CN104153833A - 廉价双工质相变焓差流量热量动力机 - Google Patents

Abstract

廉价双工质相变焓差流量热量动力机涉及到一种使用蒸汽质量体积小、相变焓差大的两种工质，离心式压缩机[1]、低热能汽轮机[5]为主要设备的循环吸收外界环境流体热量作功的正逆循环热机，主要特征是蒸发器[7]中工质向自然流动的水域、大气中吸热后，经离心式压缩机[1]在临界温度下实行无外在热量加热初态饱和蒸汽的省功的不等熵饱和蒸汽压缩，再于逆流式换热器中放热给低热能汽轮机[5]工质，低热能汽轮机[5]工质吸热后作功，乏汽进入冷凝器[10]冷凝。实现了循环吸收环境流动流体热量作功，除供给离心式压缩机[1]耗功外，大部分作功作为动力向外输出。可无燃料成本，无污染地作为船舶廉价动力、在水域上进行廉价发电。

Description

廉价双工质相变焓差流量热量动力机

技术领域

本发明涉及到一种利用相变焓差大、蒸汽质量体积小的两种工质从环境流体中吸收热量后无污染、高热效率转换成动力、电力的正逆循环热机，开辟了一条廉价的无燃料成本、无污染的新能源利用途径。 

背景技术

在公知的理论技术里，在逆循环的蒸汽制冷循环过程中，从蒸发器出来的温度低于外界温度的初态饱和蒸汽，进入压缩机的过程中，吸收大量外界环境的热量及上一循环升温的压缩机部件(如活塞、气缸壁等)的热量和压缩机余隙残留的高温高压气体的热量，成为温度升高、比容增大、压强升高、焓增加许多的过热蒸汽后，方才被压缩机压缩成为与初态饱和蒸汽等熵的终态过热蒸汽。由于有大量外在热量加热初态饱和蒸汽，从而理论上认为无耗散的逆循环的蒸汽制冷循环的压缩机所耗功的绝对值与正循环的热机所作功相同。 

在中国知识产权局的授权公告号CN101397983B，授权公告日2012.09.05的发明专利——“工质相变焓差海水温差动力机”技术中，高速离心式压缩机连续工作时其温度场和应力场稳定，工质流动连续不间断，初态为环境温度的R718饱和蒸汽，在高速离心式压缩机中进行压缩时，在压缩过程中无热量加热R718饱和蒸汽，使其温度升高成为比容增大、压强升高、焓增加的R718过热蒸汽之后方才被压缩。从而依据能量守恒定律，只会随着高速离心式压缩机的不断压缩，R718饱和蒸汽的比容不断变小，由于R718饱和蒸汽的比容v与温度t、压强p、焓h、熵s一一对应，最后终态为比容v减小、压强p升高的与初态饱和蒸汽熵s不相等的高温R718饱和蒸汽。根据稳定流动能量方程，高速离 心式压缩机所耗功为初态低温R718饱和蒸汽与终态高温R718饱和蒸汽的焓差，其高速离心式压缩进行的不等熵R718饱和蒸汽的压缩耗功是远远小于与初态饱和蒸汽等熵的R718过热蒸汽的压缩耗功的。 

以上专利技术在正逆热机循环中，分别采用了相变时焓差大的两种工质——R123、R718，其动力机理论热效率达20％以上，其热效率6倍于纯粹利用海洋温差热能的海洋热能发电。但是由于R718饱和蒸汽的质量体积大、初态饱和蒸汽的压强接受真空，高速离心式压缩机对质量体积庞大、压强接近真空的初态R718饱和蒸汽难于实施压缩。在高速离心式压缩机循环系统中使用只及初态R718饱和蒸汽质量体积几百分之一且相变潜热大、压强大的工质R717可以解决这一技术难题。同时此专利技术中由于深层海水抽进管、深层海水排放管的管道设备异常庞大，其制造安装成本高昂，造成动力机的制造成本高昂。减免海水温差带来的热效率，直接将蒸发器、冷凝器置于流水中，省去深层海水抽进管、深层海水排放管、表层海水抽进管、表层海水排放管及抽水泵，能够极大地减少投资成本而便于廉价投资实施。 

发明内容

本发明之目的在于向社会提供一种使用“天然制冷剂”的相变潜热悬殊、蒸汽质量体积小的两种工质，在正逆热机循环中的逆循环为省功的不等熵饱和汽压缩，从环境流水中吸收热量后无污染、高热效率转换成动力的廉价动力机及廉价动力发电。 

为了完成上述发明任务，本发明在设计时采用了如下方案：首先由离心式压缩机[1]及逆流式换热器内层[3]、输液(氨)泵[8]、蒸发器[7]构成一个逆循环系统，由低热能汽轮机[5]及冷凝器[10]、输液泵[9]、逆流式换热器外层[4]构成另一个正循环系统，离心式压缩机[1]与低热能汽轮机[5]通过联接轴[2]同循环运 转次数及同步旋转，逆流式换热器内层[3]与逆流式换热器外层[4]通过中间金属壁进行热量交换，这样由正逆循环系统及离心式压缩机[1]、逆流式换热器内层[3]、输液(氨)泵[8]、蒸发器[7]、低热能汽轮机[5]、冷凝器[10]、输液泵[9]、逆流式换热器外层[4]构成廉价双工质相变焓差流体热量动力机的主要设备。其次是正逆两个循环系统中各自采用不同的一种工质，同温度时逆循环系统中同样质量工质的相变潜热及焓多倍于正循环系统中同样质量工质的相变潜热及焓，逆流式换热器内层[3]中饱和气体的高温冷凝放量通过金属壁传热给逆流式换热器外层[4]中的液体工质及使之吸热汽化。由于离心式压缩机[1]与低热能汽轮机[5]的循环运转次数相同及通过联接轴[2]同步旋转，从而依据能量守恒定律，在每一循环运转中正循环系统中工质的质量多倍于逆循环系统中工质的质量。再其次是蒸发器[7]、冷凝器[10]直接置于外界环境的流水中，通过一定管道与船舶[11]上的其它主要部件联接。在廉价双工质相变焓差流体热量动力机运转时，在逆循环系统中：离心式压缩机[1]的旋转抽走蒸发器[7]中已蒸发的饱和蒸汽，形成蒸汽器[7]的降压，蒸汽器[7]中液体工质因降压而沸点降低后从外界流水中吸收热量后汽化，低温(外界流水温度)低压(与外界流水温度相对应的工质的饱和压强)饱和蒸汽经离心式压缩机[1]的压缩，比容v减小、压强p升高、温度t升高及焓增加，形成高温高压的饱和蒸汽，高温高压的饱和蒸汽进入逆流式换热器内层[3]，通过中层金属壁向逆流式换热器外层[4]及正循环系统中的从低温(环境流水温度)升至高温的工质放热凝结后再经输液(氨)泵[8]进入蒸发器[7]中进行下一个循环。在正循环系统中：逆流式换热器外层[4]中的液体工质吸收逆循环系统中及逆流式换热器内层[3]中的工质放热凝结的热量后汽化，形成高温高压蒸汽，高温高压蒸汽进入低热能汽轮机[5]中作功，作功后的乏汽进入冷凝器[10]，在冷凝器[10]中向外界流水放热后冷凝，冷凝后的液体工质经 输液泵[9]进入逆流式换热器外层[4]中进行下一个循环。如上循环运转，低热能汽轮机[5]的作功除供给逆循环系统离心式压缩机[1]耗功外，剩余作功作为动力向外界送出。 

含有上述设计方案的本发明在循环运转时，如逆循环系统采用工质R717、正循环采用工质R123，设R717为1kg、外界流水温度10℃、逆流式换热器中最高热交换温度为80℃，那么工质R717在10℃时饱和液体焓h₁′为246.57kJ/kg、饱和气体焓h₁″为1472.11kJ/kg，80℃时饱和气体焓h₂″为1474.31kJ/kg，R123在10℃时的饱和液体焓h₃′为209.97kJ/kg、饱和气体焓h₃″为387.46kJ/kg，80℃时饱和气体焓h₄″为428.89kJ/kg，根据稳定流动能量方程： 

-W₁＝h₂″-h₁″＝1474.31-1472.11＝2.2kJ 

Q₂＝h₁″-h₁′＝1472.11-246.57＝1225.54kJ 

Q₁＝h₂″-h₁′＝1474.31-246.57＝1227.74kJ 

R123的质量为Q₁：(h₄″-h₃′)＝1227.74÷(428.89-209.97)≈5.608kg+W_S＝5.608×(h₄″-h₃″)＝5.608×(428.89-387.46)≈232.34KJ 

W＝+W_S-(-W₁)＝232.346-2.3＝230.146Kj 

$\mathrm{\η}=\frac{W}{Q_2}=230.146\÷1225.542\≈18.8\%$

以上热力理论计算为初步粗浅计算，实际上努力提高逆循环离心式压缩机[1]系统里工质的终态饱和温度接近于临界温度，相应会提高正循环低热能能汽轮机[5]系统里工质的初态温度，从而会成倍提高正循环低热能汽轮机[5]的作功及成倍提高本发明的热效率。 

本发明比火力发电机组多一个逆循环热机系统，但火力发电的汽轮机中的 R718乏汽的质量体积为本发明R123乏汽质量体积的200倍以上、为R717初态饱和蒸汽的质量体积的350倍以上，同样质量的工质循环时火力发电的相关设备需比本发明大上许多倍，从而本发明的实际投资发电的动力设备远比火电站的动力设备成本要低，且无需燃料成本、无环境污染、在水域船舶(平台)上无需占用陆地。 

附图说明

图1是本发明系统示意图 

它表示廉价双工质相变焓差流体热量动力机的正逆循环系统及置于船舶[11]上进行动力发电的相互连接形式及相关位置和工质循环流动方向。 

具体实施方式

本发明的实施例是：将离心式压缩机[1]、低热能汽轮机[5]、发电机[6]共一联接轴[2]连接、固定在船舶[11]上，按顺序将离心式压缩机[1]、逆流式换热器内层[3]、输液(氨)泵[8]、蒸发器[7]用管道联接成一个逆循环热机系统，按顺将低热能汽轮机[5]、冷凝器[10]、输液泵[9]、逆流式换热器外层[4]用管道联接成另一个正循环热机系统，蒸发器[7]、冷凝器[10]分别通过管道相应悬置于流水中。逆流式换热器由内外层及逆流式换热器内层[3]和逆流式换热器外层[4]构成，内外层中间为导热良好的金属壁，逆流式换热器外层[4]和逆流式换热器内层[3]中及正逆循环系统中的两种工质的循环流动方向相反，联接好、封闭结束前排净循环系统中空气后，将6倍R717质量的R123液体、R717液体分别置于正逆循环系统中的逆流式换热器外层[4]、蒸发器[7]中。本发明在运转时，离心式压缩机[1]的运转，抽吸造成蒸发器[7]中R717液体的降压，液体工质R717吸收流水中的热量后汽化，依照图1上箭头→方向及工质R717循环方向，低温(环境流水温度)低压R717饱和蒸汽进入离心式压缩机[1]经压缩成为高温的R717 饱和蒸汽后，然后于逆流式换热器内层[3]中通过金属壁放热给低热能汽轮机[5]系统工质R123后凝结成液体，最后经输液(氨)泵[8]进入蒸发器[7]进入下一循环。逆流式换热器外层[4]中液体工质R123吸热后汽化成为高温高压的蒸汽，依照图1上箭头→方向及工质R123循环方向，流经低热能汽轮机[5]作功后乏汽进入冷凝器[10]向外界流水放热后冷凝，再经输液泵[9]进入逆流式换热器外层[4]中进行下一循环。由于每一循环中工质R123的质量多倍于工质R717的质量，R717为耗功很小的不等熵饱和蒸汽压缩，从而工质R123及低热能汽轮机[5]所作功多倍于离心式压缩机[1所耗功，从而造成吸热、作功的不断循环，除供给离心式压缩机[1]耗功外，另有大部分所作功作为动力带动发电机[6]不断向外输出电力。 

Claims (2)

1.一种廉价双工质相变焓差流体热量动力机，其中包括离心式压缩机、低热能汽轮机、蒸发器、冷凝器、逆流式换热器、输液泵，正逆热机循环系统采用相变焓差大的不同工质，其特征是离心式压缩机系统采用饱和蒸汽质量体积小、相变潜热大的工质-R717，低热能汽轮机系统采用蒸汽质量体积小、相变潜热小的工质，离心式压缩机中高温高压饱和蒸汽工质在逆流式换热器内层中与逆流式换热器外层中的低热能汽轮机工质进行热交换，蒸发器、逆冷凝器置于环境流水中，离心式压缩机系统工质通过蒸发器从外界流水中吸收热量，其它主要部件置于船舶上与发电机联接发电。

2.一种权利要求所述廉价双工质相变焓差流体热量动力机的实现方法，其特征在于，由低热能汽轮机及冷凝器、输液泵、流式换热器外层与离心式压缩机及逆流式换热器内层、输液(氨)泵、蒸发器构成正逆热机循环系统，逆循环离心式压缩机系统中采用相变时焓差大、饱和蒸汽质量体积小的工质，且通过蒸发器从环境流体中吸热汽化蒸发，正循环低热能汽轮机系统中采用相变时焓小、蒸汽质量体积小的工质，且通过冷凝器向环境流体中放热冷凝，通过金属壁在逆流式换热器内外层中，离心式压缩机系统中一定质量的工质冷凝传热给低热能汽轮机系统中多倍质量的工质，低热能汽轮机工质吸热汽化作功。

离心式压缩机系统采用工质R717，低热能汽轮机系统采用工质R123；

每一循环中工质R123的质量六倍于工质R717的质量。