WO1997001021A1 - Procede et appareil permettant de produire de l'energie a partir d'une source a basse temperature - Google Patents

Description

低温能源产生动力的方法及装置 本发明的领域

本发明涉及利用深冷液氮（或液态空气）的冷量与自然界低温热量 之间的温差来产生动力 （轴功和冷量 的方法及装置。

本发明的背景

现有产生动力的方法（例如火力发电） ， 是通过燃料的燃烧发出的 热量， 使水变成蒸汽， 推动汽轮机作功， 带动发电机发电。 从而实现热 能转变为机械能（轴功） ， 然后再转变为电能（或其他动力）的实际过 程。

在产生动力 （例如发电）过程中， 7j蒸汽通过汽轮机作功， 温度急 剧下降， 热量大量消耗， 只有依靠不断提供燃料， 使之燃烧来产生热， 才能保证火力发电的正常运行。 同样在获得低温的冷量过程中， 从系统 取出热量， 需要消耗功， 因此， 冷量的获得应视为动力的消耗。 反之， 冷量的产生， 在一定意义上说， 即为动力的获得。

本发明概述

本发明的目的在于提出一种利用自然界存在的低温热量与深冷液氮 (或液态空气）的冷量之间的温差来产生动力 （轴功和冷量）的方法和 装置， 其中， 深冷液氮（或液态空气）在其连续回路中可循环使用， 以 达到利用自然界低温热能来代替燃料燃烧所产生热能。 本发明的目的可以通过以下措施来达到： 空气加热工质 (液氮或液态 空气)，与此同时空气获得冷量； 工质膨胀作功产生动力 （轴功） ； 工质 冷热换位； 工质通过两相透平膨胀机和液体透平膨胀机再次膨胀产生冷 量输出轴功而形成的系统。 该系统包括：

-由加热器、 透平膨胀机、 冷凝-蒸发换热器、 换热器、 冷凝器、 贮液槽、 高压泵、 深冷管路和闪发气制冷系统等构成一个连续回路；

-深冷液氮（或液态空气）在所述回路中循环；

-以自然界的空气为热源， 通过加热器对冷氮气（或冷空气）进行 加热， 使之获得能量， 工质通过冷热换位， 气体透平膨胀机， 两相透平 膨胀机， 液体透平膨胀机对外作功产生轴功并获得冷量而液化， 供循环 使用；

-进人贮液槽的闪发气通过制冷系统使之液化返回贮液槽。

附图简述

图 1是本发明所用的系统原理图。

本发明的实施途径

以下结合附图详细说明本发明。

如图 1所述， 经过净化及干燥装置 19的自然界空气用风机 20通过调 节阀 16将其鼓入加热器 3 , 对来自冷凝 -蒸发换热器 2和换热器 2 2的 高压氮气（或高压空气， 压力 6. 45-7. 45MPa， 温度 190 - 195 K )进行加 热至温度为 2 7 0 - 2 8 0 K , 后将高温高压氮气（或空气）引人气体 透平膨胀机 4， 使其在绝热等熵下膨胀做功， 输出轴功。 与此同时， 通 过加热器 3内的自然界空气被冷却而产生冷量， 可作为各种用途的冷源 使用。

经绝热等熵膨胀后的氮气 (或空气）， 其压力和温度下降（压力 1.8 - 2.2MPa, 温度 185- 195K) , 然后进人冷凝 -蒸发换热器 2， 氮气（或空 气）在来自常压的贮液槽 1且经高压泵 6, 压至 6.5-7.5 MPa的过冷液氮

(或液化空气） 的冷却下（过冷液体被加热后， 送至换热器 2 2和加热 器 3 ) , 部分冷凝成温度为 116K的两相流体， 将其引人两相透平膨胀机

5 , 工质膨胀输出轴功， 两相流体获得冷量（温度降至 8 4 - 8 6 K, 压力 0.2- G.25MPa) 。 再将上述两相流体引人冷凝器 8, 将其全部冷凝； 其中冷却液系来自贮液槽 1， 经泵 7加压至 0.8- l. OMPa的过冷液氮（或液 态空气） 。 过冷液氮（或液态空气）在冷凝器 8中被加热至 83 - 85 K, 离 幵冷凝器 8后与冷凝液（经泵 1 0和调节阀 2 1 )合并进人液体透平膨 胀机 9 ,.工质在液体透平膨胀机中膨胀输出轴功， 同时获得冷量。 离开 液体透平膨胀机的液氮（或液态空气）温度为 77K, 压力为 0.1 - 0.12MPa, 进入贮液槽 1循环使用。 与液氮（或液态空气） 同时进入液t 槽内的闪发气则通过制冷系统 1 1， 1 2 , 1 3， 1 4使之液化后返回 贮液槽。

整个系统都采用较好的低温绝热材料将其与外界环境隔幵， 以保证 系统的良好运行。

采用本发明的系统流程及装置所表现特征是： 利用自然界空气低温 热量对深冷气氮（或深冷空气）进行加热， 获得能量， 通过透平膨胀机 对外作功产生轴功， 与此同时， 加热空气被冷却而产生冷量。 达到了利 用自然界的低温热量来代替燃料燃烧所获得的热量以产生动力 （轴功和 冷量） 的目的。 工质通过冷热换位， 透平膨胀使之液化， 以达到其循环 使用。 就效果来说， 当气化 IKg/s的液氮时， 扣除系统内部各种功率消 耗， 系统的净输出轴功率约为 2 0 K W, 同时约可产生 IKg/s温度为 2 0 5 K左右的空气冷量， 可作各种用途的冷源。

Claims

权利要求

1 . 用自然界空气加热深冷工质来产生动力的方法， 该方法包括以 下步骤：

a)用自然界低温热源通过加热器加热来自贮液槽经冷凝 -蒸发换热 器、 换热器的深冷工质使之获得高压、 高温气化工质；

b)将高压高温气化工质输人气体透平膨胀机， 使其在绝热等熵下膨 胀做功；

c)将经透平膨胀后的气态工质输入冷凝 -蒸发换热器与来自贮液槽 并经加压的深冷工质作热交换， 使其部分冷凝而成为两相流体；

d)将两相流体引人两相透平膨胀机， 使工质再次膨胀做功， 同时工 质温度下降；

e)将膨胀后的两相流体输人冷凝器与来自贮液槽并经加压的深冷液 态工质作热交换， 使气态工质冷凝， 并将冷凝液和加热后的液态工质一 起进人液体透平膨胀机， 工质在膨胀作功的同时， 温度进一步下降；

D膨胀后的液态工质输人贮液槽， 随液态工质一起进人贮液槽的气 态工质在通过一制冷系统而液化后返回贮液槽。

2 . 按照权利要求 1的方法， 其特征在于， 在深冷工质进人加热器 之前先通过冷凝-蒸发换热器， 换热器， 使其与膨胀后的气态工质和进 人制冷系统的闪发气作热交换而气化。

3. 按照权利要求 2的方法， 其特征为， 进入冷凝-蒸发换热器的 过冷液体工质， 其压力为 6.5- 7.5MPa, 温度约为 77K; 离开时温度成为 126- 132K的气态工质； 所进人的膨胀后的气态工质， 其压力为 1.8 -

2.2 Pa, 温度为 185 - 195K， 离开时为约 1 1 6 Κ的两相流体。

4. 按照权利要求 1的方法， 其特征是， 进人加热器的气态工质压力 为 6.45 - 7.45MPa, 温度为 1 9 0- 1 9 5 K, 离幵时的温度为 2 7 0 -

2 8 0 K;而流人的自然界空气的温度为 2 9 3 - 2 9 8 K, 离幵时的温度 为 2 0 0 - 2 0 5 K。

5. 按照权利要求 1所述的方法， 其特征在于， 流人冷凝器的液态 工质压力为 0 · 8 - 1. 0 M P a , 温度约为 7 7 K , 离幵时的温度为 83 -85K, 而流人冷凝器的两相流体温度为 8 4 - 8 6 K, 离开时为该温度 下的冷凝液。

6. 用于实施权利要求 1所述方法的装置， 其特征在于， 该装置是 一个由贮液槽（ 1 )加热器（ 3 ) 、 气体透平膨胀机（ 4 ) 、 两相透平 膨胀机（ 5 ) 、 液体透平膨胀机（ 9 ) 、 冷凝一蒸发换热器（ 2 ) 、 换热 器（ 22 ) 、 冷凝器（ 8 ) 、 闪发气制冷系统（ 1 1， 1 2 , 1 3 , 1 4 ) 和泵（ 6 , 7 , 1 0 ) 以及深冷管路构成的循环系统。

7. 按照权利要求 3所述的装置， 其特征在于， 冷凝 -蒸发换热器 ( 2 )是低温工况下的板翅式换热器， 其有两个人口和两个出口， 一个 人口安来自贮液槽的管路， 另一人口用于进人经气体膨胀机膨胀后的气 态工质； 两个出口中之一是通换热器， 另一是通向两相膨胀机。

8. 按照权利要求 4所述的装置， 其特征在于， 加热器是板翅式换 热器。

9. 按照权利要求 5所述的装置， 其特征在于， 冷凝器（ 8 )是低 温工况条件下工作的板翅式换热器， 其有两个人口， 其一通人来自贮流 槽并经离心泵（ 7 )加压的深冷液态工质， 另一人口通人经两相膨胀机 膨胀后的两相流体； 还有两个出口， 其一是输出冷凝液， 另一是输出被 加热的液态工质。

1 0. 按照权利要求 6所述的装置， 其特征在于， 透平膨胀机是低 温工况条件下的膨胀机， 它们分别是气体透平膨胀机 4 , 两相（气、 液）透平膨胀机 5及液体透平膨胀机 9。 进人气体透平膨胀机的气体工 质压力 6.4- 7.4MPa, 温度为 270 - 280K , 离开时压力 1. 8 - 2. 2 MPa, 温度 185- 195K; 进人两相（气、 液）透平膨胀机的工质压力 1.8 - 2.2MPa, 温度 1 1 6 K的两相流体。 离开时压力 0 · 2 - 0. 2 5 MPa, 温 度 8 4 - 8 6 K的两相流体； 进人液体透平膨胀机的工质为 0.8- 1. 0 MPa, 温度 83-85 K的过冷液氮（或液态空气） ， 离开时压力 0.1-0.12 MPa, 温度 7 7 K的液氮（或液态空气）及闪发气体。