一种热能完全转化为电能的装置的制造方法
一种热能完全转化为电能的装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及溫差电池，热交换器，热累。
【背景技术】 阳〇〇引 目前：溫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W下几项： ① 在热端吸收的巧尔帖热Q1 Ql= a2TUTl-TO)/〇Hr) ② 由热端传导到冷端的热量Qm Qm = K(Tl-T0)式中Κ为热导Κ= (A1s1+A2s2)/ 1式中λ 1、λ 2分别为两臂的热导率。
[0003] ③溫差电池内部，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。
[0004] 汤姆逊热较小，可W忽略不计。 阳0化]在最大输出功率条件下，即R = r时，溫差电池的效率为式中称为溫差材料的品 质因数。如果选则得最大效率为因此，溫差发电机的效率主要取决于热端和冷端的溫度 和溫差发电材料的品质因数Z，Z值还强烈地依赖于溫度，因而对于不同的工作溫度需要选 取不同的材料。最早用的溫差发电材料为化Sb合金（P型），用康铜片（N型）连接，其热 端溫度可达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0,是较好的低溫溫差发电材料。在300到600的中等溫区，常采用 PbTe或PbTe与SnTe或PbSe的固溶体、GeTe、Ag訊Te2等作溫差发电材料。600 W上的高 溫发电材料有Ge-Si合金、MnTe等。人们对稀±元素的硫化物、碳棚化合物W及In-Ga-As 系已作了较多的研究。在溫差发电机中，在较大溫差下，为了使溫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，处于不同溫度的电偶臂的各段，采用不同材料 或不同成分。两段电偶臂采用不同材料。运种结构当上端溫度为550、溫差为530时，效率 可达12%。成分分段改变的溫差电池，当热端溫度为1000K，冷端溫度为300K时效率可达 12%~15%。
[0006] 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，W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W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）Ξ大类。按其表面的紧凑程度可分为紧凑式和非紧凑式两类。
[0007] 热交换器的理论效率可W达到100%。
[0008] 假设有潜热均匀分布的物质，有100千克溫度为100摄氏度的物质命名为A，有 100千克溫度为0摄氏度的物质命名为B。A，B为同一物质。
[0009] 假设把A和B相互接触到溫度相同可得100千克溫度为50摄氏度的A和100千 克溫度为50摄氏度的B。
[0010] 假设把A，B平均分成两份后依次接触到溫度相同最后可得100千克溫度为37. 5 摄氏度的A100千克溫度为62. 5摄氏度的B。
[0011] 假设把A,B平均分成3份后依次接触到溫度相同最后可得100千克溫度为31. 25 摄氏度的A100千克溫度为68. 75摄氏度的B。
[0012] 假设把A，B平均分成8份后依次接触到溫度相同最后可得100千克溫度为19. 638 摄氏度的A认为是8列的平均值和100千克溫度为80. 362摄氏度的B认为是8行的平均 值。
[0013] 将8次W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份后依次接触到溫度相同最后可得100千克溫度为5. 6摄 氏度的A和100千克溫度为94. 4摄氏度的B。
[0014] 假设把A，B平均分成261份后依次接触到溫度相同最后可得100千克溫度为3. 5 摄氏度的A100千克溫度为96. 6摄氏度的B。 阳015] 当分为无穷份最后有100千克溫度为0摄氏度的A和100千克溫度为100摄氏度 的B。也就热交换器效率达到100%的时候。
[0016] 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溫过程。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溫热源交换热量，没有散热、漏气、磨擦等损耗。为使过程是准静态过 程，工作物质从高溫热源吸热应是无溫度差的等溫膨胀过程，同样，向低溫热源放热应是等 溫压缩过程。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。
[0017] 卡诺进一步证明了下述卡诺定理：①在相同的高溫热源和相同的低溫热源之间工 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分别是高溫和低溫热源的 绝对溫度。②在相同的高溫热源和相同的低溫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。
[001引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。 阳019] 卡诺循环效率=1- Τζ/ Τι 卡诺热累效率=1/化-了2) 热累技术：节能效比是要看天气的，即环境溫湿度条件不同，其能效比不一样。像室外 25°C运样的条件下，能效比在（3.5~4 )左右；室外13°C时，能效比约（2.S-3.3);如果室外 溫度-l〇°C甚至W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】
[0020] 运里提供一种重新定义溫差电池效率的方法和装置和其使用。
[0021] 将热交换器的导热材料换成溫差材料(至少两种不同的溫差材料)，由溫差材料组 成溫差电池。运样的溫差电池效率不再是传统溫差电池的效率而是溫差材料的效率+溫差 的效率。
[0022] 将热交换器中冷流冷却和热流加热的导热材料替换成溫差材料然后溫差材料组 成溫差电池。
[0023] 最好是冷流和热流沿着溫差电池电流的路径流动(溫差接头除外)。
[0024] 假设热交换器的热流溫度为T。冷流溫度为T b，冷流被热流加热后比热流溫度底Τι 摄氏度，热流被冷流冷却后比冷流溫度高Τ2摄氏度。热交换器小效率为（Τι+ 了2)/ (Τ。一 Tb)。
[00巧]热交换器结合溫差电池后设溫差电池吸收的热能降低热交换器的热端溫度为T3。
[0026] 折算为整体的机械输出效率为T3+ ( 1-Tb/灯。-T3)) 当Τι和T 2为零时运样的热交换电池的效率将大于卡诺循环的效率。
[0027] 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，热福射的情况下流体将永远流动，而且高溫 端，低溫端溫度将不会改变。在运个时候再引入溫差电池就可W得出高于冷端的溫度的热 能将完全变成电能的结论。运个是理想情况运个是不可能存在的。但是运样的溫差电池的 效率将会大幅提高。可W运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+溫差电池内部，电流I流过所放出的焦耳热+汤姆逊热)。
[0028] 假设环境溫度为300K。有运样一个热交换器巧日图3):高溫端的流体1000K，低溫 端的流体300K，低溫流体经过热交换器加热后的流体溫度比热流溫度低1摄氏度，高溫流 体经过热交换器冷却后的流体比冷流高1摄氏度。则加热后的流体溫度为999K,冷却后的 流体为30化。运时热交换器的效率为99. 8%。运个时候将热交换器的导热材料做成溫差 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)。热交换器和溫差电池能量损失0.2%。运个时候热交换器加热后的流体溫 度为 1000X (1 - 12%- 0. 2%) = 878K。
[0029] 根据图3增加循环累和热累如图4,用循环累推动热交换器流体循环，用热累加热 878K的流体到1000K需要122K的热量。热累吸收热量的环境溫度为300K。用逆卡诺热累 加热需要电能百分比为122今（1000/ (1000-300))今1000=8. 7%故有运样的一个装置可 W发12%的电能，要消耗8. 7的电能，循环累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。
[0030] 图4同时也是一个溫差电池效率的测量装置。溫差电池效率=热累的电机功率比 溫差电池输出功率。
[0031] 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,溫差接头5,溫差接6,溫差材料A做 成的管7,溫差材料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。
[0032] 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,溫差接头5,溫差接6,溫差材料A做 成的管7,溫差材料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，循环累X。
【附图说明】
[0033] 图1是管壳式热交换器结构示意图 图2是热交换器与溫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。
【主权项】
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. -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. -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栗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，热栗冷却热交换电池的热流冷端流出的流体然后通向冷端入 □〇5. 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栗的连接。6. -种热交换电池效率测量装置其特征在于热栗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，热栗冷却热交换电池的热流冷端流出的流体然后通向冷端入 □〇7. -种热交换电池效率测量装置其特征在热交换电池与循环栗的连接。
【专利摘要】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。
【IPC分类】H02N11/00
【公开号】CN105490586
【申请号】CN201510890569
【发明人】不公告发明人
【申请人】郭富强
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月8日
【技术领域】
[0001] 本发明设及溫差电池，热交换器，热累。
【背景技术】 阳〇〇引 目前：溫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W下几项： ① 在热端吸收的巧尔帖热Q1 Ql= a2TUTl-TO)/〇Hr) ② 由热端传导到冷端的热量Qm Qm = K(Tl-T0)式中Κ为热导Κ= (A1s1+A2s2)/ 1式中λ 1、λ 2分别为两臂的热导率。
[0003] ③溫差电池内部，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。
[0004] 汤姆逊热较小，可W忽略不计。 阳0化]在最大输出功率条件下，即R = r时，溫差电池的效率为式中称为溫差材料的品 质因数。如果选则得最大效率为因此，溫差发电机的效率主要取决于热端和冷端的溫度 和溫差发电材料的品质因数Z，Z值还强烈地依赖于溫度，因而对于不同的工作溫度需要选 取不同的材料。最早用的溫差发电材料为化Sb合金（P型），用康铜片（N型）连接，其热 端溫度可达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0,是较好的低溫溫差发电材料。在300到600的中等溫区，常采用 PbTe或PbTe与SnTe或PbSe的固溶体、GeTe、Ag訊Te2等作溫差发电材料。600 W上的高 溫发电材料有Ge-Si合金、MnTe等。人们对稀±元素的硫化物、碳棚化合物W及In-Ga-As 系已作了较多的研究。在溫差发电机中，在较大溫差下，为了使溫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，处于不同溫度的电偶臂的各段，采用不同材料 或不同成分。两段电偶臂采用不同材料。运种结构当上端溫度为550、溫差为530时，效率 可达12%。成分分段改变的溫差电池，当热端溫度为1000K，冷端溫度为300K时效率可达 12%~15%。
[0006] 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，W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W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）Ξ大类。按其表面的紧凑程度可分为紧凑式和非紧凑式两类。
[0007] 热交换器的理论效率可W达到100%。
[0008] 假设有潜热均匀分布的物质，有100千克溫度为100摄氏度的物质命名为A，有 100千克溫度为0摄氏度的物质命名为B。A，B为同一物质。
[0009] 假设把A和B相互接触到溫度相同可得100千克溫度为50摄氏度的A和100千 克溫度为50摄氏度的B。
[0010] 假设把A，B平均分成两份后依次接触到溫度相同最后可得100千克溫度为37. 5 摄氏度的A100千克溫度为62. 5摄氏度的B。
[0011] 假设把A,B平均分成3份后依次接触到溫度相同最后可得100千克溫度为31. 25 摄氏度的A100千克溫度为68. 75摄氏度的B。
[0012] 假设把A，B平均分成8份后依次接触到溫度相同最后可得100千克溫度为19. 638 摄氏度的A认为是8列的平均值和100千克溫度为80. 362摄氏度的B认为是8行的平均 值。
[0013] 将8次W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份后依次接触到溫度相同最后可得100千克溫度为5. 6摄 氏度的A和100千克溫度为94. 4摄氏度的B。
[0014] 假设把A，B平均分成261份后依次接触到溫度相同最后可得100千克溫度为3. 5 摄氏度的A100千克溫度为96. 6摄氏度的B。 阳015] 当分为无穷份最后有100千克溫度为0摄氏度的A和100千克溫度为100摄氏度 的B。也就热交换器效率达到100%的时候。
[0016] 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溫过程。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溫热源交换热量，没有散热、漏气、磨擦等损耗。为使过程是准静态过 程，工作物质从高溫热源吸热应是无溫度差的等溫膨胀过程，同样，向低溫热源放热应是等 溫压缩过程。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。
[0017] 卡诺进一步证明了下述卡诺定理：①在相同的高溫热源和相同的低溫热源之间工 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分别是高溫和低溫热源的 绝对溫度。②在相同的高溫热源和相同的低溫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。
[001引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。 阳019] 卡诺循环效率=1- Τζ/ Τι 卡诺热累效率=1/化-了2) 热累技术：节能效比是要看天气的，即环境溫湿度条件不同，其能效比不一样。像室外 25°C运样的条件下，能效比在（3.5~4 )左右；室外13°C时，能效比约（2.S-3.3);如果室外 溫度-l〇°C甚至W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】
[0020] 运里提供一种重新定义溫差电池效率的方法和装置和其使用。
[0021] 将热交换器的导热材料换成溫差材料(至少两种不同的溫差材料)，由溫差材料组 成溫差电池。运样的溫差电池效率不再是传统溫差电池的效率而是溫差材料的效率+溫差 的效率。
[0022] 将热交换器中冷流冷却和热流加热的导热材料替换成溫差材料然后溫差材料组 成溫差电池。
[0023] 最好是冷流和热流沿着溫差电池电流的路径流动(溫差接头除外)。
[0024] 假设热交换器的热流溫度为T。冷流溫度为T b，冷流被热流加热后比热流溫度底Τι 摄氏度，热流被冷流冷却后比冷流溫度高Τ2摄氏度。热交换器小效率为（Τι+ 了2)/ (Τ。一 Tb)。
[00巧]热交换器结合溫差电池后设溫差电池吸收的热能降低热交换器的热端溫度为T3。
[0026] 折算为整体的机械输出效率为T3+ ( 1-Tb/灯。-T3)) 当Τι和T 2为零时运样的热交换电池的效率将大于卡诺循环的效率。
[0027] 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，热福射的情况下流体将永远流动，而且高溫 端，低溫端溫度将不会改变。在运个时候再引入溫差电池就可W得出高于冷端的溫度的热 能将完全变成电能的结论。运个是理想情况运个是不可能存在的。但是运样的溫差电池的 效率将会大幅提高。可W运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+溫差电池内部，电流I流过所放出的焦耳热+汤姆逊热)。
[0028] 假设环境溫度为300K。有运样一个热交换器巧日图3):高溫端的流体1000K，低溫 端的流体300K，低溫流体经过热交换器加热后的流体溫度比热流溫度低1摄氏度，高溫流 体经过热交换器冷却后的流体比冷流高1摄氏度。则加热后的流体溫度为999K,冷却后的 流体为30化。运时热交换器的效率为99. 8%。运个时候将热交换器的导热材料做成溫差 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)。热交换器和溫差电池能量损失0.2%。运个时候热交换器加热后的流体溫 度为 1000X (1 - 12%- 0. 2%) = 878K。
[0029] 根据图3增加循环累和热累如图4,用循环累推动热交换器流体循环，用热累加热 878K的流体到1000K需要122K的热量。热累吸收热量的环境溫度为300K。用逆卡诺热累 加热需要电能百分比为122今（1000/ (1000-300))今1000=8. 7%故有运样的一个装置可 W发12%的电能，要消耗8. 7的电能，循环累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。
[0030] 图4同时也是一个溫差电池效率的测量装置。溫差电池效率=热累的电机功率比 溫差电池输出功率。
[0031] 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,溫差接头5,溫差接6,溫差材料A做 成的管7,溫差材料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。
[0032] 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,溫差接头5,溫差接6,溫差材料A做 成的管7,溫差材料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，循环累X。
【附图说明】
[0033] 图1是管壳式热交换器结构示意图 图2是热交换器与溫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。
【主权项】
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. -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. -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栗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，热栗冷却热交换电池的热流冷端流出的流体然后通向冷端入 □〇5. 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栗的连接。6. -种热交换电池效率测量装置其特征在于热栗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，热栗冷却热交换电池的热流冷端流出的流体然后通向冷端入 □〇7. -种热交换电池效率测量装置其特征在热交换电池与循环栗的连接。
【专利摘要】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。
【IPC分类】H02N11/00
【公开号】CN105490586
【申请号】CN201510890569
【发明人】不公告发明人
【申请人】郭富强
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月8日
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