摘 要： 利用制冷技術提供一個人造低溫熱源，把自然熱源或廢熱源（余熱）作為高溫熱源；采用制冷循環和動力循環的熱力二重循環方式，使高壓低溫的動力工質吸收外界環境的熱能，汽化并過熱后膨脹驅動渦輪，其乏汽在人造低溫環境下冷凝液化后被增壓，完成熱力循環；這樣通過熱功轉換的方式，把環境熱能轉變成機械能，使人類獲得冷源和動力能源。
關鍵詞：人造低溫熱源，熱力二重循環，環境熱能，熱力學第二定律
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，這種迫切愿望就成了人們發明創造的動力。蒸汽機的出現，引起了世界第一次工業革命，極大地提高了生產力！
隨著工業的飛速發展，人類對動力能源的需求日益膨脹，目前的科學水平和技術能力，主要的動力能源是通過熱功轉換而來的；把化石燃料燃燒的化學能或核反應堆的核能都以熱能的方式，通過熱功轉換變成機械能，或再轉變成電能加以利用。由于化石燃料的快速開采，將逐漸枯竭，更主要的是各種燃燒機所排放的有害產物，嚴重污染環境，威及人類健康及生物生長，其終產物CO2的增加，導致全球“溫室效應”的加劇給人類造成不可估量的損失。核能的利用，給人類帶來希望，卻讓人們感覺到它的失控將為人類帶來滅頂之災，就連其核廢料都是人類難以處理的鐵疙瘩。
歷史上曾經出現的各種各樣的永動機方案，是人類設想獲得最佳能源的體現。在沒有外界動力，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。但是第一代機械永動機違背了能量守恒定律，絕對不可能實現；第二代熱功永動機違背了熱力學第二定律，只有工質吸熱而沒有工質放熱過程，工質無法完成熱力循環，也無法成功。
熱力學第二定律告訴我們，循環熱力發動機的效率是由熱機的高溫熱源與低溫熱源的溫差決定的，與溫度高低無關。吸熱式熱力循環發動機就是根據這一原理，利用低溫工質吸收環境的熱能，通過熱功轉換的方式轉變成機械能，它在沒有外力、不消耗任何燃料的情況下，源源不斷地獲得有用功。它的能量來自環境的熱能，它的運行使外界溫度降低，而環境溫度的自然循環足以滿足本機的正常運行。
2.工作原理
現代大型火電及核電都采用蒸汽動力循環，它是把外界環境溫度作為低溫熱源，把鍋爐或核反應堆所獲得的高溫作為高溫熱源。其動力工質在高溫熱源中吸熱汽化后做功，然后在低溫熱源中放熱，完成熱力循環并輸出有用功，這里的高溫熱源會因為工質的吸熱而溫度降低，所以整個系統必須消耗燃料（包括核燃料）來維持高溫熱源的溫度；而吸熱式熱力循環則是把環境溫度作為高溫熱源，利用制冷技術制造一個低溫熱源，其動力工質在高溫熱源（環境溫度）下吸熱后做功，然后向人造低溫熱源放熱完成熱力循環并輸出有用功。這里的低溫熱源會因為工質的放熱而溫度升高，所以整個系統必須有制冷循環和回熱裝置來維持低溫熱源的溫度。
吸熱式熱力循環是采用制冷循環和動力循環的熱力二重循環。是利用高壓低溫的工質在自然環境溫度下吸熱做功，其動力循環是一個完整的蒸汽動力循環（或閉式燃氣動力循環）；制冷循環是一個完整的制冷循環，這里以蒸汽動力循環為例加以說明。如下圖所示是其吸熱式熱力循環的系統圖和動力工質的P——V圖及T——S圖。
熱力二重循環系統圖、P——V圖及T——S圖
1——動力工質增壓泵 2——冷凝換熱器 3——回熱器 4——冷凝吸熱器 5——環境吸熱器 6——汽輪機 7——冷凝蒸發器 8——高溫制冷壓縮機 9——低溫制冷壓縮機 10、11——膨脹閥
動力部分：由絕熱壓縮1——2、等壓吸熱2——6、絕熱膨脹6——7、等壓放熱7——1四個過程。其中等壓吸熱過程包括冷凝換熱器吸熱2——3、回熱器吸熱3——4、冷凝吸熱器吸熱4——5、環境吸熱器吸熱5——6；等壓放熱過程包括回熱器回熱降溫和工質在冷凝蒸發中放熱冷凝液化。
增壓泵1的工作理想化為絕熱壓縮；工質在冷凝換熱器2、回熱器3、冷凝吸熱器4環境吸熱器5中吸熱汽化并過熱可以看成等壓吸熱；然后工質在渦輪6中（在生產上稱為透平）實現絕熱膨脹做功；做功后的乏汽回熱后進入冷凝蒸發器7中放熱冷凝液化。
制冷部分：在吸熱式熱力循環中，為提高動力循環的熱效率，需要獲得盡可能低的低溫，一般都采用復疊式制冷機組。當吸熱式熱力循環只作制冷機用時（不要求輸出有用功）采用單一制冷機。
根據熱力學第二定律：
理論上其動力循環可以達到的熱效率：N=W/QH=1-|QL|/|QH|=1-TL/TH （1）
理論上其制冷循環的制冷系數： E=TL/（TH-TL） （2）
N——循環熱效率 W——循環凈功（J） QH——循環吸熱量（J） QL——循環放熱量（J） TH——高溫熱源熱力學溫度（K） TL——低溫熱源熱力學溫度（K）
E——制冷系數 其中Q=MC（TH-TL） （3） M——工質質量 C——工質比熱容
我們根據（1）、（3）式可以計算出渦輪出口的乏汽溫度T1、回熱后的乏汽溫度T2
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——回熱器的回熱度
現在采用復疊式制冷機組制造一個-100℃（173K）的低溫熱源，其高溫制冷部分用于調節控制冷凝換熱器的溫度；環境溫度為20℃（293K），其回熱器的回熱度為70%，其實際動力循環熱效率達卡諾循環的70%，制冷循環的熱力完善度為70%時熱力參數如下：
動力循環的熱效率：N=1-TL/TH=1-173÷293=40.955%
制冷循環的低溫制冷系數：
由（5）式T2=TL（1+NR）=173×（1+40.955%×70%）=222.6（K）
由于傳熱過程存在溫差，所以冷凝蒸發器的溫度T＜T2 T取70℃（203K）
所以E1=TL/（T-TL）=173÷（203-173）=5.77
其實際制冷系數：5.77×70%=4.04
制冷循環的高溫制冷系數：在正常運行過程中，高溫制冷循環只用于維持冷凝換熱器2的溫度，保證低溫制冷循環有較高的制冷系數，所以高溫制冷循環的低溫熱源的的熱力學溫度就是低溫制冷循環的高溫熱源的熱力學溫度T=203K，其高溫熱源的熱力學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
所以其高溫循環的最小制冷系數：E2=T/（T1-T）=203÷（243.85-203）=4.97
其實際制冷系數：4.97×70%=3.48
當渦輪前動力工質的總內能為100%時：
本吸熱式熱力循環的動力循環可獲得機械能：W=40.955%×70%=28.67% ①
回熱器回熱吸收的內能：（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
本吸熱式熱力循環獲得的循環凈功(有用功)：W=28.67%-53.%-2.3%=21.07% ⑤
從①②③④⑤式可以看出,經過等壓吸熱后的動力工質的內能為100%進入渦輪做功，28.67%的內能轉變成機械能，其乏汽經回熱器回熱后49.93%的內能被工質重新吸收利用，21.4%內能被低溫制冷工質蒸發吸收而液化，此時的制冷功耗為5.3%；由于熱交換的不徹底，這里用高溫制冷循環保證其低溫循環的低溫熱力學溫度，其高溫循環的最大功功耗為2.3%。液化后的動力工質再由動力增壓泵增壓，增壓后的動力工質經冷凝換熱器吸收低溫制冷工質蒸發時吸收的內能（21.4%）使低溫制冷工質液化,再經回熱器吸收動力工質乏汽70%的內能(動力工質總內能的49.93%)和高溫制冷工質的冷凝熱使其液化，此時動力工質的溫度仍然很低，繼續進入環境吸熱器與外界環境進行熱交換，吸收環境熱能，直到其溫度接近或等于環境溫度。此時的動力工質已完全汽化并過熱，具的100%的內能進入下一步循環。
3.應用前景
吸熱式熱力循環能充分利用環境熱能或余熱，實現制冷機與發動機的統一。使當前的制冷空調等制冷設備不再耗電反而發電；使船舶吸收水中的熱能，其航行不需要任何燃料；使當前的熱電（火力發電和核電）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，不需要動力（電力）的情況下，抽送到內陸任何地方，改造沙漠，改善沙塵；降低海水的溫度，改善強臺風天氣及獲得大量的動力能源（電力）；地球南北半球實現環境熱能能源的共享。
4.結論
現代化的蒸汽動力循環在扣除各種損失后熱效率可以達到40%或更高，回熱器的回熱度、制冷循環的熱力完善度也已超過80%，為吸熱式熱力循環提供了有力的保障！吸熱式熱力循環是采用制冷循環和動力循環的熱力二重循環方式，利用高壓低溫的工質吸收環境熱能，通過熱功轉換的方式轉變成機械能，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。應該特別指出的是，這里的有用功是外界環境熱能通過熱功轉換而來的！它有一個熱力循環、熱功轉換的過程，它同時遵守熱力學第一定律、熱力學第二定律。明顯地不同于第二代熱功永動機！它可以運行并為人類同時解決能源與環保的難題。
參考文獻
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