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吸收式循環系統及循環方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510671297.9

申請日:

2015.10.13

公開號:

CN105257353A

公開日:

2016.01.20

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):F01K 25/00申請日:20151013|||公開
IPC分類號: F01K25/00; F01K25/10 主分類號: F01K25/00
申請人: 雷衍章
發明人: 雷衍章
地址: 523620廣東省東莞市樟木頭鎮水云天公館1棟2單元305
優先權:
專利代理機構: 深圳市瑞方達知識產權事務所(普通合伙)44314 代理人: 林儉良; 胡國英
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510671297.9

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2017.02.01|||2016.02.17|||2016.01.20

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種吸收式循環系統及循環方法,其系統包括吸收循環單元、增壓回熱單元、分離單元和做功單元。本發明的技術方案中,該吸收式循環系統使得膨脹機排出的乏氣溫度低于冷卻源的溫度,從而提高了熱效率。且該吸收式循環系統能使得濃溶液的溫度比排出的乏氣的溫度更高,提高了進入分離塔的濃溶液的溫度,而減少了該吸收式循環系統的加熱量,從而進一步地提高了熱效率。另外,該吸收式循環方法可以控制液壓泵的流量和吸收劑的冷卻溫度,液壓泵的流量越大和吸收劑的溫度越低時,吸收劑的吸收能力就越強,吸收壓力就可以控制到越低,膨脹機的排氣溫度就越低,循環就越容易進入到吸收循環。

權利要求書

1.一種吸收式循環系統,其特征在于,包括吸收循環單元、增壓回熱
單元、分離單元和做功單元;
所述吸收循環單元包括工質換熱器(1)、低溫冷卻吸收塔(2)、高溫
冷卻吸收塔(3)和溶液泵(5);
所述工質換熱器(1)的管程的輸出端分別與所述低溫冷卻吸收塔(2)
和所述高溫冷卻吸收塔(3)連接,所述溶液泵(5)串聯在所述高溫冷卻吸
收塔(3)和所述低溫冷卻吸收塔(2)之間,以將低濃度溶液經泵入所述低
溫冷卻吸收塔(2)內;
所述增壓回熱單元包括吸收劑回熱器(6)、低溫加熱器(7)、液壓泵
(4)、以及與所述液壓泵(4)同軸相連或皮帶相連的液壓馬達(8)和液壓
動力(9);
所述低溫冷卻吸收塔(2)的輸出端與所述液壓泵(4)的輸入端連接,
所述液壓泵(4)的輸出端分別與所述吸收劑回熱器(6)的管程和所述低溫
加熱器(7)的管程連接;
且所述液壓泵(4)的輸出端與所述吸收劑回熱器(6)的管程之間串聯
有第一閥門(10),所述液壓泵(4)的輸出端與所述低溫加熱器(7)的管
程之間串聯有第二閥門(13);
所述分離單元包括用于分離膨脹工質和吸收劑的分離塔(14);所述做
功單元包括用于產生動力帶動負荷設備(16)的膨脹機(15);
所述吸收劑回熱器(6)的管程和所述低溫加熱器(7)的管程的輸出端
均與分離塔(14)連接,所述分離塔(14)包括膨脹工質輸出端,所述膨脹
工質輸出端與所述膨脹機(15)的輸入端連接,所述膨脹機(15)的輸出端
與所述工質換熱器(1)的管程的輸入端連接以實現反復循環。
2.根據權利要求1所述的吸收式循環系統,其特征在于,所述吸收循環
單元還包括工質溶液換熱器(17);
所述工質溶液換熱器(17)的管程串聯在所述低溫冷卻吸收塔(2)的輸
出端與所述液壓泵(4)之間,所述工質溶液換熱器(17)的殼程與所述工質
溶液換熱器(17)的管程進行換熱。
3.根據權利要求2所述的吸收式循環系統,其特征在于,所述高溫冷卻
吸收塔(3)包括冷卻液管路(31),所述冷卻液管路(31)的輸出端與所述
工質溶液換熱器(17)的殼程的輸入端連通。
4.根據權利要求1所述的吸收式循環系統,其特征在于,所述分離塔
(14)還包括吸收劑輸出端,所述吸收劑輸出端與所述吸收劑回熱器(6)的
殼程的輸入端連接,所述吸收劑回熱器(6)的殼程的輸出端與所述液壓馬達
(8)連接,以實現高壓吸收劑進入所述液壓馬達(8)后推動所述液壓馬達
(8)做功。
5.根據權利要求1所述的吸收式循環系統,其特征在于,所述分離塔
(14)還包括分離工質加熱管路(143),所述分離工質加熱管路(143)的
輸出端與所述低溫加熱器(7)的殼程的輸入端連接。
6.根據權利要求5所述的吸收式循環系統,其特征在于,所述分離單元
還包括過熱器(18),所述過熱器(18)的管程串聯在所述分離塔(14)的
所述工質輸出端與所述膨脹機(15)之間的,所述過熱器(18)的殼程與所
述過熱器(18)的管程進行換熱的。
7.根據權利要求6所述的吸收式循環系統,其特征在于,所述過熱器
(18)的殼程的輸入端與熱源相連,所述過熱器(18)的殼程的輸出端與所
述分離工質加熱管路(143)的輸入端連接。
8.根據權利要求1所述的吸收式循環系統,其特征在于,所述低溫冷卻
吸收塔(2)包括低溫冷卻液管路(21),所述低溫冷卻液管路(21)的輸入
輸出端分別與所述工質換熱器(1)的殼程的輸出輸入端相連接。
9.一種吸收式循環方法,用于權利要求1至8任一項所述的吸收式循環
系統,其特征在于,包括如下步驟:
S1、高溫高壓膨脹工質經過所述膨脹機(15)膨脹做功后,從所述膨脹
機(15)的輸出端排出的所述膨脹工質的溫度為第一溫度;
S2、膨脹工質進入所述高溫冷卻吸收塔(3)內被浠溶液吸收并形成低濃
度溶液,膨脹工質進入所述低溫冷卻吸收塔(2)內被低濃度溶液吸收并形成
高濃度溶液;
S3、所述低濃度溶液被所述溶液泵(5)泵入所述低溫冷卻吸收塔(2)
內,再次吸收膨脹工質,形成所述高濃度溶液,所述高濃度溶液經過所述低
溫冷卻吸收塔(2)的輸出端進入所述液壓泵(4);
S4、所述液壓泵(4)由同軸相連或皮帶相連的所述液壓馬達(8)和液
壓動力(9)提供動力,將所述高濃度溶液分別經過所述吸收劑回熱器(6)
的管程和所述低溫加熱器(7)的管程泵入所述分離塔(14)內;
S5、所述高濃度溶液在所述分離塔(14)內分離成膨脹工質和吸收劑也
叫烯溶液,所述膨脹工質通過所述膨脹工質輸出端進入所述膨脹機(15);
S6、所述膨脹工質在所述膨脹機(15)內做功以產生動力帶動負荷設備
(16);
所述第一溫度低于常溫冷卻水的溫度,使得整個循環為吸收式循環。
10.根據權利要求9所述的一種吸收式循環方法,其特征在于,
所述步驟S3還包括:
S3-1、所述高濃度溶液經過所述低溫冷卻吸收塔(2)的輸出端后先進入
一工質溶液換熱器(17)的管程的輸入端,再經過所述工質溶液換熱器(17)
的管程的輸出端進入所述液壓泵(4);
所述步驟S5還包括:
S5-1、所述膨脹工質通過所述膨脹工質輸出端后先進入一過熱器(18)
的管程的輸入端,再經過所述過熱器(18)的管程的輸出端進入所述膨脹機
(15)。
11.根據權利要求9所述的一種吸收式循環方法,其特征在于,所述吸
收式循環方法包括適用于氨類、醇類或氟利昂類的吸收工質對,所述吸收工
質對包括吸收劑和被吸收劑,所述吸收劑為所述浠溶液,所述被吸收劑為所
述膨脹工質。

說明書

吸收式循環系統及循環方法

技術領域

本發明涉及發動機領域,尤其是一種吸收式循環系統及循環方法。

背景技術

目前市場上的發動機基本上是布雷頓循環發動機如活塞發動機、燃氣輪
機等,和朗肯循環發動機如汽輪機、螺桿朗肯發動機、有機工質朗肯發動機
等這兩種熱力循環為主。布雷頓循環是將膨脹后的工質壓縮產生高壓氣體,
然后再加熱(燃燒)后產生高溫高壓的膨脹工質去推動膨脹做功器,如透平
或活塞來產生動力。朗肯循環則是將液態工質增壓后再加熱使它汽化,產生
高溫高壓的工質來推動膨脹做功器做功,膨脹做功后的工質經冷凝后又變成
了液體,反復循環達到連續做功的目的。由于布雷頓循環是將工質壓縮以后
再加熱(燃燒)的,工質壓縮后溫度會有較大的溫升,再加熱(燃燒)后的
溫度就很高了,所以布雷頓循環的工作溫度較高,屬高溫型。朗肯循環是將
液態工質增壓后再汽化來產生高壓氣體的,由于液體增加溫度基本不變,因
此,朗肯循環屬低溫型發動機。這兩種循環的運行時間有上百年,近百年來
雖然人們對它們有了巨大的改進,如朗肯循環的蒸汽機由瓦特時期的活塞膨
脹機發展到現在汽輪機,等熵膨脹效率大幅度上升,蒸汽參數也從低溫低壓
發展到高溫高壓的超超臨界汽輪機,并設計出再熱、抽氣回熱等使最初瓦特
時期的熱效率百分之幾提高到超超臨界的45%,取得了較大的進步,但現在
已到了極限,只有發明出新型的熱力循環熱效率才有可能超過現在的發動機,
本發明發明出吸收式熱力循環,熱效率可超過現在的熱力循環。

目前現有人采用吸收式結構來做朗肯循環,其目的是為了解決朗肯循環
的非線性吸熱,而極多數的熱源都是線性的。如某煙囪排出的廢熱溫度是
500℃,若采用朗肯循環的工質沸點是150℃,那么150℃以上的煙囪廢熱部
分可以被吸收,而150℃以下的煙囪廢熱部分只能吸收小部份,從而造成不可
逆的損失。它是利用兩種不同沸點的混合工質來產生一種沒有固定沸點的線
性沸騰,來達到線性吸熱的。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于,提供一種改進的吸收式循環系統及循環
方法。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:構造一種吸收式循環系
統,其包括吸收循環單元、增壓回熱單元、分離單元和做功單元;

所述吸收循環單元包括工質換熱器、低溫冷卻吸收塔、高溫冷卻吸收塔
和溶液泵;

所述工質換熱器的管程的輸出端分別與所述低溫冷卻吸收塔和所述高溫
冷卻吸收塔連接,所述溶液泵串聯在所述高溫冷卻吸收塔和所述低溫冷卻吸
收塔之間,以將低濃度溶液泵入所述低溫冷卻吸收塔內;

所述增壓回熱單元包括吸收劑回熱器、低溫加熱器、液壓泵、以及與所
述液壓泵同軸相連或皮帶相連的液壓馬達和液壓動力;

所述低溫冷卻吸收塔的輸出端與所述液壓泵的輸入端連接,所述液壓泵
的輸出端分別與所述吸收劑回熱器的管程和所述低溫加熱器的管程連接;

且所述液壓泵的輸出端與所述吸收劑回熱器的管程之間串聯有第一閥
門,所述液壓泵的輸出端與所述低溫加熱器的管程之間串聯有第二閥門;

所述分離單元包括用于分離膨脹工質和吸收劑的分離塔;所述做功單元
包括用于產生動力帶動負荷設備的膨脹機;

所述吸收劑回熱器的管程和所述低溫加熱器的管程的輸出端均與分離塔
連接,所述分離塔包括膨脹工質輸出端,所述膨脹工質輸出端與所述膨脹機
的輸入端連接,所述膨脹機的輸出端與所述工質換熱器的管程的輸入端連接
以實現反復循環。

本發明的吸收式循環系統中,所述吸收循環單元還包括工質溶液換熱
器;

所述工質溶液換熱器的管程串聯在所述低溫冷卻吸收塔的輸出端與所述
液壓泵之間,所述工質溶液換熱器的殼程與所述工質溶液換熱器的管程進行
換熱。

本發明的吸收式循環系統中,所述高溫冷卻吸收塔包括冷卻液管路,所
述冷卻液管路的輸出端與所述工質溶液換熱器的殼程的輸入端連通。

本發明的吸收式循環系統中,所述分離塔還包括吸收劑輸出端,所述吸
收劑輸出端與所述吸收劑回熱器的殼程的輸入端連接,所述吸收劑回熱器的
殼程的輸出端與所述液壓馬達連接,以實現高壓吸收劑進入所述液壓馬達后
推動所述液壓馬達做功。

本發明的吸收式循環系統中,所述分離塔還包括分離工質加熱管路,所
述分離工質加熱管路的輸出端與所述低溫加熱器的殼程的輸入端連接。

本發明的吸收式循環系統中,所述分離單元還包括過熱器,所述過熱器
的管程串聯在所述分離塔的所述工質輸出端與所述膨脹機之間的,所述過熱
器的殼程與所述過熱器的管程進行換熱的。

本發明的吸收式循環系統中,所述過熱器的殼程的輸入端與熱源相連,
所述過熱器的殼程的輸出端與所述分離工質加熱管路的輸入端連接。

本發明的吸收式循環系統中,所述低溫冷卻吸收塔包括低溫冷卻液管
路,所述低溫冷卻液管路的輸入輸出端分別與所述工質換熱器的殼程的輸出
輸入端相連接。

本發明還提供了一種吸收式循環方法,用于上述的吸收式循環系統,其
包括如下步驟:

S1、高溫高壓膨脹工質經過所述膨脹機膨脹做功后,從所述膨脹機的輸
出端排出的所述膨脹工質的溫度為第一溫度;

S2、膨脹工質進入所述高溫冷卻吸收塔內被浠溶液吸收并形成低濃度溶
液,膨脹工質進入所述低溫冷卻吸收塔內被低濃度溶液吸收并形成高濃度溶
液;

S3、所述低濃度溶液被所述溶液泵泵入所述低溫冷卻吸收塔內,再次吸
收膨脹工質,形成所述高濃度溶液,所述高濃度溶液經過所述低溫冷卻吸收
塔的輸出端進入所述液壓泵;

S4、所述液壓泵由同軸相連或皮帶相連的所述液壓馬達和液壓動力提供
動力,將所述高濃度溶液分別經過所述吸收劑回熱器的管程和所述低溫加熱
器的管程泵入所述分離塔內;

S5、所述高濃度溶液在所述分離塔內分離成膨脹工質和吸收劑也叫烯溶
液,所述膨脹工質通過所述膨脹工質輸出端進入所述膨脹機;

S6、所述膨脹工質在所述膨脹機內做功以產生動力帶動負荷設備;

所述第一溫度低于常溫冷卻水的溫度,使得整個循環為吸收式循環。

本發明的吸收式循環方法中,所述步驟S3還包括:

S3-1、所述高濃度溶液經過所述低溫冷卻吸收塔的輸出端后先進入一工
質溶液換熱器的管程的輸入端,再經過所述工質溶液換熱器的管程的輸出端
進入所述液壓泵;

所述步驟S5還包括:

S5-1、所述膨脹工質通過所述膨脹工質輸出端后先進入一過熱器的管程
的輸入端,再經過所述過熱器的管程的輸出端進入所述膨脹機。

本發明的吸收式循環方法中,所述吸收式循環方法包括適用于氨類、醇
類或氟利昂類的吸收工質對,所述吸收工質對包括吸收劑和被吸收劑,所述
吸收劑為所述浠溶液,所述被吸收劑為所述膨脹工質。

實施本發明的技術方案,至少具有以下的有益效果:該吸收式循環系統
使得膨脹機排出的乏氣溫度低于冷卻源的溫度,從而提高了熱效率。且該吸
收式循環系統能使得濃溶液的溫度比排出的乏氣的溫度更高,提高了進入分
離塔的濃溶液的溫度,減少了該吸收式循環系統的加熱量,從而進一步地提
高了熱效率。

另外,該吸收式循環方法可以控制液壓泵的流量和吸收劑的冷卻溫度,
液壓泵的流量越大和吸收劑的溫度越低時,吸收劑的吸收能力就越強,吸收
壓力就可以控制到越低,膨脹機的排氣溫度就越低,循環就越容易進入到吸
收循環。

附圖說明

下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明,附圖中:

圖1是本發明的一實施例中的吸收式循環系統的結構示意圖;

圖2是本發明的一實施例中的吸收式循環方法的流程圖;

圖3是本發明的吸收式循環的溫熵圖及用于對比的朗肯循環的溫熵圖;

其中,1、工質換熱器;2、低溫冷卻吸收塔;21、低溫冷卻液管路;
3、高溫冷卻吸收塔;31、冷卻液管路;4、液壓泵;5、溶液泵;6、吸收劑
回熱器;7、低溫加熱器;8、液壓馬達;9、液壓動力;10、第一閥門;
13、第二閥門;14、分離塔;143、分離工質加熱管路;15、膨脹機;16、
負荷設備;17、工質溶液換熱器;18、過熱器。

具體實施方式

為了對本發明的技術特征、目的和效果有更加清楚的理解,現對照附圖
詳細說明本發明的具體實施方式。

圖1示出了本發明中的一種吸收式循環系統,該吸收式循環系統主要運
用于發動機上,該吸收式循環系統可降低發動機的排氣壓力,從而提高熱效
率。該吸收式循環系統的循環工質對一般為氨類、醇類和氟利昂類,如氨類
氨為膨脹工質水或硝酸鋰或硫氰酸鈉等為吸收劑,且該吸收式循環系統的吸
收劑一般為浠溶液。

圖1是本發明的一實施例中的吸收式循環系統的結構示意圖,其中,英
文小寫標號是該部件的進、出口連接端口。

如圖1所示,該吸收式循環系統包括吸收循環單元、增壓回熱單元、分
離單元和做功單元。

該吸收循環單元包括工質換熱器1、低溫冷卻吸收塔2、高溫冷卻吸收塔
3和溶液泵5。且低溫冷卻吸收塔2包括低溫冷卻液管路21,該低溫冷卻液管
路21的輸入輸出端分別與該工質換熱器1的殼程的輸出輸入端相連接。該工
質換熱器1的管程的輸出端分別與該低溫冷卻吸收塔2和該高溫冷卻吸收塔3
連接,溶液泵5串聯在該高溫冷卻吸收塔3和該低溫冷卻吸收塔2之間,用
于將低濃度溶液經泵入該低溫冷卻吸收塔2內。

進一步地,如圖1所示,該吸收循環單元還包括工質溶液換熱器17。該
工質溶液換熱器17的管程串聯在該低溫冷卻吸收塔2的輸出端與該液壓泵4
之間,該工質溶液換熱器17的殼程與工質溶液換熱器17的管程進行換熱。
且該高溫冷卻吸收塔3包括冷卻液管路31,該冷卻液管路31的輸出端與該工
質溶液換熱器17的殼程的輸入端連通。

該吸收循環單元采用了低溫冷卻吸收塔2和高溫冷卻吸收塔3兩個吸收
塔,其巧妙的利用工質換熱器1回收膨脹工質膨脹做功后產生的低溫來增大
吸收能力。因為吸收劑的溫度越低吸收能力就越強,可是這里膨脹工質膨脹
做功后產生的冷量是有限的,它不能完全冷卻吸收劑,所以采用常溫水或常
溫空氣在高溫冷卻吸收塔3先冷卻吸收,然后再用從工質換熱器1回收的有
限冷源在低溫冷卻吸收塔2中進行更低溫的冷卻吸收,使吸收能力更強吸收
壓力可更低。這種結構雖然復雜,但是它的效果好,由于它在高溫吸收塔內
不是一次充分吸足,冷卻溫度可盡量高些,這樣可大幅度減少冷卻水,吸熱
后的高溫冷卻水再與從低溫冷卻吸收塔2出來的濃溶液換熱,使進入分離塔
14的濃溶液溫度更高而減少加熱量。因此它有三大特點:其一、可大幅度減
少冷卻水;其二、可增大吸收能力;其三、可使進入分離塔14的濃溶液溫度
更高而減少加熱量,提高了熱效率。

參閱圖1,該吸收循環單元的具體結構流程如下:循環工質為吸收工質
對,吸收工質對分水類、氨類、醇類和氟利昂類四大類,水類不適合本吸收
循環,本發明優選氨類、醇類和氟利昂類,不同的工質對對熱效率有較大的
影響。這里以氨類進行說明,氨類吸收工質對就是以氨為膨脹工質,水或硝
酸鋰或硫氰酸鈉等為吸收劑。膨脹工質經a3和a8分別同時進入低溫冷卻吸收
塔2和高溫冷卻吸收塔3,膨脹工質在低溫冷卻吸收塔2和高溫冷卻吸收塔3
內被同時吸收,高溫冷卻吸收塔3的冷卻源是常溫冷卻水或冷卻空氣。高溫
冷卻吸收塔3中的浠溶液從a7進入,從分離塔14過來被分離膨脹工質后的
溶液叫浠溶液,以下簡稱浠溶液,其為吸收劑,在塔內吸收膨脹工質,這里
輸出的冷卻水希望溫度盡量高些,有利于回熱和減少冷卻水用量,這樣吸收
膨脹工質后的溶液溫度較高,吸收能力變差,因此它的吸收濃度不高,這里
將在高溫冷卻吸收塔3吸收了膨脹工質的溶液叫低濃度溶液。低濃度溶液從
高溫冷卻吸收塔3的出口a6進入溶液泵5的入口b5,由溶液泵5將低濃度溶
液經b6從a2泵入低溫冷卻吸收塔2,由于低溫冷卻吸收塔2的冷卻溫度更
低,低濃度溶液在低溫冷卻吸收塔2中可進一步吸收膨脹工質,冷卻源來自
工質換熱器1,在低溫冷卻吸收塔2吸收膨脹工質后變成低溫濃溶液以下簡稱
濃溶液從a1出來與c1相連進入工質溶液換熱器17,在工質溶液換熱器17內
與另一通道的高溫冷卻水換熱,高溫冷卻水是由常溫冷卻水從a10進入高溫
冷卻吸收塔3給吸收劑冷卻升溫而來,升溫后從a9出來與c3相連進入工質溶
液換熱器17,再從c4排出,在工質溶液換熱器17換熱后的低溫濃溶液從c2
出來經b1進入液壓泵4。

浠溶液在高溫冷卻吸收塔3的頂部噴淋而下,與塔內的膨脹工質充分接
觸吸收膨脹工質,濃度增大,最后形成低濃度溶液流到高溫冷卻吸收塔3的
底部,再從a6經b5進入溶液泵5在b6出來,b6與低溫冷卻吸收塔2的a2
相連,低濃度溶液在低溫冷卻吸收塔2再吸收膨脹工質變成濃溶液流到塔
底,再從a1口抽出,反復循環達到吸收和分離目的。

如圖1所示,該增壓回熱單元包括液壓泵4、吸收劑回熱器6、低溫加熱
器7、以及與該液壓泵4同軸相連或皮帶相連的液壓馬達8和液壓動力9。上
述低溫冷卻吸收塔2的輸出端與該液壓泵4的輸入端連接,液壓泵4的輸出
端分別與該吸收劑回熱器6的管程和該低溫加熱器7的管程連接。且該液壓
泵4的輸出端與該吸收劑回熱器6的管程之間串聯有第一閥門10,該液壓泵
4的輸出端與該低溫加熱器7的管程之間串聯有第二閥門13。

參閱圖1,該增壓回熱單元具體結構流程如下:在工質溶液換熱器17換
熱后的低溫濃溶液從c2出來經b1進入液壓泵4,液壓泵4與液壓動力9及液
壓馬達8是同軸相連的,液壓泵4由液壓動力9和液壓馬達8同時帶動,液
壓動力9可以是電動機或發動機(柴油機、小型汽輪機)等,液壓動力的選
擇要視發動機功率大小而定,小型發動機通常使用電動機,大型發動機可使
用小型汽輪機做液壓動力;濃溶液在液壓泵4增壓后從b2出來,從b2出來
有兩條支路分別與第一閥門10和第二閥門13相連,第一閥門10再與吸收劑
回熱器6的d1相連,增壓后的濃溶液一部分從d1進入吸收劑回熱器6中與另
一通道的浠溶液換熱,再從d2出來。第二閥門13與低溫加熱器7的d5相
連,增壓后的濃溶液另一部分經第二閥門13從d5進入低溫加熱器7,與低溫
加熱器7中另一通道的低溫熱源換熱后從d6出來,d6與d2合并后經e2進入
分離塔14分離,調節第一閥門10和第二閥門13的流量使d6與d2的出口溫
度盡量一樣高;低溫加熱器7的熱源來自分離塔14的熱源余熱,它是熱源在
分離塔14內無法吸收的低段熱能,從分離塔14的e5出來經d7進入低溫加
熱器7中給另一通道的濃溶液加熱,加熱后從d8排出。濃溶液在分離塔14
內加熱分離后變成了兩種物質,一種是膨脹工質另一種是高溫高壓的浠溶
液,它們分兩個通道流出,加熱分離出的膨脹工質在分離塔14內的精餾裝置
進行再次精分離,得到較純的膨脹工質,從分離塔14的膨脹工質輸出端e3
口出去,高溫高壓的浠溶液從吸收劑輸出端e1排出進入吸收劑回熱器6的d3
入口,從d3入口進入吸收劑回熱器6與另一通道的低溫濃溶液熱交換變成高壓
低溫浠溶液從d4口出來,高壓浠溶液有較高的動能,它從b3進入液壓馬達8
后推動液壓馬達8做功回收動能,產生的機械功去帶動液壓泵4,做功后的高
壓低溫浠溶液變成了低壓低溫浠溶液,從b4口出來再經a7入口回到高溫冷
卻吸收塔3中。

綜上,該增壓回熱單元是吸收塔與分離塔14的連接部分,是朗肯循環或
吸收循環的控制部分,也是自耗損的主要部分,是吸收循環發動機提高效率
最主要的部分。這里的自耗損有將濃溶液泵入分離塔14的機械功,濃溶液在
分離塔14分離時要比單獨膨脹工質汽化多消耗熱能,這些熱能可以通過吸收
劑回熱器6進行回收。本發明采用吸收劑回熱器6先回熱回收浠溶液的分離
熱能,再通過液壓馬達8回收浠溶液的動能。它的優點是采用換熱器回熱的
換熱效率非常高,熱量回收率可達95%以上,液壓馬達沒有膨脹過程,只是
推動功等熵效率最高,效率可達90%以上。本發明采用吸收劑回熱器6和低
溫加熱器7分兩路同時給濃溶液加熱,比僅使用吸收劑回熱器6可大大改善
熱源的利用率。現在的吸收式結構朗肯循環和非共沸點的混合工質朗肯循
環,主要都是用來解決熱源利用問題。大部分的熱源溫度是線性的變溫熱
源,而單一工質的蒸發是一個恒溫過程,因此在蒸發溫度以下的熱源大部分
得不到利用,采用吸收工質對和非共沸點混合工質,可使工質變成變溫蒸
發,熱源利用率高。但是,現在的吸收式結構采用單一的浠溶液回熱器的回
熱方式限制了熱源低段的利用。如熱源溫度為200℃,給分離塔里的濃溶液
加熱后形成的浠溶液溫度也升高到了200℃,浠溶液返回吸收塔時與進入分
離塔14的濃溶液換熱,由于濃溶液的流量大于浠溶液的流量,濃溶液的溫度
不可能上升到浠溶液的溫度,它上升的溫度由兩者的流量比來決定,如上升
到120℃,這樣進入分離塔14的濃溶液溫度就是120℃。傳熱是由高溫向低
溫傳遞的,分離塔14中的濃溶液溫度已經到了120℃,熱源的溫度大于
120℃的部分才能給濃溶液加熱,因此,熱源中120℃以下的熱能就無法得到
利用,被直接排出,加熱效率極低。

本發明的吸收式循環系統中的增壓回熱單元采用吸收劑回熱器6和低溫
加熱器7分兩路同時給濃溶液加熱,可使在分離塔14內無法應用的低段熱能
得到充分利用。濃溶液的流量比浠溶液的流量要大些,調節第一閥門10和第
二閥門13使流經吸收劑回熱器6的濃溶液流量小于或等于另一通道的浠溶液
流量,這樣在吸收劑回熱器6回熱的濃溶液溫度會接近浠溶液的溫度。剩余
的濃溶液從低溫加熱器7通過,由分離塔14排出的熱源余熱來加熱,使熱源
各段的熱能得到充分的利用,大幅度提高了熱源的利用率。

本發明的吸收式循環系統的工作狀態調節原理如下:改變浠溶液的流量
就可改變發動機的循環狀態,浠溶液的流量越大吸收能力越強,吸收壓力就
可以越低,吸收壓力越低就越容易進入吸收循環狀態,熱轉化成功的能力越
強。本發明中改變增壓回熱部分的液壓泵4與液壓馬達8的流量比,液壓馬
達8的流量越接近液壓泵4,吸收壓力就越低就越容易進入吸收循環狀態,但
是,液壓馬達8的流量越接近液壓泵4,發動機輸出的功率就越小,熱效率也
不高,因此要合適的流量比。

如圖1所示,該分離單元包括用于分離膨脹工質和吸收劑的分離塔14;
做功單元包括用于產生動力帶動負荷設備16的膨脹機15。該吸收劑回熱器6
的管程和該低溫加熱器7的管程的輸出端均與分離塔14連接,該分離塔14
包括膨脹工質輸出端e3,該膨脹工質輸出端e3與該膨脹機15的輸入端連
接,該膨脹機15的輸出端與該工質換熱器1的管程的輸入端連接以實現反復
循環。該分離塔14還包括吸收劑輸出端e1,該吸收劑輸出端e1與該吸收劑
回熱器6的殼程的輸入端連接,該吸收劑回熱器6的殼程的輸出端與該液壓
馬達8連接,以實現高壓吸收劑進入該液壓馬達8后推動該液壓馬達8做功。
該分離塔14還包括分離工質加熱管路143,該分離工質加熱管路143的輸出
端與該低溫加熱器7的殼程的輸入端連接。

進一步地,如圖1所示,該分離單元還包括過熱器18,該過熱器18的管
程串聯在該分離塔14的膨脹工質輸出端e3與該膨脹機15之間,該過熱器18
的殼程與該過熱器18的管程進行換熱。該過熱器18的殼程的輸入端與熱源
相連,該過熱器18的殼程的輸出端與分離塔14的分離工質加熱管路143的
輸入端連接。

參閱圖1,該分離單元的具體結構流程如下:從e2進入分離塔14的濃溶
液在分離塔14中加熱分離,濃溶液在分離塔14內加熱分離后變成了兩種物
質,一種是膨脹工質另一種是浠溶液,它們分兩個通道流出,加熱分離出的
膨脹工質在分離塔14內的精餾裝置進行再次精分離,得到較純的膨脹工質,
從分離塔14的膨脹工質輸出端e3出去,浠溶液從吸收劑輸出端e1排出進入
吸收劑回熱器6的d3入口;從分離塔14的膨脹工質輸出端e3出來的膨脹工
質經f3進入過熱器18,在過熱器18里加熱成過熱氣體從f4出去;分離塔14
和過熱器18的熱源可以是鍋爐或其它類型的換熱器,它的熱源來源視不同的
結構,鍋爐類型在內部直接燃燒產生熱能直接給分離塔14和過熱器18加
熱,換熱器類型的熱源先從過熱器18的f1進入,在過熱器18內加熱膨脹工
質然后從f2排出,從f2排出的熱源溫度會降低成中溫熱源,這些中溫熱源再
從e4進入分離塔14,給分離塔14提供熱能去分離膨脹工質,放熱后的熱源
變成低溫熱源從e5出來再從d7進入低溫加熱器7,給低溫加熱器7另一通道
的濃溶液加熱,最后從d8排出或返回到熱源;被過熱器18加熱后的膨脹工
質變成高溫高壓膨脹工質從過熱器18的f4排出,從f4排出的高溫高壓膨脹
工質經g1進入膨脹機15,高溫高壓膨脹工質在膨脹機15內膨脹做功后變成
低溫低壓的膨脹工質從g2排出,同時膨脹機15產生動力帶動負荷設備16,
負荷設備16可以是發電機或其它設備。從g2排出的低溫低壓膨脹工質的溫
度比常溫要低,它經h1進入工質換熱器1,在工質換熱器1里與另一通道的
低溫冷卻液換熱,為防止低溫冷卻液凝固冷卻液選用鹽水或酒精,換熱后的
膨脹工質從h2出來,再經a3和a8分別進入低溫冷卻吸收塔2和高溫冷卻吸
收塔3,膨脹工質在吸收塔中被浠溶液吸收。工質換熱器1中換熱后的低溫冷
卻液從h4出來,h4出來的低溫冷卻液從a4進入低溫冷卻吸收塔2,在低溫
冷卻吸收塔2中冷卻低濃度溶液使它能吸收更多的膨脹工質而變成濃溶液,
冷卻后的低溫冷卻液從a5出來再從h3進入工質換熱器1,反復循環達到輸出
動力的目的。

需要說明的是,如果熱源的溫度是較低的低品味能源,如工業廢熱、地
熱等,可以不使用過熱器18,在分離出來的膨脹工質經膨脹工質輸出端e3直
接與膨脹機15的g1相連。對于溫度較高的熱源,分離塔的溫度不宜過高,
否則吸收劑也被大量的汽化,會影響發動機效率,此時采用本結構低溫分離
高溫過熱性能更好。

進一步地,工質溶液換熱器17視不同的熱源來決定是否使用,如太陽能
為熱源,從低溫加熱器7的d8排出的余熱是返回到太陽能集熱器的,它的能
量并沒有損失,這種結構要使用工質溶液換熱器17。如果從低溫加熱器7的
d8排出的余熱是直接外排不要的,工質溶液換熱器17可以不用,濃溶液可從
低溫加熱器7中吸收更多的熱能,使從低溫加熱器7的d8排出的余熱溫度更
低,不影響整體熱效率。

更需要說明的是,上述實施例中的工質換熱器、吸收劑回熱器、低溫加
熱器、工質溶液換熱器和過熱器等換熱器均可采用管式換熱器。但在實際應
用的其他實施例中,上述各個步驟中的換熱器的選型要根據工作壓力和工作
溫度來決定,工作在低溫、低壓的換熱器可選用高效率的板式換熱器,高
溫、高壓部分的換熱器可選用耐高溫、高壓的管式換熱器。

綜上,本發明的吸收式循環系統具有如下優點:

一、自耗能的回收,采用先回熱后回收動能的方式。具體地,該吸收式
循環系統中從分離塔排出的浠溶液,先經回熱器將浠溶液的熱能傳遞給進入
分離塔的濃溶液,被換熱變成低溫的高壓浠溶液再進入液壓馬達回收浠溶液
的動能。

二、低吸收壓力高濃度的吸收方式。具體地,該吸收循環單元采用了低
溫冷卻吸收塔2和高溫冷卻吸收塔3兩個吸收塔,其巧妙的利用工質換熱器1
回收膨脹工質膨脹做功后產生的低溫來增大吸收能力。兩個吸收器可以安裝
在一個外殼內,采用高、低溫兩種冷源來冷卻吸收劑浠溶液和低濃度溶液,
高溫冷源來自己常溫冷水或常溫空氣,低溫冷源來自回收膨脹機15排出的冷
氣,然后通過換熱器使進入液壓泵4的濃溶液的濃度和溫度盡量的高。

三、高純度的分離方式。具體地,先用盡量低的溫度去分離膨脹工質,
然后將分離出來的膨脹工質進行過熱。該吸收式循環系統在分離塔后面增加
了一個過熱器18,熱源先經過過熱器18然后再進入分離塔。高溫熱源直接進
入分離塔就會使吸收劑也相應有些汽化,吸收劑就會與膨脹工質混合進入膨
脹機15里膨脹做功,而吸收劑的膨脹效率要低于膨脹工質,兩種工質同時進
入膨脹機15會影響膨脹效率。值得說明有些吸收劑的沸點比膨脹工質的沸點
大很多,如用硝酸鋰或硫氰酸鈉作吸收劑,分離塔可不用帶精餾的分離塔,
同時也可以不使用過熱器18。

圖2示出了本發明中的一種吸收式循環方法,該吸收式循環方法主要用
于上述的吸收式循環系統。圖2是本發明的一實施例中的吸收式循環方法的
流程圖,如圖2所示,該吸收式循環方法包括如下步驟:

S10、高溫高壓膨脹工質經過所述膨脹機15膨脹做功后,從所述膨脹機
15的輸出端g2排出的所述膨脹工質的溫度為第一溫度;

S20、膨脹工質進入所述高溫冷卻吸收塔3內被浠溶液吸收并形成低濃度
溶液,膨脹工質進入所述低溫冷卻吸收塔2內被低濃度溶液吸收并形成高濃
度溶液;

S30、該低濃度溶液被該溶液泵5泵入該低溫冷卻吸收塔2內,再次吸收
膨脹工質,形成該高濃度溶液,該高濃度溶液經過該低溫冷卻吸收塔2的輸
出端進入該液壓泵4;

S40、該液壓泵4由同軸相連或皮帶相連的該液壓馬達8和液壓動力9提
供動力,將該高濃度溶液分別經過該吸收劑回熱器6的管程和該低溫加熱器7
的管程泵入該分離塔14內;

S50、該高濃度溶液在該分離塔14內分離成膨脹工質和吸收劑也叫浠溶
液,該膨脹工質通過該膨脹工質輸出端e3進入該膨脹機15;

S60、該膨脹工質在該膨脹機15內做功以產生動力帶動負荷設備16。

需要說明的是,上述的第一溫度低于上述的常溫冷卻水的溫度,使得整
個循環為吸收式循環。使用時,增大浠溶液和冷卻水的流量,降低吸收壓
力,使得第一溫度低于常溫冷卻水的溫度,從而使得運用了該吸收式循環方
法的吸收式循環系統的工作狀態進入吸收循環。

在一些實施例中,上述步驟S30還包括:

S30-1、該高濃度溶液經過該低溫冷卻吸收塔2的輸出端后先進入一工質
溶液換熱器17的管程的輸入端與殼程換熱,再經過該工質溶液換熱器17的
管程的輸出端進入該液壓泵4;

在一些實施例中,該步驟S50還包括:

S50-1、該膨脹工質通過該膨脹工質輸出端e3后先進入一過熱器18的管
程的輸入端與殼程換熱,再經過該過熱器18的管程的輸出端進入該膨脹機
15。

綜上,上述的吸收式循環系統使得膨脹機15排出的乏氣溫度低于冷卻源
的溫度,從而提高了熱效率。且該吸收式循環系統能將濃溶液的溫度比排出
的乏氣更高,使進入分離塔的濃溶液溫度提高,而減少了該吸收式循環系統
的加熱量,從而進一步地提高了熱效率。

另外,通過上述的吸收式循環方法可以控制液壓泵4的流量和吸收劑的
冷卻溫度,液壓泵4的流量越大和吸收劑的溫度越低時,吸收劑的吸收能力
就越強,吸收壓力就可以控制到越低,膨脹機15的排氣溫度就越低,循環就
越容易進入到吸收循環。

具體地,當膨脹機15排出的乏氣溫度低于冷卻源如冷卻水的溫度時,冷
卻水不可能冷凝溫度比它還低的乏氣,此時的乏氣只有被吸收才能循環。則
當乏氣溫度小于或等于冷卻源的溫度時就完全是吸收循環,當乏氣溫度高于
冷卻源的溫度時乏氣可依靠冷卻水冷凝,此時為朗肯循環或為混合循環,即
上述的第一溫度低于上述的冷卻水的溫度,使得整個循環為吸收式循環。

從朗肯循環的定義能明顯區分本發明的吸收循環與朗肯循環的區別,朗
肯循環的定義是包括一個等溫壓縮過程、一個等壓加熱過程、一個等熵膨脹
過程、一個等壓冷凝過程。圖1所示的結構的增壓(壓縮)過程也是等溫壓
縮,加熱也是在等壓下加熱,膨脹也是等熵膨脹,而冷凝則可以在等壓下冷
凝成液態,也可以是在等壓下吸收成液態。顯然在等壓下冷凝成液態的循環
模式與朗肯循環完全相同,完全屬于朗肯循環,而等壓吸收液化與等壓冷凝
液化是不同的,它不僅過程不同,產生的結果也大不相同,計算方式也大不
同,因此不能把這種吸收液化循環定為朗肯循環,應該定為吸收循環。

更具體的說,類似于圖1這種吸收式結構它可以工作在朗肯循環或朗肯循
環與吸收循環的混合循環,還可以工作在本發明中的吸收循環,它們的區別
就在于吸收塔的吸收壓力導致的膨脹機膨脹后的溫度,即上述的第一溫度低
于上述的冷卻水的溫度為吸收循環。吸收循環的性能大大優于朗肯循環,本
發明優選吸收循環工作模式。

如圖3所示,圖3是本發明的吸收式循環的溫熵圖及用于對比的朗肯循
環的溫熵圖。圖中過程1、2、3、4、1是朗肯循環,過程1、2、3、4’、1
和過程1’、2’、3、4’、1’是吸收循環。

朗肯循環溫熵圖:液態工質從點1經液壓泵等熵增壓進入加熱器至點2
(如鍋爐、換熱器或吸收式結構的分離塔),由于液體增壓的溫度不變,在
溫熵圖中點1和點2是重合的,在加熱器里等壓加熱汽化或在分離塔里等壓
分離成高溫高壓的膨脹工質后至點3,再進入膨脹機去膨脹做功。在熱力循
環中最大的難點在于工質在膨脹機里膨脹到什么狀態為止,只要準確的知道
膨脹后的狀態,就可以通過查表法非常精準的計算出發動機的熱效率等各參
數。在理論循環中是按等熵膨脹的,它的膨脹終了是由冷凝壓力決定的,而
朗肯循環的冷凝壓力是由冷凝溫度決定的,如水工質朗肯循環的冷凝溫度是
30℃,查表得它的飽和壓力是0.004247MPa。因此高溫高壓的膨脹工質進入
膨脹機等熵膨脹至壓力0.004247MPa后將停止膨脹,至圖3中的點4。從點4
經冷凝水冷凝成液體回到點1,在冷凝過程冷卻水的溫度會有些上升,但被
冷凝的膨脹工質溫度并不上升,所以冷凝過程可以視為等溫冷凝。在實際循
環中膨脹機是達不到等熵膨脹的,膨脹機有漏氣損失、傳熱損失、不完全膨
脹損失等,無法達到等熵效率,由于這些損失它會產生熵增,結果會膨脹到
點5的位置。如果點4含有濕度熵增后的點5有可能與點4平行在等溫線上,
如果點4是飽和氣體熵增后的點5就會是過飽和氣體,溫度就會高于點4,就
如圖3中的點5。狀態點5的確定得先求出狀態點4,點5是在點4的基礎求
得。

吸收循環溫熵圖:吸收了膨脹工質的濃溶液從點1經液壓泵等熵增壓進
入分離塔,由于液體增壓的溫度不變,在溫熵圖中點1和點2是重合的,在
分離塔里等壓加熱汽化分離成高溫高壓的膨脹工質后至點3,再進入膨脹機
去膨脹做功。這里進入膨脹機膨脹后的終止狀態是由吸收塔的吸收壓力來決
定的,吸收壓力是由吸收劑的濃度和溫度決定的,吸收劑的濃度和溫度越低
吸收后的壓力就越低,吸收劑的濃度可調節吸收劑的流量來改變,吸收壓力
越低膨脹后的溫度越低。因此,吸收循環可以使膨脹后的溫度低于冷卻源
(如冷卻水)的溫度,可膨脹到點4’。從4’至1或1’是吸收過程,吸收
過程溶液會升溫,點1’是本發明增加了工質溶液換熱器17的吸收循環,它
的吸收溫度可比常規吸收結構的高。

從圖3中可看出,即使吸收壓力可以很低,但是膨脹機不按吸收循環的
膨脹比來設計制造,膨脹機的內效率就會很低,實際循環膨脹后的狀態就有
可能從狀態點4’熵增膨脹至點5,就變成了混合循環,顯然先確定狀態再來
設計計算才能做出完美的發動機。混合循環的狀態點4不好確定就很難進行
計算,甚至無法設計計算。

具體的計算案例如下:工質對采用氨與水,氨是膨脹工質水是吸收劑,
分別按朗肯循環和吸收式循環來設計計算,對比它們兩者的熱效率,兩種循
環的溫熵圖見圖3。

朗肯循環:朗肯循環的溫熵圖是圖3中的1至2至3至4再返回到1的
過程,由于朗肯循環是靠冷卻水冷凝的,它的冷凝溫度按30℃計算,不考慮
傳熱溫差,即T1=T2=30℃。如工作溫度400℃,工作壓力5MPa。查表得:
T2=30℃、h2=484.92KJ/Kg;加熱至點3的參數是,T3=400℃、
h3=2583.1KJ/Kg、S3=7.1034KJ/Kg-K、P3=5MPa。

加熱量是:h3-h2=2583.1KJ/Kg-484.92KJ/Kg=2098.18KJ/Kg。

膨脹至點4的各參數是由狀態3,按S3=7.1034KJ/Kg-K等熵膨脹至30℃
冷凝溫度對應的飽和壓力1.1672MPa,查表得T4=239.89℃、
h4=2171.6KJ/Kg、S4=S3=7.1034KJ/Kg-K。

膨脹功是:h3-h4=2583.1KJ/Kg-2171.6KJ/Kg=411.5KJ/Kg。

指示熱效率=膨脹功/加熱量=411.5KJ/Kg/2098.18KJ/Kg=0.196=19.6%。

吸收式循環:吸收循環的溫熵圖是圖3中的1’至2’至3至4’再返回
到1’的過程,工作溫度也是400℃,工作壓力也是5MPa。吸收循環的吸收
壓力是由結構和浠溶液流量及冷卻溫度決定的,這里按0.05MPa來計算,冷
卻后的水溫度可達50℃,即吸收后濃溶液T2的溫度可達50℃。

查表得T2’=50℃、h2’=583.77KJ/Kg;加熱至點3的參數是,
T3=400℃、h3=2583.1KJ/Kg、S3=7.1034KJ/Kg-K、P3=5MPa;膨脹至點4’
的各參數是,T4’=-17.06℃、h4’=1603.7KJ/Kg、S4’=7.1034KJ/Kg-K。

加熱量是:h3-h2’=2583.1KJ/Kg-583.77KJ/Kg=1999.33KJ/Kg;

膨脹功是:h3-h4’=2583.1KJ/Kg-1603.7KJ/Kg=979.4KJ/Kg;

指示熱效率=膨脹功/加熱量=979.4KJ/Kg/1999.33KJ/Kg=0.4898=48.98%

從以上計算可知朗肯循環0.196的指示效率是非常低的,由于氨在常溫
下冷凝的壓力非常的高達1.1672MPa,因為它是內循環,5MPa的高壓膨脹至
1.1672MPa后就無法膨脹了,沒有得到充分的膨脹做功,所以采用氨做工質
用于朗肯循環的熱效率是非常低的。采用吸收式來吸收膨脹工質,可使壓力
更低,對于常溫不能冷凝至低壓的工質來說,非常明顯的提高了指示效率。

400℃、5MPa的高壓氨氣等熵膨脹至0.05MPa,查表得它膨脹后的溫度
是-17℃,如吸收壓力更低,膨脹后的溫度還會更低,這樣低的溫度完全可以
用于工業制冷或空調使用。本發明將圖1中的工質換熱器1的h3和h4與外
界的換熱器相連,就可對外輸出冷能,此時低溫冷卻吸收塔2可以停用或將
a4和a5通過閥門改用常溫冷卻水使用。由于工質換熱器1的h3和h4輸出了
冷能,高溫冷卻吸收塔3的a9和a10輸出了熱水,膨脹機15帶動的負荷16
可以是發電機,這樣本發明就可以同時輸出冷、熱、電三種能源,可實現冷、
熱、電三聯供。采用冷、熱、電輸出模式時,由于膨脹機輸出的冷能沒有用
在低溫冷卻吸收塔2中來冷卻低濃度吸收劑,吸收壓力只能靠改變浠溶液的
濃度,自耗能和吸收壓力會有所提高,發動機的效率會有所下降,但冷能得
到其它領域的應用,產生了別的價值,也是有非常實用的價值的。

需要說明的是,目前已公布的吸收式結構發動機,并沒有描述進行吸收
循環的方法,甚至有些說明自己是朗肯循環,如它們進行吸收循環屬侵犯本
發明。

以上所述僅為本發明的優選實施例而已,并不用于限制本發明,對于本
領域的技術人員來說,本發明可以有各種更改、組合和變化。凡在本發明的
精神和原則之內,所作的任何修改、等同替換、改進等,均應包含在本發明
的權利要求范圍之內。

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吸收 循環系統 循環 方法
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