本發(fā)明屬于熱力循環(huán)升維構建方法，具體涉及基于非共沸工質(zhì)高效循環(huán)利用的熱力循環(huán)升維構建，基于新循環(huán)可以實現(xiàn)更高效的能源利用。

背景技術：

能源是經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的主要動力，而減少能源從生產(chǎn)到消費各個環(huán)節(jié)中的損失和浪費，提高能源轉(zhuǎn)換效率是當前解決能源危機的主要手段。因此，不斷提高循環(huán)系統(tǒng)中能量傳遞和轉(zhuǎn)換的技術水平以減少損失，是實現(xiàn)我國節(jié)能減排的關鍵所在。

熱力循環(huán)是熱功相互轉(zhuǎn)換的基礎理論依據(jù)，而工質(zhì)基礎物性是實現(xiàn)循環(huán)的保障。理想熱力循環(huán)的構建理論完備，致使理想循環(huán)相對統(tǒng)一(卡諾循環(huán)、斯特林循環(huán)、布雷頓循環(huán)等)，數(shù)量很少；而實際循環(huán)缺乏明確的構建理論，導致新循環(huán)層出不窮，數(shù)量繁雜，良莠不齊。

實際循環(huán)構建的目標是逼近理想循環(huán)，理想熱力循環(huán)與實際熱力循環(huán)最大的區(qū)別在于后者要基于某實際的工作介質(zhì)進行構建，當前既有工質(zhì)都不能完全滿足全部理想熱力過程的要求，導致實際熱力循環(huán)只能根據(jù)實際情況有所取舍，即便當前最好的實際熱力循環(huán)性能也大幅偏離了理想循環(huán)性能(熱力學完善度普遍小于50％)。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術，本發(fā)明提供一種基于非共沸工質(zhì)的熱力循環(huán)升維構建方法，可以減少實際循環(huán)的不可逆損失，提高循環(huán)性能，使實際循環(huán)逼近理想循環(huán)。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明提出的一種基于非共沸工質(zhì)的熱力循環(huán)升維構建方法，是以理想卡諾循環(huán)為逼近目標，實際循環(huán)由非共沸工質(zhì)完成，所述非共沸工質(zhì)由兩種組分構成；在實際循環(huán)中，將具有等溫熱力過程性能最好的兩種組分之間的組分配比記為m1，將具有等熵熱力過程性能最好的兩種組分之間的組分配比記為m2；實際循環(huán)記為a1→b1→b2→c2→c1→d1→d2→a2→a1，其中，a1→b1過程為吸熱過程，b2→c2過程為膨脹過程，c1→d1過程為放熱過程，d2→a2過程為壓縮過程，b1→b2過程、c2→c1過程、d1→d2過程和a2→a1過程均為組分配比調(diào)節(jié)過程，上述實際循環(huán)a1→b1→b2→c2→c1→d1→d2→a2→a1，在組分配比m1和m2之間跳躍完成，具體過程如下：

工質(zhì)的初始的組分配比為m1，吸熱過程a1→b1，通過具有組分配比m1的工質(zhì)與熱源的匹配，使工質(zhì)吸熱過程中的不可逆損失達到最小；組分配比調(diào)節(jié)過程b1→b2，工質(zhì)的組分配比由m1調(diào)節(jié)到m2，從而實現(xiàn)膨脹過程b2→c2的輸出功最大；組分配比調(diào)節(jié)過程c2→c1，工質(zhì)的組分配比由m2調(diào)節(jié)到m1，放熱過程c1→d1，通過具有組分配比m1的工質(zhì)與冷源的匹配，使工質(zhì)在放熱過程中的不可逆損失達到最??；組分配比調(diào)節(jié)過程d1→d2，工質(zhì)的組分配比由m1調(diào)節(jié)到m2實現(xiàn)壓縮過程d2→a2中的耗功最?。蛔詈?，組分配比調(diào)節(jié)過程a2→a1，工質(zhì)的組分配比由m2調(diào)節(jié)至m1。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：

既然實際循環(huán)必須依托工質(zhì)而構建，就應該將工質(zhì)和其他問題協(xié)同在一起考慮，無論是在解決熱力學完善度偏小的問題上，還是在實際熱力循環(huán)理論構建上，工質(zhì)的基本熱力學參數(shù)作為一個思考維度都應有所體現(xiàn)。本發(fā)明提出的一種基于非共沸工質(zhì)的熱力循環(huán)升維構建方法是在經(jīng)典的二維熱力循環(huán)分析圖的基礎上，增加表征工質(zhì)基本熱力學性能參數(shù)的維度，將實際熱力循環(huán)構建問題從經(jīng)典的二維平面問題，升維到三維空間問題，揚長避短完成多個熱力過程的理想逼近，最終實現(xiàn)三維實際熱力循環(huán)構建。吸熱之后增加組分配比調(diào)節(jié)過程，非共沸工質(zhì)組分配比調(diào)節(jié)到膨脹過程中的性能最佳組分，實現(xiàn)膨脹過程的輸出功最大；膨脹過程之后，組分配比調(diào)節(jié)到放熱過程下性能最佳的組分，實現(xiàn)放熱過程的可用能損失最??；放熱過程之后，組分配比調(diào)節(jié)到壓縮過程中性能最佳的組分，實現(xiàn)壓縮過程中的耗功最??；壓縮過程之后，組分配比調(diào)節(jié)到吸熱過程中性能最佳的組分，實現(xiàn)吸熱過程中的不可逆損失最小。通過增加工質(zhì)的自由度，可以實現(xiàn)循環(huán)中非共沸工質(zhì)不同組分配比之間的切換，以達到各個熱力過程的性能最佳，從而實現(xiàn)整體循環(huán)的理想逼近。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于非共沸工質(zhì)的熱力循環(huán)升維構建方法示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例一自復疊有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例一自復疊有機朗肯循環(huán)三維構建示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例二噴射式冷電聯(lián)供循環(huán)系統(tǒng)示意圖；

圖5是本發(fā)明實施例二噴射式冷電聯(lián)供循環(huán)三維構建示意圖；

圖6是本發(fā)明實施例三氣相膨脹雙級壓縮循環(huán)系統(tǒng)示意圖；

圖7是本發(fā)明實施例三氣相膨脹雙級壓縮循環(huán)三維構建示意圖。

圖中：

1-蒸發(fā)器，11-第一蒸發(fā)器，12-第二蒸發(fā)器，2-氣液分離器，3-膨脹機，31-第一膨脹機，32-第二膨脹機，4-內(nèi)部換熱器，5-冷凝器，51-第一冷凝器，52-第二冷凝器，6-儲液罐，7-工質(zhì)泵，8-噴射器，9-節(jié)流閥，10-主壓縮機，11-輔助壓縮機。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明技術方案作進一步詳細描述，所描述的具體實施例僅對本發(fā)明進行解釋說明，并不用以限制本發(fā)明。

本發(fā)明提出的一種基于非共沸工質(zhì)的熱力循環(huán)升維構建方法，是以理想卡諾循環(huán)為逼近目標，如圖1所示，實際循環(huán)由非共沸工質(zhì)完成，所述非共沸工質(zhì)由兩種組分構成，液相和氣相中具有不同的組成成分，并且在一定壓力下冷凝或蒸發(fā)時，冷凝溫度和蒸發(fā)溫度都要發(fā)生變化。實現(xiàn)循環(huán)中，將具有等溫熱力過程性能最好的兩種組分之間的組分配比記為m1，將具有等熵熱力過程性能最好的兩種組分之間的組分配比記為m2；非共沸工質(zhì)可實現(xiàn)上述兩種組分配比的調(diào)節(jié)，組分配比為m1時，能實現(xiàn)熱量傳遞過程的能量損失最小；組分配比為m2時，能實現(xiàn)膨脹及壓縮過程的效率最高。

如圖1所示，實際循環(huán)記為a1→b1→b2→c2→c1→d1→d2→a2→a1，其中，a1→b1過程為吸熱過程，b2→c2過程為膨脹過程，c1→d1過程為放熱過程，d2→a2過程為壓縮過程，b1→b2過程、c2→c1過程、d1→d2過程和a2→a1過程均為組分配比調(diào)節(jié)過程，上述實際循環(huán)a1→b1→b2→c2→c1→d1→d2→a2→a1，在組分配比m1和m2之間跳躍完成，具體過程如下：

吸熱過程a1→b1，工質(zhì)的初始的組分配比為m1，通過具有組分配比m1的工質(zhì)與熱源的匹配，可以實現(xiàn)與熱源的良好匹配，從而達到吸熱過程中的不可逆損失達到最小及可用能損失最??；

組分配比調(diào)節(jié)過程b1→b2，工質(zhì)的組分配比由m1調(diào)節(jié)到m2；

膨脹過程b2→c2，此過程中，工質(zhì)的組分配比為m2，可以實現(xiàn)膨脹過程的等熵膨脹，提高膨脹過程的能量輸出，達到輸出功最大；

組分配比調(diào)節(jié)過程c2→c1，工質(zhì)的組分配比由m2調(diào)節(jié)到m1；

放熱過程c1→d1，此過程中，工質(zhì)的組分配比為m1，通過具有組分配比m1的工質(zhì)與冷源的匹配，可以實現(xiàn)與熱源的良好匹配，從而達到在放熱過程中的不可逆損失達到最小，即可用能損失最?。?/p>

組分配比調(diào)節(jié)過程d1→d2，工質(zhì)的組分配比由m1調(diào)節(jié)到m2；

實現(xiàn)壓縮過程d2→a2，此過程中，工質(zhì)的組分配比為m2，可以實現(xiàn)壓縮過程的等熵壓縮，減少壓縮過程的能量消耗；

組分配比調(diào)節(jié)過程a2→a1，工質(zhì)的組分配比由m2調(diào)節(jié)至m1。

此空間熱力循環(huán)在t-s圖上的投影為理想卡諾循環(huán)a0→b0→c0→d0→a0。

實施例一：自復疊有機朗肯循環(huán)構建

利用本發(fā)明基于非共沸工質(zhì)的熱力循環(huán)升維構建方法構建出如圖2所示的自復疊有機朗肯循環(huán)，圖3為其三維熱力循環(huán)示意圖。

如圖2所示，自復疊有機朗肯循環(huán)主要包括以下部件：第一蒸發(fā)器11、第二蒸發(fā)器12、氣液分離器2、第一膨脹機31、第二膨脹機32、內(nèi)部換熱器4、冷凝器5、儲液罐6和工質(zhì)泵7。第一蒸發(fā)器11的工質(zhì)出口端接于所述氣液分離器2的入口端，所述氣液分離器2的氣體出口端接于第二蒸發(fā)器12的工質(zhì)入口端，第二蒸發(fā)器12的工質(zhì)出口端接于第一膨脹機31的入口端，所述氣液分離器2的液體出口端接于內(nèi)部換熱器4的加熱流體入口段，第一膨脹機31的出口端接于所述內(nèi)部換熱器4的載熱流體入口端，所述內(nèi)部換熱器4的加熱流體出口端接于所述第二膨脹機32的入口端，所述內(nèi)部換熱器4的載熱流體出口端和第二膨脹機32的出口端接于所述冷凝器5的工質(zhì)入口端，所述冷凝器5的工質(zhì)出口端接于所述儲液罐6的入口端，所述儲液罐6的出口端接于所述工質(zhì)泵7的入口端，所述工質(zhì)泵7的出口端接于所述第一蒸發(fā)器11的工質(zhì)入口端，所述第一蒸發(fā)器11的載熱流體入口端和所述第二蒸發(fā)器12的載熱流體入口端分別通入熱源ⅰ和熱源ⅱ。

如圖2和圖3所示，儲液罐6中的非共沸工質(zhì)經(jīng)工質(zhì)泵7增壓(圖3中5→6)，進入第一蒸發(fā)器11，非共沸工質(zhì)被加熱到兩相狀態(tài)(圖3中6→7所示)，然后進入所述氣液分離器2，通過氣液分離實現(xiàn)工質(zhì)組分的調(diào)節(jié)，分離為組分配比為m1的飽和氣相(圖3中7→1所示)和組分配比為m2的飽和液相(圖3中7→8所示)，其中組分配比為m1的工質(zhì)具有該工況下最好的等溫熱力性能，組分配比為m2的工質(zhì)具有該工況下最好的等熵熱力性能，組分配比為m1的飽和氣相工質(zhì)進入到第二蒸發(fā)器12進一步加熱為過熱氣(圖3中1→1a所示)，然后進入第一膨脹機31膨脹做功(圖3中1a→2所示)，第一膨脹機31出來的工質(zhì)通入內(nèi)部換熱器4把組分配比為m2的飽和液加熱為氣態(tài)(圖3中8→9所示)，然后組分配比為m2的氣體進入第二膨脹機32膨脹做功(圖3中9→9a所示)，內(nèi)部換熱器4出來的組分配比為m1的工質(zhì)和第二膨脹機32出來的組分配比為m2的工質(zhì)都進入冷凝器5(圖3中9a→3，2→3所示)冷凝為液態(tài)(圖3中3→5所示)，回到儲液罐6，至此完成循環(huán)。

在相同的初始系統(tǒng)參數(shù)下，即熱水進口溫度為449.17k，熱水質(zhì)量流量為83kg/s，冷卻空氣溫度為288.15k，膨脹機等熵效率設定為0.85，工質(zhì)泵等熵效率設定為0.8，比較了自復疊有機朗肯循環(huán)和普通有機朗肯循環(huán)的性能，結(jié)果顯示自復疊有機朗肯循環(huán)比普通有機朗肯循環(huán)熱效率增加1.85％，可用能效率增加7.12％。

實施例二：噴射式冷電聯(lián)供循環(huán)構建

利用本發(fā)明基于非共沸工質(zhì)的熱力循環(huán)升維構建方法構建出如圖4所示的噴射式冷電聯(lián)供循環(huán)，圖5為其三維熱力循環(huán)示意圖。

如圖4所示，噴射式冷電聯(lián)供循環(huán)主要包括以下部件：第一蒸發(fā)器11、膨脹機3、噴射器8、第一冷凝器51、氣液分離器2、第二冷凝器52、工質(zhì)泵7、節(jié)流閥9、第二蒸發(fā)器12。所述第二冷凝器52的工質(zhì)出口端接于所述工質(zhì)泵7入口端，工質(zhì)泵7出口端接于第一蒸發(fā)器11的工質(zhì)入口端，第一蒸發(fā)器11的工質(zhì)出口端接于所述膨脹機3的入口端，膨脹機3的出口端接于噴射器8的工作流體入口端，噴射器8的出口端接于第一冷凝器51的工質(zhì)入口端，第一冷凝器51的工質(zhì)出口端接于氣液分離器2的入口端，氣液分離器2的氣相出口端接于第二冷凝器52的工質(zhì)入口端，氣液分離器2的液相出口端通過調(diào)節(jié)閥9后接于第二蒸發(fā)器12的工質(zhì)入口端，第二蒸發(fā)器12的工質(zhì)出口端接于噴射器8的引射流體入口端。第一蒸發(fā)器11和第二蒸發(fā)器12的熱源入口端分別通入熱源ⅰ和熱源ⅱ；第一冷凝器51和第二冷凝器52的熱源入口端分別通入冷源ⅰ和冷源ⅱ。

如圖4和圖5所示，第二冷凝器51中的非共沸工質(zhì)組分配比為m1，其具有該工況下最好的等溫熱力性能，組分配比為m1的工質(zhì)經(jīng)工質(zhì)泵進行增壓然后進入第一蒸發(fā)器11(圖5中7→1所示)，被熱源ⅰ加熱為高溫高壓的過熱氣體然后進入膨脹機3膨脹做功(圖5中1→2a→2→3所示)，膨脹機3出來的乏氣作為噴射器8的工作流體進入噴射器8增速減壓(圖5中3→4所示)，與第二蒸發(fā)器12出來的工質(zhì)進行混合(圖5中10→4所示)然后進入第一冷凝器51被部分冷凝(圖5中4→5b→5所示)，冷凝之后的兩相工質(zhì)進入氣液分離器2，氣液分離器2液相出口為組分配比為m2的非共沸工質(zhì)，其具有該工況下最好的等熵熱力性能，飽和液工質(zhì)進入節(jié)流閥9降壓為兩相狀態(tài)(圖5中5→8→9所示)，然后進入第二蒸發(fā)器12吸收熱量變?yōu)闅庀噙M入噴射器8的引射流體端(圖5中9→10所示)；氣液分離器2氣相出口的組分配比為m1的飽和氣工質(zhì)進入第二冷凝器52被冷凝為液相(圖5中5→6→7所示)，至此完成循環(huán)。

相較于傳統(tǒng)的冷電聯(lián)供循環(huán)，該新循環(huán)具有較大的效率提升。在相同的初始參數(shù)條件下，即熱源溫度為323.15k，熱源質(zhì)量流量為20kg/s，冷卻水溫度為285.15k，膨脹機等熵效率為80％，工質(zhì)泵等熵效率為70％，該循環(huán)相比傳統(tǒng)冷電聯(lián)供循環(huán)熱效率提高6.2％。

實施例三：氣相膨脹雙級壓縮循環(huán)構建

利用本發(fā)明基于非共沸工質(zhì)的熱力循環(huán)升維構建方法構建出如圖6所示的氣相膨脹雙級壓縮循環(huán)，圖7為其三維熱力循環(huán)示意圖。

如圖6所示，氣相膨脹雙級壓縮循環(huán)主要包括以下部件：冷凝器5、氣液分離器2、節(jié)流閥9，蒸發(fā)器1，輔助壓縮機11，膨脹機3，主壓縮機10，所述膨脹機3為氣相膨脹機，主壓縮機10出口端接于所述冷凝器5的工質(zhì)入口端，冷凝器5的工質(zhì)出口端接于氣液分離器2的入口端，氣液分離器2的氣體出口端接于氣相膨脹機3的入口端，氣液分離器2的液相出口端接于節(jié)流閥9入口端，節(jié)流閥9出口端接于蒸發(fā)器1的工質(zhì)入口端，蒸發(fā)器1的工質(zhì)出口端接于輔助壓縮機11的入口端，輔助壓縮機11的出口端和氣相膨脹機3的出口端都接于主壓縮機10的入口端。冷凝器5的冷卻流體入口端和蒸發(fā)器1的載熱流體入口端分別通入冷源和熱源。膨脹機3和輔助壓縮機11直接連接。

如圖6和圖7所示，主壓縮機10排出的過熱蒸汽進入冷凝器5(圖7中3→4所示)，工質(zhì)在冷凝器5中進行非完全冷凝，冷凝為氣液兩相狀態(tài)(圖7中4→5b→5所示)，經(jīng)氣液分離器2后，氣相工質(zhì)組分配比為m2，其具有該工況下最好的等熵熱力性能，通入膨脹機3進行膨脹做功(圖7中5→1→2所示)，輸出的膨脹功直接驅(qū)動輔助壓縮機11；與此同時，氣液分離器2分離出來的液相工質(zhì)組分配比為m1，其具有該工況下最好的等溫熱力性能，通過節(jié)流閥9降溫降壓后變?yōu)閮上酄顟B(tài)(圖7中5→6→7所示)，然后進入蒸發(fā)器1吸熱并在蒸發(fā)器1出口達到飽和氣狀態(tài)(圖7中7→8所示)，之后飽和氣進入輔助壓縮機11被壓縮為高壓過熱氣(圖7中8→8a所示)，膨脹機3出口的乏氣與輔助壓縮機11排氣同時進入主壓縮機10(圖7中8a→3，2→3所示)，至此完成循環(huán)。

相比于傳統(tǒng)單級循環(huán)和基于全流膨脹技術的循環(huán)，在相同的冷熱源入口溫度條件下，采用氣相膨脹雙級壓縮循環(huán)可使循環(huán)cop有明顯提高，當循環(huán)溫升達到72.5℃時，制熱cop可提高16.2％；同時主壓縮機壓比、膨脹容積比和排氣溫度均顯著降低。

盡管上面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。