[发明专利]冷热机及其应用

摘要

冷热机及其应用是热工学领域的技术。十七个项目1、氢扩散制冷机，冰箱、空调、空分、天然气液化。2、单缸和多缸二冲程内燃机；3、活塞燃气轮机；4、个人小汽车，新能源汽车、高级新能源汽车、公交轿车，列车式客车，列车式货车，汽车飞机；5、垂直起降的喷气式飞机；6、乙炔和天燃气火箭；7、风电水电解；8、火力发电乏气放空和联产乙炔；9、慢中子增殖反应堆和磁流体发电；10、核动力火箭和火箭飞机、火箭列车、火箭船；11、核动力航天飞机；12、对撞核聚变；13、电解制钠；14、尿素改为硝酸尿素；15、中小化肥厂改产硝铵和天然气；16、钢铁厂改产高级钢联产天然气和水泥；17、不锈钢电饭锅。

主权项

冷热机及其应用是热工学领域中各种机器的改进成的换代机器和应用，其特征分述如下：(1)、氢扩散静置分离制冷机，以氢为扩散剂、利用氢的低比重和制冷剂气体比重相差巨大，可实行静置分离、分离后制冷剂集结在一起，在总压中其分压加大了，在饱和压力下，遇冷后达到饱和温度而凝结成液体。分离后的氢比重小而上升至制冷塔顶部；制冷液用泵输送到塔顶莲喷头中喷出，在氢的气氛中，制冷剂在塔中总压中的分压小，如同喷进真空中，膨胀蒸发而制冷，制冷混合物沉降经过中间的冷热交换器放出冷量，进入塔的下段，静置分离。氢上升、制冷剂下降至塔底部，集结而凝结成液体，如此达到制冷循环。这种制冷与大自然天空下雨，气温变冷是相同的制冷原理，不同的是下雨制冷总压是1大气压，压力低制冷量小，气温降得不大，其空气为扩散剂，水为制冷量剂，水蒸汽的比重比空气小，因此制冷剂上升至高空中，空气比重大而覆盖在地面上；蒸汽在高空遇冷达到饱和温度而凝结成水，重量增加而下落，在空气扩散剂的作用下，水部分蒸发而制冷、水蒸汽上升与高空中的水蒸汽又凝结成液体水，如此制冷循环。(2)、冰箱、空调、空分、天然气液化的制冷原理是一致的，即用氢扩散静置分离制冷，除制造此制冷机需耗费，制冷时仅消耗能耗低的电泵的动力消耗，比压缩式制冷节电很多，使制冷成本大幅下降。(3)、单缸和多缸二冲程蒸汽内燃机。本二冲程内燃机的特征是扫气用纯空气扫气，不存在燃油泄漏；本二冲程采用气体燃料，当扫气完成时，气缸压力低于气体燃料的压力，低压燃料气冲开单向阀向气缸喷入燃料，当气缸压缩时，气缸压力高于气体燃料的压力，单向阀关闭，停止燃料的加入。单缸二冲程蒸汽内燃机用曲轴箱空气扫气，此机适用于个人小汽车。多缸二冲程蒸汽内燃机，由四冲程改制而成，拆除散热器，安放液化石油气钢瓶。拆除配气机构，装上压气机(机轴用齿形皮带与曲轴大轮盘连接)，更换气缸盖(使每个气缸有一个单向阀与液化石油气瓶相连)。每个气缸下部加工出二个窗式阀(其中一个窗式阀与排气管相连，另一个窗式阀与曲轴箱连通)。曲轴转动时，带动压气机压缩空气(压气机吸气时通过化水器吸入冷却气缸的热水，汽油箱改作水箱，将水送入水套，从上端排出热水)，压气机压缩的空气(带有水雾)通过单向阀进入曲轴箱贮存。当二个气缸燃烧膨胀，活塞到下止点时，燃气通过一个单向阀排出放空，与此同时，另一个窗式阀开通让曲轴箱的压缩空气进入气缸进行扫气，扫气完毕，气缸的压力小于液化石油气钢瓶压力，燃料通过控燃器进入气缸喷出。当活塞上升，气缸压力大于液化石油气压力，单向阀关闭。这二个气缸的活塞在上升，把气缸中的空气(含有水雾)和液化石油气进行压缩，到了上止点，火花塞点燃，膨胀作功。(4)、四冲程汽车改用活塞蒸气燃气轮机，拆除汽车的散热器，安装有水套的燃烧室；拆除四冲程的配气机构，安装蒸汽燃气轮机和增压机；燃气轮机转轴用齿形皮带与多气缸的曲轴大轮盘相连接，把多缸气缸只作压缩空气之用。改换气缸盖，加装二个单向阀使之成为活塞式压缩机。以往冷却气缸的冷却水，损失热量三分之一，而今将冷却气缸的热水不用散热器散热，而是用化水器加以利用，(当气缸吸气时，将热水喷入气缸压缩后在燃烧室加热成蒸气，成为蒸汽燃气轮机)，燃气轮机转动带动增压机吸入大气，加压后经化水器吸入热水，进入气缸中。化水器的水箱可安置在车头上。活塞压缩的含水雾的高压空气进入化油器，经燃料控制器后，燃料进入高压空气中再进入燃烧室燃烧，产生高温2000℃，用喷射泵吸入大量空气，使温度降至700℃，进入蒸汽燃气轮机中作功。(轮机小直径齿轮盘，用齿形皮带与压气气缸曲轴大轮盘相连接，为汽车提供动力)。这种改进，使汽车功率提高6倍以上，节油50％以上。用液化石油气作燃料，或用酒精吸附天然气的气体燃料的汽车二冲程称为高级新能源汽车。用单缸二冲程蒸汽机作动力的小汽车，二人前后坐，车长和车宽约为目前小汽车三分之二，称为个人小汽车，用液化石油气作燃料。目前的小汽车不用汽油作燃料，而用天然气溶于酒精的汽车称为新能源汽车。用多缸二冲程蒸汽内燃机作动力，用液化石油气作燃料的汽车称为高级新能源汽车。四冲程汽车改用活塞蒸汽燃气轮机后，功率提高6倍，小汽车若不在地面行驶，可装上喷气式直升机旋翼，使汽车成为汽车飞机，将来进一步把飞机完善，具有机翼可以喷气式飞行。此发动机应用于小汽车，小汽车亦可加长，使乘四人的汽车改为乘20‑30人的公交轿车，完善公交大有帮助，比地铁舒适。此发动机应用于大货车、大客车，可加长6倍，大货车、大客车亦成为列车式的大货车和大客车，在高速公路上行驶。(5)、垂直起降的喷气式飞机。本飞机空气进入增压压气机，经化水器把冷却燃烧室的热水吸入，然后采用新式高压离心压缩机压缩，获得高压空气，经有水冷的燃烧室燃烧，高温燃气吸入大量空气使燃气从3000℃降到700℃，在蒸汽燃气轮机中作功，用电动巧克把大量燃气导入，四个向下喷射的喷管中喷出实现飞机垂直起降。到了高空电动巧克转动将燃气导入喷射泵吸入大量空气进入加力燃烧室，产生高温1000℃，从尾部水平喷出，使飞机高速前进，达到超音速飞行；为了承受高压燃烧室必须水冷，水冷的热若不回收将损失总热量约三分之一，应减少货物携带，飞机上应有水箱达到节能三分之一。飞机采用乙炔溶于酒精作燃料，高能燃料作飞机燃料，由于燃气压力高，同时回收了冷却燃烧室的冷却热，飞机比一般飞机节能50％以上。(6)、乙炔一级火箭。目前的液氢火箭是错误的，因液氢比重小作燃料占很大体积，大火箭只好采用三级火箭。本火箭用高能的乙炔溶于酒精(乙炔在氧中燃烧可达3000℃～4000℃，乙炔可溶在酒精中，也可溶在丙酮中)火箭在大气中飞行时可用喷射泵吸入空气，减少用氧量，一级火箭可顶三级火箭。用四氧化二氮成本大高，本火箭的乙炔溶于酒精燃料费用低，飞得远。燃气喷出时，用喷射泵吸入大量空气，再次燃烧增加推力。天然气溶于酒精亦可作火箭燃料称天然气火箭。(7)、循环电解液的水电解。电解过程，氢氧化钾钾离子向阴极移动，电解反应生成氢后，K离子停留阴极处，使电阻加大，浪费电力；用风电水电解和利用火电夜间用电低峰时进行水电解制氢氧。风力发电进行水电解、风电波动很大不适宜输入电网供工业使用，适宜水电解制氢氧贮入气柜中，用管输送至钢铁厂、化肥厂或火电厂中。(8)、火力发电厂乏气放空和联产乙炔工艺，发电厂增加一新锅炉生产超临界蒸汽压力在300大气压以上，老锅炉用于制造甲烷(煤和氢在高压产生甲烷)甲烷进入新锅炉底部，用氧燃烧(甲烷部分燃烧温度达1500℃)，另一部分的甲烷生成乙炔，离开新锅炉在急冷器中用莲喷头喷出冷水急冷，使乙炔等气体降温至800℃，进入氧预热器加热氧至600℃。增加的蒸汽锅炉除进行化学反应生成乙炔之外，夹套里生产超临界饱和蒸汽(31Mpa/621℃)，进入热交换器产生发电用超临界蒸汽(30Mpa/600℃)老锅炉除制造甲烷，也产生蒸汽用于制造发电蒸汽，即加热蒸汽进入热交换器，将热水加热成发电用蒸汽。新老锅炉产生的发电蒸汽进入同一个磁流体发电通道发电。乙炔等气体经冷却脱硫后用酒精吸收成乙炔酒精溶液，氢返回老锅炉制造甲烷。以上是火力发电厂联产乙炔的大工程。火电厂在进行大工程前第一步可搞小改工程(即不增加新锅炉，不产乙炔只发电)，发电蒸汽吸入热空气，使轮机中作功温度很低时不产生水滴，蒸汽用尽热量后的乏气放空，废除用大量冷却水冷凝蒸汽损失50％的总热量。此电厂可多发30％的电力乏气放空使天空多下雨，降低气温和消除雾霾。发电厂进行大工程改造，把老锅炉改为甲烷化炉，增加乙炔反应炉，附产加热蒸汽，然后生产发电蒸气，发电的超临界蒸汽(30mpa/600℃)因喷射泵吸入预热至600℃的空气，有了扩散剂，保证发电蒸汽作功后不产生水滴，在磁流体发电通道发电。新老锅炉首先产生加热蒸汽，然后才加热生成发电蒸汽，然后进入磁流体发电。新发电通道为方形结构，预先装上电极，左壁为阴极、右壁为阳极，加入电压4‑7×104V，使之发生放电，使发电蒸汽成为离子具有导电性，经减压阀减压，蒸汽在发电通道快速运动(通电导体切割磁力线运动产生电动势ε＝BLU)，乏气经热水器回收热量后，由烟窗放空。本发电厂不用冷却水冷凝温度很高的蒸气，避免冷却水带走热量(占总热量的50％)而浪费。本电厂用空气作扩散剂，使蒸气中的热量作功用尽，然后回收低热后放空，这是重大的环保措施，蒸汽放空可使天空多下雨，降低气温，亦可溶解雾霾，又可使河水(或海水)调在其他地方下雨，解决大地的干旱。天空中水蒸汽较多，要实现人工造雨较易。(9)、钠冷高温慢中子增殖反应堆和磁流体发电。铀‑235与中子发生核裂变产生的1兆电子伏特的中子，当减速至25电子伏特时易与铀‑238起增殖反应，生成钚；当中子减速至0.04电子伏特时易与铀‑235起裂变反应，本方案是根据这个原理设计的增殖反应堆。从高温气冷堆，反应温度800℃以上，核反应有很高的燃耗深度，表明高温有利核反应，本堆亦采用高温880℃。原子弹爆炸表明铀‑235浓度高易发生裂变反应，本堆铀‑235，芯块的铀‑235含量30％，在保证安全的前提可尽量提高铀‑235的含量。制成3厘米高，3厘米直径的芯块，制成陶瓷体，装在高3.6米，壁厚为1毫米不锈钢管中，为裂变管，用花板固定在反应堆中，周围是石墨套筒、石墨套筒周边是铀‑238不锈钢管。如此布满整个反应堆。反应堆如同内燃机气缸，在花板下面是活塞，活塞表面上固定控制棒，活塞上下移动，达到控制棒上下移动控制核反应。活塞是由齿轮齿条由电动机带动而动作的。整个反应堆安装在高压容器内。钠冷核反应开工后，当温度达880℃，液钠沸腾上升至蒸汽发生器产生加热蒸汽31Mpa/610℃，液钠下流至热交换器，把水加热，液钠返回反应堆。加热蒸汽进入发电蒸汽发生器，生成超临界蒸汽30Mpa/600℃，进入喷射泵吸入冷却高压容器后的热空气，进入磁流体发电通道发电。乏气进入热水器回收低热后放空，具有环保作用，使天空常下雨，气温降低，消除雾霾亦有调水至大地的作用。(10)、核动力电弧电火箭发动机和核动力火箭飞机，火箭列车和火箭船，用增殖反应堆作动力；用高压离心压缩机把空气压缩为42Mpa，通过电动巧克，把高压空气通向四个向下喷射的喷管中喷出，使飞机垂直起飞，到了高空，通过电动巧高压空气进入另一管路，压缩空气通过喷射泵吸入大量空气，进入电弧炉加热至1000℃，向后喷气，使飞机快速向前，可达超音速。火箭列车的核火箭与火箭飞机相同。安装在列车和最后一节车厢，发电机产生的直流电用电缆导入车头上的直流电机中，进出站均由电机带动。火箭列车应在地表以下运行，防止大风吹袭。铁轨为4500毫米宽轨，整个铁道线建成高架形式，桥上是高速公路，桥下是火箭列车轨道。火箭船亦用上述装置，直流电机产生直流电，供慢速航行时开动旋浆。(11)、核动力航天飞机。用钠冷高温慢中子增殖堆作动力。航天飞机仿照美国“哥伦比阿号”航天飞机，机长56米，高23米，宽24米。航天飞机垂直起降用二台或更多的离心压缩机。用高压力、大流量、大功率的离心压缩机，出口压力达42Mpa，功率达6×104kw，采用钛合金叶轮，圆周速度达400m/s，转数达120000r/min，叶轮速度如此高，可以缩小叶轮直径，使压缩机的体积，质量减少，使起飞总质量2000多吨，能顺利垂直起飞。当分布在飞机前后的二台高压离心压缩机，用电动机带动压缩空气分别进入二个热交换器，吸收核反应堆液钠带来的热量达600℃，分别由电动巧克把加热了的压缩空气分别送入飞机前后四个向下喷气的喷管中喷出，使飞机垂直起飞，到了高空，通过电动巧克将飞机尾部离心压缩机压缩的高压空气送入磁流体发电通道发电；将飞机头部离心压缩的压缩空气送入磁流加速通道加速，此加速通道在发电通道下面，有相同的电极，即发电的电力立即被加速道利用，使压缩空气减压后高速运动，在高电压4‑7×104v放电下，使高速运动的空气具有导电性，在强超导磁场和强电场的作用下，空气产生安培力，从而推动空气高速运动，最后由尾喷管喷出，由于放电加热，使喷气温度达1000℃，飞机总推力达3000×9.8KN，使飞机超音速向前飞，发电后的空气由喷射泵吸入，与飞机头部离心压缩的空气汇合，在加速道加速后喷气推进。到了外太空，高压空气压缩机停止运转，用二台高压水泵来自水箱的压缩至40Mpa，分别送至二个热交换器，用核反应堆的钠加热成超临界压力的过热蒸汽40Mpa/620℃，飞机尾部的热交换器产生蒸汽进入发电通道，飞机头部热交换器产生的蒸汽进入加速通道加速在尾部喷管中推动飞机向前超音速飞行；发电后的蒸汽用喷射泵吸入飞机头部热交换器产生的蒸汽中，进入加速通道加热和加热温度达1000℃，蒸汽从喷管中喷出。到了月球登月，飞机头部和尾部热交换器产生的两股蒸汽，分别在四个垂直向下的喷管喷出，实现月球中垂直降落。到火星要一年半时间，各种物品和水箱的水补给由飞船不断运来。(12)、钠冷氘‑氚对撞核聚变和磁流体发电工艺。用磁流体加速器建立二个氘‑氚环，其中一环进行氘‑氚加速，另一环氘‑氚不加速，两环相交于一处(即两环氘‑氚原来有自己一个车道到了交叉点只有一个车道，加速的氘氚速度很快，必然对撞击速度慢的氘‑氚，相当汽车的追尾碰撞。加速道的氘氚动能很大，对撞可克服氘‑氚两个带正电核的库仑斥力，实现核聚变。产生的热量被核聚变锅炉中的钠吸收，在热交换器产生高压蒸汽用喷射泵吸入热空气一起在磁流体发电通道发电，乏气经过热水器吸热后放空，放空蒸汽有环保效果，下雨使气温下降，消除雾霾和调水至各处。(13)、电解制取金属钠。所有核聚变堆和核裂变堆都采用钠冷，未来对钠需求量大，大规模电解氯化钠制取。金属钠是必要的，用电磁炉加热氯化钠至650℃成液体，在塔式电解槽中电解生成氯和钠。通过预热器加热，在电磁炉加热成液体盐熔液经浮子阀进入电解槽内，在阳极中放出氯，经热交换器吸热在废热锅放热，在冷却器中冷却，在冷凝器冷冻成‑20℃的液体氯装入罐中。在阴极中钠浮出食盐熔液之上，往下流入液钠贮罐中。(14)、尿素改为硝酸尿素缓效氮肥工艺。由于核能发电的巨大进步，使电价低廉，水电解制氢氧将大发展，廉价而清洁的氢便于制造合成氨，尿素厂可增加电解氢制造合成氨，可增加尿素生产，合成氨又可制造硝酸，硝酸与尿素反应生成硝酸尿素，成缓效氮肥，比尿素增加肥效三分之一。本尿素改为氨CO2双气提；液氨18Mpa进入氨加热器达180℃，通过喷射泵把尿液从尿素合成塔吸出，进入氨气提塔底部，鼓泡而上(管间是加热蒸汽210℃)因而气提产生CO2和氨等，到了塔顶空间较大而气液分离，气体进入甲铵冷凝器；液体尿液在花板上(10厘米列管高于花板)尿液进入CO2气提塔，用17Mpa的CO2气提，分解的CO2和氨，进入甲铵冷凝器生成甲铵，流入尿素合成塔底部而上升进行尿素合成。本硝酸生产中，氨氧化采用非铂催化剂，因氨成本低，节约铂是合理的，为了减少氨的分解，采用过量氮，采用5大气，高压氧化使进入氧化层的氧很多，反应的料层也高，使反应充分，空压缩进入氧化层的管间，吸收氧化反应热，使氧化反应不超过1000℃。液氨减压至大气压进入快速冷却器冷冻氧化物，使水冷凝下来；氨上升至加热器，温度达700℃进入氨氧化炉与氧进行反应，氧化物经废热锅炉冷却后进入快速冷却器冷却后进入吸收塔，生成硝酸，未吸收的NO2气体进入第二吸收塔吸收成硝酸。高压尿液经减压阀进入闪蒸槽，温度107℃，冷的硝酸进入与尿素反应生成硝酸尿素，经蒸发加浓至99％。熔融物泵送造接塔造粒。(15)、中小化肥厂改产硝铵和新能源天然气溶于酒精。中小化肥厂用水电解制氢氧，用富氧空气‑水蒸汽连续气化制合成气，高温不发生CO2，经水冷脱硫后进入压缩机压至30大气压，进甲烷化炉，冷却后用酒精吸收天然气，(此为汽车用新能源)脱除CO后，用高压机把氢和氢压缩至100大气压制合成氨，然后用非铂催化剂进行氨氧化生成NO，制取硝铵，与氨反应生成硝铵这是成本最低的化肥。(16)、钢铁厂粗钢改为高级合金钢联产天然气、水泥工艺。用水电解制氢氧，用氢还原炼铁，将煤、铁矿、熔剂石灰石(CaCo3)白云石，波特兰水泥需配CaO60％，SiO218％、Al2O36％Fe2O32％；在球磨机磨成粉末，输送至料仓，用螺旋加料机加入煅烧炉中，压缩氧气至5大气压，用喷射泵吸入炼钢炉尾气1300℃，在煅烧炉与炭燃烧，硫生成SO2，磷生成P2O5或生成挥发气体，经旋风分离，铁矿，熔剂等固体，导入高炉的料封槽中，压缩的氢预热至600℃喷吹料封槽，把铁矿粉吹起，悬浮状进行氢还原炼铁，硫和磷进一步化成气体被清除。含硫磷气体进入废热锅炉、冷却器、脱硫塔。CO2、H2等气体进入甲烷化炉，生成甲烷；用酒精吸收天然气为汽车燃料。在高炉里生成无硫磷的海绵铁，经旋风分离落入炼钢炉中，吹氧与炭反应使炉温达1700℃。钢液与熔剂分离。顺流而下，钢渣浮起，精炼钢沉下。最后，钢渣用喷雾器制粉末状的水泥。液钢流入合金炉中，螺旋加料机将合金元素加入合金炉中，炉的底部有电磁炉加热，钢液沸腾中，与合金元素部混合均匀，然后进行合金钢的浇注。(17)、不锈钢电饭锅由于天然气用溶于酒精用于汽车作燃料，天然气不再用于烹调作燃烧，电价低廉，家用烹调应采用电加热。目前铝制内锅的电饭锅，氧化铝易脱落，有损健康，用不锈钢作内锅，往往会烧焦饭；本法用不锈钢篦子，不让米落在锅底中，篦子多孔，直径小于米粒，有二个手柄，有二个脚。其余结构此电饭锅与目前的电饭锅相同。篦子在锅中高度要适当，做到先煮后蒸，即沸水与米先煮，一半熟时，水应离开米层，由蒸汽蒸熟，蒸熟后跳闸断电，不要保温供电。开盖让蒸汽蒸发，然后用筷子把饭捅松。