CN103982258B - 干空气能驱动的热力转换装置和利用该装置的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种干空气能驱动的热力转换装置和利用该装置的方法，该装置包括干球加热器、湿球加热器；所述的干球加热器、与湿球加热器、通过管道连接；管道上设有气液分离器和气动马达；湿球加热器出口分第一支管和第二支管，所述的第一支管与干球加热器连接，第二支管与缓冲装置连接；缓冲装置的出口管与第一支管连接；所述的湿球加热器、缓冲装置外部均设有冷却水喷淋装置；所述的各管道内部流通有工质R290；所述的湿球加热器出口管上设有第二阀门，第一支管上设有第三阀门，缓冲装置的出口管上设有第四阀门。本发明具有能将干空气能转化为推动机械装置运动的机械能，提高转化效率，节省能耗，且能循环使用的优点。
Description
技术领域
本发明涉及干空气能利用技术领域，具体涉及一种干空气能驱动的热力转换装置和利用该装置的方法(即该装置的运行方法)。
背景技术
干空气能是一种普遍存在的低品位能源，已获得了广泛的关注。在我国西北干旱地区(如吐鲁番地区)，取之不尽、用之不竭，且清洁无污染。现有的干空气能制冷技术充分利用了干空气条件下水分蒸发速率快、蒸发量大的特性，用水分蒸发的吸热效应来降低空气温度。如利用“蒸发制冷”原理，将干空气能作为蒸发式制冷空调的驱动能源使用，取代常规压缩式或吸收式空调必不可少的电能或高品位热能的消耗，实现节能减排的目的。但是，目前此类技术将干空气能转化为相对低品位的冷能，仅在空气调节方面有一定的应用价值，存在应用范围窄，转化效率低的不足。
发明内容
本发明针对现有技术的上述不足，提供一种能将干空气能转化为推动机械装置运动的机械能，提高转化效率，节省能耗，且能循环使用的干空气能驱动的热力转换装置。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：该装置包括干球加热器，和与干球加热器通过管道连通的湿球加热器；所述的干球加热器与湿球加热器之间连通的管道上设有气液分离器和气动马达；所述的湿球加热器出口管设有第一支管和第二支管；第一支管与干球加热器连接，第二支管与缓冲装置连接；缓冲装置的出口管与第一支管连接；所述的湿球加热器、缓冲装置外部均设有水冷却装置；所述的各管道((连接管道、支管等))构成封闭的管道系统，管道系统内部流通有工质R290(丙烷)；所述的湿球加热器出口管上设有第二阀门，第一支管上设有第三阀门，缓冲装置的出口管上设有第四阀门。
本发明上述的干球加热器、湿球加热器和缓冲装置均是由若干翅片管并联组成；翅片管包括管材和设置于管材上的若干散热片。本发明上述的翅片管由多次弯折的盘管和设于盘管外侧的散热片组成。
本发明根据“干湿球温度计”的原理，利用干湿球温度差与空气的相对湿度呈反比，即空气的相对湿度越小，干湿球的温度差越大的特性，以低沸点有机液体作为工质，通过不同温度下工质的饱和压力差，实现了将干空气能转化为机械能的目的。例如，根据《吐鲁番统计年鉴》查得在吐鲁番7月干球温度在40℃，相对湿度25％的条件下，其湿球温度仅为23.61℃，温差可达到16.39℃。若采用R290(即丙烷)作为工质，以“干球”作为热端，在干球温度下工质的饱和蒸汽压1369kPa；以“湿球”为冷源，在湿球温度下工质的饱和蒸汽压为919kPa，两端存在450kPa的压差，符合气动马达正常400～700kpa的工作压力，若在两端间设置活塞或气动马达机构即可实现机械能的输出。这一热力过程实质上消耗了干空气的干度即其做功能力，将干空气能转化为机械能，该热力过程符合热力学第一定律和第二定律的相关原理，是一种干空气能有效利用的新方法，大大拓宽了干空能利用技术的适用范围。
采用上述结构，整个装置均处于干燥空气中，若干翅片管并联组成干球加热器与外部干燥、高温的环境接触，其中的工质R290在高温下受热气化，使干球加热器内部处于高温高压状态，其中的气流沿着管道向湿球加热器流动，而湿球加热器通过喷淋冷却水对由若干翅片管并联组成湿球加热器内部的工质R290进行冷却降温，由此在干球加热器与湿球加热器之间连通的管道内产生气压，使干球加热器中处于气态的工质通过气液分离器压向湿球加热器，从而推动其间的气动马达运作实现干空气能向机械能的转化。该装置无需外加热源，只需要将装置置于干燥环境中，即可实现。同时，缓冲装置的设置使得部分没有得到液化的工质进一步液化，以再次进入干球加热器内进行循环利用，同时将湿球加热器内的液体工质进行收集待下一循环使用。
作为优选，所述的气液分离器上设有回流管，回流管上设有第一阀门；采用上述结构，当气态的工质通过气液分离器压向湿球加热器，其中的少量液体工质得到及时分离，累积一定量后并通过回流管再次回到干球加热器中进行循环利用。
作为优选，所述的缓冲装置尾部连接有储液罐，储液罐外部设有水冷却装置。采用该结构，由缓冲装置冷凝的液体工质可以在储液罐中得到储存，待气压平衡后使其流回干球加热器中进行循环利用。
作为优选，所述的翅片管为铜翅片管，采用该结构，可以提高热交换效率。
作为优选，所述的干球加热器、气液分离器、气动马达、湿球加热器按照从下到上的高度顺序依次连接；所述的缓冲装置的高度处于干球加热器和湿球加热器之间。这种高度顺序的排列，有利于工质的循环流通。
本发明还提供一种利用上述干空气能驱动的热力转换装置的方法，步骤包括：
(1)输出行程：开启湿球加热器上部冷却水的喷淋装置进行喷水冷却，水在干空气中蒸发吸热带走热量，使湿球加热器内部工质R290处于低温低压状态；此时，干球加热器中的工质R290(即丙烷)在外部高温、干燥环境下受热气化，使干球加热器处于高温高压状态；使干球加热器中气态工质通过气液分离器压向湿球加热器，从而推动其间的气动马达运作；
(2)缓冲行程：打开第二阀门气态工质在湿球加热器中冷凝液化成液体工质，在重力作用下通向与其温度、压力相同的缓冲装置中；
(3)回液行程：待缓冲装置中的液体工质较多时，关闭第二阀门打开第三阀门，由于干球加热器处于高温高压状态，缓冲装置处于低温低压状态，两者存在压力差，干球加热器中气态工质通过管道压向缓冲装置，待气压平衡后关闭第三阀门打开第四阀门，在重力作用下液体工质流回干球加热器；
(4)恢复行程：待液体工质充分流入干球加热器后，关闭第四阀门，缓冲装置中的残留气态工质液化，在下一次循环中流回干球加热器；干球加热器中的液态工质再次受外界高温高压加热气化，进行下一循环带同气动马达不间断运作。
本发明的优点和有益效果：
1)本装置利用温度差、重力作用以及工质状态变化形成循环，避免循环过程中使用额外能源；
2)本装置巧妙利用多个阀门的开与关，省去了工质回流所需的额外能耗；
3)本装置的的干球加热器、湿球加热器和缓冲装置均是由若干翅片管并联组成；采用的是并联的连接方式，使换热时受到的阻力更小。
4)本装置采用密封管道系统，使得工质可以多次循环利用，避免产生额外经济负担或生态污染。
5)本装置利用干空气特性制造低温低压系统，以最经济的方式产生最大的效益。
6)本装置利用工质R290(即丙烷)的相态变化特性，充分利用环境温度产生循环。
附图说明
图1本发明干空气能驱动的热力转换装置结构示意图。
图2本发明翅片管结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例进一步详细描述本发明，但本发明不仅仅局限于以下实施例。
如图1所示：本发明的一种干空气能驱动的热力转换装置，该装置包括干球加热器1，和与干球加热器通过管道连接的湿球加热器4；所述的干球加热器1与湿球加热器4之间连接的管道上设有气液分离器2和气动马达3；所述的湿球加热器4出口管设有第一支管4.1和第二支管4.2，所述的第一支管4.1与干球加热器1连接，所述的第二支管4.2与缓冲装置5连接；缓冲装置5的出口管与第一支管4.1连接；所述的湿球加热器4、缓冲装置5外部均设有水冷却装置11；上述的的所有管道(连接管道、支管等)构成封闭的管道系统，管道系统内部均流通有工质R290；所述的湿球加热器4出口管上设有第二阀门8，第一支管4.1上设有第三阀门9，缓冲装置5的出口管上设有第四阀门10。
本发明上述的干球加热器、湿球加热器和缓冲装置均是由若干翅片管并联组成；所述的气液分离器2上设有回流管2.1，回流管上设有第一阀门7；所述的缓冲装置5尾部连接有储液罐6，储液罐外部设有水冷却装置11(水冷却装置即利用常规花洒结构即可实现喷淋的喷淋装置，或者是一端进水一端出水的水池等，只要可以实现对湿球的降温、增大含湿量均可)；所述的翅片管为铜翅片管，采用该结构，可以提高热交换效率。
本发明上述的干球加热器、湿球加热器和缓冲装置均是由若干翅片管并联组成；翅片管包括管材和设置于管材上的若干散热片。具体如图2所示：翅片管由多次弯折的盘管12和设于盘管外侧的散热片13组成；每根翅片管与主管道14(即构成干空气能驱动的热力转换装置的管道系统的各管道)之间为并联。所述的翅片管为铜翅片管，采用该结构，可以提高热交换效率。
本发明上述的气液分离器(气液分离器原理是：饱和气体在降温或者加压过程中，一部分可凝气体组分会形成小液滴·随气体一起流动，气液分离器作用就是处理含有少量凝液的气体，实现凝液回收或者气相净化；采用市售产品即可)上设有回流管2.1，回流管上设有第一阀门7；采用上述结构，当气态的工质通过气液分离器压向湿球加热器，其中的少量液体工质得到及时分离，累积一定量后并通过回流管再次回到干球加热器中进行循环利用。
本发明上述的缓冲装置尾部连接有储液罐6，储液罐外部设有水冷却装置11。采用该结构，由缓冲装置冷凝的液体工质可以在储液罐中得到储存，待气压平衡后使其流回干球加热器中进行循环利用。
本发明上述的干球加热器、气液分离器、气动马达、湿球加热器按照从下到上的高度顺序依次连接；所述的缓冲装置的高度处于干球加热器和湿球加热器之间。这种高度顺序的排列，有利于工质的循环流通。
本发明上述的阀门采用市售的电动阀、电磁阀等自动化程度高的阀门。
(1)热功转换效率
理论上，工质R290(即丙烷)的热功转换效率为4.26％，接近同温差条件下卡诺循环效率。
(2)工质耗水量
假设环境温度为T1，水蒸发带走热量使湿球温度T2，环境温度下的饱和工质气体焓值hg1，环境温度下的饱和工质液体焓值hl1，湿球温度下的饱和气态工质焓值hg2，湿球温度下的饱和工质液体焓值hl2，一个大气压下水汽化潜热为γ(2257.2kJ/kg)。
<1>根据卡诺循环热效率公式计算理想状态下的装置效率：
η1＝1-(T2/T1)
<2>工质R290在此装置的实际循环热效率：
η2＝(hg1-hg2)/(hg1-hl1)
<3>以每小时1千瓦的功率输出来计算耗水量
m水＝(hg2-hl1)/γ
<4>以一天工作8小时，每小时1千瓦的功率输出为例，一天的总耗水量
m总水＝m水*8
<5>需要的工质量m
m工质＝3600/(hg1-hg2)
表1吐鲁番夏季7月白天平均温度40℃相对湿度25％一个大气压的环境工质选择R290为例
| 项目 | 结果 | 项目 | 结果 |
| T2 | 23.61℃ | η1 | 5.24％ |
| hg1 | 614.1kJ/kg | η2 | 4.26％ |
| hl1 | 261.7kJ/kg | m水 | 0.028T |
| hg2 | 599.1kJ/kg | m总水 | 0.231T |
| hl2 | 307.8kJ/kg |
(3)实用例：
以吐鲁番为例，夏季白天平均温度40℃，相对湿度为25％，且在一个大气压的环境下，装置选择工质R290，以驱动最大扭力为0.63N·M，最大功率1/8HP的气动马达为例，一天工作8小时，每小时1千瓦的功率输出的负荷下，根据上述计算所得，该装置一天消耗水量0.231吨，在运行过程中，工质处于密闭环境，从而可以循环利用。与现代火力发电相比较，若按同样输出的功率1千瓦比较，可节约燃原煤1.32吨(按供电煤耗325gce/kWh计)，同时减少二氧化碳排放约2.92吨，而产生的能量可以使电脑用3-4小时,电吹风1-2小时,40瓦的日光灯20-25小时,29英寸的电视机6小时,1.5p空调用1-2小时。
综上所述，该装置不仅做到节约能源，保护环境，可起到可持续发展的效益，具有一定的经济可行性。
(4)装置内部情况：
表2：以R290为工质，驱动1/8HP活塞式气动马达的工作参数表
从上表可知：
1、以接近卡诺循环的效率水平实现了干空气能向机械能的转换，拓宽了干空气能的利用范畴；
2、该装置可以作为一种新的能源转换技术，在零排放条件下驱动各种负载；
3、装置结构简单，成本低廉。
4、与常规热机相比，本发明所涉“干空气能发动机”仅消耗空气的“干度”，并且装置简单、材料易得，从全生命周期角度看，是一种完全“绿色”的能源转化方式。
本发明的干球加热器，在环境温度(如吐鲁番7月天气环境)下工作，湿球冷却器需要始终保持润湿(持续喷淋常温水冷却)，在湿球温度下工作。
Claims (7)
1.一种干空气能驱动的热力转换装置，其特征在于：该装置包括干球加热器（1），和与干球加热器（1）通过管道连通的湿球加热器（4）；所述的干球加热器（1）与湿球加热器（4）之间连通的管道上设有气液分离器（2）和气动马达（3）；所述的湿球加热器（4）出口管设有第一支管（4.1）和第二支管（4.2）；第一支管（4.1）与干球加热器（1）连接，第二支管（4.2）与缓冲装置（5）连接；缓冲装置（5）的出口管与第一支管（4.1）连接；所述的湿球加热器（4）、缓冲装置（5）外部均设有水冷却装置（11）；各管道构成封闭的管道系统，管道系统内部流通有工质R290；所述的湿球加热器（4）出口管上设有第二阀门（8），第一支管（4.1）上设有第三阀门（9），缓冲装置（5）的出口管上设有第四阀门（10）。
2.根据权利要求1所述的干空气能驱动的热力转换装置，其特征在于：所述的干球加热器（1）、湿球加热器（4）和缓冲装置（5）均是由若干翅片管并联组成。
3.根据权利要求2所述的干空气能驱动的热力转换装置，其特征在于：所述的翅片管为铜翅片管。
4.根据权利要求1所述的干空气能驱动的热力转换装置，其特征在于：所述的气液分离器（2）上设有回流管（2.1），回流管（2.1）上设有第一阀门（7）。
5.根据权利要求1所述的干空气能驱动的热力转换装置，其特征在于：所述的缓冲装置（5）尾部连通有储液罐（6），储液罐（6）外部设有水冷却装置（11）。
6.根据权利要求1所述的干空气能驱动的热力转换装置，其特征在于：所述的干球加热器（1）、气液分离器（2）、气动马达（3）、湿球加热器（4）按照从下到上的高度顺序依次连接；所述的缓冲装置（5）的高度处于干球加热器（1）和湿球加热器（4）之间。
7.一种利用干空气能驱动的热力转换装置的方法，其特征在于：步骤包括：
（1）输出行程：开启湿球加热器上部冷却水的喷淋装置进行喷水冷却，水在干空气中蒸发吸热带走热量，使湿球加热器内部工质R290处于低温低压状态；此时，干球加热器中的工质R290在外部高温、干燥环境下受热气化，使干球加热器处于高温高压状态；则干球加热器中气态工质通过气液分离器压向湿球加热器，从而推动其间的气动马达运作；气液分离器上设有回流管，回流管上设有第一阀门；当气态的工质通过气液分离器压向湿球加热器，其中的少量液体工质得到及时分离，累积一定量后并通过回流管和第一阀门再次回到干球加热器中进行循环利用；
（2）缓冲行程：打开第二阀门气态工质在湿球加热器中冷凝液化成液体工质，在重力作用下通向与其温度、压力相同的缓冲装置中；
（3）回液行程：喷淋装置待缓冲装置中的液体工质较多时，关闭第二阀门打开第三阀门，由于干球加热器处于高温高压状态，缓冲装置处于低温低压状态，两者存在压力差，干球加热器中气态工质通过上端管道压向缓冲装置，待气压平衡后关闭第三阀门打开第四阀门，在重力作用下液体工质流回干球加热器；
（4）恢复行程：待液体工质充分流入干球加热器后，关闭第四阀门，缓冲装置中的残留气态工质液化，在下一次循环中流回干球加热器；干球加热器中的液态工质再次受外界高温高压加热气化，进行下一循环带动气动马达不间断运作。
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150819 Termination date: 20160430 |