CN108071431A - 利用循环升压升温节能方法 - Google Patents

Abstract

一种利用循环升压升温节能方法，属于热能动力领域，动力系统使工质在升压、升温及膨胀做功等过程中循环工作，动力系统采用了循环升压过程及循环升温过程最大程度实现高参数高效率工作。环升压过程是指升压后流体有循环通道与升压装置入口相连，在循环通道上布置有喷嘴使循环工质在喷射状态与被升压工质混合后进入升压装置；循环升温过程是指动力系统采用了由回热喷射器与回热循环管路组成的回热装置，经过升压装置升压的动力工质通过喷嘴喷射进入回热喷射器内，回热工质由回热循环管路引到喷射器入口，动力工质与回热工质在回热喷射器内混合减速扩压排出后完成回热过程。

Description

利用循环升压升温节能方法

技术领域

本发明属于热能动力或流体动力领域。

背景技术

在热能动力或流体动力领域，提高压力与温度参数是提高热效率最基本的措施，同时采 用回热循环也是提高热效率的重要手段，回热循环除了利于余热利用外还有一个重要的意义 是提高了获取热源的温度，对高温热源而言被加热工质温度越高热利用效率越高。对于热力 循环中的定压加热过程，要想让热力循环尽可能接近理想卡诺循环的热效率就必须充分发挥 回热循环的作用，而目前回热过程都采用换热器换热，由于升温过程工质压力总是很高导致 换热器成本高温差损失大。

另外在获得压力参数方面，大型电厂的蒸汽动力循环采用给水泵可获得超临界甚至超超 临界压力，但燃气循环或其它压缩气体动力系统中因为压缩机获得压力能力有限，一般都是 亚临界压力以内工作，压缩气体散热难以及压缩比太高导致各种损失大，设备制造工艺成本 也很高，严重制约着压缩效率提高，进而严重制约着热力系统及压缩气体动力系统性能发展。

发明内容

本发明的目的：利用循环效应大幅度提高动力系统做功参数与循环热效率，同时大幅度 降低成本。

本发明的技术方案：

一种利用循环升压升温节能方法，属于热能动力或流体动力领域，动力系统通过升压装 置提高工质压力使工质在包括但不限于升压、升温及膨胀做功过程中循环工作，其特征是： 动力系统采用了循环升温过程或循环升压过程，或者同时采用了循环升温过程与循环升压过 程，通过循环升温过程与循环升压过程获得高温高压参数提高动力系统循环热效率。

这里所述的循环升压过程是指升压后的气体工质有循环通道与升压装置入口相连，在循 环通道上布置有喷嘴使循环工质在喷射状态进入升压装置。

所述的循环升温过程是指动力系统采用了由回热喷射器与回热循环管路组成的回热装 置，经过升压装置升压的动力工质通过喷嘴喷射进入回热喷射器内，回热工质由回热循环管 路引入到回热喷射器入口内，动力工质与回热工质在回热喷射器内混合减速扩压后完成回热 过程，采用回热喷射器最大的优势可以省掉高压换热器，大幅度简化回热系统。

同一升压装置在采用循环升压后比直接升压会大幅度提高压力，同时方便升压过程中间 排热，而且可以用于无转机冲压方式升压，即升压装置可以采用由冲压喷射器与循环通道组 成循环冲压式升压装置，循环通道工质与被升压工质同时进入冲压喷射器混合减速扩压后完 成冲压过程，不仅大幅度简化设备而且方便与采用流体热动力升压。

利用喷射器实现循环升压与循环升温不仅原理结构基本相同，而且一般情况同一喷射器 中总是同时实现升压与升温，因此喷射器即可以用来升压也可以用来升温，或同时实现升温 升压，用于循环冲压可以兼备循环升压与循环升温双重特性，选择合适的运行参数甚至可以 去掉其它升压装置实现独立运行，因此可以采用启动气源为喷射器入口提供启动喷射动力， 达到循环冲压稳定工作后与启动气源分离独立工作。

喷射器特点是工质从入口高速喷射到容器内后经过减速扩压后排出的工作过程，两种或 多种不同参数工质同时喷射时内部存在膨胀压缩及热传递的过程，即必然有工质发生升温升 压过程，采用循环升温升压节能方法非常有利于简化动力系统，而且当压力与回热温度参数 足够高时，结合热泵排热与回收余热过程尤其采用最简单的喷射分流器的热泵过程，容易做 到全部回收余热而成为自冷式做功循环，自冷式做功循环的实质是单一热源做功，在专利申 请CN201310497436.1与CN201611052205.X中有详细描述。

本发明具体工作原理将在实施例中进一步描述。

本发明的优点：

1.采用回热喷射器与循环管路组成回热循环，可以在混合式传热过程中实现回热换 热，有利于充分发挥回热优势，降低回热成本，简单高效。

2.采用回热喷射器与循环管路组成回热循环，不受吸热侧工质温度影响，而传统的热 力循环为回收余热吸热侧工质初始温度得低于回热温度，非常有利于更多回热节能应用。

3.采用循环升压方式对比压缩机而言不仅节能更有利于获得高压参数，减小体积降低 成本，在循环管路增加中间排热装置后彻底简化高参数升压装置而大幅度提高性能，因为是 在循环压力基础上循环升压而理论上可以获得容器或设备材料承压范围内任意高压的压缩气 体，是解决热力系统实现高压力参数运行最好方法，而在目前的能源动力行业，难以实现高 参数高效率运行是小机组动力设备最大的瓶颈。

4.循环冲压的实质是流体动力装置自升压模式，而且可以发挥利用热动力直接升压的 优势，简单高效低成本，既摆脱了高压转动机械的高成本又可以实现管路材料能承受的极限 压力，为小微热力机组实现低成本高参数高效率做功扫清了障碍，对目前分布式能源模式意 义重大。

5.利用循环升压升温方法以及循环冲压装置最有利于低成本提高参数乃至超临界实 现自冷式热力循环。

6.本发明简单低成本，容易实现高参数高效率，采用冲压喷射器的升压回热与喷射分 流器的热泵装置，既有利于获得超临界参数而不必液化工质，也有利于充分发挥回热及热泵 优势，使自冷式热力循环彻底简化，为自冷式热力做功方法低成本普遍推广扫清了最后难题。

附图说明

图1是回热循环温熵示意图；图2是利用循环升温的回热系统示意图；图3是采用了循 环升压升温的热力系统示意图；图4、5是采用了喷射分流器的循环升压升温系统示意图；图 6是采用循环升压的热力系统示意图；图7是理想回热循环与卡诺循环的温熵图对比示意图； 图8、9是循环冲压动力系统原理图；图10是闭式循环冲压动力系统；图11是喷射分离器与 膨胀做功装置并联工作循环冲压动力系统示意图；图12是开式纯空气能喷气动力系统；图 13是采用了喷射分流器及喷射抽气热泵的循环冲压动力系统示意图；图14、15、16是三种 喷射分流器低温工质直接喷射进入冲压喷射器入口的循环冲压动力系统；图17与18是喷射 分流器与冲压喷射器的连接方式为在冲压喷射器尾部采用湾流分流结构循环冲压动力系统示 意图；图19为喷射管换热器；图20为循环冲压式热泵循环系统；图21、22、23、24分别是 四种尾部喷射调节状态示意图；图25、26是两种喷射折流分流器。

具体实施方式

实施方式1，利用循环升温热力系统

如附图1所示的回热循环温熵示意图，定压升温过程AB与定压排热过程CD可以通过 回热换热，有利于实现从热源吸热过程BC尽可能高温吸热，是实际热力循环追求高效率重 要的节能方法，图中用虚线表示了回热循环过程，类似于系统内热量循环。

如附图2所示的利用循环升温的回热系统示意图，回热喷射器102与回热循环管路104 组成回热装置，升压装置(中间冷却多级压缩机)101将空气压缩后通过喷嘴进入回热喷射 器102，与回热工质一起喷射混合后减速扩压完成混合传热，从循环喷射器出来的工质经过 加热器103吸热升温后进入膨胀做功装置105做功，最后排出的余热工质排出系统或者部分 通过回热循环管路104进入回热喷射器102循环工作。

实施方式2，循环升压

如附图3所示的的采用了循环升温升压的热力系统示意图，升压装置200采用循环升压 方式，出口部分工质通过循环管路207回到升压装置入口并且通过喷嘴喷射进入升压装置入 口。在循环管路上增加湾流式喷射分流器205，喷射分流器205入口除了通过喷嘴与循环管 路连接外同时增加了湿气体(或可发生相变的工质)喷嘴与管路206，工作时循环工质与湿 气体共同喷射进入喷射分流器并且产生蒸发及热传递过程并出现密度分层，高密度低温工质 在湾流外层，低密度热工质在湾流的内层，以此实现对循环工质的排热降温，其排冷管202 排出的低温工质通过喷嘴201a喷射进入升压装置入口201与被升压工质一起进入升压装置 (入口201与喷嘴201a实质是组合成一种喷射抽气器工作方式)，排热管203排出热工质， 增加的可偏转舌板204可调节排冷排热流量比例。如果排热充分，有排热冷却过程的循环升 压过程理论上可达到工程应用需要的管路能承受的任意高压力。回热喷射器210入口增加进 气管路209及喷嘴抽吸空气，是一种开式回热方式，并且增加了循环管路208实现高温回热， 从回热喷射器出来的工质加热升温后进入膨胀做功装置做功。

这里所述的喷射分流器是专利申请CN201510346819.8提出的，是指使工质在高速流动 同时通过改变流动方向使具有不同密度混合工质出现密度分层，高密度工质分布于流动外层， 低密度工质分布于流动内层，进入喷射分流器的混合工质包含有可发生相变的流体，或者气 体工质与可发生相变的流体从不同喷嘴进入并混合，分离出的外层低温工质与内层热工质分 别由排冷管及排热管排出成为喷射分流器，喷射分流器的分流方式可以是喷射旋流或喷射湾 流或叶轮式喷射分流，另外本申请提出了喷射折流式分流器，将在后面介绍。喷射分流器可 用于简单的冷热分流式热泵过程，也可以采用喷射抽气器抽吸热气流组成喷射抽气式热泵， 简单高效具有很好的实用性，尤其湾流式或折流式喷射分流器简单高效实用，对本发明非常 重要。

另外，如附图6所示，循环升压也可以用于普通热力循环，其中用虚线表示了回热换热 器流程。

概括而言，所谓循环升压是升压装置的出口后流体有循环通道与入口相连，在循环通道 上布置有喷嘴使循环工质喷射进入升压装置入口，是可以借助循环动力乃至循环热动力提高 压力参数的新方法。

实施方式3，采用循环升压升温的自冷式做功系统

如附图4所示的膨胀做功装置后采用喷射分流器系统示意图，在回热循环与循环升压装 置的循环管路上增加了用于使工质排热的喷射分流器304与302，分离出热气流通过回热管 路303与301(为简化区别图示采用虚线表示回热管路，同时也表示可有可无，有则是闭式 循环，无则是开式循环)被回热喷射器抽吸回收或排出系统，当分离出的热气流被回热喷射 器全部回收时成为完全自冷式热力做功循环。其中喷射分流器302排出的冷气流直接进入升 压装置，省掉了再次喷射过程减小损失。

如附图5所示的采用了喷射分流器及喷射抽气热泵的循环升温升压系统，是在附图4的 基础上去掉喷射分流器304，结构更简单，但需要回热喷射器有更高的喷射动力，采用闭式 循环的优势是循环利用了湿气体，有利于减少或避免加水加湿。

关于自冷式做功方法将在实施例11中详细论证。

综合以上各实施方式，回热循环管路入口可以引入进入膨胀做功装置之前(如附图3中 208)或之中(目前蒸汽机组传统回热循环普遍采用)或之后(如附图2中104)的工质使之 成为回热工质，或者在开式循环中引入空气使之成为回热工质，或者采用了所述四种引入回 热工质方式中的任意两种或多种，当升压装置循环升压产生压力足够大，例如远高于临界压 力使回热喷射器出口达到超临界压力，可实现余热在回热循环中全部回收，或者使膨胀装置 排放温度低于环境空气温度，成为完全自冷式做功循环。

实施方式4，循环冲压动力系统

如附图8所示的循环升压升温动力系统，其特点是循环升压过程中的升压后循环流量来 自于喷射分流器排出的低温工质，工作流程是在冲压喷射器403后面连接了加热器404然后 连接了喷射分流器405(这里喷射分流器没有采用增加加湿管路，默认为工质是可凝气体， 在实际工程应用中可根据具体工质性质确定是否加湿，以下各实施方式相同)，喷射分流器排 出的热工质通过加热器407加热继续升温后进入膨胀做功装置406做功，最后排出系统，喷 射分流器排出的低温工质接入循环升压通道408形成循环冲压，循环升压通道使升压装置401 入口压力升高进而使出口压力升高，而这里的冲压喷射器403同时具有升温升压功能，因此 喷射分流器对低温工质的循环加速作用会促使循环压力逐步升高温度也会升高，直到运行需 要的高参数要求。事实上，循环冲压效应可以使升压装置401需要的功率大幅度减小，甚至 为0。

如附图9所示的循环升压升温动力系统，当升压装置401使工作压力达到一定程度后可 以停止工作，同时逆止阀409自动打开而系统进入全冲压自动循环，事实上这是形成正反馈 循环过程，直到因为流速增大流动阻力升高达到平衡而稳定工作，或者增加进气通道402内 的被压缩气体流量使压力稳定，说明当循环压力达到一定程度后不需要升压装置使得循环冲 压动力系统具有自升压的能力，具备了独立循环升压功能，只是开始需要升压装置401启动 运行。

循环冲压动力系统可采用附图8、9所示的开式循环，膨胀做功装置对外排放工质，冲 压喷射器从大气抽吸空气使之成为被升压工质；或采用闭式循环，被升压工质来自膨胀做功 装置排出的部分气体。如附图10所示的闭式循环冲压动力系统，当动力系统循环压力达到自 冷式做功条件后，可以全部回收膨胀做功装置排放工质，因此可以去掉与启动气源连接的的 接口与阀门独立工作。

类似原理，如附图11所示的喷射分离器405与膨胀做功装置并联工作循环冲压动力系 统，是一种开式循环方式，可用于纯空气能动力系统，膨胀做功装置对外排放工质，冲压喷 射器从大气抽吸被升压工质即空气，而且喷射分流器与膨胀做功装置前分别布置的加热器有 利于合理分布内部工质的温度参数；如附图12所示的开式纯空气能喷气动力系统，可以视为 是附图10所示闭式系统对应的开式循环，只是膨胀做功装置由涡轮改为喷管411；如附图13 所示的采用了喷射分流器及喷射抽气热泵装置的循环冲压动力系统，是在附图11所示系统的 基础上增加了喷射抽气器412抽吸喷射分流器排出的热工质，增强喷射分流器的性能，提高 排出的冷气流的压力，更有利于实现自冷式热力循环。

循环冲压方式的实质是在循环升压原理的基础上采用冲压喷射器成为升压装置，升压循 环通道工质与被升压工质同时进入冲压喷射器混合减速扩压后完成冲压式升压过程，简单而 言是冲压喷射器取代传统升压装置，不仅可以省掉传统的转动机械式升压装置，而且冲压压 力可以正反馈式升高而只受管道承压能力限制，可以获得更高压力，这为动力系统高参数运 行实现自冷式热力循环提供了更方便的条件，必将大幅度提高自冷式热力系统的实用性。

实施方式5，喷射分流器的应用方式

通过前面各实施方式中说明了循环升温升压动力系统与循环冲压动力系统中，在升压循 环通道上都可以布置散热器或热泵以降低循环温度提高升压参数，甚至散热器与热泵都采用。 所述的热泵最简单的方式是采用喷射分流器，升压循环通道的工质先喷射进入喷射分流器， 喷射分流器排出的低温工质进入升压装置的入口，并且可以灵活采用以下喷射分流器应用方 式：

(1)膨胀做功装置的入口通道与升压循环通道按并联方式布置(如附图3、11、13、14 所示)，喷射分流器排出的热工质最终排出系统或被系统部分或全部回收，如采用了喷射分流 器的各附图所示；

(2)喷射分流器分离出的热工质最终进入膨胀做功装置，如附图8、9、10、14、17所示；

(3)喷射分流器与冲压喷射器的连接方式为喷射分流器的低温工质直接喷射进入冲压 喷射器，如附图14、15、16所示；

(4)喷射分流器采用了折流分流结构，如附图25、26所示，前者为一次折流结构，后者为二次折流结构，所述的折流分流结构是指射流改变方向的通道结构方式是具有一个或多 个折流角度而不是弧度，其实质是一种特殊的湾流分流方式，优点是工艺更简单流动损失更 小；

(5)喷射分流器与冲压喷射器的连接方式为二者合二为一，在冲压喷射器尾部采用湾 流或折流等分流结构分别排出热工质与低温工质，如附图17、18所示，其中附图18所示的 喷射动力系统采用的膨胀做功装置是喷射抽气器502，在产生喷射动力的同时抽取了喷射分 流器排出的热气流为喷射分流器提供热泵动力，有利于实现自冷式热力循环；或者合并方式 为喷射分流器入口增加被升压工质接入通道使被升压工质与动力气源一起喷射进入喷射分流 器，如附图4、5中喷射分流器302也具有冲压喷射与分流器功能；

(6)动力系统增加喷射抽气器抽吸喷射分流器排出的热工质，喷射抽气器与膨胀做功 装置串连工作，如附图13、16、18所示，或喷射抽气器直接从动力系统引用动力气源独力工 作。

实施方法6，加热升温方式

循环升压升温动力系统可以采用以下吸热或温度调节措施：(1)在工质进入膨胀做功装 置前增加加热升温过程，如附图2中的103以及大多数附图所示；(2)在工质进入喷射分流 器前增加加热升温过程，如附图8，9，10，11，12等所示，喷射分流器前面的加热过程不是 必须的，也不能升温太高，否则会影响工质达到冷凝点而影响冷热分流效果；(3)在升压循 环通道增加加热升温过程，如附图14，15，18所示，但加热不是必须的，一般升温也不能太 高；(4)被升压工质在进入冲压喷射器或回热喷射器前的通道上增加了加热升温过程，如附 图13中的加热器413所示，被压缩工质温度升高后通过喷嘴进入喷射器可以增加喷射动力； (5)如附图19所示的喷管加热器，在工质进入膨胀做功装置前增加喷管加热器，可以使工 质实现边膨胀边吸热可最大程度接近定温吸热，所述喷管加热器是指换热器的换热管路采用 了延长的喷嘴形状，使工质在膨胀射流过程中换热，以上实施方式中的膨胀做功装置前都可 以应用而提高热效率。

实施方式7，循环冲压喷射发动机与动力调节

如附图12，18所示的循环冲压喷射发动机，在循环升压升温动力系统中采用喷管或喷 射抽气器或喷射分流器做为膨胀做功装置可直接产生喷射动力，可以实现无转动机械的喷射 发动机。

当循环喷射发动机高参数运行达到自冷式热力循环工作条件时，维持发动机高参数运行 更有利于稳定工作，而输出动力常常是需要变化的，如附图21、22、23、24所示的分别是四 种尾部喷射调节状态，膨胀做功装置采用喷管或喷射抽气器或喷射分离器产生喷射动力时， 可在喷射发动机末端喷管采用对称分流或非对称分流方式调节喷射动力，简单实用，所谓的 对称分流式调节是指，在发动机喷管701末端增加导流板组件702通过对称调节减小喷射动 力如附图22，或通过非对称调节实现推力方向调节如附图23，也可以实现全开如附图21或 零推力如附图24，对于高参数的自冷式喷射动力系统，不方便频繁启动，这样的调解方式可 以不停车实现零动力到最大动力调节，及方向控制。

实施方式8，循环冲压式热泵系统

如附图20所示的循环冲压式动力系统，从冲压喷射器801出来的工质进入吸热器802 吸热后进入喷射分流器803，喷射分离器出来的热工质通过换热器804对外排热，然后进入 冲压喷射器入口。从喷射分流器出来的低温工质通过冲压循环通道进入喷射器入口，形成循 环工作。附图20类似于将附图10中的膨胀做功装置去掉，同样原理在前述各实施方式的循 环冲压动力系统中都可以去掉膨胀做功装置使喷射分流器成为热泵装置，其共同特征是循环 冲压动力系统的膨胀做功装置直接采用了喷射分流器，喷射分流器排出的热工质直接对外供 热或排热，或通过换热器对外供热或排热组成热泵。

实施方式9，循环冲压动力系统的启动

如附图9所示的循环冲压动力系统，可以采用升压装置401启动升压，当达到压力要求 后升压装置退出运行；如附图18所示的循环冲压喷射动力系统采用了储气容器501做为启动 动力，在启动时打开储气阀门系统启动，在正常运行后系统可以为储气容器补气，气压恢复 后阀门可以关闭，也可以保持开启发挥稳压作用，在停止运行前应该线关闭储气阀门。

原则上，循环冲压动力系统都应该配置启动装置的，前面其它各实施方式只是为使系统 图简明体现循环原理没有图示。

实施方式10，其它措施与应用

动力系统可以采用以下措施或用途：

(1)在喷射分流器入口或任何可加湿位置采用加湿装置为工质加湿；

(2)循环冲压动力系统采用升压装置启动或采用启动气源为冲压喷射器入口提供启动 喷射动力的方式启动；

(3)动力系统在冲压喷射器或回热喷射器出口达到了临界或超临界的工作压力；

(4)为利用其它热源或压力气源，回热喷射器或冲压喷射器的入口可以采用多气源同 时通过喷嘴进入的喷射方式；

(5)在喷射动力系统的喷管或喷射分离器或喷射抽气器末端采用了对称分流或非对称 分流方式调节喷射动力。

另外，综合以上各实施方式说明循环升压升温动力系统可以采用灵活的做功方式，动力 系统的工质升温升压后在膨胀做功装置中完成膨胀做功过程，膨胀做功装置可以采用气轮机 或喷管或喷射分流器或喷射抽气器，或者采用喷管加热器与以上膨胀做功装置之一组成组合 式膨胀做功装置，或者直接采用喷管加热器成为喷射式膨胀做功装置；所述喷管加热器是指 加热器的换热管路采用了延长的喷嘴形状。

实施方式11，自冷式做功方法

本申请的最大优点之一是可简单实现自冷式做功方法，可实现单一热源做功，主要依据 是气体工质比热随压力升高到超临界后，因发生物性突变使比热容大幅度升高到2倍左右， 表1为二氧化碳比热容变化数据。

表1：气体二氧化碳的比热容(kJ/kgK)，(临界点：31.06℃，7.382MPa)：

分析表1：在二氧化碳临界点(表中圆点位置，温度31.06℃，压力7.382MPa)附近形成一个临界区域，由于在临界点物理性质的突变，比热变化幅度较大，甚至达到无穷大(表中短横表示，事实上亚临界处于蒸发状态时水的比热就是无穷大，只吸热但温度变化为0)，而在临界区域以外越远越逐渐趋于平缓。最右边两列为二氧化碳在不同压力下的平均比热容 及其与0.1MPa平均比热容的比值，最大平均比热比值达到2.16，而在传统热力学思维中习惯 于把比热看作常数显然只能局限在很小的范围接近实际。

为将回热循环的优势发挥到极致使热力系统效率达到最高，如附图1与附图7所示提 出采用两个可逆定温过程和两个可逆的定压过程和一个在可逆定压过程之间增加的可逆回热 过程组成理想回热循环模型，包括了压力为P1的定压升温过程AB、温度为T1的定温膨胀 吸热过程BC、压力为P2的定压排热过程CD以及温度为T2的定温压缩排热过程DA，以及用两个横向虚线箭头表示的回热过程使CD过程的排热被AB过程吸收，并实现从T1到T2 的全温差回热，即达到极限回热。其中，做为对比在附图7中用AB’C’DA表示卡诺循环， 对理想气体而言定压线AB与CD曲线形状完全相同(可理解为互相平行或无数平行微线段 组成)，参考平行四边形法则容易证明：面积ABCDA＝面积AB’C’DA，即这两种同参数的热 力循环做功量相等，效率也必然相等。

其中，

AB过程的定压吸热量Qp1＝Cp1(T1-T2)；

CD过程的定压排热量Qp2＝Cp2(T1-T2)；

BC过程的定温吸热量Q1＝RgT1LN(P1/P2)；

DA过程的定温排热量Q2＝RgT2LN(P1/P2)；

Cp1、Cp2分别为工质压力P1、P2对应的定压比热容；

Rg是气体常数，LN为对数函数；

热效率计算：

参考实际气体(如表1所示二氧化碳的比热容数据)，这里将理想气体的比热容按随压 力升高而升高计算，因为P1＞P2，所以Cp1≥Cp2，Qp1≥Qp2，当采用回热过程回收全部CD 过程Qp2时，CD过程的对外排热量变为0，AB过程吸收回热Qp2后对外吸热量变为Qp1-Qp2， 于是热效率变为

即：

整理上式可得理想回热循环热效率公式：

对理想气体而言比热容与压力无关，Cp1＝Cp2，理想回热循环热效率公式简化为

即采用理想气体的理想回热循环的热效率等于卡诺循环热效率。

对实际气体而言，例如采用氮气做工质，不同压力下的Cp1与Cp2的大小差别很小，非常接近理想气体，实际工程计算一般情况按相等计算，但是在超临界压力实际气体工质比 热会大幅度增加，空气、氮气、二氧化碳及水蒸气等的比热更是能增大到原来的2倍左右， 其中二氧化碳比热参数在表1列出，足以说明超临界理想回热循环热效率可远大于卡诺循环。

综合以上采用理想气体与实际气体工质的分析，因为AB过程可以是亚临界，也可以是 超临界，必然是Cp1≥Cp2，理想回热循环热效率公式可简化为

对于理想回热循环，当Cp1＞Cp2，并且Q1是通过逆卡诺循环热泵全部回收Q2所得时，整体循环过程只有AB定压升温过程从外部吸热Qp1-Qp2，对外输出净功也必然是 Qp1-Qp2，其实质是循环排热量Q2+Qp2全部回收，等效于数量为Qp1-Qp2的单一热源做 功Qp1-Qp2。

为了在理想回热循环的基础上尽可能提高做功能力，采用超临界循环同时，回收Q2的 热泵过程时应首先将热泵输出热量传热到AB升温过程，以减少热泵耗功并且最后尽可能保 持在最高温吸热段向热源T1吸热，这样热源做功能力必然是最大的。

在实施方式3以及在专利申请CN201310497436.1与CN201611052205.X中分别提出了 具体的自冷式热力循环的具体方案，相当于是热泵输出的热量Q2+Wp与Qp2混合(通过工质混合的方式实现热量混合)，然后一起通过回热过程或冲压过程成为QP1的一部分或全部。

这样，AB定压过程全部吸收来自回热过程的Qp2与来自热泵过程输出热Q2+Wp后实现单一热源做功，当T1≥T4时(T4是AB过程全部吸收Qp2+Q2+Wp的最低温度)，即T1足够 大时自冷循环的单一热源做功为

W≥Q1

其中，Q1是定温膨胀过程的吸热量。

事实证明，热力学第二定律是在忽略了气体工质比热随压力变化而变化的客观现象而得 出的错误的结论。为帮助理解这一结论，进一步分析热力循环不同升温过程对热效率影响， 当热力循环从恒温热源T1吸热时，AB或AB’的升温过程可以有以下四种：

a)全部从热源吸热。因为低温段吸热也是温度为T1的热量，做功能力损失最大，效率 最低。

b)全部为热泵升温。一般情况，热泵从环境吸热(而不是从热源吸热)从低温段起耗 功从零开始随着温度升高而逐渐增大，所以效率较高，如图2所示的理想卡诺循环AB’C’DA， 其AB’过程为绝热升压过程，其实质是绝热压缩式热泵升温，因此卡诺循环一直被认为是热 效率最高。

c)全部为回热升温。如图1所示，AB升温通过回热过程获得余热但耗功为0，使亚临界理想回热循环热效率略大于或等于卡诺循环，但是对于超临界循环回热过程不能全部满足 Qp1。

d)回热+热泵混合升温。采用超临界自冷式循环，优先充分利用不耗功的回热升温，同 时结合热泵升温，是最低代价回收整体循环全部排热的最高效率方式。

通过以上对比分析也可以得出，同等参数情况下最高效率并不是卡诺循环，而是建立在 回热循环与热泵循环基础上的自冷循环。

本发明属于基础创新，涉及领域广不局限于以上各实施方式所属范围。

Claims (10)

1.一种利用循环升压升温节能方法，属于热能动力或流体动力领域，动力系统通过升压装置提高工质压力使工质在包括但不限于升压、升温及膨胀做功过程中循环工作，其特征是：动力系统采用了循环升压过程或循环升温过程，或者同时采用了循环升压过程与循环升温过程；

所述的循环升压过程是指升压后的气体工质有循环通道与升压装置入口相连，在循环通道上布置有喷嘴使循环工质在喷射状态进入升压装置；

所述的循环升温过程是指动力系统采用了由回热喷射器与回热循环管路组成的回热装置，经过升压装置升压的动力工质通过喷嘴喷射进入回热喷射器内，回热工质由回热循环管路引入到回热喷射器入口内，动力工质与回热工质在回热喷射器内混合减速扩压后完成回热过程。

2.如权利要求1所述的一种利用循环升压升温节能方法，其特征是：采用冲压喷射器成为升压装置，升压循环通道工质与被升压工质同时喷射进入冲压喷射器混合减速扩压后完成冲压式升压过程。

3.如权利要求2所述的一种利用循环升压升温节能方法，其特征是：冲压喷射器从大气抽吸了空气使之成为被升压工质或抽吸系统内其它设备排出的部分或全部工质使之成为被升压工质。

4.如权利要求1或2所述的一种利用循环升压升温节能方法，其特征是：回热循环管路入口引入了进入膨胀做功装置之前或之中或之后的工质使之成为回热工质，或者在开式循环中引入空气使之成为回热工质，或者采用了所述四种引入回热工质方式中的任意两种或多种。

5.如权利要求1或2所述的一种利用循环升压升温节能方法，其特征是：升温升压后工质在膨胀做功装置中完成膨胀做功过程，膨胀做功装置采用了气轮机或喷管或喷射分流器或喷射抽气器，或者采用喷管加热器与以上膨胀做功装置之一组成组合式膨胀做功装置，或者直接采用喷管加热器成为喷射式膨胀做功装置；所述喷管加热器是指加热器的换热管路采用了延长的喷嘴形状。

6.如权利要求1或2所述的一种利用循环升压升温节能方法，其特征是：在升压循环通道上布置了散热器或热泵，或者散热器与热泵都采用了。

7.如权利要求6所述的一种利用循环升压升温节能方法，其特征是：所述的热泵采用了喷射分流器，升压循环通道的工质先喷射进入喷射分流器，喷射分流器排出的低温工质进入升压装置的入口，并且至少采用了以下喷射分流器应用方式之一，

(1)膨胀做功装置的入口通道与升压循环通道按并联方式布置，喷射分流器排出的热工质最终排出系统或被系统部分或全部回收；

(2)喷射分流器分离出的热工质最终进入膨胀做功装置；

(3)喷射分流器与冲压喷射器的连接方式为喷射分流器的低温工质直接喷射进入冲压喷射器；

(4)喷射分流器采用了折流分流结构，所述的折流分流结构是指射流改变方向的通道结构方式是具有一个或多个折流角度；

(5)喷射分流器与冲压喷射器的连接方式为二者合二为一，在冲压喷射器尾部采用分流结构分别排出热工质与低温工质，或者合并方式为喷射分流器入口增加被升压工质接入通道使被升压工质与动力气源一起喷射进入喷射分流器；

(6)动力系统增加喷射抽气器抽吸喷射分流器排出的热工质，喷射抽气器与膨胀做功装置串连工作或直接从动力系统引用动力气源独力工作；

所述的喷射分流器是使工质在高速流动同时通过改变流动方向使具有不同密度混合工质出现密度分层，高密度工质分布于流动外层，低密度工质分布于流动内层；进入喷射分流器的混合工质包含有可发生相变的流体，或者气体工质与可发生相变的流体从不同喷嘴进入并混合，分离出的外层低温工质与内层热工质分别由排冷管及排热管排出成为喷射分流器，喷射分流器的分流方式可以是喷射旋流或喷射湾流或叶轮式喷射分流或喷射折流。

8.如权利要求7所述的一种利用循环升压升温节能方法，其特征是：动力系统至少采用了以下吸热或温度调节措施之一，(1)在工质进入膨胀做功装置前增加加热升温过程；(2)在工质进入喷射分流器前增加加热升温过程；(3)在升压循环通道增加加热升温过程；(4)被升压工质进入冲压喷射器或回热喷射器前的通道上增加了加热升温过程。

9.如权利要求7所述的一种利用循环升压升温节能方法，其特征是：动力系统至少采用了以下措施或用途之一，(1)在喷射分流器入口或任何可加湿位置采用加湿装置为工质加湿；(2)循环冲压动力系统采用升压装置启动或采用启动气源为冲压喷射器入口提供启动喷射动力的方式启动；(3)动力系统在冲压喷射器或回热喷射器出口达到了临界或超临界的工作压力；(4)回热喷射器或冲压喷射器的入口采用多气源同时通过喷嘴进入的喷射方式；(5)在喷射动力系统的末端喷管增加了导流板组件采用对称分流或非对称分流方式调节喷射动力。

10.如权利要求8所述的一种利用循环升压升温节能方法，其特征是：循环冲压动力系统的膨胀做功装置采用了喷射分流器，喷射分流器排出的热工质直接对外供热或排热，或通过换热器对外供热或排热组成热泵。