1、如果我们能改变传统的工作介质的话，这种方法是可能的，如：水或者其他不同热力学特性的工作介质。本文详细介绍了几种技术来解决这一问题，如Kalina循环，水压永磁发电机共振来修饰水的特性，使水在热电厂热循环的沸点低于环境的沸点。引言 人类文明和科学技术的发展史总是与能源消耗的增长密切联系。热能工程发展和电力产生的增多的直接结果是能源燃料的消耗的增多。消耗煤石油天然气来发电，同时消耗了大气中约1%的氧气，并产生二氧化硫氮氧化物和二氧化碳从而加重了温室效应。现在我们来看看2002年美国会计学会发布的资料。美国的发电厂从1972开始排放至2000年，排放了59%的二氧化硫，47%的氮氧化物，42%的二氧
2、化碳，却只产生了总电力的42%。让我们通过简单的计算比较新旧热电厂气体排放从而估计他们的实际单位效能。首先我们要建立一个简单的逻辑：如果旧电厂产生42%的电量，那么新电厂产生了58%；如果旧电厂排放了59%的二氧化硫到大气中，则新电厂41%，其他气体以此类推。那么每产生1%的电力就会产生1.405%的二氧化硫及其他气体。下表列出了气体排放与电力产生比的表格。新电厂二氧化硫和氮氧化物排放少于旧电厂，更值得比较的是，二氧化碳这种产生热能的气体。因为含碳燃料氧化燃烧后都会生成二氧化碳。这说明了为什么过去30年内找不到减少二氧化碳排放的根本方法，而二氧化碳是造成地球温室效应和全球变暖主要原因。1.通过
3、改变工作介质热力学热性来提高热电厂的效率 效率就是热电厂产生的热能W比上燃料产生的总能量。因此，热电厂如用化石燃料做能源的电厂效率的提高可采用两种方式：1在不改变能源消耗的前提下提高电能和热能的产生，可以在热电厂安装燃气涡轮来继续利用排放气体的热量。2.在产生同样热量的情况下减少燃料消耗。另外一种方法是通过改变工作介质的热力学特性来提升效率。这种方法的理论分析在文章3中举出。这种方法的生态学和天然的局限在文章4中有表述。在本文中，我们只简要的叙述基线调查和获得的结果。改变传统工作介质的热力学特性 从现有技术来看，提高热电厂效率最简单的方式 是采用水压共振永磁发电机改变工作介质水的热力学特性。这
4、种方法的物理学本质是引发水的二级相变，这个过程的特性是在转变点水的所有特性发生改变。另外此过程中，汽化热和热容量可能会发生改变。实现这种方法技术上简单不需要重新设计热电厂，这意味着这种方法可用于任一热电厂，无论新旧。换句话说，这种方法可在最短时间内提高热电厂的生态指标，特别是减少二氧化碳的排放。这种方法要求选择合适的位置固定所需的装置，并精确的调整共振频率由此使汽化热或热容量降低。不幸的是，水的热容量降低时其汽化热升高而反之亦然。计算结果显示，通过使用这种方法，能提高热电厂10%的效率。这意味着能减少29%的燃料消耗，减少固体和气体废物29%的排放，减少废热排放52%。采用复合工作介质 在九十
5、年代初美国百万瓦级的发电站开始应用著名的A.Kalina循环来提升热电站的效率。这种循环使用化学物如氨，单乙基苯胺，二乙胺等的水溶液作为工作介质，如氨溶解于水后，形成的溶液热容量要低于纯水。同时，每分子氨溶解于一升水要释放出8.28千卡的热量，这些热量恰好能使一千克14%的氨水加热到100摄氏度。因此，溶解过程释放的热量可以储存起来，而将一升水从30摄氏度加热至100摄氏度需要70千卡热量或者相当于燃烧0。01千克燃料的热量。对此循环的理解如下：在给水到达蒸汽发生器前加入氨。由于溶解过程释放的热量并降低溶解液的热容量，这样它被加热到沸腾就比纯水需要更少的燃料。然后蒸汽与氨气分开，分别凝结，在进
6、入蒸汽发生器前重新混合到一起。在化学工业中，分离水与氨气的过程广泛应用于solve法生产苏打的生产流程中。使用Kilina循环电厂的成功证明了此法可以减少20%的能源消耗，提高10%的效率。对比MHD共振法循环法的缺点是在已使用Rankin循环建造的电厂不能应用此法。替换传统的工作介质，让我们来详细看一下采用环境中的热量来发电的技术，这种方法被认为最有希望的减少燃料消耗的方式。首先我们来回顾一下一些物理的和物理化学基本公理，这些是这种技术的基础。公理1，在理想状态下，所有气体1k摩尔的体积是22.414立方米。公理2，气化和凝结属于一相转变的过程。一相转变的特点是在转变点物质的聚集状态被改变。
7、无论从凝集态到气态或者相反，物质的体积发生突变，这是所有物质的一般趋势。1k摩尔的任意液态物质在常压温度为其沸点是体积为公式二，分子是气体的重量分母是其沸点时的物质密度，1k摩尔的任意气体在理想状态下体积为22.414.让我们看一下参考资料的数据。理想条件下1k摩尔液态水的体积是0.018立方米，气态22.414立方米，大了1245倍，氮气气态比液态大了640倍，二氧化碳大了561倍，丙烷大了294倍。公理3 从理想状态下气体体积公式得出公式6，将公式5带入公式6可得出公式7，当1k摩尔液体气化时，气体在狭小空间内被突然加热，其压力的上升也会导致温度的上升。在蒸汽超加热机实现的此技术步骤使获得
8、充足成为可能。公理4 涡轮被气流驱动其动能为公式9，此公式是唯一的且适用于任意运动的物体。气体的密度其单位体积的质量，但气体的密度也与其可压缩性有关，也就是说压力也会影响密度。公理5 目前来看气体储存的潜在能量是由蒸汽加热器和凝集器的压力差决定的，这个压力取决于气体的完整性，即一相转变气体到液体状态的完整性。众所周知，在Rakine循环中，水在蒸汽发生器沸腾后会造成压力上升。产生的蒸汽在超加热器上又加热造成其压力仍然很高。考虑到涡轮中蒸汽处于凝集态，这会造成压力降低至真空状态。这样产生的压力差会使蒸汽以巨大的速度从高压区域流向低压区域。这样的过程会在任意物体发生一相转变是发生，使其在气体与液体
9、状态间转变。从提升热电厂的效率和其生态指标的方面考虑，工作循环中使用低沸点的物质如氢气氦气氮气氧气氖二氧化碳等气体更有前途。这些气体的沸点很低，这意味着不需燃料来供给气体发生器，在这些物质发生一相转变的装置内液态转为气态，这样环境的热能即可作为加热源。例如，氮气的沸点在零下196摄氏度或77开。试想一下如果使用氮气来取代水来发电能取代节约多少燃料,来自环境中的热量即可使液氮沸腾，而经过燃烧传统碳氢燃料超加热后可获得更高的压力值。我们假设使用Rankine循环并采用水作为工作介质的热电厂的效率为41%，运行中，热电厂消耗0.405k传统燃料可产生1kw电力。假设这样的燃料消耗率，进入涡轮的蒸汽压
10、力的上升会部分造成水焓，蒸发热等的上升。现在，我们试想把水换成氮气，蒸汽是三原子气体热容为4R，则氮气是双原子气体热容为3.5R。把蒸汽从30摄氏度加热刀30摄氏度需要894千焦每千克，而氮气只需782千焦每千克。正如公理2阐述的，水蒸发后体积大了1245倍，而氮气只增加640倍。为了计算方便，我们假定Rankine循环中的氮气质量与水相比为原来两倍。用这种方式，Rankine循环中用氮气取代水，并采用碳氢燃料使氮气加热至530摄氏度，可减少燃料消耗2.1倍即消耗0.19kg传统燃料即产生1kw电力，自然地有害气体的释放也减少2.1倍。让我们看看这种技术是否与热力学的基本理论冲突。热力学第一定
11、律定义了热和功的等式，即能量消耗定律。因此公式1可这样表述：热机的效率不会超过1，通过减少2.1倍的传统燃料的消耗可提高热电厂效率82%。热力学第二定律，最早由Clausius提出：热量不会自发地从温度低的物体传导到温度高的物体上。假设用氮做热力学循环的工作介质。液氮的沸点是零下196摄氏度，而环境温度最近为零下50摄氏度，因此，热量会从温度较高的环境传导到温度低的液氮上使其沸腾。作用与Carnot反转热机循环的热力学第二定律可表示为公式10，让我们进行一个简单的计算。可得出气体发生器中使用氮循环比水的热力学效率更高。这样我们能看出这个技术与热力学第一第二定律均不矛盾。在某些在建的电厂，这种关于电厂发展的讨论已经投入商业使用。一个太阳能作能源的使用超临界二氧化碳的Rankine循环生产电力和热能的电厂已经在规划。规划中的系统包括真空太阳能收集器，电力产生涡轮，高温热量回收装置，低温热量回收装置和供水泵。预计其发电效率为0.25，热回收效率0.65。
