【壓縮機網】摘要：本文簡要介紹了一種全新的氣體壓縮機工作方法原理，可實現最接近理論等溫過程的壓縮與膨脹，已獲得國家方法發明專利（授權公告號：CN  110848151 B）。通過其基本的工作原理、

　　理論模型、數據、基礎計算方法，論證了等溫壓縮的能效，以及該技術路線實現對機械方面的要求。最后探討了氣態工質（近）等溫壓縮得以實現，對于熱力循環帶來的影響，提出了基于工質等溫壓縮/膨脹時，在各種工況下最理想熱力循環的基本理論模型，以及對熱機熱泵、能源環境變革性的影響。

　　文/張桂偉

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　　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，需要尾氣來預熱。因此這部分熱不能從燃燒產物傳遞給工質，只能由絕熱壓縮機，把工質壓縮到對應溫度。典型的例子就是燃煤燃氣發電熱力機組。

　　外燃熱機的循環（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行回熱，例如核反應堆就不需要回熱，則循環過程按照外熱循環熱機進行（等溫壓縮—等壓吸熱—絕熱膨脹）。

　　與現在主流的朗肯循環（主要的火電廠在用）對比，工質的吸熱溫度不再是定溫吸熱，避免了目前朗肯循環中，工質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）。理論上優于任何正在發展的新技術，例如超超臨界鍋爐。回熱循環、燃氣布雷頓聯合循環等，這些循環都在盡量接近等溫熱力循環。

　　如果熱源溫度過高，導致系統壓力過大，材料不能承受壓力，可選用絕熱指數高的工質，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-絕熱膨脹的循環過程，降低對等溫壓縮段的技術要求，相應的對于絕熱膨脹側的耐用要求會提高。也可以多級熱機串聯，例如核電站熱力機組、高溫氣冷堆或者未來的可控核聚變反應堆，多級串聯還可以降低核泄漏風險，多增加一級熱機，則多增加一個熱交換器，以及一個熱交換溫差損失。

　　研究表明，內燃機的最高溫度不宜超過2000K，因為高溫下會生成氮氧化物，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路線。對于火電廠來說，朗肯循環的放熱溫度是定溫且較低的，但是工質在吸熱時，有一個定溫吸熱過程。本發明的等溫壓縮機，從理論上解決的等溫壓縮問題，使該技術路線具備了一定的可行性。

　　相比較來說，等溫循環在中低溫熱源的利用上，例如工業余熱、太陽能、地熱以及壓縮空氣儲能、顯熱儲能等方面的優勢更明顯一些。和目前的技術方案對比，其理論上的提高可以完全轉化為實際上效率的提高，因此目前的技術方案實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際效率。當然也會有一些局限性，例如作為壓縮空氣儲能時，因為要與大氣中的空氣接觸，其中的灰塵可能會積聚在壓縮液中，因此壓縮機只能選用水。這類便宜易補充的物質，又帶來了水在低溫下容易凍結的問題，這些問題都需要解決。

　　制熱循環

　　制熱循環是熱機循環的逆循環，制熱熱泵消耗凈功，驅動工質循環，把熱量從溫度為T2的低溫熱源，搬運給初始溫度同樣為T2的制熱目標，一般是水或者空氣，使目標溫度升高到T1。

　　目前制熱制冷技術原理都一樣，大多采用壓縮蒸汽循環，只是利用的冷熱端不一樣。壓縮蒸汽循環，可以進行等溫放熱，但是我們要清楚，目標溫度的上升是一個累積的過程，溫度還處于T2時，直接傳遞給它略高的溫度，而不是直接T1這樣就產生了不必要的不可逆損失。理論損失都在冷凝器端，等溫循環比壓縮蒸汽循環節能約40%左右，但是有工質流量遠大于壓縮蒸汽循環大、流動損失會高的缺點。不過氣體制冷制熱有一個優點，不需要會破壞臭氧層的制冷劑，壓縮過的二氧化碳應該是比較好的工質。

　　在用于室內空調制熱時，室內起始溫度高于室外，需要對循環進行修正，需要增加一個絕熱膨脹過程，此時比壓縮蒸汽循環節能幅度有所減少，但大概也能節能10%到30%。如果是類似以熱泵加熱水，以獲得常壓蒸汽這樣的工況，則本循環理論上基本沒節能效果。

　　下邊是簡單計算，前面證明熱機時已經計算過制熱的理論功耗了，把一噸水從溫度0度，環境溫度0度的情況下，制熱到100度，理論最低功耗18度電。等溫膨脹環節和逆向換熱環節，溫差都是10度時，功耗24度。現在來算下，逆卡諾循環的理論最低功耗，420000000/（1-273/373）至少需要31.27千瓦時的功，如果也加上兩個10度溫差的換熱溫差，則需要36.5度電。本循環的功耗是現在熱泵技術的58%到66%，如果用電熱絲加熱，則功耗達到116度電。

　　制冷循環與以熱制冷循環

　　制冷循環消耗凈功，把熱量從目標中轉移到大氣環境中去，制冷目標的溫度同樣會是逐次下降，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，同樣是等溫吸熱，所以也有不可逆損失，損失在蒸發器端。理論上，等溫熱力循環中的制冷循環相比可以節約40%左右的功耗，但是有工質流量大、流動損失會高一點的缺點。

　　和制熱問題同樣的是，如果是空調制冷，室內外溫差同樣會抵消部分節能優勢，此時需要增加過程，修正影響，節能幅度會降低，只能比目前的壓縮蒸汽循環節能20%左右。

　　還可以做成開放式，以室內空氣作為工質，直接壓縮，通過絕熱壓縮-等溫壓縮-絕熱膨脹以后，直接排放回室內。優點有減少一個熱交換器，節約成本并減少一個換熱溫差損失，更加節能，避免空氣中濕度過度凝結。空氣中的水蒸氣會對膨脹過程造成一定影響，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器，凝結水量減少。傳統空調過多的冷凝水過多冷凝了室內空氣所含水蒸氣，使室內空氣過于干燥，容易得空調病。開放循環則避免了這一點，缺點是壓縮機流量更大，和室內循環風量相同，雖然取消了室內循環風機以及所耗電能，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幾乎沒理論上的優勢，還有氣體熱容小、流動大的缺點。

　　以熱制冷混合循環，因為熱機和制冷都包含等溫壓縮過程，所以兩者可以聯合循環，以熱為動力直接獲得低溫，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，一部分完成制冷循環。

　　這個循環適合做太陽能空調，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，可以通過水這種容量大、便宜的工質顯熱儲能。晚上使用，一噸水100度溫差的儲熱，通過高效的熱機循環，可儲能10千瓦時左右。春秋季不需要空調的季節，熱機端，還可以作為太陽能分布式電站發電上網。

　　制冷與制熱循環，從理論來說大多數工況下，功耗低于目前主流的壓縮蒸汽循環，但優勢并不是那么明顯。在冰箱、冷庫這類工況下，并無優勢。最大的問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，帶來的問題就是循環工質的流量遠遠大于壓縮蒸汽技術方案。由此帶來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方案，需要進一步研究論證。

　　冷機循環

　　冷機循環是指以大氣環境為高溫熱源，低于大氣環境溫度的熱源為低溫熱源，進行的正循環，例如低溫的深層海水，工質在等溫膨脹過程中從大氣環境中吸收熱量，然后通過逆向換熱器，定壓向低溫熱源放熱，然后通過絕熱壓縮完成循環。

　　目前對低溫熱源的利用，以低溫海水發電為最常見形式。一般采用有機朗肯循環（因為細節不易表現，圖40以卡諾循環替代），工質的吸熱溫度略低于大氣環境溫度，放熱溫度略高于低海水溫度。因為工質是等溫放熱，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，提高工質的放熱溫度，降低了熱效率，凈功反而會增加。由于可用的熱量增加了，這和內燃機熱效率超過一定數值后，凈功反而下降，熱效率最高時，凈功接近0一樣。所以在抽取的海水定量的前提下，冷機循環的凈功明顯高于有機朗肯循環。在輸出功一樣的前提下，冷機循環需要的海水量，低于有機朗肯循環。

　　冷機循環應該與熱機循環進行區分，因為熱環境完全不一樣。冷機循環一般可應用于低溫海水發電，如果以定量冷源為標準衡量，其循環銷量同樣高于有機朗肯循環，也可用于以低溫儲能的儲能系統。

　　總結

　　本發明提出的壓縮方法，使氣體等溫壓縮/膨脹進一步實現實用化，為優化熱力循環提高熱機熱泵效率明確了新的方向，定義了新的理論極限，在能源問題日益緊張，環保問題日益突出的今天，具有戰略意義。但這項技術和理論才剛剛起步，應用于以上所述熱力學設備中，也存在一些局限性。更新大多數熱力學設備的技術路線，是個龐大的系統工程，需要更多的論證、實驗、測試、改進、優化，總體來看本壓縮技術的原理簡單，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，但還是有研究發展的價值。

　　性價比最高的應該是太陽能空調，可以基本做到不耗電，春秋季有電費收入，還不需要會破壞臭氧層的冷媒；其次是太陽能儲熱發電或者電解氫氣，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10千瓦時的電能，完全可供千瓦級機組晝夜調控。如果遇見連續陰雨天，則通過大數據與冗余裝機量，和特高壓電網調控，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，讓新能源發電擺脫垃圾電的尷尬境地，且長期成本并不比火電高。中國中西部地區太陽能豐富，完全可以成為電網主力。這個經濟性可能不高，但是對國家能源戰略安全很重要。周圍的日韓經濟體、東南亞經濟體，都沒有大規模太陽能發電的條件，煤炭、石油、天然氣應作為化工原料，只有離網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源的熱機，還能為工廠企業直接提供動力，利用太陽能、地熱、企業自身產生的余熱等，直接驅動部分動力設備工作，或者制冷。節約的是工業電，比上網電價高很多； 再就是中大型熱力機組，用于取代朗肯循環和燃氣輪機做為火電廠、核電廠發電設備的熱功轉化設備、船舶、核潛艇，AIP潛艇的直接動力，可節約10%到40%的各種燃料。小型熱機的試裝性可能不好，如果用來驅動內燃機乘用汽車，需要帶上一個體積比較大的等溫壓縮機，明顯不適合各種噴氣類渦軸類發動機。雖然理論上沒問題，但噴氣類發動機體積功率比的要求遠高于節能。空調制冷、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！〉

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　　（后略）

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