CN103711535A - 环境热能转换的方法及利用环境热能提供动力的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环境热能转换的方法及利用环境热能提供动力的装置，而提供一种成本低的持续稳定的环境热能转换成动能或电能的方法及装置。该方法为：液态低沸点工质吸收环境中的热能气化成气体；进入气动机后作等温膨胀，所述气动机带动被驱动设备；所述气动机排出的乏气经压缩机压缩后升温为高温气体，所述高温气体一路用于加热进入所述压缩机内的乏气，另一路液化成液体，之后，重复上述步骤。该方法采用低沸点工质为工作介质通过循环产生吸热和放热的过程实现热能到动能及电能的转换，能够有效的利用环境中的热量，实现持续稳定的动能及电能的转换，不消耗自然资源，成本低，有利于保护环境。

Description

环境热能转换的方法及利用环境热能提供动力的装置

技术领域

本发明涉及环境热能利用技术领域，特别是提供一种环境热能转换的方法及利用环境热能提供动力的装置。

背景技术

随着经济的发展，能源和环境问题日益紧张。为此，减少自然能源的消耗、保护环境成为发展的重要课题。

目前，解决能源问题主要采用新能源，如利用风能、水能发电，以及开发新能源电池等。对于风能和水能发电设备复杂，风电、光伏需要蓄电池储能，开发新能源汽车蓄电池需要配套充电站，使用不方便，制造蓄电池有污染，旧蓄电池报废拆解污染更大。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种成本低的持续稳定的环境热能转换成动能或电能的方法。

本发明的另一个目的是提供一种结构简单，成本低的能够持续稳定的利用环境热能提供动能或电能的装置。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种环境热能转换的方法，包括下述步骤：

（1）液态低沸点工质吸收环境中的热能气化成气体；进入气动机后作等温膨胀，所述气动机带动被驱动设备；

（2）所述气动机排出的乏气经压缩机压缩后升温为高温气体，所述高温气体首先用于加热进入所述压缩机内的乏气，之后进入冷凝器冷凝成液体，再进入蒸发器，重复步骤（1）。

为了发电，所述气动机带动发电机发电。

一种利用环境热能提供动力的装置，包括由蒸发器、气动机、冷凝器、乏气压缩机和控制阀组成的循环系统，所述循环系统的工质为低沸点介质；所述蒸发器1的出口通过导管与所述气动机的气体入口连接，所述气动机的乏气出口与所述乏气压缩机的吸气口连接，所述乏气压缩机的排气口与热反馈部件的进口连接，所述热反馈部件的出口与所述冷凝器的进口连接；所述冷凝器的出口与所述蒸发器的进口连接；所述蒸发器、导管和气动机的外表面上均安装有用于维持工质恒温的吸热翅片，所述控制阀安装在所述导管上，所述气动机的输出轴与被驱动设备的输入轴连接。

所述气动机的输出轴与发电机的动能传动轴连接。

所述低沸点介质为R22或R134a或R74。

所述热反馈部件由热反馈管和安装于所述乏气压缩机外部的壳体夹层组成，所述乏气压缩机的排气口与所述热反馈管的进口连接，所述壳体夹层的进气端与所述热反馈管的出口连接，所述壳体夹层的出气端与所述冷凝器进口连接。

所述蒸发器的外部安装有可调节温度的保温层。

所述气动机为螺杆气动机或涡轮气动机或活塞气动机。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的方法采用低沸点工质为工作介质通过循环产生吸热和放热的过程实现热能到动能及电能的转换，能够有效的利用环境中的热量，实现持续稳定的动能及电能的转换，不消耗自然资源，成本低，有利于保护环境。

2、本发明的方法通过利用压缩机排气口的高温气体加热压缩机内的气体，实现热反馈，减少了压缩机吸气口和排气口之间的温差，降低了压缩机消耗的电能，提高了效率。

3、本发明的装置结构简单，成本低。

4、本发明的装置在蒸发器、导管和气动机的外部安装有吸热翅片，能够抵抗由于膨胀造成的工质气体温度降低，从而保障了设备的持续稳定的运行。

5、当本发明的装置与带动发电机时，可以实现制冷、制热和发电多种功能。

附图说明

图1所示为本发明用环境热能提供动力的装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明的动力装置的示意图如图1所示，包括由蒸发器1、气动机4、冷凝器8、乏气压缩机6和控制阀2组成的循环系统，所述循环系统的工质为低沸点介质。所述低沸点介质为R22或R134a或R744等。所述蒸发器1的出口通过导管3与所述气动机4的气体入口连接，所述气动机4的乏气出口与所述乏气压缩机6的吸气口连接，所述乏气压缩机6的排气口与热反馈部件的进口连接，所述热反馈部件的出口与所述冷凝器8的进口连接。本实施例中，所述热反馈部件由热反馈管7和安装于所述乏气压缩机外部的壳体夹层组成，所述乏气压缩机6的排气口与所述热反馈管7的进口连接，所述壳体夹层的进气端与所述热反馈管7的出口连接，所述壳体夹层的出气端与所述冷凝器8进口连接。所述冷凝器8的出口与所述蒸发器1的进口连接；所述蒸发器1、导管3和气动机4的外表面上均安装有用于维持工质恒温的吸热翅片，所述控制阀2安装在所述导管3上，所述气动机4的输出轴与被驱动设备的输入轴连接。所述气动机4为螺杆气动机或涡轮气动机，亦可为活塞气动机。

本发明的装置可以作为发电装置、汽车、船舰等的动力来源。作为发电装置时，所述气动机4的输出轴与发电机5的动能传动轴连接。

运行中，为了在蒸发器内实现底部液态工质16℃左右连续升至顶部的工质气体25℃许，所述蒸发器1的下部安装有可调节温度的保温层9。

本发明环境热能转换的方法，包括下述步骤：

（1）液态低沸点工质吸收环境中的热能气化成气体；进入气动机后作等温膨胀，所述气动机带动被驱动设备；

（2）所述气动机排出的乏气经压缩机压缩后升温为高温气体，所述高温气体用于加热进入所述压缩机内的乏气，之后进入冷凝器冷凝成液体，再进入蒸发器，重复步骤（1）。

以下以采用R22为循环系统的低沸点工质为实施例进行说明。

等温膨胀遵循下述公式

$A=\frac{M}{M_{\mathrm{mol}}}{\mathrm{RTI}}_n\frac{P_1}{P_2}---\left(1\right)$

公式（1）中：

A—等温膨胀做功，单位为N^·m^·s^-1；

M—工质流量，单位为g^·s^-1；

M_mol—工质摩尔质量，单位为g^·mol^-1；

R—摩尔气体常量，为8.31J^·mol^-1·K^-1；

T—等温过程温度，单位为K；

I_n—自然对数；

P₁—膨胀前压强，单位为atm；

P₂—膨胀后压强，单位为atm；

运行中，蒸发器中的R22工质吸收环境中的热量，温度由16℃（底部液态）升高到25℃的顶部气体，在导管3中微膨胀加速，同时通过导管3外部的吸热翅片吸收环境中的热量，温度维持25℃，到达气动机4中，于25℃等温膨胀，流量1kg/s，压强由10atm降至5atm，气动机4带动发电机发电。同时，气动机排出的乏气进入压缩机后，被此前从乏气压缩机排气口排出的、经热反馈管送入压缩机壳体夹层内的高温气体加热。进入乏气压缩机吸气口后的气体温度为45.5℃，乏气压缩机排气口的温度为66℃，从壳体夹层排出的气体再进入冷凝器冷凝成为R22液体，冷凝器出口的R22液体温度为35℃左右，经过管道进入蒸发器中，在蒸发器中吸热成为R22气体，继续循环过程。发电机产生的电能，取其中一份用于驱动乏气压缩机，维持系统运行，也可以将盈余的电能输送给其他用电设备。

其中，工质流量为1000g^·s^-1，R22的摩尔质量为86.48g^·mol^-1，等温过程温度为(25+273.15=)298.15K，膨胀前压强为10atm，膨胀后压强为5atm，带入公式（1）中，R22气体的等温膨胀做的功A_3-4为

$A_{3-4}=\frac{1000g\·s^{-1}}{86.48g\·{\mathrm{mol}}^{-1}}\×8.31\left(J^{\·}{\mathrm{mol}}^{-1\·}{k}^{-1}\right)\×298.15\left(k\right)\mathrm{In}\frac{10}{5}=19.858\left({\mathrm{kJ}}^{\·}{s}^{-1}\right)$

计入螺杆气动机的气-机效率η₄=0.8，因此，螺杆气动机的轴功率Wa为：Wa=A_3-4×η₄=19.858×0.8=15.886KJ/s

计入发电机的机-电效率η₅=0.9，则发电机发电功率W₅为：W₅=Wa*η₅=15.886*0.9=14.298KJ/S

绝热过程中气体所做功为：

$A=-\frac{M}{M_{\mathrm{mol}}}{C}_v(T_2-T_1)---\left(2\right)$

公式（2）中：

A—绝热压缩A＜0，即须外力作功，单位为N^·m^·s^-1；

M—过程参与工质流量，单位为kg^·s^-1；

C_V—工质气等容比热，单位为J^·kg^-1·K^-1；

T₁—绝热过程前温度，单位为K；

T₂—绝热过程后温度，单位为K；

由于热能正反馈的存在，系统启动数秒后，乏气压缩机进口R22气体温度为45.5℃（压缩机吸气口和排气口温度的平均值），出口温度为66℃，流量1kg/s，C_V=(i/2)R，对于多原子气体，i=6，C_V=（6/2）R=3×8.31=24.93J^·mol^-1·k^-1，则对R22气体做的压缩功A₆为：

$A_6=\frac{1000g\·s^{-1}}{86.48g\·{\mathrm{mol}}^{-1}}\×24.93\left(J^{\·}{\mathrm{mol}}^{-1\·}{k}^{-1}\right)\×(339.15-318.65)k=-5.909{\mathrm{kJ}}^{\·}{s}^{-1}$

压缩机电-机-气总效率η₆=0.8，因此，压缩机耗电为

W₆=A6÷η₆=5.909÷0.8=7.387KJ/S，

发电机与压缩机功率之差△W为：

△W=W₅-W₆=14.298-7.387=6.911KJ/S，

因此，本系统对外供电能力为6.911KJ/S。

比较：当没有热能正反馈时，压缩机进气口乏气约25度℃C，排气口66℃C,压缩耗功（耗功取绝对值）

$A_{3-4}=\frac{1000g\·s^{-1}}{86.48g\·{\mathrm{mol}}^{-1}}\×24.93J^{\·}{\mathrm{mol}}^{-1\·}{k}^{-1}(339.15-298.15)=11.819\×{\mathrm{kJ}}^{\·}{s}^{-1},$ 计入压缩机总成效率η₆=0.8，则耗电为W_6-0=A_6-0÷0.8=14.774k J^·s^-1

此时，△_W=W₅-W_6-0=14.298-14.774=-0.476KJ^·s^-1

从上述计算可以看出，不引入正反馈，发的电能不够自身压缩机用的，可见热的正反馈的重要性。

（注：A_6-0、W_6-0分别是无热能正反馈时对R22气体所做的压缩功和压缩机所耗电能，A_6-0、W_6-0意指反馈系数为0）

本系统中出现的最高温度为T_H66℃，最低温度T_L为25℃，R22工质25℃时的汽化热约181.68KJ/Kg，此热于系统循环中占绝对多数，因此，以此为分母近似讨论效率。

致热系数G_H：

$G_H=\frac{T_H}{T_H-T_L}=\frac{273.15+66}{66-25}=8.271$

$G_{\mathrm{H\β}}=\frac{T_H}{T_H-T_{L+\mathrm{\β}}}=\frac{273.15+66}{66-45.6}=16.543$

G_H—无热反馈的制热系数；

G_Ηβ—加热反馈后的制热系数；

T_L—无热反馈时的压缩机进气口的工质温度，单位为K；

T_L+_β—加热反馈后压缩机进气口内的工质温度，单位为K；

T_H—压缩机排气口的温度，单位为K；

理论效率上限 ${\mathrm{\η}}_i=1-\frac{25+273.15}{66+273.15}=0.1209$

实际发电效率 ${\mathrm{\η}}_g=\frac{14.298}{181.68}=0.0787$

对外供电效率 ${\mathrm{\η}}_l=\frac{6.911}{181.68}=0.038$

地球大气质量5.101*10¹⁸kg，总显热5.131*10²¹J/K，若降温1K，释放出的热能相当燃标煤1.751*10¹¹吨；海水总量1.37*10²¹kg，若降温1K，释放5.74*10²⁴J热量，相当燃标煤1.959×10²⁴吨。从大气（或大水）中取热发电、作功，取之不尽，用之不竭，且无需使用有形资源，同时避免产生环境污染。

本发明的方法及装置从环境中取热利用作功，又必然有同等的热自动地归还环境。因此，使用本发明无论开发到何等规模，地球不会因之变热变冷，不影响气候。

本发明的运行不受空间限制不受昼夜阴晴等气候变化制约，供电稳定。

Claims (8)

1.一种环境热能转换的方法，其特征在于，包括下述步骤：

（1）液态低沸点工质吸收环境中的热能气化成气体；进入气动机后作等温膨胀，所述气动机带动被驱动设备；

（2）所述气动机排出的乏气经压缩机压缩后升温为高温气体，所述高温气体首先用于加热进入所述压缩机内的乏气，之后进入冷凝器冷凝成液体，再进入蒸发器，重复步骤（1）。

2.根据权利要求1所述的环境热能转换的方法，其特征在于，所述气动机带动发电机发电。

3.一种实现权利要求1所述的方法的利用环境热能提供动力的装置，其特征在于，包括由蒸发器（1）、气动机（4）、冷凝器（8）、乏气压缩机（6）和控制阀（2）组成的循环系统，所述循环系统的工质为低沸点介质；所述蒸发器（1）的出口通过导管（3）与所述气动机（4）的气体入口连接，所述气动机（4）的乏气出口与所述乏气压缩机（6）的吸气口连接，所述乏气压缩机（6）的排气口与热反馈部件的进口连接，所述热反馈部件的出口与所述冷凝器（8）的进口连接；所述冷凝器（8）的出口与所述蒸发器（1）的进口连接；所述蒸发器（1）、导管（3）和气动机（4）的外表面上均安装有用于维持工质恒温的吸热翅片，所述控制阀（2）安装在所述导管（3）上，所述气动机（4）的输出轴与被驱动设备的输入轴连接。

4.根据权利要求3所述的利用环境热能提供动力的装置，其特征在于，所述气动机（4）的输出轴与发电机（5）的动能传动轴连接。

5.根据权利要求2或4所述的利用环境热能提供动力的装置，其特征在于，所述低沸点介质为R22或R134a或R74。

6.根据权利要求3或4所述的利用环境热能提供动力的装置，其特征在于，所述热反馈部件由热反馈管（7）和安装于所述乏气压缩机（6）外部的壳体夹层组成，所述乏气压缩机（6）的排气口与所述热反馈管（7）的进口连接，所述壳体夹层的进气端与所述热反馈管（7）的出口连接，所述壳体夹层的出气端与所述冷凝器（8）进口连接。

7.根据权利要求3或4所述的利用环境热能提供动力的装置，其特征在于，所述蒸发器（1）的外部安装有可调节温度的保温层（9）。

8.根据权利要求3或4所述的利用环境热能提供动力的装置，其特征在于，所述气动机（4）为螺杆气动机或涡轮气动机或活塞气动机。

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