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。程。
【技术实现步骤摘要】
一种高热能转换效率的循环方法及装置
[0001]本专利技术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。
技术介绍
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]基于此，本专利技术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。
技术实现思路
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]c)工质改变的状态为工质的非热力学状态，即除温度、压力和体积外的其本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
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...
【专利技术属性】
技术研发人员：ꢀ五一IntClF二二B一零二，
申请(专利权)人：潘雷，
类型：发明
国别省市：
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