本发明涉及提高正、逆循环热机的效率和致冷系数，以及借助热机大幅度降低能耗的方法。 以往的许多正、逆循环热机的效率和致冷系数都远低于理想水平，除热机结构中存在可以消除的不可逆因素外，其循环理论也一定有重大缺陷。
本发明的目的，就是从消除不可逆因素的角度来弥补那些循环理论中的缺陷，以便使热机的效率或致冷系数接近于理想的水平，即力争实现近似可逆的循环，以及借助高效能的热机把升温-降温、蒸发-冷凝、熔解-结晶（或凝固）等现象，转变成吸取能源或降低能耗的手段。
本发明的目地是这样实现的：
一、在利用工质的液-气相转变来工作的热机中，a.较理想的正循环过程是：1.等压吸热，2.绝热膨胀，3.与6之间的等压放热换热，4.等压放热，5.绝热压缩，6.与3之间的等压吸热换热，b.较理想的逆循环过程是：（1）.等压吸热，（2）.与（6）之间的等压吸热换热，（3）.绝热压缩，（4）.等压放热，（5）.绝热膨胀，（6）.与（2）之间的等压放热换热。
参照图1a，这是本发明提出的液-气相转变正、逆循环示功图，1、2、3、4、5、6代表正循环，（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）代表逆循环。
参照图1b，这是按图1a所示循环理论设计的基本热机结构图，实线箭头和1、2、3、4、5、6代表正循环，虚线箭头和（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）代表逆循环。
正循环是：液态工质在蒸发器内沸腾、汽化吸热;气态工质驱动汽轮机或蒸汽机2作功;乏气在换热器3-6中放热;再到冷凝器4放热、冷凝;凝结的液态工质被泵5送往换热器3-6中吸热，再被送回蒸发器1;泵5的流量由冷凝器4底部的液位信号器7来控制。可以看出，由于有了换热器3-6，使作功后的乏工质气的部分废热传递给了返回蒸发器1的液态工质，减少了工质从高温热源中需要汲取的热量，即降低了热损失。此外，还因减少了冷凝器4排放的废热，改善了冷凝器的冷却效果，又进一步提高了汽轮机的效率。
把3-6过程补入其它任何有工质发生液-气态转变的循环，都将获得明显的节能效果。例如在普通蒸汽轮发电机组中，增加3-6过程的换热器即可节省燃料消耗达9%～13%，较详细的介绍见图10。
逆循环是：工质在蒸发器（1）内沸腾、汽化吸热，低温气态工质进入（2）-（6）换热器吸热、升温，然后通过压缩机（3）进入冷凝器（4）放热、冷凝;冷凝器（4）底部凝结的液态工质驱动水轮机（5）作功，再到换热器（2）-（6）放热，降温后的液态工质重新返回蒸发器（1）。水轮机（5）的水头、流量由冷凝器（4）底部的液位信号（7）控制。在中、小型致设备中，水轮机（5）可由节流阀来代替，但这会使液态工质通过时产热，降低致冷系数。为提高致冷系数，用开关型截止阀来取代节流阀即可获得很高的工作效率。详细介绍见图6、图7。
可以看出，由于有了（2）-（6）换热器，使进入压缩机（3）的气态工质事先升温，既减少了工质在压缩机内的冷损失，又减少了外界环境通过压缩机窜入致冷系统的热量，还可使返回蒸发器（1）的液态工质进一步降温，增强了工质在蒸发器（1）时的吸收热量的能力。此外，由于冷凝器（4）释放的无效废热减少，从而减轻了冷凝器（4）的热负荷，增强了冷凝器的有效散热能力。由于T1下降致冷系数
s= (T2)/(T1-T2) 将大幅度上升。
把（2）-（6）过程补入现在的普通致冷设备中，也将起到降低能耗的结果。但普通致冷设备中有不可逆性很强的毛细管、膨胀阀和膨胀机，从这个意义上看，它们都是不可救药的。
许多厂家乃至设计者都把致冷机的散热功率等同于致冷功率，这是绝对不可能的。因为泵热系数s′= (T1)/(T1-T2) ，致冷系数s= (T2)/(T1-T2) ，s′＝s+1。本发明所提及的s和s′是两个不同的概念，以免混淆。
二、和图1a相比，以往的二、四冲程活塞式内燃机的示功图都丢失了右下角，这是排气温度高、余压大的表现，本发明使这个角所包围的面积得到了弥补。图2a、b、c、d、中垂直虚线及其左侧曲线、直线分别对应于奥托、狄塞尔、沙巴特、克拉克循环，不包括虚线的曲线、直线就是经改进的本发明的循环，图2e是本发明提出的另一种循环。
这种不丢失右下角的循环方式也适用于其它以气体作为工质的活塞式内燃机。详细介绍见图12。
三、轴流式蒸气轮机、燃气轮机也存在较强的不可逆因素，表现在：因气体与叶片及喷嘴的摩擦使压强能过早的耗尽，摩擦热和未能利用的余热的叠加至使排气温度过高。
改进措施是换用可以有效的利用压强能的气（汽）轮机，以及可以高效率的产生更大压强的压气机。图11a、b介绍了有关情况。
现在结合附图来对本发明加以说明。
参照图3，这种正、逆循环热机的换热器1-（4）、4-（1）和图1b的区别是可以大幅度的增加其垂直高度。为避免做蒸发器时换热器底部的工质难于沸腾，换热器的绝大部分换热面积都工作于降膜沸腾状态。做冷凝器时，换热器的绝大部分换热面积也工作于降膜冷凝状态。这样，即使工质的流速不高，也可以获得极高的换热系数，从而提高热机的正循环效率η= (T1-T2)/(T1) 及逆循环致冷系数s= (T2)/(T1-T2) 、泵热系数s′= (T1)/(T1-T2) 。因为s′＝ 1/(η) ，或s′·η＝1，这意味着在逆循环中，若把热机汲取和泵出的热量储存起来，那么，让储存的热量在正循环中作功，即可把逆循环所消耗的能量全部还原;扣除损失，通常可以取出存入能量的60%～70%;按这一原理，可以建造储热蓄能电站，储热池的情况见图5。此外，这类正、逆循环热机中，不宜使用喷嘴、毛细管、膨胀阀、膨胀机等部件。
本图中，气、液态工质的正循环分别用、↑表示，逆循环中气、液态工质的流向分别用表示;为了简化结构，可将水轮机（5）的位置移到泵5，或将5移到（5）处，且5、（5）合并为一;三通阀9、10分别为正、逆循环中的蒸发器提供降膜沸腾工质、三通阀11、12和泵8是降膜辅助循环设施，一旦水泵5、水轮机（5）提供的降膜工质不足、且蒸发器底部工质液位过高，配合液位信号器7或（7）命令泵8启动;泵5.水轮机（5）的流量由冷凝器底部的液位信号器7或（7）控制。
本图所示的正循环热机，甚至可以从极地海域冰层下的海水吸取热量，利用寒风散热，当蒸发器流过海水达每秒1000m3，降温1℃时，即可产生上百万千瓦的功率，3-6换热器可以减少蒸发器外海水结冰的危险。
在中、小功率的热机中，由于加入了（2）-（6）换热器，所用单级或多级活塞式压缩机的余隙应大为减少，以提高其工作效率。在大功率热机中，压缩机（3）-气轮机2最好采用图11a、b所示的类型。
参照图4，和图3相似，本图的换热器1、（4）-4′、（1′）在一个正、逆循环中总工作于高温状态，4、（1）-1′、（4′）总工作于低温状态;但在另一个正、逆循环中，1、（4）-4′、-4′、（1′）总工作于低温状态，4、（1）-1′、（4′）总工作于高温状态。这是因为几个三通阀（或其它阀门）使热机的两个换热器及（2）-（6）、3-6换热器都被置于对称的地位。为了避免混乱，图中只用四种箭头标示了一个正、逆循环的工质流向，另一个正、逆循环与它类似，请自行分析。
如果把上述两组换热器分别置于绝热池A、B中，池中充有待结晶的液体，就可以利用结晶或凝固这一现象提纯物质。用此法可以从海水中制取淡水，还可用于制造烧碱，浓缩果汁和药品，以及其它物质。由于提纯工作是在低温下进行的，可以避免被提纯物发生物理、化学变化;所以在制酒业中应用时，可以生产出优质的低度烧酒。这两组换热器可用普通钢来制作，在其表面涂有一层环氧树脂或其它塑料，即可有极强的抗腐蚀性能。
海水淡化的方法是：
a.在A、B池中注满海水，令B池海水与大海循环散热。（工质沿虚线箭头流动）当A、B池温差较小时，低压强差、高致冷系数压缩机（3）a工作：当A、B池温差增大后，关闭（3、a，启动高压强差、低致冷系数压缩机（3）b，直至A池中冰层冻结到预期厚度时为止。
b.停止B池海水循环，放出A池底部冷浓海水，且让冷浓海水与补入A池底部的淡水进行热交换。把压缩机（3）b改作发电机2b运行;当B池海水温度较低时，停止2b，投入2b继续发电，到A、B池温差很小时，停之2a，让B池换热器的气态工质经不经2a、2b就进入A池换热器中去冷凝。（工质沿实线箭头流动）
c.到A、B池温差极小时，先后启动压缩机（3′）a、（3′）b，使A池冰全部熔化，当A池水温等于海水温度时，取出A池淡水。
d.向A池注满海水，并使它与大海循环，直至B池冰层达到预期厚度为止。
此后，就象前述过程那样，让A、B池海水交替结冰、熔化，即可大量制取优质淡水。
和低压蒸馏法、薄膜渗透法相比，这种结晶法可以降低能耗达97%～99.7%。除制取淡水外，用此法提纯其它物质也有同样的功效。
参照图5a，大型绝热池内置有作为蒸发器或冷凝器用的垂直降膜换热器，垂直降膜换热管分布在热池液之中。
在海水淡化厂里，绝热池液就是海水及已制成的淡水。
在储热蓄能电站中，绝热储热池液可选用Na2SO4或Na3PO4的饱和溶液。当生成Na2SO4·10H2O时，每摩耳结晶体可释放79千焦耳的热量，结晶温度为32.4℃;当生成Na3PO4·12H2O时，每摩尔晶体可释放出90余千焦耳的热量，结晶温度高达73.4℃。绝热储冷池液可选用普通水、甲醇水溶液或其它凝固温度很低且熔解热较大的溶液。把图3所示的换热器1-（4）置于Na3PO4溶液的储热池中，换热器4-（1）置于凝固温度为-40℃至-50℃的甲醇溶液储冷池中，热机作逆循环时热池的Na3PO4熔解，冷池的甲醇溶液凝固，热机作正循环时热池中生成Na3PO4·12H2O，冷池中的凝固物熔解。当冷、热池容积各为上百立方米时，即可供25万千瓦热机连续工作上百个小时。
图中的构件有：1.上集气腔，2.上工质进出管，3.辅助降膜工质液输入管，4.垂直降膜换热管，5.下集液腔，6.下工质进出口，7.辅助降膜工质液输出管，8.换热器壳，9.干海砂，10.泡沫塑料，11.混凝土池壳，12.池液，13.消结晶应力胶袋，内 低凝点液体。
图5b中的构件是一根垂直降膜管4焊在上集气腔1的底盘上的示意图，降膜管的开口高出工质7的液面（此时作为蒸发器用），降膜管上通有工质阻尼均分管14，14的开口一端通到工质液中、一端通到降膜管中，管4里每隔数米装有一个工质液溅散盘15，15可把工质液散落到管4内壁上。可以看出，通过调整上集气腔内工质液位的高低，即可控制工质的蒸发量，从而调整正循环热机的出力和逆循环热机的致冷功率。
参照图6，这种开关型致冷机的结构和图1b的逆循环热机很相似，主要区别是用开关型电磁阀（5）取代了水轮机。当压缩机（3）运转时，下储液罐（8）为蒸发器（1）补充液态工质，（1）内的液位信号器（7）控制电磁阀（10）掌握补充液的数量;当（8）内的液位信号器（9）和（1）内的（7）同时给出缺液信号时，或是温度达到预定值时，压缩机停止;压缩机启动前，（5）开启，上储液罐兼（2）-（6）换热器内的工质流入（8）后，（5）关闭，为了简化结构，可以不用阀（10）及罐（8），（1）可代替（8）的功能。
这种致冷机不仅没有毛细管、膨胀阀，而且也没有水轮机或节流阀，压缩机所需的压强差很小，漏气损失也很少;当压缩机的余隙很小时，这种制冷机的a和a′最高。用它制成的360升电冰箱，配用电机只需10～25W，日耗电只有0.05～0.5KWh。用它制成的空调机，当制冷量为1750W、泵热量为1860W时，配用电机总功率只有230～270W，比普通空调机节电80%以上。
因为这类致冷机本身的冷凝温度较低，当选用一氯甲烷、二氯甲烷、二硫化碳或甲醇作工时，由于冷凝压强较低，其散热器、蒸发器、工质输送管道及其它部件，可选用玻璃、塑料或薄钢板来制造。特别是透明的散热器和蒸发器，不仅很美观，而且可以透过辐射热。
参照图7，这种双温控电冰箱的结构与图6相似，为了防止冷藏蒸发器（1′）的工质先于冷冻蒸发器（1）的工质蒸发，增设了电磁阀（11），它的工作过程是：让冷冻室的（1）优先工作，冷冻室达到预定温度后，阀（11）开启，此后（1′）及其内的液位信号器（7′）的工作与图6的（1）、（7）相同。如果再增加蒸发器，液位信号器和电磁阀，即可成为多温控电冰箱。
图6、7的缺点是上、下储液罐必须比蒸发器高，且充液式蒸发器内需要用工质数量大。如果用降膜辅助泵使蒸发器工作于降膜沸腾状态，上述缺点即可得到克服。
参照图8，在蒸馏、分馏过程中，把热泵的冷凝器（4）放在欲蒸发的液体A中，把热泵的蒸发器（1）放在液体的蒸气B内，热泵即可把B冷凝成液体C的凝结热反馈给A，这种方式可称为热泵的自举效应，如果让未蒸发的残液d和流出的c分别和补入的A进行换热，那么热量损失将更少。
用上述方法可以生产淡水、烧酒或分馏石油等液体。在30℃～120℃温区，热泵的工质可选用甲醇;在80℃～400℃温区，热泵的工质可选用脱氧、脱气纯水;在-270℃～40℃温区，热泵可选用其它低沸点工质。
分馏石油时，当把若干个热泵的散热器、蒸发器彼此串联，再让进、出分馏塔的油、气按温度分别换热，即可获得按沸点区分得十分精细的成品油、气，能耗极低。
在需要连续工作的中、小设备中，水轮机（5）可用节流阀（5′）来代替，液态工质的压差将转变成热，这时低温致冷而言是不利的，但对高温产热则无关紧要。
参照图9a，在开放式烘干机中，冷凝器（4）置于进风口处，它使新空气升温、相对湿度下降。干空气通过湿物料后，其湿度增加，再被风扇（7）压往蒸发器（1）。蒸发器吸收湿空气的降温热和冷凝热后，将此热反馈给新空气。
参照图9b，在封闭式烘烤机中，欲烘烤的物品放在冷凝器（4）上，风扇（7）把湿热风压往蒸发器（1）降温、除湿，气体在封闭的环境中循环工作。
图9a、b应用方式能耗极低，可用于烘干谷物、纸张等物品或是烘烤鱼片、面包、化工品。尤其是图b更适用于不宜与外界接触的物品的干燥，或是提取气、液态成分。
参照图10，和图1b相比，普通蒸汽轮发电机组的直流二次过热锅炉，就是蒸发器1，在透平2和蒸发器4之间，补入了3-6换热器。它使再入锅炉省煤器1a的冷凝水得到升温，导致1.锅炉排的烟气的温度上升，2.锅炉的热负荷下降，3.冷凝器4排出的废热减少、冷凝器4的热负荷下降，4.由空气预热器，10进入锅炉的新空气的温度上升，5.透平的压强差增加。这项措施通常使蒸汽轮发电机组的燃料消耗减少8%～13%。
为了充分利用乏蒸汽的冷凝热，可在冷凝器4及其喷淋冷却系统7-9之间串入低沸点工质热机。该热机的蒸发器1′从冷凝器4取得热量，废热利用冷凝器4′和喷淋冷却系水7-9排放。这项措施通常可以降低燃料消耗9%～12%。
采取上述两项措施后，可使普通蒸汽轮发电机组的效率由30%～43%，提高到55%～60%。但在蒸汽轮机中，喷嘴的不可逆性较强，为了消除它，必须更换新型的气轮机，请参考下文。
参照图11a，这种风机和普通离心风机的气流方向相反，可称为向心式风机（令它反向工作就是离心式气轮机）。它的叶片是等宽的，或是中央窄、边沿宽的。叶片1呈等角螺线形，叶轮出气口2与前叶轮盘3、后叶轮盘4及叶片1联成一体。2与外壳5上的出气口6之间的间隙很小，或在这个间隙中充有滑油，以便充分减少漏气。外壳5呈螺旋形（或螺线形），外壳与叶轮间的风道是扁平的，风道内可装导叶7（为了简化结构，也可不装导叶）。出气口6的面积小于进气口8的面积。（风机也称压气机或压缩机）
由于气流体积的变化能够和叶轮、叶片的形状很好的吻合，气体的内摩擦大为减少，漏气也很少，这种向心式风机（离心式气轮机）的摩擦热很少，噪音很低，效率很高。
在蒸汽轮机中，用几级串联的离心式气轮机即可直接利用蒸汽的膨胀能，无需借助于喷嘴，若其乏汽余压仍较大，可再去驱动少叶片的轴流气轮机（指该气轮机每个叶轮的叶片数目较少），终端乏汽的温度必将大为降低。
参照图11b，这种燃气轮机的效率可达80%，它的构成是：1.几级串联的向心式压气机，2.蒸发器，使压缩空气的温度降低（其热量可供低沸点正循环热机应用，若燃烧室温度过高，可将3′-6′换热器短路），3.少叶片轴流压气机（其叶片可用陶瓷制成，主要任务是遮断辐射热），4.燃烧室，5.少叶片轴流气轮机，（陶瓷叶片，承受和遮断热辐射），6.几级串联的离心式气轮机。在压气机之前、气轮机之后还可串联少叶片轴流压气机和气轮机。
和普通以输出轴动力为主的燃气轮机组不同，本图的燃烧室4之后不装喷嘴，气体的膨胀能直接驱动气轮机，废气的温度很低。如果燃烧室产生的温度仍过高，可在传动轴上套上绝热瓷管，轴内通以冷却液;其它相关部位也应采取类似措施，此时燃烧室的最高使用温度可达到甚至超过2000℃。
此外，如果把离心式风机（向心式气轮机）和上述向心式风机（离心式气轮机）交替串联应用，即可使气流由中央折向边沿，从而减少风机或气轮机的占用空间。但离心式风机（向心式气轮机）的叶片最好呈螺旋形，且叶片在叶轮中央的距离较大、边沿的距离较小，还可让叶片、叶轮的中央宽、边沿窄，以便提高工作效率。图11c中，离心式风机的叶片由两条螺线和圆滑的曲线包复而成，防漏气措施同图11a。
参照图12，当活塞移到闭气点B时，就关闭进气阀，以便减少进入空气的体积，在作工冲程中，活塞移到C点附近时排气阀开启，因气体得到了充分的膨胀，其压强等于或接近于大气压，其温度大幅度下降。上述C点可称为排气点，它与B及上止点A的关系大约是：C＝P1/m·B，而压缩比ε＝BA，PB是作功冲程中活塞位于B时气体的压强，n取值约为1.3～1.4，下止点可选在C点附近，或与C点重合。
可见，这类发动机无需使用排气消声器，前提是PB按发动机较大的负荷来确定：因平均温度下降，冷却水（或其它介质）带走的热量也减少了，为维持缸筒的正常温度，可减少冷却介质的散热量，乃至无需进行冷却。
上述工作方法对任何加热循环，任何气、液体燃料及其燃烧（点燃）方式的二、四冲程内燃机，都同样有效。以二冲程汽油发动机为例（参照图2e）：1.〔示功图中0（B）→1→2（A），下同。〕进、排气阀关闭后，喷油嘴喷出汽油油雾，活塞接近A时，火花塞点火。2.〔2（A）→3→4（C）〕油雾连续燃烧，气体维持恒压，活塞被推往C;气体继续膨胀，活塞到达C附近时，气压接近于大气压，排气阀开启，进气阀可同时开启或稍延迟。3.〔4（C）→0（B）〕进入空气、排出废气，活塞到达B时，关闭进、排气阀。此后又重复以上过程。这种二冲程汽油发动机不仅仅效率高，而且可以燃用无铅汽油，适当调整喷油提前角或点火提前角，还可增加压缩比，改烧甲醇、柴油等多种燃料。这种供油、燃烧方式也适用于四冲程发动机。
再以四冲程柴油发动机为例（参照图2b）：1.〔0（A）→1（B）〕活塞由A移向B.进气阀开启。2.〔1（B）→2（C）→B〕进气阀关闭，当活塞由B移到C再返回B时，空气先膨胀、降压、降温、吸热，再压缩、升压、升温（因空气吸热，此时其压强、温度都比大气的压强、温度稍高）。3.〔3（A）→4→5（C）〕活塞即将到达A时，油嘴喷出油雾，活塞被燃烧的气体推往C;当活塞到达C时，气体压强降至大气压，排气阀开启。4.〔5（C）→0（A）〕活塞移向A，将废气推出缸外;活塞到达A时排气阀关闭。此后又重复以上过程。
可以看出，这类发动机的行程较长，当活塞的平均移动速度不变时，其转速较低、扭矩较大。
为了让燃烧变得更充分，以便减少NO3、CO及碳氢化合物的排放量，以及进一步减少热损失，可在金属汽缸顶1内装上一个陶瓷汽缸内顶2，在金属活塞3上装上一个陶瓷活塞盖4，陶瓷汽缸顶、活塞盖朝向气体的一面布满凸起的小丘和凹下的小坑，陶瓷内或表面富含稀土氧化物。此外，还可以在汽缸顶和活塞之间装上几个螺旋丝5，螺旋丝由耐高温金属或陶瓷制成，其内或表面富含稀土元素，这样就可以在燃烧的气体内部引入更多的催化机制。这里所说的汽缸顶，通常称为汽缸盖。
由于半陶瓷发动机的活塞和汽缸顶的热阻较大，所以它在AB段的行程与汽缸直径D之比应小于1，这既可减少热损失，又可减少总行程。
另一个不可逆损失发生在进、排气管道之中。为此，应大幅度增加空气滤清器的过滤面积及进、排气管的截面积。
上述措施，既有全陶瓷发动机的优点，又避免了不宜制造的缺点，这类发动机的耗油率将下降20%～60%。
限于篇幅，本文只展示了一小部分的实施方案。显然，还可以根据本发明的构思去进行多种组合，由此而产生的各种具体实施方案均属本发明的权益范围，特此声明。
补充：图11a、c所述的风机、气轮机，其叶轮中央部分的叶片，也可以扭转成轴流型，就象混流式水轮机的叶片那样。