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氦动力(环境热能再利用)

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我们所用的能量现阶段多来自于热机,如煤炭和天然气的蒸汽轮机或燃气轮机,内燃机,核电等,这些热机排出的废热其实还包含大量的热能,只是无法用于再次烧开水而弃之,被称为低级热能,也叫废热。热机效率大小多是取决于冷热源的温差,那这些废热所含热能是多少呢?理论上来说绝对零度之上都具有热能,废热初始温度都在100度之上,100+273=373度,发电厂水蒸气温度一般在400度之内,400-100=300度,也就是说高级热能和低级热能几乎是相同多的。
如何利用这些热能?举个例子,10层楼上一块石头,具有30米的重力势能,掉落地面后,有没有重力势能了?一般情况下重力势能为0,没有高差哪来的势能。如果此时石头的旁边有一口20米深污水井,那对于这块石头是不是又有了重力势能。
这个设置就是人为制造一个低温冷源,来提高废热与冷源的温差,使废热得以利用。
冷源选的是液氦,最难液化,液化温度最低的气体,临界压力最小,临界温度和液化温度最近的气体,低温实验数据最难准确的气体,更是汽化热最小的气体。目前我所了解的数据来说,这是唯一适用此设置的气体。氦气临界温度-268度+环境温度20度,温差288度,接近燃气轮机温差。
设置的原理很简单,加热液氦汽化膨胀推动活塞运动,排出的具有一定压力的尾气氦气通过换热管路回头同要去做功的液氦通过管路换热,使尾气达到设定温度,越接近液氦温度越好,温度越低,后期节流液化率越高。
这里用管路换热器比较好,外绝热双层管路,一层进冷源,对向另一层进热源,理论上在换热面积足够的情况下,冷源的出端温度将无限接近热源温度,同理热源的出端温度将无限接近于冷源进端温度。对于气体,不同压力时的定压比热不同,潜热问题都要考虑和解决,其他帖子里有详细说明。
液氦先吸收尾气热能再吸收环境热能膨胀增压后进入气动机做功,具有一定压力的尾气放热后经节流阀,通过焦汤效应,部分氦气液化,未液化氦气二次加压后,用尾气和其加压前的低温为冷源来降低部分温度,后并入尾气换热管路一同节流液化,未液化部分再次加压放热,以此循环。
因氦气在低温阶段,压力越高定压比热越大,所以冷源液氦能够吸收尾气同二次加压的氦气的合量所释放的热能。
以上是仅限于本人现在所了解的有限的一些氦气物性和图表信息,以及已知的实验室公开的实验或模拟数据,用做的理论可行性依据。因氦气超低温特性,实验室的实验结果误差较大,尤其是在临界温度左右时的实验,液氦的汽化潜热用水做个对比,水由100度汽化为100度蒸汽吸热2260J/g,液氦为20.3J/g,水约为氦的110倍,在这个设置里主要靠液氦的汽化膨胀,我们按体积比来计算,水是1.0,液氦为0.125,110*8=880,也就是说同体积水的汽化热为液氦的880倍,液氦由光线照射都能直接汽化,可以想象实验时的难度。
对于氦气节流液化这块有了解的朋友请多提宝贵意见或建议,找到更多理论和实验依据来更好的完善。






IP属地:山东来自Android客户端1楼2024-09-06 12:49回复
    气体液化温度是关键,临界温度以上无论多大压力也不可能液化,有合适冷源放热,常压也会自然液化,因此给气体放热的冷源是关键,水蒸气靠大气或海水为冷源,液化变得十分简单。氦气的临界温度太低,合适的冷源几乎没有,就是用液氢作冷源还需要多次节流使温度下降到合适温度才能再通过节流来液化。氦气焦汤正效应是低于46K时,7K以下节流才能液化。
    主贴里说了氦气在超低温时实验数据的误差就来自于温差大的缘故。实验数据的误差现在无法判断偏向哪一面,毕竟我没能力亲自做过,设置里最不放心的是氦气节流后的液化率问题,GPT4PLUS都查询不到,我也只能通过所掌握的知识和数据进行分析和粗略计算,基本上能勉强达标,如果前面说的数据误差利于这个设置,那此设置可以完全通过理论的论证。


    IP属地:山东来自Android客户端2楼2024-09-06 15:01
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      设置的巧妙之处就在于用做功前的液氦为冷源,来冷却做工后的氦气,是同样的氦气即作工质又做冷源。任何气体,有合适的冷源使其达到合适温度,液化都变得非常简单,包括最难液化的氦气。


      IP属地:山东来自Android客户端3楼2024-09-06 15:07
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        下图是为氦动力设计的特殊气动机,改变了传统的曲柄连杆,由齿条,活动齿轮等构成,将连杆的往复直线运动转为单向圆周运动,能有效增加活塞行程,使活塞传输力矩稳定,降低排气温度,适合低速高扭运行。
        同氦动力一样,申请处于公开阶段。


        IP属地:山东来自Android客户端4楼2024-09-06 19:44
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          这是为气动机配套的活塞总成,同材质寿命提高十倍加,主要就是加长活塞环长度,活塞环由对口改为错口,辅助以定位销和其他设置,环一端可自由活动,使活塞始终处于最佳密封状态,普通环一生大部分都是工作在亚健康状态。在氦动力设置的低温环境中可不间断运行百年而无需更换。


          IP属地:山东来自Android客户端6楼2024-09-06 21:32
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            上面那个活塞总成的构思一直感觉是很好,可惜都淹没在垃圾专利的洪流中。我们知道根据圆周长公式,活塞环边缘磨损0.1㎜,开口就会增加0.314㎜,边缘磨损大于0.2㎜,环就要更换,不然汽油和机油都会增加很多,更换之前的更多时间环也是处于亚健康工作状态。
            这个设计只在加工时稍有难度,但是其原理来说,同材质环的寿命可增加10倍不止,且在运行时始终处于最佳密封状态,就连环与塞的侧隙都设有薄钢簧片压紧,使环的侧隙漏气达到最低,错口环在高低温度时可自由伸缩,不必担心环膨胀过度而涨缸,也不会因环在温度过低时开口过大漏气而难以启动。


            IP属地:山东来自Android客户端11楼2024-09-09 10:31
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              整个设置的疑点是在氦气节流时的液化率,根据已知的实验数据,氦气在7K时通过节流能够液化,但是在7K时节流压力未能查到,液化率也没查到,唯一可用作分析的数据就是图3焦耳汤姆逊系数图,图中温度和压力越低系数越大。
              我们将尾气压力预留为1MPa,通过多级节流后,理论上的计算结果是氦气全部液化,因为涉及到液化热问题,会有接近一半的氦气在真实过程中可能不会液化,这来自于GPT4的提示,这样会加重二次液化的负担,没有足够冷源来冷却二次液化时的换热。
              氦气液化热虽然说是所有气体中最低的,但也是其定压比热的4倍,所以考虑后决定将液化室液氦温度控制在5.2K之内,也就是临界温度左右,压力提高至0.23MPa,以降低其液化热。氦气常压是4.2K,临界5.2K,1度之差,液化热差了近20J/g,可使氦气液化率达到0.8以上,同时二次液化也能顺利完成。


              IP属地:山东来自Android客户端12楼2024-09-09 21:40
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                前面说了特殊设计的气动机现在来具体说明一下在工作时特殊作用。这要先从常见的内燃机说起,因为其工作原理跟内燃机差不多,都是将高压气体的压力转为机械能,压力同温度同时存在和变化,故而高温也代表高压,温度降了压力随之下降,在低温高压时增温,压力还会升高。
                一般来说气缸长度和活塞运行距离都是固定的,内燃机在怠速和最大油门时活塞运行距离始终不变,也就是说怠速时排气压力有1.2个大气压,排气温度500度,油门到底时排气压力3.0个大气压,排气温度可达800+度,若不信请开车高速下来打开机盖看看排气管前段是不是红的吓人,这也就是内燃机效率低的主要原因,为什么不能改进呢?将活塞行程加长,使排气温度和压力降低,更多的热能用来做功,效率不就提上去了吗?
                我想如果气缸加长,1是曲柄转速会降低,发动机功率密度也会减小,如柴油机气缸长,同体积或质量的机器其功率小于汽油机,2因曲柄和连杆的构造使得气缸长度和直径不能超过范围,(看不懂的百度,不要问我)。
                新型的连杆传动机构使气缸长度不受这些限制,只要强度达到,长度随意,可使缸内做功气体的尾气控制到设定排气压力,在氦动力设置中活塞受进气压力运行一定距离后进气停止,缸内余压继续推动活塞运行,降到设定压力时排气门才能打开,最大化的将热能转机械能,更使尾气氦气温度降低,以利于后面的换热。


                IP属地:山东来自Android客户端21楼2024-09-13 19:48
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                  图1中的数据有些是便于计算的设定值,如氦气做功前的温度和压力,液化室温度和压力,尾气设定的压力,气缸每次的进气量,有些是运行过程中的计算值,如活塞做功多少,尾气温度,压缩机进气温度和质量,消耗功率等,具体计算过程在其他帖子里有,有热力学基础和对此感兴趣的朋友请关心一下,抽点时间看看,多提宝贵意见和建议使其更加完善。
                  这个设置如果将环境热能隔绝,靠自身发电来替代环境热能维持运行那就是永动机,单纯的自己永动,不能对外输出功率,接入环境热能就可输出电能,也就是大家普遍定义的二类永动机。


                  IP属地:山东来自Android客户端22楼2024-09-14 10:49
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                    这是热力学第二定律两位科学家的原意表述,时隔150多年,对我们现在所用的热机来说,定律依然还是有效的,因为现在的热机温度还是高于环境温度,热机的热能还是不可避免的会传输到环境中,废热也要排放到环境中。这就是说,只要热机温度高于环境温度,就会有热散失,热机效率就不可能达到100%,只能低于1。更不可能使低温热能自发的传入到高温物体。
                    两位科学家或许没有想到一百多年后,随着空调的诞生和发展,很多人在研究环境热能的利用,热机的高温是相对于环境温度,如蒸汽锅炉水蒸气温度可达400度,排气温度100度,温差300度,400度就是高级热源。空调的诞生和发展使很多人在寻找或制造低温冷源来利用环境热能,类似氦动力的设置也有很多,但是都没有找到合适的气体,主要是要重新液化这些气体会消耗更多的能量,即使发现了氦气的许多特性也会因氦液化的难度而止步。更多的还是因为热二的束缚而放弃继续的研究。
                    液氦温度在5.2K以下,环境温度一般在290K左右,温差在280-300度,这跟蒸汽锅炉与环境温度的温差不相上下,我们身在其中而不知周围还有如此大的热能,正如我们站在楼边缘感觉害怕会掉下去,而站在地上则不会担心,那是因为你没回头看,身后还有个深坑,同样也能掉下去,这个坑就是我挖的。我人为的以液氦为冷源来利用环境热能,难点就在于氦气的再液化,也是一点小技术,很简单的原理,很多人研究过而放弃,我只是敢想,敢钻,丁点希望也不会放弃,当做一种业余爱好,不影响生活。



                    IP属地:山东来自Android客户端23楼2024-09-14 20:17
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                      氦动力设置是以环境热能为热源,其内部温度低于环境温度,因此也就没有热二所说的热机热能外传至环境,反而环境热能会通过绝热处传导至设置内部,使设置对外的效率高于1,设置有个内部效率和外部效率,内部效率0.6-0.8,外部效率≥1,详情见其他帖子的说明。


                      IP属地:山东来自Android客户端24楼2024-09-14 20:44
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                        关于氦气的液化,了解原理就知道现在也不是什么技术,我们只不过都是站在科学前辈的肩膀上轻易的摘到苹果。
                        先从换热说起,理论上换热器可以将等量的冷源温度接近热源温度,同样热源温度接近冷源温度,但实际上是有一些温差的,温差当然越低越好,在做好绝热的前提下,足够的换热面积,温差10度能不能做到?5度能不能做到?只要绝热足够,应该能做到的,这5度是高于液化温度的,如何继续降低温度回到初始的液氦?这就要用到节流膨胀,节流就需要压差,压力来自哪里?我们在尾气那里预留了1.23MPa,液化室0.23MPa,压差1.0MPa,这个压差根据图表我们分三次节流,使温度下降5+度,因液化室压力处于其临界压力,也就避免或减小了液化热,这样就将液化率达到设定的0.8,其余未液化氦气去加压放热后二次液化。
                        是不是有点太简单了,就靠换热和节流,行吗?


                        IP属地:山东来自Android客户端25楼2024-09-14 22:02
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                          氦动力的最初构思是在01年的4月24号,一直刻在脑海中,上午修车铺空闲时间浏览了一下当天的报纸,最新报道空调能效比达到1:3,哪家的空调没记住。当时突发奇想,环境热能是不是可以利用了,用空气能烧热水发电,仔细一寻思,靠水还是算了吧,1:10也没用。要用气液循环变化来做功,其汽化潜热必须要小,像水来做蒸汽锅炉的工质是对热能的极大浪费。
                          手头唯一的高中物理课本(88年)查阅气体性能,十几种,比较了氢气和氦气,最终决定从氦气入手,发现有两个特性非常合适,一个是液化温度和临界温度只有1度之差4.2K和5.2K,2临界压力极低0.23MPa,3汽化潜热极低,其他物性查了二十多年还没有完全清楚。当天完成了氦动力设置的构思,基本工作原理一直没大的改动。年轻时候脑子好用,老了就笨了好多,去年还想用氮气替代氦气,折腾了一个月还是回到氦气,好多细节当时没记录,时间久了都已忘记。


                          IP属地:山东来自Android客户端26楼2024-09-15 20:25
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