关于“冷电循环”的探讨

　　0 引言

　　根据能量转换和守恒定律，气体在透平膨胀机内进行绝热膨胀对外做功时，气体的能量减少，同时温度降低。蒸汽动力循环着眼于气体从高温膨胀到常温所能做出的功的效率(热效率); 制冷循环则关注于气体从常温膨胀到中低温(普冷)或中低温膨胀到低温(深冷)所能产生的冷量的效率(等熵效率)。前者主要用于发电、后者用于用于制冷，能否找到一种能将两者有效结合，既能实现大量发电又能产生大量的冷量的方法，这是本文探讨的重点。

　　1 冷电循环设想的初衷

　　蒸汽动力循环由于工质的限制，制冷的效果难以实现。制冷循环在气体压缩的过程中消耗的能量过大，膨胀做功产生的能量远远低于其消耗的，发电的的作用是负效应。

　　在低温热能发电领域已经有了这方面的技术，如氨吸收式动力制冷复合循环、低温热源喷射式发电制冷复合系统等。由于受循环工质特性的制约和冷凝工质的影响，温度范围较窄，发电和制冷的功效不高。

　　为保证透平膨胀机长期稳定运行，相变被控制在一定范围内，透平膨胀机的效率除其本身的性能外(透平膨胀机的内效率)，主要取决于入口气体的初参数和出口气体的终参数。蒸汽动力循环入口气体的初参数一般为高压、高温，出口气体的终参数接近于环境参数; 制冷循环(深冷)入口气体的初参数一般为中压、中冷温度，出口气体的终参数为低压、深冷温度。若有一种循环使得入口气体的初参数为高压(或中压)、中温，出口气体的终参数为中压(或低压)、中冷(或深冷)温度，则保证了在透平膨胀机中有较大的焓降，既可充分利用低温热能发电，又能获得较大的制冷量。这种循环受到诸多因素的制约，若想实现，需要采取有针对性的措施。

　　1.1 循环工质

　　首先循环工质能够满足较宽的工作温度范围(从中温到深冷温度)，期间不发生相变; 其次工质获得容易且使用经济; 再就是工质环境危害小，可循环利用等。

　　1.2 冷却工质

　　为使这种循环能工作在以上描述的工作区间(即在273K左右较大的温度区间内)，必须寻找到低于这个区间温度下限的冷源，而且冷却工质能够完全冷凝液化循环工质。

　　1.3 循环的代价

　　这个循环的建立必然要付出代价，循环成立的前提是付出的代价要小于获得的电能和冷量。

　　1.4 透平膨胀机

　　能设计出满足温度区间的、大流量的、效率较高的透平膨胀机。

　　2 冷电循环的设想

　　图1是作者设想的“冷电循环”。循环工质为空气(或氮气)，冷却工质为液体空分制品(液空、液氮等)。主要工作原理: 低温液体储槽7中的过冷液体(循环工质)通过低温液体泵1增压(近似等温压缩)，经主冷箱2与从透平膨胀机5出来的气体循环工质及从冷源来的冷却工质换热后进入辅冷箱3，循环工质气体内所含冷量在辅冷箱3中经换热被取出(可用于制冷等用途)，循环工质进入换热器4从热源中获取热能，焓增后的循环工质在透平膨胀机5中做功，做功经发电机6转化为电能输出，焓降后的中冷温度的循环工质进入主冷箱2与反流循环工质及从冷源来的冷却工质换热后被液化，过冷液体循环工质送入液体储槽7 中。循环的不完全换热、装置跑冷等冷量损失由补冷装置8补充。