CN103449545B - 利用低温热源进行发电与制备淡水的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用低温热源进行发电和制备淡水的方法和设备。它由海水泵、加热器、闪蒸器、过热器、混合室、上升管、烟囱、空气冷凝器、水箱、真空泵、下降管、水轮发电机组、淡水池、水锤泵、雾化喷嘴组成。本发明中海水经过加热、闪蒸、过热等步骤形成低压过热蒸汽，过热蒸汽在混合室内接触并携带雾滴进入上升管并流至烟囱顶部的空气冷凝器内被冷却为凝结水，凝结水进入水箱并通过下降管向下流动冲动水轮发电机组做功发电后贮存在淡水池内，部分淡水由水锤泵输送至雾化喷嘴向混合室内进行喷雾。本发明能够充分利用低温热源进行发电，具有转换效率高、净输出功率大、发电成本低、副产大量淡水等特点，可被广泛应用于低温热源利用技术领域中。

Description

利用低温热源进行发电与制备淡水的方法和设备

技术领域

本发明属于低温热源利用技术领域，特别是涉及一种利用低温热源进行发电与制备淡水的方法和设备。

背景技术

低温热源包括空气热能、土壤热能、工业废热、地热能、太阳能、海洋温差能等，探索低温热源利用新技术，是当今各国学者期待已久而又亟待解决的重要课题。目前低温热能转化为机械能或电能的实用方法仍是通过热力循环来实现这种转化，一般采用蒸汽动力循环，主要是工作在饱和蒸汽区的兰金循环。实现兰金循环按照使用不同的工质具体可分为使用水作为工质的开式循环和使用低沸点流体作为工质的闭式循环。开式循环的优点主要在于可以得到副产品淡水，缺点在于需要体积庞大的汽轮机，单机容量受到限制；闭式循环则不能副产淡水，其优点在于汽轮机的体积和成本远低于开式循环汽轮机，缺点在于需要体积庞大、造价高昂的换热器。为了克服上述热力循环的缺点，美国学者Ridgway提出了一种利用海洋温差进行发电简称为雾滴提升循环的新方案，该方案经改良后同样适用于陆地上开发诸如工业余热水、地热水和太阳能热水等低温热源。雾滴提升循环的能量转换过程是：热水的显热转换为饱和蒸汽的潜热；蒸汽焓减少使雾滴动能增大，并转换为势能；冷凝后势能转换为机械能，并最终转换为电能。该循环的优点在于用小型水轮机替代体积庞大的汽轮机，用直接喷淋冷凝代替体积庞大的表面冷凝器，从而使发电成本有望降低，但是该循环同样不能副产淡水。目前该循环主要存在以下几个问题：一是若饱和蒸汽的闪蒸温度低，则蒸汽焓降较小，提升高度低，若闪蒸温度高，则产生蒸汽量减少，流量提升比减小，由此从根本上制约了该循环的输出功率；二是靠两相之间的摩擦力把蒸汽的动能传给雾滴的效率是非常低的；三是饱和蒸汽容易在管壁发生冷凝造成降水，使流量提升比减小，提升高度降低，输出功率减少；四是热水泵和冷却水泵耗功很大，经理论分析，只有当实际提升高度大于80m，才有净功率输出。由于上述因素的影响，目前雾滴提升循环最高的有效提升高度仅为21m，由中国科学院广州能源研究所通过实验获得，因此该循环仍然看不到实用化的前景。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种效率高、成本低并可充分利用低温热源进行发电同时副产淡水的方法。

本发明的另一个目的在于提供一种系统简单、操作方便、建设成本低并利用低温热源进行发电同时副产淡水的设备。

为实现上述发明目的，本发明的技术解决方案是：

本发明是一种利用低温热源进行发电与制备淡水的方法，它包括以下步骤：

（1）海水由海水泵输送至加热器，被温度在40～100℃之间的低温热源加热后进入闪蒸器；热海水在闪蒸器内发生降压闪蒸过程，生成低压饱和蒸汽进入过热器；

（2）低压饱和蒸汽在过热器内被温度在80℃～200℃之间的低温热源进一步加热升温，生成低压过热蒸汽进入混合室；同时，淡水池内的淡水由水锤泵输送至雾化喷嘴，然后呈雾状喷洒于混合室的内腔中，雾滴与低压过热蒸汽接触并由低压过热蒸汽携带进入上升管内；

（3）低压过热蒸汽携带雾滴在压差作用下上升至烟囱顶部并进入空气冷凝器的管内，管内的流体与管外的自然对流空气发生换热过程被冷却为凝结水；

（4）凝结水进入水箱并通过下降管向下流动冲动水轮发电机组做功发电；释放能量后的凝结水贮存在淡水池内，部分淡水由水锤泵利用淡水池的低水头势能输送至雾化喷嘴。

本发明还提供一种利用低温热源进行发电与制备淡水的设备，它包括海水泵、加热器、闪蒸器、过热器、混合室、上升管、烟囱、空气冷凝器、水箱、真空泵、下降管、水轮发电机组、淡水池、水锤泵、雾化喷嘴；

所述的加热器的海水入口连接海水管道并在海水管道上设置海水泵；所述的闪蒸器的海水入口通过管道连接加热器的海水出口；所述的过热器的饱和蒸汽入口通过管道连接闪蒸器的饱和蒸汽出口；所述的混合室的过热蒸汽入口通过管道连接过热器的过热蒸汽出口；混合室内腔的底部安装有雾化喷嘴，雾化喷嘴的进口与淡水池的出口连接，并在连接管道上设有水锤泵；所述的上升管分别与混合室内腔顶部的出口和空气冷凝器的蒸汽进口相连接；所述的空气冷凝器布置在烟囱顶部的内侧壁面上；所述的水箱布置在烟囱顶部的外侧壁面上，水箱顶部的入水口与空气冷凝器的凝结水出口连接，真空泵的入口与水箱顶部的排气口连接；所述的下降管上端入口与水箱底部的出水口连接；所述的水轮发电机组布置在下降管下端出口的位置；所述的淡水池布置在水轮发电机组下方的位置。

所述的加热器所使用的低温热源选自温度在40～100℃之间的空气热能、土壤热能、工业废热、太阳池热水、地热能热水。

所述的过热器所使用的低温热源选自温度在80～200℃之间的工业废热、太阳能、地热能。

所述的烟囱高度为50～500m之间。

采用上述方案后，本发明在能量转换与利用过程中具有以下几个特点：

一是加热后海水先经过闪蒸器得到低压饱和蒸汽，再经过过热器得到低压过热蒸汽。该过程中低压饱和蒸汽的闪蒸温度可以很低，由此得到尽可能多的蒸发量，并可以充分利用不同低温热源的热量。饱和蒸汽被中低温热源加热变成具有较大过热度的过热蒸汽后，蒸汽焓值增加，并且这部分焓升可以完全转换为雾滴的动能，从而使雾滴的提升高度大为增加。上述分析可知，本发明的蒸汽量和蒸汽焓降两者都比较大，增加了新循环的提升流量和提升高度，因此新循环的输出功率将显著增加，同时得到大量的淡水。

二是当输入的蒸汽量不变时，若输入的雾滴的总质量增加，则新循环的提升流量增加，但是提升高度降低，反之亦然，因此可以方便合理地设计烟囱的高度以及冷凝器的布置，并保证输出功率基本不变。

三是过热蒸汽不可能在上升管内壁发生冷凝现象，故不会产生回流水，因此新循环不需要设置排水系统，并且有效避免了由此引起输出功率减少的问题。

四是本发明的冷端采用空气冷却凝汽系统，不需要冷却水和冷却水泵，增加了净功率的输出，同时降低了运行费用和发电成本。

五是本发明中输送淡水至雾化喷嘴完全由水锤泵提供动力，水锤泵依靠淡水池的低水头势能即可运行，不消耗电能或其他能源。

本发明与开式兰金循环比较，两者都具有副产淡水的功能，但是本发明用小型水轮机替代体积庞大的汽轮机，单机容量不会受到限制，而且投资成本和运行费用明显降低。

本发明与闭式兰金循环比较，其优势在于得到了大量的副产品淡水，因此非常合适开发缺少电力和淡水资源的岛屿，因而具有更大的经济价值。

本发明与雾滴提升循环比较，除了具有雾滴提升循环的优点之外，本发明的提升高度和提升流量都大幅度增加，因此输出功率和效率都得到显著提高。另外，本发明中泵系统的耗功非常小，基本不影响净功率的输出。因此本发明克服了雾滴提升循环的难点，完全具备实用化的前景，同时还可收获副产淡水的经济价值。

综上所述，本发明的优点是：可以充分利用低温热源、能量转换效率高、净输出功率大、发电成本低、同时副产大量淡水。因此本发明具有适用范围广、经济价值大、实用化前景好的特点，很好地实现了能源和资源的优化利用。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图。

具体实施方式

一、方法

如图1所示，本发明是一种利用低温热源进行发电与制备淡水的方法，它包括以下步骤：

（1）海水由海水泵1输送至加热器2，被温度在40～100℃之间的低温热源加热后进入闪蒸器3；热海水在闪蒸器3内发生降压闪蒸过程，生成低压饱和蒸汽进入过热器4；

（2）低压饱和蒸汽在过热器4内被温度在80～200℃之间的低温热源进一步加热升温，生成低压过热蒸汽进入混合室5；同时，淡水池13内的淡水由水锤泵14输送至雾化喷嘴15，然后呈雾状喷洒于混合室5的内腔中，雾滴与低压过热蒸汽接触并由低压过热蒸汽携带进入上升管6内；

（3）低压过热蒸汽携带雾滴在压差作用下上升至烟囱7顶部并进入空气冷凝器8的管内，管内的流体与管外的自然对流空气发生换热过程被冷却为凝结水；

（4）凝结水进入水箱9并通过下降管11向下流动冲动水轮发电机组12做功发电；释放能量后的凝结水贮存在淡水池13内，部分淡水由水锤泵14利用淡水池13的低水头势能输送至雾化喷嘴15。

二、设备

如图1所示，本发明是一种利用中低温热源进行发电与制备淡水的设备，它包括海水泵1、加热器2、闪蒸器3、过热器4、混合室5、上升管6、烟囱7、空气冷凝器8、水箱9、真空泵10、下降管11、水轮发电机组12、淡水池13、水锤泵14、雾化喷嘴15；

所述的加热器2的海水入口连接海水管道并在海水管道上设置海水泵1；所述的闪蒸器3的海水入口通过管道连接加热器2的海水出口；所述的过热器4的饱和蒸汽入口通过管道连接闪蒸器3的饱和蒸汽出口；所述的混合室5的过热蒸汽入口通过管道连接过热器4的过热蒸汽出口；混合室5内腔的底部安装有雾化喷嘴14，喷嘴14的进口与淡水池12的出口连接并在连接管道上设有水锤泵13；所述的上升管6分别与混合室5内腔顶部的出口和空气冷凝器8的蒸汽进口相连接；所述的空气冷凝器8布置在烟囱7顶部的内侧壁面上；所述的水箱9和真空泵10布置在烟囱7顶部的外侧壁面上，水箱9顶部的入水口与空气冷凝器8的凝结水出口连接，真空泵10的入口与水箱9顶部的排气口连接；所述的下降管11上端入口与水箱9底部的出水口连接；所述的水轮发电机组12布置在下降管11下端出口的位置；所述的淡水池13布置在水轮发电机组12下方的位置。

本发明的工作原理：

海水在加热器2内被低温热源加热后进入闪蒸器3，热海水在闪蒸器3内发生降压闪蒸过程，生成低压饱和蒸汽进入过热器4，低压饱和蒸汽在过热器4内被中低温热源进一步加热升温，生成低压过热蒸汽进入混合室5，，低压过热蒸汽在混合室5内与混合室5底部雾化喷嘴15喷出的雾滴接触并携带雾滴进入上升管6内；在低压过热蒸汽携带雾滴上升过程中过热蒸汽产生焓降使过热度减少，首先变成饱和蒸汽，然后饱和蒸汽焓值进一步降低，最后变成湿蒸汽，所有的焓降大部分转换为雾滴的动能，小部分转换为雾滴的热能使少量雾滴蒸发，雾滴在上升过程中动能进一步转换为势能，同时雾滴蒸发所得蒸汽的焓值也随着原有蒸汽的焓值进一步降低转换为势能，最后湿蒸汽和雾滴共同形成的汽液两相流上升至烟囱7顶部并进入空气冷凝器8的冷凝管内，管内的流体与管外的自然对流空气发生换热过程被冷却为凝结水；凝结水进入水箱9并通过下降管11向下流动冲动水轮发电机组12做功发电；释放能量后的凝结水贮存在淡水池13内，部分淡水利用自身低水头势能由水锤泵14输送至雾化喷嘴15，然后呈雾状喷洒于混合室5的内腔中。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，各设备和管路的布置可有多种方式，故不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (5)

1.一种利用低温热源进行发电与制备淡水的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

（1）海水由海水泵输送至加热器，被温度在40～100℃之间的低温热源加热后进入闪蒸器；热海水在闪蒸器内发生降压闪蒸过程，生成低压饱和蒸汽进入过热器；

（2）低压饱和蒸汽在过热器内被温度在80℃～200℃之间的低温热源进一步加热升温，生成低压过热蒸汽进入混合室；同时，淡水池内的淡水由水锤泵输送至雾化喷嘴，然后呈雾状喷洒于混合室的内腔中，雾滴与低压过热蒸汽接触并由低压过热蒸汽携带进入上升管内；

（3）低压过热蒸汽携带雾滴在压差作用下上升至烟囱顶部并进入空气冷凝器的管内，管内的流体与管外的自然对流空气发生换热过程被冷却为凝结水；

（4）凝结水进入水箱并通过下降管向下流动冲动水轮发电机组做功发电；释放能量后的凝结水贮存在淡水池内，部分淡水由水锤泵利用淡水池的低水头势能输送至雾化喷嘴。

2.根据权利要求1所设计的一种利用低温热源进行发电与制备淡水的设备，其特征在于：它包括海水泵、加热器、闪蒸器、过热器、混合室、上升管、烟囱、空气冷凝器、水箱、真空泵、下降管、水轮发电机组、淡水池、水锤泵、雾化喷嘴；

所述的加热器的海水入口连接海水管道并在海水管道上设置海水泵；所述的闪蒸器的海水入口通过管道连接加热器的海水出口；所述的过热器的饱和蒸汽入口通过管道连接闪蒸器的饱和蒸汽出口；所述的混合室的过热蒸汽入口通过管道连接过热器的过热蒸汽出口；混合室内腔的底部安装有雾化喷嘴，雾化喷嘴的进口与淡水池的出口连接，并在连接管道上设有水锤泵；所述的上升管分别与混合室内腔顶部的出口和空气冷凝器的蒸汽进口相连接；所述的空气冷凝器布置在烟囱顶部的内侧壁面上；所述的水箱布置在烟囱顶部的外侧壁面上，水箱顶部的入水口与空气冷凝器的凝结水出口连接，真空泵的入口与水箱顶部的排气口连接；所述的下降管上端入口与水箱底部的出水口连接；所述的水轮发电机组布置在下降管下端出口的位置；所述的淡水池布置在水轮发电机组下方的位置。

3.根据权利要求1所述的利用低温热源进行发电和制备淡水的方法，其特征在于：加热器所使用的低温热源选自温度在40～100℃之间的空气热能、土壤热能、工业废热、太阳能热水、地热能热水。

4.根据权利要求1所述的利用低温热源进行发电和制备淡水的方法，其特征在于：过热器所使用的低温热源选自温度在80～200℃之间的工业废热、太阳能、地热能。

5.根据权利要求1所述的利用低温热源进行发电和制备淡水的方法，其特征在于：所述的烟囱高度为50～500m之间。