专利名称:蒸汽制冷高效热力装置(发动机)的制作方法蒸汽制冷高效热力装置(发动机)是采用蒸汽制冷蒸汽(气体)动力循环的高效热力装置(发动机)，包括外燃式和内燃式两大类，为通用型的基础热力装置(发动机)，属发动机和泵领域。热力机械自瓦特发明蒸汽机以来，到现在已有两百多年历史，由外燃式发展到内燃式，由开始的低效率到提高热效率数倍，曾经历了无数次地变革和完善;从一个领域应用到若干个领域，至今热机已遍布陆、海、空所有地方;正是因为有了它们，人类社会才有今天的高度文明，给人类改造社会和自然以强大动力，整个世界昼夜光明、生气勃勃，呈现兴旺发达令人鼓午的繁荣昌盛景象，使人类赖以高效率地创造美好未来！由于今天人类社会的高速发展，热力机械的应用无限广泛，能源需求量成倍增加，随着自然资源的不断开发利用，人类面临化学能源短缺和枯竭的严重问题，世界各国都把节能作为发展国民经济的头等大事！在这形势逼人的异常情况下，发明者带着上述严重问题，对人类现在应用的各类热力机械进行了深入细致地分析、比较，认识到目前世界上的所有热机都存在着一个违背人们意愿的通病，即它们的作功能力全是不超过加入热量50%的放热机械，并且，绝大多数热机的实际热效率还只有20～30%，耗能大长期以来就是人类欲攻未破的老大难;使用历史最早最长的蒸汽动力循环装置，因水的汽化潜热大，超过吸热量一半以上的凝固热无法利用而只有白白地丢掉;所有热力机械均由于材料的容许温度有限，传统循环的最高温度只能提高到一定程度;环境温度相对为定值，不能随意降低，导致现有的理想循环效率都不高，压缩比稍稍增加，压缩终温就大幅度上升，汽油机等点燃式发动机产生爆震，压比增加，燃气轮机则压缩终温接近或等于金属的许用温度极限，吸热困难或等于零，使热机失去意义。综上所述，热机的现状是排汽(气)损失大热效率低，成为作功少放热多的名符其实放热机械，陶瓷虽绝热性能好，但最后排气温度高，依然是把热排走了，对提高热效率仍无能为力！为提高热效率，发明者在无数前人不懈努力的基础上，打破常规，在低温领域狠下功夫。于排汽(气)损失上动脑筋;发明者想人们过去按卡诺循环理论行事，材料允许温度不可能太高，循环最高温度和压缩比为有限值，热效率低成为当然定局，永远远小于1，但为什么制冷机和热泵又大于1呢？蒸汽制冷甚至远大于1呢？由此，发明者从蒸汽制冷循环中得到启示应用液体的巨大潜热成为本发明的主要宗旨，要提高热机的效率，力求高温不应是唯一出路，而应该还有更重要最根本的途径！若有一种物质来源广泛，价格低廉，能达到类似热泵那样的效果，那它就是最理想的东西！各种液体物质中，水是能达到其目的的最神奇物之一！下面就主要以水为例作简要说明，而其它如氨等蒸汽物则依此类推！水，世界上储量最多、分布最广，为取之不尽用之不竭随手可得的天然之物，从人类应用热机的第一天起，它就是为代替人而提高工作效率的最基本最关键的东西，但两百多年来，就因为水的汽化潜热大成为提高热效率的主要障碍;占作功蒸汽热量大部的凝固热能不能回避呢？可不可以不完全凝固呢？作功上能否利用排出的蒸汽呢？能否象内燃机那样预压缩而又能保证足够的吸热温差呢？在压缩作功后排出的饱和蒸汽(直接或间接获得有较高温度的排气或气体)中加入一定量的液体如水等汽化冷却，上述目的就奇迹般地达到了！一、外燃式蒸汽制冷蒸汽(气体)动力循环高效装置(发动机)蒸汽制冷蒸汽(气体)动力循环高效装置(发动机)分湿压缩循环和干压缩循环两种，制冷剂为水或氨等其他液体，循环工质为蒸汽(水蒸汽、氨蒸汽等)或气体(空气、氢、氮等)。1、湿压缩循环蒸汽制冷高效热力装置(发动机)该循环为闭式循环;也可为不完全闭式循环。 首先压缩机吸入膨胀机作功后排出的湿蒸汽或湿气，经绝热变熵压缩，干度增加温度上升，湿蒸汽或湿气中的液体汽化吸热降温，压缩终了时;最低温度为要求压力下的饱和温度，压缩完后为高干度的饱和湿蒸汽或湿气，也可为干饱和或过热蒸汽或气体，定压加热至要求温度，最后膨胀机作功，排出的湿蒸汽或湿气又再进入压缩机完成整个循环。循环中，与传统蒸汽动力循环比较，没有定压定温放热过程，减少了过去人为凝固中占大部热量的潜热损失，从而极大地提高了热效率;与蒸汽卡诺循环比较，不但减少了定温定压放热，而且是现实地变定熵压缩为变熵压缩，因而甚至超过了过去公认的最高热循环即卡诺循环;卡诺循环提高最高循环温度是热效率的关键，而蒸汽制冷蒸汽(气体)动力循环热效率的关键却是压力，进入压缩机的始压高，热效率低但设备体积小，反之则体积大效率高，即进入压缩机的压力与热效率成反比而循环的最高压力却与热效率成正比！湿压缩中需液量大于排汽(气)中液量时则采用不完全闭式循环。湿压缩蒸汽制冷蒸汽(气体)动力循环装置(发动机)其主要设备为三过程基础设备，即压缩机、加热器(锅炉)和膨胀机(汽轮机涡轮机)等，三基础设备组合一体时成为发动机。2、干压缩蒸汽制冷蒸汽(气体)动力循环高效装置(发动机)循环过程为不完全闭式循环;制冷剂和循环工质同上。绝热干压缩加液蒸汽制冷变熵过程→定压加热→绝热定熵膨胀→饱和湿蒸汽(湿气)液滴分离→干饱和蒸汽(干气)进入压缩机 压缩机吸入膨胀机作功完后经液滴分离的干饱和蒸汽(干气)，加液绝热变熵压缩，压缩到要求压力时，最低可达到对应压力制冷剂的饱和温度，定压加热至要求温度，送膨胀机作功，排出的饱和湿汽(湿气)经液滴分离器后绝大多数干饱和汽(干气)进入压缩机，少量多余的饱和蒸汽经小型冷凝器定压定温放热成液后再喷入压缩机。
干压缩蒸汽制冷高效热力装置由压缩机、喷液汽化制冷系统、加热装置(锅炉)、膨胀机(汽轮机、涡轮机)、液滴分离器、小型余汽冷凝器等组成，上述所有装置结合一体就成为发动机。
上述二种外燃机均无大量液体汽化，可采用高流速大流量以增加功率，无论湿压缩还是干压缩型均从根本上避免了大量蒸汽冷凝损失汽化潜热的传统过程，热效率与进压缩机的压力成反比，与循环最高压力成正比，可为定置式，也可为非定置式，若汽车等运输机械采用上述二种循环，不但热效率高，而且可适应各种燃料包括各种劣质燃料，它将比汽油机、柴油机等应用更加广泛，其前途是非常令人鼓午的！二、内燃式蒸汽制冷空气动力循环高效热力装置(发动机)众所周知，内燃机要提高热效率都必须进行预压缩，点燃式和压燃式发动机的预压缩比愈大热效率则越高，但现在的点燃式发动机压缩比都因为空气压缩后升高的温度不能超出燃料的自燃温度而限制在6～10范围，否则将发生爆震，发动机不能工作;压燃式发动机受金属材料的高温强度限制，因而压缩比在22以下;燃气轮机和喷气机用庞大的间冷装置而复杂、臃肿……。蒸汽制冷原理用于内燃机，对解决上述存在的问题则有奇效！蒸汽制冷气体动力循环采用空气作工质组成开式循环就成为内燃机，采用喷水进行蒸汽制冷的高效内燃机就叫做水增大压缩比高效汽油机、煤气机、石油机、柴油机等和水增压比高压燃气轮机、喷气机等，若采用氨等其他液体喷入汽化制冷的内燃机则依此类推！下面仅以水为例进行简要说明。
1、蒸汽制冷大压缩比高效点燃式发动机(汽油机、煤气机、石油机等)现有的一般点燃式发动机预压缩终了时的温度为300℃左右，不超出汽油等燃料的自燃温度即低于爆震温度，300℃时水的饱和压力为85.9巴，在此压力范围汽油机等压缩比可提高到12～40以上若采用燃烧极限内的稀混合气，上述压缩比则更有保证(热效率高马力大功率已不成问题不需浓燃烧)，预压缩中喷入相当于燃油10%以上最多达2倍的液体水即可控制压缩终温在300℃以下，使汽油机等既不发生爆震而且还提高了热效率。
水增大压缩比高效汽油机等与现在已有的汽油发动机等的最大区别采用喷水汽化降低预压缩混合气的温度以防止爆震的同时以增大压缩比提高热效率为主要目的，其压缩比远远超过现有汽油机的水平，在气缸内部用喷水蒸发冷却预压缩混合气，有一套用调节喷水量控制温度高低的给水系统，气缸压缩约行程一半处开始均匀地喷水(多孔)喷水量的多少由压缩比的大小、进气温度的高低及混合气的浓度决定，其唯一准则是控制在燃烧极限内的混合气压缩终温低于燃料的爆震温度;为了进一步更高地提高热效率，还可将排气用于预热水或产生蒸汽，再一起进入压缩过程，增加水蒸汽的比重而多作功。
现有的普通汽油机等，改动气缸盖增加压缩比增加缸壁强度外加喷水系统即可成为蒸汽制冷高效发动机;若维持原功率不变，则可采用稀混合气低压进气，减少喷水量可大幅度地降低燃耗。
用现有的柴油机改动则更为方便，利用气缸耐压强度高的有利条件，增加汽化器等均匀混合气供给系统即可增大压缩比，用原喷射燃油的系统略作改动就可喷水，喷量和时间按蒸汽制冷汽油机等要求进行。
由于水量可调，实现压缩终温可控，改变了传统汽油发动机等因进气和环境温度变化压缩终温大幅度变化而产生的点不燃火或发生爆震的局面，可适应各种辛烷值的燃料，汽油加铅以防爆震的历史将成为过去，加之水的催化作用燃烧更加完全，汽油机等燃烧污染空气的严重问题由此也就彻底解决了！2、压燃式蒸汽制冷高效发动机水增大压缩比高效柴油机与现有柴油机的最大区别，在于增加了从气缸内部蒸发降温的喷水给水系统，压缩比远远超过现有技术22的数值，气缸压缩至行程约一半时开始喷水，喷量由压缩比大小、进气温度的高低、压缩终温(不受汽油机那种爆震温度限制，由材质的高温强度决定)的要求决定，无论进气和环境温度如何变化、压缩比何等高，均能稳定地把温度控制在略高于柴油等燃料的自燃温度以上，需发火温度高时，少喷水即可;为更进一步提高热效率，可用排气预热水或产生蒸汽并一同进入压缩机以充分回收废热;由于水的作用，高温炭粒会水煤气化，促使化学反应更强烈燃烧完全，不冒黑烟，可改变过去那种鸟烟瘴气的可怕局面结束柴油机只适合矿野人少的地区而不能入繁华闹市的历史。水的比热大，可大大降低循环最高温度。进一步增强材料的高温强度，使装置运转可靠，不但为增大压缩比降低排气温度提高热效率创造了有利条件而且对材质的要求可以普通化，从而减少造价降低成本。
现有的柴油机，若强度有富裕，仅增加喷水汽化制冷系统或废热回收系统，改变气缸盖增大压缩比即可成为高效发动机;若强度没有富裕，仅在上述基础上减小缸径，换上外径不变的厚壁缸套，相应地变动活塞等部件即可成为高效发动机！蒸汽制冷大压缩比发动机，只要强度足够，无论压缩比增大到多少，增加喷水量都可使压缩终温最低控制在水的临界温度375℃以下。
3、蒸汽制冷高压比燃气轮机过去，人们认为燃气轮机从内部加水要损失热量，弊多利少，从而中断了燃气轮机的加水研究。采用上述往复式内燃机的蒸汽制冷和废热回收措施，则加水就变得非常有意义，最佳压比比纯空气提高很多，加之蒸汽制冷解决了提高压比后仍有足够的吸热温差难题，因而排气温度低热效率高比功大。按卡诺循环理论，长期以来，人类为循环的高温化竭尽全力，至现在，因金属材料性能决定高温化进展甚微，而加进水蒸汽参与循环在现有金属应用的温度范围却可间接提高最高循环温度数百度，从内部汽化冷却还可使过去的间接冷却装置简化，体积变小重量减轻，它比中间冷却和定温压缩热损失少得多！水增压比燃气轮机就是在人们提高燃气温度进展缓慢的情况下，用加水汽化制冷和大量水蒸汽参与循环的办法间接提高燃气温度的装置，即在现已应用的温度范围内增加吸热量和作功量，它以加水汽化制冷实现高压比为目标，而并不以定温压缩为目标，因定温压缩冷却消耗了更多的技术功，故高压比燃气轮机采用了简单易行的适中绝热变熵压缩;它不但不存在传统燃气轮机提高压比就会产生压缩终温接近或等于金属允许温度而吸热温差小或吸热等于零的无意义的问题，而且压比不受限制，不管压比多高，均可随意将燃烧前的最低温度控制在375℃以下，可远远大于现有技术的32巴的水平，进口温度和环境温度无论如何变，通过水量的调节就可使温度恒定在一定数值上，从而达到系统稳定地运转！水增压比燃气轮机由高压压气机、加水汽化制冷系统、高压燃烧室、燃气涡轮、废气回收换热器等组成;高压压气机吸入冷空气，在压缩温度超过水汽化温度处开始喷入从换热器中来的热水和蒸汽，混合气在燃烧室作中温燃烧(水蒸汽使其温升不太高)后进涡轮机膨胀作功，最后经热交换器再排入大气。
4、水增压比高压喷气机现有技术中的喷水加力喷气机由材料的容许温度值确定最佳压比，即压比不能随意提高，属间断喷水的中低压喷气机，喷水的目的与增大压比无关，是为了增加工质质量增加比功而加水的，它的压比在32以下不加水时压缩终温要保证能正常吸热。
水增压比高压喷气机则是以蒸汽制冷为手段达到高压比和间接提高最高循环温度为目的，实现增大比功的同时提高热效率，其原理与水增压比高压燃气轮机类似，由于喷气机不能回收排气热，因而增大压比显得特别突出，水增压比高压喷气机就是以增大压比为主要宗旨，增大大比热水蒸汽的成份，达到增加比功和提高热效率的目的情况下适当提高循环最高温度，从而进一步减少排气损失;运行中，喷水为连续的，喷水是在压气温度达到水汽化温度以上开始逐级加入的，它不会象已有技术在压气机进口或出口加水那样发生结冰或喘振。
综上所述，蒸汽制冷高效内燃机由于压缩比大并且因为大比热的水蒸汽参与循环，与传统内燃机相比，加入同样数量的热量而蒸汽制冷内燃机的循环最高温度要低得多，排气温度则更低，不但增强了热应力下的材料强度而且散热排热损失少所以热效率高;往复式内燃机气缸壁嵌陶瓷等绝热材料，为提高热效率它们将由此可以大显身手;喷水气化制冷中采用多孔喷射可使温度均匀，从而可保证内燃机工作平稳、燃烧完全减少NOX和炭粒的生成，解决空气污染！总之，蒸汽制冷蒸汽(气体)动力循环高效热力装置(发动机)因为是开辟的新领域，包括的范围很广，牵涉的装置又特多，所以上面仅以叙述新的基本循环为主！


一种外燃式、内燃式热力装置(发动机)其特点是用蒸汽制冷蒸汽(气体)动力循环的方法实现预压缩低温高压放热少，消除了传统循环中的人为冷凝过程，实现了热效率高比功大、压缩比大不发生爆震，用调节液体量控制温度均匀准确地达到要求值；预压缩中采用湿压缩或干压缩，制冷剂用水或氨及其他液体；循环工质为蒸汽或气体，采用闭式循环或不完全闭式循环及开式循环，开式循环排气无铅无污染。是一种大幅度地提高热效率的新型热力装置(发动机)。