一种降低冷源温度提高发电效率的方法和装置与流程

文档序号:15578920发布日期:2018-09-29 06:19

本发明涉及能源技术领域,具体涉及一种降低冷源温度提高发电效率的方法和装置。



背景技术:

目前,世界能源紧缺。

火力发电、太阳能热发电和海水温差发电都是在加热器将低温低压液态工质加热变成高温高压气态工质,高温高压气态工质输入汽轮机内,汽轮机旋转带动发电机发电;高温高压气态工质对汽轮机做功后用冷水冷凝变成低温低压气态工质。

根据卡诺定理效率=1-热力学冷源温度/热力学热源温度,可知在热源温度不变情况下热力学冷源温度越低,效率越高。由于水在常压下零度时已结冰,所以用水作冷源时冷源温度不低于零度即热力学中的273度。用水作冷源造成冷源温度偏高,效率偏低,致使发电装置投资和运营成本偏高。

大海中有大量的海水温差能,由于效率偏低致使不能普及。



技术实现要素:

本发明要解决的技术问题在于,针对用水作冷源造成冷源温度偏高,效率偏低,致使发电装置投资和运营成本偏高这一缺憾,提供一种降低冷源温度提高发电效率的方法和装置。

为达到上述目的,本发明采用的技术方案是一种降低冷源温度提高发电效率的方法,包括以下步骤a.将高温高压气态工质输入汽轮机内,汽轮机旋转带动发电机发电;b. 高温高压气态工质对汽轮机做功后变成低温低压气态工质;c. 低温低压气态工质进入气液相变装置做功,变成低温低压液态工质;d.释放低温低压液态工质至储液罐;e.将储液罐的低温低压液态工质抽到或者放到蒸发器,加热变成高温高压气态工质。

一种降低冷源温度提高发电效率的装置,所述装置包括第一气液相变装置、第一储液罐、蒸发器、汽轮机、发电机、第一开关、第二开关和第三开关;所述第一气液相变装置包括第一壳体和第一弹性气囊,第一壳体设置有第一进出气口;第一弹性气囊设置在第一壳体里面,设置有第一入气口,第一入气口贯穿第一壳体并与第一壳体相连,底部设置有第一排液口,第一排液口贯穿第一壳体并与第一壳体相连;所述第一储液罐顶部设置有第一液体进入口,底部设置有第一液体排出口;蒸发器工质出口与汽轮机的入气口相连,汽轮机的出气口与第一气液相变装置的第一入气口相连,第一气液相变装置的第一排液口通过第一开关和第一储液罐的第一液体进入口相连,第一储液罐的第一液体排出口与第二开关相连,第二开关通过液压泵与蒸发器工质入口相连或者直接与蒸发器工质入口相连,第一进出气口与第三开关相连;汽轮机与发电机相连。

优选的,一种降低冷源温度提高发电效率的装置,所述装置还包括压缩机、低压储气罐、第四开关、第五开关和单向阀;第一气液相变装置的第一排液口还通过第五开关与压缩机入气口相连,压缩机出气口与低压储气罐入气口相连,低压储气罐出气口通过第四开关与第一气液相变装置的第一入气口相连;汽轮机的出气口与单向阀入气口相连,单向阀出气口亦与低压储气罐入气口相连。

优选的,一种降低冷源温度提高发电效率的装置,所述装置还包括第二气液相变装置、第二储液罐、第六开关、第七开关、第八开关、第九开关和第十二开关;所述第二气液相变装置包括第二壳体和第二弹性气囊,第二壳体设置有第二进出气口,第二弹性气囊设置在第二壳体里面,设置有第二入气口,第二入气口贯穿第二壳体并与第二壳体相连,底部设置有第二排液口,第二排液口贯穿第二壳体并与第二壳体相连;所述第二储液罐顶部设置有第二液体进入口,底部设置有第二液体排出口;低压储气罐出气口还通过第十二开关与第二气液相变装置的第二入气口相连,第二气液相变装置的第二排液口通过第六开关与第二储液罐的第二液体进入口相连,亦通过第八开关与压缩机入气口相连;第二储液罐的第二液体排出口与第七开关相连,第七开关亦通过液压泵与蒸发器工质入口相连或者直接与蒸发器工质入口相连;第二进出气口与第九开关相连。

优选的,一种降低冷源温度提高发电效率的装置,所述装置还包括第三储液罐、第四储液罐、第一螺旋型热量交换管、第二螺旋型热量交换管、第十开关和第十一开关;第三储液罐和第四储液罐都在顶部设置有液体进入口,底部设置有液体排出口;第一螺旋型热量交换管和第二螺旋型热量交换管呈螺旋型,都在顶部设置有液体进入口,底部设置有液体排出口;第一储液罐的第一液体排出口与第一螺旋型热量交换管液体进入口相连,第一螺旋型热量交换管液体排出口与第二开关一端相连,第二开关另一端与第三储液罐液体进入口相连,第三储液罐液体排出口与第十开关一端相连;第二储液罐的第二液体排出口与第二螺旋型热量交换管液体进入口相连,第二螺旋型热量交换管液体排出口与第七开关一端相连;第七开关另一端与第四储液罐液体进入口相连,第四储液罐液体排出口与第十一开关一端相连;第十开关和第十一开关的另一端都与蒸发器工质入口相连;蒸发器设置在第十开关和第十一开关底部。

优选的,一种降低冷源温度提高发电效率的装置,所有气液相变装置的壳体都设置为空心球型,还设置人孔和人孔盖,人孔和人孔盖通过螺栓或扣勾相连;所有气液相变装置的弹性气囊膨胀最大时都设置为空心球型;所有储液罐都设置为空心球型。

优选的,一种降低冷源温度提高发电效率的装置,所述第一气液相变装置或者包括第一壳体和第一弹性气囊,第一壳体设置有第一入气口,底部设置有第一排液口;第一弹性气囊设置在第一壳体里面,设置有第一进出气口。

本发明的有益效果在于,本发明利用低温低压气态工质对气液相变装置做功,变成低温低压液态工质,降低了冷源温度,从而提高了发电效率,减少了投资和运营成本。本发明用于太阳能热发电以及海水发电时,可还世界一个蔚蓝的天空。

附图说明:

图1是第一气液相变装置的结构示意图;

图2是第一储液罐的结构示意图;

图3是实施例1的结构示意图;

图4是实施例2的结构示意图;

图5是第二气液相变装置的结构示意图;

图6是第二储液罐的结构示意图;

图7是实施例3的结构示意图;

图8是实施例4的结构示意图;

图9是实施例5的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。

实施例1

本发明基本原理:利用低温低压气态工质对气液相变装置做功,在绝热状态下消耗自身内能变成低温低压液态工质,降低了冷源温度,从而提高了发电效率。

以下所有图中→方向表示工质运动方向。

本文中所述蒸发器泛指一切可对工质进行加热,令工质由低温低压液态变成高温高压气态的加热设备,包括火力发电的锅炉。

如图1是第一气液相变装置的结构示意图。

所述第一气液相变装置包括第一壳体111和第一弹性气囊112,第一壳体111设置有第一进出气口1111;第一弹性气囊112设置在第一壳体111里面,设置有第一入气口1121,第一入气口1121贯穿第一壳体111并与第一壳体111相连,底部设置有第一排液口1122,第一排液口1122贯穿第一壳体111并与第一壳体111相连。

第一气液相变装置的壳体设置为空心球型,还设置人孔和人孔盖,人孔和人孔盖通过螺栓或扣勾相连。设置为空心球型目的增强高压容器耐压强度,设置人孔和人孔盖方便第一弹性气囊的安装。

图2是第一储液罐的结构示意图;

第一储液罐21顶部设置有第一液体进入口211,底部设置有第一液体排出口212,设置为空心球型。

气液相变装置的壳体和储液罐可分三层制造,内外层采用导热系数低并耐高温高压的材料,中间层采用导热系数低的金属、合金或碳纤维制造,亦可用其它刚性强度高的其它材料制造;中间层采用金属、合金或碳纤维制造可以增强高压容器耐压强度。或者内层采用导热系数低的金属、合金或碳纤维制造,外层采用导热系数低的非金属材料制造;中间层呈真空状态。采用导热系数低材料制造以及中间层呈真空状态都为了尽量减少热量传递。同时内外表层可涂上防辐射物质。

气液相变装置的弹性气囊采用耐压耐低温导热系数低的弹性材料制造。

如图1—3,其中图3是本实施例的结构示意图。

一种降低冷源温度提高发电效率的装置,所述装置包括第一气液相变装置、第一储液罐21、蒸发器3、汽轮机4、发电机5、第一开关61、第二开关62和第三开关63;所述第一气液相变装置包括第一壳体111和第一弹性气囊112,第一壳体111设置有第一进出气口1111;第一弹性气囊112设置在第一壳体111里面,设置有第一入气口1121,第一入气口1121贯穿第一壳体111并与第一壳体111相连,底部设置有第一排液口1122,第一排液口1122贯穿第一壳体111并与第一壳体111相连;所述第一储液罐21顶部设置有第一液体进入口211,底部设置有第一液体排出口212;蒸发器3工质出口与汽轮机4的入气口相连,汽轮机4的出气口与第一气液相变装置的第一入气口1121相连,第一气液相变装置的第一排液口1122通过第一开关61和第一储液罐21的第一液体进入口211相连,第一储液罐21的第一液体排出口212与第二开关62相连,第二开关62通过液压泵7与蒸发器3工质入口相连或者直接与蒸发器3工质入口相连,第一进出气口1111与第三开关63相连;汽轮机4与发电机5相连。

设备之间通过管路连接,开关首选电磁阀开关,为了防止热量散失,管路、开关需作隔热处理。电磁阀开关除通电和磁吸部位外,其它部位可用导热系数低的非金属材料制造。

以下叙述工质在本实施例做功及相变过程。

初始状态, 蒸发器3内有低温低压液态工质,汽轮机4、第一弹性气囊112和第一储液罐21处于接近真空状态,第一壳体111内有某一数值压力(压力值要小于汽轮机4出气口压力),第一开关61、第二开关62和第三开关63均处于关闭状态。

加热蒸发器3内的低温低压液态工质,低温低压液态工质变成高温高压气态工质,打开蒸发器3工质出口开关,高温高压气态工质经汽轮机4的入气口进入汽轮机4并做功,汽轮机4转子旋转,带动发电机5旋转发电。

高温高压气态工质对汽轮机4做功后变成低温低压气态工质,低温低压气态工质经汽轮机4的出气口进入第一弹性气囊112,压力降低膨胀并对第一壳体111的气体做功。

隨着低温低压气态工质不断进入第一弹性气囊112,第一弹性气囊112的低温低压气态工质压力不断升高,并对第一壳体111的气体不断做功,第一壳体111的气体压力同步升高,内能不断增加,温度升高。

进入到第一弹性气囊112的低温低压气态工质内能不断减少,压力不断升高。由于第一弹性气囊112处于绝热状态,工质分子间能量互相消耗,部分分子脱离饱和状态,由低温低压气态工质变成低温低压液态工质,并在重力作用下降至第一弹性气囊112底部。

隨着进入第一弹性气囊112的低温低压气态工质增多,由低温低压气态工质变成低温低压液态工质亦不断增多。

当第一弹性气囊112、第一壳体111和汽轮机4的出气口的压力一致时,汽轮机4的出气口的低温低压气态工质不能在进入第一弹性气囊112内时,运动达到平衡。

打开第一开关61,第一弹性气囊112底部低温低压液态工质通过第一开关61进入第一储液罐21。

待低温低压液态工质完全进入第一储液罐21后,关闭第一开关61。

打开第二开关62,启动液压泵7将第一储液罐21的低温低压液态工质抽至蒸发器3加热成高温高压气态工质。

实施例2

如图1,2,4所示,其中图4是本实施例的结构示意图,亦是实施例1的优选。

一种降低冷源温度提高发电效率的装置,所述装置还包括压缩机10、低压储气罐101、第四开关64、第五开关65和单向阀9;第一气液相变装置的第一排液口1122还通过第五开关65与压缩机10入气口相连,压缩机10出气口与低压储气罐101入气口相连,低压储气罐101出气口通过第四开关64与第一气液相变装置的第一入气口1121相连;汽轮机4的出气口与单向阀9入气口相连,单向阀9出气口亦与低压储气罐101入气口相连。

设立单向阀9防止工质回流。

设立低压储气罐101,第一,缓冲汽轮机4的出气口工质;第二,通过压缩机10吸纳第一弹性气囊112未能液化的低温低压气态工质。

初始状态, 蒸发器3内有低温低压液态工质,汽轮机4、第一弹性气囊112、第一储液罐21和低压储气罐101处于接近真空状态,第一壳体111内有某一数值压力(压力值要小于汽轮机4出气口压力),第一开关61打开,其余开关均处于关闭状态。

加热蒸发器3内的低温低压液态工质,低温低压液态工质变成高温高压气态工质,打开蒸发器3工质出口开关,高温高压气态工质经汽轮机4的入气口进入汽轮机4并做功,汽轮机4转子旋转,带动发电机5旋转发电。

高温高压气态工质对汽轮机4做功后变成低温低压气态工质,低温低压气态工质经汽轮机4的出气口经单向阀9进入低压储气罐101,待低压储气罐101压力与汽轮机4的出气口一致时,打开第四开关64,低压储气罐101的低温低压气态工质经第四开关64进入第一弹性气囊112和第一储液罐21,压力降低膨胀并对第一壳体111的气体做功。

隨着低温低压气态工质不断进入第一弹性气囊112和第一储液罐21,第一弹性气囊112的低温低压气态工质压力不断升高,并对第一壳体111的气体不断做功,第一壳体111的气体压力同步升高,内能不断增加,温度升高。

进入到第一弹性气囊112和第一储液罐21的低温低压气态工质内能不断减少,压力不断升高。由于第一弹性气囊112和第一储液罐21处于绝热状态,工质分子间能量互相消耗,部分分子脱离饱和状态,由低温低压气态工质变成低温低压液态工质,并在重力作用下降至第一储液罐21。

隨着进入第一弹性气囊112的低温低压气态工质增多,由低温低压气态工质变成低温低压液态工质亦不断增多。

当第一弹性气囊112、第一储液罐21、第一壳体111和汽轮机4的出气口的压力一致时,汽轮机4的出气口的低温低压气态工质不能在进入第一弹性气囊112和第一储液罐21内时,运动达到平衡。

同时关闭第一开关61和第四开关64,打开第五开关65,启动压缩机10将第一弹性气囊112未液化的低温低压气态工质全部抽至低压储气罐101内。

打开第二开关62,启动液压泵7将第一储液罐21的低温低压液态工质抽至蒸发器3加热成高温高压气态工质。抽至完毕,关闭第二开关62。

在压缩机10将第一弹性气囊112未液化的低温低压气态工质抽至低压储气罐101,第一壳体111的气体同时对第一弹性气囊112未液化的低温低压气态工质做功,内能减少,温度下降。

当压缩机10将第一弹性气囊112未液化的低温低压气态工质全部抽至低压储气罐101时,由于第一壳体111处于绝热状态,第一壳体111的气体降至到初始状态的压力和温度。

由于低压储气罐101进入到第一弹性气囊112的低温低压气态工质部分液化低温低压液态工质,所以返回至低压储气罐101的低温低压气态工质分子数比进入到第一弹性气囊112少。

关闭第五开关65和启动压缩机10,打开第一开关61和第四开关64,低压储气罐101的低温低压气态工质又经第四开关64再次进入第一弹性气囊112和储气罐101,压力降低膨胀并对第一壳体111的气体做功。

隨着低温低压气态工质不断进入第一弹性气囊112和第一储液罐21,第一弹性气囊112的低温低压气态工质压力不断升高。

重复在第一弹性气囊112内由低温低压气态工质向低温低压液态工质转变的相变过程……

高温高压气态工质源源不断输入汽轮机内,令汽轮机不断旋转带动发电机旋转发电。

实施例3

图5是第二气液相变装置的结构示意图;所述第二气液相变装置包括第二壳体121和第二弹性气囊122,第二壳体121设置有第二进出气口1211,第二弹性气囊122设置在第二壳体121里面,设置有第二入气口1221,第二入气口1221贯穿第二壳体121并与第二壳体121相连,底部设置有第二排液口1222,第二排液口1222贯穿第二壳体121并与第二壳体121相连。

第一和第二气液相变装置的结构大小完全相同。

图6是第二储液罐的结构示意图;所述第二储液罐22顶部设置有第二液体进入口221,底部设置有第二液体排出口222。

第一和第二储液罐的结构大小完全相同。

如图5—7,图7是本实施例的结构示意图,亦是实施例2的优选。

一种降低冷源温度提高发电效率的装置,还包括第二气液相变装置、第二储液罐22、、第六开关66、第七开关67、第八开关68、第九开关69和第十二开关612;所述第二气液相变装置包括第二壳体121和第二弹性气囊122,第二壳体121设置有第二进出气口1211,第二弹性气囊122设置在第二壳体121里面,设置有第二入气口1221,第二入气口1221贯穿第二壳体121并与第二壳体121相连,底部设置有第二排液口1222,第二排液口1222贯穿第二壳体121并与第二壳体121相连;所述第二储液罐22顶部设置有第二液体进入口221,底部设置有第二液体排出口222;低压储气罐101出气口还通过第十二开关612与第二气液相变装置的第二入气口1221相连,第二气液相变装置的第二排液口1222通过第六开关66与第二储液罐22的第二液体进入口221相连,亦通过第八开关68与压缩机10入气口相连;第二储液罐22的第二液体排出口222与第七开关67相连,第七开关67亦通过液压泵7与蒸发器3工质入口相连或者直接与蒸发器3工质入口相连;第二进出气口1211与第九开关69相连。

在实施例2中,虽然发电机5可以连续发电,但由于第四开关64在打开和关闭之间循环运动,造成汽轮机4的出气口压力在时高时低之间循环,影响了汽轮机4运行的稳定性。

本实施例中,当第一开关61和第四开关64处于关闭,第五开关65处于打开状态时,第六开关66和第十二开关612处于打开状态,第八开关68处于关闭状态;当第一开关61和第四开关64处于打开,第五开关65处于关闭状态时,第六开关66和第十二开关612处于关闭状态,第八开关68处于打开状态;压缩机10长期处于运行状态。

由低压储气罐101进入第二弹性气囊122和第二储液罐22的低温低压气态工质重复实施例2中的相变过程,这里不再详述。

以下用两组数据比较本发明理论发电最高效率。

工质优选选择:

三相点温度低于弹性气囊能承受的低温温度。现有技术中,弹性气囊能承受的最低温度一般在零下60度(213K),弹性气囊能承受的最高温度一般在零上120度(393K)。

选择二氧化碳作为工质,二氧化碳三相点温度为零下56.6度,饱和压力0.52兆帕,冷源温度取零下55度(218K),此时对应饱和压力0.555兆帕。

壳体内气体同样选择二氧化碳。当壳体内气体受外界环境影响升高时,可打开开关释放部分气体,降低壳体内温度,尽量减少热量传递到弹性气囊内的工质。

由于外界环境温度高,所有开关、管路、设备外层均应隔热。

以下用火力发电、太阳能热发电和海水温差发电来理论计算最高发电效率,进行对比。

卡诺定理 效率=1-热力学冷源温度/热力学热源温度

火力发电和太阳能热发电热源650度(923K),冷源温度28度(301K)

现有技术 效率=1-301/923=67.39%

本发眀 效率=1-218/923=76.38%

海水温差发电热源33度(306K),冷源温度5度(278K)

现有技术 效率=1-278/306=9.15%

本发眀 效率=1-218/306=28.88%。

实施例4

如图1—8所示,其中图8是本实施例的结构示意图,亦是实施例3的优选。

由于液压泵7存在旋转部件,容易做成工质的泄漏,排放到大气造成全球气温升高。

一种降低冷源温度提高发电效率的装置,还包括第三储液罐23、第四储液罐24、第一螺旋型热量交换管81、第二螺旋型热量交换管82、第十开关610和第十一开关611;第三储液罐23和第四储液罐24都在顶部设置有液体进入口,底部设置有液体排出口;第一螺旋型热量交换管81和第二螺旋型热量交换管82呈螺旋型,都在顶部设置有液体进入口,底部设置有液体排出口;第一储液罐21的第一液体排出口212与第一螺旋型热量交换管81液体进入口相连,第一螺旋型热量交换管81液体排出口与第二开关62一端相连,第二开关62另一端与第三储液罐23液体进入口相连,第三储液罐23液体排出口与第十开关610一端相连;第二储液罐22的第二液体排出口222与第二螺旋型热量交换管82液体进入口相连,第二螺旋型热量交换管82液体排出口与第七开关67一端相连;第七开关67另一端与第四储液罐24液体进入口相连,第四储液罐24液体排出口与第十一开关611一端相连;第十开关610和第十一开关611的另一端都与蒸发器3工质入口相连;蒸发器3设置在第十开关610和第十一开关611底部。

设置螺旋型热量交换管,目的在于上下两个储液罐工质位置交换时延长时间,减少能量损耗。

第二开关62直接与第三储液罐23液体进入口相连,第七开关67直接与第四储液罐24液体进入口相连,目的减慢下储液罐的中温中压气态工质进入上储液罐的速度,减少能量损耗。

以下叙述工质在本实施例工质位置交换过程。

初始状态, 蒸发器3内有低温低压液态工质,汽轮机4、低压储气罐101、第一弹性气囊112、第一储液罐21、第二储液罐22、第三储液罐23、第四储液罐24、第一螺旋型热量交换管81和第二螺旋型热量交换管82处于接近真空状态;第一壳体111和第二壳体121内有某一数值压力(压力值要小于汽轮机4出气口压力);第二开关62、第五开关65、第七开关67、第八开关68、第十开关610、第十一开关611和第十二开关612处于关闭状态,其余开关处于打开状态。

低压储气罐101的低温低压液态工质通过第四开关64进入第一弹性气囊112、第一储液罐21和第一螺旋型热量交换管81内,部分低温低压气态工质变成低温低压液态工质,低温低压液态工质降至第一螺旋型热量交换管81底部慢慢上升变多,最后充满第一储液罐21。此时第一弹性气囊112、第一储液罐21、第一螺旋型热量交换管81和低压储气罐101压力平衡。

关闭第一开关61和第四开关64,打开第五开关65,第一气液相变装置开始重复工质气液相变过程,这里不再叙述。

打开第二开关62和第十开关610,部分低温低压液态工质从第一储液罐21和第一螺旋型热量交换管81下降至第三储液罐23内,与从蒸发器3升起的高温高压气态工质进行热交换,高温高压气态工质对低温低压液态工质放出热量后在第三储液罐23变成中温中压气态工质,中温中压气态工质继续上升与第一储液罐21和第一螺旋型热量交换管81的低温低压液态工质进行热交换,变成低温低压气态工质。

当低温低压液态工质全部离开第一螺旋型热量交换管81后,关闭第二开关62。当低温低压液态工质全部离开第三储液罐23进入蒸发器3后,关闭第十开关610。

热量交换完毕,交换结果,第一储液罐21低温低压气态工质分子数量极少,低温低压液态工质全部分子进入蒸发器3加热。第三储液罐23是中温中压气态工质。

同样,第二储液罐22的低温低压液态工质进入蒸发器3加热过程一样。

本实施例用液体重力下降代替液压泵抽液体至蒸发器这种形式,减少了工质的泄漏。

实施例5

图1和9是实施例5的结构示意图;

所述第一气液相变装置或者包括第一壳体111和第一弹性气囊112,第一壳体111设置有第一入气口1121,底部设置有第一排液口1122;第一弹性气囊112设置在第一壳体111里面,设置有第一进出气口1111。

上述说明第一气液相变装置可以两种形式出现。

以上对本发明实施例进行了详细介绍,本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及设备;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书容不应理解为对本发明的限制。任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品,不论在其方法及设备上作任何变化或改进,凡是具有与本发明申请相同或相近似的技术方案,均应包含在本发明的保护范围之内。

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