氣霧液熱重力循環發電系統技術方案

本發明專利技術公開了一種氣霧液熱重力循環發電系統，涉及工程熱物理和海洋熱能發電技術領域。所述的氣霧液熱重力循環發電系統，其特征在于：在上下兩端持續存在小溫差的封閉熱交換系統內，其內部底端液態工質一部分通過蒸發換熱器吸熱氣化，剩余部分通過造霧器霧化，氣態工質膨脹上升并且攜帶霧態工質至頂端冷凝換熱器，然后氣霧混合工質在溫度較低的冷凝換熱器內凝結，全部還原為液態工質并匯流入蓄液池，最后流經下降管道回到底端推動液輪發電機組發電，然后進入下一輪循環，從而能高效地把海洋溫差能轉化為電能。本發明專利技術顛覆了傳統發電原理，顯著提高了海洋溫差能、低品位熱能轉化效率，利用本發明專利技術發電的成本將達到甚至低于傳統化石能源電力成本。

【技術實現步驟摘要】
氣霧液熱重力循環發電系統
本專利技術公開了一種氣霧液熱重力循環發電系統，涉及工程熱物理、海洋熱能發電技術和低品位熱源發電

技術介紹
海洋熱能發電(OceanThermalEnergyConversion,OTEC)技術是利用熱帶及亞熱帶海洋表層熱海水和深層冷海水間的小溫差進行發電。OTEC電廠所需要的基礎技術經過多年發展，例如平臺技術、平臺定位技術、熱交換器技術、平臺接口技術、冷水管技術、海底電纜技術、泵與渦輪技術、整體裝置集成技術等都已經達到較好的實用水平。但是，作為熱力發電的經典理論朗肯循環（金蘭循環）以及汽輪機自身特點限制了小溫差熱源的發電效率，其理論熱效率約為3%，雖然利用加倍復雜的Kalina循環和上原循環在理論上的轉化效率極限可以達到4.5～5.0%，凈輸出效率卻不足3%[1,2]，其過低的能源轉化率使得其經濟性遠不及化石能源和核能。1977年美國學者Ridgway提出一種利用海水重力勢能發電的MLC（MistLiftCycle）設想[3]，有研究報告認為由于MLC不需要使用換熱器可降低OTEC成本20～40%[4]。然而，這種利用抽真空實現低壓，讓海水噴霧和閃蒸方式來提升海水發電的OTEC系統至今未能實現。我們認為：其更本原因仍然是海水溫差小，溫降所釋放熱能不足以推升自身到高海拔。假使在熱海水溫度25℃，冷凝溫度8℃的條件下，海水蒸發潛熱2500kJ/kg，是海水比熱容4.2kJ/(kg.K)的600倍，閃蒸獲得1單位質量的蒸氣所需要的熱量相當于35.3單位質量的海水溫降下降17℃。顯然，即使能提供17℃溫差，1單位質量的蒸氣推升35.3倍質量的霧滴幾乎不能實現。然而，有關霧滴提升的研究資料表明，直徑小于0.4毫米的霧滴都是容易被氣流帶動的，而且1單位質量的蒸氣可提升10單位質量霧滴[5]。本專利技術提出一種熱重力循環和和霧滴提升結合的原理方法和裝置系統，顛覆了傳統的朗肯熱力發電和MLC的原理和理念，可輕易地將海洋溫差能實際轉換效率提升到15%以上，從而使得海洋溫差發電成本低于傳統化石能源電力成本。參考文獻：[1]楊鵬程,章學來.海洋熱能發電技術.可再生能源發電.2009,No.1,P38-41.[2]蘇佳純等,海洋溫差能發電技術研究現狀及在我國的發展前景,中國海上油氣.Vol24,No.4,P84-98.[3]RidgwayS.L.,TheMistFlowOTECPlant,Proc.4thOTECconference,1977.[4]LockheedMartinMissionSystemsandSensors.OceanThermalEnergyConversionLifeCycleCostAssessment[R].Bethesda:LockheedMartinCorporation,2012.[5]Davenport,R.L.(1980)TheMistLiftAnalysisSummaryReport.USAColorado:SolarEnergyResearchInst.。
技術實現思路
為了提高小溫差熱源發電效率，降低發電成本，本專利技術提出了氣霧液熱重力循環發電系統。所述的氣霧液熱重力循環發電系統，其構成原理如附圖1所示，包括：蒸發換熱系統1、造霧系統2、氣霧混合上升通道3、冷凝換熱系統4、液體下降通道5、液輪發電機組6。所述的蒸發換熱系統1，是利用溫海水將液態工質4-2-1加熱蒸發成為氣態工質1-2的裝置，由高強度抗壓保溫外殼1-0、換熱管1-1、換熱翅片1-1-1、氣態工質1-2、溫海水進管道1-3、進水口過濾裝置1-3-1、溫海水出管道1-4、水泵1-4-1組成。其中，水泵1-4-1提供動力克服海水粘滯和摩擦阻力做功，將溫海水從海洋表層吸入，先經進水口過濾裝置1-3-1過濾較大的漂浮物或水生物，然后流經溫海水進管道1-3，通過換熱管1-1和換熱翅片1-1-1將熱能傳遞給液態工質4-2-1至其氣化為氣態工質1-2，放熱后的海水最后經過溫海水出管道1-4被水泵1-4-1排入海洋。對于海水保溫，目前海水管道保溫技術已經成熟，幾百米甚至上千米的管道溫降都在可控范圍內。所述的造霧系統2，是利用溫海水加熱液態工質并且制造霧態工質2-3的裝置，由噴霧嘴2-1、霧態工質2-2、蓄壓池2-3、換熱管2-4組成。溫海水進水管道1-3的海水有分支管道進入換熱管2-4加熱液態工質至接近飽和溫度；蓄壓池2-3將液位抬升到高于噴霧嘴2-1的位置，可利用形成的壓差噴霧，霧滴直徑的控制可根據工程設計需要來調整；蓄壓池2-3始終保持滿溢狀態，一部分液態工質流向噴霧嘴2-1用于造霧，一部分適當比例的液態工質溢出流向蒸發換熱系統1用于產生氣態工質。所述的氣霧混合上升通道3，是氣霧混合工質3-1膨脹上升的管道，由高強度抗壓保溫外殼3-0、氣霧混合工質3-1組成。氣霧混合工質在管道內快速流動，再加之外殼有保溫絕熱層，每單位質量的工質與外部熱交換可忽略不計。所述的冷凝換熱系統4，是利用冷海水將氣霧混合工質3-1冷凝為液態工質4-2-1的裝置，由高強度抗壓保溫外殼4-0、換熱管4-1、換熱翅片4-1-1、蓄液池4-2、液態工質4-2-1、冷海水進管道4-3、進水口過濾裝置4-3-1、冷海水出管道4-4、水泵4-4-1組成。其中，水泵4-4-1僅克服海水的粘滯力和摩擦阻力做功，將恒溫層的冷海水吸入。冷海水首先經進水口過濾裝置4-3-1除去體積較大的物質或者水生物，流經冷海水進管道4-3，通過換熱管4-1和換熱翅片4-1-1冷卻全部的氣霧混合工質3-1成為液態工質4-2-1，液態工質下落匯流如蓄液池4-2。因為工質不間斷循環，流入和流出的液態工質等量，蓄液池4-2始終保持注滿。所述的液體下降通道5，是液態工質4-2-1向下流動和蓄壓的管道，由高強度抗壓保溫外殼5-0、液態工質4-2-1組成。液態工質在管道內快速流動，再加之外殼有保溫絕熱層，每單位質量的工質與外部熱交換可忽略不計。所述的液輪發電機組6，是液態工質推動液輪機并帶動發電機組發電的裝置，由液輪機組6-1、發電機組6-2、液態工質4-2-1組成。通過液體下降通道5進入液輪機組6-1的高壓液態工質4-2-1推動液輪轉動，泄壓后排入蓄壓池2-3，進入下一輪循環。本專利技術的有益效果：一、本專利技術顛覆了傳統的熱力發電原理，本專利技術利用蒸氣膨脹攜帶霧滴上升克服重力做功，能將更多的氣體熱能轉換為液體的重力勢能，液體重力勢能更容易轉化為電能，極大地提高了小溫差熱源發電的效率，顯著降低了發電成本。二、本專利技術可選擇的低沸點工作介質種類繁多，例如二氧化碳、氮氣等都是無毒無污染工作介質，再加上使用海洋溫差作為綠色熱源，可真正做到零排放零污染，將徹底改善化石能源發電帶來的大氣霧霾和水污染危機。附圖說明：圖1為本專利技術實施例的系統結構與組成示意圖，闡明了氣霧液熱重力循環發電系統的基本結構和關鍵組成部分。圖2為本專利技術實施例的能量轉換工作原理示意圖，闡明了氣霧液熱重力循環發電系統借助工作介質不同形態的變化實現能量轉換的過程和機理。具體實施方式：所述的氣霧液熱重力循環發電系統的構成包括：蒸發換熱系統1、造霧系統2、氣霧混合上升通道3、冷凝換熱系統4、液體下降通道5、液輪發電機組6，如圖1所示本文檔來自技高網...

【技術保護點】
所述氣霧液熱重力循環發電系統，其特征在于：通過蒸發換熱系統將液態工質氣化為氣態工質，利用氣態工質絕熱膨脹做功，攜帶適量霧態工質一起上升獲得重力勢能，氣霧混合工質在冷凝換熱系統全部還原為液態工質，液態工質通過液體下降通道推動液輪發電機組發電，將重力勢能轉換為電能，然后液態工質進入下一輪氣霧液熱重力循環。

【技術特征摘要】
1.所述氣霧液熱重力循環發電系統，其特征在于：通過蒸發換熱系統將液態工質氣化為氣態工質，利用氣態工質絕熱膨脹做功，攜帶適量霧態工質一起上升獲得重力勢能，氣霧混合工質在冷凝換熱系統全部還原為液態工質，液態工質通過液體下降通道推動液輪發電機組發電，將重力勢能轉換為電能，然后液態工質進入下一輪氣霧液熱重力循環。2.權利要求1所述的液態工質，其特征在于：標準大氣壓下沸點低于0℃，在適當增加壓強的條件下能夠在常溫0℃～30℃條件下實現氣化和液化循環相變，優選工質例如二氧化碳、液氮等；具體的壓強可根據工程設計要求的蒸發溫度、冷凝溫度以及提升高度來選擇。3.權利要求1所述的霧態工質，其特征在于：是由內置在氣霧混合上升通道入口上方的造霧器生成，霧滴直徑一般小于0.4毫米，具體直徑尺寸可根據工程設計需要調整大小。4.權利要求1所述的氣霧液熱重力循環，其特征在于：整個能量轉換循環包含8個階段，在階段1-2，一部分...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張全，
申請(專利權)人：上海空泰能源科技有限公司，
類型：發明
國別省市：上海,31