膨脹制冷循環(huán)的發(fā)電應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種通過膨脹制冷發(fā)電的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]熱力學(xué)循環(huán)主要包括熱機(jī)循環(huán)和熱泵循環(huán)。熱機(jī)循環(huán)將輸入的部分熱量轉(zhuǎn)化為輸出的機(jī)械功，熱泵循環(huán)正相反，它通過輸入機(jī)械功將熱量從低溫傳向高溫。所有發(fā)電應(yīng)用都是郎肯循環(huán)，包括太陽(yáng)熱能、生物質(zhì)能、火力、核能等。有機(jī)郎肯循環(huán)(Organic RankineCycle)，簡(jiǎn)稱0RC，是低溫發(fā)電技術(shù)。其原理與郎肯循環(huán)相同，只不過郎肯循環(huán)使用的介質(zhì)是水，0RC使用的是低沸點(diǎn)有機(jī)物，可以利用低溫?zé)嵩窗l(fā)電。
[0003]卡諾理論認(rèn)為熱機(jī)循環(huán)效率只與兩個(gè)熱源的熱力學(xué)溫度有關(guān)，與工質(zhì)性質(zhì)無(wú)關(guān)。提高熱機(jī)效率在于提高T1、降低T2、減少散熱、漏氣、摩擦等不可逆損耗?？ㄖZ熱機(jī)理論效率公式nc = 1-T2/Ti。由于低溫?zé)嵩赐ǔＪ黔h(huán)境溫度，現(xiàn)代熱電廠采取單方向提高T1，用過熱蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)，向超超臨界要效率。同樣，利用低溫?zé)嵩吹?RC，也傾向利用盡可能高的T1溫度以提高效率。迄今，有報(bào)道的0RC最低T1溫度為73°C，是在美國(guó)阿拉斯加運(yùn)行的地?zé)釞C(jī)組。這樣低的T1溫度顯然與當(dāng)?shù)氐牡铜h(huán)境溫度有關(guān)。
[0004]卡諾熱機(jī)理論效率公式揭示了通過降低T2來(lái)提高熱機(jī)效率的重要意義。同樣溫差的兩組熱源，由于T2溫度的不同，卡諾熱機(jī)效率理論值不同。例如85°C溫差，30°C —55°C，卡諾熱機(jī)效率理論值為28%。同樣85°C溫差，100°C _185°C，理論效率值只有18.56%?？ㄖZ熱機(jī)效率理論值同為75%，T2溫度不同會(huì)出現(xiàn)迥然不同的兩組溫差；如T2=-200°C,T1 = 20°C 以及 T2 = 20°C，T1 = 900°C。前組溫差為 220°C，后組溫差為 880°C，相差4倍。這表明，相同溫差，T2越接近絕對(duì)零度，熱機(jī)效率越高。相同效率，T2越接近絕對(duì)零度，溫差越小。顯然，投入同等能量，降低T2比較提高T1實(shí)現(xiàn)的效率要高。
[0005]膨脹制冷循環(huán)應(yīng)用于發(fā)電可以大幅度提高熱功轉(zhuǎn)換效率，顯著節(jié)能，甚至無(wú)需消耗化石能源。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]熱機(jī)循環(huán)和熱泵的循環(huán)過程十分相似，它們都有一個(gè)吸熱過程(鍋爐或蒸發(fā)器);一個(gè)壓力釋放過程(汽輪機(jī)或膨脹閥)，一個(gè)放熱過程(冷凝器)，一個(gè)壓縮過程(壓縮機(jī)或工質(zhì)泵)。熱機(jī)循環(huán)，化石能源燃燒提供熱能給鍋爐產(chǎn)生蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)，大部分熱沒有轉(zhuǎn)化為功而白白排放掉。冷凝熱一般是熱功轉(zhuǎn)換耗熱的150%，這可以解釋為什么熱機(jī)效率難以提高。同樣，熱泵循環(huán)投入機(jī)械功，工質(zhì)從蒸發(fā)器吸熱，冷凝器排熱。這兩種循環(huán)均不能有效利用熱。
[0007]熱力學(xué)第二定律又稱熵增定律，具體表述為:隨時(shí)間進(jìn)行，一個(gè)孤立體系中的熵總是不會(huì)減少。具體的說(shuō)，熱不能自發(fā)的從冷處轉(zhuǎn)到熱處，而不引起其他變化。任何高溫物體在不受熱的情況下，都會(huì)逐漸冷卻。這條定律說(shuō)明第二類永動(dòng)機(jī)不存在。除非系統(tǒng)開放，弓丨入負(fù)熵流。膨脹制冷循環(huán)應(yīng)用于發(fā)電遵循系統(tǒng)開放、引入負(fù)熵流的原理。
[0008]膨脹制冷發(fā)電循環(huán)采用低沸點(diǎn)工質(zhì)，運(yùn)行由3個(gè)過程組成:吸熱、膨脹、工質(zhì)回流。
[0009]低溫、低壓、液相工質(zhì)在換熱器中從環(huán)境或其它高溫?zé)嵩次鼰?對(duì)換熱器外部而言是制冷)。獲得并儲(chǔ)存了內(nèi)能的工質(zhì)經(jīng)膨脹機(jī)做節(jié)流膨脹，釋放內(nèi)能，膨脹機(jī)回收膨脹功用于發(fā)電。由于膨脹是絕熱過程，工質(zhì)無(wú)法從外界吸熱，只能消耗自身內(nèi)能，導(dǎo)致工質(zhì)本身溫度和壓力下降。釋放了內(nèi)能的低溫、低壓、液相工質(zhì)經(jīng)自然重力(或工質(zhì)泵)返回?fù)Q熱器，工質(zhì)從環(huán)境或其它高溫?zé)嵩次鼰?，回補(bǔ)內(nèi)能，進(jìn)入下一循環(huán)。
[0010]膨脹制冷發(fā)電循環(huán)的膨脹過程一步完成了熱機(jī)循環(huán)的做功和冷凝兩個(gè)過程，并制造出負(fù)熵流(冷)。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，高溫會(huì)自發(fā)的向低溫轉(zhuǎn)移(釋放能量)。膨脹制冷發(fā)電循環(huán)實(shí)際收獲了兩部分能量；膨脹過程回收的膨脹功和由制冷導(dǎo)出的高溫?zé)嵩聪蚶溽尫诺哪芰?。由于循環(huán)過程沒有冷凝熱排放，還由于T2溫度更接近絕對(duì)零度，膨脹制冷發(fā)電循環(huán)的熱效率高于所有形式的熱力學(xué)循環(huán)。同時(shí)，它可利用的能源資源無(wú)限大。假定制冷溫度為-100°C，那么地表以上120千米空間的所有溫度都將成為它的高溫?zé)嵩础?br>【具體實(shí)施方式】
[0011]采用低沸點(diǎn)工質(zhì)，以膨脹機(jī)替代汽輪機(jī)，以換熱器替代蒸發(fā)器(鍋爐)以及冷凝器。根據(jù)工質(zhì)性質(zhì)決定是否保留工質(zhì)泵(壓縮機(jī))。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種采用水或低沸點(diǎn)工質(zhì)為介質(zhì)，以膨脹制冷的方式回收膨脹功，做功后的低溫工質(zhì)從環(huán)境溫度或其它熱源吸熱回補(bǔ)內(nèi)能的發(fā)電方法。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述，所有采用水或低沸點(diǎn)工質(zhì)為介質(zhì)，以膨脹制冷方式回收膨脹功發(fā)電的方法。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述，采用的低沸點(diǎn)工質(zhì)包括但不限于二氧化碳。
【專利摘要】采用低沸點(diǎn)工質(zhì)，應(yīng)用膨脹制冷原理于發(fā)電，由于循環(huán)過程沒有冷凝熱的排放，減少了熱損失。此外，膨脹制冷循環(huán)應(yīng)用于發(fā)電，其T2溫度更接近絕對(duì)零度，熱功轉(zhuǎn)換效率得以提高。更重要的是，包括環(huán)境溫度在內(nèi)的所有熱源都可以成為膨脹制冷發(fā)電循環(huán)的高溫?zé)嵩础?br>【IPC分類】F02G1/043
【公開號(hào)】CN105275663
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410348889
【發(fā)明人】邱紀(jì)林
【申請(qǐng)人】邱紀(jì)林
【公開日】2016年1月27日
【申請(qǐng)日】2014年7月22日