CN112901399B - 一种重力场介导的做功装置及方法 - Google Patents

一种重力场介导的做功装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种重力场介导的做功装置，与外部冷源和外部热源相连接，包括设置在高位的高位冷凝器(2)、高位工质泵(3)、高位加热器(4)和设置在低位的低位液体涡轮(1)；高位冷凝器(2)的冷凝管道出口通过管道连接高位工质泵(3)的进口，高位工质泵(3)的出口通过管道连接高位加热器(4)的加热管道进口，高位加热器(4)的加热管道出口通过管道连接低位液体涡轮(1)的进口，低位液体涡轮(1)的出口通过管道连接高位冷凝器(2)的冷凝管道进口，形成闭环系统。本发明还同时提供了利用做功装置进行的重力场做功的方法。本发明中的高位加热器放置在高位位置可以实现重力场介导的三角动力循环。

Description

一种重力场介导的做功装置及方法
技术领域
本发明涉及能源动力技术领域，具体是一种重力场介导的做功装置及方法。
背景技术
自然界蕴含丰富的海洋能和地热能，它们所具有的共同特点是存在温度梯度，使得在大高差下，高低位置两端所形成的温度差可以驱动低品位热源做功系统获取高品质能量，如电能。常见的低品位热源做功系统包括有机工质朗肯循环、卡琳娜循环和三角循环，其中三角循环因为热源利用程度高、无温度夹点、不可逆传热温差小等优点，从而可以在相同热源输入流量条件下获取更大的做功量而受到推崇。但是，三角循环膨胀做功时工质工作于湿工况区，因此必须使用两相膨胀机，而两相膨胀机因湿工况所造成的气蚀问题在当前并未得到妥善解决，从而成为制约三角循环发展的技术瓶颈。
专利号为ZL201711419509.X的专利提出了一种重力场做功热管装置，该装置利用重力场介导的势能-压力能转化，将气力释能转化为液力释能，避免了对气体膨胀机或两相膨胀机的使用，而代之以液体涡轮，可用于解决三角循环中所存在的两相膨胀问题，但是该装置的热力循环过程要求加热器必须安装于底部位置，对于深海或深地的应用条件而言，将加热器安装于海平面或地平面以下百米级深处存在较大现实困难，同样该装置也不适合于热源位于上部的情况。
为此，有必要对现有重力场做功系统装置及运行方法进行改进，使得加热器安装于高位也能实现重力场介导的三角动力循环过程。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种重力场介导的做功装置及方法，用以实现重力场介导的三角动力循环过程。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种重力场介导的做功装置，包括：设置在高位的高位冷凝器、高位工质泵、高位加热器和设置在低位的低位液体涡轮；
高位冷凝器的冷凝管道出口通过管道连接高位工质泵的进口，高位工质泵的出口通过管道连接高位加热器的加热管道进口，高位加热器的加热管道出口通过管道连接低位液体涡轮的进口，低位液体涡轮的出口通过管道连接高位冷凝器的冷凝管道进口，形成闭环系统。
作为本发明的一种重力场介导的做功装置的改进：
所述高位冷凝器与外部冷源相连接，高位加热器与外部热源连接，外部热源温度比外部冷源温度高10℃以上；
所述高位与低位之间的差距根据外部冷源和外部热源的温差来确定。
作为本发明的一种重力场介导的做功装置的进一步改进：
所述闭环系统中流动的工质为R22、R134A制冷工质。
本发明还提供了一种重力场做功的方法，包括：
1)、高位加热器的加热管道出口流出的高温中压液体向低位液体涡轮的进口绝热流动，随着重力场中高度的减小，压强逐渐增加，在到达低位液体涡轮的进口时，成为高温高压液体；
2)、在低位液体涡轮中，高温高压液体经过液体透平后对外做功，压力减小到中压，成为高温中压液体；
3)、高温中压液体从低位液体涡轮出口流出，向高位冷凝器的冷凝管道进口绝热流动，随着重力场中高度的增加，压强逐渐减小，工质干度从零逐渐增加，温度降低，到达高位冷凝器的冷凝管道进口时，成为具有一定干度的低温低压气液混合工质；
4)、低温低压气液混合工质进入高位冷凝器中的冷凝管道，向外部冷源放出热量后，变为低温低压液体；
5)、低温低压液体从高位冷凝器的冷凝管道出口流出，从高位工质泵的进口进入高位工质泵中，经过高位工质泵的加压，成为低温中压液体；
6)、低温中压液体从高位工质泵的出口向高位加热器的加热管道进口绝热流动，然后进入高位加热器中的加热管道，吸收外部热源放出的热量后，温度增加到中压所对应的饱和温度附近，成为高温中压液体，然后从高位加热器的加热管道出口流出，如此循环。
本发明具有如下技术优势：本发明中的高位加热器放置在高位位置也可以实现重力场介导的三角动力循环，避免了加热器低位放置的实际困难。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1为本发明的一种重力场介导的做功装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
实施例1、一种重力场介导的做功装置，如图1所示，包括高位冷凝器2、高位工质泵3、高位加热器4和低位液体涡轮1，高位冷凝器2、高位工质泵3和高位加热器4放置在高位，低位液体涡轮1放置在低位。高位冷凝器1与外部冷源相连接，用以向外部冷源释放热量；高位加热器4与外部热源连接，用以吸收外部热源放出的热量，外部热源可为地热源、海水表层热源、水热源、空气热源等可再生热源，以及各类生活及工业余热源，外部冷源可为地冷源、海水底层冷源、空气冷源，以及各类生活及工业余冷源，外部热源温度比外部冷源温度高10℃以上；高位与低位之间的差距根据冷热源温差来确定。
高位冷凝器2的冷凝管道出口通过管道连接高位工质泵3的进口，高位工质泵3的出口通过管道连接高位加热器4的加热管道进口，高位加热器4的加热管道出口通过管道连接低位液体涡轮1的进口，低位液体涡轮1的出口通过管道连接高位冷凝器2的冷凝管道进口，从而形成闭环系统，上述所有连接均为密封连接；
系统中流动的工质为通常的制冷工质，如R22,R134A等。
本发明还提供一种重力场做功方法，包括以下步骤：
1、高位加热器4的加热管道出口流出的高温中压液体向低位液体涡轮1的进口绝热流动，随着重力场中高度的减小，压强逐渐增加，在到达低位液体涡轮1的进口时，成为高温高压液体；
2、在低位液体涡轮1中，高温高压液体经过液体透平后对外做功，同时压力减小到中压，成为高温中压液体；
3、高温中压液体从低位液体涡轮1出口流出，向高位冷凝器2的冷凝管道进口绝热流动，随着重力场中高度的增加，压强逐渐减小，工质干度从零逐渐增加，同时温度降低，到达高位冷凝器2的冷凝管道进口时，成为具有一定干度的低温低压气液混合工质；
4、低温低压气液混合工质进入高位冷凝器2中的冷凝管道，向外部冷源放出热量后，变为低温低压液体；
5、低温低压液体从高位冷凝器2的冷凝管道出口流出，从高位工质泵3的进口进入高位工质泵3中，经过高位工质泵3的加压，成为低温中压液体；
6、低温中压液体从高位工质泵3的出口向高位加热器4的加热管道进口绝热流动，进入高位加热器4中的加热管道，吸收外部热源放出的热量后，温度增加到中压所对应的饱和温度附近，成为高温中压液体，然后从高位加热器4的加热管道出口流出，如此循环。
实验1:
实施例1和专利号为ZL201711419509.X专利所公布的现有系统的计算参数和热力计算结果如表1(针对1kgR134a)，设计条件为：外部热源进口温度45℃，外部冷源进口温度7℃，热源换热夹点温差5℃，冷源换热夹点温差3℃，工质为R134A，低位液体涡轮1和高位工质泵3效率为80％。
表1、实施例1和现有系统的热力计算结果(针对1kgR134a)
Figure BDA0002908838450000041
Figure BDA0002908838450000051
热力计算结果显示，高位加热器4的加热管道出口温度为40℃，加热量为36kJ/kg，高位冷凝器2的冷凝压力为0.48Mpa，冷凝热量为34.5kJ/kg，热源进/出口温度为45/19.9℃，冷源进/出口温度为7/11.6℃，单位质量热源输出功为3.02kJ/kg。对比ZL201711419509.X所公布的现有系统，相同工况下本发明可以实现同样的三角动力循环，不同之处是本发明新增高位工质泵3功耗0.534kJ/kg，低位液体涡轮1输出功为1.57kJ/kg，大于现有系统的1.23kJ/kg，单位质量热源的输出功3.02kJ/kg，比现有系统的3.58kJ/kg小15％，但本发明实现了将加热器设置于高位，避免了将加热器设置于深处的安装难题，有效实现了本发明的初衷。
以上实施实例中，可综合考虑具体的使用条件与要求、技术经济性能等因素合理确定系统的设计参数，以兼顾系统的适用性和经济性。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (3)

1.利用重力场介导的做功装置进行的重力场介导做功的方法，其特征在于：
一种重力场介导的做功装置，与外部冷源和外部热源相连接，做功装置包括设置在高位的高位冷凝器(2)、高位工质泵(3)、高位加热器(4)和设置在低位的低位液体涡轮(1)；
高位冷凝器(2)的冷凝管道出口通过管道连接高位工质泵(3)的进口，高位工质泵(3)的出口通过管道连接高位加热器(4)的加热管道进口，高位加热器(4)的加热管道出口通过管道连接低位液体涡轮(1)的进口，低位液体涡轮(1)的出口通过管道连接高位冷凝器(2)的冷凝管道进口，形成闭环系统；
重力场介导做功的方法包括以下步骤：
1)、高位加热器(4)的加热管道出口流出的高温中压液体向低位液体涡轮(1)的进口绝热流动，随着重力场中高度的减小，压强逐渐增加，在到达低位液体涡轮(1)的进口时，成为高温高压液体；
2)、在低位液体涡轮(1)中，高温高压液体经过液体透平后对外做功，压力减小到中压，成为高温中压液体；
3)、高温中压液体从低位液体涡轮(1)出口流出，向高位冷凝器(2)的冷凝管道进口绝热流动，随着重力场中高度的增加，压强逐渐减小，工质干度从零逐渐增加，温度降低，到达高位冷凝器(2)的冷凝管道进口时，成为具有一定干度的低温低压气液混合工质；
4)、低温低压气液混合工质进入高位冷凝器(2)中的冷凝管道，向外部冷源放出热量后，变为低温低压液体；
5)、低温低压液体从高位冷凝器(2)的冷凝管道出口流出，从高位工质泵(3)的进口进入高位工质泵(3)中，经过高位工质泵(3)的加压，成为低温中压液体；
6)、低温中压液体从高位工质泵(3)的出口向高位加热器(4)的加热管道进口绝热流动，然后进入高位加热器(4)中的加热管道，吸收外部热源放出的热量后，温度增加到中压所对应的饱和温度附近，成为高温中压液体，然后从高位加热器(4)的加热管道出口流出，如此循环。
2.根据权利要求1所述的重力场介导做功的方法，其特征在于：
所述高位冷凝器(2 )与外部冷源相连接，高位加热器(4)与外部热源连接，外部热源温度比外部冷源温度高10℃以上；
所述高位与低位之间的差距根据外部冷源和外部热源的温差来确定。
3.根据权利要求2所述的重力场介导做功的方法，其特征在于：
所述闭环系统中流动的工质为R22、R134A制冷工质。
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