CN101939510A - 用于产生电能的封闭的热力学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于产生电能的封闭的热力学系统，包括：水泵(180)，水循环加热器(110)，蒸汽涡轮机(120)，发电机(130)以及蒸汽/水冷却子系统(190)。水泵传输水，该水具有周围环境的温度，从蒸汽/水冷却子系统中抽取并输送到热加热单元(165)，该处加热所述水，流入冷却子系统(190)。水循环加热器(110)将所述水转变为高压蒸汽，直接送到蒸汽涡轮机，将热能转变为动能。该旋转的涡轮机使附着在该涡轮机的旋转轴上的电动机(130)旋转，该电动机产生电能。接着，水冷却子系统降低蒸汽温度，从所述涡轮机恢复为具有周围环境温度的水。

Description

用于产生电能的封闭的热力学系统
相关专利申请的交叉参考
本专利申请要求2007年11月29日提交的第60/996,667号美国临时专利申请的优先权，在此作为参考而包括该专利申请的内容。
技术领域
本发明涉及到热力学系统领域，更具体地说，本发明涉及一种封闭的热力学系统，包括蒸汽涡轮机，其使发电机运转，该发电机产生的电能可以大大超过所述系统运转性消耗的电能。
本发明的背景与现有技术
蒸汽涡轮机是一种机械设备，它从加压蒸汽中提取热能，并将热能转换成有用的动能。例如，热力学蒸汽机通常是由燃料来运转的，燃烧燃料来使蒸汽机(例如，不同的汽车发动机、发电机及类似设备)运转。图1(现有技术)显示了一种蒸汽动力的飞机发动机20，它由比尔和乔治·贝斯勒在1933年首次飞行。该蒸汽机运转一个带有约425℃加热的蒸汽的涡轮，然后由该涡轮机依次使发动机运转。
由于涡轮机产生旋转运动，该涡轮机特别适合于操纵发电机——约86％世界上所有的发电量是采用蒸汽涡轮机而生产的。蒸汽涡轮机是热发动机的一种形式，它源自在热动力学效率的许多改进，从所述系统的扩展中采用多阶段的方式。
在一个封闭的室内，该室是完全密封的，与该室的周围环境相隔绝，如果该室含有一个活跃的热发电机，例如电加热元件，在该室内的温度将不断增加。此外，如果该室包含气体，例如蒸汽，蒸汽分子会试图膨胀体积，从而在该室内的压力也不断增大。
所述的一个封闭的热力学系统，在处于热力学平衡，当该系统处于热平衡、机械平衡和化学平衡。系统在热力学平衡的当时状态是取决于精确的参数的值，例如，压力，价值观，温度等。具体来说，热力学平衡的特征在于：热力学的是以热力学电压的最小值为特征，例如，亥姆霍兹自由能，也就是，这些系统处于恒温和恒体积：
A＝U-TS，
式中，A是亥姆霍兹(Helmholtz)自由能，U是该系统的内能，T是绝对温度，而S是熵；
或者，例如吉布斯(Gibbs)自由能，也就是，这些系统处于恒压和恒温：
G＝H-TS，
式中，T是温度，S是熵，而H是焓。
当两种系统处于互相热接触时，获得热平衡，不再通过热来交换热能。如果这两个系统处于热平衡时，这两个系统的温度是相同的。在热平衡状态下，在系统内没有不平衡的电位(或驱动力)。根据未改变的经验，当一个系统是由其周围环境中隔离时，该系统是处于热平衡的。
有必要说明的是，如果有这样一个热力学系统，该系统被指定为生产电能，并有能力供应电能，该电能是远远超过该系统的运转性消耗的电能，这样的热力学系统是非常有优势的。
发明内容
本发明的目的是提供一种封闭的热力学系统，包括：蒸汽涡轮机，其使发动机运转并产生电能，该发动机供应的电能比所述封闭的热力学系统运转时消耗的能量更高。
本发明使所述系统能够基于所选择的液体(例如，水)的特性，在自然状态下该液体的性质而产生电能。
根据本发明的教导，提供了一种用于产生电能的封闭的热力学系统，其具有内部容积，所述系统包括：
a)水泵；
b)热交换单元；
c)水循环加热器；
d)蒸汽涡轮机；
e)发电机；以及
f)水冷却子系统。
所述内部容积是预先设计的，包含预先测量的所选择的液体(例如，水)的量。该内部容积和液体类型是根据目标电能来选择的。
所述水泵抽取液体，该液体具有周围环境的温度，并以预先计算的流速来传输，将液体从水冷却子系统输送到热交换单元。该液体被加热，产生更高压力，当在一个延长的管道内流过热交换单元时，与来自涡轮机的热蒸汽交换热量。典型地，该更高的温度使所述液体转变为蒸汽，而该更高的压力增加了液体流速，因为该蒸汽进一步流进水循环加热器。
水循环加热器加热从热交换单元流进来的液体/蒸汽，从而将液体/蒸汽转变为高压蒸汽。所达到的压力是预先设计好的，以获得预先设计的涡轮机转速。因此，针对指定的涡轮机元件，高压蒸汽是以预先设计的角度直接进入涡轮机的指定元件的。因此，蒸汽涡轮机将存储在高压蒸汽中的热能转换成动能，该动能可操作地使涡轮机围绕其旋转轴旋转。该旋转涡轮机使附着在该涡轮机的旋转轴上的发电机旋转，从而使发电机产生电能。
蒸汽从涡轮机回流入热交换单元，与流进设置在该热交换单元内的管道内的较冷液体交换热量，从而降低蒸汽的温度。然后，冷却的蒸汽/液体流入水冷却子系统，冷却至周围环境的温度。
所述水冷却子系统包括：
a)冷凝器；
b)储液罐；以及
c)水冷却单元。
在冷凝器处，蒸汽被转换回热的液体。水泵供应一些冷冻液体到冷凝器，以加速该冷凝过程。该液体积蓄在一个储液罐中，并从该储液罐流入水冷却单元，降低从热交换单元流入的液体的温度至周围环境的温度。
优选地，水泵联接一个电动机，该电动机使水泵运转。根据本发明所述，水泵和电动机可组合成一个单一的单元。
水循环加热器包括加热元件，优选的是电加热元件。在本发明的变化，该电加热元件可以是一个电阻器，当电流流过该电阻器时，该电阻器将一些电能转变为热能。在本发明的其他变化，电加热元件可以产生一个电子流，是等离子体，具有高的热动能。
本发明的一个方面是要提供一个热力学系统，该系统包括一个计算机控制子系统。该计算机控制子系统可操作地控制所述系统的多种参数，这些参数选自：水泵的输出压力、在不同室和管道内的压力、在不同室和管道内的温度、涡轮机的旋转速度、通过电动机产生的输出电能，以及其他参数和单元。
本发明的另一个方面是要提供一个热力学系统，它能够满足所述系统的所有内部电子部件的电能需要，包括但不限于：水泵电机、加热元件和计算机控制子系统。
需要明确的是，不同室和管道的长度和容积是被设计为保持在所述系统中的预设压力，该预设压力是被设计为保持所述系统在一个连续工作状态，处于热力学平衡状态。
此外，基于该发电机的转子的尺寸，有可能确定该发电机的能力，并计算出飞轮的所需尺寸。根据牛顿第一定律，应用到一个物体上的力是该物体的质量与加速度的产物。在给定的RPM(具有已知直径和重量的飞轮)的持久力矩减去RPM的损失，等于飞轮的动能消耗。该热动态电路可被利用作为一个无尽的能量来源，以扩增能源和控制RPM。
在本发明的变化中，所选择的液体(例如水)包含调节所述混合物的参数(诸如沸点温度)的原料。
附图简要说明
本发明将通过下面给出的详细说明和附图来得以充分理解，所给出的这些附图仅作为说明和范例只用，而不构成对本发明的限制，这些附图是：
图1(现有技术)显示了一种蒸汽动力的飞机发动机；
图2是示意图，显示根据本发明所述的用于产生电能的封闭的热力学系统；
图3显示了如图2中所示的用于产生电能的封闭的热力学系统的一个范例；以及
图4显示了根据本发明所述的热力学系统的蒸汽涡轮机。
优选实施方式详述
在详细解释本发明的实施方式之前，需要明确的是，本发明并不限于其应用到在说明书或附图所示内容的结构的细节和组件的安排。
除非另有界定，这里所用的所有技术和科学术语都具有本发明所属领域的普通技术人员所熟知的相同的含义。这里所提供的方法和实例都仅是说明性，并不希望使本发明受到限制。
现参考图2，该图显示了根据本发明所述的一个用于产生电能的封闭的热力学系统100。
热力学系统100包括：水泵180，热交换单元165，水循环加热器110，蒸汽涡轮机120，发电机130，以及蒸汽/水冷却子系统190。
当系统100达到平衡的工作状态时，系统100产生电，所产生的一小部分电能被用于使系统100的电子元件运转，而所产生的大部分电能可用于外部设备10的运转。当处于工作状态时，系统100可以不停地运转，根据运转所需的电能维持自身运转。
为了达到系统100的工作状态，使用外部电源使系统100达到工作状态平衡。该需要外部电源的起始过程被称为“启动过程”。
下面介绍系统100的运转过程，包括系统100的工作状态以及启动过程。
水泵180提取液体，该液体具有与周围环境相当的温度，以预先计算的流速，从水冷却子系统190将所提取的液体传输到热交换单元165。当流入热交换单元165的长管内流动时，该液体被加热并达到更高的压力，与来自涡轮机120的热蒸汽交换热量。较高的温度通常将该液体转变成蒸汽(当达到该液体的沸点温度时)，而较高的压力增加液体的流速，蒸汽进一步流入水循环加热器110。水循环加热器110加热从热交换单元165流入的液体/蒸汽，从而将该液体/蒸汽转变成高压蒸汽。所达到的压力是预先设计的，以获得预先设计的涡轮机120转速。因此，针对涡轮机120的指定元件，高压蒸汽以预先设计的角度直接进入涡轮机120的指定元件。因而，蒸汽涡轮机120将存储在高压蒸汽中的热能转换成动能，该动能可操作地使涡轮机120围绕该涡轮机120得旋转轴旋转。优选地，涡轮机120是一种气体涡轮机，能扩增由加压蒸汽的流动所产生的旋转运动，因而获得比应用于传统涡轮机的由加压蒸汽的流动的正常力量所能产生的旋转速度更高的涡轮机120的旋转速度。该旋转的涡轮机120使附着在该涡轮机120的旋转轴上的发电机130旋转，从而使发电机130产生电能。
蒸汽从涡轮机120回流入热交换单元165，与流进设置在该热交换单元165内的管道内的较冷液体交换热量，从而降低蒸汽的温度。然后，冷却的蒸汽/液体流入水冷却子系统190，降低从热交换单元165流入的液体的温度，冷却至周围环境的温度。水冷却子系统190包括：a)冷凝器150；b)储液罐195；以及和c)水冷却单元170。
在冷凝器150中，蒸汽被转换回热的液体。水泵180供应一些冷冻液体到冷凝器150，以加速该冷凝过程。该液体积蓄在一个储液罐195中，并从该储液罐流入水冷却单元170，降低该液体的温度至周围环境的温度。根据本发明所述的变化，该流进冷凝器150的冷却的液体是由分离的水泵供应的。
优选地，水泵180是联接电动机182的，该电动机182使水泵180运转。根据本发明所述的变化，水泵180与电动机182结合为一个单一的单元。
水循环加热器110包括加热元件，优选的是电加热元件。根据本发明所述的变化，该电加热元件可以是一个电阻器，当电流流过该电阻器时，该电阻器将一些电能转变为热能。根据本发明所述的其他变化，电加热元件可以产生一个电子流，是等离子体，具有高的热动能。
本发明的一个方面是要提供一个热力学系统，该系统包括一个计算机控制子系统105。该计算机控制子系统105可操作地控制所述系统100的多种参数，这些参数选自：水泵180的输出压力、在不同室和管道内的压力、在不同室和管道内的温度、涡轮机120的旋转速度、通过电动机130产生的输出电能，以及其他参数和单元。
需要注意的是，当涡轮机120达到工作转速时，加热能量降低，加速涡轮机120所需的能量比维持涡轮机120转速所需的加热能量更大。维持涡轮机120转速所需的加热能量可被减少到启动系统100时所需的能量的0-10％。
本发明的另一个方面是要提供一个热力学系统，它能够满足所述系统的所有内部电子部件的电能需要，包括但不限于：水泵电机182、加热元件和计算机控制子系统105。
需要明确的是，不同室和管道的长度和容积是被设计为保持在所述系统中的预设压力，该预设压力是被设计为保持所述系统在一个连续工作状态，处于热力学平衡状态。
现在参见图3，该图显示了一种用于发电的封闭的热力学系统200的一个例子。热力学系统200包括：加热室单元210、蒸汽涡轮机220、发电机230、蒸汽热交换室240、冷凝器250、水热交换室260、水冷却器270和水泵280。
热力学系统100现在将通过实例系统200来描述，不受系统100所述的变化的限制。在系统200中，蒸汽热交换室240和水热交换室260代表热交换单元265的一种变化；以及冷凝器250和水冷却器270代表蒸汽/水冷却单元275的一种变化。
加热室单元210是由隔离体205来保温隔热，包括电热元件212。为了提高隔热效果，在热交换过程中，加热室单元210可被设为多室结构，包含在相互封闭的范围内。需要良好的隔热，以减少将系统200保持在热平衡状态所需的能量，在图2中，显示了两个室，其中，内室211包含加热元件212，而外室213包括一个出口216，对涡轮机220释放增压蒸汽。
在启动过程中，供应电能使以下元件运转：加热元件212、发动机282，以及系统200的其他电子部分，例如计算机控制子系统。发动机282使水泵280运转，以从水冷却器270抽取水。通过水泵280，水在增压下在管262内向前移动，进入热交换室260。在热交换室260内热水与管262交换热量，从而加热管262内的水。加热管262内的已加热的水进一步在增压下向前移动，通过管242进入热交换室240，该室内容纳来自涡轮机220的热蒸汽。热蒸汽与管242交换热量，从而加热在管242内的加压的水。然后，在管242内的加压的水直接进入加热室211。
热水(＞100℃)在高压下通过入口214进入加热室211。加热元件212进一步加热在室211内的水，从而增加室211内的压力，因为水分子努力扩大。加压的水通过一个或多个开口流入室213，并通过出口216流出室213，在该处，热水被转变为加压蒸汽，该蒸汽直接进入涡轮机220。加压蒸汽流向涡轮机220的一个或多个抗蒸汽压力的元件222，从而致使涡轮机220围绕轴225旋转，发电机附着在该涡轮机220上。
涡轮机220的旋转可操作地使附着在该涡轮机的轴225上的发电机230旋转，从而产生电能。加压蒸汽直接进入的元件222的数目是可以针对不同的需要而改变的。例如，在启动过程中，需要采用更多的元件222以便缩短启动过程，而当达到工作状态时，可使用较少的元件222。此外，还参考图4，该图显示了涡轮机220。在这个例子中，加压蒸汽直接进入涡轮机220的指定元件，从而使涡轮机220旋转，蒸汽通过喷嘴228进入，该喷嘴使加压蒸汽能进入涡轮机220上的密封的涡轮机壳226。在启动过程中，优选地，加压蒸汽压力流经所有喷嘴228。当涡轮机220(包括飞轮)达到预先设计的工作转速时，一个或多个喷嘴将被关闭，因为只需较少的能量就可维持涡轮机120以基本恒定的工作旋转速度来旋转。需要注意的是，在关闭任意一个喷嘴之前，该系统已被带入一个热熵状态。
在导致涡轮机220旋转后，蒸汽通过入口224直接进入热交换室240。在热交换室240中，来自涡轮机220的蒸汽与管242交换热量，管242输送冷却水到加热室单元210。来自涡轮机220的蒸汽通过出口241流出，然后通过入口252流入冷凝器250，冷凝器将蒸汽转变成热水。冷却水(接近环境温度)也从水泵280流经入口254流入冷凝器250，以便加速该热交换过程。在冷凝器250内的热水积聚在冷凝器250的底部，再通过入口244流入交换室260。在热交换室240内，蒸汽转变为水，并通过出口246流入热交换室260。
在热交换室260内，来自冷凝器250的热水(以及来自交换室240的热水)与管262交换热量，管262传输冷水到热交换室240。来自冷凝器250的水通过入口272来流入水冷却热器270，在该处，水温降至约环境温度。冷却水从水冷却器270流进水泵280，该水泵可操作地联接发动机282。水泵280直接将一些冷水导入冷凝器250，以便加速该冷凝过程。其余的水流入管262，在管262内流向热交换室260。这个周期在封闭的热力学系统200的工作状态下持续进行。当发电机230产生的电能超过由系统200所产生的电能时，不再连接外部电源，系统200能自我维持。
需要明确的是，包含水/蒸汽的内部空间是一个密封的空间。应该进一步指出的是，使加热元件212、起动机282和系统200的任意其他电子部件运行所需的电能，优选地是由发电机230来供应的。应该进一步指出的是，系统200(以及系统100)的各个层面的元件，例如，管道242与262、热交换室260、热交换室240与加热室单元210的长度与容积，都被设计为保持在系统中的预先设计的压力，以便将系统200(和系统100)保持在一个连续工作状态，处于热力学平衡状态。
应该进一步指出的是，热交换室260与热交换单元165可以被划分为多个数量的热交换室，而且热交换室240也可被划分为多个数量的热交换室。
以下是根据本发明所述的多种热力学系统中的一个范例：
·热交换单元265的容积是5升。
·在热交换单元265中的管道的长度是400米。
·在热交换单元265中的管道的内部压力可达到110Bar。
·加热元件212需要8500瓦特的电能。
·蒸汽的温度在涡轮机220处达到约250℃，且压力为30Bar。
·水的温度在水泵280处是20℃-50℃。
·出水管262的温度是约70℃。
·出水管242的温度是约1500℃。
*发电机230产生40-120KVA/400Hz的电能。
即使我们认为，系统200的电能消耗达到15KW，发电机230可产生的剩余电能达25-105KW。(范例结束)
根据本发明所述的变化，其他材料可被添加到水中，以改变的混合物的参数。例如：酒精可被加到水中，以降低水的沸点温度。
系统100可被用作任何机动车辆(例如，汽车、飞机和船只)的电动发动机和电动器具的电力来源。系统100可被用作将在外层空间使用的车辆的电动发动机和电动仪器的电力来源。系统100可被用作家庭使用、工厂使用和任何其他地方使用的电力来源。系统100可被用作一个电力工厂，可向一个网络的用户供应电力。系统100可被用作任意电子客户端的电力来源。
需要明确的是，在所述封闭系统中积累的能量能使该系统在故障已被识别后继续进行工作和产生电力，直到二次备份系统取代了故障系统。
因此，本发明根据实施方式和范例进行了描述，显然可以许多方式来达到相同的内容。这些变化是不被视为偏离本发明的精神和范围，对于本领域的技术人员而言，所有这些改变显然都将希望被包括在所附的权利要求的范围之内。

Claims (16)

1.一种用于产生电能的封闭的热力学系统，其具有内部容积，所述系统包括：
a)水泵；
b)热交换单元；
c)水循环加热器；
d)蒸汽涡轮机；
e)发电机；以及
f)水冷却子系统；
其中，所述内部容积是预先设计的，包含预先测量的液体量；
其中，所述水泵传输所述液体，该液体具有周围环境的温度，并以预先计算的流速来传输，将液体从所述水冷却子系统输送到所述热交换单元；
其中，所述水循环加热器加热从所述热交换单元流入的液体，因而将所述液体转变为高压蒸汽；
其中，所述高压蒸汽被直接送到所述蒸汽涡轮机，所述涡轮机将热能转变为动能，从而可操作地围绕所述涡轮机的轴来旋转所述涡轮机；
其中，所述旋转的涡轮机使附着在所述涡轮机的旋转轴上的发电机旋转；
其中，所述发电机产生电能；
其中，所述热交换单元降低蒸汽的温度，蒸汽从所述涡轮机经过所述热交换单元流入所述水冷却子系统；以及
其中，所述水冷却子系统降低从所述热交换单元流出的液体的温度至周围环境的温度。
2.根据权利要求1所述的热力学系统，其特征在于：还包括发动机，偶联地运转所述水泵。
3.根据权利要求2所述的热力学系统，其特征在于：所述发动机是电动机。
4.根据权利要求3所述的热力学系统，其特征在于：所述发电机供应使所述发动机运转所需的电能。
5.根据权利要求1所述的热力学系统，其特征在于：所述的水冷却子系统包括：
a)冷凝器；
b)储液罐；以及
c)水冷却单元。
6.根据权利要求1所述的热力学系统，其特征在于：所述水循环加热器包括加热元件。
7.根据权利要求6所述的热力学系统，其特征在于：所述加热元件是电加热元件。
8.根据权利要求7所述的热力学系统，其特征在于：所述发电机供应使所述加热元件运转所需的电能。
9.根据权利要求7所述的热力学系统，其特征在于：所述电加热元件是电阻器，当电流流经所述电阻器时，所述电阻器将一些电能转变为热能。
10.根据权利要求7所述的热力学系统，其特征在于：所述电加热元件产生电子流，是一个等离子体，具有高的热动力能量。
11.根据权利要求1所述的热力学系统，其特征在于：还包括计算机控制子系统。
12.根据权利要求11所述的热力学系统，其特征在于：所述计算机控制子系统可操作地控制所述系统的多种参数，这些参数选自：所述水泵的输出压力、在不同室和管道内的压力、在不同室和管道内的温度、所述涡轮机的旋转速度、通过所述电动机产生的输出电能。
13.根据权利要求11所述的热力学系统，其特征在于：所述电动机供应使所述计算机控制子系统运转所需的电能。
14.根据权利要求1所述的热力学系统，其特征在于：所述不同室和管道的长度和容积是被设计为保持在所述系统中的预设压力，该预设压力是被设计为保持所述系统在一个连续工作状态，处于热力学平衡状态。
15.根据权利要求1所述的热力学系统，其特征在于：所述液体是水。
16.根据权利要求15所述的热力学系统，其特征在于：所述水包含调节所述混合物参数诸如沸点温度的原料。
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