千瓦厚能源与生态实验室分享 http://blog.sciencenet.cn/u/kiwaho 太阳文火炖地球,洒遍人间光和热。新鲜的能量随手可汲,何必舍近求远挖地球?自由能源万岁!

博文

一种基于固液相变多缸循环的新型热机即将问世

已有 8069 次阅读 2018-7-13 07:14 |系统分类:科研笔记| 新能源, 电动车, 锂电, 相变, 热机

一、热机的种类

热机的种类不是那么多。自蒸汽机发明以来的科技进步史,见证了种类创新之艰难。

传统物理热机类,绝大多数都是基于液气闭合朗肯(Rankine)循环,少数是气相循环的,例如斯特林(Stirling)热机;

燃烧类热机,则为开环式燃气消耗性循环,如内燃机、气轮机等。

我不满足于在现有种类上,搞小改小革的发明,干脆一不做二不休,直接创造革命性的新种类:固液相变多缸封闭循环的新一类热机。

为何现有机种没有一个胆敢甩掉气相呢?惯的,全是惯的,都被大气磅礴的膨胀性惯坏了。就连教科书表述热力学全部定律时,都要指明气相的存在!

固相被认为流动性差,没法参与高速传质循环,虽然传热还凑合。现有热力学定律表述全部避谈固相,尽管这样,我仍认为全部定律照样适用含有固相环节的循环。

固相和液相在经历非相变状态过程时,热胀冷缩的尺度甚至小至肉眼不察的程度。若非特立独行的科学家,岂敢用这个相态做功!好在相变过程的体积胀缩还算看得到,尽管大部分物质的变化率不到10%

别说当初瓦特发明蒸汽机的年代,现代热力学学术权威们,又何曾看得上这么不起眼的膨胀率呢。

所以说,任何人只要抛弃气相做出热机,发明者就算是开辟了一个新种类和一片新天地。

二、新种类什么情况?

当今所有种类的热机,有一个共同的特点:做功一定是通过气体膨胀实现的。

我认为,这也正是现有机种的效率,绝大多数达不到卡诺效率一半的原因。而且,低密度气相的存在导致体量庞大、功率密度低,甚至循环过程的质量守恒,也不见得能保障,例如热电厂尽管有高耸入云的冷却塔,仍然难免排空无法及时凝水的水蒸汽乏气。有电厂经验的读者不妨晒晒数据--排空乏气的比例。

只有不再依赖气体膨胀做功,才能从热机的相态循环彻底去掉气相。我的新发明正是基于这一出发点,大胆采用固液相变物质(Phase Change Materials, PCM)作为工质。

除了熟视无睹的水外,人们早就熟悉的其它相变物当属做蜡烛的石蜡。市售的冬天用暖手器,塑料袋里装的就是相变物醋酸钠,里面的小碟片用手一掰,袋子就会突然发热,凉了后放到锅里煮后,下次又可用了。

相变工质的体积变化,通常在1%20%之间,例如水10%,猪油15%。这与气体膨胀的成百上千倍的体积变化相比,低了好几个数量级。

由做功表达式W = P*ΔV可知,要使新种类热机与传统热机的做功能力不相上下,只好堤内损失堤外补,即体积膨胀的减少,须有压力的相应数量级增加来补偿。

果然,绝大部分相变物质恰好如人所愿。例如水这个相变物质,其结冰膨胀压高达约3000大气压,这比热电厂的做功蒸汽压大了几个数量级。冬天未保护好的水管,常可见到冻裂的现象,仅此就可窥见一斑。据报道,有好奇人士测试1寸壁厚的铸铁容器的耐冻性,充满水后置于零下30度以下的户外,竟然也冻裂了!

其实,任何相变物质,只要有相图,就可以知其相变压力,否则只好做实验测定。学界至今尚无通用相变压力计算公式,建议相关学科带头人尝试理论推导。

适用的相变工质,必须至少有5%的体积变化,且越大越好。太小则被正常的热胀冷缩干扰,或者说,期待的高相变压会被热胀冷缩抵消,这类似于有用信号被无用的噪声淹没。

三、动力传递

利用相变压力做功,可有多种选择。有人会想到:直接由活塞传递此蛮力推动增速齿轮。此法固然不错,但缺点也不少,尤其不便于远程输送,以及多元做功叠加困难。

灵活性好很多的液压做功,当属上乘之策。

共轭液压单元输出的交流承压油流,经四只单向液压阀桥式整流后,再经液压流蓄能器“滤波”后,就可以推动液压马达了。

液流与电流其实是对偶的,液压与电压也这样。液压元件与电子元件还可类比:单向阀=二极管,蓄能器=电容器,等等。不象电马达那样可有直流和交流两种选择,液压马达只能是直油流,虽然交油流马达理论上可行,但制造成本太高,所以市面见不到。

任何热机要想发电,最后一级一定是发电机。相变热机的液压马达,通过转轴耦合驱动发电机。

下图为正在专利申请中的设计图(US16/021000):

PCM-engine-core.PNG

四、热功效率

单缸相变热机的效率大约在5%10%之间,依所用相变工质而定。寒碜是寒碜点,好在造价十分低廉,也不需要很大的温差。这一特点注定了适用的构型,必然是多极串联的,以便大幅度提高效率。

可以轻易证明:串联的效率提升近似线性增长。

在串联状态下,前级做功后的废热,全部当作后级的热源,所以愈往后级,被各级提功后的废热愈来愈小,直至末级进入热沉。

从不切实际的数学角度看,只要级数足够多,且每级所用相变工质的熔点等于凝固点,就能使最终废热为零,也即越狱了卡诺效率。

但实际物理上不是这样的,因为通常的凝固点要低于熔点少许。使得每级所需承接的最小温差必须大于某个阈值。

可这样间接表述热力学第二定律:任何热机的效率不得突破卡诺效率极限。

串联线形增长的良好势头,使得多缸相变热机逼近卡诺效率有了可能。

从实验结果来看,普通温差的系统,4缸开始就接近Rankine 循环效率,68缸就开始接近Carnot循环效率。总温差越大,所需缸数所需越多。

cascading-HT.PNG

五、应用前景

1、家居太阳能发电蓄热

风靡全球的PV光伏电池固然不错,但不能蓄热,且PV连同逆变器成本高昂。

下图展示了新型太阳能集热与发电配置图。

solar-trump-engine-small.png

真空热管可将蓄热材料加温至200 °C,当然家用热水器不需要这么高温,但用来供应热机自然就是越高越好。不妨将水箱中水替换为熔点150°C以上的相变物,这样更能满足相变热机对热库温度恒定性的偏好。

如此这般下来,四缸热机效率25%就很满意了。考虑到集热器效率和发电机效率,从太阳能到负载的系统效率仍可达14%,这就与太阳能发电板的硅光电池效率相当了。

2、可充热包驱动的零排放汽车

旧时代的电车通过两根“辫子”接上头顶的电力线,如今可以剪掉“辫子”装上氢电池了,锂电驱动的小轿车如今也满街跑了。那么,电池是否就是油箱革命后的唯一低碳创新选择?能否不装电池,而装上充满热量的热池呢?

也即:不是在街上,而是“躲”在某个角落,把该烧的燃料一次烧完,将烧出来的热能预存到热池里。上街跑的时候,再带上它作动力慢慢消耗;凉了后,再找个地方充热至饱满,以便下次继续上路。

尽管热池电池,名字很对仗,但没人用就绕口,不妨用家喻户晓的语言,通俗地称之为烧包

我发明的革命性新种类热机,吹响了烧包机车时代即将到来的号角!

clip_image006.gif

马斯克的电动车虽然叫得响,死穴也是明摆着的:昂贵的锂电池包!

我的这一发明,必将以两大优势:低廉的成本 + 充热方法的灵活多样性,正面挑战锂电池汽车。

从有效能量密度来看,两者可做到旗鼓相当。这得看我的这个大烧包保温瓶中装的是啥相变材料了。计算如下:

相变储能材料选用锂基化合物:20% LiF + 80% LiOH,熔点427 °C,此温下的理想卡诺热机效率57%(假定春天气温),熔化热1163 kj/kg = 323 wh/kg

不敢奢望卡诺效率57%,但假设用8缸相变热机可逼近至50%效率,则可输出机械能密度约160 wh/kg。忽略保温热包的泡沫绝热材料和容器的重量,可见这个数显然与锂电池不分伯仲。所以,若特斯拉Model S540kg的锂电包,充满电能85kwh430km,则我这个等重的烧包车充满热能后,也应该达到这个谱。

研究遍所有相变材料,要在这个四百多度的温区,达到与锂电池同等能量密度,还真只有上述含锂化合物可以达到。尽管这样,烧包的成本还是远低于锂电,而且省去了锂电必不可少的配套贵金属钴。

注意:烧包内的相变物质,是以储能为目的,希望相变导致的体积变化率越小越好,以免胀破烧包。所以,不要称之为工质,免得与做功的缸内相变工质混淆。

只有一项指标,我甘拜下风:能量静置慢漏。锂电半个月不用,漏电率估计不会大到开不动车了;而我的烧包静置4天后也许凝固了,最好重新充热。

所以说:烧包充热完后,因该尽快用,不要闲置。这跟开水保温瓶一个道理,不要放到2天后再拿去泡茶喝。

既然这样,索性将这种另类新能源车,配置成70kg小烧包续航里程仅50km,主打上班族市场,早晚用2次上下班,回家每天充热。这样就没有必要向锂电能量密度看齐,放弃不便宜的锂基相变材料,专挑廉价的即可,例如硝酸钾等熔点相似的熔盐。

至于充热方式,那就多得很。最简单的就是:烧包内置大功率电炉丝,市电插头,方便随处可充。因为相变热机效率高到可与热电厂媲美,所以用市电充热仍是绿色环保的,就算热电厂烧煤,环境也不吃亏。

要达到更大的灵活性,烧包内应该内嵌专用换热器,以供外部充热循环。这样的好处是,电力不足的农村车主,可以用煤或柴火炉子充热。只要做好防火措施,甚至可将炉子随车带,随时想充就充,或像电池浮充电那样浮充热。

一旦搞成浮充热,车子就相当于配置了外燃机,跑车的同时也在烧燃料。此时烧包完全可以进一步瘦身,只要断火后仍能跑1~2km即可。这时候的微烧包相当于发挥了内燃机大飞轮的作用。

车顶还可以配置一个太阳能高温集热板,此法浮充烧包不足以替代外充,但是可以节省正式外充的能耗。

车主家安装一部大抛物面聚光镜,用其给烧包充热将节省大量充热成本,是值得鼓励的零碳绿色举措!

Solar-dish-collector-with-conical-receiver-photographed-by-the-authors.png

至于未来星罗棋布的充热站,开设成本低廉,不像特斯拉的充电桩那么昂贵,充热方式店家可灵活自定,反正司机客人不用傻等,交钱换完烧包就走。

下图为第一代改装蒸汽机烧包热动车的谍照,升级改造正在筹资中。

loco-hauk-steam-jeep-lead.jpg

六、与利益集团的冲突带来的挑战和机遇

利益集团最满意当今的内燃机了,因为这种久经考验和早已技术成熟的热机,格式化了燃料市场--汽油、柴油、航空油,进而使得庞大的石化炼油工业、相关产业供应链、道路养护税费征收紧密绑定在一起。不但格式化了市场及相关政府职能构架,同时也格式化了消费者的思维定势。

一旦高效、经济的外燃机燃机日臻成熟,势必引起前述各利益集团的冲突。因为外燃机迎合了自由供给的燃料性态,完全去掉了对燃料性态的格式化。

譬如说我这个发明中提到的未来车用烧包,离线加(充)热的方法不限:太阳能、柴火、煤炭、汽油、柴油、电热,甚至未经提炼的原油也可设计出一种炉子来烧。即便电力不通、没有加油站的偏僻农村,也能用柴火、生物质加热烧包,不影响机动车的运行。既然这样,还要炼油厂干啥呢?

很多国家将公路的修建养护成本,分摊到汽油柴油的售价中去了。若没有格式化好的这两类油料供应市场,政府如何找到替代征收方法,确实面临挑战!

机遇是:这项技术将逐步摆脱人类对化石能源的依赖,转而使用地球表面碳循环的清洁能源,以及零污染的太阳能,其结果定会使地球温室效应、雾霾、酸雨、生态恶化等逐步改善。善莫大焉!

与内燃机几乎同时代发明的斯特林Stirling)热机,本质上就是外燃机。很早以来人们一直寄予厚望。可惜因为其固有的低效率,始终未能在效率上战胜内燃机,因而从未取得商业化的成功,仅局限于学校的原理演示教具而已。

可喜可贺的是:我发明的新型固液相变热机,终于在效率上战胜了传统内燃机,因而这是一项具有划时代意义的、当惊世界殊的伟大发明!

七、结语

英语的相变 phase change 与变脸 face change 是一个意思。

把固相用于热机循环的一态,也算是别出心裁,完全不按科研套路出牌嘛。

恰巧,美国总统川普的变脸威力也特别巨大--地球也要抖三抖,且从不按牌理出牌。有鉴于此,特行使发明人的命名权,将此新型热机的英文名称定为Wei-Trump engine,以表彰铭记川普的雄才大略和特立独行式思维!

值此新发明问世之际,钢铁侠马斯克,风尘仆仆赶来上海,签约他的特斯拉电动车中国生产基地。

那么,烧包和电包,哪个才是你的包?坚信不久的将来,主流的回答一定是:烧包、烧包、再烧包!

虽然形势一派大好,但革命尚未成功,同行仍需努力!

八、合作与共赢

欢迎有兴趣的投资方,以及有志于合作研发、开拓市场的生产厂家与我联系,提出建设性、竞争性的要约(best offer)。我将投入全部精力,誓言哪怕在要约方的实验室或工厂打地铺,也在三年内要打造出全球第一台烧包车!所以还请细化你的要约,包括这些细节:入门费、安家费、年薪酬劳、地方政府扶持政策、未来量产后的销售分成计划、合作期间的改进部分的产权归属等等。

要约方还需配备足够人才搭档,至少下列技术领域的工程师或专家:机械、热力学、材料、液压、工艺、优秀钳工、内嵌软件等。

我将在所有要约中,挑选出最满意的合作方,尽快奔赴第一线开展各项工作。

谢谢大家的关心与捧场!

 



https://blog.sciencenet.cn/blog-2339914-1123757.html

上一篇:硅谷当年华裔女神童—如今能源大腕—方女士
下一篇:挑戰Tesla:固液相變的“魏=川普引擎”開始發力
收藏 IP: 192.168.0.*| 热度|

26 范振英 田云川 钟炳 李颖业 蔡小宁 陈辉 张忆文 代恒伟 朱晓刚 檀成龙 杨正瓴 张学文 张云 晏成和 刘全慧 张鹰 张南希 谢力 王安良 尤明庆 杨学祥 李维纲 胡宝群 zjzhaokeqin puhj xqhuang

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (33 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2024-12-23 15:04

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部