突破逆卡諾循環(huán)的鉗溫器制冷技術(shù)

摘 要：針對傳統(tǒng)空調(diào)的高耗電等弊端，本文通過研究其逆卡諾循環(huán)制冷原理，摒棄了“熱轉(zhuǎn)移”工作路徑，形成了由熱管、蓄熱器（潛熱態(tài)的固-固、固-液相變材料）、化熱器（熱電直接轉(zhuǎn)化技術(shù)）3個(gè)主要部件構(gòu)成，被溫控系統(tǒng)合理通斷的“熱轉(zhuǎn)化”工作路徑。目標(biāo)物廢熱先被熱管快速導(dǎo)出并導(dǎo)入蓄熱器中暫時(shí)儲存；蓄熱器中暫儲的廢熱進(jìn)一步被化熱器轉(zhuǎn)化為電能，至此完成目標(biāo)物的自行降溫。這個(gè)既“自源降溫”又“廢熱發(fā)電”的鉗溫器制冷技術(shù)能夠直接鉗溫固、液體目標(biāo)物，并借助固、液體目標(biāo)物間接鉗溫室內(nèi)空氣，具備等效傳統(tǒng)空調(diào)的功能。

關(guān)鍵詞：鉗溫器；逆卡諾循環(huán)；不用電空調(diào)；制冷技術(shù)

中圖分類號：TK 11" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

以傳統(tǒng)空調(diào)為主的現(xiàn)有降溫和制冷技術(shù)框架都是通過消耗外部電能將目標(biāo)物的熱能轉(zhuǎn)移到體外，從而消除自身的熱能積聚，達(dá)到降溫的目的。傳統(tǒng)空調(diào)是通過消耗外部電能做功，讓制冷劑在“液態(tài)—?dú)鈶B(tài)—液態(tài)”的相變循環(huán)中交替地吸熱、放熱，將室內(nèi)高溫?zé)崮苻D(zhuǎn)移到室外溫度更高的環(huán)境中，以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)制冷的效果[1]。正是逆卡諾循環(huán)原理讓全球化應(yīng)用的傳統(tǒng)空調(diào)既消耗了20%的社會用電，又加劇了全球變暖。

2018年誕生的發(fā)明專利鉗溫器（廢熱鉗制控制方法與自源式鉗溫器、車輛——專利號：ZL201710275353.6），屬于突破了逆卡諾循環(huán)的制冷新技術(shù)，可以把目標(biāo)物的熱能轉(zhuǎn)化為電能，“熱轉(zhuǎn)化”使目標(biāo)物減少熱能積聚，并自行使溫度降至人為設(shè)定溫度。

1 鉗溫器概況

1.1 鉗溫器研究的意義

為了解決傳統(tǒng)空調(diào)的弊端，鉗溫器構(gòu)造了目標(biāo)物廢熱自行從高溫處向低溫處傳遞并最終轉(zhuǎn)化為電能的工作路徑，以目標(biāo)物自身的廢熱為工作能源，通過“熱轉(zhuǎn)化”自源地完成降溫，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物制冷的功能，這完全異于傳統(tǒng)空調(diào)“熱轉(zhuǎn)移”的技術(shù)框架，從根本上解決了傳統(tǒng)空調(diào)由逆卡諾循環(huán)原理帶來的弊端。

鉗溫器制冷技術(shù)的2個(gè)特色使之具備了助力碳中和的巨大價(jià)值。1）對目標(biāo)物來說，它是“自源降溫”和“廢熱發(fā)電”功能的嵌合體。2）鉗溫器“直接降溫固、液體目標(biāo)物”。此外，“熱管的熱超導(dǎo)”使鉗溫器比傳統(tǒng)空調(diào)更快地對目標(biāo)物進(jìn)行降溫。

1.2 鉗溫器主要部件

按照工作路徑的先后順序依次是熱管、蓄熱器、化熱器。

1.2.1 熱管

熱管在自身兩端存在很小的溫差下就可以將熱能從其高溫的熱端迅速傳導(dǎo)到低溫的冷端的導(dǎo)熱元件，其導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過任何已知金屬。當(dāng)目標(biāo)物熱連通到熱管熱端時(shí)，其廢熱就可以迅速傳導(dǎo)到自身體外的冷端（熱管的熱、冷端最小導(dǎo)通溫差可以忽略）。

1.2.2 蓄熱器

蓄熱器由固-固或者固-液相變材料構(gòu)成。相變材料通過吸收（或者釋放）顯熱熱能，當(dāng)達(dá)到相變溫度的臨界值時(shí)，再繼續(xù)吸收（或者釋放）熱能，這些熱能只用于相態(tài)轉(zhuǎn)變（這里只是固-固或者固-液相態(tài)轉(zhuǎn)變），直至相態(tài)完全轉(zhuǎn)變?yōu)橹?，這期間相變材料始終保持相變溫度，形成了一個(gè)溫度平臺，這個(gè)過程所吸收（或者釋放）的熱量就是潛熱。與該材料的顯熱相比，潛熱的儲熱量巨大，可以充分暫儲來自熱管的目標(biāo)物熱能，并保持穩(wěn)定的相變溫度，由后續(xù)的化熱器去轉(zhuǎn)化掉[2-3]。

1.2.3 化熱器

將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能的部件。這里采用溫差發(fā)電和無溫差熱電轉(zhuǎn)化技術(shù)作為化熱器。

1.3 鉗溫器的結(jié)構(gòu)

鉗溫器的整體結(jié)構(gòu)就是把熱管、蓄熱器、化熱器3個(gè)主要部件依次、線性地組合起來，構(gòu)造了將目標(biāo)物熱能導(dǎo)出并轉(zhuǎn)化為電能的工作路徑。

1.3.1 目標(biāo)物熱連通熱管的熱端

有升溫趨勢的目標(biāo)物自身的廢熱是進(jìn)大于出的，但是對一般材質(zhì)的目標(biāo)物來說，一旦目標(biāo)物作為高溫廢熱源，熱連通工作路徑中的熱管熱端后，因?yàn)闊峁艿臒岢瑢?dǎo)性質(zhì)，所以目標(biāo)物廢熱自行從熱管熱端傳導(dǎo)到冷端的效率非常高，即熱管導(dǎo)出的熱量遠(yuǎn)大于熱傳遞（傳導(dǎo)、對流、輻射）進(jìn)入的熱量，目標(biāo)物動態(tài)熱量只會不斷減少（降溫），只要工作路徑正常運(yùn)行，目標(biāo)物就會不斷降溫到不低于熱管冷端的溫度（熱管的熱、冷端最小導(dǎo)通溫差可以忽略）[4]。

1.3.2 蓄熱器兩端分別熱連通熱管的冷端和化熱器

蓄熱器的前端面接受來自目標(biāo)物的廢熱，后端面將蓄熱器已經(jīng)暫時(shí)儲存的廢熱進(jìn)一步熱電轉(zhuǎn)化為有用的電能。通過溫控系統(tǒng)動態(tài)協(xié)調(diào)蓄熱器的“熱能導(dǎo)入”和“轉(zhuǎn)化為電能”，就能使蓄熱器始終處于潛熱狀態(tài)。顯而易見，熱連通蓄熱器的熱管冷端，即熱管冷端的溫度也就始終穩(wěn)定于該相變溫度，從而保證了目標(biāo)物可以持續(xù)降溫到不低于蓄熱器相變溫度的人為設(shè)定溫度[5]。

1.4 鉗溫器結(jié)構(gòu)示意圖

鉗溫器結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中鉗溫器和目標(biāo)物之間的溫控開關(guān)略去未畫出。

1.5 鉗溫器的工作原理

當(dāng)鉗溫器的結(jié)構(gòu)工作時(shí)，工作路徑根據(jù)目標(biāo)物或者蓄熱器的即時(shí)溫度，借助溫控系統(tǒng)按照特定的動作時(shí)序，合理地通斷上述3個(gè)部件相互之間的熱連通，連續(xù)、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物自行降溫的系統(tǒng)功能——目標(biāo)物廢熱被熱管快速導(dǎo)出（目標(biāo)物開始降溫）；廢熱再被導(dǎo)入潛熱狀態(tài)，在具有恒溫平臺的蓄熱器中大量暫時(shí)儲存；蓄熱器中暫儲的廢熱進(jìn)一步被化熱器轉(zhuǎn)化為電能，最終擺脫熱能形式，也恢復(fù)蓄熱器再次暫儲廢熱的能力，至此完成一輪目標(biāo)物的自行降溫，如此循環(huán)往復(fù)，直至將目標(biāo)物鉗制到不低于蓄熱器相變溫度的人為設(shè)定溫度（通俗地理解，蓄熱器相變溫度就是鉗溫器的鉗制溫度下限），溫控系統(tǒng)在至少一處、長時(shí)間地?cái)嚅_工作路徑，結(jié)束鉗溫過程。

鉗溫器既“自源降溫”，又“廢熱發(fā)電”，這個(gè)“嵌合性”過程就是鉗溫技術(shù)。首先，鉗溫器能夠直接鉗溫墻壁等固、液體目標(biāo)物。其次，借助被鉗溫的墻壁等，再迭代鉗溫它們所封閉的室內(nèi)空氣等目標(biāo)物，等效出傳統(tǒng)空調(diào)的功能。

2 蓄熱器部件的3種傳熱模式

蓄熱器是工作路徑上的傳熱中樞。在工程實(shí)施上，潛熱狀態(tài)的蓄熱器不可能做到“快導(dǎo)入”、“轉(zhuǎn)化掉”二者效率持續(xù)、穩(wěn)定相等的理想狀態(tài)，必然會出現(xiàn)“進(jìn)多出少”和“進(jìn)少出多”的實(shí)際情況，無論出現(xiàn)哪一種情況，都要盡快調(diào)節(jié)回匹配狀態(tài)。

因此，溫控系統(tǒng)及時(shí)通斷主要部件兩兩之間的熱連通，形成控制熱能進(jìn)、出蓄熱器的3種情況的動作時(shí)序，即“只進(jìn)不出”、“只出不進(jìn)”、和“同時(shí)進(jìn)出”，動作時(shí)序恰當(dāng)組合起來控制蓄熱器，就能讓具有巨大暫儲能力和恒定溫度值的潛熱發(fā)揮緩沖作用：暫儲潛熱以分流相對多余的“快導(dǎo)入”，釋放潛熱以彌補(bǔ)“轉(zhuǎn)化掉”所需熱能的相對不足。調(diào)劑“快導(dǎo)入”和“轉(zhuǎn)化掉”的效率不匹配，是鉗溫過程持續(xù)、穩(wěn)定的關(guān)鍵。

在蓄熱器潛熱狀態(tài)下，定義單位時(shí)間從熱管冷端傳導(dǎo)進(jìn)入蓄熱器的潛熱熱量為q1，單位時(shí)間化熱器從蓄熱器轉(zhuǎn)化掉的潛熱熱量為q2，蓄熱器的潛熱儲熱總量為Q。這樣，蓄熱器就形成3種傳熱模式。

2.1 當(dāng)q1gt;q2時(shí)的傳熱模式1

當(dāng)鉗溫器開始工作時(shí)，先溫控?zé)崮堋爸贿M(jìn)不出”，蓄熱器快速升溫至相變溫度，進(jìn)入準(zhǔn)相變的潛熱狀態(tài)。此時(shí)，蓄熱器有Q的潛熱能力接受廢熱。接著，溫控進(jìn)入“同時(shí)進(jìn)出”的工作過程，蓄熱器單位時(shí)間“快導(dǎo)入”q1，“轉(zhuǎn)化掉” q2， 單位時(shí)間有（q1-q2）的熱量儲存為蓄熱器的潛熱，直至蓄熱器的即時(shí)潛熱達(dá)到Q，以完全相變狀態(tài)完成鉗溫來程。接著，溫控?zé)崮堋爸怀霾贿M(jìn)”，直至蓄熱器的潛熱Q以單位時(shí)間 q2 全部“轉(zhuǎn)化掉”、蓄熱器回到準(zhǔn)相變狀態(tài)，完成鉗溫回程并進(jìn)入下一輪開始階段。在此模式中，蓄熱器通過潛熱形式暫儲一部分的“快導(dǎo)入”熱量，通過分流“快導(dǎo)入”來調(diào)劑“轉(zhuǎn)化掉”效率的相對不足，避免蓄熱器升溫超過相變溫度，造成熱管冷端也隨之升溫，使熱管因自身溫差不足而停止導(dǎo)通，鉗溫過程誤中止。其實(shí)物模擬圖如圖2所示。

2.2 當(dāng)q1lt;q2時(shí)的傳熱模式2

當(dāng)鉗溫器開始工作時(shí)，控制熱能“只進(jìn)不出”，蓄熱器快速升溫進(jìn)入完全相變的潛熱狀態(tài)。此時(shí)，蓄熱器是相變溫度，但是已經(jīng)暫儲滿了潛熱Q，完成鉗溫來程。接著，溫控進(jìn)入“同時(shí)進(jìn)出”的工作過程，蓄熱器單位時(shí)間“快導(dǎo)入”q1，“轉(zhuǎn)化掉” q2， 單位時(shí)間“快導(dǎo)入”相對“轉(zhuǎn)化掉”就存在（q2-q1）的缺口，也就需要蓄熱器的儲熱Q不斷轉(zhuǎn)化掉來彌補(bǔ)這個(gè)缺口，直至Q全部轉(zhuǎn)化掉，蓄熱器恢復(fù)到準(zhǔn)相變狀態(tài)，完成鉗溫回程進(jìn)入下一輪開始階段。此模式中，蓄熱器通過適時(shí)釋放、轉(zhuǎn)化潛熱，彌補(bǔ)了“快導(dǎo)入”相對“轉(zhuǎn)化掉”的效率不足，在鉗溫過程中蓄熱器始終穩(wěn)定于相變溫度，在“快導(dǎo)入”、“轉(zhuǎn)化掉”不匹配的情況下鉗溫過程也能保持穩(wěn)定。其實(shí)物模擬圖如圖3所示。

2.3 q1gt;q2a、q1lt;q2b化熱器交替工作的傳熱模式3

在q1始終保持恒定的情況下，模式3的來程使用q1gt;q2a組（“同時(shí)進(jìn)出”），直至蓄熱器的即時(shí)潛熱達(dá)到Q；然后，進(jìn)入模式3的回程，則使用q1lt;q2b組（“同時(shí)進(jìn)出”），直至蓄熱器潛熱Q全部轉(zhuǎn)化掉，回復(fù)到準(zhǔn)相變狀態(tài)進(jìn)入下一輪開始階段。因此，傳熱模式3中的熱管和蓄熱器之間可以省略掉溫控開關(guān)（二者采用固接），兩組化熱器和蓄熱器通過兩個(gè)溫控開關(guān)控制通斷，兩個(gè)化熱器交替鉗溫可以使目標(biāo)物保持被連續(xù)、穩(wěn)定鉗溫的狀態(tài)。其實(shí)物模擬圖如圖4所示。

3 采用無溫差熱電轉(zhuǎn)化技術(shù)的展望

溫差發(fā)電是2種不同金屬或者半導(dǎo)體形成的回路，只要保持兩端結(jié)點(diǎn)的溫度差，回路的高溫端就吸收外界熱量，一部分熱電轉(zhuǎn)化，一部分熱量轉(zhuǎn)移到低溫端，只要不讓低溫端熱量積累，保持兩端結(jié)點(diǎn)的溫度差，就能持續(xù)熱電轉(zhuǎn)化[6]。

溫差發(fā)電是市場所認(rèn)知的熱電直接轉(zhuǎn)化技術(shù)，如果化熱器采用溫差發(fā)電，不但熱電轉(zhuǎn)化效率不高，而且“溫差”嚴(yán)重限制應(yīng)用場景。

為了獲得理想的化熱器，已經(jīng)研究出無溫差熱電轉(zhuǎn)換專利技術(shù)——《基于非對稱塞貝克效應(yīng)的熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和無溫差發(fā)電器》（實(shí)用新型專利，專利號：ZL 2023 2 0852883.3），它通過改造溫差發(fā)電的雙金屬結(jié)構(gòu)，擺脫了熱電轉(zhuǎn)化對“溫差”的依賴。

這個(gè)無溫差熱電轉(zhuǎn)化技術(shù)基于2點(diǎn)。1）基于2種電子導(dǎo)電材料的接觸電勢差，具有電源性和電阻性的區(qū)別。根據(jù)公知常識，2種電子導(dǎo)電材料在接觸面產(chǎn)生的接觸電勢差會表現(xiàn)出不同的的特性。其中，只有2種不同金屬（或合金）之間的接觸電勢差才是接觸電動勢，表現(xiàn)出電動勢的特性可作為電源；其他材料之間形成的接觸電勢差只能是勢壘，表現(xiàn)出電阻的特性。目前，可以確定金屬和半導(dǎo)體之間的接觸電勢差就是勢壘。2）雙金屬熱電偶串接入一個(gè)非金屬電子導(dǎo)電材料，就與雙金屬熱電偶產(chǎn)生了質(zhì)的變化。雙金屬熱電偶存在2個(gè)接頭，必然存在2個(gè)接觸電動勢，在無溫差情況下，它們方向相反且大小相等，回路的總電動勢為零，必須依靠“溫差”使它們一大一?。ù藭r(shí)，回路還產(chǎn)生了2個(gè)溫差電動勢，但是它們的數(shù)值可以忽略），才能得到不為零的總電動勢。當(dāng)用非金屬電子導(dǎo)電材料（例如用半導(dǎo)體）串接入雙金屬熱電偶時(shí)，回路只有2個(gè)勢壘（電阻性的接觸電勢差）和1個(gè)接觸電動勢，這唯一的接觸電動勢也就是無溫差情況下的總電動勢，回路因此也必然有電流，按照帕爾貼效應(yīng)，接觸電動勢接頭處就會從外界吸熱，回路就持續(xù)進(jìn)行無溫差熱電轉(zhuǎn)化。非金屬電子導(dǎo)電材料的選擇，使2個(gè)勢壘處帕爾貼效應(yīng)的吸/放熱小到可以忽略。半導(dǎo)體這樣的非金屬電子導(dǎo)電材料廣泛存在，與金屬的勢壘也能做到很小；2種金屬的功函數(shù)大小匹配，就能得到1.5V以上的接觸電動勢。這樣，“雙金屬熱電偶串接入一個(gè)非金屬電子導(dǎo)電材料的電子導(dǎo)通回路，被2個(gè)勢壘替代掉1個(gè)接觸電動勢，憑借剩余的、唯一的接觸電動勢處的帕爾貼效應(yīng)實(shí)現(xiàn)無溫差熱電轉(zhuǎn)化”——這是打造化熱器的實(shí)用技術(shù)。

4 鉗溫器的特色和應(yīng)用場景

4.1 顛覆傳統(tǒng)空調(diào)

作為不用電空調(diào)，鉗溫器不消耗社會電力，還額外利用廢熱發(fā)電。技術(shù)上還無風(fēng)吹、無噪聲，并且經(jīng)濟(jì)、簡單和小型化。

4.2 挖掘制冷新需求

鉗溫器與固、液體目標(biāo)物的制冷新場景相結(jié)合，將很大程度地開發(fā)和滿足社會化的新需求。例如對數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、航天航空、軍事裝備的鉗溫；開發(fā)固、液體不能達(dá)到燃點(diǎn)溫度的消防新技術(shù)等。

4.3 綠色電能技術(shù)

當(dāng)一個(gè)鉗溫器單體以“巨大”的廢熱源為目標(biāo)物時(shí)，因?yàn)椴黄ヅ?，所以不能使目?biāo)物被可感知的鉗溫，特化為持續(xù)獲得電能的廢熱發(fā)電裝置。

5 結(jié)語

鉗溫器是突破了逆卡諾循環(huán)的制冷技術(shù)，它對固、液體目標(biāo)物既“自源降溫”又“廢熱發(fā)電”的嵌合性過程就是自源地“熱轉(zhuǎn)化”的鉗溫過程，具有經(jīng)濟(jì)、簡單和便捷的優(yōu)勢。

一旦社會化應(yīng)用，無數(shù)的鉗溫器單體還可以虛擬出一個(gè)同樣具有“嵌合性”的巨鉗溫器，把主要由太陽能所造成的地球廢熱轉(zhuǎn)化為可用能源，遏制全球變暖，又由此源源不斷地獲得除水、風(fēng)、光之外的新綠色電能，助力實(shí)現(xiàn)碳中和。

參考文獻(xiàn)

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