專利名稱：高效率熱機(jī)的制作方法
高效率熱機(jī)屬熱機(jī)制造領(lǐng)域。
現(xiàn)有的熱機(jī)效率一般不超過40％，內(nèi)燃機(jī)效率因?yàn)椴捎没钊桨l(fā)動(dòng)機(jī)而更低。原因主要有三個(gè)方面第一，燃?xì)饣蛘魵膺€具有一定動(dòng)能時(shí)就已噴出；第二，燃?xì)饣蛘魵饩哂休^高溫度而不能再做功也被排出了；第三，內(nèi)燃機(jī)因?yàn)槭峭鶑?fù)活塞式，損失了一部分機(jī)械能。
本發(fā)明目的是通過改變做功的方式及將余熱直接與空氣混合或間接加熱空氣的方法，使空氣受熱膨脹而再做功，達(dá)到提高效率的目的。對(duì)于低品位的能源，如太陽(yáng)能，余熱，海水溫差能，可用于作功、發(fā)電。從而從根本上改革現(xiàn)有的熱機(jī)，通過一次一次的再加熱膨脹，做功，從理論上實(shí)現(xiàn)第二類永動(dòng)機(jī)——即將從一個(gè)熱源吸收的熱全部用于做功。
技術(shù)方案在一個(gè)隔熱性能良好的系統(tǒng)內(nèi)，經(jīng)內(nèi)燃或外燃產(chǎn)生的、具有某設(shè)定壓強(qiáng)值的高溫做功工質(zhì)(設(shè)質(zhì)量、壓強(qiáng)、體積、溫度分別為m、P0、V0、T0)(此方法相當(dāng)于布拉頓循環(huán))，通過與主軸(主軸采用很低的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，以減少排出的工質(zhì)的動(dòng)能損失。)以速度離合器相聯(lián)、且只能單方向旋轉(zhuǎn)的葉輪(附圖一)對(duì)外做功，當(dāng)工質(zhì)在葉輪腔充分膨脹、壓強(qiáng)接近大氣壓時(shí)，動(dòng)能趨近于零、溫度變?yōu)門1，設(shè)大氣壓P＝1atm，溫度T＝300K，則此時(shí)熱效率η＝1-Qη2/Q1＝1-(T1-300K)/(T0-300K)。
設(shè)T0＝1300K，由絕熱過程方程知1.4-1T1＝T0(1/r)若壓縮比r＝7，T1＝T0×0.45＝585K，則η＝71.5％若壓縮比r＝20，T1＝T0×0.30＝490K，則η＝81％。
做功后溫度為T1的工質(zhì)，經(jīng)與空氣直接或間接換熱后，空氣溫度上升，壓強(qiáng)增加，可抽氣壓入同樣結(jié)構(gòu)的葉輪進(jìn)行做功。輸出的功經(jīng)速度離合器傳輸給主軸，從而將廢棄的熱能用于做功。經(jīng)膨脹做功后排出的較高溫空氣(相比環(huán)境溫度)又加熱另外的空氣，使得空氣膨脹做功不斷循環(huán)進(jìn)行。假設(shè)換熱器足夠長(zhǎng)，足夠換熱、排出的工質(zhì)最終溫度接近大氣溫度，則“所有的”熱量都用于了做功。加熱空氣與加熱水要吸收大量的熱(尤其是汽化熱)相比，熱交換效率要高得多。另外，若采用的隔熱系統(tǒng)“完全”隔熱，則因?yàn)闄C(jī)械磨擦產(chǎn)生的熱也會(huì)用于膨脹做功。即理論上可實(shí)現(xiàn)將吸收的熱能全部用于做功的第二類永動(dòng)機(jī)。
在實(shí)際運(yùn)用中，空氣進(jìn)口須采取單向?qū)ㄩy，即只進(jìn)氣不出氣，以保證空氣受熱后的壓強(qiáng)高于大氣壓能做功。做功工質(zhì)壓強(qiáng)設(shè)定值、溫度要盡可能高，以提高效率。
該發(fā)明的有益效果從以上可以看到，工質(zhì)的動(dòng)能可全部用于推動(dòng)葉輪，直至動(dòng)能為零、葉輪不動(dòng)不止，工質(zhì)的壓強(qiáng)也趨于大氣壓；另一方面，工質(zhì)的熱能還可以進(jìn)行再利用于使空氣膨脹做功；第三，沒有活塞式往復(fù)運(yùn)動(dòng)，效率比內(nèi)燃機(jī)高得多；第四，在一個(gè)密封隔熱的條件下，機(jī)械摩擦產(chǎn)生的熱也可用于做功；克服了步拉頓循環(huán)和奧托循環(huán)的不足，利用了現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)大多沒有利用的廢熱及動(dòng)能。從理論上說，只要有溫差，該熱機(jī)就能用于做功，并能將熱能都用于做功，即從理論上實(shí)現(xiàn)了第二類永動(dòng)機(jī)。從而可以利用低品位的能源——太陽(yáng)能，海水溫差所具有的能、熱水、熱力發(fā)電機(jī)排放的熱能等。而且人類可將海水的溫差用于發(fā)電、抽水灌溉、既可解決能源危機(jī)，土地沙漠化，還可降低地球變暖的速度；對(duì)整個(gè)世界具有不可估量的節(jié)能效果和環(huán)境創(chuàng)優(yōu)的作用。


單向旋轉(zhuǎn)且與主軸采用速度離合器相聯(lián)接的葉輪如附圖一所示由進(jìn)氣口1進(jìn)入的做功工質(zhì)沖擊葉輪的葉片充分膨脹作功，一直到壓強(qiáng)接近P＝1atm，葉輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，在葉輪腔足夠大的前提下，此時(shí)工質(zhì)尚沒有由排氣口2排出。葉輪的軸受棘輪控制，只能朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)做功，能不斷進(jìn)、出做功工質(zhì)，相當(dāng)于一個(gè)“無(wú)限長(zhǎng)的氣缸”，能不斷膨脹而不需回復(fù)，只要有大于外界的壓強(qiáng)就能膨脹做功。這種方式用于等溫和絕熱膨脹具有關(guān)鍵技術(shù)意義。這就解決了《普通物理學(xué)》(程守洙、江之永，1982年)第306頁(yè)所敘述的我們不可能做一個(gè)無(wú)限長(zhǎng)的氣缸用于膨脹做功；即使不切實(shí)際的把氣缸做得很長(zhǎng)，當(dāng)壓強(qiáng)與外界相等時(shí)又不能做功。第一個(gè)不可能可由能不斷膨脹、循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)做功的葉輪實(shí)現(xiàn)；第二個(gè)不可能，可將具有高于環(huán)境溫度的工質(zhì)用于加熱另外的工質(zhì)(如空氣)膨脹再做功，又能用于做功。
附圖一中1-進(jìn)氣口 2-排氣口 3-外壁 4-葉片 5-葉輪軸 6-密封件實(shí)現(xiàn)本專利的最好方式本專利理論上熱效率會(huì)很高，但為了使發(fā)動(dòng)機(jī)體積不至于過于龐大，須限制換熱器的體積，以適用于不同工作要求的發(fā)動(dòng)機(jī)。另外，主軸采用低速旋轉(zhuǎn)，可最大限度利用工質(zhì)的動(dòng)能，減少動(dòng)能損失。此種方法還可用于水力發(fā)電機(jī)中提高效率。
做工工質(zhì)在燃燒室或生成室受熱膨脹時(shí)由限壓閥控制壓強(qiáng)，壓強(qiáng)達(dá)到限定值時(shí)才進(jìn)行膨脹做功，此方法可使用多種燃料，便于汽車的燃料替代，如酒精、烴類、天然氣等。且壓縮比可由壓強(qiáng)的限定值來調(diào)節(jié)，對(duì)燃料沒有嚴(yán)格要求，只要燃燒時(shí)溫度較高時(shí)就可以使用。
權(quán)利要求
1.這種能將熱能(包括低品位的能源)絕大部分用于做功的高效率熱機(jī)。
2.這種使做功工質(zhì)的壓強(qiáng)只要大于大氣壓就能做功、做功工質(zhì)的動(dòng)能幾乎全部轉(zhuǎn)化為有用功、并且能連續(xù)充分膨脹做功的單向旋轉(zhuǎn)的葉輪。
3.將做功后的工質(zhì)直接或間接加熱空氣再用于重新膨脹做功從而更好地提高熱機(jī)效率的方式(與加熱水的較低效率比較)、整個(gè)熱機(jī)系統(tǒng)采用絕熱密閉方式，從而使理論上實(shí)現(xiàn)第二類永動(dòng)機(jī)成為可能的熱機(jī)。
4.主軸采用低速運(yùn)轉(zhuǎn)、以最大限度利用工質(zhì)的動(dòng)能的方式，以及在其他發(fā)動(dòng)機(jī)如水力發(fā)電機(jī)中的運(yùn)用。
全文摘要
高效率熱機(jī)屬熱機(jī)制造領(lǐng)域。高效率熱機(jī)需要解決的是熱機(jī)效率的提高、低品位能源的實(shí)際利用。主要技術(shù)特征是將熱機(jī)做功時(shí)的工質(zhì)的動(dòng)能經(jīng)過單向旋轉(zhuǎn)的葉輪變?yōu)檩敵龉?，直至工質(zhì)完全膨脹后的壓強(qiáng)與外界壓強(qiáng)接近時(shí)為止。葉輪與輸出主軸采用速度離合器相聯(lián)接，使葉輪轉(zhuǎn)速較低時(shí)與輸出主軸脫離。輸出主軸采用低速旋轉(zhuǎn)的方法以利用絕大部分動(dòng)能。經(jīng)膨脹做功后的工質(zhì)溫度仍高于環(huán)境溫度，可直接或者間接加熱密閉的空氣使之膨脹再做功，以提高熱效率，而膨脹做功后的空氣還能再做功，使熱能盡可能多地轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵龉Γ送?，采用閉合隔熱的系統(tǒng)，機(jī)械摩擦熱損失也可加熱空氣膨脹轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫墓Γ詮睦碚撋蠈?shí)現(xiàn)第二類永動(dòng)機(jī)。該發(fā)明主要用于將熱能變?yōu)闄C(jī)械能的各種發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)及溫差發(fā)電、廢熱利用等。主要的熱能——機(jī)械能轉(zhuǎn)化裝置由如摘要附圖表示的葉輪來完成。
文檔編號(hào)F02C3/00GK1734072SQ0210293
公開日2006年2月15日 申請(qǐng)日期2002年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月31日
發(fā)明者金榮國(guó) 申請(qǐng)人:金榮國(guó)