CN105275663A - 膨胀制冷循环的发电应用 - Google Patents

Abstract

采用低沸点工质，应用膨胀制冷原理于发电，由于循环过程没有冷凝热的排放，减少了热损失。此外，膨胀制冷循环应用于发电，其T2温度更接近绝对零度，热功转换效率得以提高。更重要的是，包括环境温度在内的所有热源都可以成为膨胀制冷发电循环的高温热源。

Description

膨胀制冷循环的发电应用

技术领域

本发明涉及一种通过膨胀制冷发电的方法。

背景技术

热力学循环主要包括热机循环和热泵循环。热机循环将输入的部分热量转化为输出的机械功，热泵循环正相反，它通过输入机械功将热量从低温传向高温。所有发电应用都是郎肯循环，包括太阳热能、生物质能、火力、核能等。有机郎肯循环(OrganicRankineCycle)，简称ORC，是低温发电技术。其原理与郎肯循环相同，只不过郎肯循环使用的介质是水，ORC使用的是低沸点有机物，可以利用低温热源发电。

卡诺理论认为热机循环效率只与两个热源的热力学温度有关，与工质性质无关。提高热机效率在于提高T1、降低T2、减少散热、漏气、摩擦等不可逆损耗。卡诺热机理论效率公式ηc＝1-T2/T1。由于低温热源通常是环境温度，现代热电厂采取单方向提高T1，用过热蒸汽推动汽轮机，向超超临界要效率。同样，利用低温热源的ORC，也倾向利用尽可能高的T1温度以提高效率。迄今，有报道的ORC最低T1温度为73℃，是在美国阿拉斯加运行的地热机组。这样低的T1温度显然与当地的低环境温度有关。

卡诺热机理论效率公式揭示了通过降低T2来提高热机效率的重要意义。同样温差的两组热源，由于T2温度的不同，卡诺热机效率理论值不同。例如85℃温差，30℃--55℃，卡诺热机效率理论值为28％。同样85℃温差，100℃-185℃，理论效率值只有18.56％。卡诺热机效率理论值同为75％，T2温度不同会出现迥然不同的两组温差；如T2＝-200℃，T1＝20℃以及T2＝20℃，T1＝900℃。前组温差为220℃，后组温差为880℃，相差4倍。这表明，相同温差，T2越接近绝对零度，热机效率越高。相同效率，T2越接近绝对零度，温差越小。显然，投入同等能量，降低T2比较提高T1实现的效率要高。

膨胀制冷循环应用于发电可以大幅度提高热功转换效率，显著节能，甚至无需消耗化石能源。

发明内容

热机循环和热泵的循环过程十分相似，它们都有一个吸热过程(锅炉或蒸发器)；一个压力释放过程(汽轮机或膨胀阀)，一个放热过程(冷凝器)，一个压缩过程(压缩机或工质泵)。热机循环，化石能源燃烧提供热能给锅炉产生蒸汽推动汽轮机，大部分热没有转化为功而白白排放掉。冷凝热一般是热功转换耗热的150％，这可以解释为什么热机效率难以提高。同样，热泵循环投入机械功，工质从蒸发器吸热，冷凝器排热。这两种循环均不能有效利用热。

热力学第二定律又称熵增定律，具体表述为：随时间进行，一个孤立体系中的熵总是不会减少。具体的说，热不能自发的从冷处转到热处，而不引起其他变化。任何高温物体在不受热的情况下，都会逐渐冷却。这条定律说明第二类永动机不存在。除非系统开放，引入负熵流。膨胀制冷循环应用于发电遵循系统开放、引入负熵流的原理。

膨胀制冷发电循环采用低沸点工质，运行由3个过程组成：吸热、膨胀、工质回流。

低温、低压、液相工质在换热器中从环境或其它高温热源吸热(对换热器外部而言是制冷)。获得并储存了内能的工质经膨胀机做节流膨胀，释放内能，膨胀机回收膨胀功用于发电。由于膨胀是绝热过程，工质无法从外界吸热，只能消耗自身内能，导致工质本身温度和压力下降。释放了内能的低温、低压、液相工质经自然重力(或工质泵)返回换热器，工质从环境或其它高温热源吸热，回补内能，进入下一循环。

膨胀制冷发电循环的膨胀过程一步完成了热机循环的做功和冷凝两个过程，并制造出负熵流(冷)。根据热力学第二定律，高温会自发的向低温转移(释放能量)。膨胀制冷发电循环实际收获了两部分能量；膨胀过程回收的膨胀功和由制冷导出的高温热源向冷释放的能量。由于循环过程没有冷凝热排放，还由于T2温度更接近绝对零度，膨胀制冷发电循环的热效率高于所有形式的热力学循环。同时，它可利用的能源资源无限大。假定制冷温度为-100℃，那么地表以上120千米空间的所有温度都将成为它的高温热源。

具体实施方式

采用低沸点工质，以膨胀机替代汽轮机，以换热器替代蒸发器(锅炉)以及冷凝器。根据工质性质决定是否保留工质泵(压缩机)。

Claims (3)

1.一种采用水或低沸点工质为介质，以膨胀制冷的方式回收膨胀功，做功后的低温工质从环境温度或其它热源吸热回补内能的发电方法。

2.根据权利要求1所述，所有采用水或低沸点工质为介质，以膨胀制冷方式回收膨胀功发电的方法。

3.根据权利要求2所述，采用的低沸点工质包括但不限于二氧化碳。