摘 要：  利用制冷技術(shù)提供一個(gè)人造低溫?zé)嵩矗炎匀粺嵩椿驈U熱源（余熱）作為高溫?zé)嵩矗徊捎弥评溲h(huán)和動(dòng)力循環(huán)的熱力二重循環(huán)方式，使高壓低溫的動(dòng)力工質(zhì)吸收外界環(huán)境的熱能，汽化并過(guò)熱后膨脹驅(qū)動(dòng)渦輪，其乏汽在人造低溫環(huán)境下冷凝液化后被增壓，完成熱力循環(huán)；這樣通過(guò)熱功轉(zhuǎn)換的方式，把環(huán)境熱能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，使人類獲得冷源和動(dòng)力能源。
    關(guān)鍵詞：人造低溫?zé)嵩矗瑹崃Χ匮h(huán)，環(huán)境熱能，熱力學(xué)第二定律
1.引 言
    早在人類生存的初期，人們就試圖利用各種方法代替人們繁重的體力勞動(dòng)，這種迫切愿望就成了人們發(fā)明創(chuàng)造的動(dòng)力。蒸汽機(jī)的出現(xiàn)，引起了世界第一次工業(yè)革命，極大地提高了生產(chǎn)力！
    隨著工業(yè)的飛速發(fā)展，人類對(duì)動(dòng)力能源的需求日益膨脹，目前的科學(xué)水平和技術(shù)能力，主要的動(dòng)力能源是通過(guò)熱功轉(zhuǎn)換而來(lái)的；把化石燃料燃燒的化學(xué)能或核反應(yīng)堆的核能都以熱能的方式，通過(guò)熱功轉(zhuǎn)換變成機(jī)械能，或再轉(zhuǎn)變成電能加以利用。由于化石燃料的快速開(kāi)采，將逐漸枯竭，更主要的是各種燃燒機(jī)所排放的有害產(chǎn)物，嚴(yán)重污染環(huán)境，威及人類健康及生物生長(zhǎng)，其終產(chǎn)物CO2的增加，導(dǎo)致全球“溫室效應(yīng)”的加劇給人類造成不可估量的損失。核能的利用，給人類帶來(lái)希望，卻讓人們感覺(jué)到它的失控將為人類帶來(lái)滅頂之災(zāi)，就連其核廢料都是人類難以處理的鐵疙瘩。
    歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)的各種各樣的永動(dòng)機(jī)方案，是人類設(shè)想獲得最佳能源的體現(xiàn)。在沒(méi)有外界動(dòng)力，不消耗任何燃料的情況下，源源不斷地獲得有用功。這是人類非常需要的，也是最干凈、最安全的能源。但是第一代機(jī)械永動(dòng)機(jī)違背了能量守恒定律，絕對(duì)不可能實(shí)現(xiàn)；第二代熱功永動(dòng)機(jī)違背了熱力學(xué)第二定律，只有工質(zhì)吸熱而沒(méi)有工質(zhì)放熱過(guò)程，工質(zhì)無(wú)法完成熱力循環(huán)，也無(wú)法成功。
    熱力學(xué)第二定律告訴我們，循環(huán)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的效率是由熱機(jī)的高溫?zé)嵩磁c低溫?zé)嵩吹臏夭顩Q定的，與溫度高低無(wú)關(guān)。吸熱式熱力循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)就是根據(jù)這一原理，利用低溫工質(zhì)吸收環(huán)境的熱能，通過(guò)熱功轉(zhuǎn)換的方式轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，它在沒(méi)有外力、不消耗任何燃料的情況下，源源不斷地獲得有用功。它的能量來(lái)自環(huán)境的熱能，它的運(yùn)行使外界溫度降低，而環(huán)境溫度的自然循環(huán)足以滿足本機(jī)的正常運(yùn)行。
2.工作原理
    現(xiàn)代大型火電及核電都采用蒸汽動(dòng)力循環(huán)，它是把外界環(huán)境溫度作為低溫?zé)嵩矗彦仩t或核反應(yīng)堆所獲得的高溫作為高溫?zé)嵩础Ｆ鋭?dòng)力工質(zhì)在高溫?zé)嵩粗形鼰崞笞龉Γ缓笤诘蜏責(zé)嵩粗蟹艧幔瓿蔁崃ρh(huán)并輸出有用功，這里的高溫?zé)嵩磿?huì)因?yàn)楣べ|(zhì)的吸熱而溫度降低，所以整個(gè)系統(tǒng)必須消耗燃料（包括核燃料）來(lái)維持高溫?zé)嵩吹臏囟龋欢鼰崾綗崃ρh(huán)則是把環(huán)境溫度作為高溫?zé)嵩矗弥评浼夹g(shù)制造一個(gè)低溫?zé)嵩矗鋭?dòng)力工質(zhì)在高溫?zé)嵩矗ōh(huán)境溫度）下吸熱后做功，然后向人造低溫?zé)嵩捶艧嵬瓿蔁崃ρh(huán)并輸出有用功。這里的低溫?zé)嵩磿?huì)因?yàn)楣べ|(zhì)的放熱而溫度升高，所以整個(gè)系統(tǒng)必須有制冷循環(huán)和回?zé)嵫b置來(lái)維持低溫?zé)嵩吹臏囟取?
    吸熱式熱力循環(huán)是采用制冷循環(huán)和動(dòng)力循環(huán)的熱力二重循環(huán)。是利用高壓低溫的工質(zhì)在自然環(huán)境溫度下吸熱做功，其動(dòng)力循環(huán)是一個(gè)完整的蒸汽動(dòng)力循環(huán)（或閉式燃?xì)鈩?dòng)力循環(huán)）；制冷循環(huán)是一個(gè)完整的制冷循環(huán)，這里以蒸汽動(dòng)力循環(huán)為例加以說(shuō)明。如下圖所示是其吸熱式熱力循環(huán)的系統(tǒng)圖和動(dòng)力工質(zhì)的P——V圖及T——S圖。 
    熱力二重循環(huán)系統(tǒng)圖、P——V圖及T——S圖
    1——?jiǎng)恿べ|(zhì)增壓泵  2——冷凝換熱器  3——回?zé)崞?nbsp; 4——冷凝吸熱器  5——環(huán)境吸熱器  6——汽輪機(jī)  7——冷凝蒸發(fā)器  8——高溫制冷壓縮機(jī)  9——低溫制冷壓縮機(jī)  10、11——膨脹閥
    動(dòng)力部分：由絕熱壓縮1——2、等壓吸熱2——6、絕熱膨脹6——7、等壓放熱7——1四個(gè)過(guò)程。其中等壓吸熱過(guò)程包括冷凝換熱器吸熱2——3、回?zé)崞魑鼰?——4、冷凝吸熱器吸熱4——5、環(huán)境吸熱器吸熱5——6；等壓放熱過(guò)程包括回?zé)崞骰責(zé)峤禍睾凸べ|(zhì)在冷凝蒸發(fā)中放熱冷凝液化。
    增壓泵1的工作理想化為絕熱壓縮；工質(zhì)在冷凝換熱器2、回?zé)崞?、冷凝吸熱器4環(huán)境吸熱器5中吸熱汽化并過(guò)熱可以看成等壓吸熱；然后工質(zhì)在渦輪6中（在生產(chǎn)上稱為透平）實(shí)現(xiàn)絕熱膨脹做功；做功后的乏汽回?zé)岷筮M(jìn)入冷凝蒸發(fā)器7中放熱冷凝液化。
    制冷部分：在吸熱式熱力循環(huán)中，為提高動(dòng)力循環(huán)的熱效率，需要獲得盡可能低的低溫，一般都采用復(fù)疊式制冷機(jī)組。當(dāng)吸熱式熱力循環(huán)只作制冷機(jī)用時(shí)（不要求輸出有用功）采用單一制冷機(jī)。
    根據(jù)熱力學(xué)第二定律：
    理論上其動(dòng)力循環(huán)可以達(dá)到的熱效率：N=W/QH=1-|QL|/|QH|=1-TL/TH        （1）
    理論上其制冷循環(huán)的制冷系數(shù)：      E=TL/（TH-TL）                 （2）
    N——循環(huán)熱效率  W——循環(huán)凈功（J）  QH——循環(huán)吸熱量（J）  QL——循環(huán)放熱量（J）  TH——高溫?zé)嵩礋崃W(xué)溫度（K）  TL——低溫?zé)嵩礋崃W(xué)溫度（K）
     E——制冷系數(shù)  其中Q=MC（TH-TL）  （3）   M——工質(zhì)質(zhì)量   C——工質(zhì)比熱容 
我們根據(jù)（1）、（3）式可以計(jì)算出渦輪出口的乏汽溫度T1、回?zé)岷蟮姆ζ麥囟萒2
由（1）式可得：QL/QH=TL/TH   
將（3）代入即：MC（T1-TL）/MC（TH-TL）=TL/TH
               （T1-TL）/（TH-TL）=TL/TH
                T1=TL（2-TL/TH）=TL（1+N）           （4）
同理可得：T2=TL（1+NR）        （5）       R——回?zé)崞鞯幕責(zé)岫?
    現(xiàn)在采用復(fù)疊式制冷機(jī)組制造一個(gè)-100℃（173K）的低溫?zé)嵩矗涓邷刂评洳糠钟糜谡{(diào)節(jié)控制冷凝換熱器的溫度；環(huán)境溫度為20℃（293K），其回?zé)崞鞯幕責(zé)岫葹?0%，其實(shí)際動(dòng)力循環(huán)熱效率達(dá)卡諾循環(huán)的70%，制冷循環(huán)的熱力完善度為70%時(shí)熱力參數(shù)如下：
動(dòng)力循環(huán)的熱效率：N=1-TL/TH=1-173÷293=40.955%
制冷循環(huán)的低溫制冷系數(shù)：
由（5）式T2=TL（1+NR）=173×（1+40.955%×70%）=222.6（K）
由于傳熱過(guò)程存在溫差，所以冷凝蒸發(fā)器的溫度T＜T2    T取70℃（203K）
所以E1=TL/（T-TL）=173÷（203-173）=5.77
其實(shí)際制冷系數(shù)：5.77×70%=4.04
    制冷循環(huán)的高溫制冷系數(shù)：在正常運(yùn)行過(guò)程中，高溫制冷循環(huán)只用于維持冷凝換熱器2的溫度，保證低溫制冷循環(huán)有較高的制冷系數(shù)，所以高溫制冷循環(huán)的低溫?zé)嵩吹牡臒崃W(xué)溫度就是低溫制冷循環(huán)的高溫?zé)嵩吹臒崃W(xué)溫度T=203K，其高溫?zé)嵩吹臒崃W(xué)溫度最高就是渦輪出口乏汽的溫度：T1=TL（1+N）=173×（1+40.955%）=243.85K
所以其高溫循環(huán)的最小制冷系數(shù)：E2=T/（T1-T）=203÷（243.85-203）=4.97
其實(shí)際制冷系數(shù)：4.97×70%=3.48
當(dāng)渦輪前動(dòng)力工質(zhì)的總內(nèi)能為100%時(shí)：
本吸熱式熱力循環(huán)的動(dòng)力循環(huán)可獲得機(jī)械能：W=40.955%×70%=28.67%       ①
回?zé)崞骰責(zé)嵛盏膬?nèi)能：（100%-28.67%）×70%=49.93%          ②
低溫制冷量：100%-28.67%-49.93%=21.4% 其制冷功耗：21.4%÷4.04=5.3%    ③
高溫制冷量：（21.4%+5.3%）×(100%-70%)=8.01% 其功耗：8.01%÷3.48=2.3% ④
本吸熱式熱力循環(huán)獲得的循環(huán)凈功(有用功)：W=28.67%-53.%-2.3%=21.07%     ⑤
從①②③④⑤式可以看出,經(jīng)過(guò)等壓吸熱后的動(dòng)力工質(zhì)的內(nèi)能為100%進(jìn)入渦輪做功，28.67%的內(nèi)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，其乏汽經(jīng)回?zé)崞骰責(zé)岷?9.93%的內(nèi)能被工質(zhì)重新吸收利用，21.4%內(nèi)能被低溫制冷工質(zhì)蒸發(fā)吸收而液化，此時(shí)的制冷功耗為5.3%；由于熱交換的不徹底，這里用高溫制冷循環(huán)保證其低溫循環(huán)的低溫?zé)崃W(xué)溫度，其高溫循環(huán)的最大功功耗為2.3%。液化后的動(dòng)力工質(zhì)再由動(dòng)力增壓泵增壓，增壓后的動(dòng)力工質(zhì)經(jīng)冷凝換熱器吸收低溫制冷工質(zhì)蒸發(fā)時(shí)吸收的內(nèi)能（21.4%）使低溫制冷工質(zhì)液化,再經(jīng)回?zé)崞魑談?dòng)力工質(zhì)乏汽70%的內(nèi)能(動(dòng)力工質(zhì)總內(nèi)能的49.93%)和高溫制冷工質(zhì)的冷凝熱使其液化，此時(shí)動(dòng)力工質(zhì)的溫度仍然很低，繼續(xù)進(jìn)入環(huán)境吸熱器與外界環(huán)境進(jìn)行熱交換，吸收環(huán)境熱能，直到其溫度接近或等于環(huán)境溫度。此時(shí)的動(dòng)力工質(zhì)已完全汽化并過(guò)熱，具的100%的內(nèi)能進(jìn)入下一步循環(huán)。
3.應(yīng)用前景
    吸熱式熱力循環(huán)能充分利用環(huán)境熱能或余熱，實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的統(tǒng)一。使當(dāng)前的制冷空調(diào)等制冷設(shè)備不再耗電反而發(fā)電；使船舶吸收水中的熱能，其航行不需要任何燃料；使當(dāng)前的熱電（火力發(fā)電和核電）的熱效率翻番的提高；使江河入海口的淡水在管道或渠道的允許下，不需要?jiǎng)恿Γ娏Γ┑那闆r下，抽送到內(nèi)陸任何地方，改造沙漠，改善沙塵；降低海水的溫度，改善強(qiáng)臺(tái)風(fēng)天氣及獲得大量的動(dòng)力能源（電力）；地球南北半球?qū)崿F(xiàn)環(huán)境熱能能源的共享。
4.結(jié)論
    現(xiàn)代化的蒸汽動(dòng)力循環(huán)在扣除各種損失后熱效率可以達(dá)到40%或更高，回?zé)崞鞯幕責(zé)岫取⒅评溲h(huán)的熱力完善度也已超過(guò)80%，為吸熱式熱力循環(huán)提供了有力的保障！吸熱式熱力循環(huán)是采用制冷循環(huán)和動(dòng)力循環(huán)的熱力二重循環(huán)方式，利用高壓低溫的工質(zhì)吸收環(huán)境熱能，通過(guò)熱功轉(zhuǎn)換的方式轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，在不需要外力、不消耗任何燃料的情況下，源源不斷地獲得有用功。應(yīng)該特別指出的是，這里的有用功是外界環(huán)境熱能通過(guò)熱功轉(zhuǎn)換而來(lái)的！它有一個(gè)熱力循環(huán)、熱功轉(zhuǎn)換的過(guò)程，它同時(shí)遵守?zé)崃W(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律。明顯地不同于第二代熱功永動(dòng)機(jī)！它可以運(yùn)行并為人類同時(shí)解決能源與環(huán)保的難題。

參考文獻(xiàn)
[1]    韓寶琦，李樹(shù)林等。《制冷空調(diào)原理及應(yīng)用》第2版，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.8。3——41。
[2]    朱仙鼎等。《特種發(fā)動(dòng)機(jī)原理》，上海：科學(xué)技術(shù)出版社，1998.9。9——126。
[3]    李書(shū)全等。《機(jī)械工程師手冊(cè)》第2版，北京：機(jī)械式業(yè)出版社，2001.3。1039——1045。