重新认识卡诺循环

卡诺循环是1824年N.L.S.卡诺在对热机的最大可能效率问题作理论研究时提出的。卡诺定理阐明了热机效率的限制,指出了提高热机效率的方向,可以简要理解为提高高温温度、降低低温温度、减少其它机械摩擦和热损耗。老师在给学生传授有关卡诺定理知识的时候,常常忘不了额外补充几句,比如:“实际上、低温热源温度T2降低很难实现,人们大都考虑如何提高高温热源温度T1,来提高效率”、“显然,高温热源温度T1越高,过程效率越高”、“卡诺循环决定了热机的最高理想最大效率,任何系统的效率都不可能超过这一结果”,等等。这几句话表面上看好像没有问题,但是再仔细推敲一下,还是有点问题,需要回到原点,重新认识一下卡诺循环。

首先,现在的热泵技术(逆卡诺循环)已经很成熟,T2的降低不仅很容易,而且还是一个高效率获取热量的过程;回收热量的过程也不一定需要消耗机械功;回收获取的热量可以用于维持T1,也可以用于其他系统、场合。整体的热功转换效率、热能利用率可以大幅度提高。

其次,从卡诺循环的公式可以看出,想要提高热效率,除了增大处于分子位置的高温热源T1,还可以通过降低处于分母位置的低温热源T2。而且显然,对于热量总量有限、高低热源温度绝对值差值不大的情况下,减小分母可以迅速提高效率!实际是工作温段越低,热机越容易获得高效。因此,我们应该设法采用让“热机冷下来”的思路,提高低能量消耗、低能量密度的热机效率。

再次,即便采用增加高温热源T1的方式提高效率,大量的热量高密度聚集,必然抬高低温热源,或者说低温热源确实难以维持、降低。应该可以利用低温热源设法启动第二个、第三个卡诺循环,利用多个热机做功过程组合改善提高全系统热效率。这也可以解释为什么会有涡轮喷气发动机喷水加力、柴油乳化加水、涡轮风扇发动机等技术应用。事实上应用还不彻底,飞机、火箭、内燃机还在喷火、排热,应该让浪费的、大量的热充分的、多次的、尽可能的转化为功,只有让“热机冷下来”才能大幅度提高动力设备的能源利用率。

2014年底英国空天飞机发动机研究工作取得较大进展,从中央电视台13频道2014年12月17日相关新闻消息中看到的发动机工作动画和同时公布的三种燃料成分,已经明确说明液氮是除了液氢、液氧之外的第三种“燃料”介质成分,明确说明空天飞机发动机用它确保发动机内部工作在较低温度,同时发动机仍然保持较高效率。

我们提出一个用液态空气作为“工质”的扩展卡诺循环应用的思路。利用超低温的液态空气“撬动”常温热量作为能源。液态空气汽化开始,就从环境空气、水、土壤中吸热获取能量变成势能,形成高压、常温的气体,然后适时、适量的进入现有内燃机的气缸等膨胀做功环节,模拟实现原来靠燃烧释放热量、介质吸热膨胀得到的同等压力场景,后续输出动力的过程则完全一样。卡诺循环的T1T2大幅度降低。汽车由携带能源利用免费空气,改变为携带空气利用免费能源。这是一个使用液氮吸收环境热的实验,由原来酒精灯烧水,水蒸气推动活塞运动,改为空气热量“烧开”液氮,产生的高压氮气推动活塞运动。目前我们已经完成利用高压气体改造现有的汽油机、柴油机的应用实验。

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