-5＝qNT3-40+qNS5-10+qNVLa1-10+qNPL4-50(大卡/公斤)……(32)由于定容吸热量qv1-a1等于定压放热量qT4-5且符号相反。正补充过程的当量热qNPL4-50也等于负补充过程功的当量热qNVLa1-10，且符号相反。因此(32)式可简化为qva1-3+qT3-4＝qNT3-40+qNS5-10……(33)由于热力微循环定压冷却过程4-2-5的放热量qP4-5＝i5-i4完全被定容吸热过程1-8-2-a1所吸收，定容吸热量为qv1-a1＝(ia1-i1)-AVa1(Pa1-P1)因此整个系统没有余热向外界释放，若把以上各值代入方程(32)或(33)便会得到准确的恒等式。
(6)热力微循环的绝对热效率按绝对热效率的定义，热机实际出发的功的当量热ALT与热机从热源中吸取的热量之比即为绝对热效率或绝对指示效率。
ηiT= (A LT)/(qiT)式中功的当量热为ALT＝qNT3-40+qNS5-10＝{[T4(S4-S3)-(i4-i3)+A(P4V4-P3V3)}+[(i5-i1)1-A(PSV5-P1V1)]吸热量为qir＝qva1-3+qT3-4＝[(i3-ia1)-AV3(P3-Pa1)]+[T4(S4-S3)+
A(P4V4-P3V3)于是ηiT= (｛［T4(S4-S3)-(i4-i3)］+A(P4V4-P3V3)｝+(i5-i1)-A(P5V5-P1V1))/((i3-ia1)-A V3(P3-Pa1)+［T4(S4-S3)+A(P4V4-P3V3)］) =1……(34)由式(34)知，由于热力微循环不向外界冷源放热，全过程向外界的吸热量等于全过程向外界作功的当量热，因此，热力微循环的绝对热效率ηir＝1。
以上所讨论的是等温膨胀作功热力微循环，由于等温膨胀作功时为保证温度在膨胀过程中不变，就必须使外界热源连续不断地向汽轮机各叶片级间补充热量，这样就使得汽轮机的结构相当复杂，成本提高。因此等温膨胀作功的热力微循环只能作为理论分析之用，有关等温膨胀作功的热力微循环动力发电系统原理详见“附件”-原理部分中的图(2)及其附件中的说明。
2、定熵膨胀作功，定压回复热力微循环(以下简称定压回复热力微循环)。
该循环过程见图(1)中1-8-2-a-3-6-6-4-4-5-5-1。其循环过程已在前面作了介绍。
该循环除等熵膨胀作功过程3-6及定压回复加热过程6-4与以上的循环不同外，其它过程的放热量、吸热量及功和功的当量热均同于定温膨胀作功过程。因此下面只列出3-6及6-4过程的功、功的当量热和向外界热源的吸热量。
(A)等熵膨胀过程3-6单位工质的功率及功的当量热汽轮机等熵膨胀过程3-6的输出功率N＝(i-i)-A(PV-PV)/860(千瓦)……(35)
汽轮机内部功率
式中-微循环的绝对指示效率或绝对热效率，定义同前。
其功的当量热为qNS3-60＝(i3-i6)-A(P3V3-P6V6)(大卡/公斤)……(37)(B)定压回复过程6-4向外热源的吸热量qP6-4＝i4-i6(大卡/公斤)……(38)(C)定压回复热力微循环的热平衡方程定压回复式热力微循环各定态过程吸热、放热及功的当量热之和应等于(1)、(2)、(8)a、(38)及(37)、(13)、(23)、(25)各式之和。
即qv1-a1+qva1-3+qP4-6+qP6-4＝qNS3-60+qNS5-10+qNVLa1-10+qNPL4-50(大卡/公斤)……(39)由于qv1-a1+qP4-5＝0，qNVLa1-10+qNPL4-50＝0因此(39)式可简化为qva1-3+qP6-4＝qNS3-60+qNS5-10(大卡/公斤)……(40)(D)定压回复式热力微循环的绝对热效率按前述定义，其绝对指示效率为ηis= (A LP)/(qiP) ……(41)式中功的当量热为ALP＝qNS3-60+qNS5-10根(37)及(13)式有ALP＝[(i3-i6)-A(P3V3-P6V6)]+[(i5-i1)-A(P5V5-P1V1)]
吸热量为qiP＝qva1-3+qP6-4根据(38)及(2)式有qip＝(i4-i6)+[(i3-ia1)-AV3(P3-Pa1)]代以上两式于(41)，ηis= (［(i3-i6)-A(P3V3-P6V6)］+［(i5-i1)-A(P5V5-P1V1)］)/((i4-i6)＋［(i3-ia1)-AV3(P3-Pa1)］) =1……(42)由(42)式知，定压回复热力微循环绝对热效率同样为1，由于定压冷却过程的热量全部由定容吸热过程吸收，因此循环过程不需冷源。
3、定容回复热力微循环该循环和上一循环基本相同，不同的仅是工质由状态点3进入汽轮机后，等熵膨胀直至点7，点7相交于等容线4-7之上。当工质在汽轮机等熵膨胀到点7后，便进入图(6)所示的定容回复加热器9中，通过定容回复器9，外热源将工质由状态点7等容的加热到点4(即温度T4且T4＝T3)，自点4，工质又进入图(6)所示的回热器2，致此以后的各过程与前相同，其循环过程为1-8-2-a1-3-7-7-4-4-2-5-1。
(A)以下只列出与前述不同的等熵膨胀作功过程3-7及等容回复吸热过程7-4的吸热量和功及功的当量热，定容回复热力微循环的汽轮机单位工质输出功率及功的当量热。
等熵膨胀过程3-7的输出功率NS3-70＝(i3-i7)-A(P3V3-P7V7)/860(千瓦)……(43)汽轮机的内部输出功率
NS3-7ηin＝ηis·NS3-70＝(ηis/860)(i3-i7)-A(P3V3-P7V7)(千瓦)……(44)式中ηis-微循环绝对指示效率(定义同前)功的当量热qNS3-70＝(i3-i7)-A(P3V3-P7V7)(大卡/公斤)……(45)(B)定容回复过程7-4单位工质向外热源吸收的热量qv7-4＝(i4-i7)-AV4(P4-P7)(大卡/公斤)……(46)(C)定容回复式热力微循环单位工质的热平衡方程定容回复式热力微循环各定态过程的吸热、放热及功的当量热之和应等于(1)、(2)、(8)a、(46)及(45)、(13)、(23)、(25)各式之和。
即qv1-a1+qva1-3+qP4-5+qv7-4＝qNS3-70+qNS5-10+qNVLa1-10+qNPL4-50。(大卡/公斤)……(47)由于qv1-a1+qP4-5＝0;qNVLa1-10+qNPL4-50＝0因此(47)式可简化为qva1-3+qv7-4＝qNS3-70+qNS5-10(大卡/公斤)……(48)(D)定容回复式热力微循环的绝对热效率根据绝对指示效率的定义ηis= (A LV)/(qiV) ……(49)式中功的当量热为ALv＝qNS3-70+qNS5-10由式(45)及(13)ALv＝[(i3-i7)-A(P3V3-P7V7)]+(i5-i1)-A(P5V5-P1V1)由(46)及(2)式，吸热量为
qiv＝qv7-4+qva1-3＝[(i4-i7)-AV4(P4-P7)]+[(i3-ia1)-AV3(P3-Pa1)]代入(49)式中ηis= (［(i3-i7)-A(P3V3-P7V7)］+［(i5-i1)-A(P5-V5-P1V1)］)/(［(i4-i7)-AV4(P4-P7)］+(i3-ia1)-AV3(P3-Pa1)) =1……(50)结论和以上两种循环相同。
以上两种循环均可用作制冷，只要T3、T4的温度低于被致冷要求的温度即可，首先致冷空气由空气再致冷被致冷物体，这样的制冷机不但不消耗机械功，相反还会得到机械功。
4、单环循环本发明的目的还可以通过以上三种热力微循环的单环循环达到。以上三种热力微循环，即定温膨胀作功热力微循环，定压回复及定容回复热力微循环，均有两个作功过程，即定温膨胀作功过程3-4;等熵膨胀作功过程3-6及3-7，以及一个公有的等熵膨胀作功过程5-1。因此可将以上三种循环由点2断开，于是图(1)或图(4)中便形成了1-8-2-5-1，及2-a1-3-4-2;2-a1-3-6-6-4-4-2;及2-a1-3-7-7-4-4-2四个单环。
在单环1-8-2-5-1中，定容吸热过程1-8及定压冷却放热过程2-5，其换热均在回热器中完成，且定容吸热量qv1-8等于定压冷却放热量qP5-2。8-2为于热交换器中向外热源定容吸热的过程。5-1为等熵膨胀作功过程，从图(13)可以看出，点2可延伸到点2′。即可延伸到高临界线Lb以外。
为了实现2-a1-3-4-2;2-a1-3-6-6-4-4-2;2-a1-3-7-7-4-4-2。三个单环循环，必须于定压线4-2上，从C1开始见图(4)]，用人为的方法使工质定压的由点C1冷却到点2，C1点应选择在TC1-T2＝5-10℃为宜，由于回热器中两状态工质的热量要保持相等，因此C1点越向点4靠近，a1点便越向点2靠近，这样将使热循环效率降低较多。
由于热力微循环单位工质的输出功较小，同等量的输出功与其它热力循环所需的工质流量要大很多，同时，温差(T4-Ta1;T5-T1)等又较小，因此为减少回热器体积，后三种单循环有较大的意义。特别是高温热源，可利用高温热源的有利因素，使点2的温度高于自然冷源的温度(如冷却水温)，这样点C1-2的人为冷却，便不需另设一套致冷装置。
以上单环循环都可用于致冷，且都可得到机械功的输出。
5、三角热力微环本发明的目的还可通过三角热力微循环达到，三角热力微循环是利用液态工质的压差及部分等熵膨胀的方法输出机械功，如图(4)上的饱和线处(左上方)的三角形1′-2′-3′-4′-5′-6′-1′。
三角循环也有一个定容吸热。(回热)过程1′-2′，及一个定压冷却放热过程3′-4′-5′，这两个过程也要在回热器中换热，所不同的是定压过程4′-5′为过冷液态工质。图中2′-3′为定容吸热过程，它由热交换器中吸收外界热源。
5′-6′-1′为作功过程，其中5′-6′为水轮机作功过程，其压力头为点5′的压力P5′与点6′的压力P6′之差，6′-1′为等熵膨胀作功过程，由汽轮机负责完成，若把点1′选择在点6′，即选择在饱和线上(实际只能接近饱和线)则等熵过程便可消失，这时只需一个水轮机进行工作三角循环可以和水力发电相结合，即水力发电和水热发电共用一水轮机，具体运行中，采用那种运动方式要看在那种季节比较合算。
根据其特点，三角热力循环也可称为“汽-液循环”。
6、验证能量方程和绝对热效率以图(1)的定压回复热力微循环为例，验证能量平衡方程(39)或(40)及绝对热效率(42)。
图(1)中各点的状态参数参表(1)，各定态过程的吸热、放热量及功的当量热参表(2)据(39)式qv1-a1+qva1-3+qP4-5+qP6-4＝qNS3-60+qNS5-10+qNVLa1-10+qNPL4-50式中右侧后两项为正负补充功，两者大小相同，符号相反其值又小，故可取消，由表(2)查得qv1-a1＝97.4508(大卡/公斤);qP4-5＝-97.4508(大卡/公斤)qva1-3＝2.17436(大卡/公斤);qP6-4＝24.8407(大卡/公斤)qNS3-60＝22.45147(大卡/公斤);qNS5-10＝4.53808(大卡/公斤);
代入以上各值97.4508+2.17436+(-97.4508)+24.8407＝22.45147+4.5380827.01506＝26.98955(大卡/公斤)即相等，等号两侧相差值占一侧总值的百分比为Kg＝ (27.01506-26.98955×100)/27.01506 ＝0.094428%由此看出相差甚微，相差值为查表误差，可见能量方程是平衡的验算绝对热效率
由(41)
由表(2)qNS3-60＝22.45147(大卡/公斤);
qNS5-10＝4.53808(大卡/公斤);
qva1-3＝2.17436(大卡/公斤);
qP6-4＝24.8407(大卡/公斤);
代入以上各值得ηis＝ (22.45147+4.53808)/(2.17436+24.8407) ＝ 26.98955/27.01506＝0.999056≈1。
可见热力微循环的绝对热效率为1，能量方程也是平衡的，即系统向外界的吸热量，全用于系统向外界作功，另外在回热器中定容过程1-8-2-a1的吸热量qv1-a1＝97.4508(大卡/公斤)与定压冷却过程4-2-5在回热器中的放热量qP4-5＝-79.4508(大卡/公斤)，是大小完全相等，符号相反的，即系统的冷却放热量全部被定容过程回收或热力微循环不需外界冷源。
热力微循环的积极效果热力微循环若用于火力发电，可使标煤单耗由目前0.45公斤/度，减少到0.1334公斤/度，即节煤3.373倍，详见附件-原理部分第55页的例题。
若由热力微循环取代目前的汽油机和柴油机，可使汽油机的绝对热效率由25-32%，柴油机的绝对热效率由35～48%，分别提高4～3.125及2.86～2.08倍，若取代航空燃汽轮机，可使其绝对热效率由目前20-39%，提高5-2.56倍或同等携油量延长续航5-2.56倍。
若用于常温水热发电(由于不需冷源)，1米3/秒流量的淡水(河流、湖泊等)由25℃降至0℃，可发电10万千瓦。若用于海洋水热发电。1米3/秒的海水由25℃降至-3℃，可发电112931千瓦，(这两个例题详见附件“-原理部分48页及55页例一和例二)我国长江流域总流量为4万～5万(米3/秒)，可发电40亿～50亿千瓦，截止82年底，世界上总装机容量超过1亿千瓦的有美国(6.67亿千瓦)，苏联(2.88亿千瓦)，日本(1.54亿千瓦)。三个国家合计才11.09亿千瓦，与长江流域水热能发电相比还相差甚远。
常温水热发电不需高坝，与水力发电又不发生矛盾，因此在近区有河流的大城市附近，就可建站，减少高压输压线路投资，由于不需高坝，不烧煤，因此其基建千瓦投资相当水电站基建千瓦投资的1/3强，且发电运行成本也很低。
若用于轮船军舰等，可不用任何燃料，直接利用海洋表面25℃海洋热水能，便可得到充分的动力，因它与国外海洋温差发电原理不同。海洋温差发电是利用海表面25℃的温水与海下500～1000米深处4℃的冷水的温差进行发电，因此该法不适用于运动机械和内陸河流发电，同时热效率也很低。
实施例-回热器说明本发明将结合图(7)-(10)实施例作进一步说明，为了实现本发明的目的，除了汽油机、透平机、定压回复加热器等常规设备外，还需定容回复加热器、定容补助加热器及回热器，后三种换热设备因与常规设备不同，故此特作说明，由于这三种设备计算方法和工作特点基本相同，所以以下仅着重介绍回热器的工作过程及结构特征。
回热器主要要旋转产生欧拉力，克服定容过程压差。回热器的结构为(A)旋转部分参图(7)、(8)由螺旋转叶片6及贯穿于螺旋叶片6之上的螺旋管5。并都按对数螺旋线线形固定在轮鼓30上，螺旋管进口的导引段4将螺旋管分若干组焊在管板槽3上，其螺旋管进入角为α1，见图(7)、(8)、(9)。螺旋管的出口7通过补助加热器加热段La1-3后流出，其出口角为
各螺旋叶片6形成螺旋叶道，螺旋叶片6在其进口有风动叶片13，其进口角为β4。其出口也有出口风扇叶片16，其出口角为α5见图(7)、(8)、(9)。它们都和轮鼓30固为一体构成一叶轮，叶轮通过销键和主轴27联为一体一同旋转。
(B)固定部分，包括机壳31、定容态工质进口1、导流锥20、定容态工质进口固定导叶2、定容态工质出口导叶8、定容态工质出口蜗壳环道9a、定容态工质出口9b、以及定压态工质进口11，定压态工质进口蜗壳环道10，定压态工质进口固定导叶12定压态工质出口固定导叶17、定压态工质出口蜗壳环道18、定压态工质出口19。
由于图(1)的定容吸热过程a1-3段需在补助加热器中由外热源加热，并且该段热量又小，因此图(7)、(8)中付设了补助加热器，即补助加热段La1-3。补助加热段中的螺旋管是回热器中螺旋管的延续，螺旋叶片也是回热器中螺旋叶的延续。而固定部分为外热载流体进口22，载热流体进口蜗壳环道21，载热流体出口蜗壳环道23，载热流体24，以及载热流体内进出道25、26。除以上所说之外还有止退轴承28，减速机构29、绝热层32、电动机33润滑油腔34组成。
图(9)中1为螺旋管的对数螺旋线形，2为螺旋叶的对数螺旋线形。
(C)回热器的工作过程如下螺旋管中流过的是定容态工质，螺旋叶所构成的螺旋叶道中流过的是定压态工质，且两者以相反的方向流动。
定压态工质由图(1)所示的状态点4由定压态工质进口11，蜗旋环道10，及定压态工质进口固定导叶12，定压态工质进口风动叶片13，进入螺旋叶片叶道后外掠螺旋管。将其冷却放热量释放给螺旋管中定容态工质，从而得到冷却。当定压态工质流过回热器工作段L1-a1[见图(7)]后，定压态工质由于热量不断的向定容态工质释放，最终达到图(1)中的状态点5，完成定压冷却过程4-5。然后由其出口的风动叶片16改变流速方向。见图(9)中m1-m2的转向段。并通过固定导叶17、定压态工质出口蜗壳环道18的集流后，由其出口19流出。
当其通过定压态工质进口扇动叶片13及出口风扇动叶片16时，由于流动方向改变，因此释放出定压过程的收缩功，既对叶轮作功。
定容态工质由图(1)所示的状态点1，由定容态工质的进口1进入，并由导流锥20导流后，通过固定导叶2分流，并调整流速方向，进入螺旋管道管板槽3，由管板槽3将定容态工质再一次的分配给管板槽中各自的每个螺旋管，然后进入螺旋管导流段4，继之进入螺旋管工作段L1-a1，在螺旋管工作段内和定压态工质相反的流向不断吸收由定压冷却过程4-5所释放的热量后，定容态工质达到图(1)所示的状态点a1，从而完成定容吸热回收过程1-8-2-a1，继之定容态工质由点a1进入补助加热段La1-3见图(7)，由外热源(载热流体)给予加热，定容态工质由图(1)所示的点a继续加热升温至点3，工质达到状态点3，工完成了1-8-2-a1-3的全部定容加热过程，然后由螺旋管出口7，出口固定导叶8，改变流速方向并进入定容态工质出口蜗壳环道9a集流后，由定容态工质出口9流出。
定压态工质的进口速度三角形及出口速度三角形分别由图(9)中的kji和fgh示出，定容态工质的进出口速度三角形，由图(9)中的oab及cde示出，由定容态工质的进出口速度三角形可以看出，由于绝对出口速度Ca1大于绝对进口速度C1，因此是耗功过程，定压态工质的绝对进口速度C4′，大于定压态工质的绝对出口速度C5′因此定压态工质输出收缩功。由以前的讨论知，这两个作功过程功量大小相等方向相反。因此从理论上讲，叶轮旋转是不需要外界机械功的补助，但因摩擦阻力等因素的客观存在。因此图(7)中加设了电动机33以克服摩擦阻力。
由于管式回热器的旋转管根数很多，并且和螺旋叶助互贯穿，因此回热器的加工工艺十分复杂，成本较高，所以可将管式回热器改为热管式或板翅式回热器-(热管式回热器及板翅式回热器详细说明见“附件”-回热器部分)或用高导热率铝发泡体制造更好(透气性铝发泡体由日本中央电气工业工司最近开发成功)因其单位体积换热面积很大。
(2)高导热率泡沫塑料回热器不管是管式还是热管式或是板翅式回器，它们共同的特点都要作旋转运动，且体积都较大，下面介绍的高导热率泡沫塑料回热器，它不仅体积小，而且也不受高转速的限制，因此是最理想的回热器改进方案(关于泡沫回热器的详细讨论见“附件”-回热器部分)。
高导热率泡沫塑料回热器，是利用泡沫塑料具有良好的弹性和柔软性，特别是单位体积内具有非常大的表面积(换热面积)一般的泡沫塑料，单位体积表面积约为213200(米2/米3)。比目前换热面积最大的板翅换热器(2000～3000米2/米3)还大106.6～71.06倍，当然泡沫塑料回热器只能用于热力微循环等工作温度不太高的地方。
大家知道，一般的泡沫塑料是绝热体，但目前世界上不少国家都在研究高导电性塑料，大约分为两大类，一类是复合导电塑料，其办法是在塑料内加石墨、铜、铁镍等粉末。一类是使塑料本身具有金属导电性，其方法主要是减小分子晶体(或称能级距离)中静止原子和自由运行的原子间能量差异，如日本筑波大学物理工程系白川英树教授与日立制作所共同开发的高导电率聚乙炔薄膜，其导电率达到每厘米12000西门子，相当于铋的导电率，大家知道，导热率和导电率是成正比的，利用这种材料，便可制成高导热率泡沫塑料回热器。
高导热率泡沫塑料回热器的基本结构见图(10)a、b、c。图(10)a为泡沫塑料回热器A-A的断面图，图(10)b为泡沫塑料回热器主剖示图，图(10)c为泡沫塑料回热器芯展开图。图(10)d为高导热塑料硬管与高导热率塑芯结构的局部放大图。
图中1-高导热率泡沫塑料芯，2-高导热率塑料硬管，3-主轴，4-滚轮架，5-滚轮，6-与高导热率塑料管接联的折曲尼龙管，7-尼龙管绝热复盖层，8-回热器内壳，9-柔性隔板，10-滚轮轴，11-回热器外壳，12、15-回热器上顶盖，13-减速机构，14-电动机、16、17-内外壳绝热盖层，18-柔性上盖板，19-定容态工质出口管，20-定压态工质进口管，21-尼龙管，22-硬管内高导热率塑芯。
A、B分别为高导热率塑料芯的定容态工质进出口，C、D分别为定压态工质的进出口。
工作过程定压态工质由图(1)中的状态点4进入高导热率塑料硬管的进口C，然后按着图(10)C中连接折曲的尼龙管6进入对应的塑料硬管2(高导热率塑料硬管2，是垂直的插入，并和高导热率塑芯粘结为一体，硬管2不能作周向移动，但可作径向运动，其径向运动是靠尼龙管接头的饶曲性作保证的)。由于是定压态工质，便在图(10)c所示的曲管道中一直流向出口D，在进出口之间，定压态工质将其冷却热量释放给高导热率泡沫塑芯中定容态工质，直到图(1)所示的状态点5为止，完成定压冷却过程4-2-5。
另一方面，定容态工质由图(1)所示的状态点1以与定压态工质相反的方向，进入高导热率泡沫塑料的进口A，其进入的方法为当滚轮5在电动机14，通过减速机构13及主轴3并通过滚轮架4的带动下，越过柔性隔板9后(如图10a所示的m1位置)于是柔性隔板9与滚轮之间便形成真空，定容态工质便吸入高导热率泡沫塑芯1中当滚轮继续逆时针旋转时，下一个滚轮也越过柔性隔板9，于是两个滚轮之间便形成一封闭的空间(如图10a所示的m1-m2区间)在该区间内充满着定容态工质，从而也完成了一个吸汽(进汽)过程，当滚轮继续逆时针旋转时，定容态工质便在两滚轮的夹持下一起逆时针旋转并不断地吸收硬管2中定压态工质的冷却放热量，并使其温度、压力不断提高，由于两滚轮m1-m2间为定容积，所以工质的容积始终不变，即实现了定容吸热，最后，当一个滚轮越过隔板9后(定容态工质已由图(1)c所示的状态点1变化到状态点a1，完成了定容积吸热过程1-8-2-a)定容态工质便在后一个滚轮的挤推下，由柔性隔板的另一侧的出口B被挤压出来，从而完成了一个定容吸热(回热过程)。以后如此往复。
鉴于上述定容态工质的压差△Pa1-1＝Pa1-P1便由滚轮的推动来完成。
若取消图(10)a中的滚轮，该回热器便成为一普通的高性能的换热器，如蒸发器或冷凝器等。
若取消图(10)a中的硬管2，便成为一种输出功率与抇程和转数成正比的泵，若抇程不变，输入功率和转数成正比。即转数不论大小，但抇程保持不变，而功率正比转速。(详见“附件”-回热器部分)。
图(7)为螺旋式回热器，图(8)为图(7)的A-O-B，D-E-F等的剖示图。图(9)为螺旋管螺旋叶片对数螺旋线形图。
权利要求
1.一种高效热力微循环，都包括斯特林循环的定容吸热(余热回收)过程，特征在于都由一定压冷却放热过程线4-2-5与一定容吸热过程1-8-2-a1-3相交于高临界线Lb之上的点2或高临介线Lb之外的点2′所构成的三种双循环及一种三角形循环。(1)定温膨胀作功热力微循环1-8-2-a1-3-4-2-5-1；它由定熵膨胀作功过程5-1及定温膨胀作功过程3-4和定容吸热过程a1-3及定温吸热过程3-4，以及定压冷却放热(余热)过程4-2-5和定容吸热(余热回收)过程1-8-2-a1组成。(2)定压回复热力微循环1-8-2-a1-3-6-6-4-4-2-5-1它由定熵膨胀作功过程5-1及3-6和定容吸热过程a1-3及定压回复吸热过程6-4以及定压冷却放热(余热)过程4-2-5及定容吸热(余热回收)过程1-8-2-a1组成。(3)定容回复热力微循环1-8-2-a1-3-7-7-4-4-2-5-1它由定熵膨胀作功过程5-1及3-7和定容吸热过程a1-3及定容回复吸热过程7-4以及定压冷却(余热)过程4-2-5和定容吸热(余热回收)过程1-8-2-a1组成，(4)三角热力微循环(或称汽-液循环)1′-2′-3′-4′-5′-6′-1′。它由液态工质压差作功过程5′-6′、及等熵膨胀作功过程6′-1′，和定容吸热过程1′-2′和定压(余热)冷却放热过程3′-4′以及定容吸热(余热回收)过程2′-3′组成。以上四种循环的定压冷却放热(余热)过程和定容吸热(余热回收)过程均在回热器中进行。
2.一种专用于权利要求1所述的热力微循环所需的回热器，其特征在于(1)螺旋式回热器，它由螺旋管5贯穿于螺旋叶片6并固定于轮鼓30之上，形成一和主轴27回旋转的叶轮组成，不管是采用管式还是热管式或是板翅式或泡沫铝式换热元件，它们共同的特点是要作旋转运动。(2)高导热率泡沫回热器，是利用高导热率泡沫塑料的单位体积内换热面积很大并且富有弹性和柔性的特点而形成的回热器，它利用高导热率塑料硬管(管内也充填高导热率泡沫塑芯)插粘在高导热率泡沫塑芯之中或由其它措施构成两状态工质的热交换器，对于回热器，则需加滚轮，使定容态工质在两滚轮夹持下作圆周运动并和硬管中流动的定压态工质进行热交换。该回热器的特征是采用高导热率泡沫塑料为换热元件。
全文摘要
本系统属热工学中一封闭式新型循环，其特征为由两条相交高临界线Lb之上点2或点2′的定容过程1-8-2-a1-3及定压过程4-2-5为特征的微循环，它由两个作功过程，一个共有的等熵作功过程5-1及三个定温，等熵作功过程3-4或3-6或3-7，及一对于回热器中进行定压冷却放热过程4-2-5与定容吸热(回热)过程1-8-2-a
文档编号F02G1/043GK1032058SQ88100660
公开日1989年3月29日 申请日期1988年2月3日 优先权日1988年2月3日
发明者陈家恩 申请人:陈家恩