[发明专利]热机循环工作方法和单热源热机

说明书

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                                               （其中，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，如果相交将构成单热源热机，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所示是的情况，在图4中A-B-D-A^/-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，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，点A^/的工质温度等于或低于点A的工质温度，A-B-D-A^/-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A^/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-A^/-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。