热泵冷凝技术与低温发动机原理.doc

中国科技论文在线热泵冷凝技术与低温发动机原理 谢春阳作者简介：谢春阳（1969-），男，工程师，从事工业余热及环保能源的研究. E-mail: Shenzhen Longcheng high-tech Environmental Protection Co.,Ltd.,深圳龙澄高科技环保有限公司518000137149698780755-26995611-8013广东省深圳市南山区高新南一道德赛科技大厦13楼谢春阳（1969-），男，工程师，从事工业余热及环保能源的研究。谢春阳Xie Chunyang谢春阳1*|*专著*|*吴业正等.制冷与低温技术原理M.北京：高等教育出版社，2004.8（2005重印） WU Y Z.etal.Principles of refrigeration and cryogenic technologyM.beijing:Higher Education Press,2004.82*|*专著*|*李树全等.机械工程师手册M第2版.北京：机械工业出版社，2001.3. LI S Q.etal.Mechanical EngineersHandbookM2nd edition.beijing:Mechanical Industry Press,2001.3*|1|谢春阳|Xie Chunyang|深圳龙澄高科技环保有限公司|Shenzhen Longcheng high-tech Environmental Protection Co.,Ltd.,|谢春阳（1969-），男，工程师，从事工业余热及环保能源的研究。|广东省深圳市南山区高新南一道德赛科技大厦13楼|518000|8013泵冷凝技术与低温发动机原理|The Heatpump Condention and The Principle of The Low Cryogenic Engine|- 8 -（深圳龙澄高科技环保有限公司）摘要：把自然环境作为高温热源，采用低沸点工质在环境温度下吸热汽化、过热做功的低温发动机，它利用热泵冷凝技术使动力工质的乏汽在人造低温热源中冷凝液化，然后被增压重新回到高温热源吸热汽化，并过热后膨胀驱动涡轮做功，完成热力循环并输出有用功，其整个系统在低于环境温度以下运行，把环境热能通过热功转换的方式转变成机械能，或再转变成电能，使人类获得动力能源和冷源。关键词：低温发动机；热泵冷凝技术；人造低温热源；环境热能中图分类号：TK121The Heatpump Condention and The Principle of The Low Cryogenic EngineXie Chunyang(Shenzhen Longcheng high-tech Environmental Protection Co.,Ltd.,)Abstract: Taking the natural environment as a high tmperature heat source, the cryogenic engine works based on the endothermic vaporization in environment tmperature and the overheating acting of low boiling working fluid. The working fluid is condensated in the artificial low temperature environment by the Heatpump Conention Technology, and pumped back to the high temperature heat source to be vaporized again. While the expansional fluid drives the turbines to act, one time of thermodynamic cycle is finished and engine outputs the useful works. The working tmperature of the whole system is below the environmental temperature. The ambient heat energy is transformed into mechanical energy by the heat-to-power conversion, further, the latter is transformed into electric power to provide the power source and cold source.Key words: cryogenic engine；he heat pump condensing technology；artificial low-temperature heat source；ambient heat0 引言随着工业的飞速发展，人们生活水平的改善，人类对动力能源的需求日益膨胀，而目前主要的动力能源是通过化石燃料燃烧的化学能以热能的方式，通过热功转换变成机械能，或再转变成电能加以利用。由于化石燃料的快速开采，将逐渐枯竭，更主要的是各种燃烧机所排放的有害产物，严重污染环境，威及人类健康及生物生长，其终产物CO2的增加，导致全球“温室效应”的加剧，从而引发的自然气象灾害给人类造成不可估量的损失。近来核能的利用，给人类带来希望，却让人们感觉到它的失控将为人类带来灭顶之灾。因此，节约能源、利用余热能源就成了人类重中之重，随着余热温度的降低，就必须采用沸点更低的动力工质，当我们采用低沸点工质（如液态氮、氢）时，在自然环境温度下，就已经成为超临界蒸汽，只要它有一个温度更低的环境能让它的乏汽冷凝，就能完成热力循环并输出用功。利用热泵冷凝技术使蒸汽动力工质的乏汽在人造低温环境下冷凝液化，回收冷凝热再次进入动力循环做功。利用低沸点工质在环境温度下吸收环境热能，通过热功转换的方式转变成机械能，它在没有外力、不消耗任何燃料的情况下，使自然环境温度降低而源源不断地获得有用功。它的能量来自环境热能，它的运行使外界温度降低，而环境温度的自然循环足以满足本机的正常运行。低温发动机是采用热泵冷凝技术和蒸汽动力技术相结合的热力循环方式，它有一个热力循环、热功转换的过程，它同时遵守热力学第一定律、热力学第二定律。为进一步说明低温发动机的可行性，现在以最简单的蒸汽动力循环（郎肯循环）和最常见的蒸汽压缩式热泵制冷循环组成的低温发动机进行热力分析；希望与热力学专家、学者以及广大热电工程人员共同探寻人类能源与环保的路径。1 工作原理热力学第二定律告诉我们，循环热力发动机的效率是由热机的高温热源与低温热源的温差决定的，与温度高低无关。现代大型火电及核电都采用水蒸汽动力循环，它是把外界环境作为低温热源，把能获得的高温锅炉或核反应堆作为高温热源。其中水在高温热源中吸热汽化并过热后做功，然后在低温热源中（环境温度下）放热，完成热力循环并输出有用功，这里的高温热源会因为工质的吸热而温度降低，所以整个系统必须消耗燃料（或核燃料）来维持高温热源的温度；而低温发动机的吸热式热力循环则是把自然环境作为高温热源，利用热泵制冷技术制造一个低温热源，其动力工质在高温热源中（环境温度下）吸热汽化并过热后做功，然后向人造低温热源放热冷凝完成热力循环并输出有用功。这里的低温热源会因为工质的放热而温度升高，所以整个系统必须有制冷循环来维持低温热源的温度，低温发动机就是采用热泵冷凝技术回收动力工质的冷凝热再次进入动力循环做功，实现其热力循环。低温发动机就是根据这一原理，利用高压的低温工质吸收环境的热能，通过热功转换的方式转变成机械能，它的运行使外界温度降低，而环境温度的自然循环足以满足本机的正常运行。 图1 低温发动机的热力循环系统原理图Figure 1 cryogenic engine thermodynamic cycle system schematics如图所示是低温发动机的热力循环系统原理图，其动力循环部分与常规蒸汽动力循环相比，冷却回热器相当锅炉，、环境吸热器相当于锅炉的过热器部分，人造低温热源的冷凝器相当于常规蒸汽动力循环的冷凝器与外界环境。其制冷循环部分是一个独立的蒸汽压缩式制冷机循环，工质气体由低压被压缩到较高压力，温度升高后进入冷却器（即冷却回热器）被动力工质冷凝，放出热量使动力工质温度升高气化，其温度降低后液化通过膨胀阀，进入动力工质冷凝器，在冷凝器中气化吸收动力工质的热量使动力工质液化。再回到压缩机被压缩。循环就这样往复进行。启动时，将适量的液态动力工质、制冷工质分别注入冷凝器的动力部分和制冷部分，此时由外部动力带动热泵压缩机、涡轮机和增压泵转动，制冷机循环开始工作，此时的动力系统也有制冷作用，因为制冷工质的冷凝放热和环境温度相对很高，动力工质很快汽化并过热进入涡轮做功，乏汽进入冷凝器放热冷凝，液化后的动力工质进入增压泵，成为高压进入冷却回热器，与制冷工质进行热交换，吸收制冷工质的热量，使热泵制冷工质冷凝，自身温度升高，成为蒸汽进入环境吸热器，与外界环境进行热交换，吸收环境热能，其温度达到或接近环境温度，完全过热进入涡轮做功，完成一热力循环。这时启动过程已完成，系统由一套动力切换机构，对制冷系统的压缩机和增压泵的动力进行切换，全部由自身的涡轮输出的动力驱动。机组进入正常运行状态，并通过涡轮轴将多余的动力输出，驱动工作机械或发电机发电。2 低温发动机的热力分析低温发动机的热力循环是采用热泵制冷循环和动力循环的热力二重循环。是利用高压低温的工质在自然环境温度下吸热做功，其动力循环是一个完整的蒸汽动力循环；制冷循环是一个完整的制冷循环。如图所示是其吸热式热力循环的动力循环系统图及TS图。 图2 低温发动机的动力循环系统图及TS图Figure 2 cryogenic engine power diagram of the circulatory system and the T - S diagram它有绝热膨胀12、等压放热23、绝热压缩34、等压吸热41四个过程。其中等压吸热过程包括冷却回热器吸热和环境热交换器吸热。动力工质增压泵的工作理想化为绝热压缩；工质在冷却回热器、环境热交换器中吸热汽化并过热可以看成等压加热，使动力工质成为过热蒸汽；过热蒸汽在涡轮中（在生产上称为透平）实现绝热膨胀做功；做功后的乏汽进入冷凝器中放热冷凝液化。如果循环工质的能量状态以单位质量工质的焓值（比焓）h表示，则动力的能量变化是：动力工质增压泵的功耗（h4-h3），工质从冷却回热器、环境吸热器吸收的热量（h1-h4），汽轮机做功（h1-h2），动力工质被强制制冷而冷凝放热（h2-h3）。显然，循环做功）（h1-h2）（h4-h3）（h1-h4）（h2h3）h1h2h3h4要实现低温发动机的可靠运行，我们必须进行热力算。现在采用氮为制冷工质制造一个低温热源，其动力工质也采用氮气，环境温度（30）时计算它的热力参数，首先确定动力循环和制冷循环的运行工况，求出并列举循环中各已知状态点的热力状态参数，然后进行计算。动力部分：动力循环是一个典型的朗肯循环方式，取t1300，压力P1=20MPaP2=0.17MPa汽轮机效率r0.85 求出：1、动力工质增压泵1所消耗的功耗（h4-h3）；2、汽轮机的做功量（h1-h2）；3、循环净功；4、工质从冷却回热器、环境吸热器吸收的热量（h1-h4）及循环热效率，5、动力工质被强制制冷而冷凝放热量（h2-h3）及汽耗率。 点1）t1300K、P1=20Mpa，根据氮的压焓图【1】查得h1278（kJ/kg） S15.15（kJ/kg.K） 点2） 由氮的饱和液体与蒸汽的热力性质表【1】可得P2=0.17Mpa时 h111.85（kJ/kg） h80.44（kJ/kg）S2.9588（kJ/kg.K）S5.3058（kJ/kg.K）根据S1S25.15（kJ/kg.K）及P2=0.17Mpa可获得乏汽的干度X2（S1S）/（SS）（5.15-2.9588）（5.3058-2.9588）2.19122.3470.934 所以 h2h2X2（h2 h2）111.850.934（80.44111.85）67.75（kJ/kg.）点3）压力为 P20.17Mpa的饱和氮液体的参数，由氮的饱和液体与蒸汽的热力性质表查得， t382K h3h2111.85（kJ/kg） S32.9588（kJ/kg.K）点4）根据S4S32.9588（kJ/kgK）及P1=20MPa，根据氮压焓图查得 ：h485（kJ/kg） t490K表1 动力循环各特征点的状态参数Table 1 The state parameters of the power cycle of each feature point点号t/KP/MPah/(kJ/kgK）h/（kJ/kgK1767.753820.17111.854902085根据上面所查得的各个参数值，可得：1、动力工质增压泵所消耗的能量；Wph4h385-（111.85）26.85（kJ/kg）2、汽轮机的做功量Wt:汽轮机效率r0.85Wthh2（27867.75）x0.85210.25x0.85178.7（kJ/kg）3、循环净功：WeWtWp178.726.85151.85（kJ/kg) 4、工质从冷却回热器、环境吸热器吸收的热量q及循环热效率 q（h1-h4）278（85）363（kJ/kg) 循环热效率W/q178.736349.23% 动力循环的卡诺热效率1QLQHTLTH8230072.67%5、动力工质被强制制冷而冷凝放热量00（h2h3）67.75（111.85）179.6(kJ/kg)涡轮的汽耗率d3600/（hh2） 3600/151.8523.7（kg/kw.h）制冷部分：热泵制冷循环为动力循环提供低温热源，这里采用蒸汽压缩式制冷循环，图是它的循环系统图和压焓图。 图3 热泵制冷循环系统图与Ph图Figure 3 heat pump refrigeration cycle system diagram and P - h Fig.热泵制冷循环为动力循环提供低温热源，它完成动力工质的冷凝液化，它的性能决定吸热式热力循环能否成功运行！制冷循环需要的制冷量QL即动力工质的冷凝放热量 0179.6(kJ/kg)，其要求达到的制冷温度就是动力循环的低温热源热力学温度82K；制冷工质冷却温度就是增压后的动力工质温度90K。试进行制冷循环的热力计算，计算中以目前技术能达到的水平，进行保守计算，取透平式压缩机的效率0.8。在这里，取冷凝器端部的传热温差t5K，同时还要让动力工质过冷，以防止动力增压泵进入气体，过冷度t3K，冷却回热器端部的传热温差t5K，节流前制冷工质液体的过冷度t3K根据已知条件，确定制冷循环的工况参数：冷凝器端部的传热温差t5，动力工质过冷度t3K，因为t382K，即： T4825374K；以区别动力循环,热泵制冷循环的温度、热量符号用大写T、Q表示,由氮的饱和液体与蒸汽的热力性质表查得，P40.067Mpa冷却器端部的传热温差取t5，节流前制冷工质液体的过冷度t3K，因为t490K，即：T3905398（K） 由氮的饱和液体与蒸汽的热力性质表查得，P30.6761Mpa这里制冷工质气体按理想气体处理，查常用气体的物理/化学常数表【2】得：k=1.4即：T2T1（Pc/P0）80X1.936154.88（K）根据氮的压焓图查得h2155（kJ/kg），因为汽轮机实际做功量Wt178.7（kJ/kg）所以 h2Wth278178.7 99.30（kJ/kg）根据氮的压焓图查得t290K，已过热，所以制冷工质首先汽化使动力工质的饱和蒸汽冷凝，然后其蒸汽还要与动力工质的过热乏汽进行换热，其温差取t10K，即 T180（K) 表2 热泵制冷循环各特征点的状态参数Table 1 State parameters of the feature points of the heat pump refrigeration cycle点号t/Kh/（kj/kg）p/Mpa18079.0650.0672154.881550.676398-77.5230.676474-77.5230.067压缩机的压力比：Pc/P010.09 3）单位质量的制冷量Q0及单位热负荷cQ0h1h479.07（-77.52）156.59(kJ/kg)Qch2h3155（-77.5236）232.52(kJ/kg)4）单位质量的压缩功WcWch2h115579.065 95.9350.895.9350.894.92(kJ/kg)5）制冷循环的热效 制冷循环的性能系数 COPQ0/Wc156.5994.921.65 制冷系统的卡诺循环性能系数 COPcT3/（T3T4)98（9874)4.08 制冷循环的热效 COP/COPc1.654.08 0.4047）制冷剂的质量流量：制冷循环的制冷量Q0即动力工质的冷凝放热量0，0 /Q0179.6151.171.358） 系统制冷功耗WbWc*94.9191.35128.14(kJ/kg)整个系统的有用功 WQWeWb151.85