一種基於固液相變多缸循環的“魏--川普熱機”即將問世

一、熱機的種類

熱機的種類不是那麽多。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。
固相和液相在經曆非相變狀態過程時，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%。
所以說，任何人隻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、新種類什麽情況？

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。
隻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。
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。
由功率表達式W = PV可知，要使新種類熱機與傳統熱機的做功能力不相上下，隻好堤內損失堤外補，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，隻要有相圖，就可以知其相變壓力，否則隻好做實驗測定。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嚐試理論推導。
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。不象電馬達那樣可有直流和交流兩種選擇，液壓馬達隻能是直油流，雖然交油流馬達理論上可行，但製造成本太高，所以市麵見不到。
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。


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，隻要級數足夠多，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，普通溫差的係統，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。


四、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麽高溫，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，從太陽能到負載的係統效率仍可達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
有軌電車通過兩根“辮子”接上頭頂的電力線，如今可以剪掉“辮子”裝上電池了；內燃機車慢慢燒著燃料滿街跑，能否卸下油箱裝上熱池跑呢？
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裏，上街跑的時候，再帶上它作動力慢慢消耗。
盡管熱池對電池，名字很對仗，但沒人用就繞口，不妨通俗地稱之為燒包。
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，正麵挑戰鋰電池汽車。
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70kg的鋰電包，充滿電能跑200km，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，還真隻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。
隻有一項指標，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，不要閑置。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，配置成續航裏程僅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。隻要做好防火措施，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，隻要斷火後仍能跑1km即可。這時候的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麵聚光鏡，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麽昂貴，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。

五、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。
那麽，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！
歡迎有興趣的投資方，以及有誌於合作研發、開拓市場的生產廠家與我聯係。

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