等温压缩机及其热力学循环模式

概述大家好：下面将对一件专利内容进行介绍，包括专利内容和应用前景分析等，该发明属于一种气体压缩装置，主要应用于热力学领域，创新的核

概述

大家好：

下面将对一件专利内容进行介绍，包括专利内容和应用前景分析等，该发明属于一种气体压缩装置，主要应用于热力学领域，创新的核心是一种具有等温压缩气体能力的气体压缩机，反向运转可以使气体等温膨胀。（当然，这个等温压缩是近似等温压缩，压缩行程中，气体可以保持较大面积的散热接触，气体的温度从压缩升温到一个值以后，热交换的速率，可以让剩余压缩行程中，温度不再升高，至压缩结束。温度可保持基本稳定，以下内容不再解释直接称为等温压缩）。以及以这个核心为中心的几种热力学循环应用。应用领域包括，热机，制冷，制热，逆热机（以低温热源做为能源，例如液氮，低温海水等低于环境温度的冷源，产生功的装置。该压缩机和新的热力循环模式配合，可产生提高热机效率，降低制冷制热的能耗，提高新能源（例如太阳能，低温海水，锅炉尾气等各种余热）开发价值的技术效果，该发明应用前景及其广阔，效率高，加工制造简单容易，没有量产门槛，将会把热功领域的利用提高到一个新的水平，例如不需要补贴就可以和煤电进行市场竞争的太阳能储热电站，节能空调，尾气余热利用装置，更高效的地热电站，工厂热动力机等一系列产业，甚至可以引起一场小规模的产业革命。

结构运行原理

等温压缩就技术来说没什么困难，就算最普通的活塞式的气体压缩机都可以完成，只要活塞运行的足够慢，有足够的时间让压缩产生的热量，可以通过汽缸壁散失到汽缸以外，就可以完成等温压缩，问题是时效性，热交换的速率是由温差和热交换面积决定的，产生的热量一定时，要保证散热速率，要么提高热交换温差，要么加大热交换面积，传统压缩机加大热交换面积，会带来密封线过长，摩擦能耗加剧的问题，或者采用分级压缩的方式。本发明采用了加大热交换面积的办法，同时为了避免密封线过长，以液体的流动性代替了刚性结构活塞。

上边是该气体压缩装置的结构原理图示，该装置为变容压缩装置，包含一个多通道的热交换器，和液体循环系统，液体是作为压缩做功工质，是受控的，是可以传递压缩力矩的，从低压进气口进入的气体，在进入热交换器时，液体把其分割成压缩腔，液体和其他一起流向出口，液体将在受控的情况下前进速度大于其他，气体的空间会被逐渐压缩，压缩会产生热，通过热交换器壁交换到外边，及时被散失，或者通过热交换器壁，转移到压缩液体工质中，使气体在压缩过程中，始终保持仅维持热交换的温差。使气体在完成压缩时，温度仅略高于入口温度，完成近似等温压缩的过程，液体受控传递压缩力矩的方法，是本发明最核心的技术，这个方法，不需要其他机械的介入，除了克服液体粘滞力和分离气体液体混合时，有移动密封摩擦外，没有更多额外消耗，

大家知道气体压缩产生热，这个热的分布是均匀的全面的，因此即使采用的多通道的热交换器，位于通道中心的气体分子把热量传导到热交换器的器壁也不容易，大家知道气体的热传导率是非常低的，特别是层流的情况下，因此需要增加扰流的东西，扰流柱，扰流针，扰流片等等，把层流变成湍流，把气体的热传导，变成表面传热，

另外在压缩末段，气体体积比较小了，接触的散热器内表面积也小了，但是压缩要产生的热量，不但不会小，还会增加，此时，扰流柱的作用，还会增加一个热储的功能，产生的热量将有很大一部分传递到扰流柱本身的材质中，然后当压缩液流到扰流柱时，热量通过固液热传导，传递到压缩液中，这个数值就比较大了，然后，压缩液流出压缩过程，返回出口，参与下次压缩前，通过辅助散热器流失到环境空气中。

这个也是液体作为压缩介质的优点，如果是全固体的压缩腔，是没办法增加扰流柱的，热量还要经过气体的热传导，另外就是和压缩前边相比压缩末段，热量产生不均匀，这个问题全固体的压缩腔，也是无能为力的。

新的热力学循环模式

这个等温压缩机的作用可不仅仅是一台可以节能的气体压缩机，它最主要的作用是作为热力循环模式中一个过程，它不但可以把卡诺循环实用化，还可以实际提升大部分的热力循环模式的效率，使热功领域整体上升一个台阶

众所周知，卡诺循环是热力学标杆性的热力学循环模式，对现在热力学的指导影响不再赘述，实际工程应用中，有两个问题，一个是等温压缩过程很难实现。一个是卡诺循环中高温热源和低温热源中都是恒温热源，恒温热源基本很少有，恒温热源相当于潜热，除了物质相变外，现实中气体液体固体在放热或者吸热过程中都伴随温度变化，都是变温热源，都是显热，或者量特别大，例如空气的环境温度，我们利用的这点热量很难改变地球大气的环境温度，所以大气温度可以被认定为恒温热源

具体到一台热力学机械，比如一台内燃机我们想把每一滴燃油燃烧产生的高温气体都全部转化成动能，一滴燃油产生的热量有限，是显热是变温热源，大气温度虽然也是变温热源，但是对于一台热机来说数量无限大，可以被认定为恒温热源，这就是一台利用高温的变温热源和恒定温度的低温热源的热力学循环，此时卡诺循环模式不在适用于普通热机，目前实际应用的效率较高的热力循环模式，例如迪塞尔柴油机，基本上都是四个热力循环过程，

大家知道内燃机的热效率理论只有50%左右，实际效率只有40%左右，有大概50%的热能是这种四个热力学模式，理论上都不能转化成有效输出的，

本设计的实用的等温压缩机，将不再使用现有的热力学循环，而是新的热力学循环模式，

根据变温热源高于环境温度或者低于环境温度，是工作来源还是工作目标，理论分为热机和热泵，两个大领域，根据工作目标再细分为热机，制冷，制热，逆向热机（就是以低于环境温度的热源作为热机热来源的装置，如低温海水等，），每一种模式的等温过程和其他过程的顺序都不同，其理论效率都可以达到100％，实际效率以内燃机为例，参考目前热机在散热机械摩擦损失等的水平，估计可以达到80％左右，比现在40%的热效率水平有质的飞跃，以下的说明将热力循环分为四个部分，每个循环模式有三个热力学过程，

一个热力学系统包含一台等温过程的气体压缩机，一个逆向对流的热交换器，一个绝热压缩的压缩机

热机的热力循环模式：1等温升压压缩（动力输入），2受热等压膨胀（动力输出），3绝热降压膨胀（动力输出）

制冷的热力循环模式，1等温升压压缩（动力输入），2绝热降压膨胀（动力输出），3等压吸热膨胀(动力持平)

制热的热力循环模式，1等温吸热降压 (动力输入），2绝热升温压缩（动力输出），等压放热膨胀（动力持平）

逆热机的循环模式，1等温吸热膨胀（动力输入），2放热等压收缩（动力输出），3绝热升压收缩（动力输出）

以下是这种三个热力学过程在PV图上的表示

这四种模式的热力循环，涵盖了热机和热泵两个领域，之所以要四种模式，是考虑了高温热源和低温热源，哪一个处于恒定地位，卡诺循环和逆卡诺循环中，高温热源和低温热源都处于恒定状态，现实应用中，总有一方处于温度恒定状态，否则等温压缩或者等温膨胀就无法实现，考虑到实际应用环境，高温热源和低温热源都处于不恒定状态的情况，没有实用价值，不予考虑。本循环中热机和制热领域，低温热源处于恒定地位，制冷和逆热机中，高温热源处于恒定状态。在非恒定热源和恒定热源之间的热力循环中，具有和卡诺循环等同的效率，超过该理论的循环模式，都是违法热力学第二定律的。

以上是该热力循环模式和迪塞尔循环的对比，该图片，TS图中，43124，代表卡诺循环，4324代表本热机循环模式，45674代表目前热机循环理论效率最高的，没有等温过程的，迪塞尔循环。迪塞尔循环，包括1绝热压缩.2等于吸热膨胀3绝热膨胀4等压放热

PV图中，56125，代表卡诺循环，5625代表本热机循环，52345代表迪塞尔循环，

等温压缩过程，其实就是把迪塞尔循环中的，745合并成一个过程43，从而延长等压吸热膨胀过程，32长于56，代表32的焓升多于56。另外34的延长线和67的延长线，设一个虚拟点8,

由478构成一个近似三角形的面积，这个代表迪塞尔循环中，排热或者散热包含的能量，例如发动机废气带走的热能，和第一层循环中的，432一样，65做一条延长线，和43相交于，虚拟点9，96和32等长，此时会发现，896构成的热能面积，和432是一样的，迪塞尔循环模式，浪费了，495构成的，焓升效率，和847构成的废热能，

本发明就是利用等温压缩机提高了，迪塞尔循环中的焓升，以及利用了，排热所含的热能，如果应用于发动机，会有以下特征，需要的散热空气量，会高数倍，尾气温度非常接近大气环境温度，

以下是本热力循环和朗肯循环对比，

其中4567824为朗肯循环，方便对比，就重复放在一个图了

基于这种等温压缩机的结构特点，目前估计很难直接应用到内燃机，压力很难达到，而且还有温度过低，燃料能不能完全燃烧的问题，但可以作为进气预冷，废气热能回收等辅助子系统，

下边是在热泵领域和主流的逆卡诺循环的，对比

其中，2132为本循环模式中的制冷模式，逆卡诺制冷循环4256174，在同样焓降的情况下，2132面积小于4256174，制冷能耗低于逆卡诺循环，

而在制热循环中，本循环模式改变成3423，目前制冷和制热都采用一种模式，只是室内室外的区别，因此，制热中，销量相同，也是4256174,同样焓升的条件下，3423面积依然小于，逆卡诺续航的4256174，依然是节能的。

下面是，较为少见的，逆热机工作模式，这个是以定量的低温热源，为来源输出动能的系统，例如低温的海水，一切低于大气环境一定温度的，低温体理论上都可以作为能量来源，

只是这种低温热源来源极少，低温海水算是一种，只是品味太低，整个系统的效率不高，做为一套完整的理论，还是要介绍一下的，这个其实就是制冷的逆过程，热机和制热其实也互为逆过程，

制冷循环为2132，逆热机的循环模式，为1231，这个目前没有成熟的可以对比的循环模式。除了单独的工作模式，某些情况下，还可以组成组合系统，成为混合热泵例如以热制制冷

以热制冷，起始过程都是等温压缩，一种是热机过程中，吸收是热量，低于等温压缩过程的焓降，完成绝热膨胀后，循环工质温度低于环境温度，用于制冷，在制冷过程中，吸收热量，并在等温压缩过程中被压缩出去，另外一种是完成等温压缩过程以后，一部分工质，吸热高温热源的热量完成热机循环，一部分工质绝热膨胀，使工质温度低于环境温度，吸收环境热量，完成制冷循环，两种方法都可以完成以热制冷的过程，区别有点像电池的并联和串联的意思，

这样一套热力循环模式，未见公开资料系统的提出和应用，

以上就是大概的内容，除了控制液体，作为压缩气体介质的方法，基本都在这里，坦白说，我认为理论基础没有问题，理论上三个热力学过程的循环，效率是最高的，问题是这个以液体作为压缩介质的方法，需要额外付出的消耗，例如液体粘滞力带来的阻力，分离装置的机械摩擦，所以呢，温差太低的话，没有实用价值的，我估计大概得几十度的温差才能输出功率，整体系统投资产出比，可能要一百多度温差才能有一定优势，这些要有实验支持才能确定，整个气体等温压缩装置，和热力循环模式，可构建一个新的以热为能源的能源利用体系。目前就可利用能源的量来说，可控核聚变，和太阳能是以后的主流能源，其他的只能作为辅助，如果化石能源用完，而可控核聚变还没实用，本发明可能是最优的替代方案，不同于现在的光伏发电，本发明是热功转化，不依赖光压，两者配合，可以做到更高利用效率，相对于现在的聚光塔式太阳能热电系统，本系统需要的温度更低，大概一两百度就可以工作，效率更高，热耗散更低，储能要求更低，系统更容易做成分散式，且可利用其它余热，锅炉尾气，汽车尾气，一切原来很难利用或者利用成本太高的中低温热源，都可以作为来源，例如某个工厂有余热产出或者有充足的太阳能等热源，还有动力需求，利用该系统，可以直接获得动力，避免了发电，传输，电动，工业电价等一系列损失，除了开源，本系统在节能方面也有价值，空调耗电已经占夏季耗电很高的比例，最后讲到的以热制冷系统，就可以利用太阳能，直接制冷，不但制冷系统的理论能耗低于现在的，相变吸热原理，热量可以直接转化成制冷量，例如用高于环境温度30度的热量，就可以制取低于环境温度30度的制冷量，两者等价，只需要消耗机械摩擦，热交换温差等无法避免的消耗，总之吧，我认为该发明的，是非常的有价值的，价值多少，取决于系统的机械消耗和热交换消耗，乐观的说，可能是可控核聚变成功之前，最优的能源方案，即使可控核聚变获得突破，同样需要热功转化系统转化成电能，理论上来说，可控核聚变属于恒温热源，最适合，四个热力循环过程的卡诺循环，等温气体压缩机，仍然有用武之地，完全推广开，可能会引起一场小型的产业革命。关键是，投入产出比能不能，优于其他转化方式，对此我持谨慎乐观态度，不但因为该系统理论效率最高，整个系统加工制造非常容易简单，大概只需要生产自行车的技术水平，没有什么太高精度的工艺，成本会很低，即使最保守的估计，怎么也能在，例如上边举例的，有余热产出的工厂，转化出动力，从而节约工业电价，太阳能制冷空调这样的应用场景中取得投入产出优势。

应用前景分析

前边大概的介绍了本发明的主要内容，和应用方法，对于大部分投资人来说，效率高，成本低，市场前景广阔什么的都是浮云，最关心的还是投资回报率，下边以本发明投资回报率最低的太阳能储热发电站，在没有补贴的情况下，大概做下估算，为什么说这个是本发明投资回报最低的项目呢，因为发电的上网电价是3毛左右，又不要补贴，如果输出端不用来发电，而是直接带动机器，那么节约的的支出就是1块钱一度的工业电价这样的回报，输入端如果是工厂余热，那么就没有太阳能集热装置和储热系统的成本了，所以说太阳能储热电站是差不多是本发明投资回报最低的项目了，

太阳能储热发电系统，至少包含太阳能集热装置，从太阳能出来的热，以水，油，或者其他不易挥发，低温流动性好，热容量大的，液体做为储热介质，流入储热箱，然后流入热机内，做完动出来的储热液，温度大概接近环境温度，流入储存箱，然后流向太阳能集热器，中间的应急加热锅炉，可有可无，只有在连阴雨天气状况时才发挥作用，

我们以一台恒定输出1千瓦的机组做下估算，先算收益，每年8760个小时，每度电3毛，收益大概2628元，除去连阴雨天，检修等，算2500一年，按照北方日照时长，中温太阳能集热器效率，需要大约10平方米太阳能集热器面积，太阳能集热器目前销售价在200元到400元一平米，算上支架安装，抵扣大规模采购价下降，算5000元左右，储热箱，存储温度高于环境温度150度左右即可，双层不锈钢箱，抽真空，泡沫包裹，埋进土里，就是最好保温措施，储热油本身加上储热箱，按照一个昼夜的时长储热，成本也不会不超过10000元，热机本身，按照需要，设计，加工等估算，最多不超过5000元，算上交流发电机等，不超过20000元，投资回报期为8年，加上个别轴承，密封件更换，最迟不高于10年，这个投资回报率应该和煤电差不多。以上估计虽然是大概，也不是胡乱估计的，所以说淘汰煤电真的不是乱讲的，更不要说带来的环境改善等附带效益。

如果是输出端是机器，就免去了，发电传输电动，和工业电价的损失，回报率更是成倍提高，将来由这种太阳能电站以冗余装机容量，分布在我国广阔的西部低地价部分，以平衡个别地区连续阴雨天气的影响，再以水电，核电等作为补充备用，完全可以淘汰煤电等化石燃料电站，占用的地面面积，以现在的用电量，最多一万平方公里就可以，即使将来用电量翻几倍都没问题，

还有一些工厂厂房房顶，也可以利用起来，锅炉余热，高温烟气余热，化学反应余热，废气、废液余热，低温余热等，低温海水等都可以作为来源，只要温差达到一定数值，这些来源的投资回报率都高于太阳能集热发电，

关于内燃机，和核反应堆，以及将来的可控核聚变装置，这个发明想要提供那么大的等温压缩压力，可能还比较困难，而且内燃机的燃料在低温环境下燃烧可能会有燃烧不完全的问题，可能需要做成连续燃烧，这个的结论是有可能，需要更深入的研究实验。

以上是开源，在节流方面，该发明也是有用武之地的，空调，冰箱，制热泵，冷库等，具体的节能比例有待测试吧

以上做了大概的介绍和分析了性价比，总结来说，还是很有信心的，大家有什么意见或者建议欢迎讨论。谢谢