CN112344579A - 逆向单工质蒸汽联合循环 - Google Patents

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李华玉
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Abstract

本发明提供逆向单工质蒸汽联合循环，属于热力学、制冷与热泵技术领域。逆向单工质蒸汽联合循环，是指由M1千克和M2千克组成的工质，分别或共同进行的九个过程——M1千克工质吸热汽化过程12，(M1+M2)千克工质吸热过程23，(M1+M2)千克工质升压过程34，(M1+M2)千克工质吸热过程45，(M1+M2)千克工质升压过程56，(M1+M2)千克工质放热过程67，M2千克工质降压过程72，M1千克工质放热冷凝过程78，M1千克工质降压过程81——组成的闭合过程。

Description

逆向单工质蒸汽联合循环
技术领域：
本发明属于热力学、制冷与热泵技术领域。
背景技术：
冷需求、热需求和动力需求，为人类生活与生产当中所常见；其中，利用机械能转换为热能是实现制冷和高效供热的重要方式。一般情况下，制冷时冷却介质的温度是变化的，制热时被加热介质的温度往往也是变化的；很多时候冷却介质或被加热介质同时具有变温和高温双重特点，这使得采用单一热力循环理论实现制冷或供热时性能指数不合理；这些存在的问题主要是——性能指数不合理，供热参数不高，压缩比较高，工作压力太大。
从基础理论看，长久以来存在重大不足：(1)采用逆向朗肯循环为理论基础的蒸汽压缩式制冷或制热循环，放热主要依靠冷凝过程，导致放热时工质与被加热介质之间温差损失大；同时，冷凝液的降压过程损失较大或利用代价高；采用超临界工况时，压缩比较高，使得压缩机的制造代价大，且安全性降低。(2)采用逆向布雷顿循环为理论基础的气体压缩式制冷或制热循环，要求压缩比较低，这限制了供热参数的提高；同时，低温过程是变温的且变化快，这使得制冷或制热时低温环节往往存在较大的温差损失，性能指数不理想。
在热科学基础理论体系中，热力循环的创建及发展应用将对能源利用的飞跃起到重大作用，将积极推动社会进步和生产力发展；其中，逆向热力循环是机械能制冷或制热利用装置的理论基础，也是相关能源利用系统的核心。针对长久以来存在的问题，从简单、主动和高效地利用机械能进行制冷或制热的原则出发，力求为制冷或热泵装置的简单、主动和高效提供基本理论支撑，本发明提出了逆向单工质蒸汽联合循环。
发明内容：
本发明主要目的是要提供逆向单工质蒸汽联合循环，具体发明内容分项阐述如下：
1.逆向单工质蒸汽联合循环，是指由M1千克和M2千克组成的工质，分别或共同进行的九个过程——M1千克工质吸热汽化过程12，(M1+M2)千克工质吸热过程23，(M1+M2)千克工质升压过程34，(M1+M2)千克工质吸热过程45，(M1+M2)千克工质升压过程56，(M1+M2)千克工质放热过程67，M2千克工质降压过程72，M1千克工质放热冷凝过程78，M1千克工质降压过程81——组成的闭合过程。
2.逆向单工质蒸汽联合循环，是指由M1千克和M2千克组成的工质，分别或共同进行的十个过程——M1千克工质吸热汽化过程12，(M1+M2)千克工质吸热过程23，(M1+M2)千克工质升压过程34，(M1+M2)千克工质吸热过程45，(M1+M2)千克工质升压过程56，M2千克工质放热过程67，M2千克工质降压过程72，M1千克工质升压过程68，M1千克工质放热冷凝过程89，M1千克工质降压过程91——组成的闭合过程。
3.逆向单工质蒸汽联合循环，是指由M1千克和M2千克组成的工质，分别或共同进行的十个过程——M1千克工质吸热汽化过程12，(M1+M2)千克工质吸热过程23，(M1+M2)千克工质升压过程34，(M1+M2)千克工质吸热过程45，(M1+M2)千克工质升压过程56，M2千克工质升压过程67，M2千克工质放热过程78，M2千克工质降压过程82，M1千克工质放热冷凝过程69，M1千克工质降压过程91——组成的闭合过程。
4.逆向单工质蒸汽联合循环，是指由M1千克和M2千克组成的工质，分别或共同进行的十一个过程——M1千克工质吸热汽化过程12，(M1+M2)千克工质吸热过程23，(M1+M2)千克工质升压过程34，(M1+M2)千克工质吸热过程45，M2千克工质吸热过程56，M2千克工质升压过程67，M2千克工质放热过程78，M2千克工质降压过程82，M1千克工质升压过程59，M1千克工质放热冷凝过程9a，M1千克工质降压过程a1——组成的闭合过程。
5.逆向单工质蒸汽联合循环，是指由M1千克和M2千克组成的工质，分别或共同进行的十一个过程——M1千克工质吸热汽化过程12，(M1+M2)千克工质吸热过程23，(M1+M2)千克工质升压过程34，(M1+M2)千克工质吸热过程45，M2千克工质升压过程56，M2千克工质放热过程67，M2千克工质降压过程72，M1千克工质吸热过程58，M1千克工质升压过程89，M1千克工质放热冷凝过程9a，M1千克工质降压过程a1——组成的闭合过程。
附图说明：
图1是依据本发明所提供的逆向单工质蒸汽联合循环第1种原则性流程示例图。
图2是依据本发明所提供的逆向单工质蒸汽联合循环第2种原则性流程示例图。
图3是依据本发明所提供的逆向单工质蒸汽联合循环第3种原则性流程示例图。
图4是依据本发明所提供的逆向单工质蒸汽联合循环第4种原则性流程示例图。
图5是依据本发明所提供的逆向单工质蒸汽联合循环第5种原则性流程示例图。
具体实施方式：
首先要说明的是，在流程的表述上，非必要情况下不重复进行，对显而易见的流程不作表述；下面结合附图和实例详细描述本发明。
图1所示T-s图中的逆向单工质蒸汽联合循环示例是这样进行的：
(1)从循环过程上看：
工作介质进行——M1千克工质吸热汽化过程12，(M1+M2)千克工质吸热升温过程23，(M1+M2)千克工质升压升温过程34，(M1+M2)千克工质吸热升温过程45，(M1+M2)千克工质升压升温过程56，(M1+M2)千克工质放热降温过程67，M2千克工质降压膨胀过程72，M1千克工质放热降温、液化和冷凝液放热降温过程78，M1千克工质冷凝液降压过程81——共9个过程。
(2)从能量转换上看：
①放热过程——一般地，(M1+M2)千克工质进行67过程的放热用于被加热介质，或者同时用于被加热介质和45过程的热需求(回热)；M1千克工质进行78过程的放热，其高温部分主要用于(M1+M2)千克工质完成45过程的热需求或同时用于被加热介质，低温部分主要用于(M1+M2)千克工质完成23过程热需求。
②吸热过程——一般地，M1千克工质进行12过程获取低温热负荷，由被制冷介质或低温热源来提供；(M1+M2)千克工质进行23过程的吸热，可用于获取低温热负荷，或者部分用于获取低温热负荷而部分由回热来满足，或者全部由回热来满足；(M1+M2)千克工质进行45过程的吸热，主要由回热来满足。
③能量转换过程——(M1+M2)千克工质进行34、56两过程一般由压缩机来完成，需要机械能；M2千克工质进行72过程由膨胀机来完成并提供机械能，M1千克工质进行81过程可由涡轮机或节流阀来完成；降压膨胀作功小于升压耗功，不足部分(循环净功)由外部提供，形成逆向单工质蒸汽联合循环。
图2所示T-s图中的逆向单工质蒸汽联合循环示例是这样进行的：
(1)从循环过程上看：
工作介质进行——M1千克工质吸热汽化过程12，(M1+M2)千克工质吸热升温过程23，(M1+M2)千克工质升压升温过程34，(M1+M2)千克工质吸热升温过程45，(M1+M2)千克工质升压升温过程56，M2千克工质放热降温过程67，M2千克工质降压膨胀过程72，M1千克工质升压升温过程68，M1千克工质放热降温、液化和冷凝液放热降温过程89，M1千克工质冷凝液降压过程91——共10个过程。
(2)从能量转换上看：
①放热过程——一般地，M2千克工质进行67过程的放热，以及M1千克工质进行89过程的放热，高温部分一般用于被加热介质或同时满足(M1+M2)千克工质45过程高温段热需求，中、低温部分一般用于(M1+M2)千克工质进行23过程和45过程低温段的热需求。
②吸热过程——一般地，M1千克工质进行12过程获取低温热负荷，由被制冷介质或低温热源来提供；(M1+M2)千克工质进行23过程的吸热，可用于获取低温热负荷，或者部分用于获取低温热负荷而部分由回热来满足，或者全部由回热来满足；(M1+M2)千克工质进行45过程的吸热，主要由回热来满足。
③能量转换过程——(M1+M2)千克工质进行34、56两过程和M1千克工质进行68过程一般由压缩机来完成，需要机械能；M2千克工质进行72过程由膨胀机来完成并提供机械能，M1千克工质的降压过程91可由涡轮机或节流阀来完成；降压膨胀作功小于升压耗功，不足部分(循环净功)由外部提供，形成逆向单工质蒸汽联合循环。
图3所示T-s图中的逆向单工质蒸汽联合循环示例是这样进行的：
(1)从循环过程上看：
工作介质进行——M1千克工质吸热汽化过程12，(M1+M2)千克工质吸热升温过程23，(M1+M2)千克工质升压升温过程34，(M1+M2)千克工质吸热升温过程45，(M1+M2)千克工质升压升温过程56，M2千克工质升压升温过程67，M2千克工质放热降温过程78，M2千克工质降压膨胀过程82，M1千克工质放热降温、液化和冷凝液放热降温过程69，M1千克工质冷凝液降压过程91——共10个过程。
(2)从能量转换上看：
①放热过程——一般地，M2千克工质进行78过程的放热，以及M1千克工质进行69过程的放热，高温部分一般用于被加热介质，中、低温部分一般用于(M1+M2)千克工质进行23、45过程的热需求。
②吸热过程——一般地，M1千克工质进行12过程获取低温热负荷，由被制冷介质或低温热源来提供；(M1+M2)千克工质进行23过程的吸热，可用于获取低温热负荷，或者部分用于获取低温热负荷而部分由回热来满足，或者全部由回热来满足；(M1+M2)千克工质进行45过程的吸热，主要由回热来满足。
③能量转换过程——(M1+M2)千克工质进行34、56两过程和M2千克工质进行67过程一般由压缩机来完成，需要机械能；M2千克工质进行82过程由膨胀机来完成并提供机械能，M1千克工质的降压过程91可由涡轮机或节流阀来完成；降压膨胀作功小于升压耗功，不足部分(循环净功)由外部提供，形成逆向单工质蒸汽联合循环。
图4所示T-s图中的逆向单工质蒸汽联合循环示例是这样进行的：
(1)从循环过程上看：
工作介质进行——M1千克工质吸热汽化过程12，(M1+M2)千克工质吸热升温过程23，(M1+M2)千克工质升压升温过程34，(M1+M2)千克工质吸热升温过程45，M2千克工质吸热升温过程56，M2千克工质升压升温过程67，M2千克工质放热降温过程78，M2千克工质降压膨胀过程82，M1千克工质升压升温过程59，M1千克工质放热降温、液化和冷凝液放热降温过程9a，M1千克工质冷凝液降压过程a1——共11个过程。
(2)从能量转换上看：
①放热过程——一般地，M2千克工质进行78过程的放热，以及M1千克工质进行9a过程的放热，高温部分一般用于被加热介质，中、低温部分一般用于(M1+M2)千克工质进行23、45两过程和M2千克工质进行56过程的热需求。
②吸热过程——一般地，M1千克工质进行12过程获取低温热负荷，由被制冷介质或低温热源来提供；(M1+M2)千克工质进行23过程的吸热，可用于获取低温热负荷，或者部分用于获取低温热负荷而部分由回热来满足，或者全部由回热来满足；(M1+M2)千克工质进行45过程的吸热，以及M2千克工质进行56过程的热需求，可由回热来满足。
③能量转换过程——(M1+M2)千克工质进行34过程，M1千克工质进行59过程，以及M2千克工质进行67过程，一般由压缩机来完成，需要机械能；M2千克工质进行82过程由膨胀机来完成并提供机械能，M1千克工质的降压过程a1可由涡轮机或节流阀来完成；降压膨胀作功小于升压耗功，不足部分(循环净功)由外部提供，形成逆向单工质蒸汽联合循环。
图5所示T-s图中的逆向单工质蒸汽联合循环示例是这样进行的：
(1)从循环过程上看：
工作介质进行——M1千克工质吸热汽化过程12，(M1+M2)千克工质吸热升温过程23，(M1+M2)千克工质升压升温过程34，(M1+M2)千克工质吸热升温过程45，M2千克工质升压升温过程56，M2千克工质放热降温过程67，M2千克工质降压膨胀过程72，M1千克工质吸热升温过程58，M1千克工质升压升温过程89，M1千克工质放热降温、液化和冷凝液放热降温过程9a，M1千克工质冷凝液降压过程a1——共11个过程。
(2)从能量转换上看：
①放热过程——M2千克工质进行67过程的放热，以及M1千克工质进行9a过程的放热，高温部分一般用于被加热介质，中、低温部分一般用于(M1+M2)千克工质进行23、45两过程和M1千克工质进行58过程的热需求。
②吸热过程——一般地，M1千克工质进行12过程获取低温热负荷，由被制冷介质或低温热源来提供；(M1+M2)千克工质进行23过程的吸热，可用于获取低温热负荷，或者部分用于获取低温热负荷而部分由回热来满足，或者全部由回热来满足；(M1+M2)千克工质进行45过程的吸热，以及M1千克工质进行58过程的热需求，可由回热来满足。
③能量转换过程——(M1+M2)千克工质进行34过程，M1千克工质进行89过程以及M2千克工质进行56过程，一般由压缩机来完成，需要机械能；M2千克工质进行72过程由膨胀机来完成并提供机械能，M1千克工质的降压过程a1可由涡轮机或节流阀来完成；降压膨胀作功小于升压耗功，不足部分(循环净功)由外部提供，形成逆向单工质蒸汽联合循环。
本发明技术可以实现的效果——本发明所提出的逆向单工质蒸汽联合循环，具有如下效果和优势：
(1)创建机械能制冷与制热利用(能差利用)基础理论。
(2)消除或较大幅度减少相变放热过程的热负荷，相对增加高温段放热负荷，实现逆向循环性能指数合理化，有效提高热力学完善度。
(3)工质参数范围得到大幅度扩展，实现高效高温供热。
(4)为降低工作压力和提高装置安全性提供理论基础。
(5)降低循环压缩比，为核心设备的选取和制造提供方便。
(6)方法简单，流程合理，适用性好，是实现能差有效利用的共性技术。
(7)单一工质，有利于生产和储存；降低运行成本，提高循环调节的灵活性
(8)过程共用，减少过程，为减少设备投资提供理论基础。
(9)在高温区或变温区，有利于降低放热环节的温差传热损失，提高性能指数。
(10)在高温供热区采取低压运行方式，缓解或解决传统制冷与热泵装置中性能指数、循环介质参数与管材耐压耐温性能之间的矛盾。
(11)工质适用范围广，能够很好地适应供能需求，工质与工作参数之间匹配灵活。
(12)扩展了机械能进行冷热高效利用的热力循环范围，有利于更好地实现机械能在制冷、高温供热和变温供热领域的高效利用。

Claims (5)

1.逆向单工质蒸汽联合循环，是指由M1千克和M2千克组成的工质，分别或共同进行的九个过程——M1千克工质吸热汽化过程12，(M1+M2)千克工质吸热过程23，(M1+M2)千克工质升压过程34，(M1+M2)千克工质吸热过程45，(M1+M2)千克工质升压过程56，(M1+M2)千克工质放热过程67，M2千克工质降压过程72，M1千克工质放热冷凝过程78，M1千克工质降压过程81——组成的闭合过程。
2.逆向单工质蒸汽联合循环，是指由M1千克和M2千克组成的工质，分别或共同进行的十个过程——M1千克工质吸热汽化过程12，(M1+M2)千克工质吸热过程23，(M1+M2)千克工质升压过程34，(M1+M2)千克工质吸热过程45，(M1+M2)千克工质升压过程56，M2千克工质放热过程67，M2千克工质降压过程72，M1千克工质升压过程68，M1千克工质放热冷凝过程89，M1千克工质降压过程91——组成的闭合过程。
3.逆向单工质蒸汽联合循环，是指由M1千克和M2千克组成的工质，分别或共同进行的十个过程——M1千克工质吸热汽化过程12，(M1+M2)千克工质吸热过程23，(M1+M2)千克工质升压过程34，(M1+M2)千克工质吸热过程45，(M1+M2)千克工质升压过程56，M2千克工质升压过程67，M2千克工质放热过程78，M2千克工质降压过程82，M1千克工质放热冷凝过程69，M1千克工质降压过程91——组成的闭合过程。
4.逆向单工质蒸汽联合循环，是指由M1千克和M2千克组成的工质，分别或共同进行的十一个过程——M1千克工质吸热汽化过程12，(M1+M2)千克工质吸热过程23，(M1+M2)千克工质升压过程34，(M1+M2)千克工质吸热过程45，M2千克工质吸热过程56，M2千克工质升压过程67，M2千克工质放热过程78，M2千克工质降压过程82，M1千克工质升压过程59，M1千克工质放热冷凝过程9a，M1千克工质降压过程a1——组成的闭合过程。
5.逆向单工质蒸汽联合循环，是指由M1千克和M2千克组成的工质，分别或共同进行的十一个过程——M1千克工质吸热汽化过程12，(M1+M2)千克工质吸热过程23，(M1+M2)千克工质升压过程34，(M1+M2)千克工质吸热过程45，M2千克工质升压过程56，M2千克工质放热过程67，M2千克工质降压过程72，M1千克工质吸热过程58，M1千克工质升压过程89，M1千克工质放热冷凝过程9a，M1千克工质降压过程a1——组成的闭合过程。
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