气体等温压缩机技术专利及等温热力循环概论

　　首先声明，本文没有任何推翻现有基础理论的内容，是严格依据现有理论，以解决一个工程问题为切入点，对热力循环进行理论上的优化，可以显著提高热力循环的效率，有些优化可能因为成本或者材料方面的原因，不能实现，但理论绝对有较大突破。这个工程问题就是气体等温吸放热问题， 　　解决的工程问题的办法就是气体等温压缩，对工质进行等温压缩，可以显著降低热力循环中的放热温度，以提高热效率和㶲效率。 　　先介绍如何进行进行气体的等温压缩，气体的表面传热系数很低，想要实现实用的气体等温压缩，压缩腔室必须要有很大的散热面积，本发明的基本原理就是在并行多通道换热器中增加一套液体循环系统，液体和气体交替进入热交换器，液体把气体分割开，形成若干压缩腔，液体和气体同步流向出口，本发明专利的具体实施方案，可以确保压缩过程中，液体气体按图示受控流动，不会混合，可以在一个散热器通道内制造不同的压力范围。

　　液体将在受控的情况下，传递压缩力矩，逐步压缩气体空间，气体受压缩温度升高以后，热量将及时从散热器流失，因为换热器热交换面积远大于普通压缩机，散热功率足够大，气体温度升高非常有限，近似理论等温压缩。气体和液体完成压缩，从出口分离，气体流向出口，液体进入下一次循环 　　气体压缩末端，热量产生的速率升高，而和其接触的换热器内表面积在减少，因此，还应该在散热器内表面，布置具有扰流和辅助散热的金属丝或者金属片，扰流是把层流变为紊流，以增强热交换，末端增加布置密度辅助吸热，并把热量传递给液体，并增加一个辅助散热器，完成辅助散热。以上即是等温压缩机的基本原理，本发明专利是如果控制液体传递压缩力矩，完成上述过程，且可反向运转，使气体在膨胀过程吸收热量，进行等温膨胀过程。 　　本发明结构简单，具有压缩机类别中最大的散热面积，加工要求低，无汽缸活塞摩擦损失，也没有气门阀门等运动部件，气体流动损失小，但是增加了克服压缩液粘滞力的损失。可靠性好，成本低，压缩曲线无限接近理论等温压缩曲线，理论上可提供的压力，只受材料强度限制，大约可提供活塞式压缩机级别的压力。 　　压缩液应选择挥发率低，流动粘度低，流动性好，性能稳定，无毒，不与压缩气体发生化学反应的液体，如有微量挥发，则应当不易在高温下与工质发生化学反应。压缩液工作温度不高，抗高温要求不高。 　　气体的低传热系数，是等温压缩难于实现的最根本原因，不管是变容压缩机还是速度压缩机，都难以在提高散热面积和减少摩擦损耗之间找到平衡点，等温效果好不好，一个最重要的指标就是看有多少可用的散热面积，目前气压机多采用多级压缩，中间冷却的方案，期望尽可能接近理论等温线，但是也增加了气门等附属机构，造成气体流动阻力增大，损耗增加，增加的运动部件也使可靠性下降，热力学领域则用汽液相变替代了等温过程，这也造成吸热端的不可逆损失，本发明很好的解决了这些矛盾，为热力学开辟了一条新的道路。 　　本发明的等温压缩机，只是解决了一个工程上的问题，实现了气态工质的等温吸放热，减少了不可逆损失，推进了现实中热力学循环理论上的优化，没有推翻任何现有基础理论。以下简单定性分析一下，气态工质等温吸放热以后，对热力循环的改进。 　　主要用途和技术效果 　　1气体压缩机 　　本发明有多种用途，等温压缩机单独用于压缩气体，可替代单级和多级压气机，因为具有最所有压气机中最大的散热面积，因此最接近理论等温压缩线，具有最小的理论功耗，相比单级或者多级压气机，有节能约10%到40%的节能效果，也可用于一些特殊的，高温易发生危险或者变质的气体压缩。也可作为空气储能压缩机。使空气储能损耗降低10%到20%

　　图片来自潘颢丹，贾冯睿编著《工程热力学》，在此致谢 　　在PV示功图中，1-7为理论绝热线，本等温压缩机的理论功耗为1-4绝热压缩理论功耗为1-7-4’，三级压缩理论功耗为1-2-2’-3-3’-4-4’,实际中等温压缩机高于理论的热力损耗主要包括两个因素，冷却风量与热交换面积。单位时间内的冷却风量的热容量，与被压缩气体的热容量之间的比值，和等温压缩实际温度与同压力下的绝热压缩温度之间的比值，成正比关系，实际温度与换热面积与换热系数的乘积成反比关系，

　　先求出T3的值，再用下列公式求出T4与T3的差，加上T3结果就是T4

　　所以环境温度和压缩前是t1，压缩过程中和完成以后，气体实际温度是t4 　　2：热机 　　除了单独作为气体压缩机，更大的作用是作为热力循环中的工质压缩机，参与到热力循环中，可以最大效率的完成理想热力循环，虽然卡诺循环中同样有对气态工质进行等温压缩的过程，但卡诺循环，对于热源的要求是等温放热，这个在实际中，是极少有的，多数热源的热源与温度都呈函数正比关系，如果有可以等温放热的热源，直接应用卡诺循环即可，本文只介绍变温热源的理想热力循环，四种理想循环的基础热力循环模式，根据实际工况，以及技术难度和经济性，进行修正或者联合。 　　热机循环，等温压缩-等压吸热-绝热膨胀 　　制冷循环，等温压缩-绝热膨胀-等压吸热 　　制热循环，等温膨胀-绝热压缩-等压放热 　　冷机循环，等温膨胀-等压放热-绝热压缩（先解释一下什么是冷机，冷机是指以低于环境温度的物质，为低温热源的正循环，以大气环境温度为高温热源，输出净功的热机，例如低温过冷海水，为和热机以及制冷区分，称其为冷机，不是正式学术名词，且实际来源极少，温差不大，利用价值较低，但是作为理论的一部分，还是要提出的)，以下对理论做出简单的，概况性的，定性分析说明 　　2-1外热源热机循环 　　外热源热机系统由三个主要部分组成，本发明的等温压缩机，绝热膨胀机，逆向换热器，使用气态工质，循环过程为，等温压缩-等压吸热-绝热膨胀，主要用于中低温非相变，非燃烧热源的利用，（相变热源直接用卡诺循环即可），例如各种工业余热，太阳能，地热等，理论效率高于有机朗肯循环（ORC），斯特林循环，封闭式布雷顿循环等，也可用于核反应堆发电或者直接输出动力，以下是TS图和PV图，高温热源T1与低温热源T2，T2通常为大气环境温度，绝热膨胀机从现在成熟的技术里面优选即可，逆向换热器，上面流过的是热源，下面流过的是工质

　　这只是示意了一个理想的，只有5度传热温差的逆向换热器的，事实上传热也是很复杂的，除了热的传递，还包括流体力学，热源之间的热对流，表面传热，换热器材质热传导等，这里就不深入探讨了，只是表明，这种换热在准静态条件下是可以发生的，只是温差越小，需要的散热器面积的越大，需要在短期成本和长期成本之间做出一个平衡的选择，

　　等温热机循环 　　现在重点解释一下，为什么这个循环大多数情况下优于卡诺循环，优于目前实用的任何热力循环，如果已了解，可以直接跳过红字部分。 　　热既然是物质微观上的无规则运动的表现，那么热必然要由物质来表现出来，而温度是热量积累而来，严格来说，不存在可以放热而温度不降低的高温热源，可以存在相对热机功率来说，相对无限的热源，这个目前来说，只有太阳能，地热可以算相对恒温无限的热源，但是温度都比较低， 　　对于有限的热源来说，利用其每一分热量，就需要对物质所有的㶲都加以利用，而不是只利用其温度高的部分，以下举个例子

卡诺循环

等温循环是物质不同温度卡诺循环的集合 　　假设有一个水池，里面有100度的热水，外面大气环境温度0度，用两种循环方式把热转化为功，卡诺循环结构和过程就不复述了，增加一个热效率和时间构成的坐标系

　　初始阶段，卡诺循环热效率的确高于等温热力循环，是等温循环的大概一倍左右，整体系统压力也高一倍左右

　　运行一段时间后，当消耗了热源全部热容量的20％以后，等温循环这边的热水剩余量还有80%，但温度仍然保持100度，卡诺循环热水总量保持不变，但温度因为已经损失了20%的热量，所以温度只剩约80度，热效率下降到原来的80%（是原来的80%）

　　再运行一段时间后，当消耗了全部热容量的50％以后，等温循环这边的热水剩余还有50%，但温度仍然保持100度，卡诺循环热水总量保持不变，但温度因为已经损失了50%的热量，所以温度只剩约50度，热效率下降到原来的50%（是原来的50%）两者的热效率已经一样了

　　再运行一段时间后，当消耗了全部热容量的80％以后，等温循环这边的热水剩余还有20%，但温度仍然保持100度，卡诺循环热水总量保持不变，但温度因为已经损失了80%的热量，所以温度只剩约20度，热效率下降到原来的20%（是原来的20%）等温循环的热效率这时高于卡诺循环了，因为卡诺循环导致热源的温度降低，净功的积累就直接拉到最后，净功积累面积一样，虽然等温循环，瞬间热效率在初始低于卡诺循环，但时间累积功是一样的， 　　有人不服气说，卡诺循环的水温降低了，可以继续增加热水量啊，你可以增加，那我也要增加，条件一样对比才公平，卡诺循环要成为超越等温热力循环成为实用的循环，必须要找到无限的热源，至少找到相对于热机功率来说，近似无限的热源，否则对可预见的有限热源的净功积累。两者永远一样，这个近似无限的恒温热源，还必须是整体出现，不能连续持续出现，以整体的热容量保持一定温度，卡诺循环还要面对，压力比等温循环高一倍，输出功率随时间下降，卡诺热机要永远和热源整体保持传热接触(热辐射也可以），不能脱离接触，热源内部之间也要有热传导和热对流以保证和接触界面温度稳定，等问题，既然积累功一样，为什么要处理这些问题？

　　看吧，教科书只会告诉你卡诺循环是热效率最高的循环（当然也的确是），不会告诉你除了热效率还有时间，时间积累，（说时间积累没有意义的，你们家电费是按照电器功率大小收的呢，还是按照功率×使用时间的结果收的呢，）卡诺循环的高效率对热源的反向影响，（让热源温度整体下降）非要实现卡诺循环的代价有多高，这就是理论与现实的差距，等温热力循环效率上优于现在大多数热力循环，实用性上大多数情况下优于卡诺循环， 　　对于地球上的大部分热机来说，热源都是变温热源，包括各种物质的显热，化石能源的燃烧，也是等容或者等压吸放热，不是等温放热，其中的恒温热源是大气环境温度，比这个恒温热源高的变温的高温热源之间的正循环，是热机循环，逆循环是制热循环，比这个恒温热源低的，正循环是冷机循环，逆循环是制冷循环。所以会有四个基本循环， 　　当然也是有适用卡诺循环的热源，变温热源如果量极大，也可以按照恒温热源来处理，例如太阳能，是太阳这个超大热容量热源的辐射传热形式，是正儿八经的等温热源（相对地球来说），地热从总量上来看，也可以算恒温热源，水蒸气等各种潜热可以等温放热，如果上述过程用100度的水蒸气，那么的确可以比等温循环获得更高的总功，但是水蒸气的等温放热，只是因为大气压对它做了等压压缩，水蒸气冷凝成水以后，体积大幅度减少，大气层整体高度降低，不信，可以让水蒸气在定容条件下放热试试，所以说，用水蒸气来对比，相当于是修改了初始条件。对应的，大气压下，水沸腾时，大量吸热，体积大幅度膨胀，却没有对外做功的能力，其实是对抗了大气压，对大气压做了功，地球大气体积膨胀，高度增加了，何况水蒸气一般只是二级热源，例如火电厂的水蒸气来源都是煤燃烧传递给水的，而煤炭燃烧是变温热源， 　　所以大多数热机的实际理论极限就是等温热力循环，目前大部分气态工质循环，例如迪塞尔循环，布雷顿循环不能等温放热，和大气环境这个恒温热源之间存在不可逆损失，而利用气液相变，例如朗肯循环，可以实现等温放热，但是又不能等压吸热，同样存在不可逆损失，

　　在变温高温热源与恒温热源之间进行卡诺循环，㶲效率同样不高，例如刚才的例子中，用卡诺循环替代等温循环，卡诺循环的吸热温度只能做到50度，虽然热效率一样，但吸热量也只有一半，㶲效率也只有一半，输出功也只有一半，

　　如果提高吸热温度，热效率会提高，但输出功会下降，保持吸热量不变，让吸热温度提高，超越热源，温焓线，会发生热量自发从热源温度低的地方，传递给温度高的工质，这是违反热力学第二定律的事情，

　　当然啦，如果有恒温高温热源的情况下，等温循环同样不如卡诺循环，例如地热自然排出的水蒸气，是一次热源，热效率和㶲效率都只有卡诺循环的一半左右，本发明的等温压缩机，因为含压缩液，不适合作为恒温高温热源，温度较高状态下的等温膨胀吸热过程的装置。 　　卡诺循环并没有错，具有基础的指导和计算意义，变温热源的平均吸放热温度，仍然符合等效卡诺循环原理，只是具体的循环过程，不能照搬两个等温过程，两个绝热过程这样的教条，而是尽量避免不可逆的传热，减少必须传热的温差损失，而用热效率表明热机循环优劣，存在片面性，应该用㶲效率更加合理， 　　例如，这里有大气压下的400度的过热水蒸气作为热源，是工业余热，没有成本，那么对这个热源效率最高的循环，是等温压缩，等压吸热，等温吸热，等压吸热，绝热膨胀，

　　又或者在月球上，没有大气环境温度，这个恒温热源。有等量的100度的热水和0度的冷水，进行热力循环时，最理想的是布雷顿循环，两个绝热过程和两个等压过程，注意，绝热压缩后的工质温度，要和膨胀完成后工质的温度一样 都是50度（约值）。如果不等量，又如果热源是气体，那么效率最高的循环，还要修改，总之热力环境很复杂，只有绝对正确的策略（避免不可逆传热，减少必要传热的温差),没有绝对理想的循环方式。同时要考虑成本，适应性，可靠性，材料等现实因素。热效率，㶲效率或者总功不是唯一的衡量标准。 　　这样一些问题就可以简单的解释了，例如，1为什么实际应用中没见过卡诺循环的影子，因为没有气态工质等温压缩机，有用气液相变等温吸放热的特点进行的接近卡诺循环的方式，朗肯循环，但是因为热源都是变温放热，不是等温放热，所以存在不可逆传热温差，2为什么柴油机效率高于汽油机，因为压缩比高

汽油机

柴油机

输出功极大值时

超过极大值开始下降

接近最高热效率时 　　压缩比高，所以圈地面积大，而且有最大限制，即最大输出功，超过这个最大值，输出功开始下降，热效率最高时，输出净功为0

　　图片来源于，王丰编著的《热力学循环优化分析》一书，在此致谢。 　　至于为什么是接近0而不是0，是因为燃料只和氧气燃烧，温度远高于在空气中的燃烧温度。 　　大多数热源的理论极限就是上图1-2-4构成的近似三角形，我们还可以通过逆运转，以制热来证明该循环的高效，制热循环中，工质把热量从低温热源转移到高温热源中，准静态条件下，两者状态参数完全一样，只有运转方向不一样，消耗的功和刚好和热机得到的功相同，因为过程完全可逆，如果有其他循环在同条件下，效率更高，可获得更高的功，那么用那个循环做热机，本循环制热恢复热源，那么不就可以做成永动机啦，所以，大部分热源的热力边界，是明显低于卡诺循环的，决定一个热源更适合用卡诺循环，还是等温循环，或者布雷顿循环，取决于热机的功率，与热源总功率的比值，

　　 目前实用的热机循环，都低于1-2-4等温热力循环，采用纯气态工质的循环，不能等温放热，例如柴油机用的迪塞尔循环，所以尾气排气温度很高，只能排放到空气中，造成浪费，采用气液相变的循环，只能等温吸热，例如朗肯循环，吸热温度远低于煤烟气的最高温度，两种都有不可逆损失，所以才发明可以等温压缩气体的等温压缩机，让气态工质同时具备等温放热，等压吸热的能力， 　　以下是与朗肯循环的效率对比，以水为工质的朗肯循环的临界温度为374度，煤炭燃烧产物温度超过1000度，之间存在着很高的传热温差，想要降低这传热温差，就要用气体通过逆向换热实现

　　这里说下换热器，液体的表面传热系数远高于气体，大约高50到100倍量级，但是气体工质的换热器，不会比液体工质的热交换换热面积高那么多倍数，液体工质大部分情况下冷却介质也是气体，代表性的是管翅时换热器，液体工质的内表面相比翅片面积小很多，换成板式两侧都是气态工质的工况，两侧面积差不多，所以纯气态工质热力循环，换热器可能要大于相变循环，但这和表面传热系数关系不大。 　　与斯特林循环的对比，斯特林是气态工质，依靠回热器，勉强可以等温压缩，但因为结构限制，回热器面积有限，不能连续提供气态工质的等温压缩，且不能完全排空，只能和压缩一样，等温吸热，虽然和卡诺循环在相同温度下具有一样的热效率，但同样距离热源的最高温度，差距很大，整体㶲效率不高，

与布雷顿循环的对比

　　准静态条件下，与现有循环对比，三个过程的的等温热力循环的㶲效率大约提高20%到50%，并且这是理论极限值，超过等温热力循环的理论值，是违反热力学第二定律的， 　　影响实际效率的两个因素，一个是等温压缩过程的实际温度，这个肯定要高于T2的，（高于T2的幅度,又有两个因素影响，一个是冷却风量，一个是换热面积）以T4表示，这个损失在所有循环中均存在，不在复述，另一个是因素是逆向换热温差，且于换热面积成反比，这个如果是内燃机则没有，上面是热源（流体）下面是工质（气态）

　　简单算下等温循环的实际应用效果，以一吨水，温度100度，大气环境温度0度来计算，总的可用的焓为，1000千克×4200焦比热×100度等于420000000焦耳，再乘1-273/323，因为这个温度范围内水的温焓变化不大，所以直接取50度323K的平均吸热温度，等于65015479.87焦耳功，约相当于18千瓦时度电，当然啦这只是纯理论值，如果等温压缩和逆向换热器，都取10度温差，则1-283/313。等于40255591.05焦耳功，约11千瓦时。再减10%，实际10千瓦时这个可以去除机械损耗后，可以用来直接驱动机器运转，节约工业电价的电费，真的发电的话，还要去除电机发电效率，以及上网电价差，其他的温度范围，以及这个作为太阳能发电的储热成本，大家可以自行估算，

　　如果这一吨水，用现在的技术来转化，不管是气态工质循环的布雷顿循环，还是斯特林循环，或者气液相变的有机朗肯循环，或者卡诺循环，都只能转化约一半。

　　420000000焦耳热/2等于120000000再乘1-273/323=18575851焦耳功，约5.15千瓦时，如果也加上10度的的换热温差，则×1-283/313=11501597焦耳功，约3.19千瓦时，等温循环可是可以做到10千瓦时，有机朗肯循环，可能高一些，要看工质的压焓范围，一般余热都以气态或者液体存在，固体的也有，需要用气态或者液体工质导出，所以基本上都符合等温热力循环的范围，唯一不在这个范围的是以蒸汽状态存在的水，水蒸气的冷凝放热是等温放热，用有机朗肯循环比较好，100度的水蒸气凝结成100度的水以后，再用等温热力循环，虽然热密度小于蒸汽放热，不过蚊子腿再小也是肉嘛，

　　制热循环是热机循环是完全逆循环，条件一致，一吨水，温度0度，环境温度0度，要求制热到100度，理论值和热机一致，18千瓦时，实际则在理论温度上加上温差，也是以10度温差做为比较，1-263/333，需要至少88288288.28焦耳功，约24度电，这还不算绝热效率和机械摩擦，电动机功率等，这就是一个大概的量级计算，仅做参考，

　　另外一个因素是热源与工质，吸放热曲线的匹配问题，高温热源物质的比热容变化曲线，与工质的比热变化曲线，尽可能一样，不然也会造成温度损失或者热量损失，同一种物质则没理论损失，例如热源是高温空气，工质也是空气时。 　　内燃机理论上也有这个损失，燃烧前的物质与燃烧后的物质不一样，比热容不一样，由于工质改变引起的损失，例如以一氧化碳和氧气燃烧，变成二氧化碳，则燃烧热值对工质温度的提升应该以二氧化碳为标准，

　　图片来自刘圣华，周龙保编著的《内燃机学》在此致谢， 　　2-3内/外燃机循环 　　内燃机燃烧过程是非常复杂，对包含燃烧过程的热力循环，大体上仍然和外热热源热机，循环方式一样，但有一些特殊的情况，需要对循环过程进行修正，综合考虑氮氧比例，燃料中氢元素影响，燃烧生成物与燃烧前物质物理化学性能变化以后，最佳的循环方案，内燃机修正以后的循环增加一个回热过程，用预留的尾气热对已经经过等温压缩的，新鲜空气和燃料进行加热，温度越接近燃料的自燃点越好，回热是为了避免燃烧产生的热，从最高温传递给还没开始燃烧过程的燃料，这是个高温差传热，是不可逆损失，理论上不用回热，用绝热压缩也可以，只是那样系统压力会更高，除了压力还要其他问题要考虑其，举个例子，有5种混合物做内燃机燃料，分别是1多种比例混合的汽油和空气，2汽油与纯氧3一氧化碳与纯氧3氢气与纯氧4硝化甘油，分析完这5种燃料燃烧前后的变化，就能明白为什么用回热而不是绝热压缩了。

　　实现内燃机修正循环，不能使用传统压缩燃烧膨胀在一个汽缸内完成的结构，等温压缩机本身就不能做绝热膨胀，需要像燃气轮机那样工质移缸，由等温压缩机预先压缩参与燃烧的空气，让空气熵降焓不降，预先等温排出燃烧会产生的等量多的热量，然后通过热交换，获得部分尾气预留的热量，让空气和燃料燃烧时的温度，尽可能接近自燃点，定压燃烧，可以忽视汽油的易爆性，不会有爆震问题，让汽油机至少达到柴油机的效率水平，对油料要求低，但是因为可预期的等温压缩机结构重量，该循环不适合涡喷和涡扇发动机，乘用车的装机性可能也不好，最高系统压力也显著超过柴油机，对材料的要求是个不小的挑战，

　　对于容易爆震的汽油机，在绝热压缩前，进行等温压缩，可以在不提高压缩温度的前提下，明显提高汽油机总压力，使其达到柴油机的水平。 　　利用多级带中冷的绝热压缩，理论效率也很好，只是气门啊凸轮轴顶杆之类的附属机构太多，可靠性不好，流动限制太多，流动损失比较大， 　　该循环方式，从理论上讲，极大减少了排热损失，能减少排热损失是因为，排热已经在对参与燃烧的空气时预先等温压缩完成，因为要求冷却风量和压缩空气存在反比关系，所以可以以极低的温差完成，通俗的解释就是，假如不进行等温压缩，绝热压缩，空气会升高1000度，那么用100倍量的空气来为等温压缩过程降温，那么被压缩的空气和冷却它的空气，温度只都约升高10度（约值，还要算比热容的），所以这个循环对外的排热温度只有10度283K，远低于目前发动机排出的尾气温度约800到1000K，没什么利用价值，而尾气的温度也基本接近于环境温度了，

　　图片来源于，王丰编著的《热力学循环优化分析》一书，在此致谢 　　这个多倍量的冷却空气是完成整个热力循环，比其他内燃机效率更高的必备条件，空气无处不在且免费，所以不算特殊条件，只要在地球上就可以满足，如果是潜艇可以用海水来冷却，效果更好，这个部分约占30%，而冷却损失与循环方式无关，只与材料有关，只要机械能正常工作，不用冷却才好，理论上本循环方式实际，对燃料的节约幅度理论上约10%到40%左右， 　　外燃机和外热机主要区别是，外燃机由燃料燃烧提供了热量来源，为了尽可能提高燃烧温度，同样需要提高燃烧前空气和燃料的温度，需要尾气来预热，因此这部分热不能从燃烧产物传递给工质，只能由绝热压缩机，把工质压缩到对应温度。

　　外燃热机的循环（等温压缩-绝热压缩-等压吸热-绝热膨胀），（红色部分）如果锅炉燃烧侧不进行回热，例如核反应堆就不需要回热，则循环过程按照外热循环热机进行，（等温压缩—等压吸热—绝热膨胀） 　　与现在主流的朗肯循环（主要的火电厂在用）对比，工质的吸热温度不再是定温吸热，避免了目前朗肯循环中，工质在锅炉内等温吸热造成的不可逆损失，1000多度对374度的临界温度传热，从理论上可节约10%到40%的煤炭（估计），优于任何正在发展的新技术，例如超超临界锅炉，回热循环，燃气布雷顿联合循环等，这些循环都在尽量接近等温热力循环

　　图片来自潘颢丹，贾冯睿编著《工程热力学》以及周艳，苗展丽，隋春杰编著《工程热力学》，在此致谢 　　如果热源温度过高，导致系统压力过大，材料不能承受压力，可选用绝热指数高的工质，也可以多级热机串联，可用于核电站或者未来的可控核聚变反应堆，多级串联刚好还可以降低核泄漏风险，多增加一级热机，则多增加一个热交换器，以及一个热交换温差损失

　　2-4下面进行简单的分析和计算，首先内外燃机的热都来源于燃料与空气中的氧气的燃烧，燃烧产生的热加热燃烧产物，因此，这是个等容或者等压的吸热过程，不是等温的，燃烧产物数量越少，比热容越低，则最后的温度越高，热效率就越高，用纯氧做助燃，热效率肯定要高于用空气， 　　等容燃烧与等压燃烧，等容燃烧的热效率高于等压燃烧，但是没什么用，就理论㶲效率来说，如果是燃料与纯氧燃烧，两者会完全一样，两者最后的净功一样，TS图和PV图中，1-2-4为等压吸热或者燃烧过程，1-3-5为等容吸热或者燃烧过程，等容循环的最大压力高于等压循环，温度也高于等压循环，不过嘛，我发明的是等温压缩机，等容循环对压缩过程中的压力要求（1-3过程）比较低，对我来说是件好事，

　　图片来源于，王丰编著的《热力学循环优化分析》，在此致谢 　　不过现实中，燃烧都是和空气进行燃烧，多出了无用的氮气，不管是热效率还是㶲效率，都是下降的，在这种情况下，如果燃烧前的压缩压力一定的话，用等容燃烧可以获得更的净功，如果燃烧最高温度受到限制，那么等压燃烧循环，可以提供更高的净功输出。，

　　糟糕的是，内燃机还真是限制最高温度的，并不是技术限制，而是温度太高，会发生热分解，氮氧化物增加等问题，2000多K是比较合适的最高温度

　　图片来自刘圣华，周龙保编著的《内燃机学》在此致谢 　　空气余量低，温度必然高，除了烃类，其他的污染物几乎都处于最高水平，2500K时，二氧化碳的分解率最高达到69%，

　　图片来源于，王丰编著的《热力学循环优化分析》一书，在此致谢 　　所以在最高温度，不宜太高的前提下，用等压燃烧，会获得更高的净功。 　　燃点温度，汽柴油或者煤炭常温下都不会自燃，燃点都在几百度左右，燃料和空气只有温度都达到自燃点时，燃烧才会发生，从常温到燃点这个过程，燃料和空气都要吸收热量，这个热量从哪里来？当然只能从燃烧产生的热量中吸取，或者消耗功，用绝热压缩，这个吸热也是有讲究的，不可以直接从燃烧点获得，而是让尾气预留一部分热量，通过回热，加热燃烧前的燃料和空气，

　　虽然最高温度不宜过高，但是，降低温度，需要用提高进气余量等措施，不能让燃料自由燃烧，杜绝一切高温差传热， 　　燃料燃烧前后的变化问题，如果有三种燃料，一氧化碳和氧气，氢气和氧气，硝化甘油，分别代表，燃烧前是气体，燃烧后也是气体，体积不变（假设） 　　燃烧前是气体，燃烧后是液体，体积大幅度减少， 　　燃烧前是液体，燃烧后变气体，体积大幅度增加 　　在等温热力循环中，工质的状态要完全回到初始状态，进气与排气，既要等温也要等压，但是汽柴油，煤炭这些都含氢元素，燃烧会生产水蒸气，而水蒸气在常温常压下会凝结成水，体积变小，为让水蒸气保持气态，排气压力要等压大气压，温度要预留至少100度，以保证水蒸气不会凝结。影响膨胀功，排气与进气，等压不等温， 　　硝化甘油可以自己思考，说太多会被和谐，汽柴油也是液体，反应后会变成气体，这也需要吸热，也要尾气预留热量，所以用一个回热把这些问题一并解决，柴油机多预留一点，可以直接点燃，汽油机少预留一点， 　　现在算下功耗，前面讲了，热效率并不是个靠谱的评价标准，百公里油耗什么的牵扯变速箱之类的东西，也不标准，有个标准比较准确，千瓦时耗油量，以柴油机为例，目前的耗油量大约在190到220克之间，我们就算下应用本循环柴油机的耗油量，

　　环境温度0度，柴油热值42552000焦耳每千克，燃点220度，理论空燃比14.7，混合物总重15.7千克，（专业人士不要笑话这土鳖的算法，毕竟我一个初中文凭的业余民科，知道应该计算而不是瞎猜，就很不错了）实在没更详细的燃烧产物数据了，就以二氧化碳为例，二氧化碳定压比热容约900焦千克/度， 　　42552000/15.7*900=3011.46度，柴油的燃点加上3011，等于3230度，远高于最佳的2000K的温度，所以用增加空气余量的办法，降低最高温度，最终取2200K，1927度的最高理论温度，取和220度的中间值，所以平均吸热温度的最终取值是1073度，1346K。为什么最高温度不是2000K，而是2200K因为散热的原因，最高温度实际上是达不到理论值的，这个损失会算到散热损失里面，所以计算取值没问题，

　　放热端的取值，取温差100度，即373K，也是个大概的估计的比较合理的等温压缩温差，这样 　　42552000-（15.7*900*220）*1-（373/1346），为什么要在热值中减掉220度的热量，大家自行思考，理论热效率0.722，热效率在计算时以温度取值时不那么靠谱，但算出净功以后，除以热值，相当于转化为了等效卡诺循环效率，用来表示热机效率还是可以的，净功28512948焦耳，除3600000，结果7.9，意思这一千克柴油的理论上可发电7.9度，核算每千瓦时耗油量0.126千克，126克这是未减掉机械摩擦和散热损失的数据，能查到的最节油的柴油机，是190克，能做到这个数据，说明机械摩擦和冷却都做到做好，10％和机械损耗和30%的冷却损耗和其他损失，增加40%不过分吧，

　　图片来自刘圣华，周龙保编著的《内燃机学》在此致谢 　　这样126*1.4=176克，比目前最节油的柴油机再节油7%，比理论数据差不少，不过也没偏离的太远，没算出几十克，或者几百克的油耗，说明土鳖算法还算基本靠谱，还是节油的，那问题就是取值也许有些偏差，但都是公开的且偏保守的，结果也在理论合理范围内，非要说我硬凑出来的数据，我也没办法，如果降低排热温度50度，则42552000-（15.7*900*220）*1-（323/1346）等于29978156焦耳功，核实120×1.4=168克，比目前最节油的柴油机，可节约12%，还可以换个角度来大概计算，那就是目前汽柴油机的尾气热量，算下可压榨出的动能有多少，

　　图片来源于，王丰编著的《热力学循环优化分析》一书，在此致谢 　　800K到近1000K的水平，不过是带压的，完全膨胀以后，温度大约降会200到300度，反正是估算，就取最高温度700K好了，约400度，理论平均放热温度200度，这样42552000×1-（273/473） 　　等于17992389焦耳，约200克油，如果全部转化，可节油20%，还是算不到38%到43%的水平，取值还是太保守了吗，这个也要加上换热温差，能做到实际节油是10%是妥妥的了，这个完全是尾气余热，不会对现在的发动机做任何改变，就是不知道成本水平怎么样。冷却损失部分，最大的问题是要保证汽缸活塞的温度，不能超过某个值，这个气体实在不如液体，散热器内的水温也不高，可以预见经济性好不了，参考前边的计算，所以基本上对冷却损失，本发明作用有限。 　　火电中的朗肯循环过程就不灌水了，结果是大约是理论上150克到200煤一度电，煤炭的成分更复杂，这也是一个大概的量级的数据，仅供参考， 　　内燃机工况非常复杂，要在各种状况之间平衡取舍，以上的循环都是理论，现实会发生什么，只有试过才知道，如果按照理想循环，重新设计热机，成本会比较高，但节能效果更好，如果迁就现在的设计，做部分改进，节能效果可能相对有限，除了等温压缩，也就降低冷却损耗，有较大的改进空间，即使完全不用冷却，还要受最高温度不宜过高的限制，如果最高温度的影响真不能突破，那么进一步改进的空间，应该是减少进气余量，连续燃烧，对等压燃烧回热，让这个位置更秃，更接近卡诺循环，最终 变成等温压缩，等压吸热（回热）等温燃烧膨胀，等压放热（回热）的理想循环，本发明的等温压缩机理论上可以等温膨胀，可是这个温度太高了，没有 合适的压缩液，具体的燃烧室结构构思中，想好了再来灌水。这个更接近斯特林循环，不知道用回热器的斯特林热机，做内燃机，能不能更好些

　　这样内燃机的总的效率不变，最高温度可以降低约一半，降低散热损失，降低空气余数，提高理论温度，提高输出功。 　　这里说下氢能源，既然电解水，打断的是氢氧化学键，那么如果用氢做内燃机，(氢氧燃料电池不清楚，不做评论）那么就应该用纯氧做助燃，电解水产氢气的同时也出产氧气，那么氢内燃机的最高温度，远高于燃油的内燃机，理论压力也远高于燃油内燃机，前面讲过的多级热机就是为这种情况准备的，如果燃料电池效率达不到这个水平，或者要绕过日本把持的燃料电池专利群，可以尝试一下多级热机。 　　3制热循环 　　制热循环是热机循环的逆循环，制热热泵消耗净功，驱动工质循环，把热量从温度为T2的低温热源，搬运给初始温度同样为T2的制热目标，一般是水或者空气，使目标温度升高到T1,

　　目前制热制冷技术原理都一样，大多采用压缩蒸汽循环，只是利用的冷热端不一样，压缩蒸汽循环，可以进行等温放热，但是我们要清楚，目标温度的上升是一个累积的过程，温度还处于T2时，直接传递给它略高的温度，而不是直接T1这样就产生了不必要的不可逆损失，理论损失都在冷凝器端，等温循环比压缩蒸汽循环节能约40%左右，但是有工质流量大，流动损失会高一点的缺点 ，不过气体制冷制热有一个优点，不需要会破坏臭氧层的制冷剂，二氧化碳应该是比较好的工质。                                    

　　图片来自周艳，苗展丽，隋春杰编著《工程热力学》，在此致谢 　　在用于室内空调制热时，室内起始温度高于室外，需要对循环进行修正，需要增加一个绝热膨胀过程，此时比压缩蒸汽循环节能幅度有所减少，但大概也能节能10%到30%，如果是类似以热泵获得蒸汽这样的工况，则本循环理论上没节能效果

　　下边是简单计算，前面证明热机时已经计算过制热的理论功耗了，把一吨水从温度0度，环境温度0度的情况下，制热到100度，理论最低功耗18千瓦时，等温膨胀环节和逆向换热环节，温差都是10度时，功耗24度，现在来算下，逆卡诺循环的理论最低功耗，420000000/（1-273/373）至少需要31.27千瓦时的功，如果也加上两个10度温差的换热温差，则需要36.5度电，本循环的的功耗是现在热泵技术的58%到66%，如果用电热丝加热，则功耗达到116度电 　　4制冷循环与以热制冷循环 　　制冷循环消耗净功，把热量从目标中转移到大气环境中去，制冷目标的温度同样会是逐次下降，温度从T1降低到T2

　　现有应用最多的是压缩蒸汽制冷循环，同样是等温吸热，所以也有不可逆损失，损失在蒸发器端，理论上，等温热力循环中的制冷循环相比可以节约40%左右的功耗，但是有工质流量大，流动损失会高一点的缺点

　　图片来自周艳，苗展丽，隋春杰编著《工程热力学》，在此致谢 　　和制热问题同样的是如果是空调制冷，室内外温差同样会抵消部分节能优势，此时需要增加过程，修正影响，节能幅度会降低，只能比目前的压缩蒸汽循环节能20%左右。

　　还可以做成开放式，以室内空气作为工质，直接压缩，通过绝热压缩-等温压缩-绝热膨胀以后，直接排放回室内，优点有减少一个热交换器，节约成本并减少一个换热温差损失，更加节能，避免空气中湿度过度凝结，空气中的水蒸气不会对膨胀过程造成一定影响，减少一些膨胀功，但不影响制冷量，出口空气湿度饱和，比现在传统空调接触更低温度的蒸发器，凝结水量减少，传统空调的过多的冷凝水不但过多冷凝了室内空气所含水蒸气，使室内空气过于干燥，容易得空调病。开放循环则避免了这一点，缺点是压缩机流量太大，和室内循环风量相同，虽然取消了室内循环风机以及所耗电能，但对压缩机的压缩液，可能积累灰尘，并且安装不便（需要打大通气孔）

　　这个修正绝热压缩优于回热，想想为什么？ 　　制冷循环不适合冰箱，冷库等，冰箱内和冰箱外，温度相对恒定，需要的相对制冷量低的工况，对比目前的压缩蒸汽循环几乎没理论上的优势，还有气体热容小，流动大的缺点， 　　以热制冷循环，因为热机和制冷都包含等温压缩过程，所以两者可以联合循环，以热为动力，直接获得低温，达到少耗能，不耗能，甚至还有盈余的目的，例如室外环境空气温度30度，有60度的热水可用，理论上，可以获得等量的0度的水（约值）。如果加上10度的换热温差，想要不耗功制冷，至少需要热源到90度以上。或者1.3倍量的热源

　　这个循环做太阳能空调再好不过了，效率远高于溴化锂吸收制冷，成本也很低，夏天基本不用电，一平方米的太阳能吸热板，大约可制冷10平米的室内面积，如果还有多余的热量，可以通过水，这种容量大，便宜的工质，显热储能，晚上使用，一吨水100度温差的储热，通过高效的热机循环，可储能10个千瓦时左右，春秋季不需要空调的季节，热机端，还可以作为太阳能分布式电站发电上网，安安静静做一台不花主人钱，还能赚钱养家的优秀好空调。 　　制冷和制热可以节能的原因和热机一样，例如，如果把一份量的空气或者水升高或者制冷50度，制冷需要排出的热和制热需要吸取的热，都排出10份量的空气中或者从10倍量的空气中吸取，则这10分量的空气温度变化都约5度，气体制冷制热最大的问题是单位热容量太小，工质体积流量远超蒸汽压缩制冷，虽然压缩比比较低，热交换器可以做的非常薄，成本不是太高，但这仍然是个最大的缺点，除了以热制冷外，需要优化所有的耗能部分，才有可能体现出理论上的优势， 　　下边是简单计算，以把一吨水，从30度冷却到0度计算，环境温度30度，4200000×30=126000000（不习惯用科学计数法）焦耳的制冷量，理论上只需要1.8度电，现在的蒸汽压缩制冷，需要3.46度（都不计电动机效率），如果加上10度的温差，则需要4.11度，蒸汽压缩需要5.59度，节能的部分占的比例下降，如果是空调工况，再加上电机固定的效率，则节能比例进一步降低，实际中能节能10%就不错了，所以如果做成开放式，就减少了一个换热温差损失。越是要制造大的温差，本循环节能效果越明显，而要以低制冷量维持温差，节能效果越差，到了冰箱冷库这种工况，基本上没有任何优势了。 　　5冷机循环 　　冷机循环是指以大气环境为高温热源，低于大气环境温度的热源为低温热源，进行的正循环，例如低温的深层海水，工质在等温膨胀过程中从大气环境中吸收热量，然后通过逆向换热器，定压向低温热源放热，然后通过绝热压缩完成循环。

　　目前对低温热源的利用，以低温海水发电为最常见形式，一般采用有机朗肯循环（因为细节不易表现，图39和图40以卡诺循环替代），工质的吸热温度略低于大气环境温度，放热温度略高于低海水温度，因为工质是等温放热，所以抽取的海水高于放热温度的部分，不能被利用，只能排放掉，等量条件下，可利用的热量有限，提高工质的放热温度，降低了热效率，净功反而会增加，因为可用的热量增加了，这和内燃机热效率超过一定数值后，净功反而下降，热效率最高时，净功接近0一样。所以在抽取的海水定量的前提下，冷机循环的净功明显高于有机朗肯循环，在输出功一样的前提下，冷机循环需要的海水量，低于有机朗肯循环。

　　以下是简单计算，环境温度30度，低温海水5度，还是一吨水，理论值为1.25千瓦时，加上换热温差，这个温差不能设定在10度了，设定那么高的温差，就不剩什么了，降低温差，还要增加换热面积，成本还要增加，最终有效输出，可能连10%都不到，实在连算下去的兴趣都没有了，如果有其他温差更高的热源还好，海水的温差实在太低了。 　　6总结 　　以上一切的分析都建立在本专利的确，可以让气体等温压缩/膨胀的基础上，再次强调，本发明专利可以，确定以及肯定以及保证，等温压缩机可以如原理图所示运行，液体清晰明确的分割开气体，按要求有序流动并传递压缩力。

　　气体等温压缩机的实用化，为优化热力循环提高热机热泵效率明确了新的方向，定义了新的理论极限，具有深远意义，在能源问题日益紧张，环保问题日益突出的今天，具有战略意义，为中国承诺的2060年实现碳中和的远大目标，提供了最坚实的技术支持，但这项技术和理论才刚刚起步，万里长征才迈出第一步，只是任何事情都有代价，增加的等温压缩机，是需要经济代价的，制造等温压缩机的背后也有碳排放，所以呢，一切的投入与产出，都要全面权衡对社会，对经济，对企业，对个人的利弊。 　　性价比最高的应该是太阳能空调，可以基本做到不耗电，春秋季还有电费收入，还不需要会破坏臭氧层的冷媒，其次是太阳能储热发电或者电解氢气，大中小型机组均适合，因为成本低，转化效率高，对储热要求低，用普通水或者油即可，一吨水100度温差储能即可达到10千瓦时的电能，完全可供昼夜调控，如果遇见连续阴雨天，则通过大数据与冗余装机量，和特高压电网调控，燃煤和燃气电站做备份，让新能源发电摆脱垃圾电的尴尬境地，且长期成本并不比火电高，中国中西部地区太阳能丰富，完全可以成为电网主力，这个经济性可能不高，但是对国家能源战略安全很重要，周围的日韩经济体，东南亚经济体，都没有大规模太阳能发电的条件，煤炭，石油，天然气应该作为化工原料，只有离网的飞机和远洋货轮需要内燃机，其他的都应该电气化，这种以中低温热为来源的热机，还能为工厂企业直接提供动力，利用太阳能，地热，企业自身产生的余热等，直接驱动部分动力设备工作，或者制冷，节约的可是工业电，比上网电价高很多， 再就是中大型热力机组，用于取代朗肯循环和燃气轮机做为火电厂，核电厂发电设备的热功转化设备，船舶，核潜艇，AIP潜艇的直接动力，可节约10%到40%的各种燃料，小型热机的装机性可能不好，如果用来驱动内燃机乘用汽车，需要带上一个体积比较大的等温压缩机，不适合各种喷气类发动机，喷气类发动机体积功率比的要求远高于节能，空调制冷，空气能热水器，因为工况影响，节能效果大约只有10%到30%，不适合冰箱这种小制冷量，或者冷库这种相对小制冷量，维持温差的工况，以上就是大概内容了，如果有需要详细了解，请联系咨询，微信:cjdlcwzdx或者QQ527950179