CN105492839A - 产生热量的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本反应装置包括一个定义内部的密封容器、位于所述密封容器内部的燃料和邻近所述加热容器设置的加热元件。所述燃料可能是包括镍和氢的固体燃料。所述密封容器可能被密封以防止气体的进入或外出，并且包含微量的气态氢。所述密封容器在没有燃料向密封容器中加入或者从密封容器中排出的情况下，利用输入的能量加热。从所述密封容器中接收输出的热能超过输入的能量的部分。所述燃料具有比任何基于化学反应的能量来源要高的比能量。

Description

产生热量的装置和方法

交叉引用相关的应用程序

本申请请求2013年5月2日申请的名称为“热能的产生装置以及方法”的美国临时专利申请US61/818，553和2013年5月3日申请的名称为“用于产热的典型装置以及方法”的美国临时专利申请US61/819，058以及2013年5月10日申请的名称为“用于产生有用热量的新方法及其装置”的美国临时专利申请US61/821，914的优先权，现以引用方式并入其中的全部内容。

技术领域

本发明涉及从紧凑的燃料来源更可靠和充足地释放热能。尤其是，由热输入与燃料相结合而引起的热反应装置和方法。

背景技术

尽管正在进行的世界范围内的关于人类活动是否引起全球气候变化的辩论，但是从对化石燃料的依赖和其明显的污染影响中解除出来将有极大的好处。燃烧化石燃料至少在某些程度上不可避免地释放二氧化碳和一氧化碳，并在某些情况下产生并不想要的主权相互依赖关系。因此，对化石燃料以外的能源的追求超出人类长期以来的兴趣。

很多替代的能源都在被考虑，包括太阳能、风能、潮汐能等。这类能源的追求者是大自然资源保护论者。太阳能面板和风能设备已经出现了，但是，要么是规模小，导致结果不可靠，要么大规模的设备，需要为其可靠性提供特定的场地，这些都限制了这些能源最终成功的服务于广泛分布的大范围人群。依赖于充足可靠的能源形式，那么是否存在能随不同的天气条件和季节性影响而变化的能源形式，可以最终解决社会和工业的需求水平，这一点还是没有被完全肯定。

核能已经有一定程度的成功，尤其是在欧洲。然而，最近发生在日本的事件提醒我们，目前的核裂变技术对环境仍旧存在重大的危害。典型的核裂变反应产生的放射性废料的危害性会持续多年，对生活在放射性废料附近的居民具有重大危害。众所周知的几次灾害令公众一直处于恐慌中，所以核设施的安全操作仍然是关注的焦点。

之前有过报道，在含有金属和气态氢的密封容器里产生热。尤其是关于镍和氢在气态氢形成的高压环境下发生放热反应的重要研究。这些表明，热输入结合燃料输入产生可用的热输出具有许多应用。

概要

本概要引入了一系列简单形式的概念，并进一步在下述实施例的详细说明中描述。本概要并不旨在于标识保护主体的关键特征或必要特征，也不旨在于用于限制保护主体的范围。

根据至少一个实施例，反应装置包括一个定义内部的密封容器、所述密封容器内部的燃料和邻近所述密封容器的加热元件，燃料包括由镍和氢组成的固体燃料。

在至少一个实施例中，所述密封容器内包含微量的气态氢。所述密封容器被密封，以防止气体的进出。

在至少一个实施例中，在所述密封容器和加热元件之间设置第一陶瓷壳，围绕第一陶瓷壳和加热元件设置有第二陶瓷壳。

所述密封容器由钢材组成。

在至少一个实施例中，所述密封容器包括具有两个被钢制端盖密封的端部的钢管。

在至少一个实施例中，所述密封容器的内部是圆柱形的，所述燃料均匀分布在密封容器内。

在至少一个实施例中，所述加热元件围绕所述密封容器。

在至少一个实施例中，围绕所述密封容器的所述第一陶瓷壳被所述加热元件围绕，第二陶瓷壳围绕所述加热元件。

所述加热元件包括电阻线圈组件。

在至少一个实施例中，一种方法包括提供一个密封容器，在没有原料进入密封容器或从密封容器出来的情况下，利用输入能量的加热密封容器；和接收密封容器中输出的热能超过输入的能量的部分。

在至少一个实施例中，加热所述密封容器包括从密封容器外部加热密封容器。

在至少一个实施例中，输出的热量与输入的能量的比值超过5.0。

在至少一个实施例中，加热所述密封容器需要启动密封容器内燃料的反应，所述燃料的比能量大于1x10⁵wh/kg。

在至少一个实施例中，加热所述密封容器包括启动密封容器内大于任何基于化学反应的能量来源的比能量的燃料的反应。

加热所述密封容器需要加热元件在打开和关闭状态之间交替。

在至少一个实施例中，加热元件在打开和关闭状态之间交替是通过周期性地向电阻线圈组件提供电流。

在至少一个实施例中，所述密封容器包含固体燃料和不超过微量的气态氢。固体燃料可包含镍和氢。

在一个或多个实施例中，提供一种将输入的热量和燃料转化为输出的热量的系统，该系统包含一个装置，该装置包括一个定义内部的密封容器、靠近所述密封容器的加热元件以及在密封容器内部的燃料，该燃料包括包含有镍和氢的固体燃料，加热元件有选择性地被激活以给密封容器提供热能。所述密封容器的内部在激活所述加热元件之前的初始状态不预装压缩气体。所述系统还包括一个与所述装置连接的用于测量温度的温度测量仪和一个与所述加热元件和所述温度测量仪相连的控制器，所述控制器根据温度测量仪的反馈的测量结果来激活所述加热元件。

附图说明

本发明可通过阅读前述总结和下述优选实施例的详细描述并结合附图，可以更好地理解。然而，概要和详细说明并不局限于这些明确说明的实施方案和特征。

图1为根据至少一个实施例公开的反应装置的纵向剖视图。

图2为图1所示反应装置的横向剖视图。

图3A为图1所示反应装置的热图像采集。

图3B为从图3A所示图像收集到的X轮廓图。

图3C为从图3A所示图像收集到的Y轮廓图。

图4为根据另一个实施例公开的反应装置的纵向剖视图。

图5为图4所示反应装置的横向剖视图。

图6为图4所示反应装置的侧视图。

图7是图解用于图4所示反应装置评估的试验装置。

图8是根据图4所示反应装置的测量值得到的辐射热能对应时间的曲线。

图9是根据图4所示反应装置的测量值得到的辐射能量和产生的总能量关于消耗的电能的曲线。

图10是表示不同化学能量来源的单位质量的最大功率和比能量的Ragone图表。

图11是另一实施例所示反应装置的纵向剖视图。

图12是图11所示反应装置的横向剖视图。

图13是图解用于图11所示反应装置评估的试验装置。

图14是根据图11所示反应装置的测量值得到的平均温度对应时间的曲线。

图15是根据图11所示反应装置的测量值得到的能量的产生随时间变化的曲线图，和在同一时间段内能量消耗的曲线图。

图16是根据图11所示反应装置所得到的产生的能量和消耗的能量之间比值的曲线。

图17是根据至少一个实施例公开的产生热的系统的图解。

详细说明

该说明提出足够的细节是为了理解更广发明主题的一个或多个具体的实施例。这些说明阐述和例证了那些具体实施例的特定特征，并没有限制明确描述的实施例和特征的发明主题。考虑针对这些描述可能会产生额外的和类似的实施例和特征没有离开创新题材的范围。尽管所使用的术语“步骤”可能是明确或隐含相关特性的过程或方法，没有暗示任何特定的顺序或在这样的表达或暗示的步骤序列，除非顺序或序列是明确规定的。

反应装置100和第一个实验的结果

一种多层的管状反应装置100，如图1所示的是其剖视图，用于第一个三次实验中。图1所示的剖视图是在管状反应装置100延伸的纵向轴中线延伸所在平面上。密封刚制内管110包括延伸至两个端盖114之间的圆柱形壁112，内管110包含位于两个不同纵向位置的反应燃料116。如下所述，在另外两个实验中，反应燃料分布得更广泛、更均匀。在第一个实验中，第一圆柱形陶瓷壳层118围绕内管110。每16个电阻线圈120在第一陶瓷壳层118与更外面的第二陶瓷壳层122之间围绕反应装置100内部一圈。如图2所示，电阻线圈120围绕第一陶瓷壳层118呈圆周分布，为了在电流通过线圈时能够均匀产热。图2所示的剖视图为垂直于多层管状反应装置的中心纵向轴所在平面。电阻线圈在以约一千瓦功率持续工作，并定期采集反应装置100外部的热影像。

统计分析了几个实施例中在多层管状反应装置内产热的实验研究。在每一个实施例中，反应装置都充满载有少量氢的镍粉，放热反应的起始是依靠反应装置内的电阻线圈产热。通过高分辨率的热成像摄像机来测定产生的热量，记录每秒来自热反应装置的数据。用一个大宽带三相位功率分析仪测量了输入的电功率。虽然这三个实验取得了有趣的结果，在三次实验的首次中，反应装置100被损坏。之后的两次实验在没有设备故障下进行，之后的两次实验的数据分别在运行持续96小时和116小时收集。每个实验中都显示有热产生，116个小时的实验还包括实验装置的校准，在一个虚拟的管状反应装置中没有激活的燃料。在虚拟的反应装置情况下，没有超过来自电输入的预期热量的额外热量生成。

计算96小时和116小时的体积和重量能量密度，发现远高于任何已知的化学来源。即使测量误差按照最保守的假设，结果也仍然比传统的化学能量来源大一个数量级以上。同样，这里所述的反应装置与已知的化学工艺相比，每单位重量燃料产生的能量多出很多。

图示的和这里描述的反应装置可以说成是一种能量催化高温反应装置。这里公开的反应装置中的放热反应是以镍、氢及一种催化剂的混合物作为燃料的。在这些摘要详细描述的实施例中，热能是在一个分层管状反应装置的最内层管中由位于最内层管外的电阻线圈产热而激活的反应后产生的。一旦操作温度达到，就可以通过调整电阻线圈的功率来控制反应。这些公开的关于反应装置测试的描述是在控制条件下用高精度仪器得到的。高精确度和可靠性的测量结果意味着一个超过任何已知化学工艺的热生产被建立了。

图3A-3C显示了第一个实验得到的热数据。一台欧普士IR热成像摄像机监测了分层管状反应装置100的外部表面温度。然后用一台笔记本电脑从热成像摄像机获取信息。热数据结果显示最热区域的温度约为860℃。图3A是一张热成像图。图中用圆圈和十字交叉标记了859℃高温的区域。图3B和3C显示了监测到的沿着两条可见线上的温度分布：图3B中的X轮廓线指的是穿过整个装置的水平线；而图3C中的Y轮廓线显示的是沿着图3A热成像图左侧垂直线上的温度。

在三次实验的第一次中，完整的热量学数据收集之前，反应装置100就损坏了。包含反应燃料的刚制内管110过热融化了。然而，图3B和3C中温度的分布，特别是图3C的Y轮廓图显示了一些有趣的结论。由于图3A热成像图是一张圆柱状反应装置100的二维投影，如果把Y轮廓图的垂直线（32像素）与装置的直径(11cm)相关联，就会发现图片中每个像素对应的装置长度大约为0.34厘米。热成像图显示了一系列的条状，由Y轮廓图中的5个温度下降确认的深色水平线。这意味着在这个装置的热成像图中，大约每隔6.4像素出现一条深色线，对应装置的2.2厘米。如图1和图2所描述的，16个电阻线圈120平行于圆筒的轴线设置，且到圆筒的轴线的距离相等，并延伸贯穿反应装置的整个长度。通过对比深色条纹之间的距离和电阻线圈之间的距离，可以发现由热成像相机捕捉到的较低温度能够很好地匹配覆盖有电阻线圈的区域。换句话说，在图表中可以看到的温度下降事实上是电阻线圈的阴影，由装置内部的热能向外投影，且与电阻线圈自身释放的能量相比具有更高的密度。这是一个发生在内管110内放热反应的证据。

反应装置200和第二个实验的结果

一种多层管状反应装置200，如图4中的剖视图概略的表示，用于在这里描述的第二个三次实验。图4所示的剖视图是在多层管状装置200延伸的中心纵向轴所在平面上。图5所示的剖视图是在垂直于多层管状装置的中心纵向轴所在平面上。这个实验中的反应装置200是一种具有一内管210的多层圆柱状装置。内管210具有3毫米厚的圆柱壁212，内管210的直径为33毫米。内管210的圆柱壁212是由AISI-310钢材构建的。圆锥状的端盖214是由AISI-316钢材经过热捶打形成内管210的密封的纵向末端。端盖依附性的获得是利用AISI-316钢材比AISI-310钢材的热膨胀系数高。同样内管210包含一个封闭住物质的进入或外出的容器，包含气态氢和其它液体。这个标志着反应装置200与之前的反应容器的区别在于预装了压缩气体，例如氢气。

内管210包含着沿着装置轴向分布的粉末反应燃料216。氮化硅圆柱状陶瓷外壳222的长度为33厘米，直径为10厘米。由不同陶瓷材料（金刚砂）制成的圆柱状内壳218位于外壳222内。内壳218内有三个呈三角连接的螺旋状电阻线圈220，电阻线圈平行于装置的中轴，等距地水平分布。按图6所示，三个电阻线圈220通过电线230独立地与能量源连接，且延伸到反应装置200外面。电阻线圈220基本上是装置的内部长度。最外层陶瓷外壳222覆盖着航空工业级别的黑漆，以确保能够承受最多1200℃的高温。

第二次实验的实验装置300以图表形式呈现在图7中。反应装置200内部的电阻线圈是由双向可控硅功率调节器设备302周期性地中断每个阶段，为了通过控制波形开调节功率输入。此过程中，需要合适的激活反应燃料216（图4），设备没有轴承的功率消耗，在整个实验中保持恒定。考虑到反应装置100被损坏的第一次实验的结果，反应装置200的功率输入限定为360W。

第二次实验中，在另一个类似装置上进行称重操作。端部密封的内管210内含有效燃料，与另一个相同的空的和没有端盖的圆筒相比。得到的重量差为0.236公斤。因此这是分配给内管210内的电荷和两个金属端盖的重量。在实验过程中，反应装置200被放置在一个金属框架上，并允许自由辐射到周围的空气。被玻璃纤维绝缘材料224隔绝的反应装置200在两个接触点上浮动。支撑反应装置200的框架有两根支柱226，如图7所示，减少到机械稳定性所需的最小结构。实验的区域的温度是通过热探头304不断测量，平均为15.7℃（289K）。

用于获得实验数据的仪器，在第二次实验中的整个96小时内一直在工作。红外热像仪306用于测量反应装置200的表面温度。宽带通的电能质量监测器320测量三个阶段的电量，用于记录电阻线圈220吸收的功率(图4-5)。

热成像摄像机306采用30°*23°镜头的欧普士PI160热像仪，160*120像素的焦平面非制冷探测器。摄像机的光谱范围为7.5-13μm，测量精度为2%。热成像摄像机306置于反应装置下方大约70厘米处，镜头面对装置外部的下半部分。本次实验中的热成像因此都是从反应装置200下方得到，就是为了上升的对流气流形成的热量转移不损坏热成像摄像机306。然而，这一选择，对测量有一个负面影响：两个金属支柱的存在，给热成像摄像机306的静止的图像拍摄引入了一定程度的不确定性，将在下面详细解释。热成像摄像机的捕获率设置为1Hz，热数据通过一台计算机装置-笔记本电脑310获得。热图像呈现在电脑310的显示屏312上，开放用于整个实验过程的分析。

电气测量是通过功率监控器320完成的：一种PCE-830功率谐波分析仪，PCE仪器的标称精度为1%。该仪器的液晶显示器322上连续监测为电阻线圈提供的瞬时电功率值（有功、无功和表观），以及以千瓦时表示的能量消耗量。这些参数，后面的一个，消耗的能量，是感兴趣的测试的目的，它的目的是按小时数来评估由反应装置产生的热能量与电功率的消耗的比例。功率监控器320直接通过三个钳形电流表326和三个电压测量探头328与反应装置的电阻线圈电缆230相连（图6）。功率监控器320旁边放置一个计时器，以及放置在三角架上的一个摄像机330，摄像机330专注于计时器和功率监控。每秒钟一帧，整个二次实验被拍摄下来，并记录了96个小时的实验时间。

检测可能的放射性排放物所必需的仪器也被放置在反应装置附件。放射性测量，对反应装置200和实验环境的安全认证是必需的，通过一个有资格的人来完成。一份方法的放射性报告和这些测量结果准备好了。在实验中，决定用两个不同的广谱和高灵敏度光子探测器：第一探测器被选的目的是在空间环境周围剂量当量H*(10)任何速率的变化测量，第二探测器被选的目的是测量和记录CPM（每分钟计数）在一个特定位置的变化率。关于仪器和环境背景，不管是H*(10)还是CPM的测量都没有显著差异。

关于数据分析，在二次实验结束后，对摄像机的记录进行了检查。通过定期阅读PCE-830的液晶显示屏(功率监控器320)上的图像，它可能记录下来了被电阻线圈吸收的能量（千瓦时）。随后，反应装置200平均每小时功率消耗为360瓦特。

就本发明所披露的装置所产生的能量所作的评价而言，必须考虑两个主要部件，第一是通过热辐射被辐射的，第二是通过对流分散到环境中的热量。热传导被认为是可以忽略不计的，由于装置与它的支持物之间的接触面最小（不超过几平方毫米），并在接触点放置了玻璃纤维绝缘材料。但是这种材料部分遮盖了对热成像摄像机所得到的装置表面的图像的观看。

由辐射排放的能量通过斯蒂芬玻尔兹曼公式计算，它允许评估由一个已知表面温度的身体辐射的热量。表面温度通过分析热成像摄像机所得到的图像而测量的，把图像分割成多个区域，并提取相关的每个区域的平均温度值。保守的，测量过程中表面发射率定为1。

关于在空气中放置的圆柱形物体的能量损耗的计算方法在解决相关热传导问题的学术论文中出现过很多次。因此，可能估算出在第二次实验过程中反应装置200与周围空气的热传导的量。反应装置200的热工性能最终根据装置的总能量的辐射与装置的电阻线圈消耗的能量之间的比值得到。

关于被辐射物辐射功率的计算方法，普朗克定律提出了黑体的单色辐射功率与其绝对温度和波长呈正比例。集成在频率的整个光谱，得到黑体的总辐射功率(每个单元区域)，被称之为斯特凡-玻尔兹曼定律：

其中，σ为斯特凡-玻尔兹曼常数，值为5.67×10^-8[W/m²K⁴]。

在粗糙表面的情况下，必需考虑到辐射率(ε)。辐射率(ε)表示粗糙表面辐射的能量和在相同温度下通过黑体可能辐射的能量之间的比值。

辐射率(ε)的变化范围在0和1之间，1表示的是假设在黑体情况下的值。事实上，它不能测量用于分析涂层的辐射率，就决定保守假设其值ε=1，从而考虑反应装置200假设为一个黑体。然后将这个数值输入热影像软件，即使在已经完成了记录后，使用者也可以在软件里修改一些参数，例如环境温度和辐射率。然后软件使用新的设置重新计算分配给记录图像的温度值。因而可确定在从未被高估的表面温度值的基础上，反应装置辐射的热功率。

温度值从未被高估可被一个例子证明，这个例子中分配一个低于1的值作为辐射率(ε)。反应装置的热影像被分为40个区域。除了其中两个区域，其它所有区域都的辐射率都设置为1，这两个区域的辐射率一个设置为0.8，一个设置为0.95。红外相机中指定给这两个区域的温度分别为564.1°C和511.7°C。这些值远远高出那些相邻区域的。由此可见，分配数值1给每个区域的辐射率，的确是进行保守的测量。如果辐射率较低的值被扩展到各个领域，这将导致更高的辐射能量密度估计。因此，这些计算，基于辐射率(ε)可以被分配的价值这一确凿的事实，应避免任意来源的高估，所以各个区域的辐射率(ε)被设置为1。

热成像摄像机不直接测量物体的温度：在输入光学的帮助下，物体发出的辐射聚焦在红外线探测器上，从而产生相应的电信号。然后，数字信号处理将信号转换成正比于对象温度的输出值。最后，温度结果显示在摄像机的显示器上。该摄像机软件通过一种算法导出对象的温度，这种算法需要考虑几个参数和矫正因子，例如，用户设置的辐射率和探测器温度，都被相机本身下部的传感器所自动考虑。

另外，每个欧普士相机和光学系统都有由制造商提供的它自己的校准文件。根据第二次实验中摄像机的布局，热成像摄像机提供的图像只显示了反应装置的下部。用于之后的计算的相同的温度测量也只适用于反应装置的上半部。对流对对象顶部和底部产生不同程度的影响。因此，根据第二次实验设置的温度值应该是受对流弥散影响最小的。然而，这个选择对反应装置的平均表面温度的计算是一个沉重的处罚。事实上，在与安装程序相关联的热图像中，两个支撑的金属框架的阴影和放置在装置下的绝缘材料都是清晰可见的。这些影响负面扭曲了表面温度的计算，并妨碍了底层发光表面的完整视图。

为了克服这个影响，决定将热成像摄像机的整个图像分割成一个逐渐增大的区域，从而计算第二次实验中整个持续时间（96小时）的平均温度值。随后，得到的这些值被提高到四次方，然后平均在一起，获得一个单一值被分配给反应装置。通过这个近似值，黑暗区被认为是装置的相关表面，从而低估了能量的辐射。决定继续按这种方法进行，是为了得到完全基于收集到的数据的辐射能量的下限值，不做任意的假设可能引起高估带来的误差。

从被热成像摄像机覆盖的160×41像素的区域获得的热成像图，被逐步地分割为10、20和40个区域，根据下列标准：首先，10个16×41像素区域；其次，20个8×41像素区域；最后，40个4×41像素区域。

为了每个区域，也是为了录像片段的整个持续时间，对一个平均温度趋势图进行提取；随后数据被保存在Excel工作表中，可以提取出平均值。这样，每个区域的温度就得到了，用开尔文表示，结果见下面的三个表。

表1中提供的温度值是与分割成10个区域相关联的，通过对这10个值求平均值，得到一个关联于反应装置200的温度，为709开尔文摄氏度。

表2中提供的温度值是与分割成20个区域相关联的，通过对这20个值求平均值，得到一个关联于反应装置200的温度，为710.7开尔文摄氏度。

表3中提供的温度值是与分割成40个区域相关联的，通过对这40个值求平均值，得到一个关联于反应装置200的温度，为711.5开尔文摄氏度。

不同的细分区域之间的比较显示，平均温度仅略取决于细分区域的选择，实际上会增加，因为靠近黑暗区的区域被更有效地处理。参照上述第三种情况，通过首先考虑每个区域温度的四次方的平均值，可以计算出由反应装置200所辐射的热功率。得到下面的值：

辐射热功率(E)可通过将斯特凡-玻尔兹曼公式乘以反应装置的面积而得到：

其中，R为反应装置200的半径，等于0.05[m]

L为反应装置200的长度，等于0.33[m]

辐射的热功率可根据上述的数值得到：

在计算第二个实验中反应装置200总面积时，两个基地的面积被遗漏了，它们的表面存在：

这样的选择是出于一个事实，圆柱体的这些部分没有被红外相机所覆盖，任何对辐射能量的估计都会偏高。这个因素不包括在计算E，因此，低估了反应装置所辐射的热功率。

辐射热功率（E），除了微小的变化之外，整个测试保持稳定，如图8所示，在几十个小时内测量的辐射功率随时间的变化。产生的功率几乎是恒定的，平均值为1609.4W。通过这个功率，减去由于房间的温度所产生的功率，96小时内房间的温度的平均值为15.7℃，通过如下的方法得到最后的值，接近1568W。

热成像摄像机复制的图像实际上是圆柱形物体在二维平面上的投影。因此，摄像机与圆柱体半径之间的线的视线在0和90度之间变化。

在后一种情况下，指的是摄像机的位置是相对于反应装置的侧部，因此，热图像的边缘记录的温度可能会显著低于有效温度。然而，为了计算平均温度，将其分割成矩形，包括这些边缘，这将因此似乎比它们通过热成像摄像机的视角得到的实际温度要更低。再一次，实验参数采取保守立场，低估了温度，有效值是不容易获得的。

关于计算通过对流产生的辐射功率，考虑通过具有面积A和温度T的流体温度T_f。通过表面和流体之间的对流在单位时间内的转移的热量Q，可以通过牛顿的关系表示，其中，h定义为热交换系数[W/m²K]：

当h已知，就可能评估热流动；所以，决定h的组成是热对流最根本的问题，对流系数h不是流体的热物理性能，但是是个参数，其值取决于影响对流热交换的所有变量：

其中的符号的意义如下所示：

ρ流体密度[kg/m³]

Cp恒压比热容[J/kgK]

μ粘度[kg/ms]

βg重力加速度而产生的热膨胀系数[m/s²]

k导热系数[W/mK]

T-Tf(=ΔΤ)表面和流体之间的温度差[K]

D线性尺寸；在这里是指直径[m]。

通过使用引用主流热工程文献的实验测试而得到的表达式可获得h值，那些实例涉及更常见的几何形状和更为实际利益的那些流体。在圆柱体的直径小于20cm，并浸没在温度接近294K的空气中的情况下，h值可通过以下表达式获得：

其中，C"和n为两个常数，当知道在格拉晓夫数G_r和普朗特数P_r之间下降的间隔时，两个常数的值也就得到了。

这些无量纲数被定义如下：

G_r表示浮力的惯性力与摩擦力的平方的比值，而P_r表示流体准备的动量与准备的热传导量之间的比值。对一个广泛的温度，可以说：

上述所得到的反应装置的平均温度值可知，装置与空气的平均温度相等：

一旦这个值已知，首先就可以导出导热系数k。从表4中可以得出，空气中在这个温度下k的值等于0.041[W/mK]。

在表4中，极端温度的值构成实验的范围。外推到其它的温度，建议将数据绘制成logk对logt的关系图。

从(公式12)得出：

从普朗特雷的定义可得到：

现在两个常数参照表5：

在图5中，是关于横向的直径小于0.2m的圆柱体的值。

然后就可以算出：C"=1.32,n=0.25。公式10就变为：

将公式16代入公式9，对流产生的辐射功率为：

有关反应装置200的性能，性能系数(COP)的计算如下。根据工程学上的定义：COP为装置的输出功率与其运行所需要的功率的比值。为了得到反应装置200的性能系数(COP)，需要将辐射功率加入到对流分散的功率中，并将结果与电阻线圈的功率关联起来。关联这些值的保守误差为10%，为了解决不确定性的各种来源：一些是与消费测量相关，一些是内在的热成像摄像机操作频率范围的限制性，还有一些是平均温度的计算方法。

从公式8和17可得：

在这些实验中，假设功率值有百分之10的误差。图9所示的是产生的热能(kWh)与消耗的电能(kWh)之间的关系。辐射能量实际上是被测出的能量；总能量中也考虑了对自然对流的评估。数据也符合线性函数，并且线性函数的斜率为COP的值。图9中，斜率为4.4998、y截距为1.5356的为辐射能量。斜率为5.7951、y截距为2.0518的为总能量。在图9中，总能量的图位于辐射能量之上。

反应装置200的性能，更具体的说是包含在内的有效燃料216的性能，可以与图10中Ragone图表500中所示的现有的常规能源相比。图10所示的是不同来源的能源在对数尺度上的特定的重量功率和功率密度。例如，汽油502，甲醇504，氢燃料电池506所存在的特定能量区域高于传统的飞轮510和先进的飞轮512区域。

为了考虑反应装置200关于能量来源和存储技术方面的性能，反应装置200的活跃燃料的重量加上密封内筒的两个金属端盖的重量等于0.236千克。如果这个值全部分配给活跃燃料，那么燃料的重量就会被高估；所以，计算出的功率密度值和热能密度值可以被看着是下限值。

因此，保守的，功率密度为：

热能密度通过公式20的结果乘以测试的小时数而得到：

在二次实验中发现的功率密度和热能密度，将反应装置200在Ragone图表中的位置置于任何已知的传统能量来源所在区域之外。鉴于故意保守选择进行测量，可以合理陈述，带有活性燃料216的反应装置200代表介于化学能和核能之间的非常规能源。

上述关于第二次实验的描述，装置300在360W条件下进行电测试，测试96小时，产生热功率2034W。这个值是通过计算反应装置200通过反应装置对流和辐射向环境转移的功率而得到的。产生的功率密度(7093W/kg)和热能密度(6.81xl0⁵Wh/kg)的结果显示反应装置远超过以前已知的传统能源。为了获得这些结果的规程是非常保守的，在所有阶段中，从粉末燃料的重量开始，到加上密封圆柱体容器的两个金属端盖的重量。也可以说是因为选择了反应装置的辐射率为1。另外的低估的例子，可能是计算方法中的辐射区域不包括两个基地，以及实际上部分辐射表面被金属框架覆盖了。因此，假设，在实验期间，反应装置所释放的热功率要高于上述的计算方法所得到的值，也是合理的。应该注意的是，该装置是在96个小时的操作完成后刻意关机。因此，从这个角度来看，得到的能量也被认为是长时间运行所得到的总能量的下限值。

反应装置400和第三个实验的结果

如上所述，本文中描述三个实验，前两个实验在上文中已描述，下面描述第三个实验。第三个实验用反应装置400来呈现，反应装置400不管是在结构还是控制系统上与之前描述的反应装置100和200都不同。外型上，反应装置400（图11-12）有一个直径9厘米，长33厘米的钢制圆柱状外管422，和一端的直径20厘米，厚1厘米的钢制圆形法兰430。钢制法兰430的目的是支撑反应装置400插入一种热交换器。像其它的反应装置100和200，粉末燃料包含在一个更小的AISI310钢制圆柱状内管410.所述内管包含一个直径3厘米，长度33厘米的圆柱状壁412。内管410连同电阻线圈420被一同设置在外管422内，且其纵向两端以两个AISI316钢盖414封闭。这样，内管410就构成了封闭住物质的进入或外出的容器，包含气态氢和其它液体。这就体现了反应装置400与之前预装氢等加压气体的反应装置的区别。

电源通过法兰430供给给电阻线圈420。第三连接是一个PT100传感器418，用于在第三个实验中把温度信号反馈给控制箱以调节开/关周期。在第三个实验中所用的电源不同于二次实验中所用的。在第三个实验中所用的电源不是一个三相电源，而是单相电源。那就是，在第二个实验中使用的双向可控硅电源是由安装在壳体的三相电源输入，单相输出控制器电路代替。

反应装置400与先前描述装置200在控制系统上有着显著的差别，就是反应装置400可以在自己自主的模式下工作。那就是说，反应装置400在供电关闭后仍旧能够保持更长一段时间的运作和活力。在第三个实验中，供应电阻线圈的功率逐渐增加到运行条件后，一个开/关阶段就达到了，这一起始阶段大约持续2个小时。在开/关阶段，电阻线圈的功率供给由PT100传感器反馈的温度信号来自动调节。

在开/关阶段，电阻线圈420通过控制器回路402（图13）以两分钟连通、四分钟断开的规律间隔来控制。此操作方式在所有剩余时间的实验都保持不变。在每个断开状态期间，可以通过连接到红外相机的视屏显示器观察到装置400的温度在有限的总时间内持续上升。此现象的相关数据由图14和图15呈现。

如图13显示，第三个实验所用实验装置的仪器与第二个实验类似。然而，除了第一热成像相机306以外，一个第二热成像相机308和计算设备314被用来测量和显示反应装置400的基部432（自此以后：“后膛”）和基部对面的法兰的温度。第二热成像相机308是一台携带48°*37°镜头的欧普士PI160热成像仪。在获取数据期间，热成像相机306和308都安置在三脚架上，反应装置400放置在由金属支柱支撑的玻璃纤维隔热材料上。该热成像装置解决了第二个实验中遇到的两个问题：即反应装置200后膛的信息缺乏和之前红外影像中支柱阴影的存在。热成像相机306和308都沿着各自的水平视角设置来观察反应装置400，所述相机与反应装置都近似等距于地面。功率监控器320的液晶显示屏（电能表（PCE-830））T通过一台摄像机330被持续拍摄。功率监控器320的三个钳形电流表326（图13）和三个电压探头328被连接到上游的控制器402输入到三个电源相。第四个电压探头328采样中线回路输入线。

功率监控器320除了为每个阶段提供电压和电流值之外，还核对基本频率(50Hz)的谐波中的波形和光谱形组成。电压波形被确认为对称的正弦曲线，并且没有水平的直流电压。该仪器的测量误差在20个谐波之内为2%，从21-50谐波为5%。这里所述的测量值，其误差幅度被假设为10%。直到电流的测量值被关注，确定在第三阶段没有电流的出现，另外两个阶段的波形谐波频谱包含在仪器测量的区间内，似乎与一个正常的可控硅调节器相联系。

关于反应装置400的辐射率问题在第三个实验中详细记载。外管422的外表面和法兰430的一面涂覆有黑漆，这点不同于用于第二个试验中的。黑漆采用的是Macota?瓷漆，可以经得起800摄氏度以上的高温。为了这个目的，采用了子粘胶样品。白色的磁盘，以下简称“圆点”，每个的直径大约为2厘米，由制造红外相机的公司提供（欧普士零件：aclsed）。该圆点具有一个已知的辐射率0.95。根据制造商提供，圆点在被损坏之前所能接受的最高温度接近380℃。在测试期间，很多的圆点428沿着反应装置400的边和后方应用。那些圆点应用于更中心的区域，显示倾向于脱落，并需要定期更换。沿着装置分布的温度是不均匀的，圆柱体的中心部位的温度达到了圆点本身工作接近的最高极限值。

被应用的圆点允许被测定其表面的辐射率。将记录上的温度值与邻近区域的温度值进行比较。这个过程可能也被应用到实验期间和/或之后的实验期间直接在已经完成的热图像视频上分析数据。有可能采用类似于在上面第二个实验中描述的用于确定反应装置200平均温度的方式，将热图像分割成单独的区域。得到每个区域特定的辐射率。这个选择被证明在分析摄像机捕获的图像时是很有用的，因为它使得纠正辐射率(ε)的值成为可能，这个辐射率(ε)是在测试进行时的初始校准期间给分配到的。图像中的圆点有助于确定装置不同的区域具有不同的辐射率，因为油漆没有被均匀应用。此外，还可看到随着时间的推移，每个区域辐射率的变化，大概是因为受到持续的高温，油漆的性质发生了变化。为此，在第三个实验后分析数据时，考虑了很多时间间隔。反应装置400的热图像被分割成多个区域，并调整适当的辐射率值到相关的每个时间间隔。为了计算辐射能，测定了之后分配给装置的每个区域的温度，并得到这些结果的平均值。

相比第二个实验，第三个实验中另一个改进点在于在移除用于测试的同一个反应装置400内的燃料后，还做了进一步的测量（超出了实际的实验时间116小时）。有了这个被称作“虚拟体”的装置，用作评估的活动装置的有效方法进行了证实，并且法兰辐射的能量也被评估了，否则这些都很难评估。此外，和在第二个实验中一样，对整个第三个实验中反应装置400潜在辐射的辐射量进行了评估。通过一个合格的人再一次进行测量和分析，其结论可以概括地援引“关于仪器和周围环境的背景下，完成测量没有发现在曝光和CPM（每分钟计数）上的任何显著性的区别，着可能归咎于原型的操作”。

“虚拟体”在这里的意思是同样的反应装置400，但是具有一个没有钢质端盖和粉末燃料的内部圆筒410。这个“空载的”装置服从于在第三个实验的116小时之后执行测量，并继续保持运行大约6个小时。仪器和数据分析与那些用于活跃的反应装置400与燃料416的测试的相同。与虚拟体的数据相关的数据可以用于反应装置400的校准。

虚拟体的电功率通过相同的控制器402进行处理（图13），但是电功率是连续地应用于开/关循环。虚拟体的电阻线圈的功率逐步地加强，等待装置达到每一步的热平衡。在测试的最后一部分，虚拟体和控制箱的组合功率大约910-920W。电阻线圈功率损耗通过将仪器直接放置在单相线圈输入线缆上进行测量，发现其平均大概有810W。从这个可以导出，控制箱的功率损耗大概为110-120W。在这个功率下，电阻线圈单独产生的热量决定表面平均温度（法兰和后膛除外）几乎300℃，这非常接近在现场测试中反应装置400的同一区域的平均值。

不同的圆点被用于虚拟体的辐射率的测定。K型热电偶的热探头被放置在圆点底下来监控一个固定点的温度变化趋势。同样的探头也被用于有效的反应装置400来复查冷却阶段热成像摄像机读数。热探头测量出来的值总是比热成像摄像机得到的要高。温度的差异在有效的反应装置的情况下是最小的，在虚拟的情况下更显著，温度读数被证明总是高出大约2℃。这种不同最可能的原因是，事实上，当探头被覆盖在圆点固定其表面时，探头不能通过对流损耗任何热量，与其相邻的区域不同。

为了评估虚拟体通过辐射和对流所散失的功率，圆柱体的图像被圆点分割成5个区域，每个区域的平均辐射率分配为0.80。最后，关于后膛图像的分析决定这块区域的辐射率(ε)为另一个值：0.88。

这5个区域中，被辐射的热量也被计算了。再一次，采用斯蒂芬-玻尔兹曼公式乘以被考虑的面积，跟实验2一样（公式5）。对流所释放的功率通过公式9和10来计算。为了清晰，公式在下面再重复，随后附出概括结果的表格。

注意公式10中系数C"和n的值与上述实验2中所描述的一样，也就是C"=1.32，n=0.25，然而，这里的直径D=9厘米。另外，面积_虚拟体指的是没有法兰和后膛的装置的圆柱体。最后，由环境温度带来的影响因素，被称作是在上述的公式（7）中的“E(房间)”，已从每个区域的功率值中减去。这是假设环境温度为14.8℃的。

表6显示了每个区域通过辐射(E)和对流(Q)所散失的功率。E(房间)的值大约6.18W，已经从相关区域的功率E中减去了。

利用第二热成像摄像机，可监控后膛的温度，其温度基本稳定在225℃。可以计算出与虚拟体这部分相关联的总的辐射能的影响因素，值就是E-E（房间）=17W。至于法兰，不可能足够可靠地评估出它的温度，尽管事实上它部分地被红外相机所拍摄。对相关的热成像图进行仔细分析显露了部分热量是怎样从法兰散失的，事实上反射热是来自于虚拟体。事实上，法兰的位置使得它的侧边可以持续地接受到来自圆柱体的辐射热：如果把记录的温度归于法兰，就高估了总的辐射功率，对虚拟体的总能量来说，是以前没有解释的所有其它因素。所以，得出：

这最后一个值是关于所有未知值的贡献因素的总和，也就是：法兰的对流和辐射、后膛的对流（只有NB对流）、热传导的损耗和与评估相关的误差幅度。

由于虚拟体和反应装置400在操作过程中所达到的温度被认为是相似的，这个值也被用来计算反应装置400的相关功率，具有相同的意义。

关于第三个实验中反应装置400得到的数据的分析，最初的功率输入大约120W，在接下来的2个小时内逐步增加，直到达到能够引起其自我维持模式的一个合适值。从那以后，在接下来的114个小时，输入功率不再手动调整，电阻线圈的开/关循环之前几乎具有相同的时间间隔。在电阻线圈处于开的状态下，被反应装置400和控制器回路402同时吸收的瞬时功率在功率监控器320上显示很明显的。这个值在适时地有些波动，但无论如何都保持在910-930W这个范围内。功率监控器的显示屏上显示开/关的间隔的长度：根据测试的整个的持续时间，电阻线圈处于开的状态占大约整个持续时间的35%，关闭状态占剩下的65%。

在虚拟的情况下，为了确定反应装置400的平均温度，选择将热成像图分为5个区域，加上另一个后膛区域。在每天的测试过程中对不同时间片段（每个大约5个小时）的分析，显示该装置的行为或多或少保持不变，并且从第三天开始，变得特别稳定。采用类似于以前的过程，得到了5个区域中每个区域的平均温度，之后，使用公式（5）、（9）和（10），分别计算通过辐射和对流所损耗的功率。

反应装置400的典型热成像图中没有出现法兰，因为为热成像摄像机选择的显示范围内探测不到低于150℃的物体。

每个区域的辐射率值在各自的热成像摄像机视屏样本中被调整了，由于持续出现的圆点：根据位置和时间，辐射率的值在0.76和0.80之间波动。作为测试的进展，最强温度的区域具有稍微高于周围区域的辐射率，而且显示有轻微的上升趋势，可能是由于油漆性能方便的改变。

为了说明这个评估方法一定程度上的内在的随意性，决定分配给装置的不同区域一个基准温度。这是通过分配给所有区域的辐射率最常见的值并结合百分比误差来得到的。这个误差是两个极值之间不同所导致的，也即是通过指定给所有区域曾经在任何一个中发现过的最低水平的辐射率(=0.76)和通过指定给所有区域曾经发现过的最高水平的辐射率(=0.80)来得到温度。表7和8总结了结果：表7指的是不同辐射率(ε)值得5个区域中每个区域的平均温度，然而表8给出了在不同辐射率(ε)值条件下，通过辐射(E)和对流(Q)而发射的功率的平均值，同时考虑了这5和区域的总和。

表7提供与反应装置圆柱体分成的5个区域相关的平均温度，按辐射率的平均值(第一行)、绝对最小值(第二行)、绝对最大值(第三行)来计算，通过考虑到所有区域和所有分析到的时间间隔来进行核对。最后一列给出的是之前的5个区域中每个区域的值的平均数。

表8提供的是在不同的辐射率(ε)下，通过辐射(E)和对流(Q)产生的散失的功率值。这个值从所有5个区域的功率平均值开始算，减去由环境温度的影响因素所引起的E(房间)。

通过考虑每个区域ε的最大可能值和最小可能值之间的不同可得到散失功率的平均值的误差。因此，

可以从上面的最后一个值推断，关于辐射率的不确定性对结果的影响不大，因此应该考虑比最初评估的更低的参数临界进口。

关于后膛的平均温度，和其平均辐射率一样，证明随着时间的推移，是非常稳定的，平均温度值为224.8，平均辐射率值为0.88。因此，可以将它们与辐射功率E-E(房间)=17[W]联系起来。

此时，所有关于第三个实验中反应装置400的热功率的影响因素是可以看到的：圆柱体通过辐射和对流所散失的功率；通过后膛所辐射的功率；和一组遗漏的因素（热传导、后膛对流、法兰的辐射和对流）。现在可以得到一个全面评估值：

在测试完成时，第三个实验的反应装置400被打开，并且最内侧圆柱被取出，最内侧圆柱被端盖密封，内含粉末燃料。然后称重（1537.6克），随后在车床上从中间切开。在去除粉末燃料之前，再称依次圆柱体（1522.9克），以弥补钢制机械刨花所失去的。最后，里面的粉末被取出来，空的圆柱体被再称量一次（1522.6克）。这个重量就可以得出粉末燃料的大约0.3克。这里将其保守地取1克，为了考虑其它可能的与测量相关的误差来源。

根据PCE-830功率监测分析仪获得的数据，反应装置400和控制箱402所消耗的全部功率为37.58kWh。在第三个实验中，相关的瞬时功率在910和930W之间变化。所以它可能平均值在920±10W。为了确定反应装置单独消耗的功率，必须从这个值中减去控制箱消耗的功率。由于在反应装置测试过程中不能测量后者，就可能要在虚拟体测试过程中测试相关的控制箱的功率消耗。这个值在所有的可能性下高于在运转的反应装置的情况下，由于电子电路控制自身维持模式。采用了更保守的参数。

如果假设控制箱402吸收了大概110W，那么反应装置400的消耗量为：

事实上，随着时间的推移，这个功率并不是恒定的，但是可能只是涉及总测试时间的35%，可以计算装置的有效功率消耗：

进一步假设误差为10%，为了包含一切未知来源。这个范围的误差是热测量普遍接受的，而且这种情况下它们也包含了各种不同的不确定来源：那一些与反应装置400和控制箱402的消耗测量相关，那一些热成像摄像机操作的内在频率范围的限制，那一些与平均温度的测量相关。然后测试了反应装置在116小时内产生的能量：

从公式27中，可以确定这个参数，这个参数对评估反应装置400关于Ragone图的位置来说是必要的参数，这个位置处，特定的能量对不同的能量储存技术的是对数函数。

功率密度：

热能密度通过将公式28所得到的值与测试的小时数相乘而得到：

很容易从Ragone图(图10)中推断，这些值将反应装置400的活跃燃料416置于远离其它任何传统的化学能量来源大约三个数量级。

现在重复最后的计算，假设作为一个预防措施，所有的功率消耗都分配给反应装置400，没有考虑控制箱402的功率消耗（图13）。根据这个逻辑，反应装置400误差的最大值在公式24中给出，也就是(816-16)W=800W，得到：

公式28and公式29变为：

这样一来，这个结果仍然足以适用于排出反应装置400利用能量的传统来源的可能性。让我们联想到保守功率损耗的这个最后值的最坏情况：

然后功率密度和能量密度的值将是：

显然，即使在这种情况下是没有任何实质性变化的，在Ragone图中，考虑的能量来源在先前已知的化学能量来源中是否下降。

为了进一步确定其性能在化学能量密度的已知区域之外，也可以计算反应装置400的体积能量密度，通过参阅整个体积被内管占有，即1.5²π33=233cm³=0.233升。这是可能是最保守的和最盲目的方法。

采用最坏情况下的值，可以得到净功率，为800-354=446W；以这个数值乘以（3600x116），得到185MJ。这相当于体积能量密度为185/0.233=(7.93±0.8)102MJ/升，这意味着即使在最保守和“最坏情况下”，反应装置的总体积包含5mm厚的钢管，该值超过其它任何已知的化学来源至少一个数量级。

为了进一步的性能考虑，可以考虑性能系数（COP）的计算。根据工程学的定义，性能系数是装置的输出功率与其运行所需要的功率的比值，因此这种情况下，包括电子控制设备消耗功率。对于反应装置400，因此将有（假设在功率上有10%的不确定性）：

为了将这个数值与第二实验(5.6；公式19)中得到的COP值相比较，必须考虑到这两个数值是在不同的实验背景下获得的：公式19只是反应装置的散失功率和消耗功率的比值，没有可控硅功率供应，而公式36包括反应装置400控制装置仪器的功率消耗。

对这种比较有用的表达式如下：

因此，公式19和公式37分别给出了反应装置200（第二个实验）和反应装置400（第三个实验）的性能，不管用于控制它们的电子电路。

第二个实验和第三个实验中得到的值存在明显差异的原因，大概可以从增加温度COP的变化趋势中找到，这一事实，甚至可以在第一个实验中看到。在那种场合，达到一定的临界温度阈值足以引起反应分歧失控，并破坏装置。考虑到在第二个实验中，反应装置200的平均温度为438℃，反应装置400的平均温度为302℃，前一个装置的COP高于后一个的也是意料之中的。两个性能系数的不同可能仅仅是因为在两次实验中所用到的粉末燃料的量是不同的。

对第三个实验的反应装置400的一个有趣的方面是肯定它在自我维持的模式下操作的能力，温度和产生的能量的值是平均值，而不仅仅是通过在不同时间进行数据采集，它们还与电阻线圈本身的开/关周期有关。在图14中绘制了在几分钟时间内平均温度的趋势图，可以清楚看到在一个固定的周期内，平均温度在最大值和最小值之间的变化。在图14中，绘制了反应装置400的表面温度的平均值在几分钟之内的变化趋势图，注意装置的加热和冷却的趋势，这似乎不同于一般的通用电阻。这里所显示的是，装置内部反应的启动机制加速了温度的上升，并保持在冷却阶段的较高温度。

另一个非常有趣的行为是，同时显示的另一组曲线：随着时间的推移，反应装置产生的功率，和同一时间内消耗的功率。图15中是一个例子，其中提到三个间隔（I、II、III）。电阻线圈的开/关周期作为一个阶梯函数被绘制，装置的功率散失的趋势看起来是一个平滑的变化曲线。从阶梯函数的任何最低点，在功率散失曲线中可以区别三个有特色的时间间隔。第一（间隔I），散失的功率上升，但仍然在阶梯函数的输入功率之下，代表消耗功率。第二（间隔II），散失的功率上升至消耗功率之上，当电阻仍然打开时，其接近顶峰。第三（间隔III），电阻被关闭之后，散失功率达到它的顶峰之后开始下降至一个新的最小值，此时，电阻再次被打开。在第一个时间间隔，散失功率小于消耗功率；但是在第二间隔趋势逆转了，并继续这样作为第三间隔的开始。

可以进一步分析第三个实验中反应装置400产生的能量和消耗的能量的比值的趋势。在图16中，上面的锯齿状图是分析的结果，并且在这里和消耗功率的阶梯函数同时出现，这里的消耗功率被标准化为1。基本上，每一秒都考虑到了，上面曲线的对应值是做根据一个比值计算的，这个比值是所有的先前的几秒内的每一秒散失的功率之和与所有的先前的几秒内的每一秒消耗的功率之和之比。

上面描述的第二个和第三个实验的两个试验测量是在两个不同装置上进行的类似的方法。获得的结果显示，能量的产生量明显高于任何先前的化学能源。在第三个实验中，产生了大约净62kWh，消耗了大约33kWh，功率密度大约5.3x10⁵，热能量密度大约6.1xl0⁷Wh/kg。在第二实验中，产生了大约净160kWh，消耗了大约35kWh，功率密度大约7x10³，热能量密度大约6.8xl0⁵Wh/kg。两个结果之间的不同可能出现在高估了第二实验中电荷的重量（这里面包括了密封圆柱体的两个金属端盖），和第三实验中用于加强运行周期稳定性的保温温度的选择上。不管怎样，得到的这些结果都将装置在Ragone图中的位置远离化学来源对应的位置几个数量级之外。

即使从对体积能量密度的“盲目”评估来看，如果认为反应堆芯的整个体积和能量产生的最保守数字，仍将得到一个数值(7.93±0.8)x10²MJ/升，这个数值比任何传统的化学来源高出一个数量级。通过人为关闭反应器，而不是通过燃料耗尽来终止测试；所以，测量出的能量密度应该考虑作为实际值得下限。

系统600及实验结果

根据至少一个实施例，一个产热系统600如图17所示。根据至少一个实施例，该系统包括大量的单个反应装置。上文描述的反应装置400代表了供系统600使用的示范性选择，虽然包括反应装置200和其他型号的反应装置也在系统600的描述范围内。在系统600的具体例子中，共有18个反应装置被使用。每一个反应装置可能吸收大约1.1千瓦功率。

每一个反应装置，根据这些描述，包括一个在催化剂存在的条件下镍粉末和氢反应的反应室。电阻加热器可用于引发反应装置中的反应，例如，根据上文关于实验1、2和3（图1-16）的描述。电力发电机602提供了电能输入来触发反应的起始。

电力发电机602下游的电源板604调节反应装置的电流输入。电源板604可以根据计算机控制代码来运行一个自动监视程序。电源板604可以包括一个操作员响应按钮，这样一个操作员就可以监视热发生过程并控制它的输出了。

该电加热器放置在反应遮盖器606之中，反应遮盖器606代表多个反应装置的集体热壳和/或代表与多个反应装置对应的单个反应器避所，根据这些描述范围内的系统600的变化。根据这些变化，驱动电加热器引发反应装置内的放热反应。

由热反应产生的能量和/或热可通过热传递控制和收集，例如，在热交换过程中使用一种流体。例如，一种热交换流体，如水，可以通过反应遮盖器606内的泵610和一个蓄水池612与反应装置或反应遮盖器606进行热接触。流量计614产生数据信号来分析调节流量。尽管这里只具体描述了水可以作为一种热交换流体，但实际其它能满足热传递的流体都可以使用。

可能会通过计算设备来对放热反应产生的热进行控制，计算设备测量一个或多个因素，例如通过温度探头616测量温度，温度探头616可以检测到水和/或水蒸气的温度，以及系统600任何部分的其它温度条件，包括进入反应遮盖器606内。冷却液的流速可能手动调整或者各种不同的规范操作。例如，流速的变化可以根据操作者控制，或者根据一个或多个电脑系统进行调整。

在系统600的具体实施例中，系统600根据在这里描述的作为第四个实验的实验被评估，系统600包括如表9所描述的元素：

水盛放在放置在反应遮盖器606旁边的两个水箱620内，水通过水泵610输送至反应遮盖器。之后水被反应装置加热形成水蒸气。水蒸气被蒸汽管道的两根管子收集。然后水蒸气输送到反应遮盖器外壳外面的水泵和流量计。之后，两根管子合并为一根管子。

随后，水蒸气经过连续的空气交换器630和632，水蒸气冷凝。冷凝水然后又输送到放置在反应遮盖器606内的蓄水池612。接着，水又输送到水箱1（620a）和水箱2（620b），在这里水温被测量。

电力发电机602引发反应装置的热元件发生反应，水泵、反应遮盖器的内部服务和控制面板。散热器630和632（也就是空气交换器）在这个实验中是个风扇，通过在外面的电线634与公共电网相连接。线636代表外面的液压管。此外，在图6中：线640代表水管；线642代表水蒸气管；线644代表电线；线644代表紧急液压管。

在这个实验中，激活了电力发电机。测量了水蒸气和水箱620a的出口温度，这两个温度被自动记录。之后，实验过程停止，温度记录停止。实验中的性能系数(COP)就可以得到：

18个反应装置产生的能量可以通过加热水的热量、水蒸发的热量和过度加热水蒸气的热量三者的总和得到。

ER是指水加热到100℃的能量，计算如下：

其中：

MW1代表整个测试过程中水箱1内蒸发的水

TiWl代表来自于水箱2的水的入口温度

MW2代表整个测试过程中水箱2内蒸发的水

TW2代表来自于水箱2的水的入口温度

Csw代表水的比热，等于1.14瓦小时/(千克凯氏度数)

Tvw代表水的汽化温度，100℃

Ms代表整个测试过程中产生的水蒸气

ES是水蒸气加热的能量

Cps是蒸汽在恒压下的特定热能，这里的取值为0.542Wh/kg

Tos代表水蒸气的出口温度

Tvw代表水的汽化温度

在整个测试过程中，水蒸气的温度是通过两个相同或者非常近似的探头测量的。在整个测试过程中，水蒸气的压力始终与大气压相等。

为了保守，水蒸气的加热能量并没有被考虑。进口水的温度一直被认为是与整个测试过程中相同的测量的最大值相等。所有水加热的质量的测量值的不确定性都被考虑了。因此，整个测试过程中水输送的总质量被减去了10%。

关于吸收的能量(Ea)的计算，被吸收的能量由电力发电机602产生。为了保守，假设电力发电机602产生的能量都被18个反应装置吸收。实际上，这能量的一部分提供给了水泵，将水从内部的储水池运输至外部的两个水箱和水泵，这个水泵又将水由外部的水箱运输至反应装置。这个能量然后就不会去提供给反应装置。由电力发电机602自从其被激活产生的所有能量都在测试的上下文中被考虑了。

性能系数（COP）只有在反应装置运行期间被考虑了，也就是当水蒸气的环境压力下温度高于101℃时。在激活和停止阶段并没有考虑COP。

在测试开始，下列数值被测量：

MWlb=1050kg

MW2b=2100kg

TiWl=21.6℃

TiW2=22.4℃

Tos=121.3℃

电力发电机产生的能量=8.98kWh

在运行结束时，下列数值被测量：

MWle=1750kg

MW2e=3900kg

TiWl=54.4℃

TiW2=46.8℃

Tos=139.7℃

电力发电机产生的能量=140.7kWh

并减少10%，得：

MW1=630kg

MW2=1665kg

在测试期间，TiWl的最高值为54.9℃。TiW2的最高值为55.2。代入这些值：

以下是考虑了的：

整个测试过程中，出口水蒸汽的温度一直明显高于100℃。

因此，提供了一个捕捉产生的热量的系统。这个系统包括根据这里所公开的一个或多个装置的一个热发生器和利用热发生器将流体送入热换装置的流体交换器，这里的流体交换器是用来冷凝热的流体的。也提供了一个产生能量的方法，该方法包括通过这里所公开的一个或多个装置的一个热发生器产生热量和利用热发生器将冷却液体送入热换装置以及冷凝热的流体。

本发明公开一个或多个设备的多个应用程序。结合电热来源和燃料，用于热量的产生。这个有用的热量可用于本发明的交换器。此外，通过该装置产生热量是有它自己的热模式的，这个热模式或许有用。例如，装置的温度超过加热源的温度被利用了，在高温区选择热应用程序可能是有益的。就这一点而言，当持续提供有利的产热性时，性能系数可能显著变化具体的实施例和特征已经结合图做出了描述。需要说明的是这些描述并不局限于任何一个实施例或任何特定特征，可能出现的类似的或者经过修改和增加的实施例和特征都属于这些说明和附加的权利要求书的精神的范围内。

Claims (34)

1.一种反应装置包括：

一个定义内部的密封容器、

位于所述密封容器内部的燃料、和

邻近所述密封容器设置的加热元件，

其中，所述燃料包括包含有镍和氢的固体燃料，而且其中所述密封容器的内部在激活所述加热元件之前的初始状态不预装压缩气体。

2.根据权利要求1所述的反应装置，其特征在于，所述密封容器包括微量的气态氢。

3.根据权利要求1所述的反应装置，其特征在于，所述密封容器密封以防止气体的进入或外出。

4.根据权利要求1所述的反应装置，其特征在于，还包括位于所述密封容器和所述加热元件之间的第一陶瓷壳。

5.根据权利要求4所述的反应装置，其特征在于，还包括围绕所述第一陶瓷壳和所述加热元件设置的第二陶瓷壳。

6.根据权利要求1所述的反应装置，其特征在于，所述密封容器由钢材组成。

7.根据权利要求1所述的反应装置，其特征在于，所述密封容器包括具有两个被钢制端盖密封的端部的钢管。

8.根据权利要求1所述的反应装置，其特征在于，所述密封容器的内部是圆柱形的，所述燃料均匀分布在所述密封容器的内部。

8.根据权利要求1所述的反应装置，其特征在于，所述加热元件围绕所述密封容器设置。

9.根据权利要求1所述的反应装置，其特征在于，所述第一陶瓷壳围绕所述密封容器，并且所述加热元件围绕所述第一陶瓷壳。

10.根据权利要求9所述的反应装置，其特征在于，所述第二陶瓷壳围绕所述加热元件。

11.根据权利要求1所述的反应装置，其特征在于，所述加热元件包括一个电阻线圈组件。

12.根据权利要求12所述的反应装置，其特征在于，所述加热元件包括至少三个电阻线圈，平行于所述反应装置的中心轴且到所述中心轴的距离相等。

13.一种方法包括：

提供一个其中有燃料的密封容器，其中，所述密封容器的内部在初始状态不预装压缩气体；利用输入的能量加热密封容器，在加热期间没有燃料向密封容器中加入或者从密封容器中排出；和从密封容器中接收输出的大量热能。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，加热所述密封容器包括从密封容器的外部加热密封容器。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，加热所述密封容器包括启始所述密封容器内燃料的反应，所述燃料具有一个大于1x10⁵wh/kg的比能量。

16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，加热所述密封容器包括加热元件在打开和关闭状态之间交替。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，交替加热元件的打开和关闭状态包括周期性地给所述电阻线圈组件提供电流。

18.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，提供密封容器包括提供一个包含有固体燃料和微量气态氢气的密封容器。

19.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述固体燃料包括镍和氢。

20.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，进一步包括：监测密封容器的温度；并且加热密封容器包括根据监测温度有选择性地加热密封容器。

21.一种将输入的热和燃料转换成输出的热能的系统：包括一个装置：

该装置包括一个定义内部的密封容器；

邻近所述密封容器的加热元件，该加热元件被有选择性地激活以给密封容器提供热量，

所述密封容器内的燃料包括包含有镍和氢的固体燃料，而且其中所述密封容器的内部在激活所述加热元件之前的初始状态不预装压缩气体；

一个与所述装置相连的温度测量仪，用于检测温度；

一个与所述加热元件和所述温度测量仪相连的控制器，所述控制器根据温度测量仪的反馈的测量结果来激活所述加热元件。

22.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，所述密封容器包括微量的气态氢。

23.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，所述密封容器被密封以防止气体的进入或外出。

24.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，还包括位于所述密封容器和所述加热元件之间的第一陶瓷壳。

25.根据权利要求23所述的系统，其特征在于，还包括围绕所述第一陶瓷壳和所述加热元件设置的第二陶瓷壳。

26.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，所述密封容器由钢材组成。

27.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，所述密封容器包括具有两个被钢制端盖密封的端部的钢管。

28.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，所述密封容器的内部是圆柱形的，所述燃料均匀分布在所述密封容器的内部。

29.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，所述加热组件围绕所述密封容器设置。

30.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，所述第一陶瓷壳围绕所述密封容器，并且所述加热元件围绕所述第一陶瓷壳。

31.根据权利要求30所述的系统，其特征在于，所述第二陶瓷壳围绕所述加热元件设置。

32.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，所述加热元件包括电阻线圈组件。

33.根据权利要求32所述的系统，其特征在于，所述加热元件包括至少三个电阻线圈，平行于所述装置的中心轴且到所述中心轴的距离相等。