CN101397983B - 工质相变焓差海水温差动力机 - Google Patents

Abstract

工质相变焓差海水温差动力机涉及到一种依靠两种工质在同温相变时焓差特性，利用闭式循环海洋热能转换动力的装置及技术而制造的高效率海洋热能动力机，主要特征是蒸发器[19]中工质向表层海水吸热后经高速离心式压缩机[1]压缩成高温高压的饱和蒸汽后再于逆流式热交换器[15][14]中传热给多倍质量的汽轮机[3]工质，汽轮机[3]工质吸热成高温高压蒸气后作功，乏汽进入冷凝器[5]向深层海水放热后冷凝。实现了一工质循环吸收表层海水热量并经压缩传热转换成另一高温高压蒸汽工质后作功，除保证压缩机及泵吸辅助负荷耗功外，大部分作为动力向外界输出。能就地提供海水化工、海底采矿及冶金等海洋产业及沿海岛地所需动力和发电供应廉价电力。

Description

工质相变焓差海水温差动力机

技术领域

本发明涉及到一种依靠两种工质在相同温度下气液相变时的焓差特性、利用现有海水表层与深层的温差及闭式循环的海洋热能转换动力设备及理论技术而制造的海洋热能动力机。

背景技术

在公知的理论技术里，海洋表层温度较高，而深处则温度较低。海洋热能就是以这种温度差的形式存在于海洋中。在大部分热带和亚热带海区，表层水温和1000m深处的水温相差20℃以上，这是热能转换所需要的最小温差。海洋热能转换(OTEC)电站工作方式可分为开式循环、闭式循环和混合循环三种方式。开式循环直接以表层海水为工质。闭式循环发电是把丙烷、丙烯、氨气或氟里昂等低点液态工质的任一种先注入蒸发器，利用表层海水加热蒸发器中的工质，使它汽化，利用工质的蒸汽流来推动汽轮发电机进行发电。利用过的表层海水温度大约降低2～3℃，排放到水温与其相当的大海深处。工质的蒸气在推动汽轮机之后，压力和温度都已降低了的乏汽进入冷凝器中，被来自深层的海水冷却并经高速离心式压缩机加压还原为液体，被泵至蒸发器中循环使用。经过冷凝器的深层海水，温度大约升高2～3℃，也被排到相应的大海深处。海洋热能发电在理论上的最大转换效率是相当低的。温差20℃时，转换效率只有6.8％，温差27℃时只有9％。加上辅助负荷后(如泵吸等)，获得的效率在2.5％～4％之间。

闭式循环发电除去发电设备、泵及管道外，主要由一台汽轮机、一台高速离心式蒸汽压缩机及热交换器构成，低沸点工质的工作状态为蒸汽状态、液态和气液间相变。由于蒸汽的热力性质比理想气体复杂得多，人们在长期实验研究中所得数据的基础上拟合得到的公式十分复杂，很难在一般工程计算中使用。为便于工程计算，编制了各种工质的热力性质图表，迄今为止，在工程上人们都是借助于编制好的图表计算各种蒸汽的参数。稳定流动能量方程应用于常用各种热力设备，及压缩机为-Ws＝h₂-h₁或Ws＝h₁-h₂+q、汽轮机为Ws＝h₁-h₂、热交换器为q＝h₂-h₁……

本人研究、比较各种工质的热力性质图表，并从闭式循环发电用工质有关的R123(氟里昂一12或三氟二氯乙烷)饱和液体和饱和气体性质表、R717(氨气)饱和液体和饱和气体性质表、R718(水)饱和液体和饱和气体性质表、R290(丙烷)饱和液体和饱和气体性质表、R1270(丙烯)饱和液体和饱和气体性质表及压焓图看到：

从以上工质的饱和液体和饱和气体的参数可以得知：在一定的饱和温度下，各种工质的汽化(凝结)热及相变潜热不同，所具有的工质的焓也不同。现以R718与R123作比较将发现：在温度4℃时、30℃时、100℃时、120℃时，饱和液体R718的汽化热分别是饱和液体R123的汽化热的13.855倍、14.35984倍、19.08172倍、18.27282倍，从而可以推出在温度4℃时、30℃时、100℃时、120℃时，必须有等于13.855倍、14.35984倍、19.08172倍、18.27282倍R718质量的R123饱和气体(液体)的凝结(汽化)热量及相变潜热才等于1倍质量的R718饱和液体(气体)的汽化(凝结)热量及相变潜热。饱和气体从30℃隆温至4℃时，R718的放热量47.45kJ/kg是R123的放热量15.69kJ/kg的3.024219倍；饱和气体从30℃升温至100℃时，R718的吸热量119.66kJ/kg是R123的吸热量40.24kJ/kg的2.973658倍……最后可以得知R718与R123的相变潜热的倍数远大于R718与R123饱和气体焓升或焓降所需热量的倍数达好几倍以上，而依据稳定流动能量方程，汽轮机中饱和气体的焓降等于汽轮机所做功、离心式蒸汽压缩机中饱和气体的焓增等于离心式蒸汽压缩机所耗功、汽轮机和离心式蒸汽、压缩机为正逆循环热机，因此若将R718、R123等分别应用于海洋热能转换中汽轮机、高速离心式压缩机作为工质，在表层海水放热一定的情况下，那么其所作功、耗功将会根据工质的不同分别有很大的数量上的差别。

发明内容

本发明之目的在于向社会提供一种依靠两种工质在同温度气液相变时的焓差特性(相变潜热的巨大差别、而比热容差别不大)，利用现有海洋温差热能且能高热效率循环运转的动力机。

为了完成上述发明任务，本发明在设计时采用了如下方案：首先由高速离心式压缩机[1]及逆流式热交换器外层[15]、输液泵[17]、蒸发器[19]构成一个闭口系统，由汽轮机[3]及冷凝器[5]、加热器[10]、输液泵[13]、逆流式热交换器内层[14]构成另一个闭口系统，高速离心式压缩机[1]与汽轮机[3]同循环运转次数及共主轴[2]旋转、逆流式热交换器外层[15]与逆流式热交换器内层[14]通过金属壁进行热交换，这样由两个闭口系统及高速离心式压缩机[1]、逆流式热交换器外层[15]、输液泵[17]、蒸发器[19]、[汽轮机[3]、冷凝器[5]、加热器[10]、输液泵[13]、逆流式热交换器内层[14]构成工质相变焓差海水温差动力机的主要设备。其次是高速离心式压缩机[1]闭口系统中和汽轮机[3]闭口系统中各自采用不同的一种工质，而且同温度下高速离心式压缩机[1]闭口系统中同样质量工质的相变潜热及焓多倍于汽轮机[3]闭口系统中同样质量工质的相变潜热及焓，逆流式热交换器外层[15]中饱和气体的高温冷凝放热量通过金属壁传热给逆流式热交换器内层[14]中的液体工质及使之吸热汽化。由于高速离心式压缩机[1]与汽轮机[3]的循环运转次数相同及共主轴[2]旋转，在相同温度下高速离心式压缩机[1]闭口系统中同样质量的工质的相变潜热及焓多倍于汽轮机[3]闭口系统中同样质量的工质的相变潜热及焓，因此依据能量守恒定律必须在每一循环运转中汽轮机[3]闭口系统中工质的质量多倍于高速离心式压缩机[1]闭口系统中工质的质量。再其次是由抽水泵[7]及深层海水抽进管[6]、深层海水排放管[8]构成的冷凝器[5]的辅助设备，由抽水泵[12]及表层海水抽进管[11]、表层海水排放管[9]构成加热器[10]的辅助设备，由抽水泵[21]及表层海水抽进管[20]、表层海水排放管[18]构成蒸发器[19]的辅助设备。在工质相变焓差海水温差动力机运转时，在高速离心式压缩机[1]闭口系统中：高速离心式压缩机[1]的旋转抽走蒸发器[19]中已蒸发的饱和蒸汽，形成蒸发器[19]的降压及真空，蒸发器[19]中液体工质因降压而沸点降低后从表层海水中吸收热量后汽化，低温(表层海水温度)低压(表层海水温度相对应的工质的饱和压强)蒸汽经高速离心式压缩机[1]的压缩，体积减小、压力升高、温度升高及焓增加，形成高温高压的饱和蒸汽，高温高压的饱和蒸汽进入逆流式热交换器外层[15]，通过中层金属壁向逆流式热交换器内层[14]及汽轮[3]闭口系统中的从低温(表层海水温度)升至高温的工质放热凝结后再经输液泵[17]进入蒸发器中进行下一个循环。在汽轮机闭口系统中：逆流式热交换器内层[14]中的液体工质吸收高速离心式压缩机[1]闭口系统及逆流式热交换器外层[15]中的工质的放热凝结的热量后汽化，形成高温高压蒸汽，高温高压的蒸汽进入汽轮机[3]中作功，作功后的乏汽进入冷凝器[5]，在冷凝器[5]中经深层海水冷却，向深层海水放热后冷凝，冷凝后的液体工质在加热器[10]中经表层海水加热后再经输液泵[13]进入逆流式热交换器内层[14]中进行下一个循环。同时，由表层海水抽进管[20]经抽水泵[21]抽取大量的表层海水不断地加热蒸发器[19]，利用过的表层海水温度降低后经表层海水排放管[18]排放到水温与其相当的大海深处；由深层海水进管[6]经抽水泵[7]抽取大量的深层海水不断地冷却冷凝器[5]，利用过的深层海水温度升高些许后经深层海水排放管[8]排放到水温与其相当的大海深处；由表层海水抽进管[11]经抽水泵[12]抽取一定的表层海水不断地加热加热器[10]，利用过的表层海水温度降低后经表层海水排放管[9]排放到水温与其相当的大海深处。如上循环运转，汽轮机[3]的作功除保证供给高速离心式压缩机[1]耗功、输液泵[13][7]耗功、抽水泵[7][12][21]耗功外，剩余作功作为动力向外界送出。

含有上述设计方案的本发明在循环运转时，如果高速离心式压缩机[1]的闭口系统采用工质R718、汽轮机[3]闭口系统采用工质R123，而且设R718为1kg、冷凝器[5]及深层海水温度为4℃、表层海水及蒸发器[19]温度为24℃、逆流式热交换器外层[15]及逆流式热交换器内层[14]中最高温度为100℃，那么工质R718在24℃时的液体焓h′₁为100.59kJ/kg、气体焓h″₁为2545.47kJ/kg、100℃时气体焓h″₂为2676.01kJ/kg，R123在4℃时的气体焓h″₃为383.84kJ/kg、24℃时的液体焓h′₃为224.12kJ/kg、100℃时的气体h″₄为439.77kJ/kg，根据稳定流动能量方程：

-Ws＝h″₂-h″₁＝2676.01-2545.47＝130.54kJ

Q₁＝h″₂-h′₁＝2676.01-100.59＝2575.42kJ

Q₁：(h″4-h′3)＝2575.42÷(439.77-224.12)＝11.94259kgR123

+Ws＝11.94259×(h″₄-h″₃)＝11.94259×(439.77-383.84)＝667.949kJ

W＝+Ws-(-Ws)＝667.949-130.54＝537.409kJ

$\mathrm{\η}=\frac{W}{Q_1}=537.409\÷2575.42=0.208668=20.8668\%$ (加热器中吸热量略)

本发明在每一循环运转中，按照以上热循环效率的理论计算及能量转换守恒定律，汽轮机[3]闭口系统中工质的质量十来倍于高速离心式压缩机[1]闭口系统中工质的质量，海洋热能转换的热循环效率达20％以上。然而当前海洋热能转换电站的效率在2.5％～4％之间，每千瓦的投资费用约为12差分/并，按照这种成本，无法和使用油、气或等做燃料的热电站竞争，即使从长远来看投资成本可下降67％，到这样才可以与燃油热力发电相竞争。本发明除去泵吸等辅助负荷后应为当前海洋热能转换效率的6倍左右，远超投资成本下降67％这一指标，从而本发明的发电成本远比使用油、气或煤等做燃料的热电站的成本要低。

附图说明

图1是本发明的系统示意图

它表工质相变焓差海水温差动力机的高速离心式压缩机[1]闭口系统、汽轮机[3]闭口系统、抽排海水系统之间的相互连接形式及相关位置和工质循环流动方向。

具体实施方式

本发明的实施例是：将高速离心式压缩机[1]、汽轮机[3]共一主轴[2]连接、固定，按顺序将高速离心式压缩机[1]、逆流式热交换器外层[15]、输液泵[17]、蒸发器[19]联接成一个闭口系统，按顺序将汽轮机[3]、冷凝器[5]、加热器[10]、输液泵[13]、逆流式热交换器内层[14]联接成另一个闭口系统，逆流式热交换器由内外层及逆流式热交换器内层[14]和逆流式热交换器外层[15]构成，内外层中间为导热良好的金属壁、逆流式热交换器内层[14]和逆流式热交换器外层[15]中汽轮机[3]闭口系统工质与高速离心式压缩机闭口系统工质的循环流动方向相反，联接好、封闭结束前排净两个闭口系统中空气及真空后将R718液体、十来倍R718质量的R123液体分别置于高速离心式压缩机[1]闭口系统的蒸发器[19]、汽轮机[3]闭口系统的逆流式热交换器内层[14]中，然后在蒸发器[19]上联接上表层海水抽进管[20]表层海水排放管[18]及抽水泵[21]，在冷凝器[5]上联接上深层海水抽进管[6]、深层海水排放管[8]及抽水泵[7]，在加热器[10]上联接上表层海水抽进管[11]、表层海水排放管[9]及抽水泵[12]，最后将工质相变焓差海水温差动力机置于海上船上或平台上，表层海水抽进管[20][11]、表层海水排放管[18][9]、深层海水抽进管[6]、深层海水排放管[8]相应分别悬置于表层及深层海水中。本发明在运转时，高速离心式压缩机[1]的运转、抽吸造成蒸发器[19]中R718液体的降压，液体工质R718吸收表层海水中的热量向汽化，依照图1上箭头→方向及工质R718循环方向[16]，低温(表层海水温度)低压R718蒸汽进入高速离心式压缩机[1]经压缩成为高温(100℃以上)高压(相当大气压)的R718饱和蒸汽，然后于逆流式热交换器外层[15]中通过中间金属壁放热给汽轮机[3]闭口系统工

R123后凝结成液体，最后经输液泵[17]进入蒸发器[19]进行下一循环。逆流式热交换器内层[14]中液体工质R123吸热后汽化成为高温高压的蒸汽，依照图1上箭头  方向及工质R123循环方向[4]，流经汽轮机[3]作功后乏汽进入冷凝器[5]，放热给抽取的深层海水后冷凝，再经加热器[10]经表层海水加热后再经输液泵[13]进入逆流式热交换器内层[14]后进行下一循环。同时，经表层海水抽进管[20]由抽水泵[21]不断抽取表层海水加热蒸发器[19]，利用过的表层海水温度大约降低2～3℃后，经表层海水排放管[18]排放到水温与其相当的大海深处；经深层海水抽进管[6]由抽水泵[7]不断抽取深层海水冷却冷凝器[5]，利用过的深层海水温度大约升高2～3℃后，经深层海水排放管[8]排放到水温与其相当的大海深处；经表层海水抽进管[11]由抽水泵[12]不断抽取表层海水加热加热器[10]，利用过的表层海水经表层海水排放管[9]排放到水温与其相当的大海深处。由于每一循环中工质R123的质量十来倍于工质R718的质量，从而工质R123及汽轮机[3]所作功几倍于高速离心式压缩机[1]所耗功及泵吸等辅助负荷所耗功，从而造成吸热、作功的不断循环，除保证供给高速离心式压缩机[1]耗功和泵吸等辅助负荷[7][12][13][17][21]耗功外，另有大部份所作功作为动力不断向外输出。

Claims (1)

1.一种工质相变焓差海水温差动力机，其中包括高速离心式压缩机、主轴、汽轮机、冷凝器、深层海水抽进管、抽水泵、深层海水排放管、表层海水排放管、加热器、表层海水抽进管、输液泵、逆流式热交换器内外层、蒸发器，其特征是，由高速离心式压缩机及逆流式热交换器外层、输液泵、蒸发器与汽轮机及冷凝器、加热器、输液泵、逆流式热交换器内层分别构成两个闭口系统，高速离心式压缩机闭口系统中采用相变时焓大的工质且通过蒸发器从抽取的表层海水中吸热汽化蒸发，汽轮机闭口系统中采用相变时焓小的工质且通过冷凝器向抽取的深层海水放热冷凝，通过金属壁在逆流式热交换器内外层中高速离心式压缩机闭口系统中一定质量的工质冷凝传热给汽轮机闭口系统中多倍质量的工质，汽轮机工质吸热汽化作功；

在高速离心式压缩机闭口系统中，高速离心式压缩机的旋转抽走蒸发器中已蒸发的饱和蒸汽，形成蒸发器的降压及真空，蒸发器中液体工质因降压而沸点降低后从表层海水中吸收热量后汽化，蒸汽经高速离心式压缩机的压缩，体积减小，压力升高及焓增加，形成高温高压的饱和蒸汽，高温高压的饱和蒸汽进入逆流式热交换器外层，通过中层金属壁向逆流式热交换器内层及汽轮闭口系统中的从低温升至高温的工质放热凝结后再经输液泵进入蒸发器中进行下一个循环；

高速离心式压缩机闭口系统采用工质R718即水，汽轮机闭口系统采用工质R123即三氟二氯乙烷；

每一循环中工质R123的质量十来倍于工质R718的质量；

高速离心式压缩机与汽轮机共主轴连接。

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