CN105102773A - 利用空气(大气)潜热的发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用空气（大气）潜热的发电装置，目的是将氨作为工作流体并将25℃温度下的潜热吸收到装置内，利用流体自身循环产生的能源，从而自身生产动力或电能并作为外部电源使用，上述利用空气（大气）潜热的发电装置的特征在于，包括：氨蒸发器，将空气中包含的潜热引入上述发电装置内，并使氨通过上述发电装置的内部的管道，使上述氨气化来吸收热量；第一强制通风机，将被利用的空气（大气）向外部排出；热泵，通过压缩被气化的氨制冷剂而进一步提高温度；热交换器，使被压缩的气化了的氨制冷剂通过管道内部，使收容在上述热交换器的内部的R-123溶液沸腾来产生蒸气；蒸气机，通过使产生的蒸气绝热膨胀来工作；无刷发电机，通过上述蒸气机的工作而产生电；湿蒸气冷却器，将绝热膨胀后处于湿蒸气状态的R-123用第二压缩马达压缩并使该R-123通过管道内部，并进行冷却以使R-123液化；第二强制通风机，将由上述湿蒸气冷却器放出的周边的热量向外部排出；第一压缩马达，使通过上述湿蒸气冷却器的R-123加速并投入到上述热交换器的内部；膨胀阀，将通过上述热交换器的高压的氨输送到上述氨蒸发器之前减压至低压，并调节氨的流量。

Description

利用空气(大气)潜热的发电装置
技术领域
本发明涉及一种利用空气(大气)潜热的发电装置，该利用空气(大气)潜热的发电装置将冷冻装置的工作流体氨(NH3)用作引入空气中潜热的工作流体，利用热泵压缩所吸收的热来生产热源之后，将R-123制冷剂用作第二次的工作流体而气化的流体绝热膨胀，来使安装有发电机的蒸气机工作，从而生产电。
背景技术
众所周知，“内燃机”指将燃料燃烧时产生的热能转换为机械的功的动力产生装置，若将烃类燃料(煤炭，石油类等)和空气以适当比率混合并在蒸气管的内部燃烧则产生高温高压的气体，利用该气体的膨胀压力而得到动力。这种内燃机有以在汽缸内使燃料燃烧爆炸而产生的气体的膨胀力产生动力的机械即，柴油机、汽油机、燃气轮机等。
并且，“外燃机”是一种借助通过锅炉或加热器的传热面加热的流体(工作流体：水或气体)而产生动力的热机，与外燃机的本体分开设置燃烧装置，所以，有可以利用比较差的燃料的优点，但是一般传热效率不好且大型。这种外燃机有蒸气机、汽轮机及封闭燃气轮机等，但是由于效率低，只使用在特殊的地方。
这种内燃机及外燃机利用其自身产生的动力而运转或生产电能，但是近来随着环境问题以及作为地下资源的化石能源的埋藏量急剧减少，非常重视节能问题，另一方面，试图用于生产替代能源的多方面方法。
另一方面，冷冻机的性能系数(CoefficientOfPerformance，C.O.P)为判定冷冻机的热效率好坏的尺度，性能系数(C.O.P)根据空气温度(蒸发温度)、冷凝器温度、冷凝方法、热传递方法及材质、压缩方法及压缩机性能等变数而不同。
当前，若适用这些性能系数的变数来计算出性能系数(C.O.P)，则一般冷冻机为6.5以下，靠这种性能系数(C.O.P)，不能利用自身产生的动力作为外部电源，而且连系统内部的自身负荷也承担不了。
发明内容
技术问题
本发明是鉴于上述开发的必要性而提出的，其目的在于提供如下的利用空气(大气)潜热的发电装置：将氨作为工作流体并将25℃温度下的潜热吸收到装置内，利用流体自身循环产生的能源，从而自身生产动力或电能并作为外部电源使用。
解决问题的手段
基于上述目的的本发明提供一种利用空气(大气)潜热的发电装置，其包括：氨蒸发器，将空气中包含的潜热引入上述发电装置内，并使氨(NH3)通过上述发电装置的内部的管道，使上述氨(NH3)气化来吸收热量；第一强制通风机，将被利用的空气(大气)向外部排出；热泵，通过压缩被气化的氨(NH3)制冷剂而进一步提高温度；热交换器，使被压缩的气化了的氨(NH3)制冷剂通过管道内部，使收容在上述热交换器的内部的R-123溶液沸腾来产生蒸气；蒸气机，通过使产生的蒸气绝热膨胀来工作；无刷(BL)发电机，通过上述蒸气机的工作而产生电；湿蒸气冷却器，将绝热膨胀后处于湿蒸气状态的R-123用第二压缩马达压缩并使该R-123通过管道内部，并进行冷却以使R-123液化；第二强制通风机，将由上述湿蒸气冷却器放出的周边的热量向外部排出；第一压缩马达，使通过上述湿蒸气冷却器的R-123加速并投入到上述热交换器的内部；膨胀阀，将通过上述热交换器的高压的氨输送到上述氨蒸发器之前减压至低压，并调节氨的流量。
上述R-123制冷剂(CHCL2CF3)是一种利用目前工厂的废热或地热等热源来生产小规模的电且作为产生蒸气来代替水的流体广泛使用地流体，其特征在于，将收容在上述热交换器的内部的R-123自然压缩至0.61Mpa(89℃)之后，像以往的蒸气机一样在蒸气机内部绝热膨胀(用于绝热膨胀的条件有降低瞬间温度或降低气压的方法)，来将热能转换为动能，并使发电机180RPM/MIN(每分钟转数)旋转，从而生产工业所需的电。
并且，其特征在于，使用在空气温度25℃的潜热，因此需要使用在89℃区域能够得到0.6Mpa压力的R-123流体，上述R-123绝热膨胀后冷却湿蒸气使其液化而永久重复使用。
发明的效果
本发明将空气中的潜热吸收到装置内，使用氨作为工作流体，并且使用R-123(CHCL2CF3)作为热交换器制冷剂使R-123强制对流，从而将热能转换为电能，由此解决不足的电力难的同时，抑制目前地球环境条件下使用如煤炭、石油等以碳为介质的高热源，具有能够解决二氧化碳的增加和空气中潜热的增加问题的特殊效果。
附图说明
图1为示出本发明的利用空气(大气)潜热的发电装置的剖视图。
图2为示出T-S(温度-熵)线图及不同区间的热效率的图。
附图标记的说明
10：空气(大气)20：氨蒸发器
30：热泵40：膨胀阀
50：第一强制循环器60：第二强制循环器
70：湿蒸气冷却器80：第一压缩马达
90：第二压缩马达100：热交换器
110：R-123制冷剂120：蒸气机
130：无刷发电机
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施例进行详细说明，使得本发明所属技术领域的普通技术人员能够容易地实施。
本发明能够由各种不同方式实现，并不局限于在这里说明的实施例。
图1为示出本发明的利用空气(大气)潜热的发电装置的剖视图，图2为示出T-S(温度-熵)线图及不同区间的热效率的图。
将空气10中包含的热量(潜热)中25℃的空气作为热源，在氨蒸发器20利用管道内的氨(NH3)制冷剂来吸收热量。
将被利用的空气(大气)通过第一强制通风机50向外部排出。
通过热泵30压缩被气化的氨(NH3)制冷剂，压缩比为4.94时排出温度为1687.7kj/kg+44.4kj/kg＝1732.1kj/kg，因此，根据过热蒸气表，使用约上升至118℃～119℃的温度作为热交换器100的用于使R-123制冷剂110气化的高热源能源。
在这里，根据热力学第二定律中的克劳修斯(Clausius)表述，压缩后温度需要借助接收外部动力的压缩机上升，并且根据波义耳-查理定律，将根据规定的气体受压力则温度增加的原理上升的温度作为利用绝热膨胀得到机械能的热源。
并且，根据如另一条热力学定律开尔文弗兰克的表述，“理想工作的热机热效率也不可能是100％。”，计算出使蒸气机工作的绝热膨胀过程的热效率(之后计算时14.86％)来计算功率。
将压缩的氨(NH3)的约118℃程度的蒸气作为高热源来使R-123溶液(CHCL2CF3)气化，蒸气机120将0.61MPa状态下的R-123制冷剂110的饱和蒸气作为热源使其绝热膨胀，从而将热转换为功，来使蒸气机120工作，并通过与上述蒸气机120联动的无刷发电机130生产电。
在这里，将压缩的氨(NH3)的约118℃程度的蒸气作为高热源来使R-123溶液(CHCL2CF3)气化，R-123的特性如表1。
表1
(Table1)
用于诱导性能系数权重计算的基础状态量R-123溶液的热状态量
压力(MPa) 温度(℃) 饱和液(kj/kg) 饱和蒸气(kj/kg)
0..098 26.85 224.43 393.14
0.61 88.95 288.95 429.14
如上表，上述蒸气机120将0.61MPa(88.935℃)状态下的R-123饱和蒸气作为热源使其绝热膨胀，从而起到将热转换为功的作用。
从上述蒸气机120排出的湿蒸气通过第二压缩马达90压缩，并通过湿蒸气冷却器70液化，通过第二强制通风机60排出放出的周边热量。
为了继续反复使用R-123制冷剂，需要液化之后通过压缩马达80加速并再次投入到热交换器100内，但是冷却器不设置消耗额外电力的冷却装置，而是采用在产生冷风的氨蒸发器20后设置上述湿蒸气冷却器70来实现自然冷却的方法。
另一方面，将通过上述热交换器100的高压的氨输送到上述氨蒸发器20之前通过膨胀阀40减压至低压，并调节氨的流量。
在这里，吸收空气中潜热的热能的量由表示冷冻装置效率的性能系数(C.O.P)说明，上述性能系数(C.O.P)根据空气温度(蒸发温度)、冷凝器温度、冷凝方法、热传递方法及材质、压缩方法及压缩机性能、逆变器方式适用与否等各种变数而不同。
本发明中，假设空气温度以25℃为基准，在冷凝温度的温度上升区间为57.893℃，气化区间为89℃，使用氨(NH3)和R-123制冷剂等作为工作流体，区别为以下温度上升至气化温度的步骤和在88.935℃气化的过程的步骤，计算出性能系数(C.O.P)及根据R-123溶液的热传递过程变化而变化的热量，求出消费热能的比率，
1)温度上升区间(R-123制冷剂从27℃上升至89℃的区间)的性能系数及热消耗量的计算
(273.15+57.893)/(273.15+57.893)－(273.15+25)＝10.064且(27℃为R-123制冷剂的常规温度，89℃为R-123制冷剂即将气化之前的温度)，(在这里，57.893为上述申请的R-123温度上升过程的中间冷凝温度)，再次投入R-123之后从26.85℃上升至88.935℃的热量计算步骤(表现为第一步骤)消耗288.95Kj/kg－224.43Kj/kg＝64.52Kj/kg的热量。
2)气化区间(在89℃气化的区间)的性能系数及热消耗量计算
(273.15+89)/[273.15+89)－(273.15+25)]＝5.66，R-123制冷剂在88.93℃饱和液状态相变为饱和蒸气发生气化所需的热量计算步骤(表现为第二步骤)消耗429.14Kj/kg－288.95Kj/kg＝140.19Kj/kg的热量。归纳如下表2所示。
表2
(Table2)
在R-123的温度上升区间及气化区间的热消耗量
在这里，若将在冷凝方法中温度上升区间的强制空气转换为强制对流，并在气化区间利用热传递比强制对流更快的相变计算出实际性能系数，则如下表3。
表3
(Table3)
性能系数(C.O.P)计算的比较分析
如上表3所示，求温度上升区间的性能系数和气化区间的性能系数的加重平均值，加权平均计算[(64.52*18.2)+(140.19*10.24)/(64.52+140.19)]＝12.74，因此性能系数可以为12.74以上。
另一方面，如图2所示，以性能系数的概念看T-S线图(温度和熵的相关关系)，热力学第一定律的总能源Q＝h+(w*热泵性能系数)(在这里，h为再次投入R-123时的热状态量(以下，T-S线图的面积设为a)，w为热泵所需电量，因此在下面T-S线图中Q＝a+b。
详细看T-S(温度-熵)线图及不同区间的说明(为R-123的情况下)，
h3→0绝热膨胀过程
0→h4绝热膨胀过程及之后的自然冷却及损失过程
h4→h1通过绝热膨胀过程以后的工作流体(湿蒸气)的冷却进行的水分化(冷凝)过程
h1→h2强制压缩投入过程(永久重复使用)，计算时h1≒h2。
h2→p热放出器的预热过程(温度上升过程)(R-123制冷剂的温度上升过程，表现为第一步骤)
p→h3等压蒸发过程(R-123制冷剂的气化过程，表现为第二步骤)。
并且，计算热效率时，将压缩机容量假设为4.2402kw/h，代入上述性能系数(C.O.P)12.74进行计算的结果如表4。
表4
(Table4)
热效率计算
本发明中，将R-123工作流体的气化能源绝热膨胀，代入到朗肯循环公式并计算热效率的结果如表5。
表5
(Table5)
代入到朗肯循环公式计算热效率
在这里，h1≒h2，
S4＝S1f+X4(Slfg)中
X4＝(1.6661－1.0815)/(1.6475－1.0851)＝1.03307
h4＝224.43+1.03307(393.14-224.43)＝398.72
因此热效率＝1－(h4-h1)/(h3－h2)
＝1－(398.72－224.43)/(429.14－224.43)
＝0.1486
＝14.86％(热效率)
如上所述，已计算出性能系数，得出热效率的计算值，
性能系数*热效率＝电生产量
因此，(273.15+89)/[(273.15+89)-(273.15+15)]＝362.15/74＝4.89
计算出上述两个区间的加权平均性能系数，
[(64.52*7.71)+(140.19*4.89)]/(64.52+140.19)＝(497.44+685.52)/204.71＝5.77
如表4假设并计算出实际电生产量，
4.2402*5.77＝24.4659kj/kg且再次投入的能源为24.4659*0.096＝26.8146kj/kg
若将两者上加，则24.4659+26.8146＝51.2805kj/kg，乘以热效率14.86％
51.2805kj/kg*14.86％＝7.6202kw/h
表6中，系统消耗的电使用量为5.1402kw/h，因此比较上述两个可知，电生产量为(悲观的最低值)7.6202kw/h>5.1402kw/h。
表6
(Table6)
在本发明的装置的各负荷的需电量和发电量的比较
本发明中，将25℃的空气中的热量引入上述发电装置内，以冷凝方法，在温度上升区间利用强制对流，而不是强制空气转换，在作为第二次工作区间的气化区间利用热传递比强制对流更快的R-123的相变，
使用氨(NH3)和R-123制冷剂等作为工作流体，来使性能系数达到12.74以上，从而可以生产如上述例的16.82kw/h以上的发电量，即使使用系统的内部各负荷消耗的电量5.1402kw/h，也可以生产将11.6798kw/h以上用作外部电源的闲置电量。
以上，通过优选实施例说明了本发明，但这只不过是有助于理解本发明的技术内容，发明的技术范围并不局限于此。
即，在不脱离本发明的技术主旨的情况下，本发明所属技术领域的普通技术人员可以进行多种变更或改变，显然，这种变更或改变在发明要求保护范围的解释层面上属于本发明的技术范围。

Claims (1)

1.利用空气（大气）潜热的发电装置，其特征在于，包括：
氨蒸发器，将空气中包含的潜热引入上述发电装置内，并使氨通过上述发电装置的内部的管道，使上述氨气化来吸收热量；
第一强制通风机，将被利用的空气（大气）向外部排出；
热泵，通过压缩被气化的氨制冷剂而进一步提高温度；
热交换器，使被压缩的气化了的氨制冷剂通过管道内部，使收容在上述热交换器的内部的R-123溶液沸腾来产生蒸气；
蒸气机，通过使产生的蒸气绝热膨胀来工作；
无刷发电机，通过上述蒸气机的工作而产生电；
湿蒸气冷却器，将绝热膨胀后处于湿蒸气状态的R-123用第二压缩马达压缩并使该R-123通过管道内部，并进行冷却以使R-123液化；
第二强制通风机，将由上述湿蒸气冷却器放出的周边的热量向外部排出；
第一压缩马达，使通过上述湿蒸气冷却器的R-123加速并投入到上述热交换器的内部；
膨胀阀，将通过上述热交换器的高压的氨输送到上述氨蒸发器之前减压至低压，并调节氨的流量。
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