专利名称：高效率热机的制作方法
高效率热机属热机制造领域。
现有的热机效率一般不超过40％，内燃机效率因为采用活塞式发动机而更低。原因主要有三个方面第一，燃气或蒸气还具有一定动能时就已喷出；第二，燃气或蒸气具有较高温度而不能再做功也被排出了；第三，内燃机因为是往复活塞式，损失了一部分机械能。
本发明目的是通过改变做功的方式及将余热直接与空气混合或间接加热空气的方法，使空气受热膨胀而再做功，达到提高效率的目的。对于低品位的能源，如太阳能，余热，海水温差能，可用于作功、发电。从而从根本上改革现有的热机，通过一次一次的再加热膨胀，做功，从理论上实现第二类永动机——即将从一个热源吸收的热全部用于做功。
技术方案在一个隔热性能良好的系统内，经内燃或外燃产生的、具有某设定压强值的高温做功工质(设质量、压强、体积、温度分别为m、P0、V0、T0)(此方法相当于布拉顿循环)，通过与主轴(主轴采用很低的转速转动，以减少排出的工质的动能损失。)以速度离合器相联、且只能单方向旋转的叶轮(附图一)对外做功，当工质在叶轮腔充分膨胀、压强接近大气压时，动能趋近于零、温度变为T1，设大气压P＝1atm，温度T＝300K，则此时热效率η＝1-Qη2/Q1＝1-(T1-300K)/(T0-300K)。
设T0＝1300K，由绝热过程方程知1.4-1T1＝T0(1/r)若压缩比r＝7，T1＝T0×0.45＝585K，则η＝71.5％若压缩比r＝20，T1＝T0×0.30＝490K，则η＝81％。
做功后温度为T1的工质，经与空气直接或间接换热后，空气温度上升，压强增加，可抽气压入同样结构的叶轮进行做功。输出的功经速度离合器传输给主轴，从而将废弃的热能用于做功。经膨胀做功后排出的较高温空气(相比环境温度)又加热另外的空气，使得空气膨胀做功不断循环进行。假设换热器足够长，足够换热、排出的工质最终温度接近大气温度，则“所有的”热量都用于了做功。加热空气与加热水要吸收大量的热(尤其是汽化热)相比，热交换效率要高得多。另外，若采用的隔热系统“完全”隔热，则因为机械磨擦产生的热也会用于膨胀做功。即理论上可实现将吸收的热能全部用于做功的第二类永动机。
在实际运用中，空气进口须采取单向导通阀，即只进气不出气，以保证空气受热后的压强高于大气压能做功。做功工质压强设定值、温度要尽可能高，以提高效率。
该发明的有益效果从以上可以看到，工质的动能可全部用于推动叶轮，直至动能为零、叶轮不动不止，工质的压强也趋于大气压；另一方面，工质的热能还可以进行再利用于使空气膨胀做功；第三，没有活塞式往复运动，效率比内燃机高得多；第四，在一个密封隔热的条件下，机械摩擦产生的热也可用于做功；克服了步拉顿循环和奥托循环的不足，利用了现有的发动机大多没有利用的废热及动能。从理论上说，只要有温差，该热机就能用于做功，并能将热能都用于做功，即从理论上实现了第二类永动机。从而可以利用低品位的能源——太阳能，海水温差所具有的能、热水、热力发电机排放的热能等。而且人类可将海水的温差用于发电、抽水灌溉、既可解决能源危机，土地沙漠化，还可降低地球变暖的速度；对整个世界具有不可估量的节能效果和环境创优的作用。
单向旋转且与主轴采用速度离合器相联接的叶轮如附图一所示由进气口1进入的做功工质冲击叶轮的叶片充分膨胀作功，一直到压强接近P＝1atm，叶轮停止转动，在叶轮腔足够大的前提下，此时工质尚没有由排气口2排出。叶轮的轴受棘轮控制，只能朝一个方向旋转做功，能不断进、出做功工质，相当于一个“无限长的气缸”，能不断膨胀而不需回复，只要有大于外界的压强就能膨胀做功。这种方式用于等温和绝热膨胀具有关键技术意义。这就解决了《普通物理学》(程守洙、江之永，1982年)第306页所叙述的我们不可能做一个无限长的气缸用于膨胀做功；即使不切实际的把气缸做得很长，当压强与外界相等时又不能做功。第一个不可能可由能不断膨胀、循环转动做功的叶轮实现；第二个不可能，可将具有高于环境温度的工质用于加热另外的工质(如空气)膨胀再做功，又能用于做功。
附图一中1-进气口 2-排气口 3-外壁 4-叶片 5-叶轮轴 6-密封件实现本专利的最好方式本专利理论上热效率会很高，但为了使发动机体积不至于过于庞大，须限制换热器的体积，以适用于不同工作要求的发动机。另外，主轴采用低速旋转，可最大限度利用工质的动能，减少动能损失。此种方法还可用于水力发电机中提高效率。
做工工质在燃烧室或生成室受热膨胀时由限压阀控制压强，压强达到限定值时才进行膨胀做功，此方法可使用多种燃料，便于汽车的燃料替代，如酒精、烃类、天然气等。且压缩比可由压强的限定值来调节，对燃料没有严格要求，只要燃烧时温度较高时就可以使用。
权利要求
1.这种能将热能(包括低品位的能源)绝大部分用于做功的高效率热机。
2.这种使做功工质的压强只要大于大气压就能做功、做功工质的动能几乎全部转化为有用功、并且能连续充分膨胀做功的单向旋转的叶轮。
3.将做功后的工质直接或间接加热空气再用于重新膨胀做功从而更好地提高热机效率的方式(与加热水的较低效率比较)、整个热机系统采用绝热密闭方式，从而使理论上实现第二类永动机成为可能的热机。
4.主轴采用低速运转、以最大限度利用工质的动能的方式，以及在其他发动机如水力发电机中的运用。
全文摘要
高效率热机属热机制造领域。高效率热机需要解决的是热机效率的提高、低品位能源的实际利用。主要技术特征是将热机做功时的工质的动能经过单向旋转的叶轮变为输出功，直至工质完全膨胀后的压强与外界压强接近时为止。叶轮与输出主轴采用速度离合器相联接，使叶轮转速较低时与输出主轴脱离。输出主轴采用低速旋转的方法以利用绝大部分动能。经膨胀做功后的工质温度仍高于环境温度，可直接或者间接加热密闭的空气使之膨胀再做功，以提高热效率，而膨胀做功后的空气还能再做功，使热能尽可能多地转变为输出功，此外，采用闭合隔热的系统，机械摩擦热损失也可加热空气膨胀转变为有用的功，以从理论上实现第二类永动机。该发明主要用于将热能变为机械能的各种发动机、发电机及温差发电、废热利用等。主要的热能——机械能转化装置由如摘要附图表示的叶轮来完成。
文档编号F02C3/00GK1734072SQ0210293
公开日2006年2月15日 申请日期2002年1月31日 优先权日2002年1月31日
发明者金荣国 申请人:金荣国