【壓縮機網(wǎng)】摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了一種全新的氣體壓縮機工作方法原理，可實(shí)現最接近理論等溫過(guò)程的壓縮與膨脹，已獲得國家方法發(fā)明專(zhuān)利（授權公告號：CN 110848151 B）。通過(guò)其基本的工作原理、
理論模型、數據、基礎計算方法，論證了等溫壓縮的能效，以及該技術(shù)路線(xiàn)實(shí)現對機械方面的要求。最后探討了氣態(tài)工質(zhì)（近）等溫壓縮得以實(shí)現，對于熱力循環(huán)帶來(lái)的影響，提出了基于工質(zhì)等溫壓縮/膨脹時(shí)，在各種工況下最理想熱力循環(huán)的基本理論模型，以及對熱機熱泵、能源環(huán)境變革性的影響。
文/張桂偉
接上期——>
外燃機
外燃機和外熱機主要區別是，外燃機由燃料燃燒提供熱量來(lái)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(lái)預熱。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，把工質(zhì)壓縮到對應溫度。典型的例子就是燃煤燃氣發(fā)電熱力機組。
外燃熱機的循環(huán)（等溫壓縮-絕熱壓縮-等壓吸熱-絕熱膨脹），（紅色部分）如果鍋爐燃燒側不進(jìn)行回熱，例如核反應堆就不需要回熱，則循環(huán)過(guò)程按照外熱循環(huán)熱機進(jìn)行（等溫壓縮—等壓吸熱—絕熱膨脹）。
與現在主流的朗肯循環(huán)（主要的火電廠(chǎng)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?；責嵫h(huán)、燃氣布雷頓聯(lián)合循環(huán)等，這些循環(huán)都在盡量接近等溫熱力循環(huán)。
如果熱源溫度過(guò)高，導致系統壓力過(guò)大，材料不能承受壓力，可選用絕熱指數高的工質(zhì)，或者等溫壓縮機因為材料原因不能提高相應的高壓力，可以采用等溫壓縮-等容加熱-絕熱膨脹的循環(huán)過(guò)程，降低對等溫壓縮段的技術(shù)要求，相應的對于絕熱膨脹側的耐用要求會(huì )提高。也可以多級熱機串聯(lián)，例如核電站熱力機組、高溫氣冷堆或者未來(lái)的可控核聚變反應堆，多級串聯(lián)還可以降低核泄漏風(fēng)險，多增加一級熱機，則多增加一個(gè)熱交換器，以及一個(gè)熱交換溫差損失。
研究表明，內燃機的最高溫度不宜超過(guò)2000K，因為高溫下會(huì )生成氮氧化物，造成污染，以及燃燒生成物的吸熱分解反應，降低內燃機效率。那么降低內燃機的排熱溫度，間接提高效率就是一條可行的技術(shù)路線(xiàn)。對于火電廠(chǎng)來(lái)說(shuō)，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(shí)，有一個(gè)定溫吸熱過(guò)程。本發(fā)明的等溫壓縮機，從理論上解決的等溫壓縮問(wèn)題，使該技術(shù)路線(xiàn)具備了一定的可行性。
相比較來(lái)說(shuō)，等溫循環(huán)在中低溫熱源的利用上，例如工業(yè)余熱、太陽(yáng)能、地熱以及壓縮空氣儲能、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械方面的損失的。兩者機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化為實(shí)際效率。當然也會(huì )有一些局限性，例如作為壓縮空氣儲能時(shí)，因為要與大氣中的空氣接觸，其中的灰塵可能會(huì )積聚在壓縮液中，因此壓縮機只能選用水。這類(lèi)便宜易補充的物質(zhì)，又帶來(lái)了水在低溫下容易凍結的問(wèn)題，這些問(wèn)題都需要解決。
制熱循環(huán)
制熱循環(huán)是熱機循環(huán)的逆循環(huán)，制熱熱泵消耗凈功，驅動(dòng)工質(zhì)循環(huán)，把熱量從溫度為T(mén)2的低溫熱源，搬運給初始溫度同樣為T(mén)2的制熱目標，一般是水或者空氣，使目標溫度升高到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，目標溫度的上升是一個(gè)累積的過(guò)程，溫度還處于T2時(shí)，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)節能約40%左右，但是有工質(zhì)流量遠大于壓縮蒸汽循環(huán)大、流動(dòng)損失會(huì )高的缺點(diǎn)。不過(guò)氣體制冷制熱有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，不需要會(huì )破壞臭氧層的制冷劑，壓縮過(guò)的二氧化碳應該是比較好的工質(zhì)。
在用于室內空調制熱時(shí)，室內起始溫度高于室外，需要對循環(huán)進(jìn)行修正，需要增加一個(gè)絕熱膨脹過(guò)程，此時(shí)比壓縮蒸汽循環(huán)節能幅度有所減少，但大概也能節能10%到30%。如果是類(lèi)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(méi)節能效果。
下邊是簡(jiǎn)單計算，前面證明熱機時(shí)已經(jīng)計算過(guò)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)節和逆向換熱環(huán)節，溫差都是10度時(shí)，功耗24度?，F在來(lái)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(shí)的功，如果也加上兩個(gè)10度溫差的換熱溫差，則需要36.5度電。本循環(huán)的功耗是現在熱泵技術(shù)的58%到66%，如果用電熱絲加熱，則功耗達到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，把熱量從目標中轉移到大氣環(huán)境中去，制冷目標的溫度同樣會(huì )是逐次下降，溫度從T1降低到T2。
現有應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，等溫熱力循環(huán)中的制冷循環(huán)相比可以節約40%左右的功耗，但是有工質(zhì)流量大、流動(dòng)損失會(huì )高一點(diǎn)的缺點(diǎn)。
和制熱問(wèn)題同樣的是，如果是空調制冷，室內外溫差同樣會(huì )抵消部分節能優(yōu)勢，此時(shí)需要增加過(guò)程，修正影響，節能幅度會(huì )降低，只能比目前的壓縮蒸汽循環(huán)節能20%左右。
還可以做成開(kāi)放式，以室內空氣作為工質(zhì)，直接壓縮，通過(guò)絕熱壓縮-等溫壓縮-絕熱膨脹以后，直接排放回室內。優(yōu)點(diǎn)有減少一個(gè)熱交換器，節約成本并減少一個(gè)換熱溫差損失，更加節能，避免空氣中濕度過(guò)度凝結?？諝庵械乃魵鈺?huì )對膨脹過(guò)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，比現在傳統空調接觸更低溫度的蒸發(fā)器，凝結水量減少。傳統空調過(guò)多的冷凝水過(guò)多冷凝了室內空氣所含水蒸氣，使室內空氣過(guò)于干燥，容易得空調病。開(kāi)放循環(huán)則避免了這一點(diǎn)，缺點(diǎn)是壓縮機流量更大，和室內循環(huán)風(fēng)量相同，雖然取消了室內循環(huán)風(fēng)機以及所耗電能，但對壓縮機的壓縮液可能積累灰塵，只能用比較容易補充的水，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(méi)理論上的優(yōu)勢，還有氣體熱容小、流動(dòng)大的缺點(diǎn)。
以熱制冷混合循環(huán)，因為熱機和制冷都包含等溫壓縮過(guò)程，所以?xún)烧呖梢月?lián)合循環(huán)，以熱為動(dòng)力直接獲得低溫，達到少耗能，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，一部分完成熱機循環(huán)，一部分完成制冷循環(huán)。
這個(gè)循環(huán)適合做太陽(yáng)能空調，效率遠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(guò)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(guò)高效的熱機循環(huán)，可儲能10千瓦時(shí)左右。春秋季不需要空調的季節，熱機端，還可以作為太陽(yáng)能分布式電站發(fā)電上網(wǎng)。
制冷與制熱循環(huán)，從理論來(lái)說(shuō)大多數工況下，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(lèi)工況下，并無(wú)優(yōu)勢。最大的問(wèn)題就是氣體膨脹的單位制冷量，遠低于氣液相變的吸放熱量，帶來(lái)的問(wèn)題就是循環(huán)工質(zhì)的流量遠遠大于壓縮蒸汽技術(shù)方案。由此帶來(lái)的機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。
冷機循環(huán)
冷機循環(huán)是指以大氣環(huán)境為高溫熱源，低于大氣環(huán)境溫度的熱源為低溫熱源，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(guò)程中從大氣環(huán)境中吸收熱量，然后通過(guò)逆向換熱器，定壓向低溫熱源放熱，然后通過(guò)絕熱壓縮完成循環(huán)。
目前對低溫熱源的利用，以低溫海水發(fā)電為最常見(jiàn)形式。一般采用有機朗肯循環(huán)（因為細節不易表現，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。因為工質(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(huì )增加。由于可用的熱量增加了，這和內燃機熱效率超過(guò)一定數值后，凈功反而下降，熱效率最高時(shí)，凈功接近0一樣。所以在抽取的海水定量的前提下，冷機循環(huán)的凈功明顯高于有機朗肯循環(huán)。在輸出功一樣的前提下，冷機循環(huán)需要的海水量，低于有機朗肯循環(huán)。
冷機循環(huán)應該與熱機循環(huán)進(jìn)行區分，因為熱環(huán)境完全不一樣。冷機循環(huán)一般可應用于低溫海水發(fā)電，如果以定量冷源為標準衡量，其循環(huán)銷(xiāo)量同樣高于有機朗肯循環(huán)，也可用于以低溫儲能的儲能系統。
總結
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)現實(shí)用化，為優(yōu)化熱力循環(huán)提高熱機熱泵效率明確了新的方向，定義了新的理論極限，在能源問(wèn)題日益緊張，環(huán)保問(wèn)題日益突出的今天，具有戰略意義。但這項技術(shù)和理論才剛剛起步，應用于以上所述熱力學(xué)設備中，也存在一些局限性。更新大多數熱力學(xué)設備的技術(shù)路線(xiàn)，是個(gè)龐大的系統工程，需要更多的論證、實(shí)驗、測試、改進(jìn)、優(yōu)化，總體來(lái)看本壓縮技術(shù)的原理簡(jiǎn)單，加工制造容易，理論上節能增效效果明顯，只是需要更多的金屬資源，但還是有研究發(fā)展的價(jià)值。
性?xún)r(jià)比最高的應該是太陽(yáng)能空調，可以基本做到不耗電，春秋季有電費收入，還不需要會(huì )破壞臭氧層的冷媒；其次是太陽(yáng)能儲熱發(fā)電或者電解氫氣，大中小型機組均適合，因為成本低，轉化效率高，對儲熱要求低，用普通水或者油以顯熱儲能即可。因為轉化的效率高，因此顯熱儲能的可利用非常高，一噸普通水100度溫差儲能即可達到10千瓦時(shí)的電能，完全可供千瓦級機組晝夜調控。如果遇見(jiàn)連續陰雨天，則通過(guò)大數據與冗余裝機量，和特高壓電網(wǎng)調控，燃煤和燃氣電站做備份，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(cháng)期成本并不比火電高。中國中西部地區太陽(yáng)能豐富，完全可以成為電網(wǎng)主力。這個(gè)經(jīng)濟性可能不高，但是對國家能源戰略安全很重要。周?chē)娜枕n經(jīng)濟體、東南亞經(jīng)濟體，都沒(méi)有大規模太陽(yáng)能發(fā)電的條件，煤炭、石油、天然氣應作為化工原料，只有離網(wǎng)的飛機和遠洋貨輪需要內燃機，其他設備都應該電氣化。這種以中低溫熱為來(lái)源的熱機，還能為工廠(chǎng)企業(yè)直接提供動(dòng)力，利用太陽(yáng)能、地熱、企業(yè)自身產(chǎn)生的余熱等，直接驅動(dòng)部分動(dòng)力設備工作，或者制冷。節約的是工業(yè)電，比上網(wǎng)電價(jià)高很多； 再就是中大型熱力機組，用于取代朗肯循環(huán)和燃氣輪機做為火電廠(chǎng)、核電廠(chǎng)發(fā)電設備的熱功轉化設備、船舶、核潛艇，AIP潛艇的直接動(dòng)力，可節約10%到40%的各種燃料。小型熱機的試裝性可能不好，如果用來(lái)驅動(dòng)內燃機乘用汽車(chē)，需要帶上一個(gè)體積比較大的等溫壓縮機，明顯不適合各種噴氣類(lèi)渦軸類(lèi)發(fā)動(dòng)機。雖然理論上沒(méi)問(wèn)題，但噴氣類(lèi)發(fā)動(dòng)機體積功率比的要求遠高于節能?？照{制冷、空氣能熱水器，因為工況影響，節能效果大約只有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！〉
參考資料
1.林汝謀 金紅光 熱力循環(huán)——工程熱力學(xué)的一個(gè)永恒研究方向 《燃氣輪機技術(shù)》2002.12
2.蘇萬(wàn)華 提高內燃機效率的潛力及分析方法 《科技導報》2013.31
3.周雨青 理想斯特林循環(huán)原理及其效率的計算和實(shí)際工作效率的簡(jiǎn)單討論 《物理與工程》2015.1
3.紀軍 劉濤 金紅光 熱力循環(huán)及總能系統學(xué)科發(fā)展戰略思考《中國科學(xué)基金》2007.6
4.林比宏 陳金燦 熱阻和回熱損失對埃里克森循環(huán)性能的影響《熱能動(dòng)力工程》1999.9
5.魏雙 章國江 朱谷昌 劉遠峰 柯凌云 李蓉 鄭傳祥 小型往復式壓縮機等溫壓縮過(guò)程的數值分析和工程實(shí)現方法研究《化工機械》2015.3
6.錢(qián)致疆 陳大偉 孫濟美 具有部分等溫壓縮沖程的內燃機工作過(guò)程研究《吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報》1986.4
7.陳林根 朱志民 曹政云 孫豐瑞 布雷頓和卡諾熱機循環(huán)性能比較《推進(jìn)技術(shù)》1997.5
8.許未晴 賈冠偉 年炫煒 蔡茂林 用于壓縮空氣儲能的微米級水霧冷卻等溫壓縮實(shí)驗研究《液壓與氣動(dòng)》2017.12
9.傅秦生 馮宵 熱力循環(huán)中的不可避免?損失《西安交通大學(xué)學(xué)報》2001.11
10.劉聰 周正文 活塞式CO氣體壓縮機技術(shù)改造方案及實(shí)施效果《壓縮機技術(shù)》2010.6
11.楊絮霏 王寶龍 程作 丁云晨 使用多次制冷劑噴射實(shí)現（近）等溫壓縮《工程熱物理學(xué)報》2019.12
12.路唱 何青 壓縮空氣儲能技術(shù)最新研究進(jìn)展《電力與工程》2018.12
13.田石強 鄭傳祥 李蓉 魏雙小型往復式壓縮機的節能技術(shù)及試驗研究《化工裝備技術(shù)》2015.10
14.何子偉 等溫壓縮空氣儲能過(guò)程中的熱力學(xué)機制研究 武漢理工大學(xué)碩士論文2018.5
15.姬忠禮 鄧志安 趙會(huì )軍主編 石油工業(yè)出版社《泵和壓縮機》
16.屈宗長(cháng)主編 西安交通大學(xué)出版社《往復式壓縮機原理》
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【壓縮機網(wǎng)】摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了一種全新的氣體壓縮機工作方法原理，可實(shí)現最接近理論等溫過(guò)程的壓縮與膨脹，已獲得國家方法發(fā)明專(zhuān)利（授權公告號：CN 110848151 B）。通過(guò)其基本的工作原理、
理論模型、數據、基礎計算方法，論證了等溫壓縮的能效，以及該技術(shù)路線(xiàn)實(shí)現對機械方面的要求。最后探討了氣態(tài)工質(zhì)（近）等溫壓縮得以實(shí)現，對于熱力循環(huán)帶來(lái)的影響，提出了基于工質(zhì)等溫壓縮/膨脹時(shí)，在各種工況下最理想熱力循環(huán)的基本理論模型，以及對熱機熱泵、能源環(huán)境變革性的影響。
文/張桂偉
接上期——>
外燃機
外燃機和外熱機主要區別是，外燃機由燃料燃燒提供熱量來(lái)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(lái)預熱。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，把工質(zhì)壓縮到對應溫度。典型的例子就是燃煤燃氣發(fā)電熱力機組。
外燃熱機的循環(huán)（等溫壓縮-絕熱壓縮-等壓吸熱-絕熱膨脹），（紅色部分）如果鍋爐燃燒側不進(jìn)行回熱，例如核反應堆就不需要回熱，則循環(huán)過(guò)程按照外熱循環(huán)熱機進(jìn)行（等溫壓縮—等壓吸熱—絕熱膨脹）。
與現在主流的朗肯循環(huán)（主要的火電廠(chǎng)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?；責嵫h(huán)、燃氣布雷頓聯(lián)合循環(huán)等，這些循環(huán)都在盡量接近等溫熱力循環(huán)。
如果熱源溫度過(guò)高，導致系統壓力過(guò)大，材料不能承受壓力，可選用絕熱指數高的工質(zhì)，或者等溫壓縮機因為材料原因不能提高相應的高壓力，可以采用等溫壓縮-等容加熱-絕熱膨脹的循環(huán)過(guò)程，降低對等溫壓縮段的技術(shù)要求，相應的對于絕熱膨脹側的耐用要求會(huì )提高。也可以多級熱機串聯(lián)，例如核電站熱力機組、高溫氣冷堆或者未來(lái)的可控核聚變反應堆，多級串聯(lián)還可以降低核泄漏風(fēng)險，多增加一級熱機，則多增加一個(gè)熱交換器，以及一個(gè)熱交換溫差損失。
研究表明，內燃機的最高溫度不宜超過(guò)2000K，因為高溫下會(huì )生成氮氧化物，造成污染，以及燃燒生成物的吸熱分解反應，降低內燃機效率。那么降低內燃機的排熱溫度，間接提高效率就是一條可行的技術(shù)路線(xiàn)。對于火電廠(chǎng)來(lái)說(shuō)，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(shí)，有一個(gè)定溫吸熱過(guò)程。本發(fā)明的等溫壓縮機，從理論上解決的等溫壓縮問(wèn)題，使該技術(shù)路線(xiàn)具備了一定的可行性。
相比較來(lái)說(shuō)，等溫循環(huán)在中低溫熱源的利用上，例如工業(yè)余熱、太陽(yáng)能、地熱以及壓縮空氣儲能、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械方面的損失的。兩者機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化為實(shí)際效率。當然也會(huì )有一些局限性，例如作為壓縮空氣儲能時(shí)，因為要與大氣中的空氣接觸，其中的灰塵可能會(huì )積聚在壓縮液中，因此壓縮機只能選用水。這類(lèi)便宜易補充的物質(zhì)，又帶來(lái)了水在低溫下容易凍結的問(wèn)題，這些問(wèn)題都需要解決。
制熱循環(huán)
制熱循環(huán)是熱機循環(huán)的逆循環(huán)，制熱熱泵消耗凈功，驅動(dòng)工質(zhì)循環(huán)，把熱量從溫度為T(mén)2的低溫熱源，搬運給初始溫度同樣為T(mén)2的制熱目標，一般是水或者空氣，使目標溫度升高到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，目標溫度的上升是一個(gè)累積的過(guò)程，溫度還處于T2時(shí)，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)節能約40%左右，但是有工質(zhì)流量遠大于壓縮蒸汽循環(huán)大、流動(dòng)損失會(huì )高的缺點(diǎn)。不過(guò)氣體制冷制熱有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，不需要會(huì )破壞臭氧層的制冷劑，壓縮過(guò)的二氧化碳應該是比較好的工質(zhì)。
在用于室內空調制熱時(shí)，室內起始溫度高于室外，需要對循環(huán)進(jìn)行修正，需要增加一個(gè)絕熱膨脹過(guò)程，此時(shí)比壓縮蒸汽循環(huán)節能幅度有所減少，但大概也能節能10%到30%。如果是類(lèi)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(méi)節能效果。
下邊是簡(jiǎn)單計算，前面證明熱機時(shí)已經(jīng)計算過(guò)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)節和逆向換熱環(huán)節，溫差都是10度時(shí)，功耗24度?，F在來(lái)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(shí)的功，如果也加上兩個(gè)10度溫差的換熱溫差，則需要36.5度電。本循環(huán)的功耗是現在熱泵技術(shù)的58%到66%，如果用電熱絲加熱，則功耗達到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，把熱量從目標中轉移到大氣環(huán)境中去，制冷目標的溫度同樣會(huì )是逐次下降，溫度從T1降低到T2。
現有應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，等溫熱力循環(huán)中的制冷循環(huán)相比可以節約40%左右的功耗，但是有工質(zhì)流量大、流動(dòng)損失會(huì )高一點(diǎn)的缺點(diǎn)。
和制熱問(wèn)題同樣的是，如果是空調制冷，室內外溫差同樣會(huì )抵消部分節能優(yōu)勢，此時(shí)需要增加過(guò)程，修正影響，節能幅度會(huì )降低，只能比目前的壓縮蒸汽循環(huán)節能20%左右。
還可以做成開(kāi)放式，以室內空氣作為工質(zhì)，直接壓縮，通過(guò)絕熱壓縮-等溫壓縮-絕熱膨脹以后，直接排放回室內。優(yōu)點(diǎn)有減少一個(gè)熱交換器，節約成本并減少一個(gè)換熱溫差損失，更加節能，避免空氣中濕度過(guò)度凝結?？諝庵械乃魵鈺?huì )對膨脹過(guò)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，比現在傳統空調接觸更低溫度的蒸發(fā)器，凝結水量減少。傳統空調過(guò)多的冷凝水過(guò)多冷凝了室內空氣所含水蒸氣，使室內空氣過(guò)于干燥，容易得空調病。開(kāi)放循環(huán)則避免了這一點(diǎn)，缺點(diǎn)是壓縮機流量更大，和室內循環(huán)風(fēng)量相同，雖然取消了室內循環(huán)風(fēng)機以及所耗電能，但對壓縮機的壓縮液可能積累灰塵，只能用比較容易補充的水，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(méi)理論上的優(yōu)勢，還有氣體熱容小、流動(dòng)大的缺點(diǎn)。
以熱制冷混合循環(huán)，因為熱機和制冷都包含等溫壓縮過(guò)程，所以?xún)烧呖梢月?lián)合循環(huán)，以熱為動(dòng)力直接獲得低溫，達到少耗能，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，一部分完成熱機循環(huán)，一部分完成制冷循環(huán)。
這個(gè)循環(huán)適合做太陽(yáng)能空調，效率遠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(guò)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(guò)高效的熱機循環(huán)，可儲能10千瓦時(shí)左右。春秋季不需要空調的季節，熱機端，還可以作為太陽(yáng)能分布式電站發(fā)電上網(wǎng)。
制冷與制熱循環(huán)，從理論來(lái)說(shuō)大多數工況下，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(lèi)工況下，并無(wú)優(yōu)勢。最大的問(wèn)題就是氣體膨脹的單位制冷量，遠低于氣液相變的吸放熱量，帶來(lái)的問(wèn)題就是循環(huán)工質(zhì)的流量遠遠大于壓縮蒸汽技術(shù)方案。由此帶來(lái)的機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。
冷機循環(huán)
冷機循環(huán)是指以大氣環(huán)境為高溫熱源，低于大氣環(huán)境溫度的熱源為低溫熱源，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(guò)程中從大氣環(huán)境中吸收熱量，然后通過(guò)逆向換熱器，定壓向低溫熱源放熱，然后通過(guò)絕熱壓縮完成循環(huán)。
目前對低溫熱源的利用，以低溫海水發(fā)電為最常見(jiàn)形式。一般采用有機朗肯循環(huán)（因為細節不易表現，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。因為工質(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(huì )增加。由于可用的熱量增加了，這和內燃機熱效率超過(guò)一定數值后，凈功反而下降，熱效率最高時(shí)，凈功接近0一樣。所以在抽取的海水定量的前提下，冷機循環(huán)的凈功明顯高于有機朗肯循環(huán)。在輸出功一樣的前提下，冷機循環(huán)需要的海水量，低于有機朗肯循環(huán)。
冷機循環(huán)應該與熱機循環(huán)進(jìn)行區分，因為熱環(huán)境完全不一樣。冷機循環(huán)一般可應用于低溫海水發(fā)電，如果以定量冷源為標準衡量，其循環(huán)銷(xiāo)量同樣高于有機朗肯循環(huán)，也可用于以低溫儲能的儲能系統。
總結
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)現實(shí)用化，為優(yōu)化熱力循環(huán)提高熱機熱泵效率明確了新的方向，定義了新的理論極限，在能源問(wèn)題日益緊張，環(huán)保問(wèn)題日益突出的今天，具有戰略意義。但這項技術(shù)和理論才剛剛起步，應用于以上所述熱力學(xué)設備中，也存在一些局限性。更新大多數熱力學(xué)設備的技術(shù)路線(xiàn)，是個(gè)龐大的系統工程，需要更多的論證、實(shí)驗、測試、改進(jìn)、優(yōu)化，總體來(lái)看本壓縮技術(shù)的原理簡(jiǎn)單，加工制造容易，理論上節能增效效果明顯，只是需要更多的金屬資源，但還是有研究發(fā)展的價(jià)值。
性?xún)r(jià)比最高的應該是太陽(yáng)能空調，可以基本做到不耗電，春秋季有電費收入，還不需要會(huì )破壞臭氧層的冷媒；其次是太陽(yáng)能儲熱發(fā)電或者電解氫氣，大中小型機組均適合，因為成本低，轉化效率高，對儲熱要求低，用普通水或者油以顯熱儲能即可。因為轉化的效率高，因此顯熱儲能的可利用非常高，一噸普通水100度溫差儲能即可達到10千瓦時(shí)的電能，完全可供千瓦級機組晝夜調控。如果遇見(jiàn)連續陰雨天，則通過(guò)大數據與冗余裝機量，和特高壓電網(wǎng)調控，燃煤和燃氣電站做備份，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(cháng)期成本并不比火電高。中國中西部地區太陽(yáng)能豐富，完全可以成為電網(wǎng)主力。這個(gè)經(jīng)濟性可能不高，但是對國家能源戰略安全很重要。周?chē)娜枕n經(jīng)濟體、東南亞經(jīng)濟體，都沒(méi)有大規模太陽(yáng)能發(fā)電的條件，煤炭、石油、天然氣應作為化工原料，只有離網(wǎng)的飛機和遠洋貨輪需要內燃機，其他設備都應該電氣化。這種以中低溫熱為來(lái)源的熱機，還能為工廠(chǎng)企業(yè)直接提供動(dòng)力，利用太陽(yáng)能、地熱、企業(yè)自身產(chǎn)生的余熱等，直接驅動(dòng)部分動(dòng)力設備工作，或者制冷。節約的是工業(yè)電，比上網(wǎng)電價(jià)高很多； 再就是中大型熱力機組，用于取代朗肯循環(huán)和燃氣輪機做為火電廠(chǎng)、核電廠(chǎng)發(fā)電設備的熱功轉化設備、船舶、核潛艇，AIP潛艇的直接動(dòng)力，可節約10%到40%的各種燃料。小型熱機的試裝性可能不好，如果用來(lái)驅動(dòng)內燃機乘用汽車(chē)，需要帶上一個(gè)體積比較大的等溫壓縮機，明顯不適合各種噴氣類(lèi)渦軸類(lèi)發(fā)動(dòng)機。雖然理論上沒(méi)問(wèn)題，但噴氣類(lèi)發(fā)動(dòng)機體積功率比的要求遠高于節能?？照{制冷、空氣能熱水器，因為工況影響，節能效果大約只有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！〉
參考資料
1.林汝謀 金紅光 熱力循環(huán)——工程熱力學(xué)的一個(gè)永恒研究方向 《燃氣輪機技術(shù)》2002.12
2.蘇萬(wàn)華 提高內燃機效率的潛力及分析方法 《科技導報》2013.31
3.周雨青 理想斯特林循環(huán)原理及其效率的計算和實(shí)際工作效率的簡(jiǎn)單討論 《物理與工程》2015.1
3.紀軍 劉濤 金紅光 熱力循環(huán)及總能系統學(xué)科發(fā)展戰略思考《中國科學(xué)基金》2007.6
4.林比宏 陳金燦 熱阻和回熱損失對埃里克森循環(huán)性能的影響《熱能動(dòng)力工程》1999.9
5.魏雙 章國江 朱谷昌 劉遠峰 柯凌云 李蓉 鄭傳祥 小型往復式壓縮機等溫壓縮過(guò)程的數值分析和工程實(shí)現方法研究《化工機械》2015.3
6.錢(qián)致疆 陳大偉 孫濟美 具有部分等溫壓縮沖程的內燃機工作過(guò)程研究《吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報》1986.4
7.陳林根 朱志民 曹政云 孫豐瑞 布雷頓和卡諾熱機循環(huán)性能比較《推進(jìn)技術(shù)》1997.5
8.許未晴 賈冠偉 年炫煒 蔡茂林 用于壓縮空氣儲能的微米級水霧冷卻等溫壓縮實(shí)驗研究《液壓與氣動(dòng)》2017.12
9.傅秦生 馮宵 熱力循環(huán)中的不可避免?損失《西安交通大學(xué)學(xué)報》2001.11
10.劉聰 周正文 活塞式CO氣體壓縮機技術(shù)改造方案及實(shí)施效果《壓縮機技術(shù)》2010.6
11.楊絮霏 王寶龍 程作 丁云晨 使用多次制冷劑噴射實(shí)現（近）等溫壓縮《工程熱物理學(xué)報》2019.12
12.路唱 何青 壓縮空氣儲能技術(shù)最新研究進(jìn)展《電力與工程》2018.12
13.田石強 鄭傳祥 李蓉 魏雙小型往復式壓縮機的節能技術(shù)及試驗研究《化工裝備技術(shù)》2015.10
14.何子偉 等溫壓縮空氣儲能過(guò)程中的熱力學(xué)機制研究 武漢理工大學(xué)碩士論文2018.5
15.姬忠禮 鄧志安 趙會(huì )軍主編 石油工業(yè)出版社《泵和壓縮機》
16.屈宗長(cháng)主編 西安交通大學(xué)出版社《往復式壓縮機原理》
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