【壓縮機網(wǎng)】摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了一種全新的氣體壓縮機工作方法原理，可實(shí)現最接近理論等溫過(guò)程的壓縮與膨脹，已獲得國家方法發(fā)明專(zhuān)利（授權公告號：CN 110848151 B）。通過(guò)其基本的工作原理、
理論模型、數據、基礎計算方法，論證了等溫壓縮的能效，以及該技術(shù)路線(xiàn)實(shí)現對機械方面的要求。最后探討了氣態(tài)工質(zhì)（近）等溫壓縮得以實(shí)現，對于熱力循環(huán)帶來(lái)的影響，提出了基于工質(zhì)等溫壓縮/膨脹時(shí)，在各種工況下最理想熱力循環(huán)的基本理論模型，以及對熱機熱泵、能源環(huán)境變革性的影響。
文/張桂偉
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第2章 等溫壓縮機實(shí)例
上一章節筆者簡(jiǎn)單介紹了一種新型氣體等溫壓縮/膨脹方法發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)的基本工作原理。本章節我們按照設定條件，依據本技術(shù)方案設計一臺具有實(shí)用意義的等溫空氣壓縮機，簡(jiǎn)單計算一下大略的數據。
根據國標GB 19153-2019《容積式空氣壓縮機能效限定值及能效等級》測試標準，目標為干空氣，進(jìn)氣壓力0.1MPa溫度20℃（293K）,流量100L/min，出氣口壓力（表壓）1.0MPa，出口溫度設定為40℃（313K）。設定條件下每秒流量0.00167m3
設定工作條件下，絕熱壓縮理論功耗：
壓縮氣體出口溫度：
設定工作條件下，本技術(shù)方案理論功耗，以設定出口溫度313K可以倒推出多變系數為1.028
則理論功耗為：
理論等溫壓縮功耗為：
本方案的理論功耗略高于理論等溫壓縮功耗，遠低于904焦耳的絕熱壓縮功耗。重點(diǎn)來(lái)了，實(shí)現40℃（313K）的出口溫度與1.028的絕熱系數，需要做到哪些必要的指標？先來(lái)計算一下需要冷卻風(fēng)量。首先，100L/min÷60≈1.67L/S，20℃時(shí)干空氣密度1.2kg/m3，1.2×0.00167=0.002kg。
然后根據壓力要求計算理論絕熱壓縮后的溫度，絕熱壓縮后溫度為764.58K。
764.58K-293K=471.58K為絕熱壓縮時(shí)的溫升
313K-293 K=20K為等溫壓縮時(shí)的溫升。
雖然設定溫度比理論溫度要高20K，但是前面說(shuō)過(guò)，等溫壓縮理論功耗包括兩個(gè)部分：冷卻風(fēng)量和散熱面積，因此冷卻風(fēng)量只能按照一半——10度的溫差進(jìn)行計算，兩者呈反比關(guān)系：
471.58/10=47.1*1.67=78.65L
因此理論上冷卻的風(fēng)量至少為每秒78.65L，即4719L/min。
散熱器功率不低于0.002（每秒壓縮空氣的質(zhì)量）*1007（空氣的比熱容）*471.58K（絕熱壓縮升高的溫度）=949.76W。
散熱器效率由三個(gè)部分相加組成，壓縮空氣對散熱器內表面的傳熱系數+散熱器材質(zhì)導熱系數+散熱器外表面積對冷卻空氣的傳熱系數，三者相加不能超過(guò)剩余的10度的溫差，因為一般金屬材料導熱系數較高。一般鋁的熱導率為237W/(m*k)，以一般板式散熱器1毫米左右的厚度，散熱器材質(zhì)和厚度造成的熱阻近乎可以忽略，因此只需要計算兩側的表面傳熱系數?？諝獗砻鎮鳠嵯禂狄驗閷恿骰蛘呶闪饕约傲魉俚牟煌?，約為11W/m2·K—58W/m2·K，取中間值約30W/m2·K，我們設定的出口溫度不超過(guò)313K，那么單側溫差最多5攝氏度，因此有：
加上設計余量，取6.5平方米。
下面進(jìn)行機體設計計算演示，首先要滿(mǎn)足的是壓比。等溫壓縮條件下，氣體的壓力與體積呈反比，壓縮液體積不可壓縮，目標壓力為1.0MPa，壓縮結束時(shí)，液體與氣體體積之比為1:2比較合適，因此螺旋板散熱器的螺旋基線(xiàn)內周長(cháng)，與螺旋基線(xiàn)外周長(cháng)之比為：
1+2:1+20=3:21
螺旋板散熱器的螺旋間隙，由板材厚度、壓縮通道間隙、冷卻通道間隙及組數決定，同時(shí)螺旋間隙也等于每層壓縮的絕對量。本次計算演示，以較為簡(jiǎn)單的等距螺旋、等距間隙（理想的設計為非等距的），兩組壓縮通道，板材厚度一毫米，壓縮通道、散熱通道寬度均為3毫米，螺旋層數10層為例。
設計螺旋板散熱器板材厚度一毫米，末段壓縮通道和散熱通道均為4毫米，兩組壓縮通道，8層，如圖18。要滿(mǎn)足至少6.5平方米，需要螺旋板散熱器寬度約20厘米，那么壓縮機外觀(guān)尺寸大概如圖19，整體大概直徑95厘米，主體寬度30到35厘米的圓柱形。
對于壓縮末段散熱面積相當較小的問(wèn)題，這個(gè)會(huì )由壓縮液輔助平衡，壓縮熱會(huì )傳遞給散熱器本身的材質(zhì)比熱中。壓縮液流經(jīng)時(shí)，熱量再傳遞給壓縮液，并帶到螺旋外層散熱，只要保證冷卻風(fēng)側的面積，散熱就不會(huì )出現不平衡的現象。
常規工況下，壓縮液可用普通水，因為溫度變化不大，可以不對水的硬度要求過(guò)高。在離心狀態(tài)下，液體的壓強與距離公轉中心的距離成正比。每層的有效壓力由高低壓側的液位差，在某公轉速度下液體壓強變化圖上的投影面積確定。每層的投影面積相加（投影位置可疊加），面積之和相加的值加上科氏力，如低于于某個(gè)公轉速度下可提供的總面積，則需要增加公轉速度。反之可降低公轉速度，公轉速度越高，機械損耗越大，且需要更高的機體強度應對離心力，因此優(yōu)化公轉速度是一項很重要的設計原則。優(yōu)化螺旋間距增加液體比例，使用比重更高的液體都是有效手段之一。
本次設計，很多新計算方式暫時(shí)無(wú)公式，通過(guò)其他方式，例如CAD作圖測量面積等方式獲得結果，因此就不展示計算過(guò)程，結論是公轉速度在1400r/min，通過(guò)優(yōu)化可望降低到1000r/min以下。
本技術(shù)方案理論功耗中其他的技術(shù)功耗，主要為驅動(dòng)冷卻風(fēng)的功耗，包括支撐系統公轉的兩個(gè)軸承（高轉速）；三組共六個(gè)自轉軸承（高負荷（承受整個(gè)螺旋板散熱器離心力）低轉速）；驅動(dòng)冷卻風(fēng)的功耗，壓縮完成的氣體從壓縮機導出，需要經(jīng)過(guò)兩次滑動(dòng)密封，滑動(dòng)密封需要消耗一定的功耗；連接螺旋板散熱器和液體循環(huán)泵的齒鏈結構有一定功耗；壓縮液流動(dòng)損失，經(jīng)過(guò)循環(huán)泵也有一定的損失。以上損失，無(wú)法精確計算，根據經(jīng)驗估計，不高于或者略高于普通活塞壓縮機的機械損耗。因此整體上比常規壓縮機節能，還是很有研究?jì)r(jià)值的（見(jiàn)表2）。
本技術(shù)方案的理論功耗為413W，實(shí)際功耗未知，沒(méi)有機械摩擦損失，壓縮過(guò)程無(wú)需潤滑，機械損失預計較低，即使加上電動(dòng)機效率，最終整體功耗預計為600W～800W。該級別目前的壓縮機國家等效標準中，一級能效比為11，代入本次計算，則能耗為1100W，二級能效比1220W，三級能效比1380W，本技術(shù)方案節能優(yōu)勢明顯。且可以確定，成本比目前的活塞或者螺桿壓縮機要低。本技術(shù)方案只要保證三個(gè)螺旋板散熱器重量一樣，旋轉穩定，不需要高精度加工，對潤滑要求低，投產(chǎn)和使用門(mén)檻都比較低。
第3章 等溫壓縮機用途
本發(fā)明用途非常廣泛，等溫壓縮機可單獨用于壓縮氣體，部分替代主流的活塞式及螺桿式空壓機。相較于多級中冷空壓機，其結構簡(jiǎn)單便宜，氣體流動(dòng)損失小，因為具有所有壓縮機中最大的散熱面積，因此最接近理論等溫壓縮線(xiàn)，具有最小的理論功耗。相比單級或者多級壓縮機，預計具有約10%～40%的理論節能效果。
如果用水做壓縮液，壓縮空氣可以做到無(wú)油；用某些低粘度油類(lèi)做壓縮液，可以做到壓縮空氣無(wú)水，也可用于一些高溫易發(fā)生危險或者變質(zhì)的特殊氣體壓縮。在作為空氣儲能壓縮機以及膨脹機時(shí)，使壓縮空氣儲能壓縮端熱損耗降低，膨脹機免補燃，整體效率可提高10到20個(gè)百分點(diǎn)。
除了可單獨作為氣體壓縮機，更大的作用是作為熱力循環(huán)中的氣態(tài)工質(zhì)壓縮機，參與熱力循環(huán)，可以最大效率的完成理想熱力循環(huán)。雖然卡諾循環(huán)中同樣有對氣態(tài)工質(zhì)進(jìn)行等溫壓縮的過(guò)程，但卡諾循環(huán)對于熱源的要求是等溫放熱，這在實(shí)際中是極少有的，多數熱源的熱源與溫度都呈函數正比關(guān)系，如果有可以等溫放熱的熱源，直接應用卡諾循環(huán)即可。
本文只籠統簡(jiǎn)略的介紹變溫熱源（燃料或者熱源）與恒溫熱源（大氣環(huán)境）之間進(jìn)行的理想熱力循環(huán)，內容涵蓋了大多數實(shí)際應用工況，較為寬泛和基礎，其中不乏不適用于氣態(tài)工質(zhì)等溫壓縮循環(huán)的工況，只是讓大家對于本等溫壓縮技術(shù)，應用于熱力循環(huán)的可能性前景有個(gè)大致了解。與卡諾循環(huán)只有正循環(huán)與逆循環(huán)不同，等溫壓縮熱力循環(huán)，更細致的區分了四種基礎循環(huán)模式，根據實(shí)際工況以及技術(shù)難度和經(jīng)濟性，可能還需要對這四種循環(huán)進(jìn)行修正或者聯(lián)合。
熱機循環(huán)，等溫壓縮-等壓吸熱-絕熱膨脹
制冷循環(huán)，等溫壓縮-絕熱膨脹-等壓吸熱
制熱循環(huán)，等溫膨脹-絕熱壓縮-等壓放熱
冷機循環(huán)，等溫膨脹-等壓放熱-絕熱壓縮
先解釋一下什么是冷機，冷機是指以低于環(huán)境溫度的物質(zhì)為低溫熱源的正循環(huán)，以大氣環(huán)境溫度為高溫熱源，輸出凈功的熱機。例如低溫過(guò)冷海水，為了與熱機以及制冷區分，稱(chēng)其為冷機。這不是正式學(xué)術(shù)名詞，且實(shí)際來(lái)源極少，溫差不大，利用價(jià)值較低，但是作為理論的一部分，還是要提出的。下面對理論做出簡(jiǎn)單的概括性和定性分析說(shuō)明。
其中的熱機循環(huán)已經(jīng)有人做過(guò)研究，稱(chēng)為三角循環(huán)（TLC），研究結果表明，三個(gè)過(guò)程的熱機循環(huán)具有最高的熱功轉化效率，這和卡諾循環(huán)具有最高的熱效率并不矛盾?？ㄖZ循環(huán)是純理論循環(huán)，三角循環(huán)（TLC）則考慮了現實(shí)中熱環(huán)境、時(shí)間等現實(shí)因素，兩者是等效的，并不存在矛盾。而等溫熱力循環(huán)，不止包括熱機三角循環(huán)（TLC)，還包括制冷制熱以及冷機循環(huán)，以及修正循環(huán)與聯(lián)合循環(huán)。等溫熱力循環(huán)更全面系統地闡述了各種工況下的理想熱力循環(huán)。
外熱源熱機
外熱源熱機系統由三個(gè)主要部分組成，本發(fā)明的等溫壓縮機、絕熱膨脹機、逆向換熱器，使用氣態(tài)工質(zhì)，循環(huán)過(guò)程中工質(zhì)無(wú)相變，循環(huán)過(guò)程為：等溫壓縮-等壓吸熱-絕熱膨脹，主要用于中低溫非相變和非燃燒熱源的利用（相變熱源直接用朗肯循環(huán)即可）。例如各種工業(yè)余熱、太陽(yáng)能、地熱等。理論效率高于有機朗肯循環(huán)（ORC）、斯特林循環(huán)、封閉式布雷頓循環(huán)等，也可用于核反應堆（高溫氣冷堆）發(fā)電或者直接輸出動(dòng)力（例如核潛艇動(dòng)力）。絕熱膨脹機從現在成熟的技術(shù)里面優(yōu)選即可。逆向換熱器上面流過(guò)的是熱源，下面流過(guò)的是工質(zhì)。
這只是示意了一個(gè)理想的，只有5度傳熱溫差的逆向換熱器。事實(shí)上傳熱是很復雜的，除了熱的傳遞，還包括流體力學(xué)、熱源之間的熱對流、表面傳熱、換熱器材質(zhì)熱傳導等，這里就不深入探討了。只是表明，這種換熱在準靜態(tài)條件下是可以發(fā)生的，只是溫差越小，需要的散熱器面積的越大，需要在短期成本和長(cháng)期成本之間做出一個(gè)平衡的選擇。以下是TS圖和PV圖，高溫熱源T1與低溫熱源T2，T2通常為大氣環(huán)境溫度。
大多數熱源的理論極限就是上圖左邊構成的近似三角形。有機朗肯循環(huán)、斯特林循環(huán)以及布雷頓循環(huán)，都存在的不可逆損失。
我們以朗肯循環(huán)來(lái)對比一下其平均吸熱溫度與放熱溫度，以及吸熱量，就可以明白為什么等溫循環(huán)的效率高于其他循環(huán)模式。這里不應當與卡諾循環(huán)對比，因為對于有限熱源來(lái)說(shuō)，其放熱溫度并不能恒定，不滿(mǎn)足卡諾循環(huán)條件。
這里說(shuō)明一下?lián)Q熱器，液體的表面傳熱系數遠高于氣體，大約高50到100倍量級，但是氣體工質(zhì)的換熱器不會(huì )比液體工質(zhì)的熱交換換熱面積高那么多倍數。液體工質(zhì)大部分情況下冷卻介質(zhì)也是氣體，代表性的是管翅式換熱器，液體工質(zhì)的內表面相比翅片面積小很多，換成板式兩側都是氣態(tài)工質(zhì)的工況，兩側面積相差不多，所以純氣態(tài)工質(zhì)熱力循環(huán)換熱器可能要大于相變循環(huán)，但這和表面傳熱系數關(guān)系不大。
準靜態(tài)條件下，與現有循環(huán)對比，三個(gè)過(guò)程的等溫熱力循環(huán)的效率大約提高10%到50%，并且這是理論極限值。超過(guò)等溫熱力循環(huán)的理論值，是違反熱力學(xué)第二定律的。
內/外燃機循環(huán)
內燃機燃燒過(guò)程非常復雜，燃料的成分復雜，燃燒過(guò)程包含多個(gè)放熱吸熱（燃燒生成物的熱分解）、熱容變化、物化特性變化。這里只以氣態(tài)工質(zhì)燃燒（例如一氧化碳燃燒生成二氧化碳）為例，汽柴油等含氫燃料燃燒過(guò)程包含部分液體汽化熱力過(guò)程，以及燃燒產(chǎn)物（水蒸氣)的凝結等熱力過(guò)程更加復雜，限于篇幅就不一一詳細列舉了。對包含燃燒過(guò)程的熱力循環(huán)，大體上仍然和外熱熱源熱機循環(huán)方式一樣，但有一些特殊的情況，需要對循環(huán)過(guò)程進(jìn)行修正，修正的主要因素是燃料的自燃點(diǎn)。內燃機修正以后的循環(huán)增加一個(gè)回熱過(guò)程，用預留的尾氣熱對已經(jīng)經(jīng)過(guò)等溫壓縮的新鮮空氣和燃料進(jìn)行加熱，溫度越接近燃料的自燃點(diǎn)越好，回熱是為了避免燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量，從最高溫處傳遞給還沒(méi)開(kāi)始燃燒過(guò)程的燃料。這是個(gè)高溫差傳熱，是不可逆損失，理論上可以不用回熱，用絕熱壓縮替代也可以，只是那樣系統壓力會(huì )更高。
與目前循環(huán)的對比：
實(shí)現內燃機修正循環(huán)，不能使用傳統內燃機那樣壓縮燃燒膨脹在一個(gè)汽缸內完成的結構，等溫壓縮機本身就不能做絕熱膨脹，需要像燃氣輪機那樣工質(zhì)移缸，由等溫壓縮機預先壓縮參與燃燒的空氣，讓空氣熵降焓不降，預先等溫排出燃燒會(huì )產(chǎn)生的等量多的熱量，然后通過(guò)熱交換，獲得部分尾氣預留的熱量，讓空氣和燃料燃燒時(shí)的溫度，盡可能接近自燃點(diǎn)定壓燃燒?？梢院鲆暺偷囊妆?，不會(huì )有爆震問(wèn)題，讓汽油機至少達到柴油機的效率水平，對油料要求低，但是因為可預期的等溫壓縮機結構重量，該循環(huán)不適合渦噴和渦扇以及渦軸類(lèi)發(fā)動(dòng)機，乘用車(chē)的裝機性可能也不好，最高系統壓力也顯著(zhù)超過(guò)柴油機，對材料的要求是個(gè)不小的挑戰。
該循環(huán)方式從理論上講，降低了排熱溫度，減少了排熱損失，排熱已經(jīng)在對參與燃燒的空氣時(shí)預先等溫壓縮完成，因為要求冷卻風(fēng)量和壓縮空氣存在反比關(guān)系，所以可以以極低的溫差完成。通俗的解釋就是，假如不進(jìn)行等溫壓縮，絕熱壓縮空氣會(huì )升高1000度，那么用100倍量的空氣來(lái)為等溫壓縮過(guò)程降溫，被壓縮的空氣和冷卻它的空氣，溫度只都約升高10度（約值，還要算比熱容的），所以等溫循環(huán)的排熱溫度只有10度283K，遠低于目前發(fā)動(dòng)機排出的尾氣溫度約800到1000K，尾氣的溫度也基本接近于環(huán)境溫度了，減低了排熱損失就是提高了有效輸出的效率。
這個(gè)多倍量的冷卻空氣是完成整個(gè)熱力循環(huán)，比其他內燃機效率更高的必備條件，空氣無(wú)處不在且免費，所以不算特殊條件，只要在地球上就可以滿(mǎn)足。如果是潛艇可以用海水來(lái)冷卻，效果更好，理論上本循環(huán)方式對燃料的節約幅度約為10%～40%左右。
〈注：本文未完待續，更多精彩見(jiàn)下期——〉
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理論模型、數據、基礎計算方法，論證了等溫壓縮的能效，以及該技術(shù)路線(xiàn)實(shí)現對機械方面的要求。最后探討了氣態(tài)工質(zhì)（近）等溫壓縮得以實(shí)現，對于熱力循環(huán)帶來(lái)的影響，提出了基于工質(zhì)等溫壓縮/膨脹時(shí)，在各種工況下最理想熱力循環(huán)的基本理論模型，以及對熱機熱泵、能源環(huán)境變革性的影響。
文/張桂偉
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第2章 等溫壓縮機實(shí)例
上一章節筆者簡(jiǎn)單介紹了一種新型氣體等溫壓縮/膨脹方法發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)的基本工作原理。本章節我們按照設定條件，依據本技術(shù)方案設計一臺具有實(shí)用意義的等溫空氣壓縮機，簡(jiǎn)單計算一下大略的數據。
根據國標GB 19153-2019《容積式空氣壓縮機能效限定值及能效等級》測試標準，目標為干空氣，進(jìn)氣壓力0.1MPa溫度20℃（293K）,流量100L/min，出氣口壓力（表壓）1.0MPa，出口溫度設定為40℃（313K）。設定條件下每秒流量0.00167m3
設定工作條件下，絕熱壓縮理論功耗：
壓縮氣體出口溫度：
設定工作條件下，本技術(shù)方案理論功耗，以設定出口溫度313K可以倒推出多變系數為1.028
則理論功耗為：
理論等溫壓縮功耗為：
本方案的理論功耗略高于理論等溫壓縮功耗，遠低于904焦耳的絕熱壓縮功耗。重點(diǎn)來(lái)了，實(shí)現40℃（313K）的出口溫度與1.028的絕熱系數，需要做到哪些必要的指標？先來(lái)計算一下需要冷卻風(fēng)量。首先，100L/min÷60≈1.67L/S，20℃時(shí)干空氣密度1.2kg/m3，1.2×0.00167=0.002kg。
然后根據壓力要求計算理論絕熱壓縮后的溫度，絕熱壓縮后溫度為764.58K。
764.58K-293K=471.58K為絕熱壓縮時(shí)的溫升
313K-293 K=20K為等溫壓縮時(shí)的溫升。
雖然設定溫度比理論溫度要高20K，但是前面說(shuō)過(guò)，等溫壓縮理論功耗包括兩個(gè)部分：冷卻風(fēng)量和散熱面積，因此冷卻風(fēng)量只能按照一半——10度的溫差進(jìn)行計算，兩者呈反比關(guān)系：
471.58/10=47.1*1.67=78.65L
因此理論上冷卻的風(fēng)量至少為每秒78.65L，即4719L/min。
散熱器功率不低于0.002（每秒壓縮空氣的質(zhì)量）*1007（空氣的比熱容）*471.58K（絕熱壓縮升高的溫度）=949.76W。
散熱器效率由三個(gè)部分相加組成，壓縮空氣對散熱器內表面的傳熱系數+散熱器材質(zhì)導熱系數+散熱器外表面積對冷卻空氣的傳熱系數，三者相加不能超過(guò)剩余的10度的溫差，因為一般金屬材料導熱系數較高。一般鋁的熱導率為237W/(m*k)，以一般板式散熱器1毫米左右的厚度，散熱器材質(zhì)和厚度造成的熱阻近乎可以忽略，因此只需要計算兩側的表面傳熱系數?？諝獗砻鎮鳠嵯禂狄驗閷恿骰蛘呶闪饕约傲魉俚牟煌?，約為11W/m2·K—58W/m2·K，取中間值約30W/m2·K，我們設定的出口溫度不超過(guò)313K，那么單側溫差最多5攝氏度，因此有：
加上設計余量，取6.5平方米。
下面進(jìn)行機體設計計算演示，首先要滿(mǎn)足的是壓比。等溫壓縮條件下，氣體的壓力與體積呈反比，壓縮液體積不可壓縮，目標壓力為1.0MPa，壓縮結束時(shí)，液體與氣體體積之比為1:2比較合適，因此螺旋板散熱器的螺旋基線(xiàn)內周長(cháng)，與螺旋基線(xiàn)外周長(cháng)之比為：
1+2:1+20=3:21
螺旋板散熱器的螺旋間隙，由板材厚度、壓縮通道間隙、冷卻通道間隙及組數決定，同時(shí)螺旋間隙也等于每層壓縮的絕對量。本次計算演示，以較為簡(jiǎn)單的等距螺旋、等距間隙（理想的設計為非等距的），兩組壓縮通道，板材厚度一毫米，壓縮通道、散熱通道寬度均為3毫米，螺旋層數10層為例。
設計螺旋板散熱器板材厚度一毫米，末段壓縮通道和散熱通道均為4毫米，兩組壓縮通道，8層，如圖18。要滿(mǎn)足至少6.5平方米，需要螺旋板散熱器寬度約20厘米，那么壓縮機外觀(guān)尺寸大概如圖19，整體大概直徑95厘米，主體寬度30到35厘米的圓柱形。
對于壓縮末段散熱面積相當較小的問(wèn)題，這個(gè)會(huì )由壓縮液輔助平衡，壓縮熱會(huì )傳遞給散熱器本身的材質(zhì)比熱中。壓縮液流經(jīng)時(shí)，熱量再傳遞給壓縮液，并帶到螺旋外層散熱，只要保證冷卻風(fēng)側的面積，散熱就不會(huì )出現不平衡的現象。
常規工況下，壓縮液可用普通水，因為溫度變化不大，可以不對水的硬度要求過(guò)高。在離心狀態(tài)下，液體的壓強與距離公轉中心的距離成正比。每層的有效壓力由高低壓側的液位差，在某公轉速度下液體壓強變化圖上的投影面積確定。每層的投影面積相加（投影位置可疊加），面積之和相加的值加上科氏力，如低于于某個(gè)公轉速度下可提供的總面積，則需要增加公轉速度。反之可降低公轉速度，公轉速度越高，機械損耗越大，且需要更高的機體強度應對離心力，因此優(yōu)化公轉速度是一項很重要的設計原則。優(yōu)化螺旋間距增加液體比例，使用比重更高的液體都是有效手段之一。
本次設計，很多新計算方式暫時(shí)無(wú)公式，通過(guò)其他方式，例如CAD作圖測量面積等方式獲得結果，因此就不展示計算過(guò)程，結論是公轉速度在1400r/min，通過(guò)優(yōu)化可望降低到1000r/min以下。
本技術(shù)方案理論功耗中其他的技術(shù)功耗，主要為驅動(dòng)冷卻風(fēng)的功耗，包括支撐系統公轉的兩個(gè)軸承（高轉速）；三組共六個(gè)自轉軸承（高負荷（承受整個(gè)螺旋板散熱器離心力）低轉速）；驅動(dòng)冷卻風(fēng)的功耗，壓縮完成的氣體從壓縮機導出，需要經(jīng)過(guò)兩次滑動(dòng)密封，滑動(dòng)密封需要消耗一定的功耗；連接螺旋板散熱器和液體循環(huán)泵的齒鏈結構有一定功耗；壓縮液流動(dòng)損失，經(jīng)過(guò)循環(huán)泵也有一定的損失。以上損失，無(wú)法精確計算，根據經(jīng)驗估計，不高于或者略高于普通活塞壓縮機的機械損耗。因此整體上比常規壓縮機節能，還是很有研究?jì)r(jià)值的（見(jiàn)表2）。
本技術(shù)方案的理論功耗為413W，實(shí)際功耗未知，沒(méi)有機械摩擦損失，壓縮過(guò)程無(wú)需潤滑，機械損失預計較低，即使加上電動(dòng)機效率，最終整體功耗預計為600W～800W。該級別目前的壓縮機國家等效標準中，一級能效比為11，代入本次計算，則能耗為1100W，二級能效比1220W，三級能效比1380W，本技術(shù)方案節能優(yōu)勢明顯。且可以確定，成本比目前的活塞或者螺桿壓縮機要低。本技術(shù)方案只要保證三個(gè)螺旋板散熱器重量一樣，旋轉穩定，不需要高精度加工，對潤滑要求低，投產(chǎn)和使用門(mén)檻都比較低。
第3章 等溫壓縮機用途
本發(fā)明用途非常廣泛，等溫壓縮機可單獨用于壓縮氣體，部分替代主流的活塞式及螺桿式空壓機。相較于多級中冷空壓機，其結構簡(jiǎn)單便宜，氣體流動(dòng)損失小，因為具有所有壓縮機中最大的散熱面積，因此最接近理論等溫壓縮線(xiàn)，具有最小的理論功耗。相比單級或者多級壓縮機，預計具有約10%～40%的理論節能效果。
如果用水做壓縮液，壓縮空氣可以做到無(wú)油；用某些低粘度油類(lèi)做壓縮液，可以做到壓縮空氣無(wú)水，也可用于一些高溫易發(fā)生危險或者變質(zhì)的特殊氣體壓縮。在作為空氣儲能壓縮機以及膨脹機時(shí)，使壓縮空氣儲能壓縮端熱損耗降低，膨脹機免補燃，整體效率可提高10到20個(gè)百分點(diǎn)。
除了可單獨作為氣體壓縮機，更大的作用是作為熱力循環(huán)中的氣態(tài)工質(zhì)壓縮機，參與熱力循環(huán)，可以最大效率的完成理想熱力循環(huán)。雖然卡諾循環(huán)中同樣有對氣態(tài)工質(zhì)進(jìn)行等溫壓縮的過(guò)程，但卡諾循環(huán)對于熱源的要求是等溫放熱，這在實(shí)際中是極少有的，多數熱源的熱源與溫度都呈函數正比關(guān)系，如果有可以等溫放熱的熱源，直接應用卡諾循環(huán)即可。
本文只籠統簡(jiǎn)略的介紹變溫熱源（燃料或者熱源）與恒溫熱源（大氣環(huán)境）之間進(jìn)行的理想熱力循環(huán)，內容涵蓋了大多數實(shí)際應用工況，較為寬泛和基礎，其中不乏不適用于氣態(tài)工質(zhì)等溫壓縮循環(huán)的工況，只是讓大家對于本等溫壓縮技術(shù)，應用于熱力循環(huán)的可能性前景有個(gè)大致了解。與卡諾循環(huán)只有正循環(huán)與逆循環(huán)不同，等溫壓縮熱力循環(huán)，更細致的區分了四種基礎循環(huán)模式，根據實(shí)際工況以及技術(shù)難度和經(jīng)濟性，可能還需要對這四種循環(huán)進(jìn)行修正或者聯(lián)合。
熱機循環(huán)，等溫壓縮-等壓吸熱-絕熱膨脹
制冷循環(huán)，等溫壓縮-絕熱膨脹-等壓吸熱
制熱循環(huán)，等溫膨脹-絕熱壓縮-等壓放熱
冷機循環(huán)，等溫膨脹-等壓放熱-絕熱壓縮
先解釋一下什么是冷機，冷機是指以低于環(huán)境溫度的物質(zhì)為低溫熱源的正循環(huán)，以大氣環(huán)境溫度為高溫熱源，輸出凈功的熱機。例如低溫過(guò)冷海水，為了與熱機以及制冷區分，稱(chēng)其為冷機。這不是正式學(xué)術(shù)名詞，且實(shí)際來(lái)源極少，溫差不大，利用價(jià)值較低，但是作為理論的一部分，還是要提出的。下面對理論做出簡(jiǎn)單的概括性和定性分析說(shuō)明。
其中的熱機循環(huán)已經(jīng)有人做過(guò)研究，稱(chēng)為三角循環(huán)（TLC），研究結果表明，三個(gè)過(guò)程的熱機循環(huán)具有最高的熱功轉化效率，這和卡諾循環(huán)具有最高的熱效率并不矛盾?？ㄖZ循環(huán)是純理論循環(huán)，三角循環(huán)（TLC）則考慮了現實(shí)中熱環(huán)境、時(shí)間等現實(shí)因素，兩者是等效的，并不存在矛盾。而等溫熱力循環(huán)，不止包括熱機三角循環(huán)（TLC)，還包括制冷制熱以及冷機循環(huán)，以及修正循環(huán)與聯(lián)合循環(huán)。等溫熱力循環(huán)更全面系統地闡述了各種工況下的理想熱力循環(huán)。
外熱源熱機
外熱源熱機系統由三個(gè)主要部分組成，本發(fā)明的等溫壓縮機、絕熱膨脹機、逆向換熱器，使用氣態(tài)工質(zhì)，循環(huán)過(guò)程中工質(zhì)無(wú)相變，循環(huán)過(guò)程為：等溫壓縮-等壓吸熱-絕熱膨脹，主要用于中低溫非相變和非燃燒熱源的利用（相變熱源直接用朗肯循環(huán)即可）。例如各種工業(yè)余熱、太陽(yáng)能、地熱等。理論效率高于有機朗肯循環(huán)（ORC）、斯特林循環(huán)、封閉式布雷頓循環(huán)等，也可用于核反應堆（高溫氣冷堆）發(fā)電或者直接輸出動(dòng)力（例如核潛艇動(dòng)力）。絕熱膨脹機從現在成熟的技術(shù)里面優(yōu)選即可。逆向換熱器上面流過(guò)的是熱源，下面流過(guò)的是工質(zhì)。
這只是示意了一個(gè)理想的，只有5度傳熱溫差的逆向換熱器。事實(shí)上傳熱是很復雜的，除了熱的傳遞，還包括流體力學(xué)、熱源之間的熱對流、表面傳熱、換熱器材質(zhì)熱傳導等，這里就不深入探討了。只是表明，這種換熱在準靜態(tài)條件下是可以發(fā)生的，只是溫差越小，需要的散熱器面積的越大，需要在短期成本和長(cháng)期成本之間做出一個(gè)平衡的選擇。以下是TS圖和PV圖，高溫熱源T1與低溫熱源T2，T2通常為大氣環(huán)境溫度。
大多數熱源的理論極限就是上圖左邊構成的近似三角形。有機朗肯循環(huán)、斯特林循環(huán)以及布雷頓循環(huán)，都存在的不可逆損失。
我們以朗肯循環(huán)來(lái)對比一下其平均吸熱溫度與放熱溫度，以及吸熱量，就可以明白為什么等溫循環(huán)的效率高于其他循環(huán)模式。這里不應當與卡諾循環(huán)對比，因為對于有限熱源來(lái)說(shuō)，其放熱溫度并不能恒定，不滿(mǎn)足卡諾循環(huán)條件。
這里說(shuō)明一下?lián)Q熱器，液體的表面傳熱系數遠高于氣體，大約高50到100倍量級，但是氣體工質(zhì)的換熱器不會(huì )比液體工質(zhì)的熱交換換熱面積高那么多倍數。液體工質(zhì)大部分情況下冷卻介質(zhì)也是氣體，代表性的是管翅式換熱器，液體工質(zhì)的內表面相比翅片面積小很多，換成板式兩側都是氣態(tài)工質(zhì)的工況，兩側面積相差不多，所以純氣態(tài)工質(zhì)熱力循環(huán)換熱器可能要大于相變循環(huán)，但這和表面傳熱系數關(guān)系不大。
準靜態(tài)條件下，與現有循環(huán)對比，三個(gè)過(guò)程的等溫熱力循環(huán)的效率大約提高10%到50%，并且這是理論極限值。超過(guò)等溫熱力循環(huán)的理論值，是違反熱力學(xué)第二定律的。
內/外燃機循環(huán)
內燃機燃燒過(guò)程非常復雜，燃料的成分復雜，燃燒過(guò)程包含多個(gè)放熱吸熱（燃燒生成物的熱分解）、熱容變化、物化特性變化。這里只以氣態(tài)工質(zhì)燃燒（例如一氧化碳燃燒生成二氧化碳）為例，汽柴油等含氫燃料燃燒過(guò)程包含部分液體汽化熱力過(guò)程，以及燃燒產(chǎn)物（水蒸氣)的凝結等熱力過(guò)程更加復雜，限于篇幅就不一一詳細列舉了。對包含燃燒過(guò)程的熱力循環(huán)，大體上仍然和外熱熱源熱機循環(huán)方式一樣，但有一些特殊的情況，需要對循環(huán)過(guò)程進(jìn)行修正，修正的主要因素是燃料的自燃點(diǎn)。內燃機修正以后的循環(huán)增加一個(gè)回熱過(guò)程，用預留的尾氣熱對已經(jīng)經(jīng)過(guò)等溫壓縮的新鮮空氣和燃料進(jìn)行加熱，溫度越接近燃料的自燃點(diǎn)越好，回熱是為了避免燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量，從最高溫處傳遞給還沒(méi)開(kāi)始燃燒過(guò)程的燃料。這是個(gè)高溫差傳熱，是不可逆損失，理論上可以不用回熱，用絕熱壓縮替代也可以，只是那樣系統壓力會(huì )更高。
與目前循環(huán)的對比：
實(shí)現內燃機修正循環(huán)，不能使用傳統內燃機那樣壓縮燃燒膨脹在一個(gè)汽缸內完成的結構，等溫壓縮機本身就不能做絕熱膨脹，需要像燃氣輪機那樣工質(zhì)移缸，由等溫壓縮機預先壓縮參與燃燒的空氣，讓空氣熵降焓不降，預先等溫排出燃燒會(huì )產(chǎn)生的等量多的熱量，然后通過(guò)熱交換，獲得部分尾氣預留的熱量，讓空氣和燃料燃燒時(shí)的溫度，盡可能接近自燃點(diǎn)定壓燃燒?？梢院鲆暺偷囊妆?，不會(huì )有爆震問(wèn)題，讓汽油機至少達到柴油機的效率水平，對油料要求低，但是因為可預期的等溫壓縮機結構重量，該循環(huán)不適合渦噴和渦扇以及渦軸類(lèi)發(fā)動(dòng)機，乘用車(chē)的裝機性可能也不好，最高系統壓力也顯著(zhù)超過(guò)柴油機，對材料的要求是個(gè)不小的挑戰。
該循環(huán)方式從理論上講，降低了排熱溫度，減少了排熱損失，排熱已經(jīng)在對參與燃燒的空氣時(shí)預先等溫壓縮完成，因為要求冷卻風(fēng)量和壓縮空氣存在反比關(guān)系，所以可以以極低的溫差完成。通俗的解釋就是，假如不進(jìn)行等溫壓縮，絕熱壓縮空氣會(huì )升高1000度，那么用100倍量的空氣來(lái)為等溫壓縮過(guò)程降溫，被壓縮的空氣和冷卻它的空氣，溫度只都約升高10度（約值，還要算比熱容的），所以等溫循環(huán)的排熱溫度只有10度283K，遠低于目前發(fā)動(dòng)機排出的尾氣溫度約800到1000K，尾氣的溫度也基本接近于環(huán)境溫度了，減低了排熱損失就是提高了有效輸出的效率。
這個(gè)多倍量的冷卻空氣是完成整個(gè)熱力循環(huán)，比其他內燃機效率更高的必備條件，空氣無(wú)處不在且免費，所以不算特殊條件，只要在地球上就可以滿(mǎn)足。如果是潛艇可以用海水來(lái)冷卻，效果更好，理論上本循環(huán)方式對燃料的節約幅度約為10%～40%左右。
〈注：本文未完待續，更多精彩見(jiàn)下期——〉
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