专利名称：热机循环工作方法和单热源热机的制作方法
技术领域：
本发明涉及热能与动力领域，尤其是一种热机循环工作方法和单热源热机。
背景技术：
根据热力学的基本定律，热机必须需要两个不同温度的热源。然而世界上所有热机的低温热源都是由工质在膨胀做功过程中自行制造的，低温热源的状态 则由高温热源状态下工质的状态参数决定。而高温热源则通常是通过燃烧燃料构建的。为此，人类消耗了大量能源，也对环境造成了严重污染。如果能够发明一种通过传质手段改变高温热源状态下工质的状态参数，使工质在膨胀做功过程达到终了时，能够自行制造一个工质温度等于或低于环境温度的热源，就构成了单热源热机，使热机的效率发生本质性提高。
发明内容
一般说来，单热源热机是典型的第二类永动机，是不可实现的，我们对这一结论深信不疑。然而，一般意义上的单热源热机都是只有热量传递没有质量传递的热力学过程，如果将传质引入热力学过程，情况就会发生根本的变化。无论在热力学过程中引入传质有多大学术理论价值，也无论有无学术理论瑕疵，但在现实热动力工业领域中如果能够通过传质手段使单热源热机成为可能，则具有划时代的意义。那么，如何利用传质手段使单热源热机成为可能，现以下例作为说明如果我们将气体通过绝热压缩手段压缩到一定的压力和温度状态，这时开始膨胀做功，工质将恢复压缩冲程开始时的状态(假设绝热压缩过程和绝热膨胀做功过程都是可逆的)，系统输出的功和需要的功相同，因而系统不可能对外输出动力；然而如果在将要开始绝热膨胀做功之前向气体工质内导入膨胀剂(膨胀剂简称为PZJ)，只要膨胀剂的量和热力学性质合适，被导入膨胀剂的气体工质就会降温升压，降温升压后的工质再膨胀做功达到的最终状态的温度就会低于压缩冲程开始时的温度，这时系统输出的功将大于系统需要的功，因此系统可以对外输出动力，构成以压缩冲程开始状态的工质为热源的热机，这就相当于利用传质的手段在环境中建立了一个温度低于环境的热源，这个热源就是膨胀做功完了后的工质，而膨胀做功完了后的工质无法将自己内部的热量传给环境，但可与环境混合，最终仍然是工作在一个热源(环境)下的热机。下面，我们从理论上加以证明众所周知，在传统热力学领域中的绝热过程存在PFir = C (其中，P是压力『是体积是绝热指数是常数)的数学关系式，在P — V图上任何两条绝热线是不可能相交的，如果相交将构成早热源热机，而单热源热机是不可能存在的，因此，图13中的两个绝热线是永远无法相交的。然而如果我们导入的膨胀剂改变了值(*是工质的绝热指数)，则必然导致膨胀剂导入前的绝热线和膨胀剂导入后的绝
热线相交，图3所示是A 的情况，在图3中A-B-D-A构成单热源循环，因而构成单热源热机。图4所示是K2 < 的情况，在图4中A-B-D-A7-A构成单热源循环，也构成了单热源热机。这两个例子，从理论上说明通过传质的手段是可以使单热源热机成为可能的。不仅如此，即便加入的膨胀剂不改变K值(即= A，但是由于膨胀剂的导入，可在膨胀做功过程终了时的工质的压力大于或等于压缩过程起点时的压力的条件下，使膨胀做功过程终了时的工质的体积大于压缩过程起点时的工质的体积，并使膨胀做功后工质的温度等于或低于压缩过程起点时的工质的温度；由于膨胀做功后工质的温度等于或低于压缩过程起点时的工质的温度，所以，膨胀做功后的工质无法对环境传热，放出后与环境混合时，也不对环境放热，因此也可以构成单热源循环，即构成单热源热机，图2所示就是这种情况，图中K2=K1,点hi的工质温度等于或低于点A的工质温度，A-B-D-A7-A构成单热源循环，因而构成单热源热机。图12中如果走f和g线则是卡诺循环，在有膨胀剂导入的情况下，点A7的工质温度等于或低于点A的工质温度，由图12可见，单热源循环A-B-D-A7-A的单一循环的功大于卡诺循环。图1、2、3、4和图12中，B-D过程可以是外部加热过程，也可以是内燃加热过程；点D工质的温度可以高于、等于或低于点B工质的温度。这种单热源热机也可以定义为高温热源热机、亚高温热源热机或无低温热源热机，即无冷源热机。热力学第二定律具有代表性的两种阐述方式是一是开尔文的阐述方式，即“不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不引起其他变化。”；二是克劳修斯的阐述方式，即“不可能把热量从低温物体传到高温物体而不产生其他影响”。卡诺在其1824年发表的《论火的动力》论文中提出热机必须工作在两个热源之间，从高温热源吸取热量，又把所吸取热量的一部分传递给低温热源，只有这样才能获得机械功。而且卡诺根据这一
结论提出了著名的卡诺定理，即^ = 1-Γ2/ ，(其中，7为循环效率，T1为高温热源的温度，
T2为低温热源的温度)，卡诺定理是目前热机理论中具有指导性意义的定理。目前人们对卡诺定理的理解是将工质在高温热源温度下等温膨胀过程中从高温热源中吸取的热量视为卡诺定理中的“从高温热源吸取热量”的热量；把工质向环境排出的热量视为卡诺定理中的“把所吸取热量的一部分传递给低温热源”的那一部分热量。然而，在实际热机循环中，高温热源都是人为制造的，而低温热源都是根据高温热源下工质的状态(温度和压力)以及工质的热力学性质，由工质在膨胀过程中自行制造的。例如，在外燃机中，使高温热源下的工质的状态参数达到这样一种情况即膨胀做功终了时工质的温度低于甚至大幅度低于环境温度。这样一个循环过程所输出的功一定会接近、等于或超过从高温热源中吸收的热量，换句话说，其效率一定会接近、等于或超过100%，如果膨胀做功的工质的温度低于环境温度，就不可能向低温热源排热但是可以从低温热源吸热或被导出，被导出的工质可以被抛入任何温度的其他热源(包括高温热源)。再例如在内燃机中，内燃机的高温热源是燃料燃烧后的工质，低温热源(也可称为冷源)是膨胀做功后的工质，而膨胀做功后的工质的状态是由燃料燃烧后的工质的状态所决定的。在这种情况下，如果向高温热源温度下的工质内注入膨胀剂并使膨胀剂在高温热源温度下吸收热量升压或发生气化(含临界化过程和过热过程)升压，而且使燃料燃烧后的工质的状态参数达到一定的值，就可以使膨胀做功后的工质的温度低于甚至大幅度低于环境温度，这样一个循环过程所输出的功一定会接近、等于或超过从高温热源中吸收的热量，换句话说，其效率一定会接近、等于或超过100%，如果膨胀做功的工质的温度低于环境温度，就不可能向低温热源排热但是可以从低温热源吸热或被导出，被导出的工质可以被抛入任何温度的其他热源(包括高温热源)。这两个例子从表面上看，都造成了用现有的热力学理论和定理无法解释的状况。因此，目前人们对卡诺定理的理解是存在误区的，那么所谓的“从高温热源吸取热量”的热量究竟是指哪一部分热量，以及所谓的“把所吸取热量的一部分传递给低温热源”的那一部分热量究竟是指哪一部分热量。我们认为“从高温热源吸取热量”的热量是由将工质从低温热源的温度被高温热源加热到高温热源的温度的过程中工质从高温热源中吸取的表观热量(含在高温热源温度下工质从高温热源吸取的热量)(如图10中的Q所示)和工质的底热(如图10中的Qc所示)两部分构成的，而所谓的“把所吸取热量的一部分传递给低温热源”的那一部分热量是由工质向环境排出的表观热量(如图10中的q所示)和工质的底热(如图10中的Qc所示)两部分构成的。换句话说，即便是膨胀做功后的工质温度低于环境温度，工质不能向环境传热，只要将膨胀做功后的工质找到去向，如抛入环境中或抛入任何温度的其他热源(包括高温热源)中，热机就可循环工作。不仅如此，在某些特定条件下，可以将膨胀做功后的低温工质抛入系统的高温热源中(如图11中Qc — M — T2所示虚线方向)，例如膨胀做功后降温冷凝的工质可以抛入内燃机的燃烧后的高温高压工质中，例如膨胀做功后的低温工质可以抛入热电系统的锅炉燃烧室内或锅炉蒸气发生器内，例如将气动发动机中的乏气抛入环境中(在某些气动发动机中环境就是气动发动机的高温热源)，再例如将从膨胀做功后的工质吸收热量的液体抛入高温热源中。由此可以得出这样的结论热机可以工作在一个热源之下，只要将膨胀做功后的工质导出，热机就可以循环工作。被导出的膨胀做功后的工质可以被抛入比自身温度低的热源中，可以被抛入与自身温度相同的热源中，可以被抛入比自身温度高的热源中，可以被抛入高温热源中，也可以被抛入比高温热源温度更高的热源中；不仅如此，膨胀做功后的工质如果只对外传热将热传给低温热源，受热的低温热源仍可以被抛入高温热源中，例如可以将用于冷却膨胀做功后的工质的冷却介质抛入高温热源中。 图7、8和图9是将热机的残留流出口与闻温热源对接的热机不意图(所谓的残留流出口是指膨胀做功后工质剩余的热量的出口或工质的出口)。图8和图9是将一个夹层内存有水的喷管放入一个足够大的“高温区域”(即热源)内，夹层内的水自所谓的“高温区域”吸热气化产生高压蒸汽，高压蒸汽进入喷管内部的前方，在高压作用下，蒸汽自喷管高速喷出，产生反推力对外做功(类似火箭)，自喷管后方喷出的蒸汽进入所谓的“高温区域”内，通过旋转轴将动力输出到所谓的“高温区域”以外的地方。因此，热机工作的必要条件并不是两个热源，而是至少一个热源和至少一个残留流出口。所述残留流出口可以与任何其他热源连通(包括系统的高温热源)，在所述残留流出口与高温热源连通的结构中热机就只需要一个热源即可循环工作，在所述残留流出口不与高温热源连通的结构中热机就需要至少有两个热源，当所述残留流出口与温度高于所述残留流出口的热源连通时所述残留流出口只能是膨胀做功后的工质的出口。卡诺在其1824年发表的《论火的动力》论文中提出的“热机必须工作在两个热源之间，从高温热源吸取热量，又把所吸取热量的一部分传递给低温热源，只有这样才能获得机械功”的论述只是上述对热机工作条件论述中的一个特例。我们可以通过传质的手段将温度低的物体融入温度高的物体中，间接的实现将温度低的物体中的热量传到温度高的物体中去。如果我们假设这一温度低的物体是有限的，这一温度高的物体是无限的，我们就通过传质手段实现了把热量从低温物体传到高温物体而不产生其他影响的这一不可以实现过程。这就好比我们打扫自己的房间时，会有一些垃圾产生，无论我们将这些垃圾扔到什么地方去，只要把这些垃圾拿出自己的房间，自己的房间就会变得整洁。换句话说，无论我们将这些垃圾扔到垃圾场，还是扔到五星级宾馆去，我们自己的房间都会变得整洁，我们并没有必要把这些垃圾必须扔到比自己房间更脏的地方去。为了实现上述目的，本发明提出的技术方案如下
一种热机循环工作方法，包括增热增质过程，在所述增热增质过程中向热机系统中的工质增加热量和/或增加质量。
还包括吸气过程、绝热压缩过程和绝热膨胀做功过程，在所述绝热压缩过程和所述绝热膨胀做功过程之间设有增热增质过程，所述绝热膨胀做功过程终了时的工质温度等于或低于所述吸气过程终了时的工质温度，也就是所述绝热膨胀做功过程终了时的工质温度等于或低于所述绝热压缩过程开始时的工质温度，所述吸气过程一所述绝热压缩过程一所述增热增质过程一所述绝热膨胀做功过程一工质排出过程构成一个循环。在所述增热增质过程中导入膨胀剂后的工质的绝热指数和导入膨胀剂前的工质的绝热指数相同。在所述增热增质过程中导入膨胀剂后的工质的绝热指数大于导入膨胀剂前的工质的绝热指数。在所述增热增质过程中导入膨胀剂后的工质的绝热指数小于导入膨胀剂前的工质的绝热指数。所述增热增质过程中的增热过程由外燃加热形式或外部传热形成完成。所述增热增质过程中的增热过程由内燃加热形式完成。所述增热增质过程中的增质过程由高压喷射系统完成。所述绝热压缩过程的实现机构设为气缸活塞式绝热压缩机构，或设为叶轮式绝热压缩机构。所述绝热膨胀做功过程的实现机构设为气缸活塞式绝热膨胀做功机构，或设为叶轮式膨胀做功机构。在所述增热增质过程中向热机系统中增加膨胀剂。—种单热源热机,包括气缸活塞机构,所述气缸活塞机构的气缸上设有进气口和排气口，所述进气口和所述排气口设有与之对应的进气门和排气门；还包括高压喷射系统，所述高压喷射系统设置在所述气缸活塞机构的气缸上，用于在所述增热增质过程向所述气缸活塞机构的气缸内喷射膨胀剂；所述进气门、所述排气门和所述高压喷射系统受过程控制装置控制。一种单热源热机，包括喷管和高温区域，所述喷管与支撑臂的一端固连，所述支撑臂的另一端与动力输出轴固连，在所述喷管的前部设膨胀剂导入口，所述膨胀剂导入口经设置在所述支撑臂和所述动力输出轴内的工质通道与膨胀剂源连通，所述喷管设置在所述高温区域内，膨胀剂在所述喷管的前端内腔内吸收由所述喷管的壁从所述高温区域内传递来的热量形成高压气体，此高压气体从所述喷管的后端喷出获得反推力推动所述动力输出轴旋转对外输出动力。一种单热源热机，包括喷管和高温区域，所述喷管与支撑臂的一端固连，所述支撑臂的另一端与动力输出轴固连，在所述喷管的壁内设有膨胀剂夹层，所述膨胀剂夹层中充有膨胀剂，所述膨胀剂夹层的内壁设有连通所述喷管前端内腔的流体通道，所述喷管设置在所述高温区域内，膨胀剂在所述膨胀剂夹层内吸收由夹层外壁从所述高温区域内传递来的热量形成高压气体，此高压气体从所述喷管的后端喷出获得反推力推动所述动力输出轴旋转对外输出动力。本发明中，所谓的过程包括冲程；所谓增热增质过程是指向系统内的工质增加热量和/或增加质量的过程，所谓增加热量可以采用外燃加热形式和/或外部传热方式或内燃加热形式来实现，所谓的增质是指向系统内的工质增加新的工质的过程；所谓新的工质主要是指膨胀剂，所谓的膨胀剂是指不参与燃烧化学反应的液体、气体液化物、高压低温气体等，所谓气体液化物是指被液化的气体。本发明中，所谓的高温区域是指温度达到可以使液体膨胀剂气化或临界化，使气体膨胀剂升温的程度的，具有足够空间的热源，所谓的具有足够空间的热源是指热源达到这样的程度，当膨胀剂膨胀做功完了排入所述高温区域后，对高温区域的状态的影响可以忽略不计。本发明中，所有图中，箭头指向PZJ的过程是指膨胀剂的排出过程，箭头从PZJ指向循环系统的过程是指增质过程，即向系统内导入膨胀剂的过程。本发明中，根据机械设计及发动机技术领域公知技术，在必要的地方设置必要的部件、单元或系统。本发明的有益效果如下
本发明可制造出单热源热机。
图I至图4所示的是本发明实施例I的结构示意 图5所示的是本发明实施例2的结构示意 图6所示的是本发明实施例3的结构示意 图7所示的是本发明实施例4的结构示意 图8和图9所不的是本发明实施例5的结构不意 图10-13是本发明中所提出理论的说明 其中，I吸气过程、2绝热压缩过程、3增热增质过程、4绝热膨胀做功过程、5工质排出过程、10气缸活塞机构、11进气门、12排气门、102叶轮式绝热压缩机构、301高压喷射系统、402叶轮式膨胀做功机构。
具体实施方式
实施例I
如图I和图2所示的热机循环工作方法，包括吸气过程I、绝热压缩过程2和绝热膨胀做功过程4，在所述绝热压缩过程2和所述绝热膨胀做功过程4之间设有增热增质过程3，所述绝热膨胀做功过程4终了时的工质温度等于或低于所述吸气过程I终了时的工质温度，也就是所述绝热膨胀做功过程4终了时的工质温度等于或低于所述绝热压缩过程2开始时的工质温度，所述吸气过程I一所述绝热压缩过程2—所述增热增质过程3—所述绝热膨胀做功过程4一工质排出过程5构成一个循环。在所述增热增质过程3中导入膨胀剂后的工质的绝热指数和导入膨胀剂前的工质的绝热指数相同。所述增热增质过程3中的增热过程由外燃加热形式或外部传热形成完成。具体实施时，还可以使在所述增热增质过程3中导入膨胀剂后的工质的绝热指数大于导入膨胀剂前的工质的绝热指数(如图3所示)，或在所述增热增质过程3中导入膨胀剂后的工质的绝热指数小于导入膨胀剂前的工质的绝热指数(如图4所示)；所述增热增质过程3中的增热过程由内燃加热形式完成。选择性的，所述增热过程还可以由外部传热方式或内燃加热形式来实现。实施例2
如图5所不的单热源热机,包括气缸活塞机构100,所述气缸活塞机构10的气缸上设有进气口和排气口，所述进气口和所述排气口设有与之对应的进气门11和排气门12 ;还包括 高压喷射系统301，所述高压喷射系统301设置在所述气缸活塞机构10的气缸上，用于在所述增热增质过程3向所述气缸活塞机构10的气缸内喷射膨胀剂；所述进气门11、所述排气门12和所述高压喷射系统301受过程控制装置控制100。本实施例中的气缸活塞机构10用于实现所述绝热压缩过程2和所述绝热膨胀做功过程4，所述增热增质过程3中的增质过程由高压喷射系统301完成。实施例3
如图6所示的单热源热机，其与实施2的区别在于所述绝热压缩过程2的实现机构设为叶轮式绝热压缩机构102，所述绝热膨胀做功过程4的实现机构设为设为叶轮式膨胀做功机构402。选择性的，所述绝热膨胀做功过程4的实现机构也可以设为气缸活塞式绝热膨胀做功机构。实施例4
如图7所示的单热源热机，包括喷管1000和高温区域2000，所述喷管1000与支撑臂1001的一端固连，所述支撑臂1001的另一端与动力输出轴1002固连，在所述喷管1000的前部设膨胀剂导入口 1003，所述膨胀剂导入口 1003经设置在所述支撑臂1001和所述动力输出轴1002内的工质通道1004与膨胀剂源1005连通，所述喷管1000设置在所述高温区域2000内，膨胀剂在所述喷管1000的前端内腔内吸收由所述喷管1000的壁从所述高温区域2000内传递来的热量形成高压气体，此高压气体从所述喷管1000的后端喷出获得反推力推动所述动力输出轴1002旋转对外输出动力。实施例5
如图8和图9所示的单热源热机，包括喷管1000和高温区域2000，所述喷管1000与支撑臂1001的一端固连，所述支撑臂1001的另一端与动力输出轴1002固连，在所述喷管1000的壁内设有膨胀剂夹层1006，所述膨胀剂夹层1006中充有膨胀剂，所述膨胀剂夹层1006的内壁设有连通所述喷管1000前端内腔的流体通道，所述喷管1000设置在所述高温区域2000内，膨胀剂在所述膨胀剂夹层1006内吸收由夹层外壁从所述高温区域2000内传递来的热量形成高压气体，此高压气体从所述喷管1000的后端喷出获得反推力推动所述动力输出轴1002旋转对外输出动力。显然，本发明不限于以上实施例，根据本领域的公知技术和本发明所公开的技术方案，可以推导出或联想出许多变型方案，所有这些变型方案，也应认为是本发明的保护范围。
权利要求
1.一种热机循环工作方法，其特征在于包括增热增质过程(3)，在所述增热增质过程(3)中向热机系统中的工质增加热量和/或增加质量。
2.如权利要求I所述热机循环工作方法，其特征在于还包括吸气过程(I)、绝热压缩过程(2)和绝热膨胀做功过程(4)，所述增热增质过程(3)设在所述绝热压缩过程(2)和所述绝热膨胀做功过程(4)之间，所述绝热膨胀做功过程(4)终了时的工质温度等于或低于 所述吸气过程(I)终了时的工质温度，也就是所述绝热膨胀做功过程(4)终了时的工质温度等于或低于所述绝热压缩过程(2)开始时的工质温度，所述吸气过程(I) 一所述绝热压缩过程(2) —所述增热增质过程(3) —所述绝热膨胀做功过程(4) 一工质排出过程(5)构成一个循环。
3.如权利要求I所述热机循环工作方法，其特征在于在所述增热增质过程(3)中导入膨胀剂后的工质的绝热指数和导入膨胀剂前的工质的绝热指数相同。
4.如权利要求I所述热机循环工作方法，其特征在于在所述增热增质过程(3)中导入膨胀剂后的工质的绝热指数大于导入膨胀剂前的工质的绝热指数。
5.如权利要求I所述热机循环工作方法，其特征在于在所述增热增质过程(3)中导入膨胀剂后的工质的绝热指数小于导入膨胀剂前的工质的绝热指数。
6.如权利要求I所述热机循环工作方法，其特征在于所述增热增质过程(3)中的增热过程由外燃加热形式或外部传热形成完成。
7.如权利要求I所述热机循环工作方法，其特征在于所述增热增质过程(3)中的增热过程由内燃加热形式完成。
8.如权利要求I所述热机循环工作方法，其特征在于所述增热增质过程(3)中的增质过程由高压喷射系统(301)完成。
9.如权利要求I所述热机循环工作方法，其特征在于所述绝热压缩过程(2)的实现机构设为气缸活塞式绝热压缩机构，或设为叶轮式绝热压缩机构(102)。
10.如权利要求I所述热机循环工作方法，其特征在于所述绝热膨胀做功过程(4)的实现机构设为气缸活塞式绝热膨胀做功机构，或设为叶轮式膨胀做功机构(402)。
全文摘要
本发明公开了热机循环工作方法，该方法包括增热增质过程，在所述增热增质过程向热机系统中的工质增加热量和/或增加质量。本发明还公开了多种实现上述热机循环工作方法的单热源热机，例如一种单热源热机，包括气缸活塞机构，所述气缸活塞机构的气缸上设有进气口和排气口，所述进气口和所述排气口设有与之对应的进气门和排气门；还包括高压喷射系统，所述高压喷射系统设置在所述气缸活塞机构的气缸上，用于在所述增热增质过程向所述气缸活塞机构的气缸内喷射膨胀剂；所述进气门、所述排气门和所述高压喷射系统受过程控制装置控制。本发明可制造出单热源热机。
文档编号F03G7/10GK102619714SQ20121005856
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月7日 优先权日2011年3月7日
发明者靳北彪 申请人:摩尔动力(北京)技术股份有限公司