一种超低温发电的制冷系统及制冷设备技术方案

本发明专利技术实施例涉及一种超低温发电的制冷系统及制冷设备，属于一种超低温朗肯循环的热机发电领域；ORC有机朗肯用沸点约15℃的工质，可实现60℃以上热水发电；本系统使用更低沸点的CO2、液氮、液空等极其低温液体，工质沸点低至零下‑196℃，可实现0℃以上热水热空气发电；本实施例核心是解决极其低温工质冷凝还原，以及低温工质汽轮机或膨胀机的轴端泄漏等难题；使本发明专利技术实施例形成一套完整高效超低温热源的超低温发电系统。尤其涉及炎热夏季的高温空气蕴藏的热能进行高效率发电的技术；主要应用于炎热夏季，大型办公楼、学校、医院、体育场馆、商场、机场、高铁站等等需要制冷空调的场所及领域，尤其适合赤道附近区域的高温场所。

【技术实现步骤摘要】
一种超低温发电的制冷系统及制冷设备
本专利技术涉及制冷技术和制冷设备相关领域，尤其涉及一种采用超低温工质发电的节能制冷系统及相关设备和工艺。
技术介绍
随着时代的发展，制冷行业已经成为衡量一个社会经济实力、科技水平与人民生活质量的重要标志之一，制冷技术在工业、农业、科学技术及国防等领域具有越来越重要的作用。制冷就是使某一空间或某物体达到低于其周围环境介质的温度，并维持这个低温的过程；现有制冷系统一般由4个基本部分，即压缩机、冷凝器、节流部件、蒸发器组成。由铜管将四大件按一定顺序连接成一个封闭系统，系统内充注一定量的制冷剂。现在一般采用的是水、氨、CO2、R12、R22、R134a、R290、R404、R407C、R433b、R410和R600a等制冷剂，这些都是更节能、环保、高效的制冷剂，俗称碳氢制冷剂，无毒，不会对臭氧层产生任何破坏；但是由于都是烷类，但都具有可燃与爆炸性质。一般制冷机的制冷原理，是压缩机的把压力较低的蒸汽压缩成压力较高的蒸汽，使蒸汽的体积减小，压力升高。压缩机吸入从蒸发器出来的较低压力的工质蒸汽，使之压力升高后送入冷凝器，在冷凝器中冷凝成压力较高的液体，经节流阀节流后，成为压力较低的液体后，再送入蒸发器，在蒸发器中吸热蒸发而成为压力较低的蒸汽，再送入压缩机的入口，从而完成制冷循环。传统的制冷空调，是将室内热能转移到室外，额外加消耗的电能，一起被室外机散发到室外，采用的是热能“转移法”；来实现室内、机场、办公楼、酒店、高铁站、学校、医院等场所的温度降低。目前的制冷技术，基本都需消耗能量，从而实现“热能转移”与制冷。在炎热夏季，室内空气或者室外环境温度都相对比较高。人们在炎热的夏天感觉非常不舒服，因此好多人都购买空调等制冷设备进行防暑降温。但是空调和制冷设备的耗能很大；尤其是大型飞机场、大型会议室，大型礼堂、电影院、酒店宾馆、大型商场商店、图书馆、会堂、医院、展览馆，以及高铁站、汽车站、轮船中，也都不同程度地安装有空调和制冷设备，这些大型空调设备的耗电量也是非常的惊人。炎热夏季，空气和海水中蕴藏着大量热能，尤其是非洲等赤道国家；如何将空气或海水中蕴藏的大量热能有效利用是本申请亟须解决的问题。另外，在传统发电技术中，除采用水作发电工质，还有一种低温的有机朗肯循环，该发电技术采用了沸点温度约15℃的有机工质，可以实现对80℃(甚至60℃)以上的热水和蒸汽进行余热发电；该技术与用水作发电工质的原理大体相同，因为采用了约15℃沸点的有机工质朗肯循环发电，所以才能够对80℃(甚至60℃)以上的热水和热蒸汽进行发电。对于标准大气压沸点低于0摄氏度的低温发电工质进行超低温发电，国内和国际都还处于研究阶段，最大难点是汽轮机或者膨胀机做功以后，低温乏汽的还原成为最大痛点。通常情况下，汽轮机做功后乏汽都采用冷却塔将乏汽潜热释放到环境中冷空气或冷水中；但是液氮等低温发电工质的乏汽温度要远远的低于环境温度，正常情况下是无法将极其低温潜热，释放到环境中的冷空气或者冷水中，因此也就无法冷凝和再进行朗肯循环。如果采用压缩机压缩乏汽或者用热泵将乏汽潜热，热泵到环境温度并释放到冷空气或冷水中，所付出的代价又太高。发电输出的电能都有可能不够压缩机及热泵所消耗的电能；因此，也就基本上没有人这样的去进行研究。很多从事发电技术和相关研究人员，学习和接触的都是采用水做发电工质，对低温液体工质绝大多数人员没去想，也有一些人认为这是不可能实现的，还有一部分人员认为这是“永动机”，因此也就不再去深入的研究。本专利技术实施例采用更低沸点的二氧化碳、液氮、液空等更低温发电工质，不但可以实现更低温度的热能发电；同时CO2、液空、液氮，每吨成本仅几百元人民币，相对有机工质成本要低很多。传统的制冷空调设备都是采用消耗能量的逆卡诺热泵技术；炎热的夏季，消耗一部分电能并将室内的热能转移到室外，属于一种“热能量转移”的技术范畴；本专利技术实施例所提供的是采用极其低温液体工质，如液氮液空，通过低温液体泵施加高压到换热器中与炎热夏季环境中空气或环境水充分换热，液氮吸收炎热夏季的环境热空气(或约30℃温水)的热能后，迅速气化形成高压气体，输入并驱动气轮机或膨胀机高速旋转做功，并带动发电机高速旋转发电和输出电能；在炎热的夏季，室内外环境中的热空气(或者约30℃的温水)与换热器中极其低温的液氮充分换热，温度会迅速的降低到大约0℃(甚至零下-30℃都有可能)，如果是与约30℃的水换热，温度需要控制在0摄氏度以上，除制冰外最好不要让水发生结冰；本申请实施例是通过极其低温液体工质，与炎热夏季空气或水换热，吸收炎热夏季的热空气或者水的能量(水在此相当于是一种载冷剂，当然也包括其他载冷剂)。液空、液氮、二氧化碳等极其低温工质，吸收热空气或水的热能后，气化形成高压气体，驱动低温工质气轮机或膨胀机高速旋转做功并带动发电机发电输出，将炎热夏季的热空气或者温热水等低温热源蕴藏的热能量转变为电能输出；本申请是利用炎热夏季热空气(或水)降为冷空气(或水)的温差发电；为了解决这些难题，申请人经过近二十多年的不断研究探索，最终找到了一种高效的，不消耗能量的，低成本的，低温工质发电和冷凝技术方法，同时也找到一种解决气轮机或膨胀机转轴两端轴封泄漏的新密封技术。汽轮机通常指水蒸汽工质，因为本申请中为低温气体介子，工质中没有水蒸汽，因此也就将汽轮机改为气轮机，其它气体透平设备雷同，不再过多赘述；
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种超低温发电的制冷系统及制冷设备，包括依次连通的低温液体储罐、低温液体泵、乏汽回热器低温管道、主换热器、低温工质气轮机或膨胀机、乏汽回热器高温管道；所述乏汽回热器高温管道出口连接所述低温液体储罐入口，形成闭环；所述低温工质气轮机或膨胀机的主蒸汽管道所输入的高压气体，温度必须明显高于所述低温发电工质的临界温度；所述低温工质气轮机或膨胀机的排气管道输出的乏汽，温度必须达到或略微高于所述低温发电工质的临界温度；所述低温工质气轮机或膨胀机的工况区，始终处在所述低温工质的临界温度以上；所述低温工质气轮机排气管道连接乏汽回热器，令低温液体泵输出的极其低温液体，冷凝所述低温工质气轮机排气管道排出的，温度达到低温工质临界温度的高温乏汽；只有满足以上条件，所述低温工质气轮机或者膨胀机，以及所述超低温发电的制冷系统及制冷设备，才能够正常的进行运转；因此，在没确定好这种超低温发电制冷系统及制冷设备的情况下，所述低温工质气轮机或膨胀机，也是无法进行研究和生产制造的。所述低温工质气轮机或膨胀机属一种高压气体透平机械，包括但不仅限于气轮机、气动机、气体透平膨胀机、气体螺杆膨胀机；所述低温工质气轮机或膨胀机选用耐低温材料。本专利技术实施例是这样实现的：第一方面，本专利技术实施例提供一种超低温发电的制冷系统及制冷设备，包括依次连通的低温液体储罐、低温液体泵、乏汽回热器低温管道、主换热器、低温工质气轮机或膨胀机、乏汽回热器高温管道构成；所述乏汽回热器高温管道出口连接所述低温液体储罐入口，形成一个闭路循环系统；所述低温液体泵设置在所述低温液体储罐与所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超低温发电的制冷系统及制冷设备，其特征在于，包括依次连通的低温液体储罐、低温液体泵、乏汽回热器低温管道、主换热器、低温工质气轮机或膨胀机、乏汽回热器高温管道构成；所述乏汽回热器高温管道出口连接所述低温液体储罐入口，形成闭环；/n所述低温液体泵设置在所述低温液体储罐与所述乏汽回热器低温管道之间；所述低温工质气轮机或膨胀机设置在所述主换热器与所述乏汽回热器高温管道之间；所述乏汽回热器低温管道与所述乏汽回热器高温管道组合成为一个高换热效率的换热器设备；/n所述主换热器设置在所述乏汽回热器低温管道出口与低温工质气轮机或膨胀机之间，是与热源进行换热的主要设备，包括但不仅限于冷却器、冷凝器、凝汽器、空气换热器、风道换热器、热水换热器、载冷剂换热器、设备冷却器的任意一种或多种组合；/n所述低温工质气轮机或膨胀机的主蒸汽管道所输入的高压气体，温度必须明显高于所述低温发电工质的临界温度；所述低温工质气轮机或膨胀机的排气管道输出的乏汽，温度必须达到或略微高于所述低温发电工质的临界温度；所述低温工质气轮机或膨胀机的工况区，始终处在所述低温工质的临界温度以上；所述低温工质气轮机或膨胀机，是利用其主蒸汽管道输入的高压高温气体工质温度能量，与所述低温工质气轮机或膨胀机排气管道输出输出的，温度达到或略微高于所述低温工质临界温度的乏汽之间的焓差做功；/n所述低温工质气轮机或膨胀机的排气管道连接乏汽回热器高温管道，令低温液体泵输出到乏汽回热器低温管道中的极其低温液体，冷凝所述低温工质气轮机或膨胀机排气管道排出的高温乏汽；所述乏汽回热器拥有较高换热效率，所述乏汽回热器单独设置，或者与所述低温工质气轮机或膨胀机进行组合；/n所述低温工质气轮机或膨胀机高速旋转对外输出机械能，或者驱动发电机高速旋转对外输出电能；/n所述低温工质气轮机属于一种将高压气体能量转换成为机械功的旋转动力机械，包括但不仅限于气轮机、气动机、膨胀机、气体螺杆膨胀机、气体透平膨胀机；所述低温工质气轮机或膨胀机采用耐低温材料，包括但不仅限于奥氏体低温钢、铁素体低温钢。/n...

【技术特征摘要】
1.一种超低温发电的制冷系统及制冷设备，其特征在于，包括依次连通的低温液体储罐、低温液体泵、乏汽回热器低温管道、主换热器、低温工质气轮机或膨胀机、乏汽回热器高温管道构成；所述乏汽回热器高温管道出口连接所述低温液体储罐入口，形成闭环；
所述低温液体泵设置在所述低温液体储罐与所述乏汽回热器低温管道之间；所述低温工质气轮机或膨胀机设置在所述主换热器与所述乏汽回热器高温管道之间；所述乏汽回热器低温管道与所述乏汽回热器高温管道组合成为一个高换热效率的换热器设备；
所述主换热器设置在所述乏汽回热器低温管道出口与低温工质气轮机或膨胀机之间，是与热源进行换热的主要设备，包括但不仅限于冷却器、冷凝器、凝汽器、空气换热器、风道换热器、热水换热器、载冷剂换热器、设备冷却器的任意一种或多种组合；
所述低温工质气轮机或膨胀机的主蒸汽管道所输入的高压气体，温度必须明显高于所述低温发电工质的临界温度；所述低温工质气轮机或膨胀机的排气管道输出的乏汽，温度必须达到或略微高于所述低温发电工质的临界温度；所述低温工质气轮机或膨胀机的工况区，始终处在所述低温工质的临界温度以上；所述低温工质气轮机或膨胀机，是利用其主蒸汽管道输入的高压高温气体工质温度能量，与所述低温工质气轮机或膨胀机排气管道输出输出的，温度达到或略微高于所述低温工质临界温度的乏汽之间的焓差做功；
所述低温工质气轮机或膨胀机的排气管道连接乏汽回热器高温管道，令低温液体泵输出到乏汽回热器低温管道中的极其低温液体，冷凝所述低温工质气轮机或膨胀机排气管道排出的高温乏汽；所述乏汽回热器拥有较高换热效率，所述乏汽回热器单独设置，或者与所述低温工质气轮机或膨胀机进行组合；
所述低温工质气轮机或膨胀机高速旋转对外输出机械能，或者驱动发电机高速旋转对外输出电能；
所述低温工质气轮机属于一种将高压气体能量转换成为机械功的旋转动力机械，包括但不仅限于气轮机、气动机、膨胀机、气体螺杆膨胀机、气体透平膨胀机；所述低温工质气轮机或膨胀机采用耐低温材料，包括但不仅限于奥氏体低温钢、铁素体低温钢。


2.根据权利要求1所述的一种超低温发电的制冷系统及制冷设备，其特征在于，为控制和限制所述低温液体储罐中的低温液体发电工质的蒸发，所述低温液体储罐还设置有低温液体发电工质的降温冷却装置，所述降温冷却装置包括依次连通的低温液体储罐、压缩机、热交换器、和节流降压装置构成；所述节流降压装置出口连接所述低温液体储罐入口，形成循环；
所述热交换器为一个释放热能的换热器设备，设在所述压缩机的出口与所述节流降压装置之间，并将所述压缩机压缩气体产生出来的热能，置换和释放到所述低温液体泵输出的低温发电工质中或者释放到乏汽回热器低温管道出口与所述主换热器之间的发电工质中；或者释放到环境中的冷空气或冷水中；
所述节流降压装置包括具有节流降压功能的节流阀、截止阀、膨胀阀、或者膨胀机设备；优选膨胀机设备。


3.根据权利要求1-2所述的一种超低温发电的制冷系统及制冷设备，其特征在于，所述乏汽回热器还设置有热泵系统；其作用是避免乏汽回热器高温管道出口的工质温度升高，降低返回所述低温液体储罐中的低温液体工质的温度，减少低温液体工质蒸发；
所述热泵系统由依次连通的热泵压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器构成；所述蒸发器为吸取低温源热能的换热器，设置在乏汽回热器高温端和靠近乏汽回热器低温管道位置，将乏汽回热器低温管道的高温部分的热能，热泵转移到乏汽回热器低温管道出口与所述主换热器之间的低温工质中，或者释放到环境中的冷空气或冷水中。


4.根据权利要求1-3所述的一种超低温发电的制冷系统及制冷设备，其特征在于，所述低温液体储罐为具有优良绝热性能的，并拥有安全阀保护措施的低温液体存储设备，所存储的工质为标准大气压下，沸点温度低于零摄氏度的低温液体工质；包括但不仅限于二氧化碳、氨、甲烷、乙烷、液氮、液空、液氧、液氩、液氢，液氦、及低温制冷剂的任意一种或多种组合；所述低温液体储罐单独设置，或者与所述乏汽回热器进行组合；
所述低温液体储罐、乏汽回热器、主换热器、低温工质气轮机或膨胀机、压缩机、热交换器、节流降压装置、所述热泵压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器；以上所述设备的低温部件及相应的连接管道为耐低温材料，包括但不仅限于奥氏体低温钢、铁素体低温钢；
所述低温设备以及相应的连接管道外面，还包裹有绝热层；所述绝热层具有良好的绝热性能，包括但不仅限于真空绝热、气凝胶、泡沫材料、纤维材料、玻璃棉、高硅氧棉；
还包括有冷箱，所述冷箱由高度绝热材料构成，并将所述低温设备放置在所述冷箱中；所述冷箱还设置有隔离；所述冷箱壳体对外部环境绝热，所述隔离再对不同温度的低温设备进行绝热和隔离。


5.根据权利要求1所述的一种超低温发电的制冷系统及制冷设备，其特征在于，所述主换热器还设置有载冷剂循环，所述载冷剂循环包括依次连接的液体泵、所述主换热器、低温载冷剂管道、制冷换热器、热载冷剂管道；所述热载冷剂管道连接所述液体泵，形成循环。


6.根据权利要求1所述的一种超低温发电的制冷系统及制冷设备，其特征在于，所述低温工质气轮机或膨胀机还包括有一种采用气轮机或膨胀机缸体高度密闭结构的轴封系统，所述气轮机或膨胀机由静止部分和转动部分构成；所述气轮机或膨胀机缸体轴封系统包括输入端轴封系统和输出端轴封系统；
所述低温工质气轮机或膨胀机的输入端轴封系统，包括输入端缸体、输入端轴承和轴承座、输入端转轴、主蒸汽管道；所述输入端轴承和轴承座，包括有支撑轴承和推力轴承；在所述输入端轴承和轴承座的外面，还设置有绝热壳体；所述绝热壳体分上绝热壳体和下绝热壳体；所述下绝热壳体设置在输入端轴承和轴承座位置的下汽缸内，并与所述气轮机或膨胀机的下汽缸紧密结合；所述输入端轴承和轴承座，安装在所述气轮机或膨胀机下汽缸内的所述下绝热壳体中；
所述下绝热壳体与所述上绝热壳体设有法兰，通过所述法兰和螺栓紧固，所述下绝热壳体与所述上绝热壳体的内腔，...

【专利技术属性】
技术研发人员：翁志远，
申请(专利权)人：北京宏远佰思德科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11