顛覆卡諾定理的曹氏熱能轉換裝置

摘 要：卡諾定理的主要原理是：汽缸中氣體壓力推動汽缸中的活塞做功，由汽缸的直線運動推動曲軸轉動而帶動飛輪的旋轉，在這個過程中，汽缸的直線運動轉變成轉動時，由數學微積分可以計算出，其汽缸的直線運動做的功只有25%轉變成飛輪的轉動動能，因為，在汽缸的直線運動時，曲軸是轉動的，功的傳遞中損失了75%。本文正從這個原理出發，設計出新的熱能轉換裝置――曹氏熱能轉換裝置，即將汽缸的直線運動帶動“如自行車鏈條”一樣的還是直線運動，再由鏈條帶動飛輪的旋轉，在這樣新的理論計算下可以得出，汽缸的直線運動做的功在理論上會100%的轉變成飛輪的轉動動能。而且在此基礎上還多出了兩個做功：一是汽缸的直線運動做功結束時還有大量的乘余氣體的壓力可以再做功，即可以把汽延長，使汽缸的直線運動到缸內氣體壓力等于大氣壓時，排出缸內的氣體；二是如果用的蒸汽推動汽缸的直線運動做功，當汽缸內蒸汽低于一個標準大氣壓時，排出缸內的氣體，只需32℃-35℃的冷凝水就可把排出缸內的氣體凝集成水，這樣就會形成缸內負氣壓，達到空氣中的大氣反推汽缸做功。

關鍵詞：熱能；蒸汽；做功；卡諾定理；熱能轉換

中圖分類號：140.80 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）33-0003-03

1 原 理

1.1 卡諾定理

卡諾定理示意圖，如圖1所示，蘭的A為氣缸，B為氣缸內的活塞，C為曲軸，活塞連桿BD也曲軸連接于D點，氣缸內的氣體推動活塞運動，帶動曲軸繞O軸旋轉。設活塞的半徑為R，活塞的面積為S，則s=πR2，曲軸OD=r，則L=2r。

設氣缸內的氣壓為p，則活塞所受到的推力：

F=pS=πR2p，

活塞所做的功f（w1）=FL=2p。從圖中可以看出，活塞沿運動方向BH所受的力被分解成BG和BJ兩個分力，只有BJ力對曲軸起有效作用，而作用在曲軸上的力又被分解成沿園周切線方向的力DF和向心方向的力DO，而只有沿園周切線方向的力DF做功有效，這個力還隨著曲軸旋轉角度θ不斷變化而變化。所以，當活塞以均等的力推動曲軸轉動時，傳的功是在不斷變化的。

設曲軸OD繞O軸旋轉所做的功為f（w2），則由數學微積學可求出兩都之間的關系為：

f（w1）=f（w2）25%

這就是卡諾定理的原理。

1.2 曹氏熱能轉換裝置的原理

曹氏熱能轉換裝置原理，如圖2所示，把曲軸設計成兩個園盤O1和O2，并用鏈條把兩個園盤連接在一起，在兩個園盤連接的一邊水平方向上，把氣缸的活塞推力桿BD連接在鏈條上，這樣氣缸的活塞推力所做的功，理論上全部傳遞到曲軸中去，達到100%傳遞的效率。

2 設 計

①設計示意圖，如圖3所示。

D為兩個氣缸外的紅色方框，與兩個轉動輪O1和O2上的鏈條相連接，D方框把兩個活塞B1和B2固定在方框內，兩個活塞交替推動D方框，帶動鏈條趨動兩個轉動輪和轉動做功。圖3中的四個活塞為一組，3組這樣的活塞組成部機器，共12個氣缸交替輪流做功工作。如圖4中（2）由3組（1）組成的示意圖。

這里L1可以任意調節，即與關閉供汽的時間長度有關，這樣就非常容易做到在任意蒸汽的壓力力下工作都能達到熱功轉換的最大化。

這種裝置除了體種小，效率高以外，其最大噪音低于20分貝以下。可謂是潛艇的好動力，所有的AIP潛艇都可使用這種核動力裝置進行替代，其潛水的最大天數不是7-15天，而是70天以上。

②如圖4所示，圖中的（1）為固定盤，盤中的A為進氣口，C為進氣口與園盤交界處設置一個進氣閥門，D為固定在圓盤上的一個隔氣栓，為固定盤中間的軸承，將轉動盤裝在上；圖中的F（2）和（3）為轉動圓盤，在F上安裝有一個活動的氣門塞E，（2）為F上的活動的氣門塞E為關閉裝態，以便可以通過固定盤中上D隔氣栓，（3）為F上活動的氣門塞E處于打開狀態；（4）為F安裝在固定盤中軸承上的轉旋工作示意圖，此時進氣閥門C為開啟狀態，蒸汽進入工作通道推動氣門塞E做功，當F轉動一定比例的園周時，如圖（4）的位置，進氣閥門C關閉，由通道中蒸汽乘余壓力繼續做功，達到排出氣體的壓強低于一個大氣壓時排出，既利于蒸汽的凝集，又降低了凝集熱的值，達到提出熱功轉化率的效果。（5）為轉動園盤F上的氣門塞E經過固定園盤上D隔氣栓時處于關閉狀態，以便可以通過固定盤中上D隔氣栓，（6）為轉動園盤F上的活塞將氣體從B出口排出的過程。

這樣的裝置固定盤中上裝上轉動園盤F為一組，O可直接裝在發電機上，可將六組同軸裝在一起，以達到發電機上獲得穩定軸紐力，持續工作的目的。

這種裝置：結構簡單、操作方便、全機械結構、安全使用壽命長。

3 討 論

這種超小型、超低音、高效率新的理論指導下設計的熱能轉換裝置--曹氏熱能轉換裝置，只是一個過渡產品，因為更科學高效的產品是：熱能電版，即如同太陽能電版把可見光，即太陽能直接轉變成電能一樣，把紅外線即熱能光子直接轉變成電能的電版，這樣的產品無論從原理上、設計上、生產的可能性上都己成熟。

設計一個航空運輸機的核動力裝置的重量與輸出功率實例：還是以10個大氣壓的蒸汽，即10 MP的蒸汽為例，以圖4中的熱能轉換裝置，則轉盤周長的1/10為進汽長度，另9/10為蒸汽乘余壓力工作長度，理論上排汽壓力降為1個大氣壓。10組轉盤共2米長，每個轉盤中氣門塞E的寬為20 cm，設每個氣門塞E高出轉盤的長度為60 cm，轉盤F的半徑R=100 cm，那么，10轉盤獲得持續的線推力：

F=20×60×10+20×60×5=18 t（噸）

以每分鐘450/轉，則每小時10MP蒸汽量：

V=2×0.2×0.6×450×60=24 000 m3

每小時做功理論值為：

W=2πRF450=3 053 628 007.2 kgm=29 925 554 470.56 J（焦爾）=8.3 MW。

裝置的體積V=6.28 m3。輸出功率以70%計算則其輸出功率：

f（p）=8.3×70%=5.81 MW（兆瓦）。

以1公斤鈾的裂變能在一年內均勻釋放的情況下，功率是

2 000千瓦。計算，所需鈾的量為G=2.49 t。如果使用包覆顆粒直徑小于1 mm，包覆顆粒燃料均勻彌散在石墨慢化材料的基體中，制造成直徑為6 cm的球形燃料元件，體積為：

V軸=0.13 m2。

水在10 MP時，溫度為311.037/℃，汽化潛熱1 317.21 kJ/kg，噸水蒸汽的體積等于1 000/0.8 035=1 244.6 m3，0.3MPa的飽和溫度是133 ℃，水汽化后體積會增大1 800倍，也就是1噸水氣化后能產生1 800立方氣體，10 mp下蒸汽溫度應該是320度，汽化潛熱1 317 KJ/KG，1t放熱也就是：1 317×1 000=1 317 000 kj/KG，每分鐘用水的蒸汽量=0.22t（噸），即如果水能及時地被冷凝回收，則1 t（噸）水就足夠了。

運-20運輸機4臺發動機重量10T，還要裝原料油20T，合計動力系統總重30T。如果用以上這種輸出功率為：

=8.3×70%=5.81MW（兆瓦）

裝置直接帶動曹氏渦槳（一種新型螺旋槳），可以飛到超音速。再帶0.5MW，重量為1T重的發電機發電，則包括鈾發熱裝置、水蒸汽發生裝置、發電裝置、渦槳裝置在內總重不超過10T，輸出功率8MW以上，無需加油，理論上可以在天上飛一年無需降落。

這是靜推力，在流體流動的情況下，按流體力學計算，軸線推力要小得多。

4 結 論

這種熱能轉換裝置--曹氏熱能轉換裝置，噪音低，使其噪音低于20分貝以下。在10個大氣的蒸汽壓力下，即10 MP壓力下，比汽缸做功的效率高出20倍。比同等汽壓下工作汽輪機不僅體積小、噪音低，而且其工作效率要高出10%以上。所有的AIP潛艇的動力都可以使用這種超小型、超低音、高效率的核動力替代。

5 展 望

這種熱能轉換裝置--曹氏熱能轉換裝置，不僅在核動力上使用，還可以用于所有的核電站、火力發電廠。由于其體積小、效率高、噪音低，還可以做成核動力在大型運輸機上使用。甚至于大型運輸汽車上作為動力使用。

這種熱能轉換裝置也只是熱能電版出來前的一個過渡產品。熱能電版：即如同太陽能電版把太陽能（可見光子）直接轉變成電能一樣，把紅外線光子（不可見光子）直接轉變成電能，筆者在3年前就己從原理、制造工藝、設計上趨于成熟的科學技術，其工作的最低臨界溫度如果達到-40 ℃，則在地球上有人類居住的地方都能將周圍環境中的熱能源源不斷地轉變成電能供人們使用。這種熱能電版，1在工作狀態下，可有1安培電流，如果放在水中，水會立即結冰。所有的車輛如果中間以一塊鈾發熱源（棒），外面包裹10層熱能電版（約30 cm厚），就可以源源不斷地發電供汽車行駛，當汽車不行駛時，可將電能并入當地電網發電。也就是說，那時，地球上可能會鼓勵人們用碳，而不是現在碳減排和限排，因為碳是植物的“糧食”。那時的石油可能象現在的煤一樣，成為過時的產品。

（聲明：本文作者保留要求任何使用本原理的組織或個人捐獻低于其純利潤1%的資金給本文作者的權利。）

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