具有热力学循环的八次转换的热差速机和流程控制

摘要

本发明涉及热力学发动机技术领域，特别涉及一种热发动机，这种发动机在不差速结构中的封闭循环中运行气体，其特征在于，通过执行一个热力学循环八次转换或否则它同时执行两个热力学循环，每一个热力学循环具有四个相互依存的、额外的转换，在绝热过程中的传质阶段，两个转换为“等温”，另外两个是绝热，已提供新的不再仅仅依赖于温度的性能曲线，但是传质速率允许高产量和低热量差速机的建立。

说明书

技术领域

本发明涉及一种热力学发动机技术领域，特别涉及一种热发动机，这种发 动机在不差速结构中的封闭循环中运行气体，其特征在于，通过执行一个热力 学循环八次转换或否则它同时执行两个热力学循环，每一个热力学循环具有四 个相互依存的、额外的转换，在传质中其中两个转换为“等温”，另外两个是 绝热。

这个机器根据热力学原理运行，特别是根据尼古拉斯萨迪卡诺原理，或者 常用的卡诺原理，在科学界，其描述的规则和原理不会改变：“为了热到工作 的连续转换，一个系统必须连续在热源和冷源之间实行循环。在每一个循环中， 从热源(有用的能量)撤回的一定量热量，一部分被转换为工作，其余的被放 弃为冷源(消耗的能量)”。

背景技术

目前，世界对能源和机械强度的需求，成为了挑战，其解决方案带来了毁 灭性的气候影响。国际组织如联合国的研究揭示了对地球影响的严重性。依赖 于世界经济的化石燃料、石油、天然气煤炭导致全球变暖、冰覆盖减少、气候 变化、高浓度的气体产生温室效应等其他问题。其它能源，如被大多数发达国 家使用的核能，因各种命令的失效反过来又导致严重事故，其中有非常气候变 化，如风暴、飓风等。

过去的二百年中，已经发明了各种用于工业的热发动机并给人类发电，最 著名的技术和经济上可行的日期是：

朗肯循环机，由约翰.威廉麦夸恩在1859年创建，被使用于飞机和发电。由 乔治布雷顿创建于1872年的布雷顿循环，在1791年初被约翰·巴伯准备，

被当作能源的材料也来自化石燃料、煤油和天然气。使用于汽车的内燃机 运行在奥托循环中也使用化石燃料、汽油及目前的蔬菜酒精，其中奥托循环由 尼古拉·奥托在1876年开发。使用于重型车辆、卡车、火车、船舶和工业应用 的内燃机运行在锹塞尔循环也使用化石燃料和柴油，现在也使用植物能源和生 物柴油，其中锹塞尔循环由鲁道夫·锹塞尔在1893年开发。外燃机，目前使用 的替代能源项目，运行在斯特林循环中使用各种能源，现在主要使用清洁能源 和减少对环境的影响，如生物质、温泉、光热发电，其中斯特林循环由斯特林·罗 伯特在1816年开发。

以上所提出的所有技术都是具有四次转换的热力学循环的热发动机且所有 的技术都是参考，即它的热力学循环参照邻居，这个邻居是环境，也可以是大 气，且他们的位置在环境中，例如，内燃机，在机械动力元件完成工作后，活 塞、涡轮、气体被释放到环境中，气体的力量推动驱动单元向邻居运动，即环 境。以斯特林循环为例，它的四次转换的热力学循环，具有气体的两个等温和 两个等容总是局限在同一环境中，且通过一个元件的移位产生驱动力，即一个 活塞相对邻居的运动产生驱动力，邻居为外部环境或其他压力或真空室。

在封闭循环的热发动机中，因为这个原因与目前的技术类似的有，即仅仅 封闭循环是斯特林机器，阿尔法型发动机，例如公告号为US7827789和公开号 为US20110005220的美国专利，贝塔型发动机，如公开号为20100095668的美 国专利，伽马型发动机，如公开号为US20110005220的美国专利，斯特林旋转 机器，如美国公告号为US6195992和US6996983的专利，斯特灵汪克尔式混 合型，如美国公告号为US7549289的专利，且其它的参考如：PI0515980-6为一 种使用斯特林原理的方法，PI0515988-1为一种使用斯特林原理的方法， WO03018996A1是一种旋转斯特林循环机器，WO2005042958A1是了一种斯特 林贝塔型循环机器，WO2006067429A1是一种自由活塞斯特林循环发动机， WO2009097698A1是一种改良卡诺循环的热发动机的方法，WO2009103871A2 是一种斯特林循环发动机或卡诺发动机，WO2010048113A1是一种平衡斯特林 循环机器，WO201006213A2定义了一种斯特林热循环热发动机， WO2011005673A1是一种伽马型斯特林循环发动机。在斯特林循环封闭回路的 热机器中，所有的参考定义了的型号、方法和创新，其中斯特林循环封闭回路 的热机器是两个等温和两个等容依次发生转换的机器。

另一方面，现有技术揭示了一个封闭电路机器，但是其不包括四次变化循 环，但是通过一个在一个差速结构中的新概念来执行八次处理循环，其中，具 有传质的八次处理循环两两成对维护和遵循卡诺热力学概念，但是它不得不考 虑等式中的重量变化，提供了一种不考虑现有热机器的可能性，即，这个技术 的概念提供了一个影响性能的新条件，允许机器的效率最好，使得收入限制不 再对温度形成唯一和独特的依赖性，但是考虑在室转换之间的传质速率，使收 入情况被一个新的因素所取代。

在本专利中的创新是由前一个前专利演变而来的，前专利为PI000624-9， 名称为“热机能量转换器”，和BR1020120155540，名称为“根据卡诺热力徐 循环的热机”，本专利和前专利为相同的发明人。

发明内容

本专利的技术开发和目的不是描述的没有损耗的理想机器而是一台能够执 行来是任何一种热源的高精度差分模式的热力学循环的八次转换的机器，现在 它的一个设计主要特点是用于驱动力或发电厂的机器设计。同样的带来了实际 应用和经济效益，且每一个设计，功率范围和热源特点，可以实行非常高的收 益率，超过了大多数的认为是高性能的其他机器的性能，因为他们的收入不仅 仅依赖于温度。

另一个特别重要的目的是在柔性发电厂当作热源使用这项技术，相对热源 产生的功率，经济上具有可能性且对环境的影响最小，例如，使用清洁热源， 如太阳能、热，低环境影响，如生物燃料、废物利用和通过热损失运行的原植 物，制造热电联产系统，或添加其他技术形成更复杂的称为联合循环过程，例 如，通过布雷顿循环涡轮机在高温释放热源气体形成布雷顿差速器联合循环系 统，朗肯差速器的热源是蒸汽轮机和燃气轮机的最后阶段的蒸汽输出的，狄塞 尔差速器的热源是柴油机的冷却液，奥托差速器的热源是奥托循环机器的冷却 液，其中，大大拓宽了布雷顿循环、朗肯、狄塞尔及奥托热机器的操作性能， 有很多热损失通过本身的高温热循环无法被利用，需要使用更有效的系统。

具体实施方式

为了便于理解这项技术，将提供公式、支持本专利的描述和便于充分理解 原理的图和图形。

在图01中描述了卡诺原机(1)，运行在四次热力学转换环的卡诺发动机 和其它热发动机的流程图(2)，具有四次转换的卡诺发动机的循环图(3)。

在图02中描述了差速机(4)，差速机包括两个热力学转换室(5)和(6)， 每一个室包括三个部分，分别为(8)、(9)、(10)和(11)、(12)、(13)， 每一个部分包括活动的可控活塞，每一个室包括气体容器(18)和(19)，工 作气体流过的通道(20)和(21)，气体传质元件(7)，控制阀组件(14)和 (15)，释放动力驱动单元的惯性操作的阀(16)的，动力驱动单元(7)，动 力驱动单元的活塞(22)和(23)，动力驱动单元的曲轴(24)。

具有三个部分的摄像机可以由各种方式构成，在现有技术中已经被描述， 例如，可以由活塞构成，我们使用这种方式以方便理解在这里被描述的技术， 可以以磁盘的形式包含在已经在现有技术中被描述的具有压力均衡优势的壳体 环中，以及执行器通过电机、伺服电机、气动电连接或甚至直接采用机械手段 移动三个部分的活塞或室。

在八次热力学循环中的任何一个循环中，工作气体从未改变物理属性， 总是在气体状态，并且由于气体的属性根据项目可以被选择，主要的气体是海 里欧气、氢、氖、氮和干燥的空气。

在图03中又描述了差速机(4)，差动式发动机(25)的热流量图和差 速机和卡诺机器(26)的热力学循环的比较图。

在图04中描述了差速机(4)，差速机(4)具有一个包括位于加热部分 的工作气体的室，以执行一个如图形(27)所示的热力学转换高温，同时其他 的室也包括位于冷藏部分的工作气体，以执行一个如图形(28)所示的低等温 转换温度。参考其他发生的这些变化，因此被称为“差速器”。在这个阶段， 传质单元(17)和用于释放动力驱动单元的惯性操作的阀(16)是关闭的，控 制阀(14)和(15)是打开的以允许在动力驱动单元(7)上的工作气体的实现。

在图05中描述了差速机(4)，差速机(4)具有一个包括位于隔离部分的 工作气体的室，以执行它的具有传质的绝热转换扩展到第二个室，同时其他的 室也包括位于隔离部分的工作气体，以执行隔热压缩(30)流程，及接收第一 室的工作气体。在这个阶段，传质单元(17)执行气体颗粒在高温从第一室到 第二室的传递，释放动力驱动单元的惯性操作的低温阀(16)打开以允许动力 驱动单元(7)的曲轴(24)的连续旋转，控制阀(14)和(15)关闭以满足绝 热流程。

在图06中描述了差速机(4)，差速机(4)具有一个包括位于制冷部分的 工作气体的第一室，以执行如图形(31)所示的低温的等温转换，同时其他的 室依次也包括位于制冷部分的工作气体，以执行如图形(32)所示的加热的高 温的等温转换。在这个阶段，传质单元(17)和释放动力驱动单元的惯性操作 的阀(16)关闭，控制阀(14)和(15)打开以允许在动力驱动单元(7)上的 工作气体的实现。

在图07中描述了差速机(4)，差速机(4)具有一个包括位于隔离部分的 工作气体的一个室，以执行它的具有传质的绝热转换扩展到第二个室，同时其 他的室也包括位于隔离部分的工作气体，以执行隔热、压缩(34)流程，及接 收第一室的工作气体。在这个阶段，传质单元(17)执行气体颗粒在高温从第 一室到第二室的传递，释放动力驱动单元的惯性操作的低温阀(16)打开以允 许动力驱动单元(7)的曲轴(24)的连续旋转，控制阀(14)和(15)关闭以 满足绝热流程。

对上面描述的过程的观察，可以清楚地了解到，具有传质的差速结构， 高温等温转换比低温等温转换总是有更多的颗粒。

在图08中描述了因气体的不同的传输速度在室之间传输气体的具有八次热 力学转换的热差速机的性能图，将在本发明的说明书中被解释。

这项技术的基本原理首先被卡诺公式的代表式论证。

$\eta =1-\frac{T_1}{T_2}$

这个公式在科学界是众所周知的，为了获得热机性能它被当作参考水平被 接收和使用。它建立在被卡诺设计的原始构想上，并如图01的图形(1)所示， 图01中的图形(2)是卡诺机的热流量图，它清楚显示了有一股热泉流动到E1， 部分流动到工作W，且其余的流动到冷源E2。热力学循环仍然参考图01中的图 形(3)所示的四次转换，包括两个等温和两个绝热变化。

在上面的公式中，T₂是冷源的温度，T₁是热源的温度，且机器的性能在T₂的边界可能为100％，T₂的边界趋于“零”。

不用怀疑卡诺原理是正确的，同样不用怀疑被上面的理想化公式限定的收 入。然而，已知的机器被设计来执行他们的机械和热力循环的参考模式，或者 对周围环境、在我们的环境中使用的大气、在一定条件下的空间内的真空或被 引用到一个室中的真空进行工作和热力学参考改变。尼古拉斯萨迪卡诺的工作 考虑了这些参考并考虑了这些参考的产量等式。

离开这一思路，现有的参考模型，保持了相同的卡诺原理，新的热发动机 可以在差速结构中被设计。因此，具有参考装置的热力学循环不会发生，但在 考照另一个热力学循环的同时，且相位的方式和所有的计算应是一个参考到另 一个，以创造新的可能性。

在图02中提到“在室之间传质的具有八次转换的热差速机”。

在图02中，图形(5)指出一个室包括三个部分，一个加热，一个绝缘及一 个制冷，气体总是仅在其中一个部分中，所述其中一个部分位于每一个热力学 转换室中。发生在相同的循环中的四个八次转换在这个摄像机中被处理，在处 理部分的每个阶段中的气体通过显示在相同图中的活塞传输。在相同的图中， 图形(6)图示了另一个与第一室相同的室，另一个室处理其他完成热力学循环 八次转换的四次转换，在差速结构中通过管道(20)和(21)两个彼此相连， 在他们之间有动力驱动单元(7)，传质单元(17)，一套控制阀(14)和(15)， 一个释放动力驱动单元的惯性操作的阀(16)。动力驱动单元包括活塞(22) 和(23)，依赖系统特点的曲轴(24)。动力驱动单元可以是不同的，甚至是 市场上已知的部分原件，例如汽轮机转子、隔板及运行在气体流动上的转子。

在相同的图中，单元(8)和(11)各自描述了室(5)和(6)的加热部分， 单元(9)和(12)各自描述了室(5)和(6)的隔离部分，单元(10)和(13) 各自描述了室(5)和(6)的冷藏部分。

在本文中介绍的技术中，卡诺的声明不畅变。“为了热到工作的连续转换， 一个系统必须连续在热源和冷源之间实行循环。在每一个循环中，从热源(有 用的能量)撤回的一定量热量，一部分被转换为工作，其余的被放弃为冷源(消 耗的能量)”。

因此，一台具有气体颗粒的差速传输的和八次转换的热力学循环的机器的 效率将为：

$\eta =1-\frac{1}{k}-\frac{T_2}{T_1}$

其中，T₂是冷源的温度，T₁是热源的温度，K是在颗粒在室之间的传递速率， 且机器的性能在两种可能条件下趋于100％，T₂的边界趋于“零”，其中，1/k的 阈值趋于零，如图08中的图形(35)所示，特别是图形(36)。

热机的产量和运行温度是一个非常重要的因素，热机的产量和运行温度为 发电的关键因素，用低或无环境影响的替代能源。这样的证据如图08所示，曲 线k＝k1＝1代表卡诺理想机器的曲线，k1＝1表示卡诺机器气体总是在相同的 隔室，另一方面，气体颗粒的数量从不改变，在一个差速结构中允许控制这种 条件，使k4>k3>k2>k1＝1，因此可能获得具有低热差速机的高性能的热发动 机，成为基于清洁能源的发电厂和发电系统的可行项目，可再生的太阳和地热， 使用有机燃料对环境影响较小，且通过用更少的燃料消耗生产更多的能源，也 减少有害的化石和核能源的使用。

实际上，传质差速循环包括在通道中的一定数量的气体颗粒，在室中已经 完成了它的高温热力学转换，摄像机已经完成了低温热力学转换，然而这种发 生在等温转换过程中的转移产生如图03的图形(26)所示的扩展曲线。一个室 经历降低压力、降低密度(增加体积)的影响如图形(26)的(a)所示，另一 方面，增加压力、增加密度(降低体积)如图形(26)的(c)所示。这一曲线 的延长增加了循环的面积，即所做的工作。

重要的是要注意，这不是斯特灵发动机，它不是一个卡诺发动机，两者都 是参考，它是一个差速机。热力学基本原理是绝对相同的。

热差速机实行相同的热力学转换，如图03中的图形(26)中的高等温线(c-d) 和低等温线(a-b)的箭头所示，由于他们是差速机，有两个摄像机同时实行他 们自己的热力学循环，但是一个参考另一个。此属性允许他们之间的材料转换 以减少能量供应给冷源。

差速热机的原理和其他热机的原理相同，且卡诺机器是一个通用参考。

具有两两同时实行的八次热力学转换循环的差速机有一个可以在数学上证 明如下的产量：

从被尼古拉斯萨迪卡诺在1820年左右设计的卡诺发动机的原始构想，但是 在“差速”结构中，作为相互连接的两个机器，在180°反相位，在绝热转换 的过程中具有传质，一台机器的参考指的不是环境，而是另一台机器，机械系 统执行工作，如热力学系统。

由两个热传输室(能量)形成的系统，每一个系统执行他们自己的具有收 容在其中的颗粒的热力学系统。所以，将有一个具有两个同时存在的热力学系 统的集成系统，相位延后180°，或者具有八次成对转换的热力学循环，延迟和相 互依存，因为它们之间相互交换质量和彼此扩展交替进行，且不反对环境。

在高等温中，各室对彼此工作后，在绝热过程中发生传质，控制系统将使 颗粒的通道穿过上室的单元(17)到下室，以获得压力平衡或者以强迫的方式。 因此，在低等温时，气体颗粒越少，以减少冷源能量的损失。储存的能量在机 器的两个室之间循环，如图03中的流程图(25)所示，提高了效率，且小部分 能量不能用于产生工作。

因此，在差速结构中的一个机器的输出曲线比一个参考的卡诺结构效率更 高，尽管有温度T₂趋于“零”的限制，两者都有如图08所示的产量，其中差速 结构包括八个处理循环，所述八个处理循环包括等温和绝缘传质。

根据相同的卡诺原理：

输入功率c-d:

E1＝W_c-d＝∫p.dv

气体的一般公式为：

$p=\frac{n_1.R.T_1}{V}$

$W_{c-d}={\int }_{V_c}^{V_d}\frac{n_1.R.T_1}{V}.dv$

$W_{c-d}=n_1.R.T_{1}ln\left(V\right){/}_{V_c}^{V_d}$

$W_{c-d}=n_1.R.T_{1}ln\left(\frac{V_d}{V}\right)$

且能量a-b的代表式为：

E2＝W_a-b＝∫P.dV

气体的一般公式为：

$p=\frac{n_2.R.T_2}{V}$

$W_{a-b}={\int }_{V_a}^{V_b}\frac{n_2.R.T_2}{V}.dv$

$W_{a-b}=n_2.R.T_{2}ln\left(V\right){/}_{V_a}^{V_b}$

$W_{a-b}=n_2.R.T_{2}ln\left(\frac{V_b}{V_a}\right)$

工作有关的能量的总量是:

W＝W_c-d+W_d-a+W_a-b+W_b-c

流程d-a和b-c是绝热的且内能仅依赖温度，这个流程的最初和最后温度相等 且相反，交换颗粒的数量也是相等的，因此

W_d-a＝-W_b-c

且

W＝W_C-d+W_a-b

且在差速结构中根据热力学原理，机器的性能为：

$\eta =\frac{W_{c-d}+W_{a-b}}{W_{c-d}}$

工作公式代表式为：

$\eta =\frac{n_1.R.T_{1}ln\left(\frac{V_d}{V_c}\right)+n_2.R.T_{2}ln\left(\frac{V_b}{V_a}\right)}{n_1.R.T_{1}ln\left(\frac{V_d}{V_c}\right)}$

考虑到它是一个封闭的、可逆的系统，速率为：

$\frac{V_d}{V_c}=\frac{V_a}{V_b}$

对数特性为：

$\eta =\frac{n_1.R.T_{1}ln\left(\frac{V_d}{V_c}\right)-n_2.R.T_{2}ln\left(\frac{V_b}{V_a}\right)}{n_1.R.T_{1}ln\left(\frac{V_d}{V_c}\right)}$

简化为：

$\eta =\frac{n_1.T_1-n_2.T_2}{n_1.T_1}$

然后：

$\eta =1-\frac{n_2.T_2}{n_1.T_1}$

现在观察在差速结构中的气体颗粒的传输，不破坏任何热力学理论，在绝 热时在室之间的颗粒的传输：

n₂＜n₁

使：

$k=\frac{n_1}{n_2}$

所以，具有气体颗粒的差速传输和八次转换循环的机器结构，或者换句话 说，根据卡诺循环两个相同的和独立的热力学循环是：

$\eta =1-\frac{1}{k}.\frac{T_2}{T_1}$

其中T₂是冷源的温度，T₁是热源的温度。

而且，在两种可能的条件下，机器的性能趋于100％，这两种可能的条件为T₂趋于“零”且1/k的范围趋于零，然后08中的图形(35)，且八次热力学转换循 环的不同机器等同于卡诺机器，卡诺机器是一个具有四次热力学循环在一定条 件下转换的机器，这个条件为没有气体传质，也就是说，只是当k＝1时。

如上所述，这个发明为未来的能源系统提供了实质性的创新，它具有运行 任何热源的属性。目的是其在具有基本能源的发电厂中的应用，基本能源为太 阳能热补充、地质热源、生物燃料，特别是在特殊情况下，对化石燃料的补充， 甚至核热源。这种技术的应用领域如下：

大型发电厂使用具有集中器和镜子收集器的太阳能源，这些大型发电厂的 发电量可以在10兆瓦和1000兆瓦之间。

大型发电厂使用来自土壤深处的热量获得热源，获得方式为通过将热传输 流体传递给循环流从深处获得热量，从而将其输送到表面，从而在室转换中使 用。

大型发电厂在燃烧生物燃料、生物量、废物及其他有机废物中获得热源。

大型发电厂使用传统的化石燃料获得热源。小型和中型分布式发电厂的热 源为小太阳能集中器或小锅炉燃烧的有机残留物或废渣。

航天器发电系统，探测器、具有太阳能聚光器的空中卫星作为热源或核能 源。对于这个应用包括大功率能量的产生以满足在空间离子推进器的需求。

发电型潜艇系统AIP，例如“空气独立推进”，具有热源、燃料电池。

在空间具有热源的发电厂有行星、天然卫星和其他天体如月亮，例如热可 以来自太阳能集中器或热核源。

产生机械力的车辆牵引的机器。

我们的结论是这个技术具有不同寻常的灵活性且可以运行任何热源，这意 味着允许燃料或热流，一个具有传质的差速机除去了温度和性能之间的依赖关 系，相比较现有的机器允许高性能机器，它的独立性为飞船和潜艇提供了应用， 因此按照目前和未来的标准带来如此好处。