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挑戰Tesla：固液相變的“魏=川普引擎”開始發力: 热度 9 kiwaho 2018-7-17 07:02; 編者按: 本文是我上一篇博文的重發。原本設想科學網主要面向大陸讀者，沒想到本文意外釣出一大撥台灣科研同行，他們私信給我要求電郵一份正體字版本，因為他們閱讀簡體字感覺彆扭不暢。看來科學網的口號“構建全球華人科學博客圈”不假，真的是面向了全球華人學者。也好，都是中國同胞，兩岸一家親嘛，我就不一對一發繁體版，直接將此文轉換為正體字，再發一次。其實台灣同胞也可以用有關軟件工具，自行轉換大陸字的，可網上搜索。重發時將原標題做了更搶眼的修改，但我申明絕非標題黨，請閱後明鑑。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，乾脆一不做二不休，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，儘管這樣，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，儘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，發明者就算是開闢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恆，也不見得能保障，例如熱電廠儘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，大膽採用固液相變物質（ 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。據報導，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干擾，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，經四隻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。不像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，但製造成本太高，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恆定性的偏好。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矽光電池效率相當了。 2、可充熱包驅動的零排放汽車舊時代的電車通過兩根“辮子”接上頭頂的電力線，如今可以剪掉“辮子”裝上氫電池了，鋰電驅動的小轎車如今也滿街跑了。那麼，電池是否就是油箱革命後的唯一低碳創新選擇？能否不裝電池，而裝上充滿熱量的熱池跑呢？也即：不是在街上，而是“躲”在某個角落，把該燒的燃料一次燒完，將燒出來的熱能預存到熱池裡。上街跑的時候，再帶上它作動力慢慢消耗；涼了後，再找個地方充熱至飽滿，以便下次繼續上路。儘管熱池對電池，名字很對仗，但沒人用就繞口，不妨用家喻戶曉的語言，通俗地稱之為燒包。我發明的革命性新種類熱機，吹響了燒包機車時代即將到來的號角！馬斯克的電動車雖然叫得響，死穴也是明� 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。下圖為第一代改裝蒸汽機燒包熱動車，升級改造正在籌資中。六、與利益集團的衝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、道路養護稅費徵收緊密綁定在一起。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衝突。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，政府如何找到替代徵收方法，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。有鑑於此，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 ，中文名为魏-川普引擎，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，風塵僕僕趕來上海，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繫，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舖，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！; 6913 次阅读|17 个评论

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