热机效率公式_热机效率计算公式_卡诺热机效率公式(2)

节流膨胀是指较高压力下的流体(气、液或两相)经节流阀(多孔塞)向较低压力方向运动，遇到局部阻力造成较大压降的过程，称为节流效应(焦耳汤姆逊效应)。节流膨胀消耗工质内能，对外输出功，造成工质压力、温度降低，焓值减小。工质减少能量增加的吸热能力称为膨胀制冷量。膨胀制冷量等于工质膨胀过程减小的焓值。节流膨胀是液化过程，是工业气体液化的一个重要方法。

理论上，如果一种工质，它的临界点在环境温度区间，能够以环境温度为工作温度，它膨胀前后的温差、压差足够大，那么，我们就可以借助这种工质从环境获得能量，替代压缩机输出压缩功，实现吸热-放热-吸热循环，而完全不消耗化石能源。

二氧化碳是适合节流膨胀制冷并回收膨胀功的理想工质。目前，工业应用的二氧化碳膨胀制冷机可回收的膨胀功相当于压缩功的30%。其制冷量相当于100%的膨胀功。

上图：笔者设计的由膨胀制冷循环和ORC循环组成的太阳辐射能热机发电系统，其制冷循环没有冷凝器，冷凝是通过节流膨胀释放内能实现的(放热导出膨胀功并完成热功转换)。失去内能后的低温、低压工质回到换热器与环境温度换热，重获内能。

发电循环利用热机制冷循环产生的冷作为低温热源T2，以环境温度为高温热源T1。由于T2温度的降低，同等温差条件下，发电循环的效率理论值明显高于热力发电效率理论值。为进一步提高效率，可以将T2降到CO2的沸点(-78℃)以下，成为干冰的工质在螺杆膨胀和螺杆压缩机的作用下，在闭合回路中做跨临界的固气循环。

四，热泵+OR循环

热力学循环主要包括热机循环和热泵循环。热机循环将输入的部分热量转化为输出的机械功，热泵循环正相反，它通过输入机械功将热量从低温传向高温。

迄今，几乎所有的发电应用都是朗肯循环，而制冷循环为热泵循环。

热泵循环为逆卡诺循环。热机效率公式热泵与制冷机并无区别，当使用目的是从低温热源吸热时称为制冷机，向高温热汇放热时，称为热泵。以少量电能作为驱动能源，可以从低温热源成倍的吸收低品位热能泵给高温热源。

热泵“制造”的热是它从环境搬运的热量与消耗能量的和。制热能效比用COP来表示,制冷能效比用EER表示。两者换算关系为COP=EER×0.293。热泵不是能量转换过程，不受能量转换效率极限100%的限制，而受卡诺循环效率的制约。热泵的能效比和环境温度(进水温度)直接有关，环境温度越高制热能效比越高，环境温度(进水温度)越冷能效比越高。Water furnace 7系列热泵进水温度32度时，COP高达7。进水温度1度时EER高达43。压缩机可在20%-130%负荷之间变频工作。

热泵的重要功能是同步制冷热，一份能量制造冷热两种环境(制冷余热一般为冷量的1.15-1.3倍，因为包括了压缩机自身运行放热)。如果我们能够同时有效利用热泵产生的冷和热，就等于将热泵能效比提高1倍，称为能效比倍增(COP thermal couple)。热泵制冷\制热的COP大于1，那么是否可以利用热泵循环制造的温差，由ORC发电呢?

热泵COP是由冷凝温度与蒸发温度的差所决定的。温差越大、COP越小，温差越小、COP越大。而对于ORC来说，其蒸发端和冷凝端热源的温差越大，效率越高(对应的是热泵COP越小)。除压缩功耗外，热泵吸热与放热等量。也就是说，无论热泵从环境中获得多少能量，都会以冷凝热排放的形式返还给环境。除非我们在热泵与ORC之间建立一个互补循环，彼此有效利用对方释放的冷凝热(彼此的冷冻水和冷却水与对方的冷却水和冷冻水做封闭式热交换)。

上述热泵+ORC互补循环的输出大于输入，并不意味着系统效率大于1，而是因为二氧化碳工质在热泵循环的蒸发端，吸收ORC冷凝器释放的冷凝热，成为高压超临界流体。蒸发端超临界流体较高的压力降低了螺杆压缩机的载荷，系统减少了压缩功投入。

五，结论

现代发电应用向低温要效率(降低T2)比较向高温要效率(提高T1)更经济、合理。节流膨胀制冷(回收膨胀功)并利用产生的冷作为ORC的低温热源比较热泵蒸发制冷并与ORC建立互补循环更经济、合理。