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挑戰Tesla：固液相變的“魏=川普引擎”開始發力
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| 2018-07-16 15:26:58 |
| 文章內容 |
| 一、熱機的種類 熱機的種類不是那麼多。自蒸汽機發明以來的科技進步史，見證了種類創新之艱難。 傳統物理熱機類，絕大多數都是基於液氣閉合朗肯（Rankine）循環，少數是氣相循環的，例如斯特林（Stirling）熱機； 燃燒類熱機，則為開環式燃氣消耗性循環，如內燃機、氣輪機等。 我不滿足於在現有種類上，搞小改小革的發明，幹脆一不做二不休，直接創造革命性的新種類：固液相變多缸封閉循環的新一類熱機。 為何現有機種沒有一個膽敢甩掉氣相呢？慣的，全是慣的，都被大氣磅礴的膨脹性慣壞了。就連教科書表述熱力學全部定律時，都要指明氣相的存在！ 固相被認為流動性差，沒法參與高速傳質循環，雖然傳熱還湊合。現有熱力學定律表述全部避談固相，盡管這樣，我仍認為全部定律照樣適用含有固相環節的循環。 固相和液相在經歷非相變狀態過程時，熱脹冷縮的尺度甚至小至肉眼不察的程度。若非特立獨行的科學家，豈敢用這個相態做功！好在相變過程的體積脹縮還算看得到，盡管大部分物質的變化率不到10%。 別說當初瓦特發明蒸汽機的年代，現代熱力學學術權威們，又何曾看得上這麼不起眼的膨脹率呢。 所以說，任何人只要拋棄氣相做出熱機，發明者就算是開辟了一個新種類和一片新天地。 二、新種類什麼情況？ 當今所有種類的熱機，有一個共同的特點：做功一定是通過氣體膨脹實現的。 我認為，這也正是現有機種的效率，絕大多數達不到卡諾效率一半的原因。而且，低密度氣相的存在導致體量龐大、功率密度低，甚至循環過程的質量守恒，也不見得能保障，例如熱電廠盡管有高聳入雲的冷卻塔，仍然難免排空無法及時凝水的水蒸汽乏氣。有電廠經驗的讀者不妨曬曬數據--排空乏氣的比例。 只有不再依賴氣體膨脹做功，才能從熱機的相態循環徹底去掉氣相。我的新發明正是基於這一出發點，大膽采用固液相變物質（Phase Change Materials, PCM）作為工質。 除了熟視無睹的水外，人們早就熟悉的其它相變物當屬做蠟燭的石蠟。市售的冬天用暖手器，塑料袋裡裝的就是相變物醋酸鈉，裡面的小碟片用手一掰，袋子就會突然發熱，涼了後放到鍋裡煮後，下次又可用了。 相變工質的體積變化，通常在1%至20%之間，例如水10%，豬油15%。這與氣體膨脹的成百上千倍的體積變化相比，低了好幾個數量級。 由做功表達式W = P*ΔV可知，要使新種類熱機與傳統熱機的做功能力不相上下，只好堤內損失堤外補，即體積膨脹的減少，須有壓力的相應數量級增加來補償。 果然，絕大部分相變物質恰好如人所願。例如水這個相變物質，其結冰膨脹壓高達約3000大氣壓，這比熱電廠的做功蒸汽壓大了幾個數量級。冬天未保護好的水管，常可見到凍裂的現象，僅此就可窺見一斑。據報道，有好奇人士測試1寸壁厚的鑄鐵容器的耐凍性，充滿水後置於零下30度以下的戶外，竟然也凍裂了！ 其實，任何相變物質，只要有相圖，就可以知其相變壓力，否則只好做實驗測定。學界至今尚無通用相變壓力計算公式，建議相關學科帶頭人嘗試理論推導。 適用的相變工質，必須至少有5%的體積變化，且越大越好。太小則被正常的熱脹冷縮幹擾，或者說，期待的高相變壓會被熱脹冷縮抵消，這類似於有用信號被無用的噪聲淹沒。 三、動力傳遞 利用相變壓力做功，可有多種選擇。有人會想到：直接由活塞傳遞此蠻力推動增速齒輪。此法固然不錯，但缺點也不少，尤其不便於遠程輸送，以及多元做功疊加困難。 靈活性好很多的液壓做功，當屬上乘之策。 共軛液壓單元輸出的交流承壓油流，經四只單向液壓閥橋式整流後，再經液壓流蓄能器“濾波”後，就可以推動液壓馬達了。 液流與電流其實是對偶的，液壓與電壓也這樣。液壓元件與電子元件還可類比：單向閥=二極管，蓄能器=電容器，等等。不象電馬達那樣可有直流和交流兩種選擇，液壓馬達只能是直油流，雖然交油流馬達理論上可行，但制造成本太高，所以市面見不到。 任何熱機要想發電，最後一級一定是發電機。相變熱機的液壓馬達，通過轉軸耦合驅動發電機。 下圖為正在專利申請中的設計圖（US16/021000）：  四、熱功效率 單缸相變熱機的效率大約在5%至10%之間，依所用相變工質而定。寒磣是寒磣點，好在造價十分低廉，也不需要很大的溫差。這一特點注定了適用的構型，必然是多極串聯的，以便大幅度提高效率。 可以輕易證明：串聯的效率提升近似線性增長。 在串聯狀態下，前級做功後的廢熱，全部當作後級的熱源，所以愈往後級，被各級提功後的廢熱愈來愈小，直至末級進入熱沉。 從不切實際的數學角度看，只要級數足夠多，且每級所用相變工質的熔點等於凝固點，就能使最終廢熱為零，也即越獄了卡諾效率。 但實際物理上不是這樣的，因為通常的凝固點要低於熔點少許。使得每級所需承接的最小溫差必須大於某個閾值。 可這樣間接表述熱力學第二定律：任何熱機的效率不得突破卡諾效率極限。 串聯線形增長的良好勢頭，使得多缸相變熱機逼近卡諾效率有了可能。 從實驗結果來看，普通溫差的系統，4缸開始就接近Rankine 循環效率，6至8缸就開始接近Carnot循環效率。總溫差越大，所需缸數所需越多。  五、應用前景 1、家居太陽能發電蓄熱 風靡全球的PV光伏電池固然不錯，但不能蓄熱，且PV連同逆變器成本高昂。 下圖展示了新型太陽能集熱與發電配置圖。  真空熱管可將蓄熱材料加溫至200 °C，當然家用熱水器不需要這麼高溫，但用來供應熱機自然就是越高越好。不妨將水箱中水替換為熔點150°C以上的相變物，這樣更能滿足相變熱機對熱庫溫度恒定性的偏好。 如此這般下來，四缸熱機效率25%就很滿意了。考慮到集熱器效率和發電機效率，從太陽能到負載的系統效率仍可達14%，這就與太陽能發電板的硅光電池效率相當了。 2、可充熱包驅動的零排放汽車
 馬斯克的電動車雖然叫得響，死穴也是明擺著的：昂貴的鋰電池包！ 我的這一發明，必將以兩大優勢：低廉的成本 + 充熱方法的靈活多樣性，正面挑戰鋰電池汽車。 從有效能量密度來看，兩者可做到旗鼓相當。這得看我的這個大燒包保溫瓶中裝的是啥相變材料了。計算如下： 相變儲能材料選用鋰基化合物：20% LiF + 80% LiOH，熔點427 °C，此溫下的理想卡諾熱機效率57%（假定春天氣溫），熔化熱1163 kj/kg = 323 wh/kg。 不敢奢望卡諾效率57%，但假設用8缸相變熱機可逼近至50%效率，則可輸出機械能密度約160 wh/kg。忽略保溫熱包的泡沫絕熱材料和容器的重量，可見這個數顯然與鋰電池不分伯仲。所以，若特斯拉Model S的540kg的鋰電包，充滿電能85kwh跑430km，則我這個等重的燒包車充滿熱能後，也應該達到這個譜。 研究遍所有相變材料，要在這個四百多度的溫區，達到與鋰電池同等能量密度，還真只有上述含鋰化合物可以達到。盡管這樣，燒包的成本還是遠低於鋰電，而且省去了鋰電必不可少的配套貴金屬鈷。 注意：燒包內的相變物質，是以儲能為目的，希望相變導致的體積變化率越小越好，以免脹破燒包。所以，不要稱之為工質，免得與做功的缸內相變工質混淆。 只有一項指標，我甘拜下風：能量靜置慢漏。鋰電半個月不用，漏電率估計不會大到開不動車了；而我的燒包靜置4天後也許凝固了，最好重新充熱。 所以說：燒包充熱完後，因該盡快用，不要閒置。這跟開水保溫瓶一個道理，不要放到2天後再拿去泡茶喝。 既然這樣，索性將這種另類新能源車，配置成70kg的小燒包續航裡程僅50km，主打上班族市場，早晚用2次上下班，回家每天充熱。這樣就沒有必要向鋰電能量密度看齊，放棄不便宜的鋰基相變材料，專挑廉價的即可，例如硝酸鉀等熔點相似的熔鹽。 至於充熱方式，那就多得很。最簡單的就是：燒包內置大功率電爐絲，市電插頭，方便隨處可充。因為相變熱機效率高到可與熱電廠媲美，所以用市電充熱仍是綠色環保的，就算熱電廠燒煤，環境也不吃虧。 要達到更大的靈活性，燒包內應該內嵌專用換熱器，以供外部充熱循環。這樣的好處是，電力不足的農村車主，可以用煤或柴火爐子充熱。只要做好防火措施，甚至可將爐子隨車帶，隨時想充就充，或像電池浮充電那樣浮充熱。 一旦搞成浮充熱，車子就相當於配置了外燃機，跑車的同時也在燒燃料。此時燒包完全可以進一步瘦身，只要斷火後仍能跑1~2km即可。這時候的微燒包相當於發揮了內燃機大飛輪的作用。 車頂還可以配置一個太陽能高溫集熱板，此法浮充燒包不足以替代外充，但是可以節省正式外充的能耗。 車主家安裝一部大拋物面聚光鏡，用其給燒包充熱將節省大量充熱成本，是值得鼓勵的零碳綠色舉措！  至於未來星羅棋布的充熱站，開設成本低廉，不像特斯拉的充電樁那麼昂貴，充熱方式店家可靈活自定，反正司機客人不用傻等，交錢換完燒包就走。 六、與利益集團的沖突帶來的挑戰和機遇 利益集團最滿意當今的內燃機了，因為這種久經考驗和早已技術成熟的熱機，格式化了燃料市場--汽油、柴油、航空油，進而使得龐大的石化煉油工業、相關產業供應鏈、道路養護稅費征收緊密綁定在一起。不但格式化了市場及相關政府職能構架，同時也格式化了消費者的思維定勢。 一旦高效、經濟的外燃機或離燃機日臻成熟，勢必引起前述各利益集團的沖突。因為外燃機迎合了自由供給的燃料性態，完全去掉了對燃料性態的格式化。 譬如說我這個發明中提到的未來車用燒包，離線加（充）熱的方法不限：太陽能、柴火、煤炭、汽油、柴油、電熱，甚至未經提煉的原油也可設計出一種爐子來燒。即便電力不通、沒有加油站的偏僻農村，也能用柴火、生物質加熱燒包，不影響機動車的運行。既然這樣，還要煉油廠幹啥呢？ 很多國家將公路的修建養護成本，分攤到汽油柴油的售價中去了。若沒有格式化好的這兩類油料供應市場，政府如何找到替代征收方法，確實面臨挑戰！ 機遇是：這項技術將逐步擺脫人類對化石能源的依賴，轉而使用地球表面碳循環的清潔能源，以及零污染的太陽能，其結果定會使地球溫室效應、霧霾、酸雨、生態惡化等逐步改善。善莫大焉！ 與內燃機幾乎同時代發明的斯特林（Stirling）熱機，本質上就是外燃機。很早以來人們一直寄予厚望。可惜因為其固有的低效率，始終未能在效率上戰勝內燃機，因而從未取得商業化的成功，僅局限於學校的原理演示教具而已。 可喜可賀的是：我發明的新型固液相變熱機，終於在效率上戰勝了傳統內燃機，因而這是一項具有劃時代意義的、當驚世界殊的偉大發明！ 七、結語 英語的相變 phase change 與變臉 face change 是一個意思。 把固相用於熱機循環的一態，也算是別出心裁，完全不按科研套路出牌嘛。 恰巧，美國總統川普的變臉威力也特別巨大--地球也要抖三抖，且從不按牌理出牌。有鑒於此，特行使發明人的命名權，將此新型熱機的英文名稱定為Wei-Trump engine，以表彰銘記川普的雄才大略和特立獨行式思維！ 值此新發明問世之際，鋼鐵俠馬斯克，風塵仆仆趕來上海，簽約他的特斯拉電動車中國生產基地。 那麼，燒包和電包，哪個才是你的包？堅信不久的將來，主流的回答一定是：燒包、燒包、再燒包！ 雖然形勢一派大好，但革命尚未成功，同行仍需努力！ 八、合作與共贏 歡迎有興趣的投資方，以及有志於合作研發、開拓市場的生產廠家與我聯系，提出建設性、競爭性的要約（best offer）。我將投入全部精力,誓言哪怕在要約方的實驗室或工廠打地鋪，也在三年內要打造出全球第一台燒包車！所以還請細化你的要約，包括這些細節：入門費、安家費、年薪酬勞、地方政府扶持政策、未來量產後的銷售分成計劃、合作期間的改進部分的產權歸屬等等。 要約方還需配備足夠人才搭檔，至少下列技術領域的工程師或專家：機械、熱力學、材料、液壓、工藝、優秀鉗工、內嵌軟件等。 我將在所有要約中，挑選出最滿意的合作方，盡快奔赴第一線開展各項工作。 謝謝大家的關心與捧場！ 轉載本文請聯系原作者獲取授權，同時請注明本文來自魏焱明科學網博客。 鏈接地址：blog.sciencenet.cn/blo...23757.html |
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