突破逆卡諾循環的鉗溫器制冷技術

2024-12-21 00:00:00董靖峰盧毅超朱若東

中國新技術新產品 2024年16期

摘要：針對傳統空調的高耗電等弊端，本文通過研究其逆卡諾循環制冷原理，摒棄了“熱轉移”工作路徑，形成了由熱管、蓄熱器（潛熱態的固-固、固-液相變材料）、化熱器（熱電直接轉化技術）3個主要部件構成，被溫控系統合理通斷的“熱轉化”工作路徑。目標物廢熱先被熱管快速導出并導入蓄熱器中暫時儲存；蓄熱器中暫儲的廢熱進一步被化熱器轉化為電能，至此完成目標物的自行降溫。這個既“自源降溫”又“廢熱發電”的鉗溫器制冷技術能夠直接鉗溫固、液體目標物，并借助固、液體目標物間接鉗溫室內空氣，具備等效傳統空調的功能。

關鍵詞：鉗溫器；逆卡諾循環；不用電空調；制冷技術

中圖分類號：TK 11" " " 文獻標志碼：A

以傳統空調為主的現有降溫和制冷技術框架都是通過消耗外部電能將目標物的熱能轉移到體外，從而消除自身的熱能積聚，達到降溫的目的。傳統空調是通過消耗外部電能做功，讓制冷劑在“液態—氣態—液態”的相變循環中交替地吸熱、放熱，將室內高溫熱能轉移到室外溫度更高的環境中，以實現室內制冷的效果[1]。正是逆卡諾循環原理讓全球化應用的傳統空調既消耗了20%的社會用電，又加劇了全球變暖。

2018年誕生的發明專利鉗溫器（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的制冷新技術，可以把目標物的熱能轉化為電能，“熱轉化”使目標物減少熱能積聚，并自行使溫度降至人為設定溫度。

1 鉗溫器概況

1.1 鉗溫器研究的意義

為了解決傳統空調的弊端，鉗溫器構造了目標物廢熱自行從高溫處向低溫處傳遞并最終轉化為電能的工作路徑，以目標物自身的廢熱為工作能源，通過“熱轉化”自源地完成降溫，實現目標物制冷的功能，這完全異于傳統空調“熱轉移”的技術框架，從根本上解決了傳統空調由逆卡諾循環原理帶來的弊端。

鉗溫器制冷技術的2個特色使之具備了助力碳中和的巨大價值。1）對目標物來說，它是“自源降溫”和“廢熱發電”功能的嵌合體。2）鉗溫器“直接降溫固、液體目標物”。此外，“熱管的熱超導”使鉗溫器比傳統空調更快地對目標物進行降溫。

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到低溫的冷端的導熱元件，其導熱能力遠遠超過任何已知金屬。當目標物熱連通到熱管熱端時，其廢熱就可以迅速傳導到自身體外的冷端（熱管的熱、冷端最小導通溫差可以忽略）。

1.2.2 蓄熱器

蓄熱器由固-固或者固-液相變材料構成。相變材料通過吸收（或者釋放）顯熱熱能，當達到相變溫度的臨界值時，再繼續吸收（或者釋放）熱能，這些熱能只用于相態轉變（這里只是固-固或者固-液相態轉變），直至相態完全轉變為止，這期間相變材料始終保持相變溫度，形成了一個溫度平臺，這個過程所吸收（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物熱能，并保持穩定的相變溫度，由后續的化熱器去轉化掉[2-3]。

1.2.3 化熱器

將熱能直接轉化為電能的部件。這里采用溫差發電和無溫差熱電轉化技術作為化熱器。

1.3 鉗溫器的結構

鉗溫器的整體結構就是把熱管、蓄熱器、化熱器3個主要部件依次、線性地組合起來，構造了將目標物熱能導出并轉化為電能的工作路徑。

1.3.1 目標物熱連通熱管的熱端

有升溫趨勢的目標物自身的廢熱是進大于出的，但是對一般材質的目標物來說，一旦目標物作為高溫廢熱源，熱連通工作路徑中的熱管熱端后，因為熱管的熱超導性質，所以目標物廢熱自行從熱管熱端傳導到冷端的效率非常高，即熱管導出的熱量遠大于熱傳遞（傳導、對流、輻射）進入的熱量，目標物動態熱量只會不斷減少（降溫），只要工作路徑正常運行，目標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物的廢熱，后端面將蓄熱器已經暫時儲存的廢熱進一步熱電轉化為有用的電能。通過溫控系統動態協調蓄熱器的“熱能導入”和“轉化為電能”，就能使蓄熱器始終處于潛熱狀態。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定于該相變溫度，從而保證了目標物可以持續降溫到不低于蓄熱器相變溫度的人為設定溫度[5]。

1.4 鉗溫器結構示意圖

鉗溫器結構如圖1所示，其中鉗溫器和目標物之間的溫控開關略去未畫出。

1.5 鉗溫器的工作原理

當鉗溫器的結構工作時，工作路徑根據目標物或者蓄熱器的即時溫度，借助溫控系統按照特定的動作時序，合理地通斷上述3個部件相互之間的熱連通，連續、穩定地實現目標物自行降溫的系統功能——目標物廢熱被熱管快速導出（目標物開始降溫）；廢熱再被導入潛熱狀態，在具有恒溫平臺的蓄熱器中大量暫時儲存；蓄熱器中暫儲的廢熱進一步被化熱器轉化為電能，最終擺脫熱能形式，也恢復蓄熱器再次暫儲廢熱的能力，至此完成一輪目標物的自行降溫，如此循環往復，直至將目標物鉗制到不低于蓄熱器相變溫度的人為設定溫度（通俗地理解，蓄熱器相變溫度就是鉗溫器的鉗制溫度下限），溫控系統在至少一處、長時間地斷開工作路徑，結束鉗溫過程。

鉗溫器既“自源降溫”，又“廢熱發電”，這個“嵌合性”過程就是鉗溫技術。首先，鉗溫器能夠直接鉗溫墻壁等固、液體目標物。其次，借助被鉗溫的墻壁等，再迭代鉗溫它們所封閉的室內空氣等目標物，等效出傳統空調的功能。

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。在工程實施上，潛熱狀態的蓄熱器不可能做到“快導入”、“轉化掉”二者效率持續、穩定相等的理想狀態，必然會出現“進多出少”和“進少出多”的實際情況，無論出現哪一種情況，都要盡快調節回匹配狀態。

因此，溫控系統及時通斷主要部件兩兩之間的熱連通，形成控制熱能進、出蓄熱器的3種情況的動作時序，即“只進不出”、“只出不進”、和“同時進出”，動作時序恰當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揮緩沖作用：暫儲潛熱以分流相對多余的“快導入”，釋放潛熱以彌補“轉化掉”所需熱能的相對不足。調劑“快導入”和“轉化掉”的效率不匹配，是鉗溫過程持續、穩定的關鍵。

在蓄熱器潛熱狀態下，定義單位時間從熱管冷端傳導進入蓄熱器的潛熱熱量為q1，單位時間化熱器從蓄熱器轉化掉的潛熱熱量為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q1gt;q2時的傳熱模式1

當鉗溫器開始工作時，先溫控熱能“只進不出”，蓄熱器快速升溫至相變溫度，進入準相變的潛熱狀態。此時，蓄熱器有Q的潛熱能力接受廢熱。接著，溫控進入“同時進出”的工作過程，蓄熱器單位時間“快導入”q1，“轉化掉” q2，單位時間有（q1-q2）的熱量儲存為蓄熱器的潛熱，直至蓄熱器的即時潛熱達到Q，以完全相變狀態完成鉗溫來程。接著，溫控熱能“只出不進”，直至蓄熱器的潛熱Q以單位時間 q2 全部“轉化掉”、蓄熱器回到準相變狀態，完成鉗溫回程并進入下一輪開始階段。在此模式中，蓄熱器通過潛熱形式暫儲一部分的“快導入”熱量，通過分流“快導入”來調劑“轉化掉”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通，鉗溫過程誤中止。其實物模擬圖如圖2所示。

2.2 當q1lt;q2時的傳熱模式2

當鉗溫器開始工作時，控制熱能“只進不出”，蓄熱器快速升溫進入完全相變的潛熱狀態。此時，蓄熱器是相變溫度，但是已經暫儲滿了潛熱Q，完成鉗溫來程。接著，溫控進入“同時進出”的工作過程，蓄熱器單位時間“快導入”q1，“轉化掉” q2，單位時間“快導入”相對“轉化掉”就存在（q2-q1）的缺口，也就需要蓄熱器的儲熱Q不斷轉化掉來彌補這個缺口，直至Q全部轉化掉，蓄熱器恢復到準相變狀態，完成鉗溫回程進入下一輪開始階段。此模式中，蓄熱器通過適時釋放、轉化潛熱，彌補了“快導入”相對“轉化掉”的效率不足，在鉗溫過程中蓄熱器始終穩定于相變溫度，在“快導入”、“轉化掉”不匹配的情況下鉗溫過程也能保持穩定。其實物模擬圖如圖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（“同時進出”），直至蓄熱器的即時潛熱達到Q；然后，進入模式3的回程，則使用q1lt;q2b組（“同時進出”），直至蓄熱器潛熱Q全部轉化掉，回復到準相變狀態進入下一輪開始階段。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（二者采用固接），兩組化熱器和蓄熱器通過兩個溫控開關控制通斷，兩個化熱器交替鉗溫可以使目標物保持被連續、穩定鉗溫的狀態。其實物模擬圖如圖4所示。

3 采用無溫差熱電轉化技術的展望

溫差發電是2種不同金屬或者半導體形成的回路，只要保持兩端結點的溫度差，回路的高溫端就吸收外界熱量，一部分熱電轉化，一部分熱量轉移到低溫端，只要不讓低溫端熱量積累，保持兩端結點的溫度差，就能持續熱電轉化[6]。

溫差發電是市場所認知的熱電直接轉化技術，如果化熱器采用溫差發電，不但熱電轉化效率不高，而且“溫差”嚴重限制應用場景。

為了獲得理想的化熱器，已經研究出無溫差熱電轉換專利技術——《基于非對稱塞貝克效應的熱電轉換結構和無溫差發電器》（實用新型專利，專利號：ZL 2023 2 0852883.3），它通過改造溫差發電的雙金屬結構，擺脫了熱電轉化對“溫差”的依賴。

這個無溫差熱電轉化技術基于2點。1）基于2種電子導電材料的接觸電勢差，具有電源性和電阻性的區別。根據公知常識，2種電子導電材料在接觸面產生的接觸電勢差會表現出不同的的特性。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，表現出電阻的特性。目前，可以確定金屬和半導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非金屬電子導電材料，就與雙金屬熱電偶產生了質的變化。雙金屬熱電偶存在2個接頭，必然存在2個接觸電動勢，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，回路還產生了2個溫差電動勢，但是它們的數值可以忽略），才能得到不為零的總電動勢。當用非金屬電子導電材料（例如用半導體）串接入雙金屬熱電偶時，回路只有2個勢壘（電阻性的接觸電勢差）和1個接觸電動勢，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，接觸電動勢接頭處就會從外界吸熱，回路就持續進行無溫差熱電轉化。非金屬電子導電材料的選擇，使2個勢壘處帕爾貼效應的吸/放熱小到可以忽略。半導體這樣的非金屬電子導電材料廣泛存在，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非金屬電子導電材料的電子導通回路，被2個勢壘替代掉1個接觸電動勢，憑借剩余的、唯一的接觸電動勢處的帕爾貼效應實現無溫差熱電轉化”——這是打造化熱器的實用技術。

4 鉗溫器的特色和應用場景

4.1 顛覆傳統空調

作為不用電空調，鉗溫器不消耗社會電力，還額外利用廢熱發電。技術上還無風吹、無噪聲，并且經濟、簡單和小型化。

4.2 挖掘制冷新需求

鉗溫器與固、液體目標物的制冷新場景相結合，將很大程度地開發和滿足社會化的新需求。例如對數據中心服務器、航天航空、軍事裝備的鉗溫；開發固、液體不能達到燃點溫度的消防新技術等。

4.3 綠色電能技術

當一個鉗溫器單體以“巨大”的廢熱源為目標物時，因為不匹配，所以不能使目標物被可感知的鉗溫，特化為持續獲得電能的廢熱發電裝置。

5 結語

鉗溫器是突破了逆卡諾循環的制冷技術，它對固、液體目標物既“自源降溫”又“廢熱發電”的嵌合性過程就是自源地“熱轉化”的鉗溫過程，具有經濟、簡單和便捷的優勢。

一旦社會化應用，無數的鉗溫器單體還可以虛擬出一個同樣具有“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、光之外的新綠色電能，助力實現碳中和。

參考文獻

[1]解國珍，姜守忠，羅勇.制冷技術[M].北京：機械工業出版社，2008.