摘 要： 利用制冷技术提供一个人造低温热源，把自然热源或废热源（余热）作为高温热源；采用制冷循环和动力循环的热力二重循环方式，使高压低温的动力工质吸收外界环境的热能，汽化并过热后膨胀驱动涡轮，其乏汽在人造低温环境下冷凝液化后被增压，完成热力循环；这样通过热功转换的方式，把环境热能转变成机械能，使人类获得冷源和动力能源。
关键词：人造低温热源，热力二重循环，环境热能，热力学第二定律
1. 引 言
早在人类生存的初期，人们就试图利用各种方法代替人们繁重的体力劳动，这种迫切愿望就成了人们发明创造的动力。蒸汽机的出现，引起了世界第一次工业革命，极大地提高了生产力！
随着工业的飞速发展，人类对动力能源的需求日益膨胀，目前的科学水平和技术能力，主要的动力能源是通过热功转换而来的；把化石燃料燃烧的化学能或核反应堆的核能都以热能的方式，通过热功转换变成机械能，或再转变成电能加以利用。由于化石燃料的快速开采，将逐渐枯竭，更主要的是各种燃烧机所排放的有害产物，严重污染环境，威及人类健康及生物生长，其终产物CO2的增加，导致全球“温室效应”的加剧给人类造成不可估量的损失。核能的利用，给人类带来希望，却让人们感觉到它的失控将为人类带来灭顶之灾，就连其核废料都是人类难以处理的铁疙瘩。
历史上曾经出现的各种各样的永动机方案，是人类设想获得最佳能源的体现。在没有外界动力，不消耗任何燃料的情况下，源源不断地获得有用功。这是人类非常需要的，也是最干净、最安全的能源。但是第一代机械永动机违背了能量守恒定律，绝对不可能实现；第二代热功永动机违背了热力学第二定律，只有工质吸热而没有工质放热过程，工质无法完成热力循环，也无法成功。
热力学第二定律告诉我们，循环热力发动机的效率是由热机的高温热源与低温热源的温差决定的，与温度高低无关。吸热式热力循环发动机就是根据这一原理，利用低温工质吸收环境的热能，通过热功转换的方式转变成机械能，它在没有外力、不消耗任何燃料的情况下，源源不断地获得有用功。它的能量来自环境的热能，它的运行使外界温度降低，而环境温度的自然循环足以满足本机的正常运行。
2. 工作原理
现代大型火电及核电都采用蒸汽动力循环，它是把外界环境温度作为低温热源，把锅炉或核反应堆所获得的高温作为高温热源。其动力工质在高温热源中吸热汽化后做功，然后在低温热源中放热，完成热力循环并输出有用功，这里的高温热源会因为工质的吸热而温度降低，所以整个系统必须消耗燃料（包括核燃料）来维持高温热源的温度；而吸热式热力循环则是把环境温度作为高温热源，利用制冷技术制造一个低温热源，其动力工质在高温热源（环境温度）下吸热后做功，然后向人造低温热源放热完成热力循环并输出有用功。这里的低温热源会因为工质的放热而温度升高，所以整个系统必须有制冷循环和回热装置来维持低温热源的温度。
吸热式热力循环是采用制冷循环和动力循环的热力二重循环。是利用高压低温的工质在自然环境温度下吸热做功，其动力循环是一个完整的蒸汽动力循环（或闭式燃气动力循环）；制冷循环是一个完整的制冷循环，这里以蒸汽动力循环为例加以说明。如下图所示是其吸热式热力循环的系统图和动力工质的P——V图及T——S图。
热力二重循环系统图、P——V图及T——S图
1——动力工质增压泵 2——冷凝换热器 3——回热器 4——冷凝吸热器 5——环境吸热器 6——汽轮机 7——冷凝蒸发器 8——高温制冷压缩机 9——低温制冷压缩机 10、11——膨胀阀
动力部分：由绝热压缩1——2、等压吸热2——6、绝热膨胀6——7、等压放热7——1四个过程。其中等压吸热过程包括冷凝换热器吸热2——3、回热器吸热3——4、冷凝吸热器吸热4——5、环境吸热器吸热5——6；等压放热过程包括回热器回热降温和工质在冷凝蒸发中放热冷凝液化。
增压泵1的工作理想化为绝热压缩；工质在冷凝换热器2、回热器3、冷凝吸热器4环境吸热器5中吸热汽化并过热可以看成等压吸热；然后工质在涡轮6中（在生产上称为透平）实现绝热膨胀做功；做功后的乏汽回热后进入冷凝蒸发器7中放热冷凝液化。
制冷部分：在吸热式热力循环中，为提高动力循环的热效率，需要获得尽可能低的低温，一般都采用复叠式制冷机组。当吸热式热力循环只作制冷机用时（不要求输出有用功）采用单一制冷机。
根据热力学第二定律：
理论上其动力循环可以达到的热效率：N=W/QH=1-|QL|/|QH|=1-TL/TH （1）
理论上其制冷循环的制冷系数： E=TL/（TH-TL） （2）
N——循环热效率 W——循环净功（J） QH——循环吸热量（J） QL——循环放热量（J） TH——高温热源热力学温度（K） TL——低温热源热力学温度（K）
E——制冷系数 其中Q=MC（TH-TL） （3） M——工质质量 C——工质比热容
我们根据（1）、（3）式可以计算出涡轮出口的乏汽温度T1、回热后的乏汽温度T2
由（1）式可得：QL/QH=TL/TH
将（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——回热器的回热度
现在采用复叠式制冷机组制造一个-100℃（173K）的低温热源，其高温制冷部分用于调节控制冷凝换热器的温度；环境温度为20℃（293K），其回热器的回热度为70%，其实际动力循环热效率达卡诺循环的70%，制冷循环的热力完善度为70%时热力参数如下：
动力循环的热效率：N=1-TL/TH=1-173÷293=40.955%
制冷循环的低温制冷系数：
由（5）式T2=TL（1+NR）=173×（1+40.955%×70%）=222.6（K）
由于传热过程存在温差，所以冷凝蒸发器的温度T＜T2 T取70℃（203K）
所以E1=TL/（T-TL）=173÷（203-173）=5.77
其实际制冷系数：5.77×70%=4.04
制冷循环的高温制冷系数：在正常运行过程中，高温制冷循环只用于维持冷凝换热器2的温度，保证低温制冷循环有较高的制冷系数，所以高温制冷循环的低温热源的的热力学温度就是低温制冷循环的高温热源的热力学温度T=203K，其高温热源的热力学温度最高就是涡轮出口乏汽的温度：T1=TL（1+N）=173×（1+40.955%）=243.85K
所以其高温循环的最小制冷系数：E2=T/（T1-T）=203÷（243.85-203）=4.97
其实际制冷系数：4.97×70%=3.48
当涡轮前动力工质的总内能为100%时：
本吸热式热力循环的动力循环可获得机械能：W=40.955%×70%=28.67% ①
回热器回热吸收的内能：（100%-28.67%）×70%=49.93% ②
低温制冷量：100%-28.67%-49.93%=21.4% 其制冷功耗：21.4%÷4.04=5.3% ③
高温制冷量：（21.4%+5.3%）×(100%-70%)=8.01% 其功耗：8.01%÷3.48=2.3% ④
本吸热式热力循环获得的循环净功(有用功)：W=28.67%-53.%-2.3%=21.07% ⑤
从①②③④⑤式可以看出,经过等压吸热后的动力工质的内能为100%进入涡轮做功，28.67%的内能转变成机械能，其乏汽经回热器回热后49.93%的内能被工质重新吸收利用，21.4%内能被低温制冷工质蒸发吸收而液化，此时的制冷功耗为5.3%；由于热交换的不彻底，这里用高温制冷循环保证其低温循环的低温热力学温度，其高温循环的最大功功耗为2.3%。液化后的动力工质再由动力增压泵增压，增压后的动力工质经冷凝换热器吸收低温制冷工质蒸发时吸收的内能（21.4%）使低温制冷工质液化,再经回热器吸收动力工质乏汽70%的内能(动力工质总内能的49.93%)和高温制冷工质的冷凝热使其液化，此时动力工质的温度仍然很低，继续进入环境吸热器与外界环境进行热交换，吸收环境热能，直到其温度接近或等于环境温度。此时的动力工质已完全汽化并过热，具的100%的内能进入下一步循环。
3. 应用前景
吸热式热力循环能充分利用环境热能或余热，实现制冷机与发动机的统一。使当前的制冷空调等制冷设备不再耗电反而发电；使船舶吸收水中的热能，其航行不需要任何燃料；使当前的热电（火力发电和核电）的热效率翻番的提高；使江河入海口的淡水在管道或渠道的允许下，不需要动力（电力）的情况下，抽送到内陆任何地方，改造沙漠，改善沙尘；降低海水的温度，改善强台风天气及获得大量的动力能源（电力）；地球南北半球实现环境热能能源的共享。
4. 结论
现代化的蒸汽动力循环在扣除各种损失后热效率可以达到40%或更高，回热器的回热度、制冷循环的热力完善度也已超过80%，为吸热式热力循环提供了有力的保障！吸热式热力循环是采用制冷循环和动力循环的热力二重循环方式，利用高压低温的工质吸收环境热能，通过热功转换的方式转变成机械能，在不需要外力、不消耗任何燃料的情况下，源源不断地获得有用功。应该特别指出的是，这里的有用功是外界环境热能通过热功转换而来的！它有一个热力循环、热功转换的过程，它同时遵守热力学第一定律、热力学第二定律。明显地不同于第二代热功永动机！它可以运行并为人类同时解决能源与环保的难题。
参考文献
[1] 韩宝琦，李树林等。《制冷空调原理及应用》第2版，北京：机械工业出版社，2006.8。3——41。
[2] 朱仙鼎等。《特种发动机原理》，上海：科学技术出版社，1998.9。9——126。
[3] 李书全等。《机械工程师手册》第2版，北京：机械式业出版社，2001.3。1039——1045。
