效率提高的热机 本发明涉及在热机中将热能转换成机械能，提高热机的热效率，而不必改变上部和／或者下部循环温度的方法。此外，本发明还涉及实施该方法的热机。
热机是能量转化装置，它将导入的热能通过热动力循环转化成传动轴功(=动能)。为此将很高温度水平的热能加至热机内的工作介质上并在循环结束后一部分重新降到较低的温度水平。热能导入量和排出量之间的差在理想情况下与热机输出的轴功相等。
这种热机循环的热效率为所到得的轴功和所施加的原始热能之比。它随着上部和下部循环温度之间的差值而增长并可以最高达到理想的卡诺机的值。最高可以达到的循环的热效率从卡诺定理得出：η=(TO-TU)/TO]]>
其中η为循环的最高热效率，TO为上部循环温度，而TU为下部循环温度。
为使所使用的每个单位的原始热能获得尽可能高效率的轴功或动能，热机必须具有尽可能高的热效率。通过提高循环效率可以达到这一目地。为此，根据卡诺定理，要求或者降低下部循环温度和／或者提高上部循环温度。由于热机中所使用物质的耐热性，提高上部循环温度受到限制。降低下部循环温度也受到限制，因为在运行热机的传统方法中，将余热排放到外界并由此使降低下部循环温度受到热机外界温度的天然限制(热力学第二定律)。为将下部循环温度降至接近外界温度，例如使用了新鲜水冷却系统，但由于存在对河湖的热污染，出于环保原因此方法并非良策。另外一种选择是，通过湿式和干式冷却塔向空气中排热。
为提高热机循环效率，众所周知的还有通过利用从涡轮机抽取蒸汽预热给水来降低循环余热和提高热量导入的平均温度。由此产生了这种方法的上限，在给水预热温度过高的情况下，锅炉废气温度尽管空气预热仍不能保持其最低值。此外，余热再循环的这种形式存在着缺点，因为给水最高只能预热到余热的温度。
虽然借助现代化的大型计算机可以实现热机循环变量的最佳化，例如电厂中预热器的新汽状态和二次加热状态、数量、效率和放汽压力，冷凝器的规格和结构，冷却塔的设计等等。然而即使借助这些措施，提高效率仍会受到限制。
提高热机效率的其它方法也都是在吸收和排放热能时，通过尽可能充分地利用循环过程中所吸收的和所排放的热之间可供使用的温度降来减少能量损失。为此需要串联两台或数台设备，前置循环的余热作为后置循环的加热热量使用。这种方法例如在现代化的联合电厂(GuD-电厂)得到应用，它是将燃烧过程的高温先在一台燃气轮机中加以利用，然后再将其废气用于蒸汽动力设备的加热。按照这种方式减少生产蒸汽的能量损失并分数个阶段利用处于燃烧温度和外界温度之间的温度降。
串联循环的方法是采用各自两个串联循环的专利说明书US 5 437157和US 4 428 190以及采用总共三个串联循环的专利说明书AT 327229的主题。
在US 5 437 157中是将传统热电厂(工作介质为水)的冷凝热用于在第二次蒸汽循环中产生有机工作介质的汽化。第二次循环的余热随后排放到外界。US 4 428 190采用的是类似的原理，它是将两台蒸汽循环装置(水和有机工作介质)通过连接在其间的一台蓄热器完成连接，据称蓄热器能改进电厂日运行中的负荷分配。在AT 327 229中，介绍了借助于有机工作介质基础上的第三台循环装置对一台钾循环装置和一台水蒸汽循环装置进行连接，有机工作介质将钾循环的余热作为加热热量传递给水循环。在所介绍的所有案例中，各循环装置在物质上均相互隔离，通过换热器的壁完成热量从一个循环到另一个循环的传递。
串行连接循环装置的缺点是每个循环需要额外增加热量传递和能量转化装置。此外，能量转化的能量损失随着串行连接的循环装置的数量增长，因为只有在保持有限温差的情况下才有可能借助换热器传递热量。此外的缺点是，串联序列中最后的循环装置的余热同以往一样必须排放到外界。
因此，本发明的目的在于，提供一种可以提高热机的热效率而不必改变热循环上部和／或者下部循环温度的方法。此外，本发明的目的还在于提供一种实施该方法的热机。
这些目的通过具有权利要求1特征的方法和具有权利要求14特征的热机得以实现。在从属权利要求中叙述了依据本发明方法或依据本发明热机的具有优点的和优选的进一步构成。
要理解本发明，重要的是要认识到，热机的热效率并不等同于其中变化的循环过程的热效率。
循环过程的热效率由循环过程的每个周期中作出的功与所使用的热能之比确定。而热机的热效率是由循环过程的所有周期中累加作出的功与所使用的热能之比确定。
两种效率在而且只有在循环过程的余热离开热机并摆脱其系统局限输送到其外界情况下才是相同的。在传统的热机中，从循环过程排放的低温热量在各自周期结束后排放到外界。因此，传统热机的效率最高与其热力循环过程的效率相等。
在热机内其循环过程的余热全部或部分重新作为原始能量使用的情况下(余热再利用)，热机的效率会大于其从属的循环过程的效率。在这种情况下，循环过程余热中所含的能量不需要或只部分需要由新的原始能量替换，并且热机的累积效率随着连续的循环过程-周期的数量增长。
图1所示为这一过程。图1所示为热机效率的变化过程，其中一假设的循环过程以35％的热效率工作。经过0％，20％，40％，60％，80％和100％的数个周期，排出的余热重新导入这一循环过程(余热再利用)。在没有余热返回的情况下(0％时的曲线)，热机的效率与循环过程的效率相等。随着余热返回，热机的效率随着循环过程-周期的数量而增大，并在渐近线上接近理论最高值。
图2所示为带有仅5％的很差效率的循环过程的相同过程。即使对于这种很差的过程效率来说，热机的效率仍可在数个周期数量之后大大增长。当有足够有效的余热返回时，这种热机在利用低温热源情况下可以非常经济地运行。
根据现有技术制造的传统热机使用唯一的内部循环过程。它们或者通过蒸汽循环过程具有工作介质相变(汽轮机，蒸汽机)或者通过气体循环过程不具有工作介质相变(燃气轮机，奥托(Otto)-、狄塞尔(diesel)-、汪克尔(Wankel)-，斯特林(Stirling)-，斯特尔策(stelzer)发动机)。
在传统热机中，余热回流由此受到限制，即余热温度明显低于所要导入循环过程的热要求的温度。因此余热中所含的能量只有很少一部分重新导入循环过程。将余热的温度水平提高到上部过程温度，在传统热机中要求使用热力泵，由此可以使余热的能量重新导入循环过程。但是这种热力泵会消耗由第一台热机所产生的轴功。结果是采用现有技术的传统热机的余热回流仅仅具有极有限的经济性。
依据本发明的方法，无需为传统的热力泵过程消耗轴功而通过内部余热回流提高热机的累积热效率。
传统热机或者通过唯一的蒸汽循环过程或者唯一的气体循环过程或者是串行连接这两个过程(燃气轮机／汽轮机，内燃机，GuD电厂)。依据本发明的热机通过各个热机内的一个蒸汽循环过程和一个气体循环过程，也就是通过两个同时进行的循环过程，使气相中的物质相互‘交叉’或叠加。
蒸汽循环过程的作用是产生轴功。蒸汽循环过程从一外部热源得到其加热热量，蒸汽循环过程的余热是所连接的气体循环过程的加热热量。蒸汽循环过程中的工作介质A为一种物质或数种物质的混合物，其成分拥有的分子偶极矩明显高于气体循环过程中工作介质AB的成分B，B基本上持久处于气态中。在蒸汽循环过程中，工作介质A经历液相和气相之间的周期性相变，而且在很大程度上如同传统的蒸汽机或汽轮机中那样。
气体循环过程的作用是在依据本发明的热机内进行余热回流。为此，已减压工作介质A中所含的蒸汽循环过程的余热作为产生轴功的加热热量以物质导入气体循环过程。气体循环过程还将蒸汽循环过程的部分余热转化为轴功。其工作介质AB(=气体循环过程中的工作介质)为来自蒸汽循环过程工作介质A气态部分和气体循环过程中工作介质始终为气态成分B的混合物。成分B是一种物质或多种物质的混合物，其组分拥有的分子偶极矩明显低于来自蒸汽循环过程工作介质A的物质组分。在气体循环过程中，来自蒸汽循环过程一定气态量的工作介质A有序地导入工作介质AB并以液态形式重新抽取。由此工作介质AB内一定百分比的A通过气体循环过程的封闭循环周期性变化。
气相中两个循环过程的物质交叉，作用是两个循环过程的物质或物质混合物A和AB之间进行热能的直接交换，并用于工作介质A的冷凝。热能的交换是在利用布朗分子运动的条件下通过两种工作介质物质的气体分子之间的弹性碰撞完成的(每秒1010数量级的碰撞频率)。在显微镜下，分子的动能(与温度对应)根据麦克斯韦尔(Maxwell)理论呈统计学上的几率分布。为进行解释需要说明的是，气体或液体的原子或分子连续运动并不断相互碰撞。通过碰撞过程它们不断改变其运动方向及其能量，因此也改变其速度。气体或液体中的速度对所有原子和分子来说并不相同，而是按照麦克斯韦尔速度分布进行。在分子水平上，温度和动能通过玻耳兹曼(Boltzmann)常数结合，在忽略旋转能和振荡能情况下，一个粒子的平均动能为E=3kT／2。因此，在气相中不仅有温度，而且有与分子速度的统计学分布相当的温度谱。气相中物质组A和B分子的无序运动产生分子间以不同的速度和偶极矩的弹性碰撞。工作介质A物质组的慢(=冷)分子间以高分子偶极矩的碰撞，由于中间分子力的影响，导致碰撞对聚集并由此导致形成更大的分子团，最终形成小滴。物质组A和B的分子团和单个快分子间的碰撞导致动能(=热量)从较重的小滴向较轻的碰撞对净传递。由此气体循环过程的气相AB分成快(=热)和慢(=冷)部分。
根据微观所见，在依据本发明热机的气体循环过程中，工作介质A通过从物质混合物AB中白发形成的雾团完成相变。雾滴随后可以借助恒定力场(例如重力或离心力场)通过相位分离从气体循环过程的气相分离出去并通过给水泵重新导入蒸汽循环过程。由此一股气相流的工作介质A导入气体循环过程并以液相重新抽取。导入气体循环过程的热量为所导入的气相部分A中含有的潜在热量，它相当于冷凝热。从蒸汽循环过程向气体循环过程的热传递通过气体循环过程中工作介质A的冷凝完成。气体循环过程的余热为以工作介质A的液相排放的热量。导入和排放热量之间的差为工作介质A在蒸汽循环过程和气体循环过程之间交换的量的物质流的冷凝热。它相当于气体循环过程中可产生的最大轴功。因此，依据本发明热机蒸汽循环过程的冷凝热可以在气体循环过程中(减去可能辐射的热量)完全转化为轴功。由此可见，依据本发明的热机除去辐射的热量外没有其它的余热。依据本发明的热机的效率与传统热机相比，即使在蒸汽循环过程效率很差的情况下，仍随着循环周期的数量增长。由此得出，依据本发明的热机也可作为换能器适于低温热利用。
对于依据本发明的热机的运行来说，例如可以使用下列物质组合：
蒸汽循环过程(A) 水 二氧化碳 氨 致冷混合物 氮 氮气体循环过程(B) 空气 空气，氮 空气，氮 空气，氮 氢 惰性气体 蒸发的温度窗口 70……300℃ -70……20℃ -40……70℃ -50……0℃ -200…-150℃ -200…-150℃图6依据本发明热机的各功能组件具体图示；以及图7根据本发明一紧凑式热机的功能组件图示。
图1所示为一假设热机20个周期后效率的不同曲线。热机循环过程具有35％的理论效率。只要没有余热返回到循环过程(0％时的曲线)，热机就具有同样的效率。如果将其排放的一定部分的余热重新导入经过数个周期的循环过程，那么热机的效率会缓慢上升。当余热返回例如80％时，所示的热机在20个周期后效率提高至约70％。
图2所示为带有仅5％效率的循环过程的相同过程。如图2所示，热机的效率在余热返回80％时，提高至约20％。所以，借助余热返回，热机的效率与循环过程的效率提高约4倍。
图3所示为蒸汽循环过程(左侧pV曲线图)和气体循环过程(右侧pV曲线图)在其物质连接下的示意图。蒸汽循环过程在这里是一简单的过程，没有重复的中间加热。该方法同样也可用于其它所有蒸汽循环过程。蒸汽循环过程标有D1至D6六个点。气体循环过程标有G1至G4四个点。下面对各个步骤做详细说明：
D1-D2蒸汽循环过程的液体通过泵从低压到高压输送，并在高压下输入 一蒸发器。
D2-D3工作介质A高压下在蒸发器中经过供热(Qzu)蒸发，并从液相转化为气相。
D3-D4蒸汽过热，这种过热不是必需的。在设计利用低温热的热机时可以去掉此过热过程。
D4-D5蒸汽在轴功释放下减压，直至其压力与气体循环过程的混合物压力相对应。(说明：该点所示为过热蒸汽区，它也可以处于饱和蒸汽区)。
D5-D6这条线段在传统蒸汽循环过程中是蒸汽完全减压而一直进入饱和蒸汽区。但在依据本发明的热机中，这一过程却在气体循环过程中发生。
D6-D1这条线段在传统蒸汽循环过程中是蒸汽循环过程工作介质A从气相向液相的转化，通过抽取热量强制冷凝完成。加影线部分Qab相当于蒸汽循环过程的余热。这一过程在依据本发明的方法中，同样是在气体循环过程中发生。
D5-G2蒸汽循环过程全部或部分减压的气相工作介质A向气体循环过程转移，并且气态工作介质A与气体循环过程的压缩气态工作介质AB相混合。通过工作介质A混合到气态混合物AB中，气体混合物AB的相对湿度随着成分A相应增长。
下面从第一步对气体循环过程进行说明：
G1-G2气体循环过程工作介质AB的绝热压缩。由此工作介
质AB的压力和温度上升，其相对湿度随着物质成分
A相应下降。在点G2上，混入来自蒸汽循环过程工作
介质A的物质量，如同对D5-G2过程所述。
G2-G3实质的混合过程：在这里量上升，由此处于气体循环 过程中气体混合物AB的体积围绕来自蒸汽循环过程 工作介质A的导入物质量增长，而且混合物AB的相 对湿度随着物质成分A相应增长。这里所示的混合过 程为恒压，这并非是必需的。就是说，该混合过程也 可在压力变化下完成。混合完成并输出轴功。
G3-G4气体混合物绝热减压，并输出轴功。此时工作介质AB的压力和温度下降，气体混合物AB的相对湿度随着其物质成分A的增长超过饱和极限。带有更高偶极矩的物质A的分子，在其动能释放下呈滴状凝聚到保留在气相中的粒子AB上。在保留的残余气体AB的压力和体积下降情况下形成雾。与物质A相关的气相AB的相对湿度上升到100％。冷凝成雾的物质A的潜在的冷凝热保留在残余气体AB中。G4-G1通过抽取液体使体积减少：通过恒定力场(主要是离
心力场)中的相位分离，雾从工作介质AB的残余气
体中去除并作为液体重新导入蒸汽循环过程。点G4和
G1实际上非常紧密地靠在一起，以致于pV曲线图中
气体循环过程的轮廓线几乎为三角形。G4-D1该步骤所述为与液态工作介质A从气体循环过程进入
蒸汽循环过程相关的物质交换。从气体循环过程抽取
的带有很高分子偶极矩的物质A的液体因此重新导入
蒸汽循环过程。
被连线D-1-2-3-4-5-6-1包围的面积相当于蒸汽循环过程中可产生的最大的功。被连线G-1-2-3-4-1包围的面积相当于气体循环过程中可产生的最大的功。蒸汽循环过程的余热从点D5传递到点G2，随蒸汽循环过程工作介质A的废气，作为输入热量输送给气体循环过程，而气体循环过程的余热从点G4传递到点D1，随着冷凝液体，作为输入热量输送到蒸汽循环过程之中。两个循环靠所导入的热量作功和并产生余热。两个循环过程在热机中的组合，使得热机不向外界排放余热。
图4为依据本发明的热机中蒸汽循环过程和气体循环过程之间的能量流动过程。热机包括两个循环过程，它们各自从所导入的热量中作功(WD和WG)并产生余热(QD和QG)。从图4可以看出，热量Qexstern加QG导入蒸汽循环过程，热量QD导入气体循环过程。通过两个循环过程互换将其各自的余热流作为导入的热量重新使用，热机可以将从外部导入的热流Qexstern全部转化成轴功(减去可能辐射的热量)。
这是可能的，因为利用实际气体中作用于分子间的偶极矩的情况下，通过雾化形成冷凝进行快(=热)和慢(=冷)粒子分离并在恒定力场中进行随后的分离。
气相中分子间的能量传递通过弹性碰撞进行并不受方向限制。在分子水平上，当弹性碰撞时，动能(=热量)从重和慢(=冷)碰撞对向轻和快(=热)碰撞对进行净传递。因为分子速度按照麦克斯韦尔原理的统计学分布，始终存在比适应微观测量到的温度更快或更慢的碰撞对。带有大和小偶极矩分子的气体混合物，因此，在温度下降时导致带有高偶极矩的分子强行凝聚，它们然后作为较重的碰撞对在与具有较小偶极矩的分子进行弹性碰撞时失去更多的动能(=热量)。通过绝热膨胀(参见步骤G3-G4)强制温度下降，以致于带有大偶极矩的慢分子不得不相互附着，并将其动能释放到带有小偶极矩的分子上。因为气相中冷凝热的传递不是在不同温度的物体之间，而是在分子水平上通过麦克斯韦尔速度分布谱中粒子之间的弹性碰撞发生的，所以满足热力学第二定律。
图5所示为这一过程。图5的左侧曲线图所示为两种工作介质A和B气态混合物的麦克斯韦尔速度分布，其中N(u)表示当时具有确定速度u的分子的数量。冷却时，通过绝热冷凝进行雾化凝结。工作介质A和B的混合物随着工作介质A的减缩继续保持在气态下(图5中右上曲线图)。而工作介质A形成滴状并可以例如借助离心机从气相中去除(图5中右下曲线图)。
物质交换只在热机内的两种循环过程之间进行，并不与外界相关。热机可以设计成封闭的系统，其系统边界只用于热能和轴功转换。由于热机不必将余热返回到外界，所以它可将低温热能作为热源。为此要求蒸汽循环过程具有低于低温热源温度的相变温度。否则低温热不能用于蒸汽循环工作介质的雾化。由于在低温下导入热能会减少辐射损耗，所以热机使用低温热的效率甚至高于使用高温热时的效率。
依据本发明的热机可以设计成活塞式机械(发动机)或叶片式机械(涡轮机)。由于离心场有利于雾的相位分离，所以最好使用叶片式机械，因为在涡轮机的旋转部件中很容易产生这样的离心场。
图6和图7为适用于对依据本发明方法进行转化的两种叶片机械。
图6所示为适用于带有过热蒸汽循环过程的综合系统，图7所示为紧凑式系统，作为最低配置它只包括绝对必需的系统元件。
两张图只包含各自机械的功能组件，无结构设计以及组件之间的物料流程。
如图6所示，依据本发明的热机至少包括下列功能组件：泵、蒸发器、汽轮机、混合室、燃气轮机、冷凝器、离心机和压缩机。蒸汽循环过程包括的组件有：泵、蒸发器、汽轮机和冷凝器。气体循环过程包括的组件有：燃气轮机和压缩机。两种循环过程之间的物质交换借助于混合室和离心机进行。轴功消耗装置为压缩机、泵和由燃气轮机和／或者汽轮机驱动的离心机。同时燃气轮机和／或者汽轮机将轴功输送给外部的消耗装置。
液态的工作介质A通过泵导入蒸发器，在给热下高压蒸发，在汽轮机中膨胀并输出轴功。汽轮机的废气在混合室中与被压缩机压缩的气体循环过程的工作气体AB相混合，并通过燃气轮机在释放轴功下减压膨胀。排出燃气轮机后，在冷凝器中形成雾。雾在离心机中被从气体循环过程的气相中去除，并通过泵重新作为液态导入蒸汽循环过程。
图7所含的功能组件有：汽轮机和燃气轮机以及涡轮机组件中的混合室和冷凝离心组件中的功能组件冷凝器和离心机。两个循环过程的气流在这里直接共同导入一个涡轮机，其废气在冷凝离心机中被分离成两个相位。泵和压缩机将各自的流体重新输送回循环过程。这样的机组可以制造得非常紧凑。
依据本发明的热机，只要蒸汽循环过程的相变温度低于热源的温度，便既可以在高温范围内，也可以在低温范围内使用。因为热机不需与系统外界进行物质交换，所以它对环境是完全无害的。在低温范围内可以使用在高温范围内由于缺乏耐热性而不能使用的材料。
因此，可以制出不与外界进行物质交换的低温热机，开发按现有技术制造的传统热机在低温范围无法使用的应用领域。