CN115218168A - 一种高热能转换效率的循环方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种工质状态受控的热力学循环过程，其至少包括5个状态，其中3个状态为工质的工作状态，2个状态为工质的受控状态。工质状态的控制包括将工质分组、合并、工质流混合、电磁诱导等操作。一种基于工质稀释热的循环方案，其工质包括至少3个流，其中第一流和第二流在不同浓度混合下可对外产生吸热或放热效应，并可在一定条件下分离。控制第一流与第二流的混合机分离状态，并通过第一流与第二流共同为第3流提供热量，第三流对外做功。上述基于稀释热的循环装置包括锅炉、工作工质、控制系统、热库、膨胀器、管路及阀门等组件。工作工质在锅炉内加热，在热库内进行热交换，通过膨胀器对外做功，并由管路阀门、控制系统共同控制整个热循环过程。

Description

一种高热能转换效率的循环方法及装置

技术领域

本发明涉及一种热能转换方法及装置，尤其涉及蒸汽循环下的热能到机械能及电能的转换领域。

背景技术

热力发电是我国目前电能供给的主要来源。目前，热力发电中，热能到电力的转换效率一般在40%左右，其余的热能都由冷却装置带走，造成了大量的能量浪费。为提高热电转化效率，有多种实施途径。如通过材料的热电效应直接实现热电转换等，这类效率目前最高在15%左右，整体效率仍然偏低，热能浪费情况严重。因此，一种高效的热能转换方法及装置对我国国民生产有着重要意义。

根据卡诺（Carnot）循环，气体对外做功的过程分为四个阶段，分别为1）等温吸热，2）绝热膨胀，3），等温放热，4）绝热压缩。整个系统对外做功的多少取决于过程2）与过程4）的能量差。理想状态下，希望过程3）散热尽可能少，过程4）的气体体积尽可能小，以尽量提高系统的工作效率。实际的卡诺循环中，通过尽可能拉大气体工作的最高温及最低温来提高整个系统的工作效率。

朗肯(Rankine)循环为一个典型的卡诺循环过程，它利用水蒸气为工质进行工作循环。其基本循环过程为，首先在锅炉中加热水蒸气至高温状态，然后让水蒸气进入汽轮机做功；随后水蒸气进入冷凝器冷却，最后由泵压缩再次进入锅炉加热。在朗肯循环过程中，对于膨胀后的耗尽流，不论其温度为多少，所含热量多少，都需要有一个冷凝过程。在该过程中，需要向外部散热。正是由于该过程的存在，导致整个朗肯循环中，热效率始终无法有效提高。

斯特林(Stirling)循环是最接近卡诺循环理论效率的封闭式循环过程。整个循环过程由等温吸热、等容放热、等温放热和等容吸热四个可逆过程组成，工作过程中，低压低温工质在向外冷源放热的同时接受活塞定温压缩的过程；然后低温工质在定容条件下接受回热器对其进行定容加热；高压高温工质在向外热源吸热的同时，推动活塞对外作功的定温膨胀过程；高温工质在定容条件下向回热器进行定容放热的过程，压力和温度均相应降低并回复到初态，从而完成了一个闭式循环。在斯特林循环中，存在一个用高温工质向低温工质加热的过程，从而提升工质的热量利用效率。但低温工质工作时还需要向外界环境放热，从而引起热量损失。

除上述循环外，其他常用热力学循环过程还有奥托(Otto)循环,狄塞尔(DieSel)循环, 阿特金森（Atkinson）循环、双燃循环等，尽管其实现过程略有不同，但都是卡诺循环的一个工程实现实例。在上述工质的循环过程中，在工质由高温态向低温态转变时，存在一个向环境放热的过程，因此其能量利用及转换效率一直难以提高。

对于孤立系统，理论已经证明，最大工作效率为卡诺循环的效率，其工质的最大能量转换效率取决于工质循环的最高温与最低温。由于实际中无法达到理论最低温绝对零度，由此，开尔文(Kelvin)给出了总结：在孤立系统中，不可能在不改变外部环境的情况下，将单一热源热量全部转化为功。这就是热力学第二定律的开尔文式表述。

热力学第二定律的成立条件在于，它是针对孤立系统而言。对于非孤立系统，可对外表现出“违反”热力学第二定律的特性。第一个不适用于热力学第二定律的为宇宙，对于宇宙不适用热力学第二定律的过程不再赘述。第二个例子为常见的各类制冷设备，对外也表现出违反热力学第二定律的特征：它从高温处取得热量，并释放到低温环境中。以吸收原理冰箱为例，目前在工程中广泛使用的为采用溴化锂水溶液的冷却系统。该系统采用热源加热工质溶液，释放出冷却剂，然后将高温高压的蒸汽在冷凝器中液化放热，然后进入与冰室相连的蒸发器中并发生气化吸热，从而在冰室中产生人造冰。从整个系统角度看，该过程利用外部热源加热，实现能量由高温向低温转移，似乎也违背热力学第二定律。然而，由于整个过程中系统为开放受控系统，单个过程并不违背热力学第二定律，最终实现了能量由高温向低温的转移。这表明，对于非孤立系统，其可表现出“违背”热力学第二定律的特征。

除了上述与环境进行能量交换的系统为开环系统，不适用热力学第二定律外，与外界进行信息交换的系统，即有控系统，也不适用于热力学第二定律。其典型过程为麦克斯韦妖（Maxwell’s demon），它即是有控的系统，因此表现出“违背”热力学第二定律的特征。

回望目前基于卡诺循环的各蒸汽系统热力学循环过程，它们在整个循环过程中，除改变工质的热力学状态（体积、温度、压力等参数）外，未改变工质的其它状态。而通过控制热力学循环中的工质非热力学状态，可能改变工质的循环状态，从而使得系统表现出“违背”热力学第二定律的特征：将外部热源的热量全部转换为功率对外输出。

基于此，本发明提出一种新的热力学循环过程，名之为东点循环。东点循环中，引入控制系统来监测及控制工质工作状态，使得热力学循环过程不再是孤立的热力学循环过程，而是受控热循环过程，通过外部控制参与改变循环过程的工质状态。在该循环下，可大大提高整个循环的能量转换效率。理论上，忽略摩擦损耗等因素的影响，其理论热力学效率为百分之百。

发明内容

所述之东点循环为一工质状态受控的热力学循环过程，其特征在于，

a.所述循环的过程中，工质至少经历下列工作状态：

a)状态1：高温高压态。该状态为工质工作的初始状态；在此之前，工质可能由初始态进入该状态，如常温常压态进入该状态，但进入该状态的过程不属于循环过程。此外，所述的高温高压态是相对后面的循环状态而言，并不是相对常温常压而言。因此，工质的实际最高工作温度及压力可能低于1atm或300K；

b)状态2：低温低压态。该状态为工质完成全部对外做功过程后的状态。该状态下，工质对外输出能量最多，达到低温低压态；

c)状态3: 中温中压态。该状态为循环中进入的一个中转状态。通常情况下，该状态下的工质体积与状态1一致；但根据控制策略的不同，也可能有所变化。

b.除上述状态外，工质至少还经历下列受控状态：

a)状态2’: 工质第一次受控态：工质在外部控制下，第一次改变全部或部分状态；

b)状态3’: 工质第二次受控态；工质在外部控制下，第一次改变全部或部分状态；

c.工质状态受控时，具有特征如下：

a)对全部或部分工质进行状态改变；控制系统的控制操作不一定是针对所有工质进行，通常是针对部分工质进行操作。虽然针对所有工质操作能够取得最佳热力学循环效率，但受限于工程实际实现过程，往往只能对部分工质的状态进行改变。

b)东点循环中的工质不限于在上述状态中进行流动或对外做功的工质。其工质指的是一切参与上述循环，且在循环中提供热量或储存热量的物质。故其工质状态可为气态、液态或固态，或其混合物。由气态工质对外做功，故工质在状态2时，部分或全部呈现气态；其余状态中，工质可呈现为气态、液态或固态的混合物或其中任意状态。

c)工质改变的状态为工质的非热力学状态，即除温度、压力和体积外的其他状态。

整个循环过程中，根据控制过程的控制方式，至少进行两次控制，工质状态经历至少两次变化。根据控制系统的控制方式，控制系统可在上述工质状态1、状态2及状态3的前或后任意时机施加。

整个东点循环过程中，重点在于如何设计控制过程，让工质由状态2进入状态2’，并在后续循环中由状态3进入状态3’。在目前的基于蒸汽的热机循环中，如朗肯循环，布雷顿循环等，除工质的温度、压力、体积等热力学状态外，循环中不改变工质的其他状态。而东点循环中，需要改变工质的其它状态，且所述状态改变应是一定条件下的可逆改变。一般地，控制系统通过下述部分或全部操作改变工质状态：

a.将工质分为多个流或将多个流合并为至少1个流；

b.根据工质的成分或相将工质分离、分组或将工质合并；

c.通过混合、分离等方式控制工质吸热或放热；

d.通过电磁诱导等方式，向工质放热或吸收工质的部分热量；

e.添加催化剂等物质，使工质产生可逆的化学反应；

f.通过压力、温度调节等，促使工质状态改变；

g.通过过滤、萃取、离心分离、电磁分离等方式分离工质；

h.改变工质间的热传导状态，如将工质间由导热状态变为绝热状态，或反之。

基于上述过程，一个典型的循环过程如下：

a.工质由初始态经热源加热，进入状态1：高温高压态；

b.在状态1下，对工质进行状态控制，工质状态进入2’：第一次受控态；

c.工质由状态2’体积膨胀，温度降低，进入状态2，此过程对外做功；

d.在状态2下经控制系统改变工质状态后，进入状态3’：第二次受控态。此过程中工质的热力学状态或物理、化学状态改变；

e.外界压缩工质，进入状态3，对工质做功。此时工质的温度及压力介于状态1与状态2之间，体积与状态1相同；

f.热源加热状态3下的工质，重新进入状态1，或者结束循环。

在上述循环中，若没有控制系统的介入，则由状态1到状态2做的功要不小于由状态2进入状态3的功。此时，系统无法对外输出功率。而由于控制系统的加入，工质循环状态改变。某些控制方案下，在上述循环过程中，工质由状态1到状态2做的功要大于由状态2’进入状态3的功。而由状态2到达状态2’以及由状态3到达状态3’虽然也消耗一定的能量，但根据采用的控制方案，可降低该过程的能量消耗至可忽略的程度。此时，系统对外输出的功率为由状态1到状态2做功与由状态2’到状态3两个过程的功率差。此后，由热源补充状态3’的能量，将系统状态恢复到状态1，重新开始循环。

基于上述东点循环过程，下面给出一种基于工质稀释热的东点循环过程，该循环符合上述的东点循环过程，能够将输入的热量全部转换为对外的功率。该循环特征为：

a.工作工质包括三个流，分别为第三流——功率流，第二流——溶剂流和第一流——溶质流；

b.第三流功率流为气态，对外做功，并接收外部压缩；

c.第二流溶剂流和第一流溶质流混合后，可对外释放热量；

d.第二流溶剂流和第一流溶质流混合后，由于浓度的变化，工质可对外释放热量或吸收热量；

e.在一定条件下，如低温或低压下利用滤网过滤，或离心分离，或根据工质的相特性等，可将第二流与第一流全部或部分分离。

众多无机化合物及盐类溶解于水的过程满足上述条件，如AlCl₃，NaOH等。但部分化合物容易形成水合物。若其水合物仍满足上述条件，可以以其水合物为工质；但通常无法满足该条件。以无法形成水合物的物质为工质，如NaOH，则可完全满足上述循环要求。

所述的基于工质稀释热的东点循环的循环过程为：

a.所有工质处于初始状态，第三流为气体状态；第二流与第一流分离；

b.热源对初始态的三个流进行加热，到指定工作温度，使所有工质处于状态1：第一流为高温高压态，第二流第三流处于高温态；第一流与第二流第三流处于热平衡态；

c.控制系统第一次控制：第一流与第二流混合，混合流对外放热，加热第三流直至热平衡；整个工质系统处于状态2’：第一流与第二流混合放热态；

d.由第一流与第二流提供热量，第三流进行等熵膨胀，对外输出功率，直至完成做功。此时，第三流功率流处于低温低压态，第一流与第二流与第一流同样为低温状态，工质进入状态2；

e.控制系统第二次控制：分离第二流与第一流；系统进入状态3’：第三流低温低压态，第二流与第一流分离态；

f.外部压缩第三流，同时保持第一与第二流和第三流处于热平衡状态，直至初始位置。此时，工质流处于状态3：中温中压态；

g.返回步骤b，或结束循环过程。

另一种循环为基于工质电磁制冷效应的循环。该循环的特征为：

a.所述工质至少包括工质流1与工质流2；

b.工质流2通过外部电磁诱导，可产生明显的放热或吸热效应。

此时，基于工质电磁制冷效应的循环过程如下：

a.初始状态下，工质流1处于气态，工质2处于初始态，通常为固态；工质流1与工质2保持热平衡；

b.热源对初始态的工质流1与工质2进行加热，维持初始态工质流1的压力，使所用工质流处于高温高压的状态1：工质流1处于高温高压态，工质2处于高温态。若工质2为非气态，则压力对其影响不大，故不对工质2的压力状态进行约束；

c.停止热源加热，工质流1进行等熵膨胀，对外输出功率，直至做功完毕，工质流1与工质2处于低温低压的状态2：工质流1处于低温低压态，工质2处于低温态；

d.控制系统通过电磁诱导工质2吸热，控制工质2吸收工质流1的部分热量，直至热平衡，混合后的工质流进入受控后状态2’：工质流1处于低温低压态，工质2处于低温态；

e.等熵压缩混合后的工质流，直至中温中压状态3: 工质流1处于中温中压态，工质2处于中温态；

f.控制系统分离工质流1与工质2；

g.控制系统通过电磁诱导工质2放热，此时工质流进入第二次的受控状态3’：工质流1中温中压，工质流2中温；

h.继续压缩工质流1，或将工质流1注入锅炉；

i.继续接受热源加热，开始下一循环，或结束循环。

上述基于工质电磁制冷效应的循环中，一种可选的工质方案为，工质流1选取为空气，工质流2为顺磁材料，如Gd5系合金材料、钙钛矿型化合物等。

一种基于工质稀释热的东点循环中，所述工质1为盐类或碱类固态物质，这类物质溶于水货酒精等液体时，可释放热量，如NaOH固体；工质2为液态溶剂，如水、酒精、甲醇等，工质3为常用气态物质如空气。

一种基于工质稀释热的循环装置中，至少包括锅炉、工作工质、控制系统、膨胀器、管路及阀门等组件。其中：

a.锅炉内置热交换器，热交换器位于锅炉底部，保持锅炉内工质与膨胀器的热平衡；

b.膨胀器包括缸体、活塞、热交换器等；活塞与缸体密封，热交换器位于缸体底部，另一端与锅炉相连，保持锅炉内工质与膨胀器内工质始终处于热平衡；

c.控制系统包括传感器、控制器、水泵、过滤泵、滤网及电机等设备；传感器采集锅炉及膨胀器的信息，传递给控制器，控制器控制水泵、过滤泵及电机等设备的运动；滤网位于锅炉底部，由控制系统控制电机运动，带动滤网过滤锅炉内的工质；

d.控制系统的电机与膨胀器的活塞相连，电机可在膨胀器的驱动下对外做功，也可由外部输入能量后带动活塞运动；

e.控制系统的分离泵与滤网连接，驱动滤网运动，分离锅炉内析出的工质，并将分离后的固态工质重新注入锅炉；

f.水泵通过管路阀门与锅炉连接，在控制系统的驱动下，将锅炉内分离后的工质重新注入锅炉。

优选地，上述系统中还包括热库。

a.锅炉内仅包含工质，不再包含热交换器；锅炉通过管路与阀门系统与热库相连，在水泵的驱动下，将锅炉内的工质注入热库；

b.热库由缸体、热交换器等部组件组成；滤网位于热库缸体内部，与缸体紧密贴合；热交换器位于热库底部，一端连接热库，另一端连接膨胀器；

c.控制系统的分离泵与锅炉的滤网连接，驱动滤网运动，分离锅热库内的工质，并将分离后的固态工质重新注入锅炉；

d.水泵通过管路阀门与锅炉连接，在控制系统的驱动下，将热库内分离后的工质重新注入锅炉。

上述系统中，工质循环过程如下：

a.初始态，工质1及工质2位于锅炉内，经外部热源加热后，处于饱和混合态；

b.工质3位于膨胀器内；

c.高温高压态的工质1与工质2混合物经管路阀门注入热库后，通过热交换器与工质3保持热平衡；

d.工质3在高温高压下带动活塞运动，驱动电机对外做功，直至低温低压态；

e.低温下的工质2与工质1部分分离；控制系统控制分离泵运动，将分离后的固态工质2过滤出来；

f.控制系统控制电机运动，压缩工质3，并始终保持工质3与热库内的工质1、工质2热平衡；

g.控制系统驱动分离泵及水泵运动，将工质2与工质1重新注入锅炉，并加热工质2与工质1，准备下一循环或结束循环。

附图说明

图1 实施例1系统组成原理图；

图2 滤网35的结构示例图；

图3 氢氧化钠溶解度-温度曲线；

图4 循环过程工质状态变化PV图；

图5 氢氧化钠饱和溶液比热容-浓度曲线；

图6 氢氧化钠溶液的焓值曲线；

图7 工质3对外做功-压缩做功与工质体积曲线仿真结果；

图8 实施例2统组成原理图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，所述基于工质稀释热的东点循环系统由锅炉1，工质2（含第一流固态工质21，第二流液态工质22及第三流气态工质23），控制系统3（含控制器31，水泵32，过滤泵33，电机34，滤网35），热库4（含缸体41），膨胀器5（含缸体51，活塞52，热交换器53）组成。

其中，第一流固态工质21为固态氢氧化钠，第二流液态工质22为水，第三流气态工质23为空气。

锅炉1接收外部热源加热。锅炉1内放置第一工质流21固态氢氧化钠，第二工质流22水。

控制系统3由控制器31、水泵32、过滤泵33、电机34和滤网35组成。滤网35与过滤泵33相连接。控制器31采集锅炉1、热库2及膨胀器5的状态信息，并根据状态信息，控制水泵32、过滤泵33与电机34的运动。

图2给出了滤网35的结构图。滤网35由底板351，连杆352，小孔过滤网353组成。连杆352底部与底板351固连为一体，并同步运动。底板351上分布有诸多小孔以及一个较大的孔。351上部布置有小孔过滤网353，小孔过滤网353可过滤溶液中的固体。

热库4主体结构与气缸一致，主要包含缸体41。滤网35位于热库4内，且与缸体41贴合。在过滤泵33的带动下，滤网35可沿缸体41运动。

热库4的缸体41通过管路阀门，经由水泵32与锅炉1相连。水泵32可正向或反向转动，分别将锅炉1内的工质2注入热库4的缸体41内，或反向将缸体41内部的工质注入锅炉1内。

膨胀器5由缸体51、活塞52及热交换器53组成。膨胀器内活塞52与缸体51密封贴合，将第三流气态工质23密封于缸体51和活塞52之间。热交换器53一端位于缸体51的底部，另一端与热库4的缸体41相连，通过热交换器53保持膨胀器内部的第三流气态工质23与热库4内的第一工质流21、第二工质流22热平衡。

锅炉1通过管路与热库4相连，管路内置水泵32及阀门，通过水泵32的转向及阀门系统开闭，控制工质流由锅炉1流向热库4或者反向流动。

滤网35通过连杆352与分离泵33相连。分离泵33驱动滤网35运动，将固体状态的工质21通过小孔滤网353过滤出来，并通过分离泵驱动，将过滤出来的工质21投入锅炉1中。

热交换器53连接热库4与膨胀器5，保持膨胀器5内的第三工质流23与热库内的第二工质流22热平衡。

膨胀器5的活塞52顶部通过曲柄连杆机构与电机34相连。活塞52向外运动时，驱动电机34运动；活塞52到达最远位置后，由电机34驱动活塞52反向运动到初始位置。

上述系统的工作过程如下：

a.控制外部热源对锅炉1的加热温度，保持锅炉1始终处于100摄氏度；

b.锅炉1内的第一工质流21与第二工质流22混合形成工质21与工质22的混合物：饱和氢氧化钠溶液；

c.控制系统控制水泵32运动，将部分饱和溶液注入热库4内部；此时，分离泵33控制滤网35运动到热库最底部，溶液全部位于滤网35的小孔过滤网353一侧；

d.混合后的工质21与工质22通过热交换器53加热膨胀器5中的工质23，并由工质23推动活塞52做功，从而带动电机34发电，向外输出功率；

e.活塞52输出一定功率后，运动至极限位置，不再运动；此时，由于对外输出功率，温度降低，热库内4的工质21与工质22混合物温度降低，部分工质21析出为固态；

f.控制器31控制过滤泵33运动；过滤泵33带动滤网35运动，滤网35将析出为固态的工质21分离出来；并维持分离后的工质21与工质22热平衡；

g.控制器31控制电机34运动，压缩工质23，并通过热交换器43保持工质21、工质22与工质23热平衡，直至活塞52返回初始位置；

h.过滤泵33驱动滤网35，将分离后的固态工质21注入锅炉1；水泵32将热库内的剩余工质21及工质22注入锅炉；此后驱动滤网35返回热库4底部；

i.进入步骤a，开始下一循环；或结束循环。

工质2包括3个流，循环过程中，各流的状态略有不同。整个循环过程中，各工质经历的过程如下：

a.初态下，在锅炉内加热：第一流21与第二流22等温等压，处于高温态；第三流23处于初态；

b.进入热库后，第一流21、第二流22与第三流23混合，直至首次达到热平衡；此时，第三流23处于高温高压态，第一流21第二流22温度略有所降低；由于第三流23为功率流，第一流21和第二流22仅提供热量，故以第三流23为基准，则此时各工质处于状态1：第三流23为高温高压态；

c.第一流21与第二流22提供热量，第三流23对外做功。此过程中，由于三个流始终保持热平衡状态，故可始终认为工质2的第一流21、第二流22与第三流23温度相同；至第三流23达到做功的极限位置后，系统处于状态2：第三流23处于低温低压态，第一流21与第二流22处于低温态且两流混合。由于第二流22与第一流21非气态，其压力变化可忽略；

d.根据溶液的性质可知，对于第一流21为氢氧化钠，第二流22为水时，在饱和溶液由高温降到低温时，会有部分溶质析出；氢氧化钠的溶解度与温度的关系曲线见图3。由溶质性质可知，析出的氢氧化钠不含结晶水，为固体氢氧化钠；此时采用过滤的方式，可过滤出析出的结晶；过滤后的工质处于状态2’：第三流23处于低温低压态，第一流21与第二流22处于低温态且第一流21与第二流22部分分离；

e.压缩第三流23。若第三流为绝热压缩，则第三流23温度快速升高。由于第一流21及第二流22作为热库，吸收第三流23的部分热量，压缩过程中，第三流23温度升高略慢。直至第三流到达初始体积处，压缩结束。此时，整个工质流处于状态3：第一流21及第二流22分离，处于中温态；第三流23处于中温态中压态；

f.混合第一流21与第二流22，维持第三流状态不变。此时，工质处于状态3’: 第一流21及第二流22混合，处于中温态；第三流23处于中温态中压态；

g.外部热源加热第一流21及第二流22的混合物。

上述工质循环中，第三流23状态变化如图4所示。工质循环的各步骤已在各类操作中实现，无可行性问题。所关注的焦点在于，由状态1到状态2过程中，工质23对外做功是否大于由状态2’到状态3过程中，外界压缩工质23的功。若此过程中工质23对外做功大于外界做功，则由能量守恒，状态3’下的工质温度会低于状态1下的工质温度。下面着重分析工质23由状态1到状态2的做的功，以及工质23由状态2’到状态3所需要的功。

上述过程中，工质2的三个流始终保持热平衡状态，故分析中始终认为工质2的第一流21、第二流22与第三流23温度相同。设气体的温度、压力及体积分别为T，V，P，物质的量为nq。状态1下，温度为T1，压力P1，体积V1。由于循环过程中第三流23气体未发生相变，质量无变化，气体物质的量无变化，方程中为定数。循环中，第三流23按等熵过程变化，始终处于平衡态，故时刻满足气体状态方程：

PV = n _q RT

同时，第一流满足能量守恒方程：

n _q RTi/2 + PdV + dQ =0

其中dQ为气体温度升高dT时向外放出的热量，放热为正。对于多原子分子，i=5。

第二流22与第三流23混合时，溶液浓度发生变化，同时溶液放热或吸热。吸热或放热值可通过溶解热计算得到。图6给出了NaOH溶液不同浓度下的生成焓，通过不同浓度下的生成焓之差可计算得到溶液浓度变化引起的吸热或放热值。对于饱和溶液，由于溶液浓度取决于温度，故吸热或放热值也直接与温度有关。溶液由温度T1到T2的热量变化Q可表示为：

Q = f _xs (T ₁ , T ₂ )

对于溶液，图5给出了NaOH溶液浓度与比热容Cl的关系。由此可计算得到NaOH溶液温度变化时，不考虑浓度变化引起的热量交换值。工质21与工质22分离后，其比热容按照各自物质的比热容计算。工质21 NaOH取定值-1.5J/g-°C，工质22水取定值4.2 J/g-°C。

过程中，气体对外做功为：

dE = PdV

在上述条件下计算第三流23由状态1到状态2做的功，以及由状态2’到状态3所需要的功。设状态1下初始温度为400K，气体为空气，质量0.5kg，体积膨胀50倍；热库为0.5kg饱和氢氧化钠溶液，溶液焓值及比热容插值计算，气体状态按上述方程求解。图7为两个过程做功对比。其中，压缩过程的做功以膨胀过程做功值为起点，计算不同体积膨胀比下系统对外总输出的功率值。由图7可知，在体积恢复到初始位置后，整个过程对外仍有能量净输出。计算表明，该状态下，整个循环可输出能量8821J。以整个循环过程输出的能量与对外做功总值比作为循环输出效率，则循环输出效率约2.9%。

对比状态1到状态2的做功过程，以及由状态2’到状态3的做功过程。在按照等熵过程做功的情况下，若无控制过程的引入，则上述过程为一个可逆过程。而由于控制过程的引入，在状态2中，将工质分离。分离后的工质在析出时需要吸收部分热量，对外表现为总比热容要大于分离前的溶液的比热容。因此，由状态1到状态2中，外界提供的热源较少，温度下降较快。而由状态2’到状态3的过程中，总工质比热容变大，吸收热量较多，温度下降较慢。因此，引起状态1到状态2过程做功要大于状态2’到状态3过程的压缩做功，系统对外表现为可输出能量。

实施例2

本实施例中，在实施例1基础上去除热库4及相关设备，其余设备与实施例1基本一致。

如图8所示，所述基于三相流的东点循环系统由锅炉1（含缸体1），工质2（含第一流固态工质21，第二流液态工质22及第三流气态工质23），控制系统3（含控制器31，过滤泵33，电机34，滤网35），膨胀器5（含缸体51，活塞52，热交换器53）组成。

其中，工质状态与工况1相同。

锅炉1接收外部热源加热。锅炉1内放置第一工质流21固态氢氧化钠，第二工质流22水。

滤网35位于锅炉1内，且与锅炉1的缸体贴合。

锅炉1底部布置有热交换器53，其一端与锅炉内的工作工质相连接，另一端连接膨胀器5的缸体底部。通过热交换器53，保持锅炉1内的工质温度与活塞内的工质温度一致。

控制系统3由控制器31、水泵32、过滤泵33、滤网35和电机34组成。控制器31采集锅炉1、热库2及膨胀器5的状态信息，并根据状态信息，控制水泵32、过滤泵33与电机34的运动。控制系统各设备及滤网35的结构与实施例1一致。

其余各设备的连接状态与实施例1一致。

上述系统的工作过程如下：

a.控制外部热源对锅炉1的加热温度，保持锅炉1内温度处于100摄氏度；

b.外热源停止对锅炉1内的工质加热；

c.锅炉1内的第一工质流21与第二工质流22混合形成工质21与工质22的混合物：饱和氢氧化钠溶液；

d.混合后的工质21与工质22通过热交换器43加热膨胀器5中的工质23，并由工质23推动活塞52做功，从而带动电机34发电，向外输出功率；

e.活塞52输出一定功率后，运动至极限位置，不再运动；此时，由于对外输出功率，温度降低，锅炉1内的工质21与工质22混合物温度降低，部分工质21析出为固态；

f.控制器31控制过滤泵33运动；过滤泵33带动滤网42运动，滤网42将析出为固态的工质21分离出来；并维持分离后的工质21与工质22热平衡；

g.控制器31控制电机34运动，压缩工质23，并通过热交换器43保持工质21、工质22与工质23热平衡，直至活塞52返回初始位置；

h.外热源开始对锅炉1内的工质加热，保持锅炉1内温度处于100摄氏度；

i.过滤泵33驱动滤网42，将分离后的固态工质21注入锅炉1；此后过滤泵33驱动滤网42返回锅炉1底部；

j.进入步骤a，开始下一循环；或结束循环。

上述循环中，工质状态与实施例1一致。

Claims (10)

1.一种工质状态受控的热能到机械能或电能转换的循环，其特征为：

a. 所述循环的过程中，工质至少经历下列工作状态：

1)状态1：高温高压态；

2)状态2：低温低压态；

3)状态3: 中温中压态

b. 除上述状态外，工质至少还经历下列受控状态：

1)状态2’: 工质第一次受控态

2)状态3’: 工质第二次受控态；

c. 工质状态受控时：

1)至少两次对工质状态进行改变；

2)工质状态的改变时机可在循环中的任意时机；

d. 所述工质的状态改变，在多次控制后，工质可恢复到初始状态；

e. 所述工质在循环中，工质对外做功、受外界压缩或在循环中提供和/或储存热量。

2.基于权利要求1所述的循环系统，对循环中的工质进行下列全部或部分状态控制操作：

a. 将工质分为多个流或将多个流合并为至少1个流；

b. 根据工质的成分或相将工质分离、分组或将工质合并；

c. 通过混合、分离等方式控制工质吸热或放热；

d. 通过电磁诱导等方式，向工质放热或吸收工质的部分热量；

e. 添加催化剂等物质，使工质产生可逆的化学反应；

f. 通过压力、温度调节等，促使工质体积变化、相变等；

g. 通过过滤、萃取、离心分离、电磁分离等方式分离工质；

h. 改变工质间的热传导状态。

3.一种基于工质稀释热的循环过程，其工质具有下列特征：

a. 工作工质至少包括两个流，分别为第二流——溶剂流和第一流——溶质流；

b. 第二流溶剂流和第一流溶质流混合后，可对外释放热量；

c. 第二流溶剂流和第一流溶质流混合后，由于浓度变化可对外释放热量或吸收热量；

d. 在控制系统控制下，第二流与第一流可全部或部分分离。

4.基于权利要求3所述的循环过程，还包括第三流功率流。

5.基于权利要求4所述的循环过程，其循环过程如下：

步骤1）：所有工质处于初始状态，第三流为气体状态；第二流与第一流分离；

步骤2）：热源对初始态的三个流进行加热，到指定工作温度，使所有工质处于状态1：第一流为高温高压态，第二流第三流处于高温态；第一流与第二流第三流处于热平衡态；

步骤3）：控制系统第一次控制：第一流与第二流混合，混合流对外放热，加热第三流直至热平衡；整个工质系统处于状态2’：第一流与第二流混合放热态；

步骤4）：由第一流与第二流提供热量，第三流进行等熵膨胀，对外输出功率，直至完成做功；

步骤5）：控制系统第二次控制：分离第二流与第一流；系统进入状态3’：第三流低温低压态，第二流与第一流分离态；

步骤6）：外部压缩第三流，同时保持第一与第二流和第三流处于热平衡状态，直至初始位置；

步骤7）：返回步骤2，或结束循环过程。

6.一种基于工质电磁制冷效应的循环，其特征为：

a. 所述工质至少包括工质流1与工质流2；

b. 工质流2通过外部电磁诱导，可产生放热或吸热效应。

7.基于权利要求6的循环，其循环的过程为：

步骤1）：初始状态下，工质流1处于气态，工质2处于初始态；工质流1与工质2保持热平衡；

步骤2）：热源对初始态的工质流1与工质2进行加热，维持初始态工质流1的压力，使所有工质流处于高温高压的状态1；

步骤3）：停止热源加热，工质流1进行等熵膨胀，对外输出功率，直至做功完毕，工质流1与工质2处于低温低压的状态2；

步骤4）：控制系统通过电磁诱导工质2吸热，控制工质2吸收工质流1的部分热量，直至热平衡，混合后的工质流进入受控后状态2’；

步骤5）：等熵压缩混合后的工质流，直至中温中压状态3；

步骤6）：控制系统分离工质流1与工质2；

步骤7）：控制系统通过电磁诱导工质2放热，此时工质流进入第二次的受控状态3’；

步骤8）：继续压缩工质流1，或将工质流1注入锅炉；

步骤9）：进入步骤2），继续接受热源加热，开始下一循环，或结束循环。

8.一种基于工质稀释热的循环装置，至少包括锅炉、工作工质、控制系统、膨胀器、管路及阀门等组件，其中：

a. 锅炉内置热交换器，热交换器位于锅炉底部，保持锅炉内工质与膨胀器的热平衡；

b. 膨胀器包括缸体、活塞、热交换器等；活塞与缸体密封，热交换器位于缸体底部，另一端与锅炉相连，保持锅炉内工质与膨胀器内工质始终处于热平衡；

c. 控制系统包括传感器、控制器、水泵、过滤泵、滤网及电机等设备；传感器采集锅炉及膨胀器的信息，传递给控制器，控制器控制水泵、过滤泵及电机等设备的运动；滤网位于锅炉底部，由控制系统控制电机运动，带动滤网过滤锅炉内的工质；

d. 控制系统的电机与膨胀器的活塞相连，电机可在膨胀器的驱动下对外做功，也可由外部输入能量后带动活塞运动；

e. 控制系统的分离泵与滤网连接，驱动滤网运动，分离锅炉内析出的工质，并将分离后的固态工质重新注入锅炉；

f. 水泵通过管路阀门与锅炉连接，在控制系统的驱动下，将锅炉内分离后的工质重新注入锅炉。

9.一种基于工质稀释热的循环装置，至少包括锅炉、工作工质、控制系统、热库、膨胀器、管路及阀门等组件，其中：

a. 锅炉内包含工质，并通过管路与阀门系统与热库相连，在水泵的驱动下，将锅炉内的工质注入热库；

b. 热库由缸体、热交换器等部组件组成；滤网位于热库缸体内部，与缸体紧密贴合；热交换器位于热库底部，一端连接热库，另一端连接膨胀器；

c. 控制系统包括传感器、控制器、水泵、过滤泵、滤网及电机等设备；传感器采集锅炉及膨胀器的信息，传递给控制器，控制器控制水泵、过滤泵及电机等设备的运动；滤网位于锅炉底部，由控制系统控制电机运动，带动滤网过滤锅热库内的工质，并将分离后的固态工质重新注入锅炉；；

d. 控制系统的电机与膨胀器的活塞相连，电机可在膨胀器的驱动下对外做功，也可由外部输入能量后带动活塞运动；

e. 水泵通过管路阀门与锅炉连接，在控制系统的驱动下，将热库内分离后的工质重新注入锅炉

f. 膨胀器包括缸体、活塞、热交换器等；活塞与缸体密封，热交换器位于缸体底部，另一端与热库相连，保持热库内工质与膨胀器内工质始终处于热平衡。

10.基于权利要求8、权利要求9的循环装置，其采用的工质为：

a. 工质1为固态碱类或盐类物质，或其与工质2的化合物；

b. 工质2在循环中为液态溶剂；

c. 工质3为气态物质。

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