增加流体动力机上的熵流的方法技术

本发明专利技术涉及一种提高流体动力机的效率的方法，其中受导引通过所述流体动力机的流体将动能传递至所述流体动力机。本发明专利技术的目的是提高流体动力机上的效率。本发明专利技术用以达成上述目的的解决方案为，所述流体或所述流体的至少一个流体分量是可压缩的，且在所述流体动力机(1)的直接下游，借助通过力场产生并且沿流动方向起作用的力F

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】增加流体动力机上的熵流的方法


[0001]本专利技术涉及一种提高流体动力机的效率的方法，其中受导引通过所述流体动力机的流体将动能传递至所述流体动力机。

技术介绍

[0002]热力循环在技术上以多种方式应用于能量转化。在最重要的公共能源供给的过程中，所使用的绝大部分能量仍由化石能源提供，这些化石能源是数百万年间在地球上通过光合作用形成的。随着人类的能量需求的增加，这一点构成日益严重的问题，因为这些能量资源无法等量替代。此外，这类能量形式的使用造成严重的环境污染。因此，必须逐渐用可再生的能量形式来替代这类能量形式。但这又会带来一系列的问题。
[0003]两个几乎无限的一次能源是太阳上的核聚变和地球内部的核裂变(地热)。其驱动着地球上的所有能量循环。这种能量也可以例如作为风力、水力或地热二次利用。每年释放的一次能量均超过人类的能量需求。然而这些能量并非随时随地可供使用。此外，开发可再生能源通常成本较高。较长的能量偿还时间和较低的收获因子是继续大量使用化石能源的原因。
[0004]因此，能量转化过程、能量存储和其效率发挥关键性作用。迄今为止，仅化学能(例如甲烷或氢气)适于较长时间(>6个月)的大量能量存储。尽管电池存储具有良好的效率，但由于成本较高且所需材料较为稀有，因此，仅为移动设备或日常存储的替代方案。抽水蓄能电站仅能用于海拔差异较大的地区。热储能器理论上每体积提供高储能容量。但为了将其转化为其他能量形式，需要增大温差。但由此同样会增加热损失。因此，热存储器适于对供热中的日常波动进行补偿。热存储器对转化为其他能量形式几乎没有意义，因为能量转化的效率较低。
[0005]针对工业能源供给，主要采用热力学过程，其中燃气或蒸汽发电站的优化潜力有限。最大效率受材料技术上可达到的最高温度和环境温度限制。以热力学过程实现的能量转化的问题特别是体现在压缩空气储能电站，其迄今为止仍不具有商业价值。压缩空气时热能增加。由于无法将所用的地面存储器热隔离，因此，能量以损失的形式输出至周围环境。被压缩的空气在释放能量时重新膨胀，从而导致急剧冷却和结冰。在此，失去压缩中释放出的能量，必须例如通过燃烧天然气来替代。由于输出体积功始终需要膨胀，因此，在所有热力学过程中均需要实现较大温差。
[0006]在热力学过程中，右旋(输出体积功，热机)与左旋(制冷机、热泵)过程不同。
[0007]就其本质而言，热能是不同动能形式的效力之和。热力学微观状态的(内部)能量由三个基本部分组成，即平移运动能量E
trans
、振动能E
vib
和转动能E
rot
。由此，每个能量形式均可以与相应部分的总熵对应(S
ges
＝S
vib
+S
rot
+S
trans
)。
[0008]E
vib
在气体中相对较少，通常可以忽略不计。E
trans
在单原子气体中占主导地位。在液态下，E
trans
＝0且E
rot
占主导地位。在固态下，分子同样无法转动，总能量由E
vib
决定。在多原子气体中或在气体、液体与固体的界面处，这些不同的动能形式交替起作用。由此，在动
能形式间形成动态平衡。
[0009]只有内能的平移部分(E
trans
)可以直接用来做体积功。但如果平移冲量(P
trans
)减少，则振动和转动的能量和熵传递至平移运动。平移能量和熵重新增加，且振动和转动部分减少。冲量决定热能量流的方向。冲量与温度相关。在右旋的热力学过程中，在分子的平移冲量较高(高温)的情况下提供热能并且释放机械能。在冲量较低(低温)的情况下，输出热能并且提供机械能。因此，基于能量冲量关系，输出的机械能多于提供的机械能。在热泵(左旋)中，该过程是逆向的。因此，必须为整个过程提供机械功。因此，冲量强度比也决定效率。
[0010]热能可以随着等熵的状态变化转化为定向机械能。但活塞机和流体动力机上的作用原理不同。作用于活塞的力由分子的平均冲量和冲量(压力)的数量产生。其中，分子以大体相当于声速的平均速度击中活塞。因此，平均冲量由分子质量和声速得出体相当于声速的平均速度击中活塞。因此，平均冲量由分子质量和声速得出如果活塞在膨胀中发生运动，则相对速度降低至声速以下。由此，平均有效冲量总是略低于声速时的冲量。而当压缩时，平均有效冲量略高于声速时的冲量，因为活塞反向运动。
[0011]现有技术中揭示过流体动力机。在这些流体动力机中，首先用渐缩喷嘴(喷嘴)使可压缩的工作介质加速。不同于许多其他的能量形式，热能在空间内不具有作用方向矢量。其在所有空间方向上同时起作用。渐缩喷嘴将流动的这个无定向的平移能量转化成定向的横向能量。但这样仅能将流动加速至声速，因为超过这个速度后就没有平移能量可用于转化。超过声速的加速的一个解决方案为拉瓦尔喷嘴。在此，在达到声速后，通流截面重新变大。在此过程中所做的体积功实现进一步的横向加速。其缺点在于，熵因拉瓦尔喷嘴的横截面扩展而减少。DE 10 2014 004 237 A1描述一种替代方案。其中，将气体与液体的混合物混合并加速。通过提供来自液体的转动能和振动能，可以在无需横截面扩展的情况下将多相流加速至声速以上。基于能量方程式E＝m/2*v2，与活塞机相比，更高的速度能够输出更大的能量，从而实现更高的效率。DE 10 2012 108 222 A1中描述过一种类似的方法。在此同样使多相流(空气/水)加速，并且加速至超声速。在此，水分使得流动的质量增加，并且通过提供水分子的转动能和振动能来对平移能量的减少进行补偿。
[0012]流体动力机中一个较少考虑到的问题是流体动力机下游的分子加速。为此，参阅图1。分子以速度v1在流道中运动(参见图1)。如果分子击中流体动力机(4)，则分子将其横向动能中的大部分释放至流体动力机，并且以速度v2继续运动。速度v2因能量释放而极小，因此，分子运动中声速(v
S
)占主导地位。由此，力F2同样反向于流动方向起作用。这个力受反向于流动方向的分子冲量的强度和数量影响，并且限制流体动力机的效率。
[0013]为了减小力并且提高效率，在技术上将热能输出至外部储器。由此，温度降低，分子冲量的强度随之降低。但为显著降低强度，必须输出大量热能和熵。在克劳修斯
‑
朗肯工艺或有机朗肯工艺中，平移速度通过冷凝减小至零。但其中，必须将全部平移能量输出，在多原子的分子中，同样需要将一部分振动能和转动能输出。
[0014]DE 26 54 097 A1描述了低于环境温度时右旋循环的运行。但其中存在热能输出至环境的问题。作者提出的解决方案是热泵。但作者并未解释为什么这个热泵需要的驱动能量少于右旋过程中因更高的温差而额外释放的能量。由于热泵处的热损失和摩擦损失，必须输出额外的热能，根据能量守恒定律，这会使得整个系统的有用能量减少。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种提高流体动力机(1)的效率的方法，其中受导引通过所述流体动力机(1)的流体将动能传递至所述流体动力机(1)，其特征在于，所述流体或所述流体的至少一个流体分量是可压缩的，且在所述流体动力机(1)的直接下游，借助通过力场产生并且沿流动方向起作用的力F
B
，通过将所述流体的势能转化为所述流体的动能，将所述流体的在所述流体动力机(1)上在所述动能的传递过程中减小的流速增大一定程度，从而将在所述流体动力机(1)上减小的所述流体的压力重新增大至至少0.1倍的所述流体动力机(1)上游的流体压力。2.一种提高流体动力机(1)的效率的方法，其中受导引通过所述流体动力机(1)的流体将动能传递至所述流体动力机(1)，其特征在于，所述流体具有两个流体分量，以及，所述流体的至少一个流体分量是可压缩的，以及，在所述工作温度范围内，所述第二流体分量的c
p
/c
V
比至少为所述第一流体分量的c
p
/c
V
比的1.1倍，以及，在所述流体动力机(1)下游，在分离器(7)中将所述流体分量分离，以及，在所述分离器(7)下游，在压缩机(5.1)中将所述第一流体分量加速和/或压缩，且在所述分离器(7)下游，在另一压缩机(5.2)中将所述第二流体分量加速，以及，在所述压缩机(5.1，5.2)下游，在混合器(9)中将这两个流体分量重新合并，以及，所述流体分量的质量流量的大小使得所述第一流体分量在所述压缩机(5.1)上的熵流I
S1
大于所述第二流体分量在所述压缩机(5.2)上的熵流I
S2

【专利技术属性】
技术研发人员：佩尔，
申请(专利权)人：佩尔，
类型：发明
国别省市：