液化空氣發(fā)動(dòng)機(jī)“迪門”的技術(shù)開創(chuàng)者之一：皮特·迪門
除此之外，這項(xiàng)技術(shù)還可以被應(yīng)用于發(fā)電設(shè)施，用于將風(fēng)能，太陽(yáng)能和潮汐能等轉(zhuǎn)化而來(lái)的能量進(jìn)行儲(chǔ)存，調(diào)節(jié)電網(wǎng)高峰期和低潮期之間的供求平衡
北京時(shí)間6月5日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，盡管被很多工程師視作一種破壞性的技術(shù)，但實(shí)際上液化空氣的用途還遠(yuǎn)不止于此。降溫至-196攝氏度的低溫液化空氣可以被視作一種儲(chǔ)能機(jī)制，這種思想將有可能顛覆我們對(duì)現(xiàn)有活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)和儲(chǔ)能計(jì)劃形式的認(rèn)識(shí)。
低溫空氣技術(shù)早已出現(xiàn)，這是眾所周知的。構(gòu)成空氣78%的氮?dú)庾钤缭?883年實(shí)現(xiàn)液化，當(dāng)時(shí)使用的方法是不斷對(duì)其進(jìn)行壓縮和釋放，并在此過(guò)程中提取掉釋放出來(lái)的熱量。
液化空氣驅(qū)動(dòng)汽車的夭折
位于美國(guó)波士頓的液化空氣公司很早便設(shè)計(jì)制造出了世界上第一輛使用液化空氣驅(qū)動(dòng)的汽車。但這家公司本身命運(yùn)多舛：它于1899年正式成立，僅僅3年之后便宣告倒閉。這家公司或許的確是不幸的，但是它所設(shè)計(jì)開發(fā)的汽車卻確實(shí)可以開動(dòng)，并在1902年由其發(fā)明人漢斯·克努森(Hans Knudsen)進(jìn)行了演示。根據(jù)記載，當(dāng)時(shí)這輛動(dòng)力獨(dú)特的汽車行駛了大約40英里(約合64.4公里)，時(shí)速約12英里(約合19.3公里)，所使用的動(dòng)力來(lái)源為15加侖(約合56.8升)的液化空氣。
毫無(wú)疑問(wèn)的，這一想法是有著巨大潛力的。一升這種略顯粘稠的淡藍(lán)色液體中就包含著相當(dāng)于700升正常氣壓下的空氣成分。一旦被釋放至常溫下，液化空氣迅速沸騰氣化，體積膨脹700倍并排放到空氣之中，完全沒有污染。正是這種巨大的膨脹性能可以被用來(lái)驅(qū)動(dòng)活塞式引擎，如迪門發(fā)動(dòng)機(jī)(Dearman Engine)。拉夫堡大學(xué)應(yīng)用熱力學(xué)教授科林·加納(Colin Garner)表示：“工程師們喜歡這種膨脹效應(yīng)，那種效應(yīng)非常有用。”
皮特·迪門(Peter Dearman)是一名發(fā)明家和工程師，他對(duì)使用液化空氣驅(qū)動(dòng)汽車的想法感到著迷。他在上世紀(jì)60年代便認(rèn)識(shí)到了這一想法背后的潛力，但是當(dāng)時(shí)存在的問(wèn)題在于基于這一原理的發(fā)動(dòng)機(jī)體積太大并且效率低下。當(dāng)時(shí)這種發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用的原理是利用熱交換機(jī)實(shí)現(xiàn)液氮或液化空氣的氣化。
柳暗花明
后來(lái)，美國(guó)華盛頓州立大學(xué)發(fā)表了一份報(bào)告，其中認(rèn)為這種“低溫發(fā)動(dòng)機(jī)”只有當(dāng)液化空氣在相同溫度下實(shí)現(xiàn)氣化時(shí)才有可能達(dá)成能被接受的效率值。正是這份報(bào)告激發(fā)了迪門的靈感。他想到了將液化空氣注入到一種熱轉(zhuǎn)移介質(zhì)中，一般用的是乙二醇防凍劑，后者一般的溫度是室溫。
這兩種溫度差異巨大的液體混合之后，液氮在艙室內(nèi)迅速受熱膨脹，驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生二沖程循環(huán)，在此過(guò)程中產(chǎn)生動(dòng)力并向外排出“廢氣”。迪門表示：“我知道如果你能在等溫條件下實(shí)現(xiàn)液化空氣氣化，它的產(chǎn)能效率可以達(dá)到與使用常規(guī)燃料相差無(wú)幾的水平。我還知道如果我能制造出這樣一種發(fā)動(dòng)機(jī)，那我將能大展身手。”
隨后這些熱轉(zhuǎn)移介質(zhì)在經(jīng)過(guò)散熱器之后可以被重新回收利用，在此過(guò)程中其溫度可以再次被提升至室溫水平，而如果能夠?qū)崿F(xiàn)從汽車內(nèi)部各部位收集余熱并用于進(jìn)一步加熱這些轉(zhuǎn)移介質(zhì)，那么在下一輪的混合交換過(guò)程中將可以進(jìn)一步提升其驅(qū)動(dòng)效率。相比之下，傳統(tǒng)燃料釋放的能量中有大約1/3被用于加熱冷卻液，另有35%則被作為高溫廢氣白白浪費(fèi)掉。
迪門引擎則可以收集其中大部分被浪費(fèi)的余熱，從而提升驅(qū)動(dòng)效率。這一思想具有重大的應(yīng)用潛力，如它可以被應(yīng)用于公共汽車上，這樣乘客的體溫導(dǎo)致的車廂升溫可以被轉(zhuǎn)化為車輛的動(dòng)力，另外就是冷藏車，溫暖食物散發(fā)的熱量也可以被轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)車輛前行的動(dòng)力。另外，那些在礦山工作，散熱成為傷腦筋大問(wèn)題的施工機(jī)械也是一個(gè)潛在的巨大市場(chǎng)。
Ricardo是一家總部位于英國(guó)蘇塞克斯郡的咨詢公司，該公司已經(jīng)致力于針對(duì)迪門引擎的前景研究超過(guò)兩年時(shí)間，他們考慮過(guò)各種進(jìn)一步改進(jìn)其性能表現(xiàn)的方案。
安德魯·阿特金斯博士(Dr Andrew Atkins)是Ricardo咨詢公司的首席技術(shù)工程師，他設(shè)想在迪門引擎中引入阿特金森或米勒循環(huán)機(jī)制來(lái)進(jìn)一步提升效率，而科林·加特納等人則建議使用塑料或合金材料制造這種發(fā)動(dòng)機(jī)，從而大大降低成本，提升在與其它傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)時(shí)的優(yōu)勢(shì)。
廣闊的應(yīng)用前景
在5月9日召開的英國(guó)皇家工程師學(xué)會(huì)會(huì)議上討論了液化空氣未來(lái)的應(yīng)用前景，在此次會(huì)議上發(fā)表了數(shù)篇有關(guān)這一項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性前景理論和實(shí)際可操作性的研究論文。液態(tài)空氣并非是商業(yè)化生產(chǎn)的產(chǎn)品，但每天卻仍然有大約8500噸的液氮產(chǎn)量剩余，這些剩余的液氮都會(huì)被直接排放進(jìn)入大氣浪費(fèi)掉。而事實(shí)上這些液氮完全足以驅(qū)動(dòng)汽車行駛650萬(wàn)公。相比之下，根據(jù)英國(guó)交通部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全英國(guó)的汽車和出租車每天大約行駛10.589億公里，所有車輛每天大約行駛13.342億公里。
按照目前英國(guó)的電力成本計(jì)算，液化空氣的生產(chǎn)成本約為每升2.5~3.6便士，通過(guò)將制造基地設(shè)置在靠近液化天然氣(LNG)終端設(shè)施附近等方法還可以進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。
液化空氣的低能量密度現(xiàn)實(shí)意味著它將難以撼動(dòng)現(xiàn)存的以內(nèi)燃機(jī)為基礎(chǔ)的發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)，但是它將對(duì)電驅(qū)動(dòng)汽車的興起產(chǎn)生明顯的競(jìng)爭(zhēng)。尤其是因?yàn)楹笳叱潆娦枰馁M(fèi)大量時(shí)間，另外考察整個(gè)電動(dòng)汽車的生產(chǎn)過(guò)程，其每公里仍然相當(dāng)于排放了30克的二氧化碳?xì)怏w。
除此之外，這項(xiàng)技術(shù)還可以被應(yīng)用于發(fā)電設(shè)施，用于將風(fēng)能，太陽(yáng)能和潮汐能等轉(zhuǎn)化而來(lái)的能量進(jìn)行儲(chǔ)存，調(diào)節(jié)電網(wǎng)高峰期和低潮期之間的供求平衡。盡管還有其它很多種產(chǎn)能方式可供選擇，但是液化空氣技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是它的原理非常簡(jiǎn)單，技術(shù)是成熟的，并且相比之下它的成本更低?；蛘哂霉こ處焸兊脑拋?lái)說(shuō)：你用一根榔頭就能修好它?？屏?middot;加特納表示：“當(dāng)然在儲(chǔ)能性能方面液化空氣技術(shù)沒有蓄電池那么性能優(yōu)越，但也已經(jīng)足夠好。”
為了進(jìn)一步提升其潛力，迪門公司以及它的姊妹企業(yè)高視儲(chǔ)能公司(Highview Power Storage)已經(jīng)設(shè)立的工廠，正致力于通過(guò)回收發(fā)電廠散失熱能的方式提升能源利用效率。
仍然任重道遠(yuǎn)
在低溫儲(chǔ)能方面未來(lái)一定還會(huì)遇到這樣那樣的問(wèn)題，較低的能量密度和復(fù)雜的熱動(dòng)力學(xué)原理可能會(huì)限制它的發(fā)展前景，就和現(xiàn)有的純電動(dòng)車輛和混合動(dòng)力車輛遇到問(wèn)題一樣。另外反應(yīng)室內(nèi)的霜凍問(wèn)題以及潤(rùn)滑液在低溫下的有效性問(wèn)題等等也將可能會(huì)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展產(chǎn)生困擾。阿特金斯表示：“產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這些問(wèn)題，并且它們正是接下來(lái)將會(huì)要嘗試去解決的對(duì)象。”
因此總的來(lái)說(shuō)，盡管我們距離真正進(jìn)入“氮驅(qū)動(dòng)”社會(huì)，或者早上起來(lái)在自己的愛車內(nèi)不是加入汽油，而是加入液氮的時(shí)代還相當(dāng)遙遠(yuǎn)，但是液化空氣技術(shù)和迪門發(fā)動(dòng)機(jī)引擎的技術(shù)前景已然顯現(xiàn)。
