技术领域
背景技术
[0002] 在
热力学领域，一直以来可逆的卡诺循环被认为是热效率最高的，可是卡诺循环相比
朗肯循环其绝
热压缩过程无法实现回热循环，而回热循环是可以提高热效率的。尤其在超临界的朗肯循环中，超临界液体工质与气体工质不仅可以通过回热循环吸收低温排热，而且其
比热比常压气体工质比热大许多，即超临界朗肯循环的定压加热过程中回
热容量所具有的节能潜力被忽视了。发明
专利申请CN201310497436.1(公布号CN103775148A)很好的利用了这一潜力，提出了一种自冷式热力做功方法，采用合适的工质，例如液氮，通过增加
热泵过程在定压加热过程中全部回收系统做功后的排热，真正突破热力学第二定律实现了单一热源做功，实现了纯空气能
发动机，是彻底解决
能源危机之道。但是其局限在回收排放热的热泵排热先进入膨胀做功过程，然后与系统余热一起通过回热过程才能
传热到升温过程，因此至少在实现方法与应用领域方面受到局限。
发明内容
[0003] 本发明的目的：在更广泛领域实现最高效
热力循环乃至单一热源做功。
[0004] 本发明的技术方案：热力系统利用高压工质比低压气体工质比热大的特点，可以采用热泵过程与回热过程使部分或全部低温排热按同步传热方式分别被升压后工质的预热过程吸收，以达到最大热效率乃至单一热源做功。具体方案是，一种自冷式热力循环方法，属于热能动力领域，热力系统的工质升压后吸热做功，包括了工质从低温状态开始的升压过程、升压后的预热过程、从热源吸热过程、从热源吸热后使工质成为动力气源进入膨胀做功系统后的膨胀做功过程，以及完成膨胀做功的低温气体工质进一步释放热量的排热过程，热力系统从升压、预热、从热源吸热、膨胀做功过程到排热过程后再到升压过程实现热力循环过程，热力循环系统采用了开式循环或闭式循环，其特征是：工质从高于环境
温度的热源吸收了热量，或从等于或低于
环境温度的热源吸收了热量；热力系统采用了热泵过程吸收排热过程中工质释放的全部或部分热量，预热过程直接或间接吸收热泵过程排出的全部或部分热量。也可以在排热过程与预热过程之间采用回热过程，热力系统通
过热泵过程与回热过程将全部或部分排热过程排放的热量回收，在实际应用中应尽量提高热效率达到全部回收排热的单一热源做功，但并不是必须的可根据实际情况而定。为最大程度减小热泵过程耗功，预热过程工质管路采用可以并联方式使热泵过程及回热过程两种换热器并列布置在并联的预
热管路上实现并列同步换热，最大程度通过回热过程回收系统排热减小热泵过程换热比例。
[0005] 另外，提出一种回热式热泵，热泵过程升压装置前后增加了回热过程以适应大温差热泵过程。同时，提出了采用可旋转内筒的
旋流分离器在回收分离出的高速旋流液体工质的蜗壳扩压器更节能，使热力循环更容易做到单一热源做功。
[0006] 自冷式热力做功方法可以做到单一热源做功，客观上证明了热力学第二定律存在错误，至少是片面的，将对热力学产生重要影响，可总结为以下几个方面：(1)热力循环可以采用自冷式热力循环自创冷源而实现单一热源做功。(2)系统做功能力由热源温度与系统压力及工质物理性质决定，环境空气或
水资源具有的近似恒温热量是可利用的能源，空气能发动机完全可以实现，纯空气能发动机热量取之于环境最终也必然释放于环境而对环境不产生影响。(3)无论利用空气能还是传统能源做功，随所选工质沸点降低可以无限接近1。(4)燃气既包括了
燃料化学能产生的热量也包括了空气热量，如果空气热量不计入热源则燃气发动机的燃料热效率可大于1。(5)热泵过程耗功是单一热源做功系统必须的，即使系统与外部环境绝热至少内部工质流动损失也会增加内部热泵耗功，热力系统可以从单一热源吸热使之完全转化为功但不可能同时对外部环境及内部热泵耗功不产生影响。(6)同等热力系统条件下，单一热源做功是将Q2在系统内循环而不向外排放，因减少了Q1中从热源吸热量而提高了热效率，但不能增加系统动力输出。(7)自冷式热力循环方法打破了热力学熵增理论，虽然可以视为世界处于熵增的过程中自冷式热力循环只是熵增空间中小小的旋窝，但是也不能排除目前我们可观察到的
宇宙空间是整个世界中的膨胀过程或
真空热泵过程，即不能排除整个世界是自冷式热力循环的世界。
[0007] 这里涉及的工质气或气体的概念是各种单一的或混合的气态工质的广义概念，发明具体内容将结合具体实施方式进一步说明。
[0008] 本发明的优点：
[0009] 1.是自冷式做功热力循环的
基础性方案，具有普遍适用性，可以采用相对独立的热泵过程而不必约束于其排热只能先进入膨胀做功过程，使自冷式热力循环应用更广泛，可以更广泛利用成熟设备组成系统，大幅度提高实用性。
[0010] 2.预热过程吸收热泵过程与回热过程排出热量的方式更加多样，适用范围更广。
[0011] 3.膨胀做功装置增加真空动力装置增加了动力也简化了回热过程或回收排热过程方法。
[0012] 4.热泵过程采用真空喷射式热泵装置同时膨胀做功装置增加真空动力装置可以使热泵过程与回热过程合二为一，统一由热泵过程完成，方案更简单低成本易实施。
[0013] 5.热泵过程采用回热式热泵可以更好适应大温差的热泵过程，而且采用循环回路的回热方式省掉了大流量换热器，同时传热传质效率高成本低，使开式自冷式热力循环更实用。
[0014] 6.采用可旋转内筒的旋流分离器加上格栅通道可按
流线型设计，内筒
支撑可采用磁悬浮
轴承，可最大程度减小旋流器内壁流动损失，增加蜗壳扩压器或其它减速扩压导流装置可回收高流速液体的动力，更节能，用于自冷式热力循环时，可使喷射旋流
液化式热泵效率更高，使热力循环更容易做到单一热源做功。
附图说明
[0015] 图1是采用了独立热泵过程的自冷式热力循环示意图；图2A是热泵换热器与回热换热器交替布置方式；图2B是一种并列同步换热器；图3是自冷式热力循环温熵图；图4、5、是两种采用了不同回热式热泵过程的自冷式热力循环；图6是采用了具有循环回路热泵过程的自冷式热力循环；图7是采用了多级压缩与冷却式热泵过程的开式自冷式热力循环；图8、9是两种增加了真空动力装置的自冷式热力循环；图10、11是两种采用了真空喷射式热泵系统的自冷式热力循环，图12是一种真空喷射式热泵，图13是真空喷射式热泵中旋流喷射器，图14是一种喷射旋流分离器。
具体实施方式
[0016] 实施方式1，采用独立热泵的自冷式热力循环：
[0017] 如图1所示是采用了独立热泵过程的自冷式热力循环，通过热泵吸热换热器15(为简明用虚线表示换热过程，与换热器结构无关，以下同)的降温或液化后，热力系统低温工质通过泵14完成升压过程，升压后经过热泵过程换热器13与回热换热器12完成预热过程，并且通过热源加热器11完成从热源吸热过程使工质成为动力气源，动力气源进入膨胀做功装置18后完成膨胀做功的低温气体工质进入回热换热器12及热泵吸热换热器15进一步释放热量完成排热过程，热力系统从升压、预热、从热源吸热、膨胀做功过程到排热过程后再到升压过程实现热力循环过程。回热过程换热器12与热泵过程换热器13并列布置于预热过程的并联管路上实现并列同步换热，独立热泵过程由热泵升压装置17使热泵工质升压升温后进入热泵换热器13向预热过程中的工质排热，降温后经过节流
阀降压后进入排热过程的吸热换热器15吸热，然后重新进入热泵升压装置17实现热泵循环工作。在实际应用中不必做到满足单一热源做功时，必要时可增加
散热器19排出部分系统排热。
[0018] 当泵压使工质达到或超过
临界压力时，液体工质与临界气体工质的比热是常压或真空状态气体工质比热的2倍左右，因此在采用回热过程后预热过程有剩余吸热能力，可以同步吸收热泵过程排热。如附图2A所示的热泵换热器与回热换热器在预热过程管路上交替布置方式；如图2B是一种并列同步换热器，预热液体工质走壳程，回热与热泵换热管路并列同步走管程，这样有利于回热过程以最小温差损失实现回热过程，同时又可以实现最低温差的热泵过程。因此，在预热过程中吸收热泵过程排热的换热器与吸收排热过程排热的换热器可以并列同步换热或互相多次交替换热，如附图3所示的自冷式热力循环温熵图，全部回收Q2的最低回热温度T4可通过下式计算
[0019] C(T4-T2)＝Cp(T4-T2)+R+w
[0020] 其中，C是完成升压过程的工质比热，Cp是低压气体工质比热，T2是系统排热最低温度，R是工质
气化潜热或压缩升压过程中排热，w是热泵功耗，Cp(T4-T2)为回热热过程换热量，R+w为热泵过程换热量。附图3中的AB线表示比热等效于C-Cp工质的定压升温线，通过热泵绝热压缩线CB与其交点可找到T4，当采用液氮为工质时，T4接近环境温度。
[0021] 另外，可以采用气化潜热很小的工质(如液化空气或液氮)在预热过程先完成回热换热过程再进入热泵换热过程，最终可使系统排热Q2全部回收或大部分回收，其结果是w增加，T4较高。
[0022] 实施方式2，回热式热泵
[0023] 如附图4所示的采用了回热式热泵的自冷式热力循环，是在附图1的基础上热泵过程升压装置前后增加了回热过程，回热过程采用了回热换热器16，升压装置出口管路上布置的排热换热器与回热换热器并列同步换热，也可以采用互相多次交替布置在同一管路上换热。
[0024] 如附图5所示的采用了回热式热泵的自冷式热力循环，热泵过程采用喷射旋流分离器式热泵，由热泵升压装置17为喷射旋流分离器21提供喷射动力，实现对系统工质的制冷与液
化成为喷射制冷与液化热泵装置。如附图6所示的采用了回热式热泵的自冷式热力循环，是在附图1的基础上回热过程的升压装置17前后增加了循环回路，循环回路上增加了喷射抽气器25，喷射抽气器的动力气源入口与升压装置出口通道连接，出口与升压装置入口通道连接，抽气入口与热泵吸热换热器15出口的热泵工质管路连接，增加循环回路的热泵过程与增加回热换热器的回热效果是等效的，前者可以省掉换热器。循环回路增加喷射器的回热方式传质传热省掉了回热换热器，具有成本优势。附图5中用到的喷射旋流式式热泵原理在专利申请CN201310497436.1中有详细描述。
[0025] 实施方式3，开式自冷式热力循环
[0026] 如附图7所示的开式自冷式热力循环，升压过程采用了多级
压缩机31，热泵过程采用了压缩机35，并增加了膨胀机34回收热泵过程完成换热后的膨胀功，从膨胀机出来的低温气体送到升压过程多级压缩机的冷却装置32(为简明只用虚线表示传热过程)，为其提供冷源。显然当从冷却装置32出来的热泵气体温度接近环境温度时，等效于将升压过程多级压缩机的排热通过热泵方式传到预热过程，是开式热泵循环。开式热力循环工质直接为空气或烟气(例如吸收热源加热器11直接是
燃烧器时)，不用特殊工质，例如水、
氨、氟里昂及液氮或液空等，简单低成本，一般方便用于高于环境温度的热源吸热，如果用于纯空气能做功热泵过程必须产生低于环境温度的冷气体为升压过程降温，即热泵过程必须产生低于环境温度的冷源。
[0027] 如附图8所示的开始自冷式热力循环，是在附图7的基础上去掉了回热过程换热器而增加了真空喷射器36，由热泵过程中的膨胀机34排出的低温气体同时为升压过程压缩机与真空喷射器提供冷源气体，其等效于回热过程也通过热泵实现传热而且为膨胀做功过程增加了真空动力，同时为提高换热温度热泵过程增加了回热换热器16。关于真空喷射器产生真空动力的原理发明申请201510346819.8有详细描述。附图9是在附图8的基础上将热泵过程中从预热过程换热器中排出的低温热泵工质通过管路38直接通入真空喷射器36而不再经过膨胀机34，另外，升压过程增加了泵37可进一步提高工质压力。
[0028] 如附图10所示的的开式自冷式热力循环，热泵过程采用了真空喷射旋流式热泵装置，由膨胀做功装置18引出的工质为喷射抽气器39提供动力气源，喷射抽气器39为喷射旋流器41提供真空抽
气动力，将抽入的气体工质压缩升温后进入预热过程换热器13以及热泵回热换热器16，从换热器出来的热泵工质与加湿管路44进来的水混合后通过
喷嘴43切向喷射进入喷射旋流器41，经
过喷射混合与
密度分离，干热气体从中间的排热管40被喷射抽气器39抽走，低温湿气体从外围切向排冷管42排出为升压过程的冷却装置及真空喷射器提供冷源工质。附图11是在附图10的基础上采用膨胀做功装置的排气直为真空喷射热泵提供动力，真空喷射热泵最终排出的低温热泵工质为升压过程压缩机提供冷源。
[0029] 综合以上各实施方式，可以总结如下：
[0030] 一、热泵过程采用了开式循环或闭式循环，可以采用热泵方式之一，(1)热泵过程由热泵升压装置使热泵工质升压升温后进入热泵换热器向预热过程中的工质排热，降温后经过
节流阀降压后进入排热过程的吸热换热器吸热，然后重新进入热泵升压装置实现热泵循环工作，如附图1所示。(2)热泵过程采用压缩机为动力，并且采用了膨胀机回收膨胀功，如附图7，8，9所示。(3)喷射制冷与液化热泵方式，由升压装置提供喷射动力或由动力气源提供喷射动力或由膨胀做功装置引出的动力气源提供喷射动力，例如附图5所示采用了升压装置17。(3)真空喷射式热泵装置，由升压装置提供喷射动力或由热力系统动力气源提供喷射动力或由膨胀做功装置引出的中压动力气源提供喷射动力或者由膨胀做功装置排放的气体工质提供动力气源，例如附图10，11所示。所谓的真空喷射式热泵装置是指热泵系统的升压装置为增加的真空喷射器提供喷射动力，进入真空喷射器的热泵工质包含有可发生
相变流体，或者热泵工质与可发生相变流体从不同喷嘴喷入并混合，分离出的热气体工质从排热管排出，分离出的低温工质由排冷管排出，由此实现无膨胀功损失制热或制冷。(4)热泵过程采用开式循环并且排放的低温气体为升压过程的压缩机冷却装置提供冷源，如上述各开式循环所示。(5)采用了回热式热泵。
[0031] 二、预热过程吸收热泵过程排热的热泵换热器与吸收排热过程排热的回热换热器换热方式可以采用了以下方式，(1)预热过程工质管路采用并联方式，两种换热器分别布置在并联管路上，如附图1所示。(2)两种换热器合二为一，预热过程工质走换热器壳程，热泵换热管路与回热换热管路同步并列走管程，如附图2B所示。(3)两种换热器采用互相多次交替布置，如附图2A所示(4)热泵工质与热力系统工质采用同一工质，并且热泵排热工质与排热过程工质汇流后通过回热换热器共同向吸热过程排热，例如在附图5中将热泵排热工质与排热工质的汇流点从换热器后移到换热器前就可以，这样可以省掉一种换热器。(5)按预热过程工质流动方向，回热换热器布置在前，热泵换热器布置在后，只是T4会高些。(6)回热过程与热泵过程合二为一，统一采用热泵过程并且由热泵高温端通过换热器向预热过程换热，如附图8，9，10，11所示。
[0032] 三、回热过程与热泵过程合二为一，统一采用热泵过程并且由热泵高温端通过换热器向预热过程换热，热泵过程排放的低温气体为升压过程的压缩机冷却装置提供冷源，并采用了以下措施之一，(1)热泵过程排放的低温气体同时为膨胀做功装置的真空动力装置提供冷源工质，如附图8，9，10所示；(2)开式热泵过程采用了真空喷射式热泵，热泵过程排放的低温气体同时为膨胀做功装置的真空动力装置提供冷源工质，如附图10所示；(3)开式热泵循环采用了真空喷射式热泵，膨胀做功装置排放的气体工质进入真空喷射热泵循环提供喷射动力，如附图11所示。
[0033] 四、热力系统采用了热泵或高温热泵为热源加热器提供热源；所述的高温热泵采用了热力式热泵，热力式热泵的热源为外部热源或由热力系统发
电机提供电力产生。当自冷式热力循环的T4点大于环境温度时，为实现纯空气能动力采用高温热泵可以实现，可以采用附图12所示的真空喷射热泵装置(附图13为真空喷射热泵装置中喷射旋流器52的蜗壳结构)，与附图10，11中的真空喷射式热泵使用方法基本一样，由压缩机53与加热器54产生高温高压动力气源进入喷射器55提供喷射动力，并且采用了回热换热器57，在高温换热器56输出热力。用于自冷式热力循环中加热器54可以采用自冷式热力系统自生的电力为热源，通过高温换热器56为自冷式热力循环系统的热源加热器提供热力，使输出功率倍增。关于真空喷射器产生真空动力的原理发明申请201510346819.8有详细描述。
[0034] 五、自冷式热力循环系统可以用于以下用途，(1)从热源吸热过程采用换热器方式，膨胀做功装置带动转动设备成为转动式发动机组或
发电机组；(2)参照传统燃气发动机，升压与冷却过程及预热过程空气为工质，从热源吸热过程为采用
燃烧室方式，膨胀做功过程高温烟气为工质，膨胀做功装置带动转动设备成为燃气式发动机组或发电机组；(3)与上述相同，升压与冷却过程及预热过程空气为工质，从热源吸热过程为采用燃烧室方式，膨胀做功过程高温烟气为工质，膨胀做功装置带动内部转动设备完成升压过程的同时通过喷管产生喷气动力成为喷气式发动机；(4)减少或取消对外
输出轴，增加热泵过程制冷或制热容量为系统外部制冷或制热，如附图11所示；(5)减少或取消对外输出轴功，多余的动力为真空动力装置提供气源实现各种用途的真空动力功能，如附图11，更多真空动力用途专利申请201510346819.8有详细描述。
[0035] 六、如附图14所示，一种气液喷射旋流分离器，由外筒61及可旋转内筒62组成旋流分离器，可旋转内筒上有进气格栅通道、排气格栅通道及排液格栅通道，湿气体通过外筒上的喷嘴切向喷射进入旋流器内部再通过内筒
侧壁上的进气格栅通道进入可旋转内筒(流动方式如虚线与箭头所示)，通过高速旋流实现气液分离，分离出的气体从排气格栅通道排出到外筒排气通道进而排出旋流分离器，分离出的液体从内筒排液格栅通道排到外筒，其特征是：内筒排出的液体进入外筒的减速扩压导流装置减速扩压后排出旋流分离器。减速扩压导流装置可以采用蜗壳扩压器63，也可以采用
叶片导流的方式。采用可旋转内筒的旋流分离器加上格栅通道可按流线型设计，内筒支撑可采用磁悬浮轴承，可最大程度减小旋流器内壁流动损失，增加蜗壳扩压器或其它减速扩压导流装置可回收高流速液体的动力，更节能，用于自冷式热力循环时(如附图5所示)，可使喷射旋流液化式热泵效率更高，使热力循环更容易做到单一热源做功。上述喷射旋流分离器相关内容在专利申请CN201310497436.1中有详细描述。
[0036] 本发明为基础创新，适用范围广泛，不局限于实施方式所述范围。
