气雾液热重力循环发电系统的制作方法

本发明公开了一种气雾液热重力循环发电系统，涉及工程热物理、海洋热能发电技术和低品位热源发电技术领域。

背景技术：

海洋热能发电(Ocean Thermal Energy Conversion, OTEC)技术是利用热带及亚热带海洋表层热海水和深层冷海水间的小温差进行发电。OTEC电厂所需要的基础技术经过多年发展，例如平台技术、平台定位技术、热交换器技术、平台接口技术、冷水管技术、海底电缆技术、泵与涡轮技术、整体装置集成技术等都已经达到较好的实用水平。但是，作为热力发电的经典理论朗肯循环（金兰循环）以及汽轮机自身特点限制了小温差热源的发电效率，其理论热效率约为3%，虽然利用加倍复杂的Kalina循环和上原循环在理论上的转化效率极限可以达到4.5～5.0%，净输出效率却不足3% ^[1,2]，其过低的能源转化率使得其经济性远不及化石能源和核能。

1977年美国学者Ridgway提出一种利用海水重力势能发电的MLC（Mist Lift Cycle）设想^[3]，有研究报告认为由于MLC不需要使用换热器可降低OTEC成本20～40% ^[4]。然而，这种利用抽真空实现低压，让海水喷雾和闪蒸方式来提升海水发电的OTEC系统至今未能实现。我们认为：其更本原因仍然是海水温差小，温降所释放热能不足以推升自身到高海拔。假使在热海水温度25℃，冷凝温度8℃的条件下，海水蒸发潜热2500kJ/kg，是海水比热容4.2kJ/(kg.K)的600倍，闪蒸获得1单位质量的蒸气所需要的热量相当于35.3单位质量的海水温降下降17℃。显然，即使能提供17℃温差， 1单位质量的蒸气推升35.3倍质量的雾滴几乎不能实现。然而，有关雾滴提升的研究资料表明，直径小于0.4毫米的雾滴都是容易被气流带动的，而且1单位质量的蒸气可提升10单位质量雾滴^[5]。

本发明提出一种热重力循环和和雾滴提升结合的原理方法和装置系统，颠覆了传统的朗肯热力发电和MLC的原理和理念，可轻易地将海洋温差能实际转换效率提升到15%以上，从而使得海洋温差发电成本低于传统化石能源电力成本。

参考文献： [1] 杨鹏程,章学来. 海洋热能发电技术. 可再生能源发电. 2009, No.1, P38-41.

[2] 苏佳纯 等,海洋温差能发电技术研究现状及在我国的发展前景, 中国海上油气. Vol24, No.4, P84-98.

[3] Ridgway S.L., The Mist Flow OTEC Plant, Proc.4th OTEC conference, 1977.

[4]Lockheed Martin Mission Systems and Sensors. Ocean Thermal Energy Conversion Life Cycle Cost Assessment [R]. Bethesda: Lockheed Martin Corporation, 2012.

[5]Davenport, R.L. (1980) The Mist Lift Analysis Summary Report. USA Colorado: Solar Energy Research Inst.。

技术实现要素：

为了提高小温差热源发电效率，降低发电成本，本发明提出了气雾液热重力循环发电系统。

所述的气雾液热重力循环发电系统，其构成原理如附图1所示，包括：蒸发换热系统1、造雾系统2、气雾混合上升通道3、冷凝换热系统4、液体下降通道5、液轮发电机组6。

所述的蒸发换热系统1，是利用温海水将液态工质4-2-1加热蒸发成为气态工质1-2的装置，由高强度抗压保温外壳1-0、换热管1-1、换热翅片1-1-1、气态工质1-2、温海水进管道1-3、进水口过滤装置1-3-1、温海水出管道1-4、水泵1-4-1组成。其中，水泵1-4-1提供动力克服海水粘滞和摩擦阻力做功，将温海水从海洋表层吸入，先经进水口过滤装置1-3-1过滤较大的漂浮物或水生物，然后流经温海水进管道1-3，通过换热管1-1和换热翅片1-1-1将热能传递给液态工质4-2-1至其气化为气态工质1-2，放热后的海水最后经过温海水出管道1-4被水泵1-4-1排入海洋。对于海水保温，目前海水管道保温技术已经成熟，几百米甚至上千米的管道温降都在可控范围内。

所述的造雾系统2，是利用温海水加热液态工质并且制造雾态工质2-3的装置，由喷雾嘴2-1、雾态工质2-2、蓄压池2-3、换热管2-4组成。温海水进水管道1-3的海水有分支管道进入换热管2-4加热液态工质至接近饱和温度；蓄压池2-3将液位抬升到高于喷雾嘴2-1的位置，可利用形成的压差喷雾，雾滴直径的控制可根据工程设计需要来调整；蓄压池2-3始终保持满溢状态，一部分液态工质流向喷雾嘴2-1用于造雾，一部分适当比例的液态工质溢出流向蒸发换热系统1用于产生气态工质。

所述的气雾混合上升通道3，是气雾混合工质3-1膨胀上升的管道，由高强度抗压保温外壳3-0、气雾混合工质3-1组成。气雾混合工质在管道内快速流动，再加之外壳有保温绝热层，每单位质量的工质与外部热交换可忽略不计。

所述的冷凝换热系统4，是利用冷海水将气雾混合工质3-1冷凝为液态工质4-2-1的装置，由高强度抗压保温外壳4-0、换热管4-1、换热翅片4-1-1、蓄液池4-2、液态工质4-2-1、冷海水进管道4-3、进水口过滤装置4-3-1、冷海水出管道4-4、水泵4-4-1组成。其中，水泵4-4-1仅克服海水的粘滞力和摩擦阻力做功，将恒温层的冷海水吸入。冷海水首先经进水口过滤装置4-3-1除去体积较大的物质或者水生物，流经冷海水进管道4-3，通过换热管4-1和换热翅片4-1-1冷却全部的气雾混合工质3-1成为液态工质4-2-1，液态工质下落汇流如蓄液池4-2。因为工质不间断循环，流入和流出的液态工质等量，蓄液池4-2始终保持注满。

所述的液体下降通道5，是液态工质4-2-1向下流动和蓄压的管道，由高强度抗压保温外壳5-0、液态工质4-2-1组成。液态工质在管道内快速流动，再加之外壳有保温绝热层，每单位质量的工质与外部热交换可忽略不计。

所述的液轮发电机组6，是液态工质推动液轮机并带动发电机组发电的装置，由液轮机组6-1、发电机组6-2、液态工质4-2-1组成。通过液体下降通道5进入液轮机组6-1的高压液态工质4-2-1推动液轮转动，泄压后排入蓄压池2-3，进入下一轮循环。

本发明的有益效果：一、本发明颠覆了传统的热力发电原理，本发明利用蒸气膨胀携带雾滴上升克服重力做功，能将更多的气体热能转换为液体的重力势能，液体重力势能更容易转化为电能，极大地提高了小温差热源发电的效率，显著降低了发电成本。

二、本发明可选择的低沸点工作介质种类繁多，例如二氧化碳、氮气等都是无毒无污染工作介质，再加上使用海洋温差作为绿色热源，可真正做到零排放零污染，将彻底改善化石能源发电带来的大气雾霾和水污染危机。

附图说明：

图1为本发明实施例的系统结构与组成示意图，阐明了气雾液热重力循环发电系统的基本结构和关键组成部分。

图2为本发明实施例的能量转换工作原理示意图，阐明了气雾液热重力循环发电系统借助工作介质不同形态的变化实现能量转换的过程和机理。

具体实施方式：所述的气雾液热重力循环发电系统的构成包括：蒸发换热系统1、造雾系统2、气雾混合上升通道3、冷凝换热系统4、液体下降通道5、液轮发电机组6，如图1所示。其中，蒸发换热系统1由高强度抗压保温外壳1-0、换热管1-1、换热翅片1-1-1、气态工质1-2、温海水进管道1-3、进水口过滤装置1-3-1、温海水出管道1-4、水泵1-4-1组成；造雾系统2由喷雾嘴2-1、雾态工质2-2、蓄压池2-3、换热管2-4组成；气雾混合上升通道3由高强度抗压保温外壳3-0、气雾混合工质3-1组成；冷凝换热系统4由高强度抗压保温外壳4-0、换热管4-1、换热翅片4-1-1、蓄液池4-2、液态工质4-2-1、冷海水进管道4-3、进水口过滤装置4-3-1、冷海水出管道4-4、水泵4-4-1组成；液体下降通道5由高强度抗压保温外壳5-0、液态工质4-2-1组成；液轮发电机组6由液轮机组6-1、发电机组6-2、液态工质4-2-1组成。

所述的气雾液热重力循环发电系统工作原理如附图2所示，其能量转换循环过程主要包含8个阶段：（1）阶段1-2：一部分液态工质4-2-1在蒸发换热器1中定压加热至饱液体，然后继续加热气化成为饱和蒸气，形成气态工质1-2，此阶段工质吸收了大量温海水热量；（2）阶段1-1'-2'：另一部分液态工质在蓄压池中加热至饱和温度，工质吸收了一定的海水热量，然后经过造雾系统2进行雾化；（3）阶段2-3：气态工质1-2绝热膨胀上升，此阶段气流速度随高度增加而增大，有一部分热能转换为动能和重力势能；（4）阶段(2',3)-4：在气态工质1-2上升到适当高度位置3时，高速气流遇到在2'形成的雾态工质2-2，形成气雾混合工质3-1；（5）阶段4-5：气雾混合工质中的气态工质不断膨胀，克服重力携带雾态工质到达顶端冷凝换热器4，此过程中温度和气压随高度增加而下降，大量的热能转化为动能继随高度上升而转换为重力势能。（6）阶段5-6：气雾混合工质在冷凝换热器中全部凝结成为液态工质4-2-1，工质释放热量给冷海水；（7）阶段6-7：液态工质4-2-1受重力通过独立的液体下降通道5向下流动，下降过程中重力势能减少同时液压增大，液体到达底端的液轮发电机组6时压强达到最大，下降过程绝热，温度和焓基本不变；（8）阶段7-1：下降管道内的高压液态工质4-2-1经过液轮机发电机组做功后泄压，最终重力势能转化为电能，泄压后的液体压强与底部蒸发换热器1气压相同，温度和焓基本不变。

以上内容描述了本发明的基本原理主要特征和发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的旨在说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。