CN113279941A - 一种基于温差电效应的高效空气压缩装置 - Google Patents

一种基于温差电效应的高效空气压缩装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于温差电效应的高效空气压缩装置，空压机包括壳体和排气管，排气管一端与空压机连通，另一端与储气装置连通，包括：温差发电模块，温差发电模块由半导体热材料组成，其一端与空压机的外壳和/或排气管导热连接，另一端设置于常温环境中或与冷却装置导热连接；储电模块，储电模块与温差发电模块点连接并形成储电回路。将温差发电模块直接装在空压机与储气装置之间，空压机产生的热量传导至壳体和排气管后可直接与温差发电模块的热端接触，温差发电模块的两端快速形成温差产生电能，并将电能存储在储电装置内，从而对空压机产生的低品质余热进行高效利用，具有良好的应用前景和适用范围。

Description

一种基于温差电效应的高效空气压缩装置
技术领域
本发明涉工业压缩空气及技术领域，更具体的说是涉及一种基于 温差电效应的高效空气压缩装置。
背景技术
压缩空气是工业领域中应用最广泛的动力源之一，在大多数生产 型企业中，压缩空气的能源消耗占全部电力消耗的10％～35％。
空压机运行时会产生大量的压缩热，压缩热消耗的能量占机组运 行功率的85％以上。其中，一部分热量进入空气机的排气管，排气温 度约为80～120℃，属于低品质余热，一般<230℃，可利用率低，绝大 部分热量通过机组的风冷或水冷***释放到大气当中，既造成了资源 的浪费，也对环境产生了污染。因此提高压缩机能耗的利用率、回收 低品质余热对工业节能具有十分重要的意义。
半导体温差发电是利用塞贝克效应将热能转换为电能的装置，将 两种不同类型的半导体热电材料P型和N型(P型是富空穴材料，N型 是富电子材料)相连形成一个PN结，一端与高温环境导热连接，另 一端置于低温环境内，在热激发作用下P(N)型材料高温端空穴(电 子)浓度高于低温端，因此在这种浓度梯度的驱动下，空穴和电子就 开始向低温端扩散，从而形成电动势。
针对上述情况，本领域人员提出利用半导体温差发电解决低品质 余热利用问题，专利201521138716.4提出高温高压空气经管道流入另 设的温差发电机以利用温差发电，其存在以下问题：空压机的余热品 质本就不高，再经管道运输，必定会浪费大部分余热，因此利用温差 发电的可行性不高；
有鉴于此，如何提供一种空压机低品质余热利用率高的半导体温 差发电装置，是本领域人员亟需解决的一个技术问题。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题 之一。
本发明的一个目的在于提出一种基于温差电效应的高效空气压 缩装置，空压机包括壳体和排气管，排气管一端与空压机连通，另一 端与储气装置连通，包括：
温差发电模块，所述温差发电模块由半导体热材料组成，其一端 与所述空压机的外壳和/或排气管导热连接，另一端设置于常温环境 中或与冷却装置导热连接；
储电模块，所述储电模块与所述温差发电模块点连接并形成储电 回路。
本发明的有益效果是：
将温差发电模块直接装在空压机与储气装置之间，空压机产生的 热量传导至壳体和排气管后可直接与温差发电模块的热端接触，温差 发电模块的两端快速形成温差产生电能，并将电能存储在储电装置内， 从而对空压机产生的低品质余热进行高效利用，具有良好的应用前景 和适用范围。
在上述技术方案中，温差发电模块的另一端也可以设置在低温环 境中，该低温环境的温度可根据温差发电模块的热端温度灵活调整。
进一步的，温差发电模块具体采用的半导体热材料由两端的温差决定，温 差发电材料的优值
Figure RE-GDA0003145199530000021
(式中α为塞贝克系数，σ为电导率，λ为热导率) 应较高；
低温温差(300～500K)下，可采用以下发电材料，Bi2Te5在室温 附近的热电优值达到1(相应的热电转换效率约为7％～8％)，目前已 得到了广泛应用且研究较为成熟，此处不再赘述；Sb2Te3材料与Ag 元素形成的合金具有比较优异的热电性能，478K时，材料(Ag0.365Sb0.558Te)0.025-(Bi0.5Sb1.5Te3)0.975的热电优值为1.1；通过 SPS(sparkplasmasintering)技术制备的(Cu4Te3)x-(Bi0.5Sb1.5Te3)1-x材料 具有较大的电导率、低的晶格热导率，同时，材料的塞贝克系数随着 温度的升高而线性增加，当x＝0.025，温度为474K时材料展现出较 好的热电性能，此时热电优值达到1.26。
也可以为胍离子与亚铁氰根离子结合形成的全新热敏性晶体材 料——亚铁氰钾胍水合物(K2(C(NH2)3)2Fe(CN)6·6H2O)具有低的晶 格能以及高的溶解熵，展现出优异的溶解度温敏性。50℃温差条件下 可在热电池两端形成高达47倍离子浓差，相应塞贝克系数从基准体 系的1.4mV K-1提升至3.73mV K-1，卡诺循环效率可达11.1％。
中温温差(500～900K)下可采用以下发电材料，PbTe体系热 电优值最大可达0.8，对此体系的研究也较为成熟，不再赘述；单晶 笼合物Ba8Ga16-xCuxSn30(x＝0.033)在540K时的热电优值可达1.35； Ag0.99Na0.01SbTe2.02材料中，Na原子取代部分Ag原子占据晶格点，温度为570K时热电优值达到1.50；Sn0.97Na0.03Se材料温度为800K时， 热电优值超过2；通过水热法合成的高质量β相纳米片状Cu2Se，经 过放电等离子烧结(SPS)处理后，ZT值在850K左右达到了1.82，掺 杂Al时可达2.62。
高温温差(900～1200K)发电材料可采用Yb14MnSb11，大分子质 量使其拥有的室温热导率非常低。低热导率使其在1200K下的ZT 值约为1.0；通过热压和等离子烧结制成的Cu2Se，伴随着升温，Cu 离子的高迁移率和液相流动行为使得晶格热导率降低到0.4～0.6W/mK。ZT值在1000K时可以达到1.5；通过热压法和等离子烧结 (SPS)制得了液相Cu2-xS，其热导率在300～1000K范围内低于0.6 W/mK)，在1000K时，Cu1.97S的ZT值可达到1.7。
优选的，所述温差发电模块与所述排气管抵接或伸入所述排气管 内或通过导热连接件与所述排气管连接。
进一步的，还包括夹套，所述夹套套设于所述壳体外表面，所述 夹套内设置有传热管路，所述传热管路内填充有传热介质，所述传热 管路与所述温差发电模块连接。
夹套一方面可以通过传热管路起到良好的传热效果，另一方面也 可以防止壳体上的热量施放到大气中。
进一步的，所述温差发电模块有多组，多组所述温差发电模块串 联。
进一步的，还包括油气分离装置和排油管，所述油气分离装置设 置在所述排气管上，所述油气分离装置的出油端与所述排油管连接， 所述排油管与所述温差发电模块导热连接。
部分空压机运作时需要添加润滑油，润滑油有冷却-吸收压缩 热、密封和润滑的作用油气分离装置可将油气分离，润滑油经分离后 同样具有一定热量，可采用不同的温差发电模块分别与排气管和排油 管导热连接。
优选的，所述排气管外设置有隔热层。隔热层同样可以防止排气 管的热量直接施放到大气中造成热量损失。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面 将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而 易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通 技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附 图获得其他的附图。
图1为结构示意图；
图2为带有夹套的空压机结构示意图；
图3为带有油气分离装置的结构示意图；
其中，1-排气管，2-空压机，3-储气装置，4-温差发电模块，41- 第一温差发电模块，42-第二温差发电模块，5-储电模块，6-夹套，7- 油气分离装置，8-排油管。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出， 其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同 或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨 在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、 “后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等 指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了 便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本 发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指 示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此， 限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更 多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上， 除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、 “连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也 可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接； 可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内 部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而 言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征 之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括 第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。 而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特 征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第 二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一 特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于 第二特征。
实施例1
如图1所示，本发明实施例公开了一种基于温差电效应的高效空 气压缩装置，空压机2包括壳体和排气管1，排气管1一端与空压机 2连通，另一端与储气装置3连通，包括：
温差发电模块4，温差发电模块4由半导体热材料组成，其一端 与空压机2的外壳和/或排气管1导热连接，另一端设置于常温环境 中或与冷却装置导热连接；
储电模块5，储电模块5与温差发电模块4点连接并形成储电回 路。
在本实施例中，温差发电模块4直接与排气管1连接。
在一些实施例中，温差发电模块4有多组，多组温差发电模块4 串联。
在一些实施例中，排气管1外设置有隔热层。
实施例2
如图2所示，在本实施例中，温差发电模块4仅和空压机2的外 壳导热连接(壳体上的热量较大因此可仅与壳体导热连接)，并添加 夹套6，夹套6套设于壳体外表面，夹套6内设置有传热管路，传热 管路内填充有传热介质，传热管路与温差发电模块4连接。
实施例3
如图3所示，本实施例在实施例1的基础上添加了油气分离装置 7和排油管8，油气分离装置7设置在排气管1上，油气分离装置7 的出油端与排油管8连接，排油管8与温差发电模块4导热连接。
在本实施例中，排油管8与第二温差发电模块42连接，排气管 1与第一温差发电模块连接41，第一温差发电模块41和第二温差发 电模块42均与储电模块5形成储电回路。
在本实施例中，壳体也可以与第二温差发电模块42导热连接。
实验例1
以实施例1公开的方案作为实验对象，对1L常温空气压缩后产 生的热能进行数据统计如下：
Figure BDA0003103162510000071
低温时选用热敏性晶体材料——亚铁氰钾胍水合物可回收 11.1％的热能产生电能5.63J。
中温时选用PbTe可回收7％的热能、产生电能16.3J。
高温时选用Yb14MnSb11可回收8％的热能，产生电能30J。
本发明提供了一种基于温差电效应的高效空气压缩装置将温差 发电模块直接装在空压机与储气装置之间，空压机产生的热量传导至 壳体和排气管后可直接与温差发电模块的热端接触，温差发电模块的 两端快速形成温差产生电能，并将电能存储在储电装置内，从而对空 压机产生的低品质余热进行高效利用，具有良好的应用前景和适用范 围。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例 或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一 个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须 针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料 或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结 合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或 示例进行接合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上 述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技 术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和 变型。

Claims (6)

1.一种基于温差电效应的高效空气压缩装置，空压机(2)包括壳体和排气管(1)，排气管(1)一端与空压机(2)连通，另一端与储气装置(3)连通，其特征在于，包括：
温差发电模块(4)，所述温差发电模块(4)由半导体热材料组成，其一端与所述空压机(2)的外壳和/或排气管(1)导热连接，另一端设置于常温环境中或与冷却装置导热连接；
储电模块(5)，所述储电模块(5)与所述温差发电模块(4)点连接并形成储电回路。
2.根据权利要求1所述的一种基于温差电效应的高效空气压缩装置，其特征在于，所述温差发电模块(4)与所述排气管(1)抵接或伸入所述排气管(1)内或通过导热连接件与所述排气管(1)连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于温差电效应的高效空气压缩装置，其特征在于，还包括夹套(6)，所述夹套(6)套设于所述壳体外表面，所述夹套(6)内设置有传热管路，所述传热管路内填充有传热介质，所述传热管路与所述温差发电模块(4)连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于温差电效应的高效空气压缩装置，其特征在于，所述温差发电模块(4)有多组，多组所述温差发电模块(4)串联。
5.根据权利要求1所述的一种基于温差电效应的高效空气压缩装置，其特征在于，还包括油气分离装置(7)和排油管(8)，所述油气分离装置(7)设置在所述排气管(1)上，所述油气分离装置(7)的出油端与所述排油管(8)连接，所述排油管(8)与所述温差发电模块(4)导热连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于温差电效应的高效空气压缩装置，其特征在于，所述排气管(1)外设置有隔热层。
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