CN110555255B - 一种基于热力过程组合的热力循环构建和筛选方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于热力循环技术领域，公开了一种基于热力过程组合的热力循环构建和筛选方法，从“热力过程是构成热力循环的基本要素”以及“热力循环是由特定数量的热力过程依据一定的次序首尾相接而形成的封闭环路”这两个基本观点出发，在热力学图中对可能的热力循环形式的进行推演，实现了热力循环构建。利用制定的工程可行、循环性能高、经济成本低的筛选标准，在大量可能的循环形式中找到有价值的循环形式，实现了特定能源利用场景下适宜热力循环形式的筛选。本发明将热力循环构建从工程师经验和具体应用场景中解放出来，理论上可以实现热力循环所有潜在形式的推演，可以大大扩展现有的热力循环形式，为工程中实现热功转化提供更多的选择方案。

Description

一种基于热力过程组合的热力循环构建和筛选方法

技术领域

本发明属于热力循环技术领域，具体涉及一种基于热力过程组合的热力循环构建和筛选，基于该方法可扩展现有热力循环的实现形式。

背景技术

能源是经济发展和社会进步的主要动力。在能源的利用中，除了极少部分的能源能被直接利用之外，大多数的能源都先转化为热能，而后转化为机械能，再转化为电能为人类所利用。热力循环是实现热功转化的主要手段，也一直是工程热力学所关注的重点问题。

在工程热力学发展的一百多年来，人类针对不同的应用场景，利用工程师的经验和有限的逻辑推演，发明了许多种不同形式的热力循环(如卡诺循环、布雷顿循环、斯特林循环等)。那么，是否存在其他形式的热力循环在某些特定的场景中存在潜在的应用价值？对于热力循环形式的探讨是否受限于目前的工程技术水平？回答这些问题，不仅可以更高效地利用现有的能源，还能对工程技术的发展提供方向指导。

对于第一个问题，目前还无法做出十分肯定的回答。虽然在人类不断发展的过程中面对的能源应用场景也在逐渐增多，但人类至今还未能认识全部的能源应用场景，因此无法肯定地回答第一个问题。但从人类能源利用的发展历程来看，人类在面对不同的能源应用场景时确实发明了不同的热力循环形式(例如：柴油内燃机的奥托循环，汽油内燃机的迪塞尔循环，高温气体为工质的布雷顿循环等)，因此可以推测出在其他未知的能源应用场景中，可能存在适合该场景的循环形式。

对于第二个问题，答案是肯定的。人类虽然拥有丰富的想象力，但并不是所有人都能突破现有的知识体系和工程技术水平的限制，天马行空地对热力循环形式进行探讨。理论的发展和工程技术的进步是两个滚动促进的关系，任何一方的超前都将促进另外一方的发展。相比于工程技术的进步，理论的发展显然要容易的多，因此，有必要适当抛开实际工程的限制，在理论上进行大胆的超前，以促进工程技术水平的发展。

对于热力循环的探讨，不妨抛开现有的能源应用场景和工程技术水平的限制，在理论上对可能的热力循环形式进行大量探讨。当然，这种探讨不是完全不切实际的理论，而是要回到工程实际，为工程提供指导。因此，在可能的热力循环形式探讨之后，需要根据实际的能源应用场景进行筛选，以获得适合特定能源应用场景的热力循环形式。同时，也可以发展工程技术水平在实现某些有价值热力循环时存在的困难，为工程技术的攻关提供目标和方向。

发明内容

本发明着力于解决的技术问题在于现有热力循环过度依赖工程经验和技术水平，无法提出适宜潜在能源利用场景的高效热力循环，而提供一种基于热力过程组合的热力循环构建和筛选方法，从“热力过程是构成热力循环的基本要素”以及“热力循环是由特定数量的热力过程依据一定的次序首尾相接而形成的封闭环路”这两个基本观点出发，进行热力循环的构建，对潜在的热力循环形式进行推演，而后通过适当的筛选得到一些有价值的热力循环形式。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

本发明的基于热力过程组合的热力循环构建及筛选方法，从“热力过程是构成热力循环的基本要素”以及“热力循环是由特定数量的热力过程依据一定的次序首尾相接而形成的封闭环路”这两个基本观点出发，在热力学图中对可能的热力循环形式的进行推演，实现了热力循环构建。利用制定的工程可行、循环性能高、经济成本低的筛选标准，在大量可能的循环形式中找到有价值的循环形式，实现了特定能源利用场景下适宜热力循环形式的筛选。该方法包含所有可能循环形式的推演和有价值循环形式的筛选两部分。可能循环形式的推演包括：构成目标循环的过程种类和最大过程数的选定，构成循环的最少过程数的确定和在热力学图中对可能的热力循环形式的进行推演；有价值循环形式的筛选是通过设定一系列筛选标准从可能循环形式中筛选出具有潜在应用价值的循环形式。

一种基于热力过程组合的热力循环构建和筛选方法，该方法按照如下步骤进行：

第一步，确定拟构建的目标热力循环所包含的热力过程，记为P₁，P₂，····，P_NT，共计NT种；

第二步，根据所选NT种热力过程在热力学图中的过程线形状，通过图形推演，得出构成目标热力循环所需的最少过程数K；

第三步，根据工程难度，设定构成目标热力循环的最大过程数NP，NP≥K；在热力学图中对所选NT种热力过程进行全局搜索，推演出由K到NP个热力过程构成的全部可能的热力循环形式；

第四步，对推演得到的循环形式进行工程可行性分析、性能分析和经济性分析，依据相应的标准筛选出其中有价值的循环形式。

进一步地，第一步的实现方法如下：

a.根据现有的基本热力过程，形成热力过程库；

b.根据目标能源利用场景特点，在已形成的热力过程库中选取能够实现目标热力循环功能的热力过程，记为P₁，P₂，····，P_NT，共计NT种。

进一步地，第二步的实现方法如下：

a.在热力学图中绘制出第一步中所选NT种热力过程的过程线；

b.在热力学图中对所选NT种热力过程的过程线进行图形推演，找出能够形成封闭环路所需要的最少过程数，即得到构成目标热力循环所需的最少过程数K。

其中，所述热力学图为温度-熵图、压力-比体积图、压力-焓图中的一种。

进一步地，第三步的中所述全局搜索具体按照如下步骤进行：

(1)在热力学图中任意指定一个初始状态点，设定已经历过程数M＝0；

(2)从所选NT种热力过程中随机选择一种热力过程P作为工质要经历的热力过程，随机设定P的方向和长度；

(3)达到下一个状态点，令已经历的热力过程数M＝M+1；

(4)判断M和K的大小关系，若M<K，则重复步骤(2)到步骤(4)；若M≥K，则进行步骤(5)；

(5)对已经历的每个热力过程的种类和方向进行逐个遍历，对已经历的每个热力过程的长度进行步进搜索；每当形成封闭环路时，输出已经历的热力过程的种类、数目和连接顺序，即热力循环的可能形式；完成每个热力过程的所有可能种类、可能方向的遍历及所有可达到的长度搜索之后，即得到由M个过程构成的所有热力循环的可能形式；

(6)判断M和NP的大小关系，若M<NP，则重复步骤(2)到步骤(6)；若M≥NP，则热力循环推演结束。

进一步地，第四步的实现方法如下：

对第三步得到的可能的循环形式先进行工程可行性分析，剔除不具备工程可行性的循环形式；而后计算剩余循环形式的性能指标和经济性指标，利用多目标优化方法筛选得到同时性能指标较高、经济成本较低的循环形式，即为有价值的热力循环形式。

本发明的有益效果是：

本发明将热力循环构建从工程师经验和具体应用场景中解放出来，理论上可以实现热力循环所有潜在形式的推演，可以大大扩展现有的热力循环形式，为工程中实现热功转化提供更多的选择方案。同时，也改变了能源利用过程中设计热力循环的思路，即从优化改进传统热力循环形式以提高能源利用效率的思路转变为在潜在的热力循环形式库中选择高效率的热力循环形式的思路，这将大大节约工程设计的时间和成本。

附图说明

图1为本发明基于热力过程组合的热力循环构建和筛选方法的流程示意图；

图2为本发明基于热力过程组合的热力循环构建和筛选方法的全局搜索算法流程图；

图3为实施例的8种三过程热力循环的p-v图和T-s图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本专利作进一步的说明，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

如图1所示，本发明提供了一种基于热力过程组合的热力循环构建和筛选方法，该方法按照如下步骤进行：

第一步，确定拟构建的目标热力循环所包含的热力过程，记为P₁，P₂，····，P_NT，共计NT种。

第一步的具体实现方法为：

a.根据现有的基本热力过程，形成热力过程库。举例来说，可由常见的六种热力过程，等压过程、等容过程、等温过程、等熵过程(绝热过程)、等焓过程和多变过程组成一个含有六种热力过程的库。

b.根据目标能源利用场景特点，在已形成的热力过程库中选取能够实现目标热力循环功能的热力过程，记为P₁，P₂，····，P_NT，共计NT种。举例说来，根据目标能源利用场景特点，从已形成的包含六种热力过程的库中选取等压、等容、等温和等熵这四种热力过程作为构建循环的热力过程要素。

第二步，根据所选NT种热力过程在热力学图中的过程线形状，通过图形推演，得出构成目标热力循环所需的最少过程数K。

第二步的具体实现方法为：

a.在热力学图中绘制出第一步中所选NT种热力过程的过程线；其中，热力学图包括温度-熵图、压力-比体积图、压力-焓图等。举例说来，可以将选择出的热力过程绘制在T-s图中。

b.在热力学图中对所选NT种热力过程的过程线进行图形推演，找出能够形成封闭环路所需要的最少过程数，即得到构成目标热力循环所需的最少过程数K。其理论依据为：热力循环是工质从初态出发，经历若干个中间态，而后又回到初态所构成的闭合环路，因此热力循环在热力学图中表现为一个封闭环路。

第三步，根据工程难度，设定构成目标热力循环的最大过程数NP，NP≥K；在热力学图中对所选NT种热力过程进行全局搜索，推演出由K到NP个热力过程构成的全部可能的热力循环形式。

如图2所示，全局搜索并推演可能的热力循环形式，具体按照如下步骤进行：

(1)在热力学图中任意指定一个初始状态点，设定已经历过程数M＝0；

(2)从所选NT种热力过程中随机选择一种热力过程P作为工质要经历的热力过程，随机设定P过程的方向和长度。

(3)达到下一个状态点，令已经历的热力过程数M＝M+1；

(4)判断M和K的大小关系，若M<K，则重复步骤(2)到步骤(4)；若M≥K，则进行步骤(5)；

(5)对已经历的每个热力过程的种类和方向进行逐个遍历，对已经历的每个热力过程的长度进行步进搜索；每当形成封闭环路时，输出已经历的热力过程的种类、数目和连接顺序，即热力循环的可能形式；完成每个热力过程的所有可能种类、可能方向的遍历及所有可达到的长度搜索之后，即得到由M个过程构成的所有热力循环的可能形式；

(6)判断M和NP的大小关系，若M<NP，则重复步骤(2)到步骤(6)；若M≥NP，则热力循环推演结束。

第四步，对推演得到的循环形式进行工程可行性分析、性能分析和经济性分析，依据相应的标准筛选出其中有价值的循环形式。

第四步的具体实现方法为：

设定循环的筛选指标，一般包括工程可行性、性能指标(例如热效率、火用效率、COP等)、经济性指标。

将第三步得到的大量可能的循环形式进行工程可行性分析，剔除不具备工程可行性的循环形式。而后，计算剩余循环形式的性能指标和经济性指标，利用多目标优化方法筛选得到同时性能指标较高、经济成本较低的循环形式，即为有价值的热力循环形式。

现在两定温的高低温热源为目标能源利用场景，以超临界二氧化碳为循环工质进行热力循环的构建及筛选，作为本发明的具体实施例对本发明的内容进行详细的说明。

第一步：选取常见的4种基本热力过程，即等温过程、等压过程、等容过程和等熵过程。

第二步：要构成热力循环，需要从初态出发到中间态，而后从中间态又回到初态。理论上，当中间态只有一个时，此时构成循环需要的热力过程数最少，仅为两个。然而，对于超临界二氧化碳来说，若要利用四个基本热力过程实现从初态出发到中间态，再回到初态这个循环，仅有一种方法可以实现，即这两个过程为方向互逆的同一种热力过程。这种由两个同名互逆过程构成的循环，虽然在某一过程发生时有功量或热量的流入或流出，但两个过程产生的效应会相互抵消，在宏观上无法实现功量和热量的相互转换。因此，这种由两个同名互逆过程构成的循环，不能称之为热力循环。从T-s图中分析，要实现热功转换的目的，热力循环在T-s图中的示意应该能围成一定的面积，因此，对于以理想气体为工质，以四个基本热力过程为基本元素的循环构建，至少需要两个中间态，即至少需要三个基本的热力过程(K＝3)。

第三步：设定需要构建的目标热力循环包含的热力过程总数不超过4个(NP＝4)。按照图2所示的全局搜索算法流程图进行热力循环形式的推演，进而得到所有可能的热力循环形式。共计包含49种，其中由3个热力过程构成的热力循环形式共有8种，由四个热力过程构成的热力循环形式共有41种，按照热力过程的连接顺序进行命名并将结果列举于表1中，附图给出所有由3个热力过程组成的8种热力循环形式作为循环构建结果的示例。

表1三过程和四过程热力循环的所有形式

第四步，对推演得到的循环形式进行可行性分析、性能分析和经济性分析，依据相应的标准筛选出其中有价值的循环形式。在本实施例中，考虑两个恒温热源之间进行热功转化的能源利用场景，暂不考虑可行性和经济性分析，仅以循环效率(η)为筛选标准，计算了所有50种热力循环形式在循环最低温度为350K，循环最高温度为500K时的循环热效率(详见表3第四列)，依据效率较高的原则筛选出了5种循环形式，分别为s-T-s-T循环(η＝0.300)、v-T-s-T循环(η＝0.252)、s-T-s-p循环(η＝0.256)、s-T-p-T循环(η＝0.256)以及s-T-v-T循环(η＝0.263)。以上5种循环形式是仅考虑热效率的情况下筛选出来的有价值的热力循环形式，可以在实际工程中尝试去实现。

本实施例仅初步展示了本发明的应用价值，当目标循环所允许的过程数增多时，利用本发明中的方法可以得到更多的循环形式。由于该方法在理论上可以穷尽了所有的可能循环形式，因此在适当的筛选条件下可以获得适于特定应用场景的最优热力循环形式。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于热力过程组合的热力循环构建和筛选方法，其特征在于，该方法按照如下步骤进行：

第一步，确定拟构建的目标热力循环所包含的热力过程，记为P₁，P₂，····，P_NT，共计NT种；

第二步，根据所选NT种热力过程在热力学图中的过程线形状，通过图形推演，得出构成目标热力循环所需的最少过程数K；

第三步，根据工程难度，设定构成目标热力循环的最大过程数NP，NP≥K；在热力学图中对所选NT种热力过程进行全局搜索，推演出由K到NP个热力过程构成的全部可能的热力循环形式；

所述全局搜索具体按照如下步骤进行：

(1)在热力学图中任意指定一个初始状态点，设定已经历过程数M＝0；

(2)从所选NT种热力过程中随机选择一种热力过程P作为工质要经历的热力过程，随机设定P的方向和长度；

(3)达到下一个状态点，令已经历的热力过程数M＝M+1；

(4)判断M和K的大小关系，若M<K，则重复步骤(2)到步骤(4)；若M≥K，则进行步骤(5)；

(5)对已经历的每个热力过程的种类和方向进行逐个遍历，对已经历的每个热力过程的长度进行步进搜索；每当形成封闭环路时，输出已经历的热力过程的种类、数目和连接顺序，即热力循环的可能形式；完成每个热力过程的所有可能种类、可能方向的遍历及所有可达到的长度搜索之后，即得到由M个过程构成的所有热力循环的可能形式；

(6)判断M和NP的大小关系，若M<NP，则重复步骤(2)到步骤(6)；若M≥NP，则热力循环推演结束；

第四步，对推演得到的循环形式进行工程可行性分析、性能分析和经济性分析，依据相应的标准筛选出其中有价值的循环形式。

2.根据权利要求1所述的一种基于热力过程组合的热力循环构建和筛选方法，其特征在于，第一步的实现方法如下：

a.根据现有的基本热力过程，形成热力过程库；

b.根据目标能源利用场景特点，在已形成的热力过程库中选取能够实现目标热力循环功能的热力过程，记为P₁，P₂，····，P_NT，共计NT种。

3.根据权利要求1所述的一种基于热力过程组合的热力循环构建和筛选方法，其特征在于，第二步的实现方法如下：

a.在热力学图中绘制出第一步中所选NT种热力过程的过程线；

b.在热力学图中对所选NT种热力过程的过程线进行图形推演，找出能够形成封闭环路所需要的最少过程数，即得到构成目标热力循环所需的最少过程数K。

4.根据权利要求3所述的一种基于热力过程组合的热力循环构建和筛选方法，其特征在于，所述热力学图为温度-熵图、压力-比体积图、压力-焓图中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种基于热力过程组合的热力循环构建和筛选方法，其特征在于，第四步的实现方法如下：

对第三步得到的可能的循环形式先进行工程可行性分析，剔除不具备工程可行性的循环形式；而后计算剩余循环形式的性能指标和经济性指标，利用多目标优化方法筛选得到同时性能指标较高、经济成本较低的循环形式，即为有价值的热力循环形式。

Images