CN103122778A - 利用人造冷源的自来电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了利用人造冷源的自来电系统，包括两两相连的一升温升压机构、一降温降压机构和一功能转换机构，冷媒体系置于系统内部，其中：所述升温升压机构，利用气液相联合热量交换部件技术捕集自然环境中热源的热能；所述降温降压机构，利用人造冷源部件技术营造出一个相对于自然热源的人造冷源；所述功能转换机构，利用能量转换组合部件，使气流动能转换为机械能，或进而转换为电能。本发明提供一种改进的功、能转换系统，可以利用低品位热能，并使这种低品位热能转变成机械动力做功，连接上发电机就是一种新型的发电系统。

Description

利用人造冷源的自来电系统

技术领域

本发明涉及一种利用人造冷源的自来电系统。

背景技术

自然界的空间、水域中存在着数量巨大的低品位热能，现有的众多新型发电系统就是利用这类低品位热能的一个技术手段。随着世界能源紧缺、环境污染的加剧，人们注意到开发利用海洋低品位热能的价值，各国因此竞相投资、全力角逐，客观上极大地推进了利用海洋低品位热能发电技术的实质性进展，并有了工业化实际应用的报道。但是这种低品位热能利用的首要条件必须具有两个不同的自然温度源或称温度环境，其温度差值至少维持在15～20℃以上；而在内陆，在一个局部小范围内真想寻找到适合于发电条件的两个自然温度环境(比如水源环境或空气源环境)是极其困难的，普通的这种利用低品位热能的发电技术因此难以获得实际性应用。

目前现有的利用海水低品位热能的发电技术有着明显的缺陷：(一)海洋中的狂风巨浪要求这种发电设备的安全系数提高，因此成本提高；(二)海水中几乎含有自然界的一切元素，因此构成对设备的严重侵蚀，使设备的使用周期缩短，同样表现在成本上的提高；(三)为获取海水表层或深层的热量，通常的手段是通过分别抽取表层或深层海水经各自的板式热交换器使体系冷媒(如氨水)获得升温或降温，为此不仅抽水系统自身耗电占取了系统发电的很大部分，使整个系统发电效率降低，而且深入海平面下1000米左右的管道施工作业极不容易，风险大且成本高；(四)季节交替，海水表层温度降低将使这种发电方式难以维持；虽有利用太阳能、风能组合的补救设想，但未见得有效，因为往往“屋漏偏逢连夜雨”，低温季节阴雨天多，太阳不出来，风也未必遂人心愿而“随叫随到”。比如某个冬季连续数十天阴雨无风并不罕见，这种组合的不合理性和漏洞就显而易见了，因此该类发电系统一年中或一天中的发电效率波动较大、极不稳定，甚至可能形成间歇或停发电。

故此我们知道，无论内陆的自然空间还是水域，除利用高温地热井热能发电以外，利用河水或空气的低品位热能的发电技术还没有实际应用的报道。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种改进的功、能转换系统，可以利用低品位热能，并使这种低品位热能转变成机械动力做功，连接上发电机就是一种新型的发电系统。当辅助电源完成本系统启动使之发电后即自动切断并撤出，本发明系统就可以日日夜夜、源源不断地发出人们期盼的电能，就像“自来水”龙头被拧开后清水就自动地哗哗流出来一样，所以称为“自来电”。

本发明的技术方案为，利用人造冷源的自来电系统，包括两两相连的一升温升压机构、一降温降压机构和一功能转换机构，冷媒体系置于系统内部，其中：所述升温升压机构，利用气液相联合热量交换部件技术捕集自然环境中热源的热能；所述降温降压机构，利用人造冷源部件技术营造出一个相对于自然热源的人造冷源；所述功能转换机构，利用能量转换组合部件，使气流动能转换为机械能，或进而转换为电能。

比较好的是，所述升温升压机构包括第一传感器和用若干管道顺序连接的进气球阀、进液球阀、储液罐、止回阀、气液相联合捕热器、截止阀、压缩机、高温调节阀、喷嘴；所述降温降压机构包括第二传感器和用若干管道顺序连接的进气阀、人造冷源器、低温止回阀、真空泵、真空球阀；所述功能转换机构包括气动部件和用若干管道顺序连接的进气阀、气动部件、出气阀以及发电机；其中，所述升温升压机构的压缩机出气阀和所述功能转换机构的气动部件进气阀相连，所述功能转换机构的出气阀与所述降温降压机构的进气阀相连，所述升温升压机构的进气球阀、进液球阀分别与所述降温降压机构的所述真空球阀和所述低温止回阀相连。

比较好的是，所述冷媒包括氨、二氧化碳、R410A、乙烯、丙烯、以及可用作制冷剂的其他低沸点气体。

比较好的是，所述第一、第二传感器包括温度传感器、压力传感器和流量传感器的其中一种。

比较好的是，所述气动部件包括汽轮机、压缩机气缸、气动马达、膨胀发动机、外燃发动机等任何其他形式的气动部件。

本发明系统的最大特点是仅需一个自然温度环境(热源)，或水源或空气源，或水源和空气源的共同组合，所谓必须具有的另一个相对次低温度的自然冷源，本发明是利用人造冷源部件技术在气体膨胀做功时自然地获得，从而可以使低品位热能获得转换而发出电来，且发电稳定、自动调控，不受季节交替、昼夜轮转的变化影响；本发明系统的另一个特点是发电不烧煤、不烧油、不“烧钱”，不添加任何需要化钱购置的燃料，不仅建造成本低而且运行成本更低，清洁环保可再生，便于推广。

附图说明

下面，参照附图，对于熟悉本技术领域的人员而言，从对本发明方法的详细描述中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。

图1是本系统的结构框图；

图2是在图1基础上的进一步的结构框图。

具体实施方式

本发明利用人造冷源的自来电系统由三大主要机构组成：升温升压机构1、降温降压机构3和功能转换机构2。升温升压机构1主要利用了一种气液相联合捕热器的有效技术，因此各种已知热能都是它捕集的对象，如海洋、江河、湖泊，地热井、普通井，各种水源所含的热能，空气中所含的热能，太阳光所含的热能，工农业生产过程中产生的“余热”热能，以及石油、煤等燃烧所含的热能。降温降压机构3主要利用了一种人造冷源器的有效技术，在气体膨胀做功时自然地营造出相对于自然环境热源的另一个人造冷源，而不需要在自然环境中专门寻找另一个相对次低温度的自然冷源，使得原本因难寻两个合适自然温度源的内陆环境也可以随处方便地利用低品位热能发电。

进一步参考图2所示，本系统中的升温升压机构1是由球阀23、球阀24、储液罐11、止回阀22、气液相联合捕热器12、截止阀21、压缩机13、高温调节阀20、(温度、压力、流量)第一传感器19、喷嘴18等组成，除第一传感器19外其它组成部分按顺序用管道连接；其中，所述气液相联合捕热器(包括压缩机)是升温升压机构主体部件，可以利用亚字形热量交换联合器，或扭扁管式热量交换联合器，或圆管式热量交换联合器，可带散热片或不带散热片。降温降压机构3是由进气阀28、人造冷源器14、低温止回阀26、真空泵15、真空球阀25以及(温度、压力、流量)第二传感器27等组成，除第二传感器27外其它组成部分按顺序用管道连接；其中，所述人造冷源器(包括真空泵)是降温降压机构的主体部件，可以利用金属结构或非金属结构，可以是圆柱形或矩形。功能转换机构2是由进气阀29、气动部件16、出气阀30以及发电机17等组成，除发电机17外其它组成部分按顺序用管道连接；本发明作为系统热循环体系的冷媒是常见的冷媒，但优选的应是对环境友好、对大气层破坏少、比熵大、价格低的冷媒，如R717，R744、R410A。选定冷媒后则需选择相应的三大机构和连接管道的材料种类，以减少冷媒对选用材料的腐蚀破坏。

本发明的目的是这样实现的：作为本系统热循环体系的冷媒在升温升压机构1内捕集来自环境中的热量后使体系自身获得升温升压，由此体系具备了在功能转换机构2内膨胀做功的能力；由于降温降压机构3在气体膨胀做功同时自然地营造了一个人造冷源，温度可以低至摄氏零下几十度，使得冷媒的膨胀做功能力可以获得释放，从而体系冷媒膨胀做功就在功能转换机构2内获得实现。若功能转换机构2中的气动部件16连接上发电机17就可以使发电机转动而发出电来。

本发明的实质是利用升温升压机构1内的气液相联合捕热器12直接置于水中或空气中或阳光下或某种自然热源环境中捕集热量，不需要额外耗电用电动泵抽水或抽空气经板式热交换器交换获得。由于体系冷媒和自然热源环境属“无限”接触，改变了利用板式热交换器局部、短时间接触方式，因此体系获得热量的温度指示完全可以达到与自然热源环境一致，从而使有实际工程意义的低品位热能利用价值从ΔT/2提高到ΔT。升温升压机构1内的气液相联合捕热器进口端流入的是冷媒液体，出口端流出的是已经气化并升温的冷媒气体。电子控制电路获得环境和体系温度、压力、流量等反馈信号后，触发调节阀20和压缩机13按设定要求运转，对被气化的冷媒进行进一步升温升压。进一步升温升压后的冷媒从喷嘴18直接进入功能转换机构2内的气动部件16的进口端进行膨胀做功，并瞬间通过气动部件的出口端进入连通的降温降压机构3的人造冷源器14内。同样在电子控制电路获得反馈信号后，真空泵15按信号指令运转，使人造冷源器14保持设定的压力和温度。降温的冷媒液体从人造冷源器14底部的低温止回阀26流出，并流入升温升压机构1内的储液罐11输入端，而人造冷源器14内的降温冷媒气体由真空泵15强力抽取，抽取的冷媒流入到连接储液罐11的另一进口端。真空泵连续运转的输出功率变化是人造冷源器14的控制条件，因此人造冷源器14内的低温可以人为设定，甚至降至摄氏零下几十度，因而获得的温度差值可以达到常规意义ΔT的n倍。这就是本发明最鲜明、最实用的特色——利用膨胀做功自然营造出人造冷源，而无需在自然环境中寻找与气液相联合捕热器自然热源端相对应的次低温度的自然冷源，因此不仅可以在海洋开发上获得利用，而且更可以在内陆广泛推广。

本发明的工作原理是体系冷媒在升温升压机构1中捕集自然环境热量后形成高温高压气流，高温高压气流在功能转换机构2内膨胀做功或转换为电能；由于降温降压机构3的人造冷源器采用了人为的降温降压机构，因而膨胀做功后的冷媒体系不仅降压而且降温，低品位热能的利用获得可能。

本发明系统的冷媒体系的状态变化是这样的：冷媒液体从升温升压机构1内的储液罐11进入气液相联合捕热器12捕集自然环境中的热量升温，压缩机13吸入气液相联合捕热器12内的气体对其继续升温升压，经过升温升压后的冷媒气体在功能转换机构2内膨胀做功输出机械动力，或连接发电机17，带动发电机转子轴转动发电。做功后的冷媒气体在降温降压机构2的人造冷源器14内降温降压，真空泵15抽取降温降压后的冷媒气体，并排入升温升压机构1内的储液罐11，降温降压机构3内人造冷源器14底部收集到的冷媒液体通过止回阀26以另一途径流入升温升压机构1内的储液罐11，如此冷媒在系统内完成一个完整的闭式循环。在真空泵15和压缩机13的作用下整个系统内的冷媒作定向流动循环，周而复始。

本发明的有益效果是鲜明的。综合气液相捕热技术、人造冷源技术，总的来说，与现有利用低品位热能发电技术相比不需要在相对小的环境内找寻两个相差10～15℃的自然环境，而只需一个温度的自然环境，因此应用范围极大，地球上的任何地方都可以无限制地应用本发明的发电技术，从而可以改变目前世界范围内能源紧缺状况和环境污染问题。进一步说本发明的效益还表现在：一、利用了升温升压机构1的气液相捕热技术，使原本利用板式热交换器的具有工程意义的低品位热能利用价值从ΔT/2提高为ΔT；二、利用了降温降压机构3的人造冷源技术，低温源可以人为设定，从而可以根据环境和需求任意拉大需要的温度差值，使获得的温度差可以达到常规意义ΔT的n倍；三、由于舍弃了利用板式热交换器，从而避免了因额外抽水耗电大的负作用，使系统整体自身耗电量趋于最小，因此发电效率明显提高。

本发明的优点还在于系统建造可大可小，根据不同环境，可以按要求建造大型系统，也可以做成小型系统；而且本发明的发电系统建造成本低，运行成本更低。建造成本约为水力发电站、火力发电站(包括治污附属设备)建造成本的1/2～1/5，是其他发电设备所不能比拟。运行成本(包括维护修理成本)也是所有发电系统中的最小。

具体实施方式

例1、普通型方案

升温升压机构1、功能转换机构2和降温降压机构3按顺序用管道连接。即升温升压机构1内的储液罐11、止回阀22、气液相联合捕热器12、截止阀21、压缩机13、高温调节阀20、喷嘴18，和功能转换机构2内的进气阀29、气动部件16、出气阀30，和降温降压机构3内的进气阀28、人造冷源器14、低温止回阀26、真空泵15、真空球阀25，最后和升温升压机构1内的球阀23/球阀24按上述顺序用管道连接形成一个闭式回路。作为本系统热循环体系的冷媒在压缩机13和真空泵15带动下在回路内形成定向流动，周而复始。

(温度、压力、流量)第一传感器19安装在压缩机13与气动部件16之间，(温度、压力、流量)第二传感器27安装在人造冷源器14上，发电机17的转子轴与气动部件的中心转动轴连接。

真空泵15启动后，不断地从人造冷源器14抽取低压气流，使人造冷源器14始终处于低压状态。抽取的低压气流经真空泵15出口压缩到储液罐11内，人造冷源器14内液化的冷媒通过低温止回阀26、管道和球阀23流入储液罐11内。储液罐11内的液体冷媒流向气液相联合捕热器12。液体冷媒在设计合理的捕热器内充分地吸收自然环境的热量，并有足够的吸收时间使体系冷媒的温度与自然环境的温度趋于一致。压缩机13吸入冷媒气体做强力压缩而使升温升压，因此冷媒在压缩机13出口和气动部件16进口间形成高温高压气流。高温高压冷媒气流通过喷嘴再次加压并作用在气动部件的叶轮上(若有叶轮话)，使气动部件的中心轴转动，若气动部件的中心轴连接的是发电机的转子轴，导线切割磁力线，于是发电成功。气动部件16的出口端与人造冷源器14的进口端连通，并由低温止回阀26、管道和球阀23返入储液罐11。人造冷源器14内未液化的冷媒气体在真空泵15的作用下，从真空泵15出口形成稍高压稍高温的气体，并通过真空球阀25、管道，和球阀24流入储液罐11完成冷媒的一个闭式循环。

当真空泵15和压缩机13借外界辅助电源启动使系统自身获得电能后，电气控制电路自动切断外界辅助电源供电，而改由发电系统本身发出的部分电能来继续驱动真空泵15和压缩机13连续运转。

气液相联合捕热器可以是任何导热性良好的金属材料，也可以是任何导热性良好的非金属材料，通常根据自然热源环境特征制成不同形状，如平面状、立体状、筒形状等，本方案采取平面状。气液相联合捕热器中空处是走液体或气体冷媒的通道。自然环境的热量通过金属材料或非金属材料传给气液相联合捕热器中空处的冷媒，使之流动中的冷媒出口温度与环境的温度相同。降温降压机构3的人造冷源器14是个“人造”低温低压区，是对应“自然热源”的“人工冷源”。这里利用的冷媒可以是现知的任何低沸点气体制冷剂。

在水面宽广，有一定流速，水温常年在5～10℃以上的地区，气液相联合捕热器12一般可做成单层，平面状，放置于水的表层，便于在水中直接捕集热量，使冷媒的温度与自然界水的温度一致。由于水的储热量为所有物质中的最大，相对于空气昼夜温差变化小，因此有一组气液相联合捕热器12就足够了。

本发明的特点，在本方案中任何温度的自然环境都可以设为热源，而不需要为寻找另一个相对次低温度的冷源而犯愁，化解了这一难题，使本方案随处可以实施，显得那么的简单、容易。本方案适用于一般环境，称为普通型方案。

例2、兼顾型方案

本方案相对例1称为兼顾型。适合于纬度较高地区，或光照长、水源不理想的环境。

本方案与例1结构基本相同，只是在整个管道连接的回路中，多串接了一组气液相联合捕热器12，也就是说本方案中用了两组气液相联合捕热器12，其中一组气液相联合捕热器12置于水中，另一组气液相联合捕热器12置于朝南向阳的地方或阳光下，使得从水中捕集到的热量还达不到要求时，再在空气中获得补充和升温。显然如果不采取其他办法，发电效率将在晚间下降。而本方案将通过压缩机和真空泵的自动控制获得“可控”补偿。

例3、无水源型方案

本方案适合无合适水源但有良好光照的环境。

本方案与例2结构基本相同，但用于捕集热量的两组气液相联合捕热器12采取的是并联方式，一组直接置于朝南向阳面上，另一组置于储热材料的大桶内。两组气液相联合捕热器12并联方式由电磁阀自动控制。白天时电磁阀自动关闭储热材料大桶的气液相联合捕热器12通路，由置于朝南向阳面上的气液相联合捕热器12捕集空气和阳光的热量；同时储热材料吸收阳光和热量而储藏热量。当晚间太阳下山，空气温度明显下降时，电磁阀自动关闭置于朝南向阳面上的气液相联合捕热器12而接通置于储热材料中的气液相联合捕热器12通路，由储热材料释放白天吸收的热量提供给冷媒，从而使昼夜都获得稳定的发电。

例4、地热井方案

本方案适用于地热井的环境。

本方案与例1相似，但气液相联合捕热器12做成筒形，直接置于地热井水内。若该地热井属于低温地热井，水温常年恒定在28～32℃，这是低温地热井稳定发电的理想条件。若该地热井属于中、高温型，则系统热循环体系可以不是通常的冷媒而是高温水蒸气。但需要考虑的是，由于地热井水中富含矿物质元素，气液相联合捕热器12长期静置于其中外表容易结垢(对中高温地热井而言还有内部结垢问题)影响导热，其表面应作某种特殊处理并定期清洗，除去结垢。

例5、余热发电方案

本方案为余热发电的方案。根据余热源的特点，把气液相联合捕热器12制作成最有利于捕集余热的形状。并根据余热源的特点调整合适的冷媒。其他与例1同。

前面提供了对较佳实施例的描述，以使本领域内的任何技术人员可使用或利用本发明。对这些实施例的各种修改对本领域内的技术人员是显而易见的，可把这里所述的总的原理应用到其他实施例而不使用创造性。因而，本发明将不限于这里所示的实施例，而应依据符合这里所揭示的原理和新特征的最宽范围。

Claims (5)

1.利用人造冷源的自来电系统，包括两两相连的一升温升压机构、一降温降压机构和一功能转换机构，冷媒体系置于系统内部，其中：

所述升温升压机构，利用气液相联合热量交换部件技术捕集自然环境中热源的热能；

所述降温降压机构，利用人造冷源部件技术营造出一个相对于自然热源的人造冷源；

所述功能转换机构，利用能量转换组合部件，使气流动能转换为机械能，或进而转换为电能。

2.根据权利要求1所述的利用人造冷源的自来电系统，其特征在于，

所述升温升压机构包括第一传感器和用若干管道顺序连接的进气球阀、进液球阀、储液罐、止回阀、气液相联合捕热器、截止阀、压缩机、高温调节阀、喷嘴；

所述降温降压机构包括第二传感器和用若干管道顺序连接的进气阀、人造冷源器、低温止回阀、真空泵、真空球阀；

所述功能转换机构包括气动部件和用若干管道顺序连接的进气阀、气动部件、出气阀以及发电机；

其中，所述升温升压机构的压缩机出气阀和所述功能转换机构的气动部件进气阀相连，所述功能转换机构的出气阀与所述降温降压机构的进气阀相连，所述升温升压机构的进气球阀、进液球阀分别与所述降温降压机构的所述真空球阀和所述低温止回阀相连。

3.根据权利要求2所述的利用人造冷源的自来电系统，其特征在于，

所述冷媒包括氨、二氧化碳、R410A、乙烯、丙烯、以及可用作制冷剂的其他低沸点气体。

4.根据权利要求2或3所述的利用人造冷源的自来电系统，其特征在于，

所述第一、第二传感器包括温度传感器、压力传感器和流量传感器的其中一种。

5.根据权利要求4所述的利用人造冷源的自来电系统，其特征在于，

所述气动部件包括汽轮机、压缩机气缸、气动马达、膨胀发动机、外燃发动机等任何其他形式的气动部件。

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