專利名稱：利用環(huán)境流體熱能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的是關(guān)于熱能轉(zhuǎn)化系(ThermalEnergyConversionSystems)的基本理論，但是，特別偏重利用大氣與湖、海、河水等的熱能產(chǎn)生有用功。工業(yè)與城市廢水及其它一般所謂劣質(zhì)熱能流體亦可應(yīng)用。從這種熱能轉(zhuǎn)化系排出的流體常在很低溫度，因而，可用于海水淡化與其它冷卻過程，例如超導(dǎo)體的冷卻，空氣調(diào)節(jié)等。
眾所周知，功率循環(huán)之最高與最低溫度差愈大，效率愈高。至今，最高溫度似乎已達到材料許可的極限，而最低溫度又被自然水或大氣的常溫所限制。因此，一般認為，等到礦物燃料、核燃料稀少時，可用能源即將近告竭，除非新能源能及時發(fā)現(xiàn)。落在地球上的太陽能幾乎是無限的，但卻是分散的。諸如用收集器、反射器、吸收器等，所產(chǎn)生的功不但昂貴，而且常不穩(wěn)定。大氣、海洋、大江、大湖本是天然的太陽能吸收器，但是，海水熱能的應(yīng)用至今仍未超出克勞德(Claude)原動機的原理，利用海水表面與深處的少許溫度差所得的效率極微(美國機械工程雜志，1930第52卷)。本發(fā)明人最近曾提出方法利用環(huán)境流體產(chǎn)生功，但效率仍甚低，最高不過百分之十(1985年美國專利4，451，246與4，516，402號)，若要提高效率，需要在熱力學(xué)上找到新觀念。因此，在下面熱力學(xué)第二定律須要略加討論。
1)熱庫是一觀念，代表一只極大的體積所含熱能取之不盡，從而其溫度永不變動。這種熱庫是封閉式的，如第一圖所示，圖內(nèi)W代表動力機所作之功，而兩個熱庫的溫度差對于這個熱轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的性能是極關(guān)重要的。
2)熱力學(xué)第二定律是熵的定律在一個孤立系里，熵永不會減少。
3)開耳芬(Kelvin)和普朗克(Plack)關(guān)于第二定律的說法不可能造一個機器，在循環(huán)動作中，從單一熱庫取熱作有用之功而不引起其它變化。第二定律的說法太多了，但是它們均可互證與互等的是應(yīng)用于封閉系，如第一圖所示，并且，與上述第二項附合。
4)任何循環(huán)所作之功不能超過卡諾(Carnot)循環(huán)，但非循環(huán)所作之功不受此限制。
5)在一般熱力學(xué)書中，大氣或海水常用來代表熱庫，于是，根據(jù)開氏和普氏關(guān)于第二定律的說法，利用大氣或海水為單一熱庫的熱轉(zhuǎn)化系是不可能的，因此環(huán)境流體在工程熱力學(xué)常稱為死熱態(tài)(ThermallyDeadState)。
應(yīng)當(dāng)指出實際熱庫可屬于封閉系或開放系(OpenSystem)，而理想定義的熱庫卻是封閉系(第三點所寫的開氏與普氏的說法是根據(jù)封閉系熱庫所作)。可以把大氣或海洋當(dāng)作開放系熱庫。開放系熱庫較封閉系熱庫是比較有伸縮性的。例如，現(xiàn)有的開放循環(huán)動力機，嚴格說是從一個開放熱庫取熱，而熱源流體的物質(zhì)，熱與熵可傾泄于任何溫度的環(huán)循里。這個環(huán)境只是一個傾泄庫，并非

圖1所示的經(jīng)典熱力學(xué)概念的低溫?zé)釒臁?br> 以上如第3點那樣的關(guān)于第二定律的各種表述，是基于由無限延伸的孤立系的外界包圍的封閉系而作出的。假如一個封閉系只循環(huán)運作，并且，只與作為孤立系的外界(Surroundings)交換熱量，則dW＝dQ這里W與Q分別代表封閉系所作的功以及輸送到該封閉系的熱量。顯然，如果W≥0，則Q≥0，于是外界必將連續(xù)被冷卻。因而，作為孤立系的外界的熵必將連續(xù)減少，那是違背前面第2點關(guān)于第二定律的說法的。但是，如果該系是開放式的，而且，包括循環(huán)與非循環(huán)運作，則dW＝dQ-dE這里dE代表自該開放系統(tǒng)流進與流出的全部能量(TotalEnergy)之差。顯然，在這種情況下，dW≥0，dQ≥0與dS≥0不一定是不可能的，這里S代表外界的熵。若在同樣的熱源情況下，非循環(huán)運作能產(chǎn)生功，而循環(huán)運作是可逆的，則該開放系所產(chǎn)生之功便可大于卡諾循環(huán)所作之功。
眾所周知，在零絕對溫度時，一個物體的熱能才可以說是在死熱態(tài)。但是，如果低溫?zé)釒毂仨毷橇黧w，則該物體的三相點(TriplePoint)可視為死熱態(tài)。
本發(fā)明的詳細說明與詳細計算過程，請參考“ThermalEnergyFromEnvironmentalFluids”，TechnicalReport88-02，F(xiàn)acultyofEngineerigandAppliedScience，StateUniversityofNewJorkatBuffalo，Buffalo，NY14260，U·S·A該技術(shù)報告在中國北京大學(xué)等處有存檔。
本發(fā)明的目的是提供應(yīng)用環(huán)境流體的熱能來高效率地做功與致冷(Refrigeration)的方法。根據(jù)不同熱源流體，熱轉(zhuǎn)化系可分為三種海水熱能轉(zhuǎn)化(OTEC)，大氣熱能轉(zhuǎn)化(ATEC)與大氣海水熱能轉(zhuǎn)化(A-OTEC)。每系可包括一套封閉循環(huán)運作的主原動機(PrimMover)，第一熱交換裝置，第二熱交換裝置及再冷卻系。再冷卻系可包括透平(Turbine)或者膨脹閥(ExpansionValve)，或者兩者都包括。主原動機的工作流體可以是壓縮氣體或者蒸汽。當(dāng)熱源流體經(jīng)過第一熱交換裝置時，它把熱量給予工作流體而變冷。經(jīng)冷卻的熱源流體在經(jīng)過再冷卻系統(tǒng)時通過或者在機中、或者在膨脹閥中，或者在兩者中膨脹而變?yōu)楦?。然后，?jīng)過進一步冷卻的熱源流體經(jīng)過第二熱交換裝置而冷卻主原動機里膨脹過的工作流體。
參考如下結(jié)合附圖所作的詳細說明，可以充分了解本發(fā)明的基本觀念并證明它符合熱力學(xué)的基本定理。附圖中圖1表示理想熱庫，圖2表示本發(fā)明的基本方法，圖3示意地表示海水熱能轉(zhuǎn)化系的流程，圖4是圖3中噴射泵(JetPump)的放大的視圖，圖5表示圖3中節(jié)流閥(ThrottleValve)的防凍方法，圖6表示蘭金循環(huán)(RantineCycle)的溫-熵圖與熱源流體的流通路徑，圖7示意地表示大氣熱能轉(zhuǎn)化系的流程，
圖8表示卡諾循環(huán)的溫-熵圖與熱源流體的流通路徑，圖9表示等溫?zé)峤粨Q器的熱理設(shè)計，圖10表示改進的卡諾循環(huán)的溫-熵圖與熱源流體的流通路徑，圖11表示大氣熱能轉(zhuǎn)化系之流程，主要用于供熱與供冷，圖12表示圖11熱能轉(zhuǎn)化系的溫-熵圖，圖13表示改進的蘭金循環(huán)與熱源流體流通路徑，圖14表示大氣與水熱能轉(zhuǎn)化系之流程，圖15表示圖14中的渦流室，圖2表示一種熱轉(zhuǎn)化系的穩(wěn)態(tài)流程，該系統(tǒng)利用環(huán)境流體熱能以做功與致冷。為簡單起見，假設(shè)環(huán)境流體是一種單相(SingleComponent)的流體，并且，稱它為源流體。若源流體是氣體，則這種熱能轉(zhuǎn)化系名為大氣熱能轉(zhuǎn)化系(ATEC)。若源流體是液體，則名為海水熱能轉(zhuǎn)化系(OTEC)。若源流體包括氣體與液體，則名為大氣-海水熱能轉(zhuǎn)化系(A-OTEC)。
圖2中，R代表熱庫;G為增壓器;M為封閉循環(huán)主原動機;N為再冷卻系;以及AB與CD代表熱交換器，順序名為第一與第二熱交換裝置。再冷卻系可包括一套以源流體為工作流體的透平或簡單的膨脹裝置(SimpleExpansionDevice)或者兩者均包括。令p和P代表靜壓與總壓，并且，分別用a，A，B，C與D腳標區(qū)別源流體在周圍環(huán)境里和在A，B，C與D的位置上的狀態(tài)。先假設(shè)以下不等情形存在pa＜pApC＜pB′pC＞pa(1)在這些情形下，源流體會流進與流出該熱能轉(zhuǎn)化系的，如何能得到不等式(1)，待以后討論。
當(dāng)源流體流經(jīng)第一熱交換裝置時，它把熱量給予主原動機M的工作流體，從而變冷。經(jīng)冷卻的源流體當(dāng)經(jīng)過再冷卻系N時通過膨脹而變?yōu)楦?。然后，利用?jīng)再冷卻的源流體經(jīng)由第二熱交換裝置冷卻已膨脹過的主原動機工作流體。把從第二熱交換裝置流出的源流體引至海水淡化廠或其它冷卻設(shè)備(未在圖中表示)。然后在L點流回大氣。若大氣熱能轉(zhuǎn)化系只用為產(chǎn)生功，并且PD＜pa，則可以利用許多方法將PD增加到PL＞pa，其中最簡單的方法是使用渦流泵(vortex pump)，利用不花分文的大氣熱。該渦流泵與第15圖渦流室相似，不同之處是圖15中“由16”改為“由熱交換器14”;“由12”改為“由環(huán)境大氣”;及“至14和14′”改為“在L點傾注入熱庫R″。因為流入渦流室的大氣被冷卻并處在旋流狀態(tài)，所以，PL便可增高到與pa相等或稍大。L地點必須與源流體流出熱庫R的地點K距離相當(dāng)遠，使源流體在K點的熱力學(xué)狀態(tài)不受擾動。
為啟動圖2所示的熱能轉(zhuǎn)化系，同時，并為促使環(huán)境流體放出熱能，不妨把由啟動系(未繪于圖2)提供的冷卻劑導(dǎo)入第二熱交換裝置，短時間冷卻主原動機的工作流體。啟動系可以是普通的氣體液化設(shè)備。當(dāng)熱能轉(zhuǎn)化系處在低載荷時(通常在夜間)，剩余功率可運作一套普通的氣體液化機產(chǎn)生上述冷卻劑。
從圖2所示可以顯然看出，主原動機M是封閉系，再冷卻系是開放系，兩者皆在兩個熱庫間運作自然存在的環(huán)境流體是高溫?zé)釒?由啟動系產(chǎn)生并接著由熱能轉(zhuǎn)化系保存的再冷源流體是低溫?zé)釒臁＿@種情形與臺風(fēng)由于一個小渦流而在海面上形成的道理相似，它也表明，雖然靜止大氣熱能可以說是熱死點，但是，它的熱能一被觸發(fā)便可成為很大的能源。
根據(jù)熱力學(xué)第一定律，對于單位源流體質(zhì)流量，由主原動機(循環(huán)系)產(chǎn)生之功為w1＝qAB-qDC(2)這里qAB與qDC分別代表對于單位源流體質(zhì)流量，主原動機的加熱與排熱。
若此熱能轉(zhuǎn)化系只用大氣為熱源(ATEC)，再冷卻系N可以包括透平(非循環(huán)系)。透平所作之功與增壓器G所需之功分別是w2＝hB-hC(3)w3＝ha-hA(4)這里，h代表每質(zhì)量單位源流體之焓，從方程(2)-(4)，圖2中大氣熱能轉(zhuǎn)化系所作之功為w＝qAB-qDC+(hB-hC)-(hA-ha) (5)從上式可以看出，大氣熱能轉(zhuǎn)化系所作之功可以大于循環(huán)系單獨所作之功，如果(hB-hc)≥(hA-ha)，這是本發(fā)明中具有特殊意義的情況。
因為所有實際過程，例如熱傳導(dǎo)與流體流動等均是不可逆過程，所以SD-Sa≥0此外，在L態(tài)的源流體與環(huán)境流體混合產(chǎn)生附加的熵。
大氣熱能轉(zhuǎn)化系的效率可以按照一般原動機的效率，采取以下的定義η＝ (w)/(qAB) =1- (qDC)/(qAB) + ((hB-hC)-(hA-ha))/(qAB) ≤1(6)若熱能轉(zhuǎn)化系只用水為熱源(OTEC)，再冷卻系N可以僅包括簡單的膨脹閥，因而，(hB-hc)可從以上公式導(dǎo)出。若熱能轉(zhuǎn)化系用大氣與水為熱源(A-OTEC)，水應(yīng)盡量用為熱源，而大氣用為冷源。這個說法以后再加討論。
實施例1圖3示意地表示海水熱能轉(zhuǎn)化系的流程，它只從海水提取熱能，主要用于海水淡化。主原動機包括汽輪機13與凝結(jié)水泵15，按蘭金循環(huán)(RantineCycle)運作。海水由水泵60打進熱交換器11，其流量要大到足以使海水在熱交換器11中的溫度變化甚微。一部分流出熱交換器11的海水可注入周圍環(huán)境，余者流入熱交換器12，用來在幾乎等壓情形下加熱于主原動機的工作流體，從而，使這部分海水的溫度降至冰點。把該冰冷的海水引入海水淡化廠92，通過膨脹使其過度冷卻，溫度降至三相點以下，約攝氏1度左右，于是，海水便分開為鹵水(Brine)與淡水的結(jié)晶。
制造出來的淡水分成兩支流主支流進入水庫93，而付支流經(jīng)由節(jié)流閥83流入熱交換器14，化為蒸汽，以冷卻工作流體。該蒸汽被主支流由如圖4所示的噴射泵(JetPump)吸出交換器14。為避免淡水在噴射泵里結(jié)冰，內(nèi)噴管可由室溫的淡水加熱，如圖所示。同樣，為避免節(jié)流閥83的潮濕的表面結(jié)冰，該表面可由無數(shù)的微小空氣射流所保護，該微小空氣流可以事先流過熱交換器84，被鹵水冷卻，然后，沿節(jié)流閥83射出，如圖5所示。
從熱力學(xué)觀點出發(fā)，圖3所示的海水熱能轉(zhuǎn)化系與日本在太平洋中腦盧(Naunru)共和國所安裝的100KWOC-OTEC電廠極相似(日本東京電廠技術(shù)匯報1982)，不同之處是腦盧電廠利用深海的冷水作為冷源，因而效率只大約有1%。如果估計熱交換器的溫差是5.3℃，那么，主原動機的循環(huán)將處在大約30℃的溫度范圍，而100kwNauru電廠的主原動機工作在13℃的溫度范圍。因此，圖3的系統(tǒng)能夠產(chǎn)生多于Nauru電廠的有用功。
若以腦盧電廠的資料為例，可估計圖3所示的熱能轉(zhuǎn)化系的性能工作流體為氟利昂12(Freon12)，熱交換所需的溫度差為5.2℃。圖6中示意地示出氟利昂循環(huán)12345的溫-熵圖與源流體的流通路徑ABCDE。本節(jié)中與以后各節(jié)中，均采用以下的符號與單位T＝溫度，℃，°K，p＝壓強，kpav＝比容，m3/kg，h＝比焓，kJ/kgS＝熵，kJ/kg-k腳標1，2，3，4，5與A，B，C，D，E分別代表在不同地點氟利昂與海水的性質(zhì)。假如TA＝TB＝30 TD＝TE＝0透平的效率＝80%
以下的結(jié)果可以容易算出所提供的熱量＝h4-h2＝156.54廢熱＝h5-h1＝146.05所做的功＝10.49kJ/kg效率＝6.7%實施例2為尋得適合于本發(fā)明的熱能轉(zhuǎn)化系的氣體功率循環(huán)，首先考慮按卡諾循環(huán)可逆運作的大氣熱能轉(zhuǎn)化系。該系的流程圖如圖7所示。圖3與圖7中，同樣標號代表同樣的部件，不同處為圖7中15代表氣體壓縮機，以及60代表大氣增壓器。
圖8中，分別用12341與ABCD代表功率循環(huán)與源流體的溫熵圖。因為熱傳導(dǎo)已經(jīng)假設(shè)為可逆程序，△T＝0，亦即，態(tài)1，2，3，4分別與態(tài)A，B，C，D重合。等壓線亦描繪在圖8中。顯然，(1)中的所有不等式均可滿足。從公式(5)，可逆功可寫如下式wrev=qi(1- (Te)/(Ti) )+(hB-hC)S-(hA-ha)S(7)這里qi＝Ti(SA-SB)，Ti＝TA＝TB與Te＝TD＝Tc。因為(hB-hc)s≥(hA-ha)s，所以，大氣熱能轉(zhuǎn)化系所做的可逆功大于封閉系(卡諾汽輪機)所做的功。從圖8可以看出，Te愈低，則W2＝(hB-hc)愈大，但hc被不等關(guān)系Pc≥Pa所限。
下面，在已知可逆功的情況下，更有意義的不可逆大氣熱能轉(zhuǎn)化系的效率可以用以下的定義
η= (w)/(wrev) ≤1(8)這里W與Wre分別由公式(5)與(8)給出。
為得到等溫加熱或等溫冷卻，最簡單的辦法是考慮一種具有不變比熱的一維理想氣流，它在加熱或冷卻情形下，在一個變截面積的管路中流動。從眾所周知的物質(zhì)、動量與能量不滅定律及理想氣體狀態(tài)方程(A·H·Shapiro，CompressibleFluidflow.Ronala，1953)，可以得到以下的微分方程式(dV)/(v) = 1/(1-M2) ( (dQ)/(h) - (dA)/(A) )(9)(dp)/(p) =- (kM2)/(1-M2) ( (dQ)/(h) - (dA)/(A) )(10)(dT)/(T) =- (1-kM2)/(1-M2) ( (dA)/(h) - (dA)/(A) )+ (dA)/(A) (11)這里V代表速度;p為靜壓;A為管路橫截面積，h為比焓;Q為所加的或減去的熱量;M為局部馬赫數(shù)(LocalMachNumber);k為比熱比值。
對于熱交換器里的流動，速度不能太高，(kM2＜1)M＝(1/k)1/2可稱為鄰界點。在等溫流動中，dT＝0，于是，公式(11)變?yōu)?dA)/(A) =- (1-kM2)/((K-1)M2) (dQ)/(h) (12)將公式(12)代入公式(9)與(10)，得到(dV)/(v) =- 1/(1-kM2) (dA)/(A) or dQ＝VdV(13)
(dp)/(p) = (kM2)/(1-kM2) (dA)/(A) or dQ＝-RT (dp)/(p) (14)公式(13)與(14)表示所有加進的或取出的熱均經(jīng)由動能變化而轉(zhuǎn)化為功。
若流體被冷卻，則dQ＜0，并且，若dA＞0，則(dV)/(V) ＜0 and (dp)/(p) ＞0 (15)這種關(guān)系適用于熱交換器12中的源流體，如圖7所示，并且亦適用于熱交換器14中的工作流體。若流體被加熱，則dQ＞0，并且若dA＜0，則(dV)/(V) ＞0 and (dp)/(p) ＜0 (16)這種關(guān)系適用于熱交換器12中的工作流體，亦適用于源流體熱交換器14中的源流體。從以上的公式可以斷言通過沿著加熱后的流體的流動方向擴大管路和收縮管路可令所有吸熱和冷卻過程等溫。在加熱或放熱情形下，等壓流動同樣的可從公式(9)-(11)獲得取出熱時用收縮管路;加進熱時用擴大管路。
從以上公式計算的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，為了維持馬赫數(shù)小于臨界值(1/k)1/2，流體的流路必須很短，使得或者加進或取出的熱量相當(dāng)?shù)汀榻鉀Q這個困難，等溫管路可以分成幾段，各段間有相當(dāng)大的熱絕緣的空間，如圖9所示，其中，A-B代表放熱流體，2-3代表吸熱流體。總壓強(P)，靜壓強(p)與速度(V)亦繪于圖9中。
可以看出任何點的速度可以低于臨界數(shù)值;進口A的壓強可以不需要高;以及增壓器所需之功，W3＝hA-ha，是足夠的。
根據(jù)以上對等溫度流動的了解，效率高的循環(huán)可以根據(jù)卡諾(Carnot)與蘭金循環(huán)(Rankine)修改出來1.等溫加熱與冷卻以及絕熱壓縮與膨脹;
2.改良的卡諾循環(huán)，如圖10所示，其中，1-2與4-5代表絕熱壓縮與膨脹;2-3與5-6代表等壓加熱與冷卻;3-4與6-1代表等溫加熱與冷卻。
3.改良的蘭金循環(huán)如圖13所示，其中，等溫加熱與冷卻可在超熱區(qū)域發(fā)生。
實施例3在本節(jié)中，三類大氣熱能轉(zhuǎn)化系將加以考慮(A)與(B)源流體為氣態(tài)，而(c)源流體從氣態(tài)冷卻到液態(tài)。為簡化計算起見(但又不失去其普遍性)，關(guān)于這三種熱能轉(zhuǎn)化系，可作以下的假設(shè)(a)熱能轉(zhuǎn)化系(A)與(B)之源流體是定比熱的理想氣體，而熱能轉(zhuǎn)化系(C)之源流體為氮氣。
(b)工作流體與源流體相同，不過是加壓的。
(c)所有壓縮與膨脹過程皆設(shè)為等熵。
(d)熱傳導(dǎo)所須溫度差設(shè)為5.5℃。所有符號都與以前幾節(jié)中定義的一樣，并且，所有熱物理特性的單位都與海水熱能轉(zhuǎn)化系(OTEC)的相同。
A.源流體不變相的大氣熱能轉(zhuǎn)化系圖7所示流程仍可代表按照圖10所示功率循環(huán)的大氣熱能轉(zhuǎn)化系，不同處僅在圖7的熱交換器12與14包括等溫與等壓兩部分。源流體的流通路徑aABCDEF的溫-熵圖亦繪于圖10。若用以下的指定數(shù)據(jù)pa＝101.3，Ta＝298.2，pA＝1.2pa＝121.6pC＝pb＝2.5pa＝304，pD＝1.2pa＝121.6TD＝90，pE＝pF＝40，按一般常用的方法，可以容易地得到該熱能轉(zhuǎn)化系所作的功w＝96kJ/kg從這個數(shù)據(jù)，可以算出每MW的電功率約需源流體流量m＝103/96＝10.4kg/S這個熱能轉(zhuǎn)化系的效率可從公式(6)算得η＝34%熵生產(chǎn)率自然地在環(huán)境里連續(xù)增加，而不需進行計算。因為，PF＜pa，所以，需要在關(guān)于基本方法的第一節(jié)中所討論的渦流泵。
B、以加熱與致冷為主的大氣熱能轉(zhuǎn)化系圖11代表一種特殊的大氣熱能轉(zhuǎn)化系，主要用于致冷與加熱，同時亦可供給少許的功，熱交換器14，壓縮機15與氣輪機13可以省略掉，因此，該熱能轉(zhuǎn)換系只包括增壓器60，透平16，與熱交器12，并不按循環(huán)運作。圖11中的流程圖表示穩(wěn)態(tài)工作。圖12表示原流體的溫-熵圖，圖中還用虛線表示等壓線。熱交換器12供熱至需要加熱的空間。從氣輪機16排出的冷源流體可用于各種冷卻過程。顯然，由于Sa-Sc＜SA-SB，并且，源流體與環(huán)境大氣混合，所以，熵連續(xù)在環(huán)境(一種立系)里產(chǎn)生。因為hB-hc≥hA-ha，少量的功亦可產(chǎn)生。
C、變相大氣熱能轉(zhuǎn)化系若源流體與工作流體均可變相，則大氣熱能轉(zhuǎn)化系可按圖13中改進的蘭金循環(huán)運作。該系的流程圖與圖7相同，但是那里的非循環(huán)運作的氣輪機16可用亦可不用。圖13中，1234561代表改進的銳金循環(huán)，aABCDE代表源流體流程，虛線代表飽和線(SaturationCurve)。如何得到等溫加熱與放熱已于前節(jié)討論過，所以，1-4，D-E，A-B等均可等溫。因為源流體可以冷卻到液化溫度，所以，該熱能轉(zhuǎn)化系可名為液化大氣熱能轉(zhuǎn)化系(AETCCSystem)。
若用下面的數(shù)據(jù)算一個例題Ta＝298.2 pa＝101.3，pA＝1.2pa＝121.6 pB＝3pa＝303hB＝325.7，TC＝80，hC＝-115.9pD＝101.3 TD＝77.3，hD＝hC＝-115.9XD(quality at D)＝0.028，可以分別得到有用功與依賴于該ATECC系的輸入熱量的效率W＝222.8kJ/kgη＝42.5%產(chǎn)生每MW電功率所需要的源流體的流量為
m＝4.48kg/S實施例4大氣與水熱能轉(zhuǎn)化系在前面第二節(jié)所討論的海水熱能轉(zhuǎn)化系，因為熱源與冷源的溫度差太低，因而，效率只有百分之幾。第4節(jié)的大氣熱能轉(zhuǎn)化系又須很大的熱交換器。熱交換器愈大，價錢愈高。因為每一單位容積水的焓大約比大氣的焓大一千倍，而大氣的三相點很低，所以，如用水為熱源，大氣為冷源，則優(yōu)點甚為明顯。這類熱能轉(zhuǎn)化系的流程圖太多了，其中的一種如圖14所示。圖7與圖14中同樣數(shù)號代表同樣部件。唯圖14中加撇號的數(shù)號代表海水熱能轉(zhuǎn)化系，無撇號的數(shù)號代表大氣熱能轉(zhuǎn)化系。
增壓器60供應(yīng)氣源流體兩倍于大氣熱能轉(zhuǎn)化系單獨所需的大氣，這些大氣等分為兩個流路流路Ⅰ經(jīng)過熱交換器12冷至液化點，而流路Ⅱ在透平16里膨脹至與流路Ⅰ相同的溫度。為減小透平16的體積，流路Ⅱ在從增壓器60流出后，可用環(huán)境流體(水或空氣)的自然流動(naturalconvection)去冷卻。這兩個流路在渦流室101混合，渦流室的放大圖如圖15所示。流路Ⅰ的液體經(jīng)過噴嘴進入渦流室成為與渦流室器壁相切的蒸汽射流，形成螺旋渦流。流路Ⅱ從透平16流出后被吸入渦核，與流路Ⅰ混合，混合后的壓強高于周圍大氣的壓強。這個再冷卻的氣體源流體再等分成兩部分，一部分用于冷卻大氣熱能轉(zhuǎn)化系的主原動機中已膨脹過的工作流體，另一部分冷卻海水熱能轉(zhuǎn)化系的已膨脹過的工作流體。
從熱交換器14與14′流出的氣源流體可以用來淡化海水。如此產(chǎn)生的淡水引至水庫90吸收周圍環(huán)境的熱，然后用作該OTEC系的水熱源，如果周圍缺少天然淡水的話。
若上節(jié)液化大氣熱能轉(zhuǎn)化系的假定數(shù)據(jù)用于分析圖14所示的大氣與水熱能轉(zhuǎn)化系，并且，海水熱能轉(zhuǎn)化系亦用改良的蘭金循環(huán)，那么，這套大氣與水熱能轉(zhuǎn)化系的功與效率可算出如下W＝680.8kJ/kgη＝66%在這個例子中，透平16產(chǎn)生的功大約等于總功量三分之一，熱交換器11′與12′可以小一千倍。顯然，彼此無關(guān)的大氣熱能轉(zhuǎn)化系與海水熱能轉(zhuǎn)化系也可直接聯(lián)在一起，按圖9的氣體循環(huán)或蘭金循環(huán)運作。
從以上的說明可得出以下的結(jié)論(1)熱力學(xué)第二定律“熵不可能在孤立系內(nèi)減少”之說法適用在開放系或關(guān)閉系;
(2)開耳芬與普朗克的說法雖然明顯地基于關(guān)閉系，但亦適用于開放系，因為，為產(chǎn)生功，多于一個的熱庫是必需的，例如，在本發(fā)明熱能轉(zhuǎn)化系中有熱庫，冷庫及一個傾泄庫;
(3)處在環(huán)境溫度(例如25℃)的環(huán)境流體的熱能不處在死態(tài)。如果該能量系統(tǒng)與液態(tài)冷源一起工作可以認為三相點是死態(tài);
(4)大氣熱能轉(zhuǎn)化系以及大氣與水熱能轉(zhuǎn)化系的效率可與現(xiàn)存的燃氣輪機發(fā)電廠相伯仲，即或熱源與冷源之間的溫度差較低;
(5)若將大氣熱能轉(zhuǎn)化系或大氣與水熱能轉(zhuǎn)化系安裝在現(xiàn)有發(fā)電廠的旁邊，它們不但可以增加有用之功，而且可以減少環(huán)境污染;
(6)城市或工業(yè)廢水亦可用作熱源(或補充熱源)，并且這種廢水可以用結(jié)冰過程凈化成有用的水。結(jié)冰分離后剩余的物質(zhì)再進行處理，這要比已知的廢水處理方法省錢甚多;
(7)大氣與水熱能轉(zhuǎn)化系所產(chǎn)生的電要比現(xiàn)有任何發(fā)電廠產(chǎn)生的便宜。而價錢還可以降低，如果副產(chǎn)品(致冷作用，例如，海水淡化，超導(dǎo)的冷卻，氣體液化)亦計算在內(nèi)的話;
(8)如果用有限數(shù)量的礦物燃料作為輔助熱源，大氣熱能轉(zhuǎn)化系或大氣與水熱能轉(zhuǎn)化系可應(yīng)用于陸上、海上與空中的交通工具;
(9)本發(fā)明的各種熱能轉(zhuǎn)化系不污染環(huán)境，唯一不便處是它們向環(huán)境里連續(xù)產(chǎn)生冷流體，因而，如果長時間大量應(yīng)用它們，則地面上的氣候可能受影響。但是，雖然有這種影響，世界能源問題可以不必?？康V物與核燃料。
盡管以上對本發(fā)明的不同實施方案作了敘述，但可以想見，局部結(jié)構(gòu)的更換或改進，將不難被同行們所發(fā)現(xiàn)，所以本發(fā)明的權(quán)利附于以下各項。
權(quán)利要求
1.利用環(huán)境流體之熱能為各種熱能轉(zhuǎn)化系之熱源的方法，每套轉(zhuǎn)化系包括與熱源直接關(guān)聯(lián)的第1熱交換裝置，直接與第1熱交換裝置關(guān)聯(lián)的封閉循環(huán)主原動機，亦與第1熱交換裝置關(guān)聯(lián)的再冷卻系，與主原動機及再冷卻系關(guān)聯(lián)的第2熱交換裝置以及用于啟動熱能轉(zhuǎn)化系的輔助系統(tǒng)，其特征在于該方法包括如下步驟a)用上述環(huán)境流體作為開放的流體熱源，b)使熱源的源流體流入上述第1熱交換裝置，c)上述輔助啟動系制出的冷卻劑流入上述第2熱交換裝置，用于引起環(huán)境流體放熱并啟動上述熱能轉(zhuǎn)化系，d)截斷上述輔助啟動系，從而使熱能轉(zhuǎn)化系步入穩(wěn)態(tài)運作，e)繼續(xù)使源流體通過第1熱交換裝置，從而，主動機工作流體受熱而源流體變冷，f)使主原動機的工作流體按預(yù)定的功率循環(huán)膨脹作功，g)引導(dǎo)從第1熱交換裝置流出的經(jīng)冷卻的源流體進入上述的再冷卻系，使它變的更冷，h)利用再冷源流體在第2熱交換組中冷卻主原動機的已膨脹過的工作流體，i)把從熱能轉(zhuǎn)化系排出的源流體用于其它冷卻或冷凍過程，j)組合多種上述熱能轉(zhuǎn)化系為單一裝置，以增加功率輸出，減少成本，如果情形需要的話。
2.權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述其它冷卻或冷凍過程包括液體凈化冷凍過程。
3.權(quán)利要求2的方法，其特征在于所述液體凈化過程包括海水淡化。
4.權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述其它冷凍過程包括氣體液化。
5.權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述其它冷卻過程包括超導(dǎo)體的冷卻。
6.權(quán)利要求1的方法，其特征在于源流體為海水(OTEC)，主動機包括汽輪機與凝結(jié)水泵，基本上按蘭金循環(huán)運作;第1熱交換裝置包括至少二只熱交換器，用于源流體與主原動機工作流體之間的等溫與等壓熱交換;第2熱交換裝置包括至少一只熱交換器，用于再冷源流體與主原動機膨脹過的工作流體之間熱交換;再冷卻系包括膨脹閥與噴射泵。
7.權(quán)利要求1的方法，其特征在于源流體為大氣(ATEC)，主原動機包括封閉循環(huán)的燃氣輪機和壓縮機;第1熱交換裝置包括至少一套熱交換器;第2熱交換裝置也包括至少一套熱交換器;再冷卻系包括至少一套透平，其中經(jīng)冷卻的源流體膨脹而作功，然后，在透平出口變?yōu)楦?，這種再冷源流體用于從主原動機排出的廢熱中抽取熱量。
8.權(quán)利要求7的方法，其特征在于所述封閉循環(huán)包括絕熱壓縮膨脹，以及等溫或接近等溫的加熱與冷卻過程。
9.權(quán)利要求7的方法，其特征在于所述封閉循環(huán)包括絕熱壓縮與膨脹，等溫與等壓加熱以及等溫與等壓冷卻。
10.權(quán)利要求7的方法，其特征在于所述封閉循環(huán)包括絕熱壓縮與膨脹，以及沿工作流體流動方向的減壓加熱與增壓冷卻。
11.權(quán)利要求7的方法，其特征在于取消所述主原動機與第2熱交換裝置，從而，該大氣熱能轉(zhuǎn)化系只包括增壓器，第1熱交換裝置與以源流體為工作流體的透平，僅以非循環(huán)方式工作。
12.權(quán)利要求1的方法，其特征在于多種源流體同時作為熱源，但是，盡量用水作熱源，大氣作冷源;每套主原動機可按氣或汽循環(huán)運作;每套第一熱交換裝置包括一種以上的熱交換器，從而，得到源流體與主動機工作流體之間的等溫與等壓熱量交換;再冷卻系包括以大氣為工作流體的透平，至少一套膨脹管路與至少一套渦流室;每套第2熱交換裝置包括至少一種熱交換器，而且，用再冷氣源流體來抽取每套主原動機排出之熱。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種方法，利用環(huán)境液體為熱源產(chǎn)生機械功或電能熱源流體加熱于工作液體后變冷；這種冷的熱源流體經(jīng)膨脹變?yōu)楦?；然后，這種更冷的熱源流體可用作冷卻工作液體，而所述工作液體便可作有用功。若熱源液體是大氣，則在它膨脹時亦可作有用功，當(dāng)熱源流體從這種熱能轉(zhuǎn)化系流出后多在很低溫度，所以可用于其它冷卻或冷凍過程，例如，空氣調(diào)節(jié)，氣體液化，冷卻超導(dǎo)體或海水淡化等。
文檔編號F03G7/04GK1040082SQ8810863
公開日1990年2月28日 申請日期1988年12月13日 優(yōu)先權(quán)日1987年12月14日
發(fā)明者張燕波 申請人:張燕波