一种基于固液相变多缸循环的“魏--川普热机”即将问世

一、热机的种类

热机的种类不是那么多。自蒸汽机发明以来的科技进步史，见证了种类创新之艰难。
传统物理热机类，绝大多数都是基于液气闭合朗肯（Rankine）循环，少数是气相循环的，例如斯特林（Stirling）热机；
燃烧类热机，则为开环式燃气消耗性循环，如内燃机、气轮机等。
我不满足于在现有种类上，搞小改小革的发明，干脆一不做二不休，直接创造革命性的新种类：固液相变多缸封闭循环的新一类热机。
为何现有机种没有一个胆敢甩掉气相呢？惯的，全是惯的，都被大气磅礴的膨胀性惯坏了。就连教科书表述热力学全部定律时，都要指明气相的存在！
固相被认为流动性差，没法参与高速传质循环，虽然传热还凑合。现有热力学定律表述全部避谈固相，尽管这样，我仍认为全部定律照样适用含有固相环节的循环。
固相和液相在经历非相变状态过程时，热胀冷缩的尺度甚至小至肉眼不察的程度。若非特立独行的科学家，岂敢用这个相态做功！好在相变过程的体积胀缩还算看得到，尽管大部分物质的变化率不到10%。
所以说，任何人只要抛弃气相做出热机，发明者就算是开辟了一个新种类和一片新天地。

二、新种类什么情况？

当今所有种类的热机，有一个共同的特点：做功一定是通过气体膨胀实现的。
我认为，这也正是现有机种的效率，绝大多数达不到卡诺效率一半的原因。而且，低密度气相的存在导致体量庞大、功率密度低，甚至循环过程的质量守恒，也不见得能保障，例如热电厂尽管有高耸入云的冷却塔，仍然难免排空无法及时凝水的水蒸汽乏气。有电厂经验的读者不妨晒晒数据--排空乏气的比例。
只有不再依赖气体膨胀做功，才能从热机的相态循环彻底去掉气相。我的新发明正是基于这一出发点，大胆采用固液相变物质（Phase Change Materials, PCM）作为工质。
相变工质的体积变化，通常在1%至20%之间，例如水10%，猪油15%。这与气体膨胀的成百上千倍的体积变化相比，低了好几个数量级。
由功率表达式W = PV可知，要使新种类热机与传统热机的做功能力不相上下，只好堤内损失堤外补，即体积膨胀的减少，须有压力的相应数量级增加来补偿。
果然，绝大部分相变物质恰好如人所愿。例如水这个相变物质，其结冰膨胀压高达约3000大气压，这比热电厂的做功蒸汽压大了几个数量级。冬天未保护好的水管，常可见到冻裂的现象，仅此就可窥见一斑。据报道，有好奇人士测试1寸壁厚的铸铁容器的耐冻性，充满水后置于零下30度以下的户外，竟然也冻裂了！
其实，任何相变物质，只要有相图，就可以知其相变压力，否则只好做实验测定。学界至今尚无通用相变压力计算公式，建议相关学科带头人尝试理论推导。
适用的相变工质，必须至少有5%的体积变化，且越大越好。太小则被正常的热胀冷缩干扰，或者说，期待的高相变压会被热胀冷缩抵消，这类似于有用信号被无用的噪声淹没。

三、动力传递

利用相变压力做功，可有多种选择。有人会想到：直接由活塞传递此蛮力推动增速齿轮。此法固然不错，但缺点也不少，尤其不便于远程输送，以及多元做功叠加困难。
灵活性好很多的液压做功，当属上乘之策。
共轭液压单元输出的交流承压油流，经四只单向液压阀桥式整流后，再经液压流蓄能器“滤波”后，就可以推动液压马达了。
液流与电流其实是对偶的，液压与电压也这样。液压元件与电子元件还可类比：单向阀=二极管，蓄能器=电容器，等等。不象电马达那样可有直流和交流两种选择，液压马达只能是直油流，虽然交油流马达理论上可行，但制造成本太高，所以市面见不到。
任何热机要想发电，最后一级一定是发电机。相变热机的液压马达，通过转轴耦合驱动发电机。


四、热功效率

单缸相变热机的效率大约在5%至10%之间，依所用相变工质而定。寒碜是寒碜点，好在造价十分低廉，也不需要很大的温差。这一特点注定了适用的构型，必然是多极串联的，以便大幅度提高效率。
可以轻易证明：串联的效率提升近似线性增长。
在串联状态下，前级做功后的废热，全部当作后级的热源，所以愈往后级，被各级提功后的废热愈来愈小，直至末级进入热沉。
从不切实际的数学角度看，只要级数足够多，且每级所用相变工质的熔点等于凝固点，就能使最终废热为零，也即越狱了卡诺效率。
但实际物理上不是这样的，因为通常的凝固点要低于熔点少许。使得每级所需承接的最小温差必须大于某个阈值。
可这样间接表述热力学第二定律：任何热机的效率不得突破卡诺效率极限。
串联线形增长的良好势头，使得多缸相变热机逼近卡诺效率有了可能。
从实验结果来看，普通温差的系统，4缸开始就接近Rankine 循环效率，6至8缸就开始接近Carnot循环效率。总温差越大，所需缸数所需越多。


四、应用前景

1、家居太阳能发电蓄热
风靡全球的PV光伏电池固然不错，但不能蓄热，且PV连同逆变器成本高昂。
下图展示了新型太阳能集热与发电配置图。


真空热管可将蓄热材料加温至200 °C，当然家用热水器不需要这么高温，但用来供应热机自然就是越高越好。不妨将水箱中水替换为熔点150°C以上的相变物，这样更能满足相变热机对热库温度恒定性的偏好。
如此这般下来，四缸热机效率25%就很满意了。考虑到集热器效率和发电机效率，从太阳能到负载的系统效率仍可达14%，这就与太阳能发电板的硅光电池效率相当了。

2、可充热包驱动的零排放汽车
有轨电车通过两根“辫子”接上头顶的电力线，如今可以剪掉“辫子”装上电池了；内燃机车慢慢烧着燃料满街跑，能否卸下油箱装上热池跑呢？
也即：不是在街上，而是“躲”在某个角落，把该烧的燃料一次烧完，将烧出来的热能预存到热池里，上街跑的时候，再带上它作动力慢慢消耗。
尽管热池对电池，名字很对仗，但没人用就绕口，不妨通俗地称之为烧包。
我发明的革命性新种类热机，吹响了烧包机车时代即将到来的号角！

马斯克的电动车虽然叫得响，死穴也是明摆着的：昂贵的锂电池包！
我的这一发明，必将以两大优势：低廉的成本 + 充热方法的灵活多样性，正面挑战锂电池汽车。
从有效能量密度来看，两者可做到旗鼓相当。这得看我的这个大烧包保温瓶中装的是啥相变材料了。计算如下：
相变储能材料选用锂基化合物：20% LiF + 80% LiOH，熔点427 °C，此温下的理想卡诺热机效率57%（假定春天气温），熔化热1163 kj/kg = 323 wh/kg。
不敢奢望卡诺效率57%，但假设用8缸相变热机可逼近至50%效率，则可输出机械能密度约160 wh/kg。忽略保温热包的泡沫绝热材料和容器的重量，可见这个数显然与锂电池不分伯仲。所以，若70kg的锂电包，充满电能跑200km，则我这个等重的烧包车充满热能后，也应该达到这个谱。
研究遍所有相变材料，要在这个四百多度的温区，达到与锂电池同等能量密度，还真只有上述含锂化合物可以达到。尽管这样，烧包的成本还是远低于锂电，而且省去了锂电必不可少的配套贵金属钴。
注意：烧包内的相变物质，是以储能为目的，希望相变导致的体积变化率越小越好，以免胀破烧包。所以，不要称之为工质，免得与做功的缸内相变工质混淆。
只有一项指标，我甘拜下风：能量静置慢漏。锂电半个月不用，漏电率估计不会大到开不动车了；而我的烧包静置4天后也许凝固了，最好重新充热。
所以说：烧包充热完后，因该尽快用，不要闲置。这跟开水保温瓶一个道理，不要放到2天后再拿去泡茶喝。
既然这样，索性将这种另类新能源车，配置成续航里程仅50km，主打上班族市场，早晚用2次上下班，回家每天充热。这样就没有必要向锂电能量密度看齐，放弃不便宜的锂基相变材料，专挑廉价的即可，例如硝酸钾等熔点相似的熔盐。
至于充热方式，那就多得很。最简单的就是：烧包内置大功率电炉丝，市电插头，方便随处可充。因为相变热机效率高到可与热电厂媲美，所以用市电充热仍是绿色环保的，就算热电厂烧煤，环境也不吃亏。
要达到更大的灵活性，烧包内应该内嵌专用换热器，以供外部充热循环。这样的好处是，电力不足的农村车主，可以用煤或柴火炉子充热。只要做好防火措施，甚至可将炉子随车带，随时想充就充，或像电池浮充电那样浮充热。
一旦搞成浮充热，车子就相当于配置了外燃机，跑车的同时也在烧燃料。此时烧包完全可以进一步瘦身，只要断火后仍能跑1km即可。这时候的烧包相当于发挥了内燃机大飞轮的作用。
车顶还可以配置一个太阳能高温集热板，此法浮充烧包不足以替代外充，但是可以节省正式外充的能耗。
车主家安装一部大抛物面聚光镜，用其给烧包充热将节省大量充热成本，是值得鼓励的零碳绿色举措！


至于未来星罗棋布的充热站，开设成本低廉，不像特斯拉的充电桩那么昂贵，充热方式店家可灵活自定，反正司机客人不用傻等，交钱换完烧包就走。

五、结语

英语的相变 phase change 与变脸 face change 是一个意思。
把固相用于热机循环的一态，也算是别出心裁，完全不按科研套路出牌嘛。
恰巧，美国总统川普的变脸威力也特别巨大--地球也要抖三抖，且从不按牌理出牌。有鉴于此，特行使发明人的命名权，将此新型热机的英文名称定为Wei-Trump engine，以表彰铭记川普的雄才大略和特立独行式思维！
值此新发明问世之际，钢铁侠马斯克，风尘仆仆赶来上海，签约他的特斯拉电动车中国生产基地。
那么，烧包和电包，哪个才是你的包？坚信不久的将来，主流的回答一定是：烧包、烧包、再烧包！
虽然形势一派大好，但革命尚未成功，同行仍需努力！
欢迎有兴趣的投资方，以及有志于合作研发、开拓市场的生产厂家与我联系。

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