CN104564196B - 利用液体热能发电的装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于利用江河湖海包括溪流的淡水、海水以及其他可得到的含有废热的液体用以获得清洁能源的方法和装置类。本装置由一台风扇式热交换器、一套液体回收装置(将用单独章节描述)、一套水的喷淋装置、一套空气干燥系统、一台板式热交换器及附属的罐和泵、两只腔体内带隔膜的压力容器、液位报警器、管道、电路、自动化控制阀门、自动化控制模块、发电机构成。其特征在于，利用江河湖海的水源以及其他可得到含有废热的液体通过热交换器使得装置内的循环工作液体产生饱和蒸气压力，再用配备空气干燥装置的水蒸发冷却装置降温使得压力下降，装置内部之间产生压差用以发电的方法。本发明构造简单，功能显著，能为经济活动提供所需的电力能源。

Description

利用液体热能发电的装置

技术领域

本发明属于利用江河湖海包括溪流的淡水、海水以及其他可得到的含有废热的液体用以获得清洁能源的方法和装置类。

背景技术

清洁能源已经成为当今时代的潮流和趋势。

现代科学技术使得低沸点液体的种类越加丰富。

现代科学技术已经使得空气干燥技术达到了较高水平。

现代工业能够生产容器腔内带有隔膜且耐受压力的罐体容器。

机器制造业和自动化技术的发展已经可以制造出精确而复杂的巨大机器设备并被人类所操纵。

发明内容

高效利用江河湖海的淡水、海水以及其他可得到的含有废热的液体用以获得清洁能源的方法和装置。

本发明提供一种高效利用液体热能用以发电的装置，利用江水、河水、湖泊水、溪流水、海水以及其他可得到的含有废热的液体通过板式热交换器

与装置内的循环工作液体进行充分热能交换从而使得装置内的循环工作液体产生饱和蒸气压力，再用配备了空气干燥装置的水蒸发冷却装置使上述工作液体产生的饱和蒸气中的一些部分降温使得压力下降，致使装置内部之间产生压差用以发电的方法。

本装置必须是创造密闭环境和条件，通过说明书所述的设备和管路连接，利用液体饱和蒸气压力中温度与压力的变化关系来制造压差用以发电。

本装置内的循环工作液体在一个标准大气压强的情况下沸点处于零上100摄氏度(含)至零下272摄氏度之间。

本装置必须是通过装置内的循环工作液体的气化和液化回收两个环节来完成整个发电过程的再循环，从而具有经济性、实用性。

本装置必须是采用加装了空气干燥装置的水蒸发冷却装置降温而非其他冷却方式，从而增大了所制造的温差幅度，形成更高的压差并克服了液体回收所需能耗巨大的工艺难题，并使得整个设备具有简单性、经济性、实用性。

本装置必须是通过液压发电而不是气压发电，从而具有更高的转化效率，提高了经济性、实用性。

本装置必须是采用自身腔体带隔膜的压力容器，从而可以用水来替代大量昂贵的循环工作液体去推动发电机工作，使得本装置更有经济性。

本装置由一台风扇式热交换器、一套液体回收装置(将用单独章节描述)、一套水的喷淋装置、一套空气干燥系统、一台板式热交换器及附属的罐和泵、两只腔体内带隔膜的压力容器、液位报警器、管道、电路、自动化控制阀门、自动化控制模块、发电机构成。

其特征在于利用液体在沸点温度以上临界温度以下存在饱和气液共存区，且饱和蒸气压力随着温度的变化而变化的自然规律，创造条件将在一个标准大气压情况下沸点低于零上100摄氏度(含)的液体(通常是冷媒)通过与江河湖海包括溪流的淡水、海水以及其他可得到的含有废热的液体交换热量后在一个密闭的空间里产生饱和气液共存现象并获得饱和蒸汽压，而后用水蒸发冷却技术将另一处同样状态的空间(通过管路将两者相连成为一体)进行降温，由于该空间饱和气态的压力必定随着温度的降低而降低，由此形成两者之间的压差用以发电的装置。

饱和蒸气压的定义：

在密闭条件中，在一定温度下，与气体或液体处于相平衡的蒸气所具有的压力称为饱和蒸气压。同一物质在不同温度下有不同的蒸气压，并随着温度的升高而增大。不同液体饱和蒸汽压不同，溶剂的饱和蒸汽压大于溶液的饱和蒸汽压；对于同一物质，固态的饱和蒸汽压小于液态的饱和蒸汽压。例如，在30℃时，水的饱和蒸气压为4132.982Pa,乙醇为10532.438Pa。而在100℃时，水的饱和蒸气压增大到101324.72Pa,乙醇为222647.74Pa。饱和蒸气压是液体的一项重要物理性质，如液体的沸点、液体混合物的相对挥发度等都与之有关。

计算公式：

(1)Clausius-Claperon方程:d lnp/d(1/T)＝-H(v)/(R*Z(v))式中p为蒸汽压；H(v)为蒸发潜热；Z(v)为饱和蒸汽压缩因子与饱和液体压缩因子之差。该方程是一个十分重要的方程，大部分蒸汽压方程是从此式积分得出的。

(2)Clapeyron方程:若上式中H(v)/(R*Z(v))为与温度无关的常数，积分式，并令积分常数为A，则得Clapeyron方程：ln p＝A-B/T式中B＝H(v)/(R*Z(v))。

(3)Antoine方程：ln p＝A-B/(T+C)式中，A，B，C为Antoine常数，可查数据表。Antoine方程是对Clausius-Clapeyron方程最简单的改进，在1.333～199.98kPa范围内误差小。

以普通的冷媒R22为例：

冷冻剂R22的饱和温度压力表

通过R22的饱和温度压力表可以看出温度每降低5度，压差至少都在0.1MPa(A)以上，由于现在的水蒸发冷却技术可以确保在0摄氏度以上的气温环境下使得目标物温度下降5摄氏度以上，因此在大多数气候条件下本装置都能产生0.1MPa(A)以上的压强用以发电。从而使得本装置具有了实用性，由于沸点在零上100摄氏度(含)以下至零下272度范围内可以利用的液体众多，难以一一列举，故本专利仅用制冷剂R22做举例说明，事实上在同等温差下饱和蒸气压差更大的液体还有许多，在实际产业化应用中将根据具体情况选用。

具体实施方式

设备安装：

首先搭好三层支架，将配备水喷淋装置的风扇式热交换器(称为交换器A)装在最高一层支架上，在吸风处安装空气干燥装置用以制造干燥空气增加水的蒸发量提高降温幅度。两只腔内带隔膜的压力容器分别一左一右安装在当中一层的支架上(称为压力容器C和压力容器D)，发电机(称为E)安装在两只压力容器位置的中间部位，另外一台板式热交换器及附属罐和泵(称为交换器B)装在最下面一层的支架上。第一层的热交换器A上端伸出一个管道通路接三通后分别通向中层的两个压力容器腔体内隔膜的一端(称为腔体CA和腔体DA)，在管路(称为管路AC和管路AD)与压力容器的链接处同时各安装一个自动化控制阀门(称为阀门AC和阀门AD)，交换器A的下端伸出一个管道通路连接液体回收装置(以下将单独描述)。中层的发电机进口和出口加装三通，分别与两只压力容器腔体隔膜的另一端(称为腔体CB和腔体DB)用管路连接(称为管路CE、管路EC、管路DE、管路ED)，同时都加装自动化控制阀门(称为阀门CE、阀门EC、阀门DE、阀门ED)，形成两只压力容器可以共用一台发电机的效果。两只压力容器另外从腔体CA和腔体DA各伸出一路管道(称为管路BC和管路BD)加装自动化控制阀门(称为阀门BC和阀门BD)后经三通与最下层的板式热交换器B(以下称为交换器B)附属的罐顶部连接，该罐用泵与交换器B形成一道封闭的回路用以循环罐内的工作液体(比如R22)并与用另外一个泵抽取的江河湖海包括溪流的淡水、海水以及其他可得到的含有废热的液体交换热量,同时该罐的底部与液体回收装置连接。

接下来具体描述液体回收装置结构：

该装置由两个回收罐及管道以及相应的自动化控制阀门组成。

由交换器A底部伸出一路管道经过三通后分别通向安放在当中一层的两个回收罐顶部(称为罐F和罐G)，在管路(分别称为AF和AG)上分别安装自动化控制阀门(称为阀门和AF和阀门AG)。另外再从两个回收罐的底部各伸出一路管道经过三通后一起通向安放在最低一层的交换器B附属罐的底部，在管路(分别称为管路FB和管路GB)上同时分别安装自动化控制阀门(称为阀门FB和阀门GB)。该回收装置的具体运行模式也将另行叙述。

具体运转模式：

先将整个装置抽成真空，再注满R22(以下简称液体)至交换器B附属罐。另外将水注满腔体CB至发电机E以及它们之间相互连接的管道中，同时阀门AC、DE、EC、BD关闭，阀门AD、CE、ED、BC、开启。在外接电源的暂时性启动下，交换器A和交换器B附属的两个泵都开始运转，交换器A的水喷淋装置开始启动。交换器B里面的液体开始沸腾产生压力气体并通过管路BC上升至压力容器C内的腔体CA，直至饱和蒸气压状态。此时由于在发电机E的另外一端为真空，则压力容器C内腔体CB的水在腔体CA的气体压力下通过底部的管道CE流向发电机，在发电机做功发电后沿着管道ED流入压力容器D内的腔体DB，发电机发出的电除了回补到交换器A、B及水喷淋装置、空气干燥设备、自动化控制模块外，另将富余的电力向外界输送，具体的协调由自动化控制模块进行管理。此为本装置的初始起步状态，并非后面运转的常态，因为以后压力容器C和压力容器D内都有压强而非真空。

当压力容器C内腔体CB的液位低到液位报警器启动，自动化控制模块会将所有的阀门开关逆转，于是在交换器B附属罐内产生的沸腾气体转而向压力容器D内腔体DA输送，直至饱和蒸气压状态。此时在发电机E的另外一端压力容器C内腔体CA由于与交换器A连通，前面讲到水冷可使目标物质温度下降5度以上，因此压力容器C内腔体CA的饱和蒸汽压力会降低0.1MPa(A)以上，与压力容器D形成压差，于是压力容器D内腔体DB的水在腔体DA的压力下通过底部的管道DE流向发电机，在发电机做功发电后沿着管道EC流入压力容器C内腔体CB，发电机发出的电除了回补到交换器A、B及水喷淋装置、空气干燥设备、自动化控制模块外，另将富余的电力向外界输送，具体的协调由自动化控制模块进行管理。至此本装置开始正常运转，每次液面降低到触发液面报警器报警后，自动化控制模块会立即将所有阀门逆转，装置开始又一轮的发电。

接下来具体描述液体回收装置的运转模式：

交换器A不断地将气体R22冷凝为液体，从底部管道受重力作用经过三通后流入罐F，此时阀门AF、GB打开，阀门AG、FB关闭。交换器A产生的所有液体只流向罐F，当罐F中的液位升至液位报警装置启动时，自动化控制模块开始工作，阀门AG、FB打开，阀门AF、GB关闭，罐F中的液体受重力作用流入交换器B附属罐中，同时交换器A中的回收液体开始流入罐G中直至液位报警器启动为止，如此周而复始。

Claims (16)

1.一种利用液体热能发电的装置，其特征在于，所述装置具有循环回路，所述循环回路包括位于最高一层的热交换器A、位于最低一层的热交换器B，以及位于中间一层的压力容器C、压力容器D和发电机E，所述热交换器A配备有水喷淋装置，用于对热交换器A进行水冷却；

所述发电机E设置在所述压力容器C与所述压力容器D之间，并分别通过管路与所述压力容器C、所述压力容器D连通；

所述热交换器A分别通过管路与所述压力容器C、压力容器D连通，所述热交换器B分别通过管路与所述压力容器C、压力容器D连通；

所述压力容器C内设有隔膜、将所述压力容器C分为两个腔体，所述热交换器A、热交换器B均与其中一个腔体连通，所述发电机E与另一个腔体连通；所述压力容器D内设有隔膜、将所述压力容器D分为两个腔体，所述热交换器A、热交换器B均与其中一个腔体连通，所述发电机E与另一个腔体连通；

所述循环回路中填充有工作液体，所述装置工作时，与所述热交换器A、热交换器B连通的所述腔体内的所述工作液体处于饱和汽液共存状态；

所述热交换器B用于抽取外界液体的热量并与所述工作液体进行热交换，以向其中一个压力容器中的饱和汽液提供热能，所述热交换器A用于对另一个压力容器中的饱和汽液进行冷却，以在两个压力容器之间形成压差，通过所述压差使得所述水从一个所述压力容器经过所述发电机E流向另一个压力容器，以推动所述发电机E发电。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热交换器B用于交替地向所述压力容器C、所述压力容器D中的所述工作液体提供热能；所述热交换器A用于交替地对所述压力容器C、所述压力容器D中的工作液体进行冷却。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，各个管路中分别设有自动化控制阀门；

所述装置还包括自动化控制模块，用于控制各个所述自动化控制阀门的开闭。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述热交换器A分别通过管路AC、管路AD与所述压力容器C、所述压力容器D连通，所述热交换器B分别通过管路BC、管路BD与所述压力容器C、所述压力容器D连通；

所述发电机E分别通过管路CE、管路EC与所述压力容器C连通，分别通过管路DE、管路ED与所述压力容器D连通；

所述自动化控制阀门包括：设于所述管路AC中的阀门AC，设于所述管路AD中的阀门AD，设于所述管路CE中的阀门CE，设于所述管路EC中的阀门EC，设于所述管路ED中的阀门ED，设于所述管路DE中的阀门DE，设于所述管路BC中的阀门BC，设于所述管路BD中的阀门BD；

所述发电机E工作时，所述自动化控制模块用于控制所述阀门AC、阀门DE、阀门EC、阀门BD均处于第一状态，并控制所述阀门AD、阀门CE、阀门ED、阀门BC均处于第二状态，所述第一状态与所述第二状态的开关模式相反。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述压力容器C、所述压力容器D中分别设置有液位报警器，用于检测对应压力容器中的液位并在所述液位低至预定值时启动；

所述液位报警器启动时，所述自动化控制模块控制所有的阀门开关逆转。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热交换器B包括板式热交换器及附属罐，所述热交换器B通过所述附属罐分别与所述压力容器C、压力容器D连通；

所述热交换器B通过所述板式热交换器抽取外界液体的热量并与所述附属罐中的所述工作液体进行热交换。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述附属罐连接有泵，用于循环所述附属罐内的所述工作液体。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述板式热交换器连接有泵，用于抽取所述外界液体。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括与所述附属罐连通的工作液体回收装置，所述工作液体回收装置包括回收罐F，所述回收罐F分别通过管路与所述热交换器A、所述附属罐连通，经由所述热交换器A冷凝的所述工作液体通过所述回收罐F回收至所述附属罐。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述液体回收装置还包括回收罐G，所述回收罐G分别与所述热交换器A、热交换器B的附属罐连通，经由所述热交换器A冷凝的所述工作液体通过所述回收罐G回收至所述附属罐；

所述回收罐F、所述回收罐G用于交替地将所述工作液体回收至所述附属罐。

11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热交换器A为风扇式热交换器。

12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述风扇式热交换器的吸风处设有空气干燥装置。

13.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述发电机E分别与各个热交换器、水喷淋装置以及自动化控制模块电连接，用于提供电力。

14.如权利要求1-13中任一项所述的装置，其特征在于，所述工作液体在一个标准大气压下的沸点处于零上100摄氏度至零下272摄氏度之间。

15.如权利要求1-13中任一项所述的装置，其特征在于，所述外界液体为含有废热的液体。

16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述外界液体包括江水、河水、湖泊水、溪流水、海水。