饱和液热力循环的制作方法

专利名称：饱和液热力循环的制作方法
饱和液热力循环是相对蒸汽动力循环而命名的一种热力循环。可用于各类发电厂、船舶动力、交通以及工农生产当中。
本发明是根据蒸汽动力装置的基本循环-朗肯循环而改进的饱和液热力循环。因此，对朗肯循环引证如下见北京林学院主编《热工学》第246～247页『简单的蒸汽动力装置系统如

图1，蒸汽动力装置系统，由A水泵、B锅炉、C过热器、D汽轮机、E凝汽器、F发电机等设备组成，工质是水蒸汽。水经水泵打入锅炉，水在锅炉中受热而变成过热蒸汽，过热蒸汽沿蒸汽管道进入汽轮机内膨胀作功，作过功的乏汽在凝汽器中凝结成水，随后再由水泵打入锅炉重复使用，进行循环工作。
把上述过程画在图2朗肯循环在p-v图上的表示、图3朗肯循环在t-s图上的表示、图4朗肯循环在h-s图上的表示图上，图中4-1线代表水在锅炉中吸热形成蒸汽的等压加热过程，其中4-5线为水被加热到饱和温度;5-6线为饱和水汽化成饱和蒸汽;6-1线为饱和蒸汽被加热成过热蒸汽;水蒸汽的形成可以看成是定压的加热过程。1-2线代表水蒸汽在汽轮机内绝热膨胀作功的过程。2-3线代表作功后的乏汽在凝汽器内等压冷凝的放热过程。3-4线代表水在水泵内绝热压缩的过程。由此可见，该动力装置是由两个等压过程和两个绝热过程组成的最简单的蒸汽动力循环，它是蒸汽动力装置中最基本的热力循环，也称为朗肯循环。
在朗肯循环中，每公斤蒸汽在汽轮机中绝热膨胀(1-2)线作出的理论功为AW1-2＝h1-h2(KCal/Kg)式中h1-进入汽轮机的蒸汽焓KCal/Kgh2-蒸汽在汽轮机内绝热膨胀至压力为P2时的乏汽焓KCal/Kg乏汽在凝汽器中定压凝结放热过程(2-3线)的放热量为q2-3＝h2-h3(KCal/Kg)式中h3-在乏汽压力p2下的凝结水(饱和水)的焓KCal/Kg，h3在数值上等于乏汽压力p2下的饱和温度t2。
水在水泵中绝热压缩过程(3-4线)水泵所消耗的功为AW3-4＝h4-h3(KCal/Kg)此处，h4-h3＝(u4-u3)+Av(p1-p2)，由于水的不可压缩性，水被压缩后的温度与比容都可认为不变，所以u4-u3≈0而Av(p1-p2)也很小，可以忽略不计。这样h4≈h3，亦即W3-4可以不考虑。
水在锅炉的省煤器、汽锅和过热器中定压加热过程(4-5-6-1线)的吸热量为q1＝h1-h4≈h1-h3≈h1- (KCal/Kg)
这样，在朗肯循环中，每公斤蒸汽所作的净功AW(图2中的面积123451)应该是蒸汽在汽轮机所作的功AW1-2(图2中的面积81278)和水泵所消耗的功AW3-4(图2中的面积34873)的差，则AW＝AW1-2-AW3-4＝h1-h2-0＝h1-h2根据循环热效率的定义，朗肯循环的热效率应为η1＝AW/q＝(h1-h2)/(h1- )式中各个焓的值，可利用h-s图很容易求得。』分析朗肯循环，其效率不高的根本原因，就在于必须将乏汽放热、冷凝才能完成循环，使图2、图3、图4的2点回到3点。乏汽的热，也是锅炉燃烧而得，放掉了就是浪费。在以下的论证中，把图2、图3、图4统称为朗肯循环。
本发明的目的就是研究一种不产生乏汽的热力循环，把朗肯循环中放掉热而不作功的凝汽器取消，杜绝浪费。
要获得不产生乏汽的热力循环，显然就是朗肯循环图中的3-4-5-3循环。图中5点和3点都在饱和液相线上。饱和液从5点流到3点是从高压流向低压，符合力学要求;是从高温流向低温，符合热学要求体积由大变小，满足封闭循环的要求。把原来朗肯循环图中，过热蒸汽从1点流到2点的汽轮机作功过程与饱和液从5点流到3点相比，便产生了饱和液热机。这饱和液热机就是要在朗肯循环图的5点和3点之间，设计一种装置，能把焓差h5-h3转化为机械功。如附图1动力冷凝器示意图，就是这饱和液热机的转子叶轮，其外径是D、内径是d，结构如同离心水泵的叶轮，只是流道是渐缩的，5-5截面是流道入口，截面积是f5、流速为C5、比容为v5;3-3截面是流道出口，截面积f3、流速为C3、比容为v3。饱和液从叶轮轴心进入流道，从叶轮轮缘流出。流道曲线圆弧过度，流道出口与叶轮轮缘相切，以保证从流道流出的饱和液反作用力有效地推动叶轮旋转。附图1中n是工作转向。流道入口相当于朗肯循环图中的5点，流道出口相当于朗肯循环图中的3点。为了证明饱和液在流道中把焓差h5-h3转化为机械功的过程，须先用热力学第一定律的稳定流动能量方程来讨论其中的能量平衡过程，然后再用热力学第二定律在等温等压过程中的最大功原理，即自由能和吉布斯函数来证明饱和液在流道中必然按饱和液相线从高压移动到低压而转化为机械功的问题。为此，引证有关稳定流动流量方程和吉布斯函数的文件如下。见北京林学院主编《热工学》第21～22页稳定流动能量方程『所谓稳定流动，是指工质流动情况不随时间而改变，流道中任何截面上的各种参数(如温度、压力、比容、流速)及流量等都不随时间而改变;且系统与外界的热量及功量交换不随时间而改变。图5，稳定流动系统图是任意一种热力设备的示意图，在此热力设备的进出口两端，任意取Ⅰ和Ⅱ两个截面，其截面积分别为f1和f2。现在来分析1公斤工质流过Ⅰ和Ⅱ截面之间时，能量的变化，并确定其能量平衡方程式。截面Ⅰ和Ⅱ处的压力、比容、内能及流速等，分别为p1，v1，u1，C1及p2，v2，u2，C2。设这1公斤工质流过Ⅰ和Ⅱ之间时，接受外界的热量为q，而对外作机械功为Wo，那么，根据能量守恒关系，这部分热量应消耗在以下几个方面1、增加的内能 △u＝u2-u1；2、增加的流动动能 △C2/2g＝(C22-C21)/2g;
3、增加的流体位能 △Z＝Z2-Z1；4、对外作出机械功 Wo;
5、消耗于流动功，即工质在流动过程中，为反抗外力所作出的推挤功。
现在确定此流动功图5中，Ⅰ和Ⅱ截面外用阴影线所示的一小块工质设为1公斤。此1公斤工质要进入截面Ⅰ，工质应克服反抗力p1f1，因而外界需对它作推挤功为p1f1△y1＝p1v1，而它要流出截面Ⅱ，需要推动前方的工质，克服外界的反抗力p2f2，因而作出的推动功为p2f2△y2＝p2v2。二者之差(p2v2-p1v1)，即为1公斤工质流过Ⅰ和Ⅱ截面时所消耗的流动功量。
于是根据能量平衡关系q＝(u2-u1)+A△C2/2g+A(p2v2-p1v1)+AWo＝(u2+Ap2v2)-(u1+Ap1v1)+A△C2/2g+AWoKCal/Kg令h＝u+Apv则q＝h2-h1+A△C2/2g+AWo＝△h+A△C2/2g+AWo或dq＝dh+AdC2/2g+AdWo这就是工质稳定流动的能量方程式，即热力学第一定律用于稳定流动的数学表达式。其符号规定为工质吸热为正，放热为负;工质对外作功为正，接受外功为负。』见王竹溪著《热力学简程》第85～88页，等温过程、自由能和吉布斯函数，引证如下『在应用热力学到实际问题上时，等温过程很重要，值得专门讨论。在前节(8)式中，若过程是等温的，则积分中的T可提出积分号外，求积分，得ΣαSα-ΣαS0α≥Q/T(1)]]>其中Q为物体系在等温过程所吸收的热量。
令S=ΣαSα]]>，并用热力学第一定律Q＝U-Uo-W，则(1)式化为S-So≥(U-Uo-W)/T(2)为了把这个结果简化，引进一个新的函数F，叫做自由能F＝U-TS(3)用T乘(2)式的两方，移项，得F-Fo≤W(4)这就是说，经过一个等温过程，物体系自由能的改变不大于在过程中外界对物体系所作的功。对于可逆等温过程说，自由能增加值等于外界对物体系所作的功。不等式(4)可写为下列形式Fo-F≥-W(5)
这可表为在等温过程中，物体系对外界所作的功，不大于物体系自由能的减少;换句话说，物体系自由能的减少是在等温过程中从物体系所获得的最大的功，这叫做最大功原理。
假如没有机械功，则当体积不变时，功为零，(4)式变为F-Fo≤0(6)这就是说，在等温等体过程后，自由能不增加;换句话说，等温等体过程向着自由能减少的方向进行。
在实际问题中，由于常常在大气压下进行工作，等压过程具有重要性。在等压过程下，外界对物体系所作的功等于-P(V-Vo)，其中Vo和V分别为物体系初态和终态的体积。假如还有其它形式的功W1时，则外界对物体系所作的总功为W＝-P(V-Vo)+W1(7)代入(2)式，用T乘，移项，得G-Go≤W1(8)式中 G＝U-TS+PV(9)是又一个新的函数，叫做吉布斯函数。
假如没有其它形式的功，W1＝0，(8)式化为G-Go≤0(10)这就是说，在等温等压过程后，吉布斯函数不增加;换句话说，等温等压过程向着吉布斯函数减少的方向进行。由于这样一个性质，有时把G叫做热力势，对应后面这个名词，有时把F叫做定体热力势。也有人根据G与H的关系(H＝U+PV)类似于F与U的关系G＝H-TS(11)而把G叫做自由焓。
从上面的讨论看出，判断等温过程进行方向的物理量不是熵，而是自由能和吉布斯函数，熵是判断绝热过程进行方向的物理量。
应当指出，本节所讨论的等温过程是指外界温度不变，对物体系内部温度在过程进行中的情况，并没有加以限制。但在本书中，为简单起见，假设物体系内部温度在等温过程中，与外界温度相等，同样，对等压过程假设物体系的温度和压强都与外界相等。』把稳定流动能量方程用在附图1的流道上，饱和液在流道中流动时，速度很快，来不及吸热或放热，可视为绝热过程，即q＝0。流道入口5-5截面的焓和流速分别为h5和C5，对应朗肯循环图的5点;流道出口3-3截面的焓和流速分别为h3和C3，对应朗肯循环图的3点。先假定饱和液流过流道时，叶轮不转，还没有对外输出功，即AWo＝0，则此时流道5-5截面至3-3截面之间的稳定流动能量方程为h5-h3＝A(C23-C25)/2g在设计流道时，要使流道入口截面积远大于出口截面积，因此可认为C5≈0，则上式可写为
h5-h3＝AC23/2g从而就可算出流道出口的流速C3=2gA(h5-h3)=91.5h5-h3(米/秒)]]>式中A＝1/427(千卡/公斤·米)-热功当量;
g＝9.8(米/秒2)-重力加速度这动力冷凝器旋转以后，动能就开始转化为输出的机械功，其功量就等于饱和液从流道流出的线速度形成的反作用力乘以动力冷凝器圆周运动行走的距离。这个功量用力学上的冲量来计算。
冲量，在力学上的量纲是力乘以时间，饱和液从流道流出的速度形成的冲量可表为f＝F·T其中F-饱和液从流道流出的速度形成的作用力(公斤)T-作用力的时间(秒)按牛顿第二定律，把力表为质量乘以加速度，即F＝m·a＝质量×加速度＝质量× (速度)/(时间)故冲量 f＝F·T＝质量× (速度)/(时间) ×时间＝质量×速度＝mC3其中C3-饱和液从流道出口流出的速度。
由于质量 m＝ (G)/(g) ＝ (重量)/(加速度)故单位质量工质的冲量可表为f单位＝ (C3)/(g)冲量作用在动力冷凝器轮缘上，使其转动而产生位移。动力冷凝器由此位移而完成的功，等于力乘以位移，可表为W＝F·S其中F-即产生冲量的力，同时也作用在叶轮上;
S-动力冷凝器受力F的作用而产生的位移，可表为S＝V·T其中V-动力冷凝器在力F的作用下，产生的速度，不是饱和液从动力冷凝器流出的速度。
由冲量的定义，f＝F·T，所以F＝ (f)/(T)故功量可写为W＝F·S＝ (f)/(T) ·V·T＝f·V或者单位工质的功量写为Wo＝f单位·V
由于单位工质的冲量f单位＝ (C3)/(g)故单位工质的功量 Wo＝ (C3)/(g) V(公斤·米)从这一公式看出，动力冷凝器旋转时输出的机械功包含着两种速度，因此必定是由两种速度的动能转化为机械功。一种动能是饱和液工质由流道流出的速度动能 (C32)/(2g) ;另一种动能是动力冷凝器旋转的动能 (V2)/(2g) 。当这两种动能全部转化为输出的机械功时，应有比数η=C3g·VC322g+V22g=1]]>η的意义是运行效率，是动能转化为机械功的指标。
设β＝V/C3代入上式，得η＝2β/(1+β2)＝1显然只有当β＝1时，才有η＝1，也就是V＝C3时运行效率最高。V＝C3的意义是饱和液工质从动力冷凝器流出时的速度，在叶轮以V的线速度旋转时，相对大地(定子外壳)为零。这时也就是饱和液的动能全部转化为输出的机械功。这时的稳定流动能量方程由叶轮不转时的 h5-h3＝A (C32)/(2g)变为 h5-h3＝AWo在一般情况下，如果运行状态控制不好，达不到叶轮以V的线速度旋转使C3相对机壳为零时，则稳定流动能量方程的一般形式是h5-h3＝A (C23余)/(2g) +AWo余其中C3余-是饱和液从流道流出的速度，在叶轮旋转的条件下，相对机壳不是零时的余速度；Wo余-是有余速度时的输出功。
如何使C3相对机壳的速度为零，即余速度为零，使运行效率最高，是一种控制方法。本专利不要求对这种控制方法进行保护，故对这种控制方法不作讨论。
使C3相对机壳为零的叶轮旋转线速度V可由动能形成的冲量转化的机械功AWo＝A (C3)/(g) ·V来确定。当V＝C3时，输出功最大，所以有AWo＝h5-h3＝A (V2)/(g)
V=gA(h5-h3)=427×9.8(h5-h3)]]>C3=91.5h5-h3]]>这个V的数值也是设计动力冷凝器外径D的依据。由于V是动力冷凝器的旋转线速度，即V= (πDn)/60 (米／秒)式中D-动力冷凝器的叶轮外径(米)n-动力冷凝器的转数(转/分)π-圆周率饱和液在动力冷凝器流道中，把焓转化为动能，在流道出口，使流速C3=91.5h5-h3]]>需要有一定的流道截面积。下面来讨论流道截面积的设计计算方法。一个流道，相当于离心水泵叶轮上的一个叶片。动力冷凝器一个流道的流道功，也取名为叶片功。一个叶片功的大小，等于流道两端的焓差乘以流量。流道两端的焓差在总体设计时已定。即朗肯循环图的5点和3点，在设计要求中已经提出。叶片功的大小，可用下式表示W叶片＝G·△h＝G(h5-h3)或者流量G＝W叶片/△h(公斤/秒)根据稳定流动条件，单位时间内流过任一截面的流量都相等，即得流量连续性方程G= (f5C5)/(v5) = (fC)/(v) = (f3C3)/(v3) =常数式中f5，C5，v5-如附图1分别为流道入口处，即5-5截面的截面积(米2)，流速(米/秒)，和比容(米3/公斤)。对应朗肯循环图的5点;
f，c，v-分别为流道入口至出口之间任一截面的截面积(米2)，流速(米/秒)，和比容(米3/公斤);
f3，C3，v3-如附图1分别为流道出口处，即3-3截面的截面积(米2)，流速(米/秒)，和比容(米3/公斤)。对应朗肯循环图的3点。
根据稳定流动的定义，可知在流过流道的全程内，流过流道任一截面的流量相等。流道全程的长度在设计动力冷凝器结构时已定。则工质流过流道全程的时间，可由下式算出t全程= (L)/(C出口平均) (秒)式中L-流道全程长度(米)，可由动力冷凝器的内径d和外径D而确定的流道弧长而定;
C出口平均-流道出口与入口之间的平均流速，假设流道入口流速C5≈0，
则C出口平均＝ (C3)/2流过流道全程的时间确定后，用这时间乘以任一截面上的平均流速，即得流道入口至此任一截面的流道长度，即L任＝C任一平均×t全程其中 其中△h是从流道入口至任一截面之间的焓差，是小于焓差h5-h3的焓差。由这一焓差也可在饱和液热力性质表上查得与之相对应的比容V，由此即可算得与任一流道长度对应的流道截面积，即f= (Gv)/(C) (米2)这样就可设计出满足设计要求的流道截面。也就可以设计出满足设计要求的动力冷凝器了。动力冷凝器是饱和液热机的转子，至于其定子外壳，只要达到密封、不泄漏，与转子安装配合转动灵活就可以了。饱和液热机设计完成之后，就可以选购市场上定型的锅炉(蒸发器)和液泵，组成饱和液热力循环系统。
饱和液热力循环系统，如附图2所示，由锅炉(蒸发器)、饱和液热机和液泵三大部分组成。其中锅炉(蒸发器)由[1]上锅壳、[2]换热管和[3]下锅壳组成。饱和液热机由[10]定子外壳、[6]转子-动力冷凝器和[5]，[7]轴承组成。其中动力冷凝器[6]的转轴，一端是空心的，连通下锅壳[3]和动力冷凝器[6]的流道;另一端是实心的，伸出定子外壳[10]，连接皮带轮[8]，备接负载。[9]是液泵。[4]是闸阀，连通下锅壳[3]和动力冷凝器[6]，控制饱和液热力循环系统启动运行。[11]是管道，连通液泵[9]和上锅壳[1]。在上锅壳[1]中，是高温高压的饱和蒸汽，并接受由液泵[9]注入的低温高压过冷液，这低温高压过冷液由上锅壳[1]进入换热管[2]，吸收热源的热量，等压升温，完成朗肯循环图由4点到5点的过程，因此保证了下锅壳[3]中贮存的是高温高压的饱和液。系统在运行前，闸阀[4]关闭。液泵[9]把定子外壳[10]中残存的饱和液经管道[11]注入上锅壳[1]，流入换热管[2]中吸收热源的热，从而使锅炉(蒸发器)和饱和液热机之间造成压差和温差，使达到朗肯循环图5点和3点的差值，此时开启闸阀[4]，因此下锅壳[3]中的高温高压饱和液便经闸阀[4]进入动力冷凝器[6]的流道，并在其中按稳定流动能量方程，把焓差转化为动能，即完成了h5-h3＝AC23/2g的任务。由动能的速度C3形成的冲量作用在动力冷凝器[6]上，使之转动，当由动力冷凝器[6]的流道流出的速度C3相对定子外壳[10]为零时，动能全部转化为输出功，即完成了h5-h3＝AWo的任务。此时通过皮带轮[8]带负载。从动力冷凝器[6]流出的饱和液贮存于定子外壳[10]中，已由朗肯循环图的5点降至3点，再由液泵[9]升压，变为过冷液在管道[11]中完成朗肯循环图中3点到4点的任务，之后，进入上锅壳[1]，在换热管[2]中吸收热源的热，等压升温，达到朗肯循环的5点，再经下锅壳[3]通过闸阀[4]进入动力冷凝器[6]，经流道再降至朗肯循环图的3点而进入定子外壳[10]。如此循环，不断地把饱和液的焓差转化为输出功，这就是饱和液热力循环。
以上讨论的循环过程，只用了热力学第一定律的稳定流动能量方程讨论了过程中的能量平衡问题，下面还要用热力学第二定律在等温等压过程中的最大功原理-吉布斯函数来证明饱和液在动力冷凝器中必然把焓差转换为功的方向性问题。为此，先把稳定流动能量方程和吉布斯函数的关系讨论一下。王竹溪著《热力学简程》中，在证明吉布斯函数时，说在等压过程中，外界对物体系所作的功为-p(V-Vo)。把这个功代入热力学第一定律Q＝U-Uo-W中，则得Q＝U-Uo+P(V-Vo)＝H-Ho，又说“假如还有其它形式的功W1时”，则这其它形式的功肯定就是区别于-P(V-Vo)的功，把这个功W1也包括在外界对物体系所作的功之内，即W＝-P(V-Vo)+W1时，则热力学第一定律的形式就变为Q＝H-Ho-W1。而北京林学院主编《热力学》的稳定流动能量方程q＝△h+A△C2/2g+AWo中的Wo就是区别于P(v2-v1)的其它形式的功，因为P(v2-v1)已经包括在△h之内。所以在王竹溪《热力学简程》中所说的W1和稳定流动能量方程中的Wo可以相提并论。换句话说王竹溪《热力学简程》中的吉布斯函数，就包括着稳定流动能量方程的形式在内。只是W1和Wo的正负号是不一致的。由于吉布斯函数中规定W1是外界对物体系作功，而稳定流动能量方程规定Wo是物体系对外作功，因此，把吉布斯函数与稳定流动能量方程联立起来讨论时，应有W1＝-AWo。
把吉布斯函数用于动力冷凝器流道的两端，即朗肯循环图的5点和3点。在朗肯循环图上，5点在饱和液相线上，6点在与5点等温等压的饱和汽相线上，从5点到6点是可逆过程，因此这两点的吉布斯函数相等，即G5＝G6。按吉布斯函数的定义，6点的吉布斯函数G5＝h6-T(S6-S5)＝h5其中S5，S6-朗肯循环图5点和6点的熵(KCal/Kg°k)T(S6-S5)的意义是等温过程中从5点到6点所吸收的热量。
因为从5点到6点是可逆的，有G5＝G6，所以5点的吉布斯函数G5＝h5同理可有G3＝h3按吉布斯函数的要求，热过程应向着吉布斯函数减少的方向进行，如果在朗肯循环图上，热过程是从5点到3点，则应有△G＝G3-G5≤0在朗肯循环图上，h5＞h3，而G3＝h3，G5＝h5，所以△G＝G3-G5＝h3-h5≤0 符合吉布斯函数的要求。
又按吉布斯函数的规定在等温等压的过程中，物体系在吉布斯函数减少的方向上的吉布斯函数减少值，大于或等于物体系对外界所作的功，即
-△G＝G5-G3≥-W1前面已经讨论，把稳定流动能量方程和吉布斯函数联立起来讨论，应有W1＝-AWo，在稳定流动能量方程的讨论中，当动能全部转化为输出功时，算得h5-h3＝AWo把这个值代入上面的吉布斯函数中，得-△G＝G5-G3＝h5-h3≥h5-h3这就证明在饱和液相线上物体系对外界所作的功不大于物体系吉布斯函数的减少，表现了最大功原理。这就证明了把稳定流动能量方程用在饱和液相线上的能量平衡关系与热力势的方向一致。
在朗肯循环图上，从5点到3点的温度和压力都降，不是等温等压过程，但是朗肯循环图中的3-4-5-3是一个液体的循环系统，在这系统的外界，即5点和3点所处的环境都是等温等压的。王竹溪《热力学简程》关于吉布斯函数引文最后一段有“应当指出，本节所讨论的等温过程是指外界温度不变，对物体系内部温度在过程进行中的情况，并没有加以限制。但是本书中，为简单起见，假设物体系内部温度在等温过程中，与外界温度相等，同样，对等压过程假设物体系的温度和压强都与外界相等。”因此，从5点到3点的温度和压强的进行情况，不应加以限制。以上从热力学第一定律和热力学第二定律两个方面证明了饱和液由饱和液相线高压移向低压时，必然将焓差转化为机械功。因此，用饱和液相线来设计饱和液热机，便具备了充分和必要的条件。又因为饱和液相线上的吉布斯函数是不可逆的，即饱和液的热转化为功是不可逆的，如果有机械力加给饱和液，则此机械力不能转化为饱和液的热，而只能完成饱和液在过冷区等温升压，即朗肯循环图从3点到4点的过程;升压后，等压吸收热源的热，达到朗肯循环图的5点。因此，饱和液热力循环是以饱和液相线上的吉布斯函数的不可逆的性质为前提而实现的。饱和液热力循环就是朗肯循环图中的3-4-5-3循环，虽然它早以寓于朗肯循环当中，但因为没有把饱和液相线上的吉布斯函数作功的性质揭示出来，所以没有把这一循环用于生产实践。饱和液热力循环由三大设备组成。在饱和液相线上是饱和液热机，在绝热过冷线上是液泵，在等压加温线上是锅炉(蒸发器)。饱和液热力循环的热效率，由引证的文件朗肯循环，按定义应为η饱和液= (AW)/(q) = (AW0-AW3-4)/(h5-h4)= ((h5-h3)-(h4-h3))/(h5-h4) = (h5-h4)/(h5-h4) =100%式中 AW＝AWo-AW3-4-饱和液热力循环系统输出的净功AWo-动力冷凝器的最大输出功AW3-4＝h4-h3-液泵消耗的功q＝h5-h4-饱和液从热源吸的热本发明与现有技术相比，由于饱和液热力循环取消了朗肯循环中乏汽放热冷凝的过程，杜绝了浪费，使热效率在理论上达到100%，这是一个明显的技术进步。又因为动力冷凝把全部的热转化为有用的功，克服了过去认为冷凝器不能作功的说法，也是一个明显的技术进步。又由于动力冷凝器能把其中的热全部转化为有用的功，不需要有一个冷凝放热的温度环境，也就是不需要有个放热的冷源，使动力冷凝器实质上打破了单热源热机造不成的偏见。又因为饱和液相线上的吉布斯函数是不可逆的，因此，饱和液热力循环也是不可逆的，而现有技术中却以可逆机的效率最高为理论基础。本发明是不可逆的热力循环，与现有理论发生矛盾。但是，本发明是用热力学第一定律的稳定流动能量方程和热力学第二定律的吉布斯函数证明了的，本发明使用的理论都是当今社会公认的理论。特别是吉布斯函数是热力学第二定律中，等温等压过程的最大功原理，这个功是算出来的，不是一个构思，不是一种说法，而单热源热机造不成，冷凝器不能作功，可逆机效率最高等等都是由构思产生的说法，都属于技术偏见。虽然本发明饱和液热力循环已用热力学第一定律的稳定流动能量方程和热力学第二定律的吉布斯函数给了充分和必要的证明，但对上述历史上的技术偏见，也作如下解释。
上述一切技术偏见，集中的表现于历史上克劳修斯和开耳芬的两句话之中。即克氏说“不可能把热从低温物体传到高温物体，而不产生其它影响，”和开氏说“不可能从单一热源取热使之完全变为有用的功，而不产生其它影响。”这就是热力学第二定律的两种标准说法，这两种说法与热力学第二定律的计算结果是不一致的。具体不一致的地方，就是吉布斯函数。吉布斯函数用在饱和液相线上，就是单热源热机的表达式。然而在历史上，吉布斯函数一直局限于化学反应当中，没有在热机方面发生作用。单热源热机造不成的技术偏见最早产生于1850年4月12日，克劳修斯在《论热的动力和可由此推导热学本身定律》论文中提出的一个假想实验。见闫康年著《热力学史》第138页有“这个假想实验就是设有两种物质，在一定的热量转化条件下，一种比另一种会产生较多的功;或产生既定数量的功时，一种比另一种由A体向B体传递较少的热量。如果交替地应用这两种气体于正向和逆向过程中，使前者转化为功，使后者再将功转化为热，在这循环结束后，两种气体又都处于其原来的状态。由于产生和消耗的功正好抵消，则按热力学第一定律，总热量既未增加，也未减少。但是，从B体传给A体的热量，比A体传给B体的要多，结果形成总体上从B体传递热量给A体。所以，此种交替使用两种不同气体传递热量的过程反复无限地进行下去，就会在不需任何力消耗或发生其它变化的条件下，可以把任意多的热量从冷体传递给热体。但是，这显然与热传递的性质和无数的经验矛盾，这种经验就是热量传递的普遍趋向是从热体传递到冷体并使两者的温差消失。”克劳修斯就是凭热量只能自发地从热体传递到冷体，而不是自发地从冷体传递到热体的经验，判定他的假想实验是实现不了的，从而建立了他的热力学第二定律的说法“不可能把热从低温物体传到高温物体，而不产生其它影响。”如果把本发明饱和液热力循环用于克劳修斯的假想实验，则可证明克劳修斯的经验是错误的。把克劳修斯假想实验中的两种气体改为饱和液和过冷液，这两种液体，在一定的热量转化条件下，即在一定的温差条件下，饱和液处在朗肯循环的5点和3点之间，而过冷液处在4点和5点之间，此时二者可以转化的热量相等，即处在一定的热量转化条件下。假想实验要求在此条件下，一种比另一种会产生较多的功。确实，饱和液按吉布斯函数把5点到3点之间一定温差条件下的热量全部转化为功;而过冷液在4点到5点之间的温差(等于5点到3点的温差)条件下，是等压过程，不能作功，只能传热，因此满足了假想实验要求的，在此条件下，一种比另一种会产生较多的功。假想实验要求，或者在产生既定数量的功时，一种比另一种由A体向B体传递较少的热量。确实，从4点到3点之间和从5点到3点的压差是一样的，在产生从3点到4点之间的既定数量的功时，饱和液按吉布斯函数把热全部转化为功，并不向过冷液传热，而是过冷液向饱和液传热。如果交替地应用这两种液体于正向和逆向过程中，即令饱和液正向把热转化为功，把此功传递给过冷液，使其逆向将此功转化为热，在这循环结束后，两种液体又都处于其原来的状态。由于产生和消耗的功正好抵消，则按热力学第一定律，总热量既未增加，也未减少。但是，从过冷液传给饱和液的热量，比饱和液传给过冷液的热量要多，结果形成总体上从冷体传递热量给热体。所以，此种交替使用两种不同液体(饱和液和过冷液)传递热量的过程反复无限地进行下去，就会在不需任何力消耗或发生其它变化的条件下，可以把任意多的热量从冷体传递给热体。尽管这与克劳修斯的经验相矛盾，但这是事实。由这一事实可以推翻克劳修斯说的“不可能把热从低温物体传到高温物体，而不产生其它影响。”的说法。因为克劳修斯的假想实验既没通过数学物理公式的验算，也不是通过实验证明了的，因此，我把它叫做一种技术偏见。和这技术偏见另一种等价的说法就是开耳芬于1851年3月在《论热的动力学理论》一文中提出的开氏说法“不可能从单一热源取热使之完全变为有用的功，而不产生其它影响。”开耳芬在这篇论文中，根据卡诺定理及克劳修斯的说法，提出自己的命题，见闫康年著《热力学史》第148页“如果一台发动机是这样的，它运动的每一部分的物理的和机械的作用全是可逆的，则它能用同一温度的热源和同一温度的冷凝器，以既定的热量产生象任何热机能产生的、同样多的机械效应。”他认为这个命题的证明，是建立在下面的定理的基础上“不可能由非生命物的作用，将物质冷却到比周围最冷的东西还低的温度的方法，使物质的任何部分产生机械效应。”接着他注释说“如果这个定理被在一切温度条件下否定，则可以用冷却海洋和大地的方法产生机械效应。但是，从大地和海洋，或实际上从整个物质世界产生的总热量损失是无限的。”为了讨论开耳芬的上述说法、命题和定理，我们再把说法、命题和定理的含义明确一下。
说法的含义-在可逆过程和不可逆过程的一切条件下，不可能从单一热源取热使之完全变为有用的功，而不产生其它影响;
命题的含义-在可逆过程的条件下，不可能从单一热源取热使之完全变为有用的功，而不产生其它影响;
定理的含义-非生命物的作用，应该包括可逆过程的作用和不可逆过程的作用。因此用命题来证明说法，结果等于在不可逆过程的条件下，否定不了可能从单一热源取热使之完全变为有用的功，而不产生其它影响的说法。再用定理证明命题，如果定理中的非生命物的作用是可逆的，则得出在可逆过程的条件下，不可能从单一热源取热使之完全变为有用的功，而不产生其它影响的说法;如果定理中的非生命物的作用是不可逆的，则得出在不可逆过程的条件下，可能从单一热源取热使之完全变为有用的功，而不产生其它影响的可能。本发明的动力冷凝器正好证实了在不可逆过程的条件下，可以从单一热源取热使之完全变为有用的功，而不产生其它影响。
开耳芬把他的命题规定为可逆的过程，实际上是他盲目地迷信可逆机的效率高，是一种技术偏见。这里说开耳芬盲目地迷信可逆机的效率高，是有根据的。因为在开耳芬建立他的热力学第二定律的说法之前，关于是可逆机的效率高还是不可逆机的效率高，还没得到肯定，尽管卡诺在1824年发表的卡诺定理是说可逆机的效率高，但卡诺定理的证明过程并不正确，克劳修斯和开耳芬都发现了卡诺定理证明过程中的错误，需要用一种新的证明方式来证明究竟是可逆机的效率高还是不可逆机的效率高，克劳修斯和开耳芬都是出于这个愿望，才提出各自的假想实验和命题。因此，开耳芬在证明究竟是可逆机的效率高还是不可逆机的效率高时，竟事先把自己的命题的条件规定为可逆的，并由可逆的过程完不成的命题毫不思索的认为不可逆过程也完不成，这就是盲目的迷信，这就是技术偏见。用这种技术偏见代替了卡诺错误的热质说，使卡诺定理一错再错。至此，必须把卡诺定理的证明过程再作一次介绍。见王竹溪著《热力学简程》第15节。『卡诺的证明是设有两个热机A和B，它们从同一热源所吸收的热量和对外界所作的功各为Q1、W及Q1′、W′，它们的效率为ηA＝W/Q1;ηB＝W′/Q1′(1)假设A是可逆机，我们证明ηA≥ηB，为证明的方便起见，假设Q1＝Q1′，如果定理不真，即如果ηB≥ηA，则由Q1＝Q1′，得W′＞W。今令A是可逆机，而W′又比W大，我们可以利用B的功W′使A反向进行，那么A将受外界的功W而向热源放热Q1，在两个热机的联合循环终了时，两机的工作物质都恢复原状，热源放出的热量又吸收回来了(因为Q1＝Q1′)，因而没有变化，但是，有净功W′-W多了出来。在错误的热质说指导下，卡诺以为热量由高温到低温时，保持数量不变，即Q2＝Q1，Q2′＝Q1′，因此他认为在两机的联合循环终了时，冷凝器也没有变化。由此他得出结论，所多出的净功W′-W是无中生有的，因而是不可能实现的，这就证明了ηB＞ηA的假设不真，必定是ηA≥ηB但是卡诺的这个证明是不正确的，因为根据热力学第一定律，由于工作物质在循环终了时，恢复原状，它的内能一定恢复原值，所以应有W＝Q1-Q2(2)同样应有W′＝Q1′-Q2′(3)(3)式减(2)式得W′-W＝(Q1′-Q1)-(Q2′-Q2)(4)今已知Q1＝Q1′，故W′-W＝Q2-Q2′(5)
这个方程说明净功W′-W是由冷凝器放出来的净热量Q2-Q2′转化来的，并不是卡诺所想象的，无中生有的。这样，我们看出卡诺定理不可能用热力学第一定律来证明，它的证明需要一个新的原理。克劳修斯与开耳芬就是从这里得到他们关于热力学第二定律的说法的。我们立刻可以看出，在卡诺的证明步骤中，用开耳芬关于热力学第二定律的说法，就可以证明卡诺定理，因为不能单单从冷凝器取出热量而获得功。
假如用克氏说法来证明卡诺定理，只需把原来所作的假设Q1＝Q1′换为W＝W′就行了。在换为这个假设之后(4)式化为Q1-Q1′＝Q2-Q2′(6)如果ηB＞ηA，则Q1＞Q1′，方程(6)指出，在两机的联合循环终了时，唯一的效果是把热量Q2-Q2′由低温传到高温去了。这违背了热力学第二定律的克氏说法，因此不能有ηB＞ηA，必须是ηA＞ηBo』从这段引文中得知，因为卡诺用错误的热质说，把不可逆机的效率高判成是可逆机的效率高。卡诺认为的无中生有并不是无中生有，而是冷凝器放出的净热量转化来的。但是开耳芬用了前面引证的他的冷凝器不能作功，即单热源热机造不成的命题，把卡诺定理应该是不可逆机的效率高判成是可逆机的效率高。和开耳芬等价的克劳修斯也是用了前面引证的他的假想实验，用错误的经验把卡诺定理应该是不可逆机的效率高判成是可逆机的效率高。由于这样原则上的错误，致使现有的技术存在先天性的不足，不可能达到理想的高效率。更甚的是，克劳修斯在错误的理论指导下，导出的熵增原理，特别是热寂学说，对社会造成精神污染。本发明饱和液热力循环，可以对大地和海洋，对整个物质世界致冷，是熵减过程，不是熵增过程。本发明饱和液热力循环就象寓于朗肯循环当中一样，本来也寓于克劳修斯的假想实验当中，只是克劳修斯没有认真地研究他的假想实验，凭经验代替了真理。
以上的讨论可以说明本发明具有人们意想不到的技术效果，解决了长期以来人们解决不了的技术难题，克服了长期以来人们在技术上的一种技术偏见。这些就是本发明所具有的优点、特点和积极效果。
根据以上所论，实施这一发明的最好方式是把过去蒸汽动力装置中，用火烧的锅炉改为蒸发器，把过去朗肯循环的工质-水，改为低温制冷剂。如氨或二氧化碳等。低温制冷剂在环境温度已经饱和。因此用低温制冷剂吸收环境的热量即吸收空气或江河湖海的水的热量为能源，使低温制冷剂饱和液在动力冷凝器中把焓转化为输出功，就可以使火力发电不用烧煤，轮船在水里行驶不用任何燃料，在根本上解决人类的能源危机，并在很大范围内，消除环境污染。
如附图2所示，选氨饱和液为工质，设计一台出力为1000千瓦的饱和液热力循环系统。假设该系统工作于5℃以上的江河湖海的水中，某换热器可以从流动的水中吸收5℃的水的热量，这时水的温度降到0℃，并未结冰。
氨饱和液的热力性质如下表
先计算饱和液热机中的各种参数。
在动力冷凝器中，由稳定流动能量方程，有h5-h3＝AWo按设计条件，此时h5＝104.43KCal/Kg;h3＝100KCal/Kg，则每公斤工质可输出功AWo＝104.43-100＝4.43KCal/Kg由于1000千瓦＝106焦耳;1焦耳＝2.39×10-4千卡，所以要设计一台1000千瓦的原动机，所需的千卡数为1000千瓦＝106焦耳＝2.39×10-4×106＝2.39×102千卡由此可得出氨饱和液的流量为G＝ (设计要求输出千卡数)/(单位工质的千卡数) ＝ (2.39×102)/4.43 ＝54公斤/秒饱和液的焓在动力冷凝器中转化为动能，其出口流速为C3=91.5h5-h3=91.5104.43-100=192米/秒]]>动力冷凝器出口总截面积为f总＝ (Gv3)/(C3) = (54×1.56660×10-3)/192 =0.44×10-3米2如附图1，动力冷凝器只有两个流道，则每个流道的出口面积为f3＝ (f总)/2 = (0.44×10-3)/2 =0.22×10-3米2=2.2厘米2设流道出口为矩形，宽1厘米，高2.2厘米，这样两个矩形每秒共流出流量G＝54公斤/秒，就可产生1000千瓦的输出功。因为工质在系统内循环使用，总共要装多少工质，要看蒸发器换热面的要求。
动力冷凝器的外径，由额定转数来确定，假定额定转数n＝3000转/分，由前面计算的运行效率最高时，动力冷凝器的线速度为V=64.7h5-h3=64.7104.43-100=136米/秒]]>可得D＝ (60·V)/(π·n) ＝ (60×136)/(π×3000) ＝0.87米由此看到，一个输出1000千瓦功率的动力冷凝器，是一个外径D＝0.87米，高度不超过0.1米的扁圆。其定子外壳直径不超过1米，高度包括轴承和密封在内也不超过0.5米。至于要配什么样的蒸发器，是直接影响饱和液热力循环系统的使用范围问题。如果蒸发器太笨重，就使饱和液热力循环系统的小型化产生困难。见北京林学院主编《热工学》第126页，热管简介中有“热管可以在温差极小的情况下传递大量的热负荷。例如一根直径为25mm，长700mm的热管，可传递11千瓦的热量。”故在此设计示例中，如果能用低温致冷剂设计出这样的热管，则一台1000千瓦的饱和液热机，配100根上述的热管蒸发器就足够了。把这样的饱和液热力循环系统，用在轮船上，不用任何燃料，就可在江河湖海到处行驶。从摩托艇到航空母舰，都可配套设计。如果不在水里，在空中和陆地上，可令蒸发器吸收空气的热，则这饱和液热力循环系统，用在飞机和坦克上，也有可行性。如在南极地区，可选用沸点更低的低温制冷剂，如二氧化碳。这设计示例中的液泵，可用离心泵，也可用齿轮泵，其功率等于朗肯循环图中从3点到4点的绝热压缩功，泵的工作压力为设计要求的5点饱和压力p5＝5.073Kg/cm2和3点饱和压力P3＝4.379Kg/cm2之差，即工作压力△P＝P5-P3＝5.073-4.479＝0.694Kg/cm2，理论输出功，在朗肯循环中，已经论述，AW3-4＝h4-h3。
权利要求
本发明饱和液热力循环是对现有蒸汽动力装置的基本循环-朗肯循环所做的改进。把朗肯循环中放掉热量而不能作功的凝汽器取消，把朗肯循环中用蒸汽作功的汽轮机改为饱和液热机，把由两个等压过程和两个绝热过程组成的朗肯循环改为由饱和液相线和绝热过冷线以及等压加温线组成的饱和液热力循环。
1.本发明的特征就是饱和液热力循环的不可逆的性质，这性质是由热力学第二定律在等温等压过程的最大功原理-吉布斯函数确定的，因此，他人以生产经营为目的按吉布斯函数在饱和液相线设计饱和液热机以及因而构成的饱和液热力循环，即为侵权。
2.按权利要求1的规定，本发明饱和液循环的工质不仅限于饱和水，包括低温制冷剂饱和液，都在本发明的保护之内。
全文摘要
本发明饱和液热力循环是根据蒸汽动力装置的基本循环-朗肯循环所做的改进。把朗肯循环中的凝汽器取消，把朗肯循环中蒸汽作功的汽轮机改为饱和液热机，把由两个等压过程和两个绝热过程组成的朗肯循环改为由饱和液相线和绝热过冷线以及等压加温线组成的饱和液热力循环。这循环的特征是首次把热力学第二定律的吉布斯函数用于热机，使不可逆循环出现于热机当中。这种循环可用于各类发电厂、船舶、交通以及工农业生产当中。
文档编号F01K23/02GK1098165SQ93119210
公开日1995年2月1日 申请日期1993年10月22日 优先权日1993年10月22日
发明者赵玉天 申请人:赵玉天