【壓縮機(jī)網(wǎng)】摘要：本文簡要介紹了一種全新的氣體壓縮機(jī)工作方法原理，可實(shí)現(xiàn)最接近理論等溫過程的壓縮與膨脹，已獲得國家方法發(fā)明專利（授權(quán)公告號：CN  110848151 B）。通過其基本的工作原理、

　　理論模型、數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)計算方法，論證了等溫壓縮的能效，以及該技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)對機(jī)械方面的要求。最后探討了氣態(tài)工質(zhì)（近）等溫壓縮得以實(shí)現(xiàn)，對于熱力循環(huán)帶來的影響，提出了基于工質(zhì)等溫壓縮/膨脹時，在各種工況下最理想熱力循環(huán)的基本理論模型，以及對熱機(jī)熱泵、能源環(huán)境變革性的影響。

　　文/張桂偉

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　　外燃機(jī)

　　外燃機(jī)和外熱機(jī)主要區(qū)別是，外燃機(jī)由燃料燃燒提供熱量來源，為了盡可能提高燃燒溫度，同樣需要提高燃燒前空氣和燃料的溫度，需要尾氣來預(yù)熱。因此這部分熱不能從燃燒產(chǎn)物傳遞給工質(zhì)，只能由絕熱壓縮機(jī)，把工質(zhì)壓縮到對應(yīng)溫度。典型的例子就是燃煤燃?xì)獍l(fā)電熱力機(jī)組。

　　外燃熱機(jī)的循環(huán)（等溫壓縮-絕熱壓縮-等壓吸熱-絕熱膨脹），（紅色部分）如果鍋爐燃燒側(cè)不進(jìn)行回?zé)?，例如核反?yīng)堆就不需要回?zé)幔瑒t循環(huán)過程按照外熱循環(huán)熱機(jī)進(jìn)行（等溫壓縮—等壓吸熱—絕熱膨脹）。

　　與現(xiàn)在主流的朗肯循環(huán)（主要的火電廠在用）對比，工質(zhì)的吸熱溫度不再是定溫吸熱，避免了目前朗肯循環(huán)中，工質(zhì)在鍋爐內(nèi)等溫吸熱造成的不可逆損失。1000多度對374度的臨界溫度傳熱，從理論上可節(jié)約10%到40%的煤炭（估計）。理論上優(yōu)于任何正在發(fā)展的新技術(shù)，例如超超臨界鍋爐?；?zé)嵫h(huán)、燃?xì)獠祭最D聯(lián)合循環(huán)等，這些循環(huán)都在盡量接近等溫?zé)崃ρh(huán)。

　　如果熱源溫度過高，導(dǎo)致系統(tǒng)壓力過大，材料不能承受壓力，可選用絕熱指數(shù)高的工質(zhì)，或者等溫壓縮機(jī)因?yàn)椴牧显虿荒芴岣呦鄳?yīng)的高壓力，可以采用等溫壓縮-等容加熱-絕熱膨脹的循環(huán)過程，降低對等溫壓縮段的技術(shù)要求，相應(yīng)的對于絕熱膨脹側(cè)的耐用要求會提高。也可以多級熱機(jī)串聯(lián)，例如核電站熱力機(jī)組、高溫氣冷堆或者未來的可控核聚變反應(yīng)堆，多級串聯(lián)還可以降低核泄漏風(fēng)險，多增加一級熱機(jī)，則多增加一個熱交換器，以及一個熱交換溫差損失。

　　研究表明，內(nèi)燃機(jī)的最高溫度不宜超過2000K，因?yàn)楦邷叵聲傻趸?，造成污染，以及燃燒生成物的吸熱分解反?yīng)，降低內(nèi)燃機(jī)效率。那么降低內(nèi)燃機(jī)的排熱溫度，間接提高效率就是一條可行的技術(shù)路線。對于火電廠來說，朗肯循環(huán)的放熱溫度是定溫且較低的，但是工質(zhì)在吸熱時，有一個定溫吸熱過程。本發(fā)明的等溫壓縮機(jī)，從理論上解決的等溫壓縮問題，使該技術(shù)路線具備了一定的可行性。

　　相比較來說，等溫循環(huán)在中低溫?zé)嵩吹睦蒙?，例如工業(yè)余熱、太陽能、地?zé)嵋约皦嚎s空氣儲能、顯熱儲能等方面的優(yōu)勢更明顯一些。和目前的技術(shù)方案對比，其理論上的提高可以完全轉(zhuǎn)化為實(shí)際上效率的提高，因此目前的技術(shù)方案實(shí)際效率都是要扣除機(jī)械方面的損失的。兩者機(jī)械損失一致或者相差不大的前提下，理論提高的部分都可以轉(zhuǎn)化為實(shí)際效率。當(dāng)然也會有一些局限性，例如作為壓縮空氣儲能時，因?yàn)橐c大氣中的空氣接觸，其中的灰塵可能會積聚在壓縮液中，因此壓縮機(jī)只能選用水。這類便宜易補(bǔ)充的物質(zhì)，又帶來了水在低溫下容易凍結(jié)的問題，這些問題都需要解決。

　　制熱循環(huán)

　　制熱循環(huán)是熱機(jī)循環(huán)的逆循環(huán)，制熱熱泵消耗凈功，驅(qū)動工質(zhì)循環(huán)，把熱量從溫度為T2的低溫?zé)嵩?，搬運(yùn)給初始溫度同樣為T2的制熱目標(biāo)，一般是水或者空氣，使目標(biāo)溫度升高到T1。

　　目前制熱制冷技術(shù)原理都一樣，大多采用壓縮蒸汽循環(huán)，只是利用的冷熱端不一樣。壓縮蒸汽循環(huán)，可以進(jìn)行等溫放熱，但是我們要清楚，目標(biāo)溫度的上升是一個累積的過程，溫度還處于T2時，直接傳遞給它略高的溫度，而不是直接T1這樣就產(chǎn)生了不必要的不可逆損失。理論損失都在冷凝器端，等溫循環(huán)比壓縮蒸汽循環(huán)節(jié)能約40%左右，但是有工質(zhì)流量遠(yuǎn)大于壓縮蒸汽循環(huán)大、流動損失會高的缺點(diǎn)。不過氣體制冷制熱有一個優(yōu)點(diǎn)，不需要會破壞臭氧層的制冷劑，壓縮過的二氧化碳應(yīng)該是比較好的工質(zhì)。

　　在用于室內(nèi)空調(diào)制熱時，室內(nèi)起始溫度高于室外，需要對循環(huán)進(jìn)行修正，需要增加一個絕熱膨脹過程，此時比壓縮蒸汽循環(huán)節(jié)能幅度有所減少，但大概也能節(jié)能10%到30%。如果是類似以熱泵加熱水，以獲得常壓蒸汽這樣的工況，則本循環(huán)理論上基本沒節(jié)能效果。

　　下邊是簡單計算，前面證明熱機(jī)時已經(jīng)計算過制熱的理論功耗了，把一噸水從溫度0度，環(huán)境溫度0度的情況下，制熱到100度，理論最低功耗18度電。等溫膨脹環(huán)節(jié)和逆向換熱環(huán)節(jié)，溫差都是10度時，功耗24度?，F(xiàn)在來算下，逆卡諾循環(huán)的理論最低功耗，420000000/（1-273/373）至少需要31.27千瓦時的功，如果也加上兩個10度溫差的換熱溫差，則需要36.5度電。本循環(huán)的功耗是現(xiàn)在熱泵技術(shù)的58%到66%，如果用電熱絲加熱，則功耗達(dá)到116度電。

　　制冷循環(huán)與以熱制冷循環(huán)

　　制冷循環(huán)消耗凈功，把熱量從目標(biāo)中轉(zhuǎn)移到大氣環(huán)境中去，制冷目標(biāo)的溫度同樣會是逐次下降，溫度從T1降低到T2。

　　現(xiàn)有應(yīng)用最多的也是壓縮蒸汽制冷循環(huán)，同樣是等溫吸熱，所以也有不可逆損失，損失在蒸發(fā)器端。理論上，等溫?zé)崃ρh(huán)中的制冷循環(huán)相比可以節(jié)約40%左右的功耗，但是有工質(zhì)流量大、流動損失會高一點(diǎn)的缺點(diǎn)。

　　和制熱問題同樣的是，如果是空調(diào)制冷，室內(nèi)外溫差同樣會抵消部分節(jié)能優(yōu)勢，此時需要增加過程，修正影響，節(jié)能幅度會降低，只能比目前的壓縮蒸汽循環(huán)節(jié)能20%左右。

　　還可以做成開放式，以室內(nèi)空氣作為工質(zhì)，直接壓縮，通過絕熱壓縮-等溫壓縮-絕熱膨脹以后，直接排放回室內(nèi)。優(yōu)點(diǎn)有減少一個熱交換器，節(jié)約成本并減少一個換熱溫差損失，更加節(jié)能，避免空氣中濕度過度凝結(jié)。空氣中的水蒸氣會對膨脹過程造成一定影響，減少一些膨脹功，但不影響制冷量。出口空氣濕度飽和，比現(xiàn)在傳統(tǒng)空調(diào)接觸更低溫度的蒸發(fā)器，凝結(jié)水量減少。傳統(tǒng)空調(diào)過多的冷凝水過多冷凝了室內(nèi)空氣所含水蒸氣，使室內(nèi)空氣過于干燥，容易得空調(diào)病。開放循環(huán)則避免了這一點(diǎn)，缺點(diǎn)是壓縮機(jī)流量更大，和室內(nèi)循環(huán)風(fēng)量相同，雖然取消了室內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)以及所耗電能，但對壓縮機(jī)的壓縮液可能積累灰塵，只能用比較容易補(bǔ)充的水，并且安裝不便（需要打大通氣孔）。

　　制冷循環(huán)不適合冰箱、冷庫等工況，冰箱內(nèi)和冰箱外，溫度相對恒定，需要的相對制冷量低的工況，對比目前的壓縮蒸汽循環(huán)幾乎沒理論上的優(yōu)勢，還有氣體熱容小、流動大的缺點(diǎn)。

　　以熱制冷混合循環(huán)，因?yàn)闊釞C(jī)和制冷都包含等溫壓縮過程，所以兩者可以聯(lián)合循環(huán)，以熱為動力直接獲得低溫，達(dá)到少耗能，不耗能，甚至還有盈余的目的。例如室外環(huán)境空氣溫度30度，有60度的熱水可用，理論上可以獲得等量的0度的水（約值）。如果加上10度的換熱溫差，想要不耗功制冷，至少需要熱源到90度以上，或者1.3倍量的熱源。

　　或者等溫壓縮完成以后分流，一部分完成熱機(jī)循環(huán)，一部分完成制冷循環(huán)。

　　這個循環(huán)適合做太陽能空調(diào)，效率遠(yuǎn)高于溴化鋰吸收制冷，成本也很低，夏天基本不用電。如果還有多余的熱量，可以通過水這種容量大、便宜的工質(zhì)顯熱儲能。晚上使用，一噸水100度溫差的儲熱，通過高效的熱機(jī)循環(huán)，可儲能10千瓦時左右。春秋季不需要空調(diào)的季節(jié)，熱機(jī)端，還可以作為太陽能分布式電站發(fā)電上網(wǎng)。

　　制冷與制熱循環(huán)，從理論來說大多數(shù)工況下，功耗低于目前主流的壓縮蒸汽循環(huán)，但優(yōu)勢并不是那么明顯。在冰箱、冷庫這類工況下，并無優(yōu)勢。最大的問題就是氣體膨脹的單位制冷量，遠(yuǎn)低于氣液相變的吸放熱量，帶來的問題就是循環(huán)工質(zhì)的流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壓縮蒸汽技術(shù)方案。由此帶來的機(jī)械方面的損失不容忽視，因此是不是可以替代壓縮蒸汽技術(shù)方案，需要進(jìn)一步研究論證。

　　冷機(jī)循環(huán)

　　冷機(jī)循環(huán)是指以大氣環(huán)境為高溫?zé)嵩矗陀诖髿猸h(huán)境溫度的熱源為低溫?zé)嵩?，進(jìn)行的正循環(huán)，例如低溫的深層海水，工質(zhì)在等溫膨脹過程中從大氣環(huán)境中吸收熱量，然后通過逆向換熱器，定壓向低溫?zé)嵩捶艧?，然后通過絕熱壓縮完成循環(huán)。

　　目前對低溫?zé)嵩吹睦茫缘蜏睾Ｋl(fā)電為最常見形式。一般采用有機(jī)朗肯循環(huán)（因?yàn)榧?xì)節(jié)不易表現(xiàn)，圖40以卡諾循環(huán)替代），工質(zhì)的吸熱溫度略低于大氣環(huán)境溫度，放熱溫度略高于低海水溫度。因?yàn)楣べ|(zhì)是等溫放熱，所以抽取的海水高于放熱溫度的部分，不能被利用，只能排放掉。等量條件下，可利用的熱量有限，提高工質(zhì)的放熱溫度，降低了熱效率，凈功反而會增加。由于可用的熱量增加了，這和內(nèi)燃機(jī)熱效率超過一定數(shù)值后，凈功反而下降，熱效率最高時，凈功接近0一樣。所以在抽取的海水定量的前提下，冷機(jī)循環(huán)的凈功明顯高于有機(jī)朗肯循環(huán)。在輸出功一樣的前提下，冷機(jī)循環(huán)需要的海水量，低于有機(jī)朗肯循環(huán)。

　　冷機(jī)循環(huán)應(yīng)該與熱機(jī)循環(huán)進(jìn)行區(qū)分，因?yàn)闊岘h(huán)境完全不一樣。冷機(jī)循環(huán)一般可應(yīng)用于低溫海水發(fā)電，如果以定量冷源為標(biāo)準(zhǔn)衡量，其循環(huán)銷量同樣高于有機(jī)朗肯循環(huán)，也可用于以低溫儲能的儲能系統(tǒng)。

　　總結(jié)

　　本發(fā)明提出的壓縮方法，使氣體等溫壓縮/膨脹進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，為優(yōu)化熱力循環(huán)提高熱機(jī)熱泵效率明確了新的方向，定義了新的理論極限，在能源問題日益緊張，環(huán)保問題日益突出的今天，具有戰(zhàn)略意義。但這項(xiàng)技術(shù)和理論才剛剛起步，應(yīng)用于以上所述熱力學(xué)設(shè)備中，也存在一些局限性。更新大多數(shù)熱力學(xué)設(shè)備的技術(shù)路線，是個龐大的系統(tǒng)工程，需要更多的論證、實(shí)驗(yàn)、測試、改進(jìn)、優(yōu)化，總體來看本壓縮技術(shù)的原理簡單，加工制造容易，理論上節(jié)能增效效果明顯，只是需要更多的金屬資源，但還是有研究發(fā)展的價值。

　　性價比最高的應(yīng)該是太陽能空調(diào)，可以基本做到不耗電，春秋季有電費(fèi)收入，還不需要會破壞臭氧層的冷媒；其次是太陽能儲熱發(fā)電或者電解氫氣，大中小型機(jī)組均適合，因?yàn)槌杀镜?，轉(zhuǎn)化效率高，對儲熱要求低，用普通水或者油以顯熱儲能即可。因?yàn)檗D(zhuǎn)化的效率高，因此顯熱儲能的可利用非常高，一噸普通水100度溫差儲能即可達(dá)到10千瓦時的電能，完全可供千瓦級機(jī)組晝夜調(diào)控。如果遇見連續(xù)陰雨天，則通過大數(shù)據(jù)與冗余裝機(jī)量，和特高壓電網(wǎng)調(diào)控，燃煤和燃?xì)怆娬咀鰝浞?，配合以等溫壓縮/膨脹的壓縮空氣儲能，讓新能源發(fā)電擺脫垃圾電的尷尬境地，且長期成本并不比火電高。中國中西部地區(qū)太陽能豐富，完全可以成為電網(wǎng)主力。這個經(jīng)濟(jì)性可能不高，但是對國家能源戰(zhàn)略安全很重要。周圍的日韓經(jīng)濟(jì)體、東南亞經(jīng)濟(jì)體，都沒有大規(guī)模太陽能發(fā)電的條件，煤炭、石油、天然氣應(yīng)作為化工原料，只有離網(wǎng)的飛機(jī)和遠(yuǎn)洋貨輪需要內(nèi)燃機(jī)，其他設(shè)備都應(yīng)該電氣化。這種以中低溫?zé)釣閬碓吹臒釞C(jī)，還能為工廠企業(yè)直接提供動力，利用太陽能、地?zé)?、企業(yè)自身產(chǎn)生的余熱等，直接驅(qū)動部分動力設(shè)備工作，或者制冷。節(jié)約的是工業(yè)電，比上網(wǎng)電價高很多； 再就是中大型熱力機(jī)組，用于取代朗肯循環(huán)和燃?xì)廨啓C(jī)做為火電廠、核電廠發(fā)電設(shè)備的熱功轉(zhuǎn)化設(shè)備、船舶、核潛艇，AIP潛艇的直接動力，可節(jié)約10%到40%的各種燃料。小型熱機(jī)的試裝性可能不好，如果用來驅(qū)動內(nèi)燃機(jī)乘用汽車，需要帶上一個體積比較大的等溫壓縮機(jī)，明顯不適合各種噴氣類渦軸類發(fā)動機(jī)。雖然理論上沒問題，但噴氣類發(fā)動機(jī)體積功率比的要求遠(yuǎn)高于節(jié)能。空調(diào)制冷、空氣能熱水器，因?yàn)楣r影響，節(jié)能效果大約只有10%到30%，不適合冰箱這種小制冷量，或者冷庫這種相對小制冷量，維持溫差的工況。

　　〈注：本文連載完！〉

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