一种改进的卡诺循环方法
一种改进的卡诺循环方法
【专利摘要】本发明公开了一种改进的卡诺循环方法，包括步骤：热量从高温热量输入端输入，用以维持高温热源，高温热源输出热量到高温全热输出；高温全热输出的热量经过高温驱动热泵或其它机械和非机械功驱动热泵吸收、混合低温热量输出的热量；高低温混合热能输出的热量传递给中温热源，用于维持中温热源；中温热源用于做功的中温全热输出经中低温热机做功后输出中低温输出有效功，同时中低温做功后余热输出的热量传递给低温热源。本发明将卡诺循环与逆卡诺循环结合在一起，同时实现了高温、中温、低温热源的维持，中温热源借助卡诺热机将热量传递给低温热源的过程中对外输出功，余热传递到低温热源后，可以不需要散热，通过热泵和新补充的热能一起进入下一做功循环。热效率大大提高。
【专利说明】一种改进的卡诺循环方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及卡诺循环，具体涉及一种改进的卡诺循环方法。
【背景技术】
[0002]卡诺循环是1824年N.L.S.卡诺在对热机的最大可能效率问题作理论研究时提出的。卡诺进一步证明了下述卡诺定理:①在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可逆热机的效率都相等，与工作物质无关，其中Tl、T2分别是高温和低温热源的绝对温度。②在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切不可逆热机的效率不可能大于可逆卡诺热机的效率。可逆和不可逆热机分别经历可逆和不可逆的循环过程。
[0003]卡诺定理阐明了热机效率的限制，指出了提高热机效率的方向(提高Tl、降低T2、减少散热、漏气、摩擦等不可逆损耗，使循环尽量接近卡诺循环)，成为热机研究的理论依据、热机效率的限制、实际热力学过程的不可逆性及其间联系的研究，导致热力学第二定律的建立。
[0004]卡诺定理阐明了热机效率的限制，指出了提高热机效率的方向，可以简要理解为提高高温温度、降低低温温度、减少其它机械摩擦和热损耗。
[0005]卡诺定理也并确实没有限定低温必须高于多少？高温必须是什么范围？经过100多年的应用，人们已经太熟悉它了，今天反而人们几乎很少再去仔细推敲它的每一个字句，更多的人则是习惯于从前人那里吸收“成熟”的理论和实践经验，继续应用。
[0006]老师在给学生传授有关卡诺定理知识的时候，常常忘不了额外补充几句，比如:“实际上、低温热源温度T2降低很难实现，人们大都考虑如何提高高温热源温度Tl，来提高效率”、“显然，高温热源温度Tl越高，效率越高”、“卡诺循环决定了热机的最高理想效率，任何系统的效率都不可能超过这一结果”，等等。这几句话表面上看好像没有问题，但是再仔细推敲一下，就有些问题:
1、低温热源温度难以降低
在19世纪，甚至到20世纪初，确实，热机工作的低温热源通常是周围自然环境温度，降低环境的温度难度大、成本高，是不足取的办法。但是现在，已经今非昔比，很多条件、目标、要求都发生了很大的变化，到了该否定这个观点的时候了。
[0007]首先，制冷技术已经很成熟，用热泵技术移走热量实现制冷的效率已经很高，实现逆卡诺循环的实际效率可以达到理论值的60%以上。人们在维持低温热源T2温度的时候，还可以将热量转移到高温热源来进入再次循环，即便可能不经济，但是减少热排放、环保的作用可能变为主要目的。因此，如果必要，降低低温热源温度T2，既可行，也相对高效，继续研究下去，甚至有办法达到既经济又高效的结果。
[0008]2、温度越高效率越高
如果低温热源温度T2不能降低，那么确实高温热源Tl温度越高，理论效率越高。但是也就意味着产生热源能源物质的品质需要越高。环境的温差加大以后材料性能、系统散热问题越来越突出，综合成本也大幅度提高，整体经济性不一定就高！ 从下面的卡诺定理的效率公式nc=1-T2/Ti可以看出这个效率还有更有意思的情况，想达到同样的理论效率，如果T2越大，必须温差线性增大，Tl急剧升高。
[0009]T2=-200°C，TI=20°C，热机效率理论值约是 75% ；T2=20°C，T1=1300°C，热机效率理论值也是75% ;分析实际效率，假设摩擦损失一样，从超低温到常温的热机工作过程，几乎不会有热损失，甚至还会边膨胀做功、边吸受环境热，因为所有接触的热机零部件都有可能比工质温度高，整体热损失少或许还有增加；而在常温到1300°C高温之间工作的热机，其工质温度远远高于环境，必然会产生热量损失。显然在自然环境下，低温段工作的热机实际效率一定高于在高温段工作的热机；按能量热量总量条件分析，这两个过程，前者温差只有220度、后者温差达1280度，前者的能量可以免费资源中获得，后者的能量必须用燃料消耗获取。前者少量热能参与工作就有可能获得高效率，后者必须满足较高、较集中的热能供应条件才能追求高效率。如果考虑热机工作过程的材料、工艺、能源成本,追求高温的热机显然综合指标会大大低于低温段的热机。
[0010]如果温差一样，两组热机工作在不同温段，工作介质比热变化不大，热机热量消耗一样，但根据卡诺定理，工作温段越靠近绝对零度，低温热源温度T2小的理论效率高！高温段、低温段工作的热机效率理论值差异明显，高温段工作的热机几乎没有任何优点。
[0011]因此，这句话现在应该改为，工作温段越低，热机越容易获得高效。
[0012]3、过程热功转化效率等于系统热效率
其实卡诺循环本身没有这样说，后人们多这样理解和想当然。100多年前，维持低温热源恒温就依靠自然降温，还不到考虑效率的时候；维持高温热源恒温，就是燃料加热，也没有什么第二选择。
[0013]准确的说，卡诺定理是说明了一次热能循环过程中，热量转换为功的理论效率，未考虑没有转换为功的其余部分热。如果再利用的时候，不是做功，而是直接热的利用，那么系统的热效率实际是系统做功部分和不做功部分。做功部分有效率上限限制，而热量直接利用部分也许效率很高。系统当然可以理论上实现100%能量利用，也符合热力学第一定律。
[0014]或者换个思路，如果那部分没有转化为功利用的热，以某种方式“零功耗”、“零散失”方式被带回高温热源，进入下一次热机做功循环，那么按照比例，又会有部分热量转换为功；多次循环，最原始那一部分热转化为功的效率应该是趋向于100%。所以，不应该把某个过程的热功效率，默认等同于系统针对某个热源、某部分热能的整体热利用效率。
[0015]4、维持热源的方法
卡诺循环假设条件之一就是有一个高温热源和一个低温热源，它只研究热量从高温热源传递到低温热源之间时热机的效率，而并没有提及如何维持高温热源、维持低温热源、未转换为功的热量去向问题。早期人类没有能力高效率的实现热量、带有热量的工质从低温热源转移到高温热源，而现在有多种方法可以实现高效率热量转移，有的需要消耗功，有的仅需要热量就能实现热“搬运”，也到了研究较少热量散失、较少机械功付出，回收再利用“余热”，大幅度提闻系统热功转换效率的时候了。
目前已经可以有多种手段和方法在不消耗机械能的情况下实现将低温热源热量“搬回”、“带回”高温热源，减少低温热源对环境的热散失。如吸收式制冷机就是用高温热能驱动，回收再利用低温热能，输出中温热量，几乎不消耗机械能；高压锅炉在几乎不消耗机械功的情况下，产生的高温高压蒸汽利用射流抽真空原理吸收低温低压蒸汽，混合形成中温中压蒸汽，将低温低压蒸汽所含的热量，不需要冷凝、散失，直接“带回”下一次做功循环等；半导体热泵消耗电能就可以实现将低温热源的热量搬运到高温热源，这个电能可以来自于太阳能、水电、风能等。这几种方式都能实现给高温热源补充热量，同时搬走了低温热源的热量维持了低温恒定。
【发明内容】
[0016]本发明的目的是首先利用非机械动力的方式实现对卡诺热机做功后传递给低温热源的余热进行再利用，其次采用非机械功在采用“热泵”方式“搬运”热能的过程中消耗的能量最终转化为热作为热机高温热源的热量补充来源，通过回收再利用低温热源的散热，实现热机动力循环系统整体热效率的大幅度提闻。
[0017]本发明针对上述问题，提供一种改进的卡诺循环方法。
[0018]本发明所采用的技术方案是:一种改进的卡诺循环方法，包括以下步骤:
Si，热量从高温热量输入端输入，用以维持高温热源，高温热源输出热量到高温全热输
出；
S2，高温全热输出的热量经过高温驱动热泵或其它机械和非机械功驱动热泵吸收、混合低温热量输出的热量；
S3，高低温混合热能输出的热量传递给中温热源，用于维持中温热源；
S4，中温热源用于做功的中温全热输出经中低温热机做功后输出中低温输出有效功，同时中低温做功后余热输出的热量传递给低温热源。
[0019]进一步地，所述改进的卡诺循环方法，还包括:
系统从外界获取热量的来源是高温热量输入；
系统对外输出是中低温输出有效功；
系统对外散热是低温散热输出。
[0020]根据不同的热泵效率，低温热源分别处于需要进一步对外冷却散热、不需要散热、需要对低温热源进一步补充热量等三种状态。
[0021]本发明的优点:本发明将卡诺循环与逆卡诺循环结合在一起，这个新的热机循环具有从外界吸收热量、能量，利用新吸收的热量、能量将低温热源要散失的热量“搬运”回中温热源(相对低温热源具有较高温度的热源)，同时实现了高温、中温、低温热源的维持，中温热源借助卡诺热机将热量传递给低温热源的过程中对外输出功，余热传递到低温热源后，可以不需要散热，通过热泵和新补充的热能一起进入下一做功循环。热效率大大提高。
[0022]本发明的价值还在于用卡诺循环和逆卡诺循环解决了热力学第一定律和热力学第二定律矛盾的问题，证明所谓“第二类永动机”的错误定义，人类可以利用自然界大量的常温、低温、中温热量转换为功，可以根据不同的应用场景、目的，使用各种不同的能源实现资源灵活配置、资源循环使用。
[0023]除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
[0024]【专利附图】
【附图说明】
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0025]图1是本发明的一种改进的卡诺循环结构示意图；
图2是本发明的一种改进的卡诺循环方法流程图。
[0026]【专利附图】
【附图说明】:
I为高温热量输入、2为高温全热输出、3为高低温混合热能输出、4为中温全热输出、5为中低温做功后余热输出、6为再利用低温热量输出、7为低温散热输出、8为高温热源、9为中温热源、10为低温热源、11为中低温输出有效功、12为高温驱动热泵及13为中低温热机。
[0027]【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。[0028]图1示出了本发明的一种改进的卡诺循环结构示意图。
[0029]图2示出了本发明的一种改进的卡诺循环方法流程图。
[0030]参考图2，如图2所示的一种改进的卡诺循环方法，包括以下步骤:
SI，热量从高温热量输入I端输入，用以维持高温热源8，高温热源8输出热量到高温全热输出2 ；
S2，高温全热输出2的热量经过高温驱动热泵12或其它机械和非机械功驱动热泵吸收、混合低温热量输出6的热量；
S3，高低温混合热能输出3的热量传递给中温热源9，用于维持中温热源9 ;
S4，中温热源9用于做功的中温全热输出4经中低温热机13做功后输出中低温输出有效功11，同时中低温做功后余热输出5的热量传递给低温热源10。
[0031]所述的改进的卡诺循环方法，还包括:
系统从外界获取热量的来源是高温热量输入I;
系统对外输出是中低温输出有效功11;
系统对外散热是低温散热输出7。
[0032]QO为高温热量输入I的热量、Ql为高温全热输出2的热量、Q2为高低温混合热能输出3的热量、Q3为中温全热输出4的热量、Q4为中低温做功后余热输出5的热量、Q5为再利用低温热量输出6的热量、Q6为低温散热输出7的热量、Tl为高温热源8的热量、T2为中温热源9的热量、T3为低温热源10的热量、Wl为中低温输出有效功11的热量、MO为高温驱动热泵12的热量及M2为中低温热机13的热量。
[0033]参考图1，假设忽略摩擦、散热等热损耗，热量从QO输入，用以维持高温热源T I，T I输出Q I经过M O热泵吸收、混合低温热量Q5输出中温热量Q2传递给中温热源，用于维持中温热源；中温热源用于做功的中温全热Q3经M2热机做功后输出中低温有效功W1，同时余热Q4传递给低温热源T3 ；
系统从外界获取热量的来源是QO ；
系统对外输出是有效功Wl ；
系统对外散热是Q6 ；
根据能量守恒进行推算:
QO = Ql = Wl + Q6Q2 = Ql + Q5
Q3 = Q2 = Wl + Q4
Q4 = Q5 + Q6
假设，T1=900K，Τ2=400Κ，Τ3=300Κ:
根据卡诺定理，M2的理论效率是1_Τ3/Τ2=25%
根据逆卡诺循环原理，MO的理论 C0P=T2/(T2-T3)=4，则上述关系表达式推导结果如
下:
Q2 = Ql + Q5 = 4 QO
Wl = 25% Q2 = QO
Q4 = Q2 - Wl = 3 QO
Q6 = Q4 - Q5 = O
这时候系统理论上没有热排放，属于“第二类永动机”。但是符合热力学第一定律。
[0034]该循环用一个大温差平台的“逆卡诺循环”、包含了一个“卡诺循环”。上述过程中，如果提高T3，MO热泵COP效率提高，最后的结果Q6将是负输出，其含义在于需要补充热量，也就是说需要另一个较高温度热源输出热量，给低温热源供热；如果降低T3，或者其它原因造成MO热泵的COP降低，Q6结果将非零，是正数，开始需要散热来维持低温热源恒温。
[0035]在实际已有的应用中，Tl取决于直接、间接借助合适的工质影响MO这个环节的COP值。例如采用吸收式制冷机，温度越高，效率越高，越接近理论值；如果采用流体驱动的射流真空泵、气体放大器方式实现热泵，Tl越高，工质的温度越高、压力越大、抽真空混合能力越强。
[0036]上述过程中，T2、T3越近，内部M2效率越低，系统越容易实现。这在工程上的意义可以降低热机的工作压力、安全风险、制造成本、热量散失等。当然，效率太低以后，难以抵消过程中系统的整体能量损耗，就没有实际意义。
[0037]本发明根据能量守恒定律，QO也可以是一种输入能量W0，WO可以是电能、风能、太阳能、机械能、热能；Ql也可以理解为一种与QO相同或不同的能量输出方式，主要是取决于热泵的驱动模式，输出的能源方式满足所选择的热泵的种类；热泵的选择，则是基于系统应用过程的过程要求；T1高温热源也可以解释为是WO转换平台，持续不断将输入的能源转换为热泵所需要驱动能源资源。
[0038]本发明将卡诺循环与逆卡诺循环结合在一起，这个新的热机循环具有从外界吸收热量、能量，利用新吸收的热量、能量将低温热源要散失的热量“搬运”回中温热源(相对低温热源具有较高温度的热源)，同时实现了高温、中温、低温热源的维持，中温热源借助卡诺热机将热量传递给低温热源的过程中对外输出功，余热传递到低温热源后，可以不需要散热，通过热泵和新补充的热能一起进入下一做功循环。热效率大大提高。
[0039]本发明的价值还在于用卡诺循环和逆卡诺循环解决了热力学第一定律和热力学第二定律矛盾的问题，证明所谓“第二类永动机”的错误定义，人类可以利用自然界大量的常温、低温、中温热量转换为功，可以根据不同的应用场景、目的，使用各种不同的能源实现资源灵活配置、资源循环使用。
[0040]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种改进的卡诺循环方法，其特征在于，包括以下步骤: SI，热量从高温热量输入(I)端输入，用以维持高温热源(8)，高温热源(8)输出热量到高温全热输出(2)； S2，高温全热输出(2)的热量经过高温驱动热泵(12)或其它机械和非机械功驱动热泵吸收、混合低温热量输出(6)的热量； S3，高低温混合热能输出(3)的热量传递给中温热源(9)，用于维持中温热源(9)； S4，中温热源(9)用于做功的中温全热输出(4)经中低温热机(13)做功后输出中低温输出有效功(11)，同时中低温做功后余热输出(5)的热量传递给低温热源(10)。
2.根据权利要求2所述的改进的卡诺循环方法，其特征在于，还包括: 系统从外界获取热量的来源是高温热量输入(I)； 系统对外输出是中低温输出有效功(11); 系统对外散热是低温散热输出(7)。
【文档编号】F01K23/06GK103939159SQ201410196490
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年5月12日 优先权日:2014年5月12日
【发明者】苟仲武 申请人:苟仲武
【专利摘要】本发明公开了一种改进的卡诺循环方法，包括步骤：热量从高温热量输入端输入，用以维持高温热源，高温热源输出热量到高温全热输出；高温全热输出的热量经过高温驱动热泵或其它机械和非机械功驱动热泵吸收、混合低温热量输出的热量；高低温混合热能输出的热量传递给中温热源，用于维持中温热源；中温热源用于做功的中温全热输出经中低温热机做功后输出中低温输出有效功，同时中低温做功后余热输出的热量传递给低温热源。本发明将卡诺循环与逆卡诺循环结合在一起，同时实现了高温、中温、低温热源的维持，中温热源借助卡诺热机将热量传递给低温热源的过程中对外输出功，余热传递到低温热源后，可以不需要散热，通过热泵和新补充的热能一起进入下一做功循环。热效率大大提高。
【专利说明】一种改进的卡诺循环方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及卡诺循环，具体涉及一种改进的卡诺循环方法。
【背景技术】
[0002]卡诺循环是1824年N.L.S.卡诺在对热机的最大可能效率问题作理论研究时提出的。卡诺进一步证明了下述卡诺定理:①在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可逆热机的效率都相等，与工作物质无关，其中Tl、T2分别是高温和低温热源的绝对温度。②在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切不可逆热机的效率不可能大于可逆卡诺热机的效率。可逆和不可逆热机分别经历可逆和不可逆的循环过程。
[0003]卡诺定理阐明了热机效率的限制，指出了提高热机效率的方向(提高Tl、降低T2、减少散热、漏气、摩擦等不可逆损耗，使循环尽量接近卡诺循环)，成为热机研究的理论依据、热机效率的限制、实际热力学过程的不可逆性及其间联系的研究，导致热力学第二定律的建立。
[0004]卡诺定理阐明了热机效率的限制，指出了提高热机效率的方向，可以简要理解为提高高温温度、降低低温温度、减少其它机械摩擦和热损耗。
[0005]卡诺定理也并确实没有限定低温必须高于多少？高温必须是什么范围？经过100多年的应用，人们已经太熟悉它了，今天反而人们几乎很少再去仔细推敲它的每一个字句，更多的人则是习惯于从前人那里吸收“成熟”的理论和实践经验，继续应用。
[0006]老师在给学生传授有关卡诺定理知识的时候，常常忘不了额外补充几句，比如:“实际上、低温热源温度T2降低很难实现，人们大都考虑如何提高高温热源温度Tl，来提高效率”、“显然，高温热源温度Tl越高，效率越高”、“卡诺循环决定了热机的最高理想效率，任何系统的效率都不可能超过这一结果”，等等。这几句话表面上看好像没有问题，但是再仔细推敲一下，就有些问题:
1、低温热源温度难以降低
在19世纪，甚至到20世纪初，确实，热机工作的低温热源通常是周围自然环境温度，降低环境的温度难度大、成本高，是不足取的办法。但是现在，已经今非昔比，很多条件、目标、要求都发生了很大的变化，到了该否定这个观点的时候了。
[0007]首先，制冷技术已经很成熟，用热泵技术移走热量实现制冷的效率已经很高，实现逆卡诺循环的实际效率可以达到理论值的60%以上。人们在维持低温热源T2温度的时候，还可以将热量转移到高温热源来进入再次循环，即便可能不经济，但是减少热排放、环保的作用可能变为主要目的。因此，如果必要，降低低温热源温度T2，既可行，也相对高效，继续研究下去，甚至有办法达到既经济又高效的结果。
[0008]2、温度越高效率越高
如果低温热源温度T2不能降低，那么确实高温热源Tl温度越高，理论效率越高。但是也就意味着产生热源能源物质的品质需要越高。环境的温差加大以后材料性能、系统散热问题越来越突出，综合成本也大幅度提高，整体经济性不一定就高！ 从下面的卡诺定理的效率公式nc=1-T2/Ti可以看出这个效率还有更有意思的情况，想达到同样的理论效率，如果T2越大，必须温差线性增大，Tl急剧升高。
[0009]T2=-200°C，TI=20°C，热机效率理论值约是 75% ；T2=20°C，T1=1300°C，热机效率理论值也是75% ;分析实际效率，假设摩擦损失一样，从超低温到常温的热机工作过程，几乎不会有热损失，甚至还会边膨胀做功、边吸受环境热，因为所有接触的热机零部件都有可能比工质温度高，整体热损失少或许还有增加；而在常温到1300°C高温之间工作的热机，其工质温度远远高于环境，必然会产生热量损失。显然在自然环境下，低温段工作的热机实际效率一定高于在高温段工作的热机；按能量热量总量条件分析，这两个过程，前者温差只有220度、后者温差达1280度，前者的能量可以免费资源中获得，后者的能量必须用燃料消耗获取。前者少量热能参与工作就有可能获得高效率，后者必须满足较高、较集中的热能供应条件才能追求高效率。如果考虑热机工作过程的材料、工艺、能源成本,追求高温的热机显然综合指标会大大低于低温段的热机。
[0010]如果温差一样，两组热机工作在不同温段，工作介质比热变化不大，热机热量消耗一样，但根据卡诺定理，工作温段越靠近绝对零度，低温热源温度T2小的理论效率高！高温段、低温段工作的热机效率理论值差异明显，高温段工作的热机几乎没有任何优点。
[0011]因此，这句话现在应该改为，工作温段越低，热机越容易获得高效。
[0012]3、过程热功转化效率等于系统热效率
其实卡诺循环本身没有这样说，后人们多这样理解和想当然。100多年前，维持低温热源恒温就依靠自然降温，还不到考虑效率的时候；维持高温热源恒温，就是燃料加热，也没有什么第二选择。
[0013]准确的说，卡诺定理是说明了一次热能循环过程中，热量转换为功的理论效率，未考虑没有转换为功的其余部分热。如果再利用的时候，不是做功，而是直接热的利用，那么系统的热效率实际是系统做功部分和不做功部分。做功部分有效率上限限制，而热量直接利用部分也许效率很高。系统当然可以理论上实现100%能量利用，也符合热力学第一定律。
[0014]或者换个思路，如果那部分没有转化为功利用的热，以某种方式“零功耗”、“零散失”方式被带回高温热源，进入下一次热机做功循环，那么按照比例，又会有部分热量转换为功；多次循环，最原始那一部分热转化为功的效率应该是趋向于100%。所以，不应该把某个过程的热功效率，默认等同于系统针对某个热源、某部分热能的整体热利用效率。
[0015]4、维持热源的方法
卡诺循环假设条件之一就是有一个高温热源和一个低温热源，它只研究热量从高温热源传递到低温热源之间时热机的效率，而并没有提及如何维持高温热源、维持低温热源、未转换为功的热量去向问题。早期人类没有能力高效率的实现热量、带有热量的工质从低温热源转移到高温热源，而现在有多种方法可以实现高效率热量转移，有的需要消耗功，有的仅需要热量就能实现热“搬运”，也到了研究较少热量散失、较少机械功付出，回收再利用“余热”，大幅度提闻系统热功转换效率的时候了。
目前已经可以有多种手段和方法在不消耗机械能的情况下实现将低温热源热量“搬回”、“带回”高温热源，减少低温热源对环境的热散失。如吸收式制冷机就是用高温热能驱动，回收再利用低温热能，输出中温热量，几乎不消耗机械能；高压锅炉在几乎不消耗机械功的情况下，产生的高温高压蒸汽利用射流抽真空原理吸收低温低压蒸汽，混合形成中温中压蒸汽，将低温低压蒸汽所含的热量，不需要冷凝、散失，直接“带回”下一次做功循环等；半导体热泵消耗电能就可以实现将低温热源的热量搬运到高温热源，这个电能可以来自于太阳能、水电、风能等。这几种方式都能实现给高温热源补充热量，同时搬走了低温热源的热量维持了低温恒定。
【发明内容】
[0016]本发明的目的是首先利用非机械动力的方式实现对卡诺热机做功后传递给低温热源的余热进行再利用，其次采用非机械功在采用“热泵”方式“搬运”热能的过程中消耗的能量最终转化为热作为热机高温热源的热量补充来源，通过回收再利用低温热源的散热，实现热机动力循环系统整体热效率的大幅度提闻。
[0017]本发明针对上述问题，提供一种改进的卡诺循环方法。
[0018]本发明所采用的技术方案是:一种改进的卡诺循环方法，包括以下步骤:
Si，热量从高温热量输入端输入，用以维持高温热源，高温热源输出热量到高温全热输
出；
S2，高温全热输出的热量经过高温驱动热泵或其它机械和非机械功驱动热泵吸收、混合低温热量输出的热量；
S3，高低温混合热能输出的热量传递给中温热源，用于维持中温热源；
S4，中温热源用于做功的中温全热输出经中低温热机做功后输出中低温输出有效功，同时中低温做功后余热输出的热量传递给低温热源。
[0019]进一步地，所述改进的卡诺循环方法，还包括:
系统从外界获取热量的来源是高温热量输入；
系统对外输出是中低温输出有效功；
系统对外散热是低温散热输出。
[0020]根据不同的热泵效率，低温热源分别处于需要进一步对外冷却散热、不需要散热、需要对低温热源进一步补充热量等三种状态。
[0021]本发明的优点:本发明将卡诺循环与逆卡诺循环结合在一起，这个新的热机循环具有从外界吸收热量、能量，利用新吸收的热量、能量将低温热源要散失的热量“搬运”回中温热源(相对低温热源具有较高温度的热源)，同时实现了高温、中温、低温热源的维持，中温热源借助卡诺热机将热量传递给低温热源的过程中对外输出功，余热传递到低温热源后，可以不需要散热，通过热泵和新补充的热能一起进入下一做功循环。热效率大大提高。
[0022]本发明的价值还在于用卡诺循环和逆卡诺循环解决了热力学第一定律和热力学第二定律矛盾的问题，证明所谓“第二类永动机”的错误定义，人类可以利用自然界大量的常温、低温、中温热量转换为功，可以根据不同的应用场景、目的，使用各种不同的能源实现资源灵活配置、资源循环使用。
[0023]除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
[0024]【专利附图】
【附图说明】
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0025]图1是本发明的一种改进的卡诺循环结构示意图；
图2是本发明的一种改进的卡诺循环方法流程图。
[0026]【专利附图】
【附图说明】:
I为高温热量输入、2为高温全热输出、3为高低温混合热能输出、4为中温全热输出、5为中低温做功后余热输出、6为再利用低温热量输出、7为低温散热输出、8为高温热源、9为中温热源、10为低温热源、11为中低温输出有效功、12为高温驱动热泵及13为中低温热机。
[0027]【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。[0028]图1示出了本发明的一种改进的卡诺循环结构示意图。
[0029]图2示出了本发明的一种改进的卡诺循环方法流程图。
[0030]参考图2，如图2所示的一种改进的卡诺循环方法，包括以下步骤:
SI，热量从高温热量输入I端输入，用以维持高温热源8，高温热源8输出热量到高温全热输出2 ；
S2，高温全热输出2的热量经过高温驱动热泵12或其它机械和非机械功驱动热泵吸收、混合低温热量输出6的热量；
S3，高低温混合热能输出3的热量传递给中温热源9，用于维持中温热源9 ;
S4，中温热源9用于做功的中温全热输出4经中低温热机13做功后输出中低温输出有效功11，同时中低温做功后余热输出5的热量传递给低温热源10。
[0031]所述的改进的卡诺循环方法，还包括:
系统从外界获取热量的来源是高温热量输入I;
系统对外输出是中低温输出有效功11;
系统对外散热是低温散热输出7。
[0032]QO为高温热量输入I的热量、Ql为高温全热输出2的热量、Q2为高低温混合热能输出3的热量、Q3为中温全热输出4的热量、Q4为中低温做功后余热输出5的热量、Q5为再利用低温热量输出6的热量、Q6为低温散热输出7的热量、Tl为高温热源8的热量、T2为中温热源9的热量、T3为低温热源10的热量、Wl为中低温输出有效功11的热量、MO为高温驱动热泵12的热量及M2为中低温热机13的热量。
[0033]参考图1，假设忽略摩擦、散热等热损耗，热量从QO输入，用以维持高温热源T I，T I输出Q I经过M O热泵吸收、混合低温热量Q5输出中温热量Q2传递给中温热源，用于维持中温热源；中温热源用于做功的中温全热Q3经M2热机做功后输出中低温有效功W1，同时余热Q4传递给低温热源T3 ；
系统从外界获取热量的来源是QO ；
系统对外输出是有效功Wl ；
系统对外散热是Q6 ；
根据能量守恒进行推算:
QO = Ql = Wl + Q6Q2 = Ql + Q5
Q3 = Q2 = Wl + Q4
Q4 = Q5 + Q6
假设，T1=900K，Τ2=400Κ，Τ3=300Κ:
根据卡诺定理，M2的理论效率是1_Τ3/Τ2=25%
根据逆卡诺循环原理，MO的理论 C0P=T2/(T2-T3)=4，则上述关系表达式推导结果如
下:
Q2 = Ql + Q5 = 4 QO
Wl = 25% Q2 = QO
Q4 = Q2 - Wl = 3 QO
Q6 = Q4 - Q5 = O
这时候系统理论上没有热排放，属于“第二类永动机”。但是符合热力学第一定律。
[0034]该循环用一个大温差平台的“逆卡诺循环”、包含了一个“卡诺循环”。上述过程中，如果提高T3，MO热泵COP效率提高，最后的结果Q6将是负输出，其含义在于需要补充热量，也就是说需要另一个较高温度热源输出热量，给低温热源供热；如果降低T3，或者其它原因造成MO热泵的COP降低，Q6结果将非零，是正数，开始需要散热来维持低温热源恒温。
[0035]在实际已有的应用中，Tl取决于直接、间接借助合适的工质影响MO这个环节的COP值。例如采用吸收式制冷机，温度越高，效率越高，越接近理论值；如果采用流体驱动的射流真空泵、气体放大器方式实现热泵，Tl越高，工质的温度越高、压力越大、抽真空混合能力越强。
[0036]上述过程中，T2、T3越近，内部M2效率越低，系统越容易实现。这在工程上的意义可以降低热机的工作压力、安全风险、制造成本、热量散失等。当然，效率太低以后，难以抵消过程中系统的整体能量损耗，就没有实际意义。
[0037]本发明根据能量守恒定律，QO也可以是一种输入能量W0，WO可以是电能、风能、太阳能、机械能、热能；Ql也可以理解为一种与QO相同或不同的能量输出方式，主要是取决于热泵的驱动模式，输出的能源方式满足所选择的热泵的种类；热泵的选择，则是基于系统应用过程的过程要求；T1高温热源也可以解释为是WO转换平台，持续不断将输入的能源转换为热泵所需要驱动能源资源。
[0038]本发明将卡诺循环与逆卡诺循环结合在一起，这个新的热机循环具有从外界吸收热量、能量，利用新吸收的热量、能量将低温热源要散失的热量“搬运”回中温热源(相对低温热源具有较高温度的热源)，同时实现了高温、中温、低温热源的维持，中温热源借助卡诺热机将热量传递给低温热源的过程中对外输出功，余热传递到低温热源后，可以不需要散热，通过热泵和新补充的热能一起进入下一做功循环。热效率大大提高。
[0039]本发明的价值还在于用卡诺循环和逆卡诺循环解决了热力学第一定律和热力学第二定律矛盾的问题，证明所谓“第二类永动机”的错误定义，人类可以利用自然界大量的常温、低温、中温热量转换为功，可以根据不同的应用场景、目的，使用各种不同的能源实现资源灵活配置、资源循环使用。
[0040]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种改进的卡诺循环方法，其特征在于，包括以下步骤: SI，热量从高温热量输入(I)端输入，用以维持高温热源(8)，高温热源(8)输出热量到高温全热输出(2)； S2，高温全热输出(2)的热量经过高温驱动热泵(12)或其它机械和非机械功驱动热泵吸收、混合低温热量输出(6)的热量； S3，高低温混合热能输出(3)的热量传递给中温热源(9)，用于维持中温热源(9)； S4，中温热源(9)用于做功的中温全热输出(4)经中低温热机(13)做功后输出中低温输出有效功(11)，同时中低温做功后余热输出(5)的热量传递给低温热源(10)。
2.根据权利要求2所述的改进的卡诺循环方法，其特征在于，还包括: 系统从外界获取热量的来源是高温热量输入(I)； 系统对外输出是中低温输出有效功(11); 系统对外散热是低温散热输出(7)。
【文档编号】F01K23/06GK103939159SQ201410196490
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年5月12日 优先权日:2014年5月12日
【发明者】苟仲武 申请人:苟仲武
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