CN1223341A - 自然水域负温差热力发电站 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自然水域负温差热力发电站,它将大量难溶于水的液态制冷工质和足量自然常温水液在压力容器内混合,快速换热,急剧汽化成压力蒸气来透平作功发电,然后利用纯相变无热制冷装置高效制取大量冷量,将透平后的压力蒸气冷凝与重新液化。在压力容器内安装水轮泵,利用压力冷水流外排的机械作功能量不断抽取常温水,注入负温差热力作功换热空间。使用本发明所述的负温差热力发电站,可减小发电站装置体积与占地,为人类社会提供便利、廉价、充足的清洁能源与电力。

Description

自然水域负温差热力发电站

本发明涉及热力发电站，特别涉及一种利用人工制造的低温环境与自然水域大量存在的常温热量之间的负温差所具有的能量的自然水域负温差热力发电站。

现有生产电能的热力发电站，均是依靠燃烧矿物燃料产生高温热量，然后利用自然常温环境与高温热量之间所具有的正向温差产生动力，驱动发电机发电，但是却消耗了矿物资源，严重污染了自然环境。

目前已有一种利用海水表层与深层的负向温差发电的方法及装置；已有把冬天的冰雪储存起来留到夏天，利用夏天较高的常温环境与冰雪之间负向温差作功的冰雪发电方法和装置；还有在南极洲利用深层不结冰的海水与严寒地表之间的负向温差进行发电的方法及装置。这些发电的方法和装置虽然不消耗自然矿物燃料，不污染环境，但是由于可利用的温差过小，并且受到自然条件的严格限制，因此仍然停留在试验开发阶段，而未能成为一种可广泛实际利用清洁能源的动力装置。

有一种负温差热力发动机，利用一种纯相变无热制冷装置高效制取冷量，然后利用人工制造的低温环境与自然常温环境之间的负向温差所具有的能量产生动力发电，但是因其进行热力作功循环的液态制冷工质与常温环境进行热量交换速度缓慢，并且进行热量交换的换热面积过大，难以适应利用较少的占地面积和较小的装置体积建造大、中型负温差热力发电站。

本发明的目的是提供一种新的自然水域负温差热力发电站，它将大量难溶于水的液态制冷工质，在压力容器中与足量自然常温水液混合，快速换热，急剧汽化成压力蒸气来透平作功发电，然后利用纯相变无热制冷技术装置所提供的大量冷量将制冷工质蒸气冷凝和重新液化。

本发明的技术解决方案如下：

一种自然水域负温差热力发电站，其基本部件与以水为工质的热力蒸汽发电站相类似，它包括使液态制冷工质吸热汽化成压力蒸气的蒸发器，使压力蒸气通过降温降压透平作功的透平膨胀发电机组，使低压蒸气冷凝成液态制冷工质的冷凝器，以及使液态制冷工质重新进入蒸发器的工质泵，由此构成热力蒸汽作功相变循环；

利用纯相变无热制冷技术的多级制冷循环，它包括由制冷压缩机、冷凝器、节流器和蒸发器组成的提供原始制冷量的首级蒸气压缩制冷循环装置、过冷液态制冷工质冷凝板、次一级液态制冷工质，以及将上述部件均设置在内的第一保温压力容器，连同次一级工质泵；包括装有中间级制冷蒸发器、过冷液态制冷工质冷凝板和末级液态制冷工质的中间N级保温压力容器，连同末级工质泵；

所述纯相变无热制冷技术装置包括首级、中间N级、末级多级相变制冷循环，首级制冷工质的蒸发温度最低，然后依级次排列，逐级增大制冷工质蒸发温度，末级制冷工质蒸发温度应低于或远低于常温温度；

它还包括装有水轮泵、喷水管、液态制冷工质喷液管和自然常温水液的末端保温压力容器，其中水轮泵安装在末端保温压力容器的下部，水轮泵通过第一压力水管与喷水管连接，液态制冷工质喷液管相对而置地安装在喷水管的上方；在末端保温压力容器的附近靠近自然水域处装有水泵，该水泵通过第二压力水管与喷水管连接，水泵的另一端则连接吸水管通向自然水域；

所述热力蒸汽作功相变循环与所述纯相变无热制冷中的末级相变以冷制冷循环构成同一个热力循环，该热力作功循环由工质泵、相向对流混合换热的喷水管、液态制冷工质喷液管、自然常温水液、透平膨胀发电机组、中间N级保温压力容器内的冷凝空间、联接管道、以及难溶于水的末级液态制冷工质所构成，在对外作功发电的同时，对外供冷；

所述工质泵的一端通过吸液管与中间N级保温压力容器连接，工质泵的另一端通过工质输液管与液态制冷工质喷液管连接，液态制冷工质从中间N级保温压力容器经工质泵进入液态制冷工质喷液管，喷入由水轮泵和水泵注入到末端保温压力容器内的自然常温水液之中，迅速吸热汽化成作功压力蒸气；

所述末端保温压力容器通过输气管与透平膨胀机进气口连接，透平膨胀机尾气出口通过保温回气管与中间N级保温压力容器连接；压力蒸气进入透平膨胀机作功透平，驱动透平膨胀机组运转工作，压力蒸气作功后降温降压的工作尾气由透平膨胀机尾气出口，经保温回气管回到中间N级保温压力容器内的冷凝空间重新液化，由此构成热力蒸汽作功相变循环与末级相变以冷制冷循环。

本发明采用纯相变无热制冷技术，实行多级相变以冷制冷循环，以高倍的制冷效率生产出大量低温冷量，并多次重复利用上述冷量来液化透平作功之后的热力作功工质蒸气，将大量难溶于水的液态制冷工质与自然常温水液在压力容器内混合，快速汽化成作功压力蒸气，驱动透平膨胀机组作功发电，同时对外供冷。

本发明的末端保温压力容器内盛装为负温差热力蒸气作功相变循环所提供的常温热量的自然常温水液。自然常温水液经水泵注入后，经喷水管喷出，在末端保温压力容器内与液态制冷工质自动混合，液态制冷工质从自然常温水液中吸热汽化成压力作功蒸气。压力蒸气自动积聚在末端保温压力容器内的汽化空间上部，然后经输气管进入透平膨胀机组透平作功。自然常温水液经与液态制冷工质混合换热后，温度急剧下降，温度较高的水液自动居上方位置继续与液态制冷工质换热，温度较低的水液自动退居下方位置，经水轮泵回收机械能后流入自然水域下游深层。水轮泵利用回收的机械能同时从自然水域上游表层抽取自然常温水液注入末端保温压力容器内。自然常温水液通过水轮泵进出末端保温压力容器时，因为机械能量的微量损耗所产生的进出水量微量差额，由另外设置的水泵补充。

自然水域的自然常温水液包括海水，江、河、湖泊淡水，还包括城市自来水公司所提供的自来水。自然水域负温差热力发电站与城市自来水供水网结合起来，在夏季把大幅度降温与冷却后的自来水输送到自来水用户，可以实现城市集中供水与同时集中供冷。对于无上、下游区分的呆滞型自然水域，可以从自然水域表层抽取常温水，向自然水域深层排放冷却水，依靠自然水域水面从自然环境中不断大量吸收新的常温热量。

下面结合附图对本发明作详细描述。

附图是一种自然水域负温差热力发电站的结构示意图。

参看附图，在第一保温压力容器8内安装制冷压缩机1、冷凝器2、节流器4和蒸发器6，组成首级蒸气压缩制冷循环，提供原始制冷量。第一保温压力容器8的下部充注液态制冷工质14，上述首级蒸气压缩制冷循环中的制冷压缩机1和冷凝器2浸泡在液态制冷工质14中。第一保温压力容器8的中部设置过冷液态制冷工质冷凝板17。工质泵9通过吸液管18与第一保温压力容器8连接，工质泵9的另一端通过工质输液管10与中间N级保温压力容器20中的中间N级制冷蒸发器19连接。

中间N级保温压力容器20的底部灌注液态制冷工质21。中间N级制冷蒸发器19和过冷液态制冷工质冷凝板17均安装在中间N级保温压力容器20内，中间N级制冷蒸发器19由工质输液管10、保温回气管11、工质泵9与第一保温压力容器8内冷凝空间连通形成相变以冷制冷循环。

工质泵12的一端通过吸液管18’与中间N级保温压力容器20连接，工质泵12的另一端通过工质输液管22与位于末端保温压力容器13内的喷液管38连接。液态制冷工质21在末端保温压力容器13内与自然常温水液41混合，吸热汽化后积存在末端保温压力容器13内的上层。输气管27的一端连接末端保温压力容器13内的上层空间，输气管27的另一端连接透平膨胀机24进气口。透平膨胀机24通过机轴26与发电机25同轴连接。透平膨胀机24的出气口通过保温回气管28与中间N级保温压力容器20的冷凝空间连通。液态制冷工质21与吸液管18’、工质泵12、工质输液管22、喷液管38、喷液头39、自然常温水液41、末端保温压力容器13内的液态制冷工质与自然常温水液换热汽化空间42，输气管27、透平膨胀机24、保温回气管28以及中间N级保温压力容器20内的冷凝空间连通，形成末级相变以冷制冷循环，末端保温压力容器13内被冷却的自然常温水液可以不断对外供冷。

热力蒸汽作功相变循环与纯相变无热制冷中的末级制冷循环相同，并构成同一个热力循环，该热力循环由工质泵12、末端保温压力容器13内的喷水管37、喷水头33、喷液管38、喷液头39、自然常温水液41所形成的液态制冷工质吸热蒸发汽化空间42、透平膨胀机24、中间N级保温压力容器20内的冷凝空间、联接管以及难溶于水的液态制冷工质21所构成。液态制冷工质21经吸液管18’和工质泵12从中间N级保温压力容器20内加压泵出，经工质输液管22、喷液管38、喷液头39进入末端保温压力容器13，从自然常温水液中吸收常温热量后汽化成压力蒸气。压力蒸气从末端保温压力容器13内汽化空间42的上部经输气管27进入透平膨胀机24作功透平，驱动透平膨胀机24运转工作，并通过机轴26带动发电机25发电。压力蒸气降温降压透平作功后的工质尾气由保温回气管28导入中间N级保温压力容器20内冷凝空间重新液化，由此形成末级相变以冷制冷循环与热力蒸汽作功相变循环。

为了不断为末端保温压力容器13内的液态制冷工质蒸发汽化空间42补充常温热量，不断将已被冷却的自然常温水液41及时排出，并及时从自然水域40抽取自然常温水液注入末端保温压力容器13内，在末端保温压力容器13内的底部安装水轮泵29，在靠近自然水域40处安装水泵30，水泵30通过电力驱动经吸水管31从自然水域40上游表层抽取自然常温水液，经第二压力水管32、喷水管37、喷水头33注入末端保温压力容器13内，与液态制冷工质21自动混合并充分换热，冷却后的自然常温水液41自动下沉，驱动水轮泵29运转并工作，然后经由排水管34排入自然水域下游下层，或者输送到用冷地区对外供冷。水轮泵29被冷却后的承压自然常温水液41驱动进行抽水，水轮泵29的吸水管35从自然水域40上游表层抽取自然常温水液，经第二压力水管36、喷水管37、喷水头33进入末端保温压力容器13内，水轮泵29抽取的水量略小于排出的水量，其水量差额由水泵30补充。

本发明的工作流程如下：

启动制冷压缩机1制冷，其热量由液态制冷工质14的汽化潜热消耗，其蒸气从通气管16进入由过冷液态制冷工质冷凝板17与蒸发器6组成的冷凝空间冷凝液化；与此同时，液位调节器23自动将第一保温压力容器8的上层液态制冷工质14通过补液管15补充到下层。

启动工质泵9，液态制冷工质14进入中间N级蒸发器19，从末级制冷工质蒸气中吸热汽化并制冷，并经保温回气管11回到第一保温压力容器8内冷凝空间冷凝液化。

启动工质泵12，将液态制冷工质21经工质输液管22、喷液管38、喷液头39，喷入末端保温压力容器13内的自然常温水液41之中，从自然常温水液41中吸热汽化形成压力蒸气，经输气管27进入透平膨胀机组24透平作功，降温降压后经保温回气管28进入中间N级保温压力容器20内冷凝空间，重新液化。透平膨胀机24由压力蒸气驱动产生动力，通过机轴26带动发电机25正常发电。

启动水泵30，通过吸水管31从自然水域40上游表层抽取自然常温水液41，经第二压力水管32、喷水管37、喷水头33对末端保温压力容器13内的自然常温水液作少量补充。

水轮泵29受压力冷却水流作用，自动启动运转，不断通过吸水管35从自然水域40上游抽取自然常温水液，加压后经第一压力水管36，喷水管37、喷水头33向末端保温压力容器13内供给自然常温水液41，冷却后的自然常温水液41自动下沉并驱动水轮泵29运转，经排水管34外排至自然水域下游深层，或者作为载冷体对用冷用户供冷。

本发明可以在温带、热带、亚热带地区以较少的占地面积与较小的装置体积，建立大型或特大型负温差热力发电站，为建立世界电网准备了动力资源，为人类社会提供了便利、廉价、充足的清洁能源与电力。

Claims (1)

1、一种自然水域负温差热力发电站，其基本部件与以水为工质的热力蒸汽发电站相类似，它包括使液态制冷工质吸热汽化成压力蒸汽的蒸发器，使压力蒸汽通过降温降压透平作功的透平膨胀发电机组，使低压蒸汽冷凝成液态制冷工质的冷凝器，以及使液态制冷工质重新进入蒸发器的工质泵，由此构成热力蒸汽作功相变循环；

利用纯相变无热制冷技术的多级制冷循环，它包括由制冷压缩机、冷凝器、节流器和蒸发器组成的提供原始制冷量的首级蒸气压缩制冷循环装置、过冷液态制冷工质冷凝板、次一级液态制冷工质，以及将上述部件均设置在内的第一保温压力容器，连同次一级工质泵；包括装有中间级制冷蒸发器、过冷液态制冷工质冷凝板和末级液态制冷工质的中间N级保温压力容器，连同末级工质泵；

所述纯相变无热制冷技术装置包括首级、中间N级、末级多级相变制冷循环，首级制冷工质的蒸发温度最低，然后依级次排列，逐级增大制冷工质蒸发温度，末级制冷工质蒸发温度应低于或远低于常温温度；

其特征在于，它还包括装有水轮泵、喷水管、液态制冷工质喷液管和自然常温水液的末端保温压力容器，其中水轮泵安装在末端保温压力容器的下部，水轮泵通过第一压力水管与喷水管连接，液态制冷工质喷液管相对而置地安装在喷水管的上方；在末端保温压力容器的附近靠近自然水域处装有水泵，该水泵通过第二压力水管与喷水管连接，水泵的另一端则连接吸水管通向自然水域；

所述热力蒸汽作功相变循环与所述纯相变无热制冷中的末级相变以冷制冷循环构成同一个热力循环，该热力作功循环由工质泵、相向对流混合换热的喷水管、液态制冷工质喷液管、自然常温水液、透平膨胀发电机组、中间N级保温压力容器内的冷凝空间、联接管道、以及难溶于水的末级液态制冷工质所构成，在对外作功发电的同时，对外供冷；

所述工质泵的一端通过吸液管与中间N级保温压力容器连接，工质泵的另一端通过工质输液管与液态制冷工质喷液管连接，液态制冷工质从中间N级保温压力容器经工质泵进入液态制冷工质喷液管，喷入由水轮泵和水泵注入到末端保温压力容器内的自然常温水液之中，迅速吸热汽化成作功压力蒸气；

所述末端保温压力容器通过输气管与透平膨胀机进气口连接，透平膨胀机尾气出口通过保温回气管与中间N级保温压力容器连接；压力蒸气进入透平膨胀机作功透平，驱动透平膨胀机组运转工作，压力蒸气作功后降温降压的工作尾气由透平膨胀机尾气出口，经保温回气管回到中间N级保温压力容器内的冷凝空间重新液化，由此构成热力蒸汽作功相变循环与末级相变以冷制冷循环。

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