專利名稱：一種吸熱發(fā)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱能轉(zhuǎn)換成電能技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種吸收熱能、并能將吸收的熱能
全部轉(zhuǎn)換為有用功(電能)輸出的吸熱發(fā)電機(jī)。
背景技術(shù)：
從歷史到現(xiàn)在，人類無法將熱能100%轉(zhuǎn)換為有用功(電能)輸出，轉(zhuǎn)換的過程總 是存在耗損的問題，做不到100%完全轉(zhuǎn)換。按照熱力學(xué)的熵增理論，孤立系統(tǒng)中，有用功轉(zhuǎn) 換為熱和熱轉(zhuǎn)換為有用功是一個熵增過程，有用功可全部轉(zhuǎn)換為熱，但熱無法全部轉(zhuǎn)換為 有用功。比如，用1度電加熱水把水的溫度從20度C提高到90度C，電能可全部轉(zhuǎn)換為水 的熱能，但反過來，水的熱能無法全部轉(zhuǎn)換為電能，做不到使水的溫度從90度C降低到20 度C，把熱能又全部轉(zhuǎn)換為電能。 細(xì)究熱無法全部轉(zhuǎn)換為功的根源，在于人類只是單純的從氣體的單相態(tài)出發(fā)，即 在氣體不發(fā)生相變，過程始終保留氣相的孤立系統(tǒng)中，熱能的做功必須要求在兩個溫度的 區(qū)間來做功，也就是說，要有熱源和冷源，依照卡諾循環(huán)，其效率當(dāng)然無法達(dá)到100%，因?yàn)?熱源的一部分熱量流向了冷源，成為廢熱，導(dǎo)致了熵增，從而使熱無法全部轉(zhuǎn)換為功。
如果采用氣體的單相態(tài)，要使熱能做功，必須具備熱源和冷源，單熱源是無法做功 的，單熱源做功是一個等熵過程，由于存在摩擦，實(shí)際過程也是一個熵增過程。無論是具備 熱源和冷源，還是單熱源，熱都是無法全部轉(zhuǎn)換為功，都是一個熵增的過程，無法做到熵減。
這一困境使人類對能源的使用付出了很大的代價，熵增的結(jié)果使一切有用的東西 都變?yōu)闊o用，從能量的角度來說，高品位能變?yōu)榈推肺荒?，有用功變?yōu)闊o用功，但無法使低 品位能變?yōu)楦咂肺荒?，作為無用功的廢熱無法變?yōu)橛杏霉Γ纬刹涣四芰康难h(huán)使用，導(dǎo)致 各種污染和環(huán)境的破壞，以及對資源和能源等等高品位能的爭奪和掠奪所導(dǎo)致的戰(zhàn)爭災(zāi) 難。 本發(fā)明的思考，就是對宇宙的熵減機(jī)制研究而得出的。比如，對于地球中的空氣和 水中的環(huán)境熱能，因?yàn)槭菃我粺嵩?，人類是無法利用的，屬于廢熱。但實(shí)際上，人類現(xiàn)在所利 用的水力發(fā)電，本質(zhì)上有一部分是對環(huán)境能這一單一熱源的利用，房間里的液態(tài)水，因?yàn)槲?收房間的廢熱變?yōu)樗艿?，房間溫度下降，而水汽上升在高空變冷重新變?yōu)橐后w而下雨， 可形成水力發(fā)電，低品位能變?yōu)楦咂肺荒?，?shí)現(xiàn)熵減。 但這種熵減，是由于地球的外太空是冷源，氣態(tài)水才能變?yōu)橐簯B(tài)水。但外太空的冷 源， 一是宇宙的膨脹， 一是宇宙黑洞對廢熱的吸收變?yōu)楦咂肺荒苄纬傻?，這兩者的本質(zhì)，屬 于宇宙的熵減機(jī)制，因不屬于本發(fā)明的內(nèi)容，就不再闡述。 總之，熱要全部轉(zhuǎn)換為功，靠氣體的單相態(tài)是無法實(shí)現(xiàn)的，只能靠物質(zhì)結(jié)構(gòu)的多相 態(tài)轉(zhuǎn)變，靠物質(zhì)結(jié)構(gòu)相變過程中對熱的吸收和釋放實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移才能夠?qū)崿F(xiàn)。本發(fā)明是 在研究黑洞的熵減原理，受夸克的漸進(jìn)自由這種結(jié)構(gòu)特征的啟發(fā)而應(yīng)用到熱力學(xué)上而發(fā)現(xiàn) 的一種實(shí)現(xiàn)原理，發(fā)現(xiàn)氣體的超臨界具有"漸進(jìn)自由"的特征，利用這個特征，可使低品位能 集中起來變?yōu)楦咂肺荒茌敵?，從而?shí)現(xiàn)熵減。
比如，對于一定的環(huán)境廢熱溫度，如果某工質(zhì)的臨界溫度小于環(huán)境溫度，則對該工 質(zhì)液體進(jìn)行加壓，壓力越大，其變?yōu)樽杂蓺鈶B(tài)所需要吸收的熱量就越少，表現(xiàn)為汽化熱越來 越少，而液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)后的壓力卻越來越大，自由能越大，高品位能越大。如果液體壓力超 過臨界壓力，則當(dāng)液體吸收廢熱溫度超過臨界溫度時，因?yàn)榇藭r汽化熱為O，液體就瞬間整 體變?yōu)闅怏w，液體初始加壓的壓力越大，所得到的氣體自由能就越大，低品位能在瞬間形成 高品位能，而不需要一個在低臨界下，液體通過飽和曲線逐步吸熱變?yōu)闅鈶B(tài)的過程。
這就是超臨界的"漸進(jìn)自由"的特征，表現(xiàn)為液體的壓力越大，液體分子獲得氣態(tài) 自由所需吸收的能量就越少，獲得的自由能也越大。在超臨界壓力下，臨界溫度就是一個開 啟自由和關(guān)閉自由的閥門，也是氣化和液化實(shí)現(xiàn)瞬間相變的接口 。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種低成本的產(chǎn)生電力的設(shè)備一吸熱發(fā)電機(jī)，把廢熱重新
吸收變?yōu)橛杏霉?電能)輸出，從而實(shí)現(xiàn)能量的循環(huán)使用，徹底的解決人類的能源危機(jī)，并 相應(yīng)的解決資源危機(jī)和氣候危機(jī)。 本發(fā)明利用超臨界狀態(tài)下液態(tài)和氣態(tài)相變過程中這一"漸進(jìn)自由"的特征，使液態(tài) 向氣態(tài)的相變以及氣態(tài)向液態(tài)的相變在瞬間完成，并在變化過程中內(nèi)部自我產(chǎn)生一冷源， 擺脫了需要外部冷源來散熱的卡諾循環(huán)模式，實(shí)現(xiàn)了單熱源吸熱，靠內(nèi)部的冷源來自我冷 卻液化，實(shí)現(xiàn)工質(zhì)從液態(tài)和氣態(tài)自我相互循環(huán)的吸熱模式，從而實(shí)現(xiàn)了把熱能100%轉(zhuǎn)換為 有用功(電能)。 為了實(shí)現(xiàn)這一目的，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種設(shè)備，該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了在超臨界狀態(tài)下，液態(tài) 吸熱汽化做功并通過獨(dú)立的熱泵系統(tǒng)進(jìn)行熱量的轉(zhuǎn)移預(yù)先產(chǎn)生一冷源來對做功后的氣體 進(jìn)行液化，從而形成工質(zhì)液態(tài)和氣態(tài)之間的循環(huán)，源源不斷的吸收熱能轉(zhuǎn)化為有用功(電 能)輸出。
因?yàn)樵撛O(shè)備是靠吸收外界熱能轉(zhuǎn)換為電能輸出，故稱為吸熱發(fā)電機(jī)。而吸熱的本
質(zhì)是因?yàn)樵O(shè)備本身的溫度小于環(huán)境溫度來吸熱，設(shè)備的外部表現(xiàn)特征是冷的，吸熱的結(jié)果
使環(huán)境也變冷，故也可稱為冷電機(jī)。下面就以冷電機(jī)來統(tǒng)一稱呼這種設(shè)備。 冷電機(jī)是通過對液態(tài)的提前升壓，根據(jù)"漸進(jìn)自由"的特征，在超臨界狀態(tài)下，通過
控制氣體的壓溫比來實(shí)現(xiàn)氣體的做功輸出和液化，冷電機(jī)包括液化室、獨(dú)立熱泵系統(tǒng)(壓
縮機(jī))及其熱端熱交換器(包含始端熱交換器和末端熱交換器)和冷端交換器、液體提壓
泵、吸熱室、膨脹透平機(jī)，以及各種參數(shù)采集器的控制系統(tǒng)等組成，模型圖見圖4。 圖4中，熱泵系統(tǒng)是一個獨(dú)立循環(huán)的系統(tǒng)，壓縮機(jī)一端通過雙管道與液化室內(nèi)的
冷端熱交換器進(jìn)行連接，另一端通過流量分配器和雙管道與始端熱交換器和末端熱交換器
連接，形成循環(huán)。 冷電機(jī)的工質(zhì)循環(huán)也是一個獨(dú)立的循環(huán)系統(tǒng)，吸熱室通過單管道與膨脹透平機(jī)連 接，膨脹透平機(jī)至少有兩級，末一級與上一級之間與末端熱交換器連接，膨脹透平機(jī)與液化 室連接，液化室通過單管道與液體提壓泵連接，提壓泵通過單管道與單向閥連接，單向閥通 過單管道與始端熱交換器連接，始端熱交換器通過單管道與吸熱室連接，形成循環(huán)。
控制系統(tǒng)通過控制線與冷電機(jī)內(nèi)的各個參數(shù)采集器和控制器進(jìn)行連接，參數(shù)采集 器主要包括七個狀態(tài)點(diǎn)的壓力和溫度，以及膨脹透平機(jī)轉(zhuǎn)速和電力負(fù)載等數(shù)據(jù)。
冷電機(jī)能形成單機(jī)和逐級能量放大的冷動鏈?zhǔn)綑C(jī)組，形成各種不同吸熱規(guī)模的鏈
式機(jī)組，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要制成各種大、中、小型的輸出功率設(shè)備。
其實(shí)現(xiàn)原理如下 圖1是理論計(jì)算圖，由7個狀態(tài)點(diǎn)所組成，其變化共分為7個過程，構(gòu)成液態(tài)和氣 態(tài)的循環(huán)，整個過程在超臨界下進(jìn)行。 過程一是從狀態(tài)點(diǎn)Sl到狀態(tài)點(diǎn)S2的過程，這是一個對液體進(jìn)行做功加壓的過程， 液體的壓力由Pl變?yōu)镻2，而溫度不變，T2 = Tl。 過程二是從狀態(tài)點(diǎn)S2到狀態(tài)點(diǎn)S3的過程，這是液體吸收熱泵系統(tǒng)排放的熱量溫
度從T2升高到臨界溫度Tcr的過程，即T3 = Tcr，而壓力不變，P3 = P2。 過程三是從狀態(tài)點(diǎn)S3到狀態(tài)點(diǎn)S4的過程，這是液體吸受外界的熱量在臨界溫度
處瞬間全部變?yōu)闅怏w，氣體繼續(xù)吸受外界的熱量，溫度從T3升高到T4，壓力從P3升高到P4
的等容過程。 過程四是從狀態(tài)點(diǎn)S4到狀態(tài)點(diǎn)S5的過程，這是氣體通過絕熱膨脹在透平機(jī)做功 輸出，溫度降低到臨界溫度Tcr，壓力降低到P5的過程。 過程五是從狀態(tài)點(diǎn)S5到狀態(tài)點(diǎn)S6的過程，這是氣體吸收熱泵系統(tǒng)排放的熱量，溫 度從臨界溫度Tcr升高到T6，而壓力不變的等壓過程。 過程六是從狀態(tài)點(diǎn)S6到狀態(tài)點(diǎn)S7的過程，這是氣體通過絕熱膨脹在透平機(jī)做功 輸出，溫度降低到臨界溫度Tcr，壓力降低到P7的過程，而P7等于Pl，回到最初的液態(tài)壓 力。 過程七是從狀態(tài)點(diǎn)S7回到狀態(tài)點(diǎn)Sl的過程，這是氣體在臨界溫度處被熱泵系統(tǒng) 吸走熱量降溫瞬間全部變?yōu)橐后w，熱泵系統(tǒng)繼續(xù)吸走熱量降溫，液體溫度從Tcr降低到T1 的過程，壓力保持不變，Pl = P7。 要使做功氣體從狀態(tài)點(diǎn)S4絕熱膨脹做功溫度降低到狀態(tài)點(diǎn)S5的溫度，該溫度為
臨界溫度，即超臨界壓力下的沸點(diǎn)或叫液化點(diǎn)，則必須液體的壓力先加壓到P2，經(jīng)由狀態(tài)點(diǎn)
S3到狀態(tài)點(diǎn)S4的等容過程，P4 = (T4/Tcr) XP3 = (T4/Tcr) XP2。 狀態(tài)點(diǎn)S4絕熱膨脹做功溫度降低到狀態(tài)點(diǎn)S5的溫度，其關(guān)系式為T5 = (P5/P4)~ ((k-l)/k) XT4，把P4 = (T4/Tcr) XP2， T5 = Tcr代入，得到 P2 = (T4/Tcr) ~ (1/ (k_l)) X P5 氣體到達(dá)狀態(tài)點(diǎn)S5的溫度為臨界溫度，即沸點(diǎn)或液化點(diǎn)，稱為為第一液化點(diǎn)。 氣體到達(dá)狀態(tài)點(diǎn)S7的溫度同樣為臨界溫度，稱為第二液化點(diǎn)。 第一液化點(diǎn)S5到狀態(tài)點(diǎn)S6的過程為等壓吸熱過程，所吸收的熱量來自于冷電機(jī)
內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，如熱泵所排放的熱量以及內(nèi)部產(chǎn)生的廢熱。 對熱泵系統(tǒng)而言，熱泵排放的熱量有兩個去處，一個是排放到過程二和過程三中 去，給液體加熱并越過臨界溫度后繼續(xù)給氣體加熱；一個是排放到過程五中去，給氣體加 熱，使氣體溫度從臨界溫度Tcr等壓上升到T6。 熱泵的熱端有了熱量的排放處，就可在另一端(冷端)制造出一低于臨界溫度的 冷源，對到達(dá)第二液化點(diǎn)(狀態(tài)點(diǎn)7)的氣體進(jìn)行液化降溫到T1。
下面進(jìn)行兩個名詞定義 始端預(yù)冷液化法熱泵熱量排放到過程二和過程三從而預(yù)先制造出低于臨界溫度作為冷源的方法就叫始端預(yù)冷液化法，簡稱始端液化法。 末端預(yù)冷液化法熱泵熱量排放到過程五從而預(yù)先制造出低于臨界溫度作為冷源 的方法就叫末端預(yù)冷液化法，簡稱末端液化法。
不同壓力下，液體的熱容一般變化不大，過程二和過程七是一對相反的過程，液體
溫度從Tl升高到Tcr和溫度從Tcr降低到Tl所吸收和釋放的熱量相等。 而氣體的定壓熱容Cp在臨界溫度附近，隨壓力的變化而變化，壓力越高，定壓熱
容Cp變小。由于始端液化法處于高壓力下，而末端液化法處于低壓力下，過程三氣體的吸
熱量要小于過程五，從合理的角度出發(fā)，采用始端液化法和末端液化法同時存在進(jìn)行調(diào)控，
始端液化法負(fù)責(zé)把過程七液體所釋放的熱量轉(zhuǎn)移到過程二中，而末端液化法負(fù)責(zé)熱泵轉(zhuǎn)移
熱量本身做功所產(chǎn)生的熱量以及設(shè)備內(nèi)部所產(chǎn)生的廢熱量。 通過熱泵來產(chǎn)生內(nèi)部冷源的始端液化法和末端液化法的運(yùn)行圖如圖2所示。 下面通過逆推來得出各狀態(tài)點(diǎn)的關(guān)系式。 1)初始液體的狀態(tài)SI = (Pl， Tl) ， Tl < Tcr， PI > Pcr。 2)S7的狀態(tài)，P7 = P1，T7 = Tcr，S7通過熱泵冷端的吸熱變?yōu)闋顟B(tài)Sl。吸收的熱 量Qcold = (Tcr-Tl) X C (C為液體的熱容)。 因?yàn)镼cold的熱量通過始端液化法排放，使液體吸熱從狀態(tài)點(diǎn)S2變?yōu)闋顟B(tài)點(diǎn)S3。 而熱泵本身消耗的功變成的熱量通過末端液化法排放，使?fàn)顟B(tài)點(diǎn)S5變?yōu)闋顟B(tài)點(diǎn)S6，則排放 到過程五的熱量Q5為 Q5 = Qhot-Qcold = Qcold X T6/Tl_Qcold = QcoldX (T6-T1)/Tl = (Tcr-Tl) XCX (T6-T1)/T1。 S6絕熱膨脹做功到S7，能吸收的熱量為Q6 = (T6-T7) XCp = (T6_Tcr) XCp (Cp為氣體的定壓熱容)。 Q5要排放到Q6中去，必須要滿足Q5 <= Q6，得出T6 >= ((b-l) XTcr XTl+Tl~2)/(Tl(b+l)-Tcr)。(定義b = Cp/C)
分母要滿足Tl (b+1) -Tcr > 0，得出Tl > Tcr/ (b+1)
P6 = (T6/Tcr) ~ (k/ (k_l)) XPI (k為氣體絕熱指數(shù)) 如果T6〉 ((b-l)XTcr XT1+T1~2) / (Tl (b+1)-Tcr)，則Q6 > Q5， Q6除了能吸收 Q5的熱量外，還具有吸收設(shè)備內(nèi)部所產(chǎn)生的廢熱Qw的能力。吸收廢熱的能力為
Qw = Q6-Q5 = (T 6 - T c r) X Cp - (T c r - T 1) X C X (T 6 - T 1) / T 1 = (T6X (Tl(b+l)-Tcr)-((b-l) XTcr XT1+T1~2)) XT1/C
3)上面的推導(dǎo)得出 T6>= ((b-l) XTcr XT1+T1~2)/(T1 (b+1)-Tcr) ，P6 = (T6/Tcr)~ (k/(k_l)) XP1 [OO59] (k為氣體絕熱指數(shù)) 4) S6由S5等壓吸熱膨脹而來，P5 = P6， T5 = Tcr。 5)狀態(tài)點(diǎn)S2的壓力P2由壓力P5的函數(shù)關(guān)系式來決定，前面計(jì)算過，P2 = (T4/ Tcr)' (l/(k-l)) XP6， T2 = Tl。 T4是外界輸入熱量的變量，由T4來決定液體提壓所需的 壓力P2，再決定P4。 6)狀態(tài)點(diǎn)S3， P3 = P2， T3 = Tcr。 7)狀態(tài)S4， P4 = (T4/T3) XP3 = (T4/Tcr) XP2， T4是變量。
P2、 T4、 P4三者具有函數(shù)關(guān)系，把任何一個作為輸入的變量，就能決定另外兩個的 數(shù)值。T4為變量，則P2 = (T4/Tcr) ~ (l/(k_l)) XP6， P4 = (T4/Tcr) XP2。
P2為變量，則T4 = (P2/P6) ~ (k_l) XTcr， P4 = (T4/Tcr) XP2。
P4為變量，則T4二 (P4/P6)' ((k-l)/k) XTcr， P2 = (T4/Tcr)~ (1/(k_l)) XP6。
因?yàn)槔潆姍C(jī)的實(shí)質(zhì)就是吸收熱能做功，故以T4為變量，能放映吸收熱能的多少。
在實(shí)際的運(yùn)行中，液體的提壓注入與受熱汽化是一個動態(tài)的連續(xù)過程，不可能經(jīng) 過一個先提壓到P2再靜態(tài)的受熱由狀態(tài)點(diǎn)S3變化到S4的等容過程，如是液體直接提壓 到P4的等壓的過程，只是相應(yīng)的液體的注入體積縮小為(Tcr/T4)XV，使做功量相等，即 P2XV = P4X (Tcr/T4) XV。 即狀態(tài)點(diǎn)S2到S3到S4變?yōu)榈葔哼^程。
下面推導(dǎo)冷電機(jī)的輸出功 因?yàn)橐后w從狀態(tài)S2到S3所吸收的熱量來自于熱泵所抽取的從狀態(tài)S7到Sl降溫 所釋放的熱量，屬于熱泵的液化循環(huán)體系，故圖1可簡化為兩個循環(huán)，一個是液化循環(huán)，一 個是氣體吸熱循環(huán)，如圖3所示。
1、氣體吸熱循環(huán) 液體的加壓做功Wu = (P2 X V-P1 X V) 氣體做功前的總能量E等于液體的加壓做功Wu加上吸收外界的總熱量Q。
E = Wu+Q 氣體的絕熱膨脹做功后回到起始狀態(tài)，把氣體的總能量全部轉(zhuǎn)化為有用功輸出， 絕熱膨脹做功量We = E = Wu+Q， 冷電機(jī)的輸出功Wc = We-Wu = Wu+Q-Wu = Q = (T4-Tcr) XCp
即設(shè)備的輸出功Wc等于從外界吸收的熱量。
2、液化循環(huán) 液化循環(huán)中，沒有與外界進(jìn)行熱量和做功交換，氣體吸收的熱量來自于熱泵做功
所轉(zhuǎn)化的熱量，由液體提壓做功通過氣體絕熱膨脹做功所得到的有用功的增值(來之于熱
泵做功所轉(zhuǎn)化的熱量)等于熱泵所做的功，剛好形成一個等熵的循環(huán)，輸出功為0。 也就是說，液體由壓力Pl提高到P5，是維持冷電機(jī)從液體到氣體，再從氣體到液
體的兩態(tài)循環(huán)變化的平衡點(diǎn)，液體提壓所得到的有用功的增值剛好等于熱泵消耗的功，熱
泵消耗的功變成的熱量被氣體所吸收轉(zhuǎn)化為功，兩者相等，與外界沒有熱量和功的交換，維
持自身的運(yùn)行。 只有當(dāng)液體提壓的壓力大于P5時，液體提壓所得到的有用功的增值大于熱泵消 耗的功，才能吸受外界熱能轉(zhuǎn)化為有用功輸出，實(shí)現(xiàn)冷電機(jī)的功能。而當(dāng)液體的壓力小于P5 時，液體提壓所得到的有用功的增值小于熱泵消耗的功，則做功后的氣體無法液化，循環(huán)無 法繼續(xù)，就無法實(shí)現(xiàn)冷電機(jī)的功能。 對設(shè)備而言，熱泵消耗的功就是內(nèi)部產(chǎn)生的廢熱，是熵增，熵增就是把功變?yōu)閺U 熱。但熱泵消耗的功產(chǎn)生的廢熱是實(shí)現(xiàn)液化所必需的，因?yàn)橹挥幸夯拍軐?shí)現(xiàn)做功后氣體 的自我壓縮，體積縮小，成為液體，然后靠液體的提壓再吸熱汽化成為高壓氣體。這個過程 中，對液體的做功提壓溫度不上升，故重新形成高壓氣體的過程，熵值不增加，從而可通過絕熱膨脹做功熵減溫度降低吸收熱能轉(zhuǎn)化為有用功。故從整個過程的循環(huán)來看，氣體液化 成液體并對液體提壓就是實(shí)現(xiàn)了熵減。如果氣體不液化，對氣體直接提壓，其過程是一個熵 增的過程，與膨脹做功的熵減剛好形成可逆等熵過程，壓縮功與膨脹功相等，沒有有用功增 值(實(shí)際過程因?yàn)槟Σ粒庆卦龃笥陟販p，消耗有用功，溫度上升)。 故，冷電機(jī)內(nèi)部運(yùn)行產(chǎn)生的任何廢熱導(dǎo)致的熵增，都得靠提高液體的壓力所實(shí)現(xiàn) 的熵減來抵消。而液體的壓力，最終是體現(xiàn)在做功氣體的初始壓力和溫度上(圖3中的狀 態(tài)S3點(diǎn)上的P4與T4)。根據(jù)設(shè)備實(shí)際制造的工藝所產(chǎn)生的廢熱量來決定做功氣體的初始 壓力和溫度，依照吸收廢熱的公式 Qw = (T6X (Tl(b+l)-Tcr)-((b-l) XTcrXTl+Tl~2)) XT1/C 廢熱量越大，要求T6越大，設(shè)備內(nèi)部吸收廢熱的能力就越大，相應(yīng)的P6就越大，P5
等于p6， P5也越大，如果T4不變，要求P2也越大，則要求P4也越大。對一定的設(shè)備而言，
做功氣體的初始壓力有一個最大值，無法提高，要使P4不變，只能使T4變小，減少吸熱量，
增大做功氣體的壓溫比，使輸出功減少；反之，如果廢熱量少，T4變大，其壓溫比越低，相應(yīng)
吸收的外部熱量就越多，輸出功就越多。 總之，氣體要完全消化所吸收熱能以及內(nèi)部所產(chǎn)生的廢熱，唯一的途徑就是通過 提高初始液體的壓力從而提高初始做功氣體的壓溫比來絕熱膨脹做功降溫把吸收的熱能 轉(zhuǎn)化為功。液化的原理也是如此，通過氣體壓力膨脹來吸收熱泵所排出的熱量。無論是降 溫回到液化點(diǎn)(沸點(diǎn))還是從液化點(diǎn)降溫液化回到液體初始態(tài)完成循環(huán)，都是靠提高初始 液體的壓力從而提高做功氣體的壓溫比來實(shí)現(xiàn)。 人類現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)氣體降溫和液化的方法就是通過提高氣體的壓溫比來絕熱膨脹做 功實(shí)現(xiàn)的。但這是通過引入一個等溫過程，靠壓縮向冷源排出熱量從而達(dá)到提壓不提溫來 提高壓溫比的目的，通過卡諾循環(huán)來實(shí)現(xiàn)的。 因?yàn)槔潆姍C(jī)是單熱源做功，沒有外部冷源來冷卻液化，只能靠氣體本身壓力的絕 熱膨脹做功來降溫產(chǎn)生冷源，只要?dú)怏w有足夠的壓力，就可以在內(nèi)部自我產(chǎn)生冷源，從這個 意義說，足夠的壓力就是冷源。故通過對液體的提壓，可使氣體有足夠的壓力來絕熱膨脹做 功，使溫度降低到臨界溫度時重新吸熱再絕熱膨脹做功來產(chǎn)生冷源。因?yàn)槌R界狀態(tài)下，沸 點(diǎn)(液化點(diǎn))是一個定點(diǎn)，就是臨界溫度，不隨壓力的變化而變化，不像低臨界狀態(tài)下，沸 點(diǎn)(液化點(diǎn))隨壓力的降低而降低，壓力和沸點(diǎn)具有函數(shù)關(guān)系，是捆綁在一起的，絕熱膨脹 做功降壓所得到的溫度追不上沸點(diǎn)(液化點(diǎn))的下降，并且壓力越低，液化釋放的凝結(jié)熱越 高，不像超臨界狀態(tài)下，液化沒有凝結(jié)熱釋放，熱泵系統(tǒng)也不需要移走凝結(jié)熱。故在低臨界 狀態(tài)下，無法實(shí)現(xiàn)對做功尾氣的液化，形成不了氣態(tài)和液態(tài)的循環(huán)，本發(fā)明不成立。只有在 超臨界狀態(tài)下，才能形成氣態(tài)和液態(tài)的循環(huán)，本發(fā)明才能成立。 因?yàn)槔潆姍C(jī)工作在深溫下，為了減少廢熱的產(chǎn)生，可采用超導(dǎo)軸承和超導(dǎo)電機(jī)來 減少摩擦，盡可能的減少設(shè)備運(yùn)行中所產(chǎn)生的廢熱。同時采用高效的絕熱材料來控制熱量 的傳入，使設(shè)備的吸熱量能被控制，保證冷電機(jī)的液化循環(huán)。 由于做功氣體的初始壓力和溫度可通過控制注入液體的壓力和流量以及控制與 外界的熱交換量來任意控制做功氣體的初始壓力和溫度，故冷電機(jī)的運(yùn)行，是完全可以通 過運(yùn)行過程的參數(shù)反饋來實(shí)現(xiàn)自動化的調(diào)控，使冷電機(jī)的內(nèi)部能循環(huán)能運(yùn)行下去，實(shí)現(xiàn)單 一熱源的熱能轉(zhuǎn)化為有用功，通過機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能輸出。
綜合上面的推導(dǎo)，各狀態(tài)點(diǎn)之間的關(guān)系公式如下 工質(zhì)的設(shè)定初始態(tài)液體的初始壓力為Pl，溫度Tl，做功氣體的溫度T4，臨界溫度 Tcr，臨界壓力Pcr，其中，PI > Pcr， Tl < Tcr， T4 > Tcr。
狀態(tài)點(diǎn)公式如下 T6>= ((b-l) XTcrXTl+Tl~2)/(TlX (b+l)-Tcr) (b為氣體定壓熱容Cp和液體比熱容C的比值，即b = Cp/C) Tl>Tcr/(b+l)P6 = (T6/Tcr) ~ (k/ (k_l)) XPl (k為氣體絕熱指數(shù)) P2 = (T7/Tcr)~ (l/(k-l)) XP6P4 = (T4/Tcr) XP2T3 = T5 = T7 = Tcr， T2 = Tl P7 = Pl， P3 = P2， P5 = P6 吸收廢熱的能力Qw = (T6X (Tl(b+l)-Tcr)-((b-l) XTcrXTl+Tl~2)) XT1/C
氣體吸熱循環(huán) 液體的加壓做功Wu = (P2XV-P1 XV)
輸出功Wc = Q = (T4-Tcr) XCp
熱泵做功 冷端溫度T1 = T1 ，熱端溫度Th = T6W = Qhot-Qcold = (Tcr-Tl) XCX (T6-T1)/Tl (C為液體比熱容) 總結(jié)從實(shí)際的運(yùn)行過程來看，整個過程的循環(huán)由一個液體加壓過程、三個等壓過
程、兩個絕熱膨脹過程組成。 本發(fā)明可形成鏈?zhǔn)嚼潆姍C(jī)組，實(shí)現(xiàn)方式和原理為
1、初級冷電機(jī) 初級冷電機(jī)是以臨界溫度和臨界壓力較低的工質(zhì)，比如氦和氫為工作介質(zhì)的氦冷 電機(jī)和氫冷電機(jī)，內(nèi)部通過熱泵系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)自我液化循環(huán)吸收環(huán)境熱能輸出有用功的冷電 機(jī)就是初級冷電機(jī)，成為初級冷源。 有了初級冷源，建立在初級冷源之上的冷電機(jī)內(nèi)部就不需要熱泵系統(tǒng)，而是直接
采用初級冷源進(jìn)行對做功尾氣的液化，從而形成次級及次級以上的冷電機(jī)。 2 、次級及次級以上的冷電機(jī) 次級冷電機(jī)是直接采用初級冷源對做功尾氣進(jìn)行液化，形成液體和氣體的兩態(tài)循 環(huán)，形成吸熱溫度高一級的冷電機(jī)，成為次級冷源。有了次級冷源，又可以對第三級的冷電 機(jī)進(jìn)行對做功尾氣的液化，形成第三級冷電機(jī)，成為第三級冷源。如此進(jìn)行下去，形成多級 冷電機(jī)，使吸熱溫度一級級的升高，直到最上面一級的吸熱溫度小于環(huán)境溫度的幅度不大 為止，形成冷動鏈?zhǔn)綑C(jī)組，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。圖7中，如果是次級冷電機(jī)，則液化室里的上 級冷電機(jī)就是初級冷電機(jī)，比如是氦冷電機(jī)或氫冷電機(jī)，成為初級冷源，靠初級冷源來冷卻 液化形成循環(huán)。如果是第三級冷電機(jī)，則液化室里的冷源就是次級冷電機(jī)，依次類推。
3、冷動鏈?zhǔn)椒磻?yīng)原理 冷動鏈?zhǔn)椒磻?yīng)原理就是以初級冷電機(jī)作為產(chǎn)生冷源的起點(diǎn)，冷源的溫度是最低的溫度，然后依次建立起液化溫度(液化點(diǎn))從低到高的冷電機(jī)，把低一級產(chǎn)生的冷量作為高 一級的冷源，把做功后的氣體液化再循環(huán)吸熱，從而使能量以幾何級的數(shù)量不斷的增加，依 照能量的使用規(guī)模，可形成單鏈?zhǔn)胶投噫準(zhǔn)降睦鋭渔準(zhǔn)椒磻?yīng)冷電機(jī)組。
4、能量放大輸出效應(yīng) 低一級吸收多少熱能轉(zhuǎn)化為電能輸出，就可產(chǎn)生多少冷能給高一級的冷電機(jī)作為 冷卻液化之用。那么，高一級的冷電機(jī)其能吸收的熱能取決于其做功尾氣的液化量，液化所 釋放的總熱量等于低一級冷電機(jī)所提供的冷量。高一級冷電機(jī)吸熱做功的放大系數(shù)A等于 吸收的熱量Qi和液化所需冷量Qc的比值，即
A = Qi/Qc Qi等于冷電機(jī)的做功量，而做功量主要取決于氣體做功前后的壓力差，壓力差越 大，做功量就越大。對冷電機(jī)的設(shè)備而言，做功氣體的初始壓力有一個安全的最大值，要提 高做功量，只能使做功尾氣的壓力降低增加氣體做功前后的壓力差來實(shí)現(xiàn)。但如果做功尾 氣的壓力低于臨界壓力，氣體液化時釋放凝結(jié)熱，就要消耗冷量，做功尾氣壓力越低，氣體 液化時釋放凝結(jié)熱就越多，消耗的冷量就越多，Qc越大，雖然Qi變大了，但Qc也變得越來 越大，放大系數(shù)A卻變小。 因?yàn)槔潆姍C(jī)的級數(shù)越高，其臨界溫度也越高，而臨界壓力隨臨界溫度的增加也越 來越大，故級數(shù)越高的冷電機(jī)，因?yàn)槠渑R界壓力很高，其做功尾氣的壓力只能設(shè)定在臨界壓 力以下，氣體液化時釋放凝結(jié)熱，消耗較多的冷量，其放大系數(shù)就相應(yīng)變小。故處于越高級 數(shù)的冷電機(jī)，其放大系數(shù)也越小。 由于冷電機(jī)的吸熱做功量同做功氣體的初始壓力密切相關(guān)，初始壓力越大，吸熱
量就越大，其放大系數(shù)也越大。依照實(shí)用的需要，若增加的級數(shù)其放大系數(shù)不大，就沒有必
要再增加級數(shù)。從初級到末級冷電機(jī)，其放大系數(shù)可設(shè)計(jì)在10到2之間。 圖8所示為采用六級設(shè)計(jì)的冷電機(jī)組的逐級能量放大示意圖。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在通過冷動鏈?zhǔn)椒磻?yīng)原理的能量放大效應(yīng)上，只要有一個
初級冷源，這個初級冷源稱為冷核，功率不需要太大，能提供一定的冷量就可以了，這樣就
方便于制造。有了這個冷核，就可通過冷動鏈?zhǔn)椒磻?yīng)原理逐級放大來產(chǎn)生越來越大的冷量，
使吸熱量逐級增多輸出越來越多的電能，提供一種層次分明的結(jié)構(gòu)化設(shè)備，從而提供一種
新的獲得和使用能量的簡單方法。


圖1是7個狀態(tài)點(diǎn)和七個過程示意圖； 圖2是熱泵連接液化過程示意圖； 圖3是冷電機(jī)運(yùn)行的循環(huán)圖解； 圖1、圖2和圖3屬于理論計(jì)算原理圖。 圖4是冷電機(jī)基本結(jié)構(gòu)模型圖。 圖5是不同壓力下氦的定壓熱容隨溫度的變化圖。 圖6是不同壓力下，氦氣的絕熱指數(shù)隨溫度的變化曲線圖。 圖7是次級和次級以上冷電機(jī)結(jié)構(gòu)模型圖。 圖8是能量放大效應(yīng)示意圖。
圖9是單鏈?zhǔn)嚼潆姍C(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖。
圖10是多鏈?zhǔn)嚼潆姍C(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖。 圖中，l-液體，2-冷端交換器(熱泵吸熱)，3-液化室，4-第二液化點(diǎn)(尾氣溫度 到達(dá)臨界溫度)，5-末端液化法的熱交換器(熱泵排熱，對氣體進(jìn)行等壓加熱)，6-第一液 化點(diǎn)(尾氣溫度到達(dá)臨界溫度)，7-膨脹透平機(jī)，8-發(fā)電機(jī)，9-絕熱保護(hù)層，10-換熱保護(hù)層 (外殼)，11-管道，12-做功氣體，13-吸熱室，14-吸熱控制層，15-始端液化法的熱交換器 (熱泵排熱，對氣體進(jìn)行等壓加熱)，16-單向閥，17-液體提壓泵，18-流量分配器，19-熱泵 系統(tǒng)(壓縮機(jī))，20-熱泵系統(tǒng)管道，21-冷電機(jī)控制接口 (包括電力和信號的輸入和輸出)， 22-電纜和控制線，23-控制系統(tǒng)，24-上級冷電機(jī)，，25-氦冷機(jī)，26-氮冷機(jī)，27- 二氧化碳 冷機(jī)，28-熱交換器。
具體實(shí)施例方式
冷電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)模型如圖4所示，包括液化室3，通過冷端交換器2把氣體制冷 液化、獨(dú)立熱泵系統(tǒng)19 (壓縮機(jī))及其熱端熱交換器(包含始端熱交換器15和末端熱交換 器5)和冷端交換器2、液體提壓泵17、吸熱室13、其外圍是吸熱控制層14，膨脹透平機(jī)7，以 及各種參數(shù)采集器的控制系統(tǒng)21、22、23等； 圖4中，熱泵系統(tǒng)是一個獨(dú)立循環(huán)的系統(tǒng)，壓縮機(jī)19 一端通過雙管道與液化室3 內(nèi)的冷端交換器2進(jìn)行連接，另一端通過流量分配器18和雙管道與始端熱交換器15和末 端熱交換器5進(jìn)行連接，形成循環(huán)。 冷電機(jī)的工質(zhì)循環(huán)也是一個獨(dú)立的循環(huán)系統(tǒng)，吸熱室13通過單管道與膨脹透平 機(jī)7連接，膨脹透平機(jī)至少有兩級，末一級與上一級之間與末端熱交換器5連接，膨脹透平 機(jī)與液化室3連接，液化室3通過單管道與液體提壓泵17連接，提壓泵17通過單管道與單 向閥16連接，單向閥16通過單管道與始端熱交換器15連接，始端熱交換器15通過單管道 與吸熱室13連接，形成循環(huán)。 控制系統(tǒng)通過控制線與冷電機(jī)內(nèi)的各個參數(shù)采集器和控制器進(jìn)行連接，參數(shù)采集 器主要包括七個狀態(tài)點(diǎn)的壓力和溫度，以及膨脹透平機(jī)轉(zhuǎn)速和電力負(fù)載等數(shù)據(jù)?？刂葡到y(tǒng) 用現(xiàn)有技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。 熱泵系統(tǒng)是一個獨(dú)立循環(huán)的系統(tǒng)，其作用是完成把液化室內(nèi)的熱量通過熱泵系統(tǒng)
的冷端熱交換器轉(zhuǎn)移到始端熱交換器和末端熱交換器進(jìn)行排放，其工質(zhì)可采用同冷電機(jī)一
樣的工質(zhì)，也可采用不同的工質(zhì)，只要能完成轉(zhuǎn)移熱量的作用就可以了。 如果熱泵系統(tǒng)的工質(zhì)同冷電機(jī)的做功工質(zhì)一樣，因?yàn)闊岜孟到y(tǒng)的冷端溫度處于臨
界溫度以下，而熱端溫度高于臨界溫度，則熱泵系統(tǒng)是一個跨臨界熱泵，跨臨界熱泵具有較
高的COP值的特點(diǎn)，轉(zhuǎn)移同樣的熱量，其消耗的有用功較少，從而使熱泵本身運(yùn)行產(chǎn)生的熱
量也較少，從而提供冷電機(jī)的吸熱量，提高冷電機(jī)的輸出功。 采用始端液化法和末端液化法并存的方式，熱泵熱端通過流量分配器18同時向 始端熱交換器15和末端熱交換器5排熱。通過對流量分配器的控制，可以控制排放熱量的 分配，從而可針對冷電機(jī)出現(xiàn)的情況進(jìn)行調(diào)控，保證在液化室中，冷端熱交換器2有足夠的 冷量使做功尾氣液化。 因?yàn)槔潆姍C(jī)所能吸收的熱量值是靠提高液體的壓力即提高初始做功氣體的壓溫比來消化的，其所能吸收的熱量值有一個最大值，超出了這個最大值，靠壓力來絕熱膨脹做 功就無法液化，冷電機(jī)就無法完成循環(huán)。故必須對吸收的熱量值必須進(jìn)行嚴(yán)格的控制，盡量 減少冷電機(jī)運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的廢熱以及保證氣體做功和液化過程中對外界的絕熱條件， 把冷電機(jī)內(nèi)部所產(chǎn)生的廢熱(即熵增)降低到最小，從而提高了吸收外界的熱量值，提高冷 電機(jī)的輸出功率。 吸熱室13中，吸熱控制層14可以控制外界輸入熱量的多少，來控制里面做功氣體 的溫度。只要液體提壓泵17不斷的提壓輸入液體，通過對外界輸入熱量和液體注入量的控 制，就可控制生成溫度大于臨界溫度，壓力大于臨界壓力的任意壓力和溫度的超臨界氣體， 滿足冷電機(jī)對做功氣體的初始壓力和初始溫度的的要求，保證做功氣體的最后液化，使冷 電機(jī)內(nèi)部循環(huán)能運(yùn)行下去。 氣體的熱能轉(zhuǎn)化為功的過程是通過膨脹透平機(jī)7來把氣體的熱能轉(zhuǎn)化為透平機(jī) 轉(zhuǎn)子的動能，其轉(zhuǎn)化公式為 T2 = Tl-MV~2/Cp(Tl為初始溫度，T2為做功后氣體的溫度，M為轉(zhuǎn)子質(zhì)量，V為轉(zhuǎn) 子的轉(zhuǎn)速，Cp是氣體的定壓熱容)。 對透平機(jī)而言，要加大熱能的轉(zhuǎn)化度，使溫度降低得快，只有提高轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。若 氣體的熱能值高，溫度值高，靠一級膨脹透平機(jī)無法把溫度降低到臨界溫度，就要靠多級透 平機(jī)來膨脹做功，把溫度降低到臨界溫度(壓力大于超臨界壓力)。 根據(jù)冷電機(jī)的吸熱量(轉(zhuǎn)化為輸出功的大小)來決定膨脹透平機(jī)的級數(shù)，通過對 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)和做功氣體進(jìn)氣量的調(diào)節(jié)來滿足負(fù)載的要求，通過自動化控制的方式，使 做功后的氣體最終被液化形成液態(tài)和氣態(tài)的兩相循環(huán)。 冷電機(jī)內(nèi)部循環(huán)的整個過程中，都可以通過過程的各個參數(shù)的反饋來控制冷電機(jī) 的正常運(yùn)行，從這個意義上說，冷電機(jī)是一部智能的機(jī)器，具有如何把吸收的熱量轉(zhuǎn)化為功 的意識邏輯，從而實(shí)現(xiàn)熵減。 以氦氣和氫氣作為冷電機(jī)運(yùn)行的工質(zhì)，按工質(zhì)分別稱為氦冷電機(jī)和氫冷電機(jī)，因 為氦氣的臨界溫度和臨界壓力最低，氣體同樣的初始壓力做功，低臨界壓力的氣體其降壓 就越多，做功越多，所以選取氦氣和氫氣作為工質(zhì)。臨界溫度越低，從環(huán)境能中吸收熱量的 溫度差就越大，吸熱的范圍就越大，故氦冷電機(jī)的吸熱范圍最大，因?yàn)槠渑R界溫度最低。另 外，氦氣的絕熱指數(shù)很大，同樣的降壓，絕熱指數(shù)越大降溫越大，吸收的熱量越高，冷電機(jī)的 輸出功也越大，其次是氦氣的定壓熱容也很大，僅次于氫氣，使其吸熱量也很大，綜合這些 要素，氦氣作為工質(zhì)是冷電機(jī)的首選。
氦冷電機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù) 氦的臨界溫度Tcr = 5. 14K，臨界壓力Per = 0. 226MPa，這兩個數(shù)是固定的，定壓 熱容Cp和絕熱指數(shù)K因?yàn)榻咏R界點(diǎn)，其數(shù)值隨壓力和溫度而變化，臨界點(diǎn)附近是一個高 熱容區(qū)，圖5和圖6顯示其關(guān)系曲線。圖5顯示了不同壓力下氦的定壓熱容Cp隨溫度T的 變化，在臨界點(diǎn)附近，壓力越低，越接近臨界點(diǎn)，其定壓熱容越高。圖5中也顯示了相同溫度 下，壓力越高，定壓熱容越低，這也解析了為什么要采用末端液化法的原因，因?yàn)槟┒说膲?力低，定壓熱容高，吸收的熱量多；而始端是高壓，定壓熱容低，吸收的熱量就少多了。采用 末端液化法是必須的，但采用末端液化法和始端液化法相結(jié)合調(diào)控的方式是最佳的方式。
圖6顯示了不同壓力下，氦的絕熱指數(shù)隨溫度的變化曲線。圖中顯示了，不同壓力
12下，絕熱指數(shù)隨溫度的變化曲線同定壓熱容的變化趨勢相似，做功氣體在膨脹做功降溫降壓的過程，越接近臨界點(diǎn)，絕熱指數(shù)k的數(shù)值也是越來越高，平均值大約在2到3之間，這種超臨界特性同樣有利于冷電機(jī)的吸熱，因?yàn)橥瑯拥慕祲?，絕熱指數(shù)越大降溫越快，從而使做功氣體的初始溫度變大，吸熱量越多，輸出功越大。 下面取定壓熱容和絕熱指數(shù)的平均值來進(jìn)行簡單的計(jì)算，定壓熱容的平均值Cp=7. 5，絕熱指數(shù)的平均值k = 2. 5。實(shí)際的過程要進(jìn)行積分運(yùn)算，比較麻煩。但因?yàn)槔潆姍C(jī)的整個循環(huán)過程是可控的，通過實(shí)際的參數(shù)調(diào)整就可以了。 按照圖5，在低于臨界溫度附近的液氦熱容C取值為6，下面進(jìn)行各狀態(tài)點(diǎn)的計(jì)算把液氦的初始態(tài)設(shè)為P1 = 0. 4MPa， Tl = 4. 5K。氦氣的做功溫度T7 = 25K。
貝U :b = Cp/C = 7. 5/6 = 1. 25 T6 >= ((b-l)XTcrXTl+Tl'2)/(TlX(b + l)-Tcr)=((l. 25—1) X5. 14X4. 5+4. 5~2)/(4. 5X (1. 25+1)—5. 14) = 5. 22
考慮到廢熱，取T6 = 5. 5，則 P6 = (T6/Tcr) ~ (k/ (k_l)) XPl = (5. 5/5. 14) ~ (2. 5/ (2. 5—1)) X 0. 4 = 0. 448MPa
P2 = (T4/Tcr)' (1/ (k_l)) X P6 = (25/5. 14)' (1/ (2. 5-1)) X 0. 448 = 1. 285Mpa
P4 = (T4/Tcr) XP2 = (25/5. 14) X 1. 285 = 6. 25MPa 考慮到氣體做功過程中的摩擦產(chǎn)生的廢熱需要液體提壓來消化，把P2調(diào)整為P2=1. 5MPa，貝U P4 = (T4/Tcr) XP2 = (25/5. 14) X 1. 5 = 7. 3MPaT3 = T5 = T7 = 5. 14k， T2 = Tl = 4. 5k P7 = Pl = 0. 4MPa， P3 = P2 = 1. 5MPa， P5 = P6 = 0. 448MPa 上述計(jì)算表明，需把初始溫度為25K的做功氦氣的初始壓力定為7. 3MPa，則注入
的液氦要提壓到7. 3MPa，其注入體積與吸熱器的體積比為5. 14/25 = 0. 2056。從吸熱器流
出的做功氣體的流量為L，則液體的注入流量二 0. 2056L，通過控制吸熱器的吸熱量始終控
制吸熱器內(nèi)氦氣的壓力為7. 3MPa，溫度為25K。 氦冷電機(jī)內(nèi)，1千克氦一個循環(huán)的輸出功W為W = (T7-Tcr) XCp = (25-5. 14) X7. 5 = 148. 95kJ 如果一個循環(huán)耗時1分鐘，則功率P = W/t = 148. 95/60 = 2. 48千瓦；一個循環(huán)具體耗時多少，只能根據(jù)冷電機(jī)的實(shí)際設(shè)計(jì)情況來定。 因?yàn)楹獾淖龉κ窃诔R界范圍內(nèi)做功，壓力不會降低到低于臨界壓力，最低壓力范圍控制在0. 3MPa到0. 5MPa之間，從曲線上可以看出，在30K向臨界溫度Tcr降溫，伴隨壓力從高壓到低壓的過程中，其定壓熱容值在不斷的升高，降溫降壓越接近臨界點(diǎn)，其定壓熱容值越高，其平均定壓熱容值大約在7和8之間，這種臨界特性大大的提高了冷電機(jī)吸熱量，提高了冷電機(jī)的輸出功率。 氫氣的臨界壓力和臨界溫度也較低，其臨界溫度第二低，只比氦氣大，吸熱的范圍也很廣。臨界壓力大約為1.3Mpa，做功氣體減壓的范圍比氦氣小，但相對于其他氣體，臨界壓力也是比較低的，氫氣的定壓熱容最大，能吸收很大的熱量轉(zhuǎn)化為有用功輸出，故氫氣也是冷電機(jī)較好的工質(zhì)。
氫冷電機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù) 氫氣的臨界溫度Tcr = 33. 3K，臨界壓力=1. 297MPa，其定壓熱容和絕熱指數(shù)也像氦氣一樣，所有的氣體在臨界點(diǎn)附近都是一個高定壓熱容和高絕熱指數(shù)區(qū)域。可參照氦氣的在臨界點(diǎn)附近各數(shù)據(jù)的在常壓常溫下的增值比例來得出氫氣的定壓熱容和絕熱指數(shù)(這里只是推演一下氫冷電機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，具體可以實(shí)際測量為準(zhǔn)。)
<formula>formula see original document page 14</formula>
設(shè)b依然等于1. 25，初始液氫的壓力PI = 1. 5MPa，溫度Tl = 30K，做功氫氣的溫度T4二65，下面開始計(jì)算 <formula>formula see original document page 14</formula>
考慮到廢熱，取T6 = 35，則 <formula>formula see original document page 14</formula>
考慮到氣體做功過程中的摩擦產(chǎn)生的廢熱需要液體提壓來消化，把P2調(diào)整為P2=4MPa，則 <formula>formula see original document page 14</formula>
<formula>formula see original document page 14</formula>
上述計(jì)算表明，需把初始溫度為65K的做功氫氣的初始壓力定為7. 8MPa，則注入
的液氫要提壓到7. 8MPa，其注入體積與吸熱器的體積比為33. 3/65 = 0. 512。從吸熱器流
出的做功氣體的流量為L，則液體的注入流量二 0. 512L，通過控制吸熱器的吸熱量始終控
制吸熱器內(nèi)氫氣的壓力為7. 8MPa，溫度為65K。 氫冷電機(jī)內(nèi)，1千克氫一個循環(huán)的輸出功W為 <formula>formula see original document page 14</formula>
如果一個循環(huán)耗時1分鐘，則功率<formula>formula see original document page 14</formula>。同樣，一個循環(huán)具體耗時多少，只能根據(jù)冷電機(jī)的實(shí)際設(shè)計(jì)情況來定。 其它氣體的臨界壓力隨臨界溫度的增加不斷的變大，同樣的氣體初始做功壓力，臨界壓力越大，膨脹做功的壓力差越來越小，輸出功就越小。加上大部分的氣體其定壓熱容都比較小，輸出功也較小。從理論上說，所有的氣體都可作為冷電機(jī)的工質(zhì)，只要有適當(dāng)?shù)膲毫铜h(huán)境溫度，但依照地球的環(huán)境特征和制造的方便性及其安全性、實(shí)用性出發(fā)，設(shè)備無法提供很高的壓力和溫度，故其它氣體不適合做冷電機(jī)的工質(zhì)。但由于氦冷電機(jī)或氫冷電機(jī)已經(jīng)具備了吸熱的功能，本身成了冷源，就可對其它氣體的做功尾氣進(jìn)行冷卻液化，故其它氣體同樣可吸熱液化做功，做功尾氣靠冷源來液化形成循環(huán)，形成次級冷電機(jī)，次級冷電機(jī)之上又可形成第三級冷電機(jī)，形成按照溫度梯度一級級升高的冷動鏈?zhǔn)綑C(jī)組，從而吸收環(huán)境大量的熱能轉(zhuǎn)化為有用功，通過機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能輸出。
鏈?zhǔn)嚼潆姍C(jī)組的實(shí)現(xiàn)方式
1、初級冷電機(jī)
上面所說的氦冷電機(jī)和氫冷電機(jī)就是初級冷電機(jī)，內(nèi)部通過熱泵系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)自我
液化循環(huán)吸收環(huán)境熱能輸出有用功的冷電機(jī)就是初級冷電機(jī)，成為初級冷源。 有了初級冷源，建立在初級冷源之上的冷電機(jī)內(nèi)部就不需要熱泵系統(tǒng)，而是直接
采用初級冷源進(jìn)行對做功尾氣的液化，從而形成次級及次級以上的冷電機(jī)。 2、次級及次級以上的冷電機(jī) 首先，次級冷電機(jī)是直接采用初級冷源對做功尾氣進(jìn)行液化，形成液體和氣體的兩態(tài)循環(huán)，形成吸熱溫度高一級的冷電機(jī)，成為次級冷源。有了次級冷源，又可以對第三級的冷電機(jī)進(jìn)行對做功尾氣的液化，形成第三級冷電機(jī)，成為第三級冷源。如此進(jìn)行下去，形成多級冷電機(jī)，使吸熱溫度一級級的升高，直到最上面一級的吸熱溫度小于環(huán)境溫度的幅度不大為止，形成冷動鏈?zhǔn)綑C(jī)組，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。 圖7中，如果是次級冷電機(jī)，則液化室里的上級冷電機(jī)就是初級冷電機(jī)，比如是氦冷電機(jī)或氫冷電機(jī)，成為初級冷源，靠初級冷源來吸熱液化形成循環(huán)。如果是第三級冷電機(jī)，則液化室里的冷源就是次級冷電機(jī)，依次類推。
下面來計(jì)算能量放大系數(shù)A: 以上述提到的氦冷電機(jī)和氫冷電機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)為例，假設(shè)把氦冷電機(jī)作為初級冷電機(jī)，而把氫冷電機(jī)作為次級冷電機(jī)，氦冷電機(jī)作為氫冷電機(jī)的冷源，對做功后氫氣進(jìn)行液化。 按照上面對氦冷電機(jī)和氫冷電機(jī)的計(jì)算，氦冷電機(jī)內(nèi)，1千克氦一個循環(huán)的輸出功W = 148. 95kJ，在氫冷電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生148. 95kJ的冷量，對做功后的氫氣進(jìn)行冷卻液化。
1千克氫一個循環(huán)的輸出功W = 332. 85kJ，吸收的熱量Qi = W = 332. 85kJ，而氣體液化回到液體初始態(tài)需要排放的熱量Qc : Q = (Tcr-Tl) XCp/b = (33-30) X 10. 5/1. 25 = 25. 2kJ
放大系數(shù)A = Qi/Qc = 332. 85/25. 2 = 13. 2。 即氦冷電機(jī)作為初級冷電機(jī)提供給次級氫冷電機(jī)作為冷源液化做功尾氣之用，可使次級氫冷電機(jī)產(chǎn)生13. 2倍于初級冷電機(jī)的電能輸出，同時給第三級冷電機(jī)提供13. 2倍于初級冷電機(jī)的冷量。 如果使次級氫冷電機(jī)最終的做功尾氣壓力小于臨界壓力，則膨脹做功量增加了。雖然做功增加了，但由于尾氣壓力小于臨界壓力，液化時釋放凝結(jié)熱，需要消耗冷量，尾氣壓力降得越小，凝結(jié)熱釋放越多，消耗的冷量越多，雖然做功增加了 ，但冷量的消耗卻更多，放大系數(shù)相應(yīng)變小。 對于其他氣體，因?yàn)榕R界壓力隨臨界溫度的增加越來越大，故級數(shù)越高的冷電機(jī)，因?yàn)槠渑R界壓力很高，其做功尾氣的壓力只能設(shè)定在臨界壓力以下，氣體液化時釋放凝結(jié)熱，消耗較多的冷量，其放大系數(shù)就相應(yīng)變小。故處于越高級數(shù)的冷電機(jī)，其放大系數(shù)也越小。 由于冷電機(jī)的吸熱做功量同做功氣體的初始壓力密切相關(guān)，初始壓力越大，吸熱量就越大，其放大系數(shù)也越大。依照實(shí)用的需要，若增加的級數(shù)其放大系數(shù)不大，就沒有必要再增加級數(shù)。從初級到末級冷電機(jī)，其放大系數(shù)可設(shè)計(jì)在10到2之間。
圖8所示是采用六級設(shè)計(jì)的冷電機(jī)組的逐級能量放大示意圖。
3、小型冷動鏈?zhǔn)綑C(jī)組
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小型單鏈?zhǔn)嚼潆姍C(jī)組主要用于便攜式的能源供應(yīng)，可廣泛用于各種電器、交通、離散家庭用電等等。初級冷電機(jī)可采用氦冷電機(jī)或氫冷電機(jī)，稱為冷核。作為冷核的冷電機(jī)不需要太大的功率，可做得較小，主要作用是提供初級冷源，能量輸出主要靠次級及其以上冷電機(jī)的能量放大效應(yīng)來吸熱獲取，整個冷電機(jī)組是一個相互嵌套的冷電機(jī)，整體上就是一臺機(jī)器，功率可做成幾十到幾千不等。比如，可采用三級設(shè)計(jì)，第二級采用氮?dú)?，第三級采用二氧化碳，設(shè)計(jì)模式見圖9。 第三級采用二氧化碳是因?yàn)槔潆姍C(jī)大量制造之后，可降低空氣中的二氧化碳含量，輔助性的解決溫室效應(yīng)導(dǎo)致的全球暖化現(xiàn)象。徹底解決全球暖化所導(dǎo)致的氣候危機(jī)必須是人類放棄使用石化燃料作為動力，而采用冷電機(jī)組作為動力。
4、大型冷動鏈?zhǔn)綑C(jī)組 大型多鏈?zhǔn)嚼潆姍C(jī)組可采用5-6級(或更多級)的設(shè)計(jì)，每一級的工質(zhì)氣體液化點(diǎn)逐步升高，從第二級開始，冷能進(jìn)行分流，設(shè)計(jì)模式見圖10。 大型多鏈?zhǔn)嚼潆姍C(jī)組可吸收大量的環(huán)境能(如空氣和海水)轉(zhuǎn)化為電能輸出，可應(yīng)用于需要集中統(tǒng)一供電的場所，如工廠、城市統(tǒng)一照明用電等等。 具體的鏈?zhǔn)嚼潆姍C(jī)組可根據(jù)實(shí)際情況的使用功率大小和適用范圍進(jìn)行具體的配置，所謂的小型、中型和大型也只是一種說法，只要按照這種設(shè)計(jì)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)就可以了 。
本方案理論推導(dǎo)是按照理想液體和理想氣體的特性來進(jìn)行公式推導(dǎo)的，實(shí)際的運(yùn)行過程中有一定的偏差，但變化的方向是一致的，由于整個過程是一個可控的過程，在實(shí)際的應(yīng)用過程中，依照系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚涂梢粤?。
權(quán)利要求
一種吸熱發(fā)電機(jī)，其特征在于吸熱發(fā)電機(jī)即冷電機(jī)是通過對液態(tài)的提前升壓，在超臨界狀態(tài)下，通過控制氣體的壓溫比和在內(nèi)部產(chǎn)生一冷源來實(shí)現(xiàn)氣體的做功輸出和液化；吸熱發(fā)電機(jī)包括液化室、獨(dú)立熱泵系統(tǒng)及其熱端熱交換器和冷端交換器、液體提壓泵、吸熱室、膨脹透平機(jī)，以及各種參數(shù)采集器的控制系統(tǒng)組成；熱泵系統(tǒng)一端通過雙管道與液化室內(nèi)的冷端熱交換器連接，另一端通過流量分配器和雙管道與始端熱交換器和末端熱交換器連接，形成循環(huán)；吸熱室通過單管道與膨脹透平機(jī)連接，膨脹透平機(jī)至少有兩級，末一級與上一級之間與末端熱交換器連接，膨脹透平機(jī)與液化室連接，液化室通過單管道與液體提壓泵連接，提壓泵與始端熱交換器連接，始端熱交換器通過單管道與吸熱室連接，形成循環(huán)；控制系統(tǒng)通過控制線與吸熱發(fā)電機(jī)內(nèi)的各個參數(shù)采集器和控制器連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的吸熱發(fā)電機(jī)，其特征在于吸熱發(fā)電機(jī)能形成單機(jī)和逐級能量放大的冷動鏈?zhǔn)綑C(jī)組，形成各種不同吸熱規(guī)模的鏈?zhǔn)綑C(jī)組，制成各種大、中、小型的輸出功率設(shè)備。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的吸熱發(fā)電機(jī)，其特征在于以氦氣和氫氣低臨界壓力和低臨界溫度的氣體作為吸熱發(fā)電機(jī)運(yùn)行的工質(zhì)，按工質(zhì)分別稱為氦冷電機(jī)和氫冷電機(jī)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的吸熱發(fā)電機(jī)，其特征在于氦冷電機(jī)中氦的臨界溫度Tcr =5. 14K，臨界壓力Per = 0. 226MPa。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的吸熱發(fā)電機(jī)，其特征在于氫冷電機(jī)中氫氣的臨界溫度Tcr =33. 3K，臨界壓力=1. 297Mpa。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的吸熱發(fā)電機(jī)，其特征在于氦冷電機(jī)或氫冷電機(jī)可作為初級冷電機(jī)，形成初級冷源，依靠初級冷源對次級冷電機(jī)的做功尾氣進(jìn)行液化形成循環(huán)，同時產(chǎn)生次級冷源，有了次級冷源，又形成第三級冷電機(jī)和第三級冷源，依次類推，形成多級運(yùn)行的冷電機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明是一種吸熱發(fā)電機(jī)。吸熱發(fā)電機(jī)即冷電機(jī)是通過對液態(tài)的提前升壓，在超臨界狀態(tài)下，通過控制氣體的壓溫比和在內(nèi)部產(chǎn)生一冷源來實(shí)現(xiàn)氣體的做功輸出和液化；吸熱發(fā)電機(jī)包括液化室、獨(dú)立熱泵系統(tǒng)及其熱端熱交換器和冷端交換器、液體提壓泵、吸熱室、膨脹透平機(jī)，以及各種參數(shù)采集器的控制系統(tǒng)組成。本發(fā)明通過冷動鏈?zhǔn)椒磻?yīng)原理的能量放大效應(yīng)上，只要有一個初級冷源，這個初級冷源稱為冷核，功率不需要太大，能提供一定的冷量就可以了。有了這個冷核，就可通過冷動鏈?zhǔn)椒磻?yīng)原理逐級放大來產(chǎn)生越來越大的冷量，使吸熱量逐級增多輸出越來越多的電能，提供一種層次分明的結(jié)構(gòu)化設(shè)備，從而提供一種新的獲得和使用能量的簡單方法。
文檔編號F03G7/04GK101749207SQ200910163220
公開日2010年6月23日 申請日期2009年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月24日
發(fā)明者姚彥林, 林榮炎 申請人:林榮炎;姚彥林