CN105490586A - 一种热能完全转化为电能的装置 - Google Patents

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Abstract

一种热能转化为电能的装置特别是热能可以完全转化为电能的装置。主要结合温差电池，热交换器，热泵技术的组合。

Description

一种热能完全转化为电能的装置
技术领域
本发明涉及温差电池，热交换器，热泵。
背景技术
目前：温差发电效率的定义是外电路中得到的有用电能I2R与热源所消耗的能量之比。热源消耗的能量包括以下几项：
①在热端吸收的珀尔帖热Q1Q1＝α2T1(T1-T0)/(R+r)
②由热端传导到冷端的热量QmQm＝K(T1-T0)式中K为热导K＝(λ1s1+λ2s2)/l式中λ1、λ2分别为两臂的热导率。
③温差电池内部，电流I流过所放出的焦耳热中，有一半将转移到热端，因而把功率还给热源。
汤姆逊热较小，可以忽略不计。
在最大输出功率条件下，即R＝r时，温差电池的效率为式中称为温差材料的品质因数。如果选则得最大效率为因此，温差发电机的效率主要取决于热端和冷端的温度和温差发电材料的品质因数Z，Z值还强烈地依赖于温度，因而对于不同的工作温度需要选取不同的材料。最早用的温差发电材料为ZnSb合金(P型),用康铜片(N型)连接，其热端温度可达400。Bi2Te3-Bi2Se3固溶体(N型)和Bi2Te3-Sb2Te3固溶体在0～300范围内具有较高品质因数(),是较好的低温温差发电材料。在300到600的中等温区,常采用PbTe或PbTe与SnTe或PbSe的固溶体、GeTe、AgSbTe2等作温差发电材料。600以上的高温发电材料有Ge-Si合金、MnTe等。人们对稀土元素的硫化物、碳硼化合物以及In-Ga-As系已作了较多的研究。在温差发电机中，在较大温差下，为了使温差电池臂的所有部分都具有较高品质因数，可采取“分段”的办法,处于不同温度的电偶臂的各段,采用不同材料或不同成分。两段电偶臂采用不同材料。这种结构当上端温度为550、温差为530时，效率可达12％。成分分段改变的温差电池，当热端温度为1000K,冷端温度为300K时效率可达12％～15％。
热交换器：是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。是用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足规定的工艺要求的装置，是对流传热及热传导的一种工业应用如图1所示。换热器可以按不同的方式分类。按其操作过程可分为间壁式、混合式、蓄热式（或称回热式）三大类。按其表面的紧凑程度可分为紧凑式和非紧凑式两类。
热交换器的理论效率可以达到100%。
假设有潜热均匀分布的物质，有100千克温度为100摄氏度的物质命名为A，有100千克温度为0摄氏度的物质命名为B。A,B为同一物质。
假设把A和B相互接触到温度相同可得100千克温度为50摄氏度的A和100千克温度为50摄氏度的B。
假设把A，B平均分成两份后依次接触到温度相同最后可得100千克温度为37.5摄氏度的A100千克温度为62.5摄氏度的B。
假设把A，B平均分成3份后依次接触到温度相同最后可得100千克温度为31.25摄氏度的A100千克温度为68.75摄氏度的B。
假设把A，B平均分成8份后依次接触到温度相同最后可得100千克温度为19.638摄氏度的A认为是8列的平均值和100千克温度为80.362摄氏度的B认为是8行的平均值。
将8次以内的依次热交换的计算做成表格如下
假设把A，B平均分成100份后依次接触到温度相同最后可得100千克温度为5.6摄氏度的A和100千克温度为94.4摄氏度的B。
假设把A，B平均分成261份后依次接触到温度相同最后可得100千克温度为3.5摄氏度的A100千克温度为96.6摄氏度的B。
当分为无穷份最后有100千克温度为0摄氏度的A和100千克温度为100摄氏度的B。也就热交换器效率达到100%的时候。
卡诺循环
卡诺循环是由四个循环过程组成，两个绝热过程和两个等温过程。它是1824年N.L.S.卡诺（见卡诺父子）在对热机的最大可能效率问题作理论研究时提出的。卡诺假设工作物质只与两个恒温热源交换热量，没有散热、漏气、磨擦等损耗。为使过程是准静态过程，工作物质从高温热源吸热应是无温度差的等温膨胀过程，同样，向低温热源放热应是等温压缩过程。因限制只与两热源交换热量，脱离热源后只能是绝热过程。作卡诺循环的热机叫做卡诺热机。
卡诺进一步证明了下述卡诺定理：①在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切可逆热机的效率都相等，与工作物质无关，其中T1、T2分别是高温和低温热源的绝对温度。②在相同的高温热源和相同的低温热源之间工作的一切不可逆热机的效率不可能大于可逆卡诺热机的效率。可逆和不可逆热机分别经历可逆和不可逆的循环过程。
卡诺定理阐明了热机效率的限制，指出了提高热机效率的方向（提高T1、降低T2、减少散热、漏气、摩擦等不可逆损耗，使循环尽量接近卡诺循环），成为热机研究的理论依据、热机效率的限制、实际热力学过程的不可逆性及其间联系的研究，导致热力学第二定律的建立。
卡诺循环效率=1-T2/T1
卡诺热泵效率=T1/(T1-T2)
热泵技术：节能效比是要看天气的，即环境温湿度条件不同，其能效比不一样。像室外25℃这样的条件下，能效比在（3.5~4）左右；室外13℃时，能效比约（2.8-3.3）；如果室外温度-10℃甚至以下，那么能效比估计差不多调到2.0左右。但是，都已远远超过了燃气/电热水器的0.7/0.9能效比。
发明内容
这里提供一种重新定义温差电池效率的方法和装置和其使用。
将热交换器的导热材料换成温差材料（至少两种不同的温差材料），由温差材料组成温差电池。这样的温差电池效率不再是传统温差电池的效率而是温差材料的效率+温差的效率。
将热交换器中冷流冷却和热流加热的导热材料替换成温差材料然后温差材料组成温差电池。
最好是冷流和热流沿着温差电池电流的路径流动（温差接头除外）。
假设热交换器的热流温度为Ta冷流温度为Tb，冷流被热流加热后比热流温度底T1摄氏度，热流被冷流冷却后比冷流温度高T2摄氏度。热交换器小效率为（T1+T2）/（Ta—Tb）。
热交换器结合温差电池后设温差电池吸收的热能降低热交换器的热端温度为T3。
折算为整体的机械输出效率为T3 +(1-Tb/(Ta-T3))
当T1和T2为零时这样的热交换电池的效率将大于卡诺循环的效率。
如图2所示缓慢流动流向为A，B，C，D，A，B……的循环。B为热端，D为冷端，A是热交换器的热端流向冷端的流体，B是热交换器的冷端流向热端的流体。A和C之间充分热交换，将A导向B导向C。在不考虑摩擦，对流，热辐射的情况下流体将永远流动，而且高温端，低温端温度将不会改变。在这个时候再引入温差电池就可以得出高于冷端的温度的热能将完全变成电能的结论。这个是理想情况这个是不可能存在的。但是这样的温差电池的效率将会大幅提高。可以这样认为由于热交换器回收的绝大部分的热量，（由热端传导到冷端的热量+温差电池内部，电流I流过所放出的焦耳热+汤姆逊热）。
假设环境温度为300K。有这样一个热交换器（如图3）：高温端的流体1000K，低温端的流体300K，低温流体经过热交换器加热后的流体温度比热流温度低1摄氏度，高温流体经过热交换器冷却后的流体比冷流高1摄氏度。则加热后的流体温度为999K,冷却后的流体为301K。这时热交换器的效率为99.8%。这个时候将热交换器的导热材料做成温差电池。则至少发电的能量占热交换的能量约12％～15％（流体流速慢发电的能量占热交换的比重越大）。热交换器和温差电池能量损失0.2%。这个时候热交换器加热后的流体温度为1000×（1－12％－0.2%）＝878K。
根据图3增加循环泵和热泵如图4，用循环泵推动热交换器流体循环，用热泵加热878K的流体到1000K需要122K的热量。热泵吸收热量的环境温度为300K。用逆卡诺热泵加热需要电能百分比为122÷（1000/（1000-300））÷1000=8.7%故有这样的一个装置可以发12%的电能，要消耗8.7的电能，循环泵需要克服流体的摩擦力预估为热交换的能量的0.1%。总的输出有12-8.8%=3.2%。因此存在一个将单一热源转化为电能的装置。
图4同时也是一个温差电池效率的测量装置。温差电池效率=热泵的电机功率比温差电池输出功率。
具体实施
一种热交换电池结构示意图如图3所示
电源正极1，电源负极2，A流进口3,A流出口4,温差接头5，温差接6，温差材料A做成的管7，温差材料A做成的管8，B流进口9,B流出口10,管板11，折流板12，外壳13。
单一热源转化为电能的装置结构示意图，如图4所示
电源正极1，电源负极2，A流进口3,A流出口4,温差接头5，温差接6，温差材料A做成的管7，温差材料A做成的管8，B流进口9,B流出口10,管板11，折流板12，外壳13,换热器14，换热器15，换热器16，压缩机Y，膨胀机P，循环泵X。
附图说明
图1是管壳式热交换器结构示意图
图2是热交换器与温差电池结合结构示意图
图3是一种热交换电池结构示意图
图4是单一热源转化为电能的装置结构示意图。

Claims (7)

1.一种热交换电池其特征在于将热交换器中冷流冷却和热流加热的导热材料替换成温差材料然后温差材料组成温差电池。
2.一种热交换电池其特征在于将间壁式热交换器的间壁替换成温差材料然后组成温差电池。
3.一种热交换电池其特征在于将管束式热交换器的管束替换成温差材料然后组成温差电池。
4.单一热源转化为电能的装置其特征在于热泵加热热交换电池的冷流热端流出的流体然后流体通向热端入口，热泵冷却热交换电池的热流冷端流出的流体然后通向冷端入口。
5.单一热源转化为电能的装置其特征在于热交换电池与循环泵的连接。
6.一种热交换电池效率测量装置其特征在于热泵加热热交换电池的冷流热端流出的流体然后流体通向热端入口，热泵冷却热交换电池的热流冷端流出的流体然后通向冷端入口。
7.一种热交换电池效率测量装置其特征在热交换电池与循环泵的连接。
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