一种低温工质超临界动力系统和机动设备技术方案

本发明专利技术实施例涉及一种低温工质超临界动力系统和机动设备，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、低温工质超临界气轮机、乏汽回热器高温管道；乏汽回热器高温管道出口连接低温液体储罐入口，形成闭环；用沸点低至‑196℃低温工质，令热空气降为冷空气以及太阳光热能实现发电，或者结合LNG等环保燃料燃烧加热低温发电工质，驱动低温工质超临界气轮机高效做功输出机械能，来解决汽车、火车、船舶等设备的动力和能源；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。

【技术实现步骤摘要】
一种低温工质超临界动力系统和机动设备
本专利技术涉及低温热能回收利用及用低温介子作工质的发电
，尤其涉及一种低温热能利用及燃烧发电的动力系统及新能源机动设备。
技术介绍
目前的汽车(船舶)多为燃油，需要不断的添加燃油才能够运行，在堵车的城市中运行，有效热效率非常低，尤其是炎热的夏季，空调设备的投入更加剧了燃油的消耗；导致燃油汽车的效率变得更加的低。发动机噪音大，排放的尾气污染环境。未来随着国际市场燃油能源短缺和环保要求，燃油车将会很快退出汽车制造市场，取而代之是电动汽车。电动汽车具有噪音较小，低噪音、节能、环保、经济、加速快、结构简单、维护方便、易保养等等优点；但也存在续航里程短、充电难、充电慢等问题。另外，大约5年左右动力电池就需要更换，而动力电池的回收又面临着回收成本高、回收技术难的困境。氢燃料电池汽车表面看符合节能环保要求；但氢气制取提纯需耗巨大能量，系统效率低；氢气需约70MPa高压压缩也需耗能，进一步降低效率；还有氢气储存和氢气运输环节，以及使用环节都存在很大损耗，效率进一步降低；相对成熟的锂电池，氢燃料电池汽车储存成本高、运输风险大、加氢站基础设施等等都需要高昂投入；根据美国能源局公布的数据显示，到2020年燃料电池系统要达到的寿命目标为5000小时；在氢燃料电池发电过程中会用到金属铂作催化剂，金属铂稀缺造成价格很高，如未来大规模生产氢燃料电池，需求越大金属铂成本还会更加稀缺和高成本。还有高压储氢罐、超高压空压机、氢循环泵等关键零部件，技术难度高，产业链形成难，全国数量庞大的加氢站建设，未来投资都是极其巨大。炎热夏季，尤其是非洲等赤道附近国家，热空气中蕴藏着大量热能；如何将空气或海水中蕴藏的热能有效利用是本申请想解决的问题。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，该发电技术采用沸点温度约15℃有机工质，可实现对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原理大体相同，因为采用了约15℃沸点的有机工质和朗肯循环发电，因此能够对80℃甚至60℃以上的热水和蒸汽进行发电。利用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，最大难点是气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做功发电；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。本实施例所提供的是采用极其低温的液体工质；例如液氮，通过低温液体泵施加高压到换热器中，与环境中的热空气或水充分换热，液氮吸收环境空气的热能，迅速气化成为高压气体，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；热空气的温度也会迅速降低到大约0℃(甚至零下-30℃)；液氮、液空等极其低温工质，吸收空气热能，或者太阳热能后，气化成高压气体，驱动低温工质气轮机或膨胀机高速旋转输出机械能或带动发电机输出电能，将热空气或者太阳能光热中蕴藏的热能量转变为电能输出；本专利技术利用夏季热空气降为冷空气的温差发电，再结合太阳能和LNG等环保燃料燃烧加热并且进行高效发电做功，来解决汽车、火车、船舶等机动设备的动力和能源；为解决这些难题，申请人经过近二十多年不断研究探索，最终找到一种高效的，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低温工质超临界动力系统和机动设备，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，温度达到或者接近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，以及所述低温工质发电系统和动力系统及设备才能正常的运转；因此，在没确定好这种低温工质发电系统和动力系统及设备的情况下，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低温工质超临界动力系统和机动设备，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低温液体储罐入口，形成闭环；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；进一步的，所述主换热器是与热源进行换热的主要设备，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，包括但不仅限于空气换热器、热水换热器、设备壳体换热器、太阳能光热换热器、高温受热管或者锅炉的任意一种或多种组合；进一步的，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，温度达到或者接近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，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；进一步的，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低温工质超临界动力系统和机动设备，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、低温工质超临界气轮机、乏汽回热器高温管道以及节流阀构成；所述节流阀出口连接低温液体储罐入口形成循环；/n所述低温液体储罐设置有限压阀安全阀保护设备，并具有高效保温绝热的低温工质存储的压力容器；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发电工质；/n所述低温液体泵为提升低温液体发电工质压力的驱动设备；所述低温液体泵设置在低温液体储罐与乏汽回热器低温管道之间；/n所述乏汽回热器低温管道设置在所述低温液体泵与所述主换热器之间；所述乏汽回热器高温管道设置在所述低温工质超临界气轮机排气管道的出口与低温液体储罐之间；所述乏汽回热器低温管道与所述乏汽回热器高温管道充分的换热，构成高效换热的乏汽回热器；所述乏汽回热器单独设置或者与所述低温工质超临界气轮机组合；/n所述主换热器是与热源进行换热的主要设备，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，包括但不仅限于空气换热器、热水换热器、设备壳体换热器、太阳能光热换热器、高温受热管或者锅炉的任意一种或多种组合；/n所述低温工质超临界气轮机的入口连接主换热器出口，所述低温工质超临界气轮机排气管道出口连接乏汽回热器高温管道入口；/n所述低温工质超临界气轮机主蒸汽管输入的高压气体，温度必须明显高于低温发电工质的临界温度；所述低温工质超临界气轮机排出的乏汽温度，达到或者略高于所述低温发电工质的临界温度；/n所述低温工质超临界气轮机主蒸汽管输入的高压气体，压力必须明显高于低温发电工质的临界压力；所述低温工质超临界气轮机排出的乏汽压力，达到或者接近所述低温发电工质的临界压力；/n储存在所述低温液体储罐中的低温发电工质，通过所述低温液体泵提升压力；流经乏汽回热器低温管道，输送至所述主换热器中吸收外界的热能，体积迅速膨胀，形成高温高压气体后，输送至所述低温工质超临界气轮机中，驱动所述低温工质超临界气轮机高速旋转对外输出机械能，或者带动发电机高速旋转对外输出电能；所述低温工质超临界气轮机排出的乏汽，温度达到低温发电工质的临界温度，令低温液体泵输出的极其低温液体冷凝临界温度的高温乏汽；/n所述节流阀为一种节流降压装置，所述节流降压装置包括但不仅限于节流阀、截止阀、膨胀阀；/n所述低温工质超临界气轮机属于一种将高温高压气体能量转换成为机械功的旋转动力机械，又称气体透平，所述气体透平包括但不仅限于气轮机、气动机、气体螺杆膨胀机、气体透平膨胀机；/n所述低温工质超临界气轮机设备的构造，需要满足低温发电工质的密度、成分、温度、以及压力的物理特性；/n所述低温工质超临界气轮机的低温零部件需要采用耐低温材料，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】
1.一种低温工质超临界动力系统和机动设备，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、低温工质超临界气轮机、乏汽回热器高温管道以及节流阀构成；所述节流阀出口连接低温液体储罐入口形成循环；
所述低温液体储罐设置有限压阀安全阀保护设备，并具有高效保温绝热的低温工质存储的压力容器；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发电工质；
所述低温液体泵为提升低温液体发电工质压力的驱动设备；所述低温液体泵设置在低温液体储罐与乏汽回热器低温管道之间；
所述乏汽回热器低温管道设置在所述低温液体泵与所述主换热器之间；所述乏汽回热器高温管道设置在所述低温工质超临界气轮机排气管道的出口与低温液体储罐之间；所述乏汽回热器低温管道与所述乏汽回热器高温管道充分的换热，构成高效换热的乏汽回热器；所述乏汽回热器单独设置或者与所述低温工质超临界气轮机组合；
所述主换热器是与热源进行换热的主要设备，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，包括但不仅限于空气换热器、热水换热器、设备壳体换热器、太阳能光热换热器、高温受热管或者锅炉的任意一种或多种组合；
所述低温工质超临界气轮机的入口连接主换热器出口，所述低温工质超临界气轮机排气管道出口连接乏汽回热器高温管道入口；
所述低温工质超临界气轮机主蒸汽管输入的高压气体，温度必须明显高于低温发电工质的临界温度；所述低温工质超临界气轮机排出的乏汽温度，达到或者略高于所述低温发电工质的临界温度；
所述低温工质超临界气轮机主蒸汽管输入的高压气体，压力必须明显高于低温发电工质的临界压力；所述低温工质超临界气轮机排出的乏汽压力，达到或者接近所述低温发电工质的临界压力；
储存在所述低温液体储罐中的低温发电工质，通过所述低温液体泵提升压力；流经乏汽回热器低温管道，输送至所述主换热器中吸收外界的热能，体积迅速膨胀，形成高温高压气体后，输送至所述低温工质超临界气轮机中，驱动所述低温工质超临界气轮机高速旋转对外输出机械能，或者带动发电机高速旋转对外输出电能；所述低温工质超临界气轮机排出的乏汽，温度达到低温发电工质的临界温度，令低温液体泵输出的极其低温液体冷凝临界温度的高温乏汽；
所述节流阀为一种节流降压装置，所述节流降压装置包括但不仅限于节流阀、截止阀、膨胀阀；
所述低温工质超临界气轮机属于一种将高温高压气体能量转换成为机械功的旋转动力机械，又称气体透平，所述气体透平包括但不仅限于气轮机、气动机、气体螺杆膨胀机、气体透平膨胀机；
所述低温工质超临界气轮机设备的构造，需要满足低温发电工质的密度、成分、温度、以及压力的物理特性；
所述低温工质超临界气轮机的低温零部件需要采用耐低温材料，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所述的低温工质超临界动力系统和机动设备，其特征在于，还包括有膨胀机或者叶轮机，所述膨胀机或叶轮机设在所述乏汽回热器高温管道出口与所述低温液体储罐入口之间；
所述膨胀机或叶轮机为一种节流降压装置，所述膨胀机包括但不仅限于透平膨胀机、螺杆膨胀机，所述膨胀机的入口为高压，出口为低压，所述膨胀机高速旋转输出机械能或带动发电机输出电能；
所述膨胀机在实现节流降压同时，消耗高压流体内能对外做功，膨胀机在对外做功同时，实现对流经膨胀机的高压流体更深制冷，并将更低温的低温工质液体，返回到低温液体储罐中储存备用；
所述膨胀机单独设置，所有高压流体直接进入所述膨胀机做功，高压流体经所述膨胀机实现节流降压，同时消耗所述高压气体的内能对外做功和实现深冷，令乏汽的液体返回低温液体储罐中储存备用；同时输出机械能或者带动发电机旋转输出电能；优选的，所述膨胀机与所述节流阀同时设置；所述膨胀机与所述节流阀为并联关系，共同设置在所述乏汽回热器高温管道出口与所述低温液体储罐之间；
进一步的，当所述乏汽回热器高温管道出口所输出的高压乏汽流体为气液混合状态时，优选的，高压液体通过所述节流阀节流降压后返回低温液体储罐中储存；高压气体经所述膨胀机节流降压，同时消耗所述高压气体的内能做功和深冷，令乏汽的液体返回低温液体储罐中储存；同时输出机械能或者带动发电机旋转输出电能；
进一步的，所述节流阀入口与所述膨胀机入口之间还设置有气液分离器，所述气液分离器输出的液体连通所述节流阀入口；所述气液分离器输出的高压气体，输入并驱动所述膨胀机高速旋转输出机械能或者带动发电机输出电能；在做功的同时消耗所述高压流体的内能，令低温低压液体返回所述低温液体储罐中储存备用。


3.根据权利要求1-2所述的低温工质超临界动力系统和机动设备，其特征在于，所述低温液体储罐还设置有降温装置，所述降温装置包括依次连接的所述低温液体储罐、压缩机、冷凝器，第二节流阀或者第二膨胀机或叶轮机构成；所述压缩机单独设置或同轴连接膨胀机；或者在同轴连接的膨胀机和压缩机转轴上再同轴连接一套电动发电一体机；所述压缩机启动或压缩机动力不够时，所述电动发电一体机为电动机，消耗电能输出动力驱动所述压缩机；当所述膨胀机输出的机械能大于所述压缩机的动力需求时，所述电动发电一体机则为发电机，将所述膨胀机高速旋转产生的多余机械能转为电能输出；
优选的，所述压缩机与所述膨胀机为同轴连接的一体设备；所述膨胀机高速旋转驱动同轴连接的压缩机高速旋转；所述压缩机吸收从低温液体储罐中蒸发出来的低温气体并进行压缩，通过设置在乏汽回热器高温管道出口与膨胀机之间的冷凝器，将所述压缩机压缩气体所产生出来的热能，释放到膨胀机入口前端的低温工质流体中；
所述膨胀机单独设置时，所述冷凝器设置在所述乏汽回热器高温管道出口与所述膨胀机入口之间；当系统中设置有所述节流阀时，所述冷凝器设置在气液分离器高压气体出口与所述膨胀机之间；
令所述冷凝器高温端与所述膨胀机入口端的高压流体换热，令所述冷凝器的低温端与乏汽回热器高温管道出口的高压流体换热；所述冷凝器连接所述压缩机出口的一端为冷凝器高温端；
所述低温液体储罐中的低温液体所蒸发出的气体，携带着大量的气化潜热，经低温液体储罐顶部收集以及管道输送至所述压缩机后，被压缩机压缩并通过所述冷凝器，令高压气体冷凝成液体，再经第二节流阀或第二膨胀机节流降压制冷后，返回低温液体储罐中；
优选的，当用第二膨胀机实现节流降压做功和实现更加深冷时，所述第二膨胀机入口为高压流体，出口为低压流体，驱动所述第二膨胀机或叶轮机高速旋转做功输出机械能，并对所流经的高压流体更深制冷，令更低温液体返回所述低温液体储罐中储存备用；进一步的，第二膨胀机同轴连接第二压缩机，所述第二压缩机为增压机，设在所述压缩机与所述冷凝器之间；提升冷凝器中流体工质的压力；
进一步的，所述降温装置或者所述压缩冷凝系统还有提高低温液体储罐中气体密度的技术方案，所述技术方案通过提高低温工质超临界气轮机排气管道排出乏汽的压力，进而提高膨胀机的输出压力，提高低温液体储罐中的气体密度；令所述压缩机不断的将低温液体储罐中的高密度气体压缩，经冷凝器释放能量后还原成为液体；经第二节流阀或第二膨胀机或叶轮机节流降压后，返回低温液体储罐中。


4.根据权利要求1-3所述的低温工质超临界动力系统和机动设备，其特征在于，还包括有太阳能光热系统和/或燃烧系统；
所述太阳能光热系统包括太阳能聚光系统，以及所述主换热器；
所述燃烧系统由依次连通的燃料存储器、控制器、锅炉构成；所述锅炉由燃烧器和所述高温主换热器管道构成；
所述燃料存储器中的燃料，经过控制器的调节与控制后，被输送至所述锅炉的燃烧器中燃烧，产生的高温热能量加热所述高温主换热器管道；所述高温主换热器管道中的低温发电工质，受到高温加热后形成高温高压气体，输入并驱动所述低温工质超临界气轮机高速旋转对外输出机械能，或者带动发电机高速旋转对外输出电能；
所述燃料存储器中所储存的燃料，包括但不仅限于天然气、汽油、柴油、液化石油气、生物燃料、核燃料的任意一种或者多种组合；
进一步的，还包括有低温液体燃料的燃烧系统，所述低温液体燃料的燃烧系统由依次连接的低温液体燃料存储器，换热器，控制器，和锅炉构成；所述换热器单独设置吸收环境中空气的热能；或者设置在所述低温工质超临界气轮机与所述低温液体储罐之间，吸收高温乏汽的热能；所述低温液体燃料，包括但不仅限于LNG液体、液氢；
储存在低温液体燃料存储器中的低温液体燃料，通过管道输送至所述换热器中吸收环境中空气的热能后气化形成可燃气体；或者与乏汽管道中的高温乏汽换热，一方面令高温高压乏汽冷凝成为液体返回所述低温液体储罐中；与此同时，所述低温液体燃料吸收所述低温工质超临界气轮机排气管道输出的高温乏汽热能后气化成为可燃气体，经所述控制器调节控制后，可燃气体被输送至所述锅炉燃烧器中燃烧，加热所述锅炉中高温主换热器管道中的低温发电工质，所述高温主换热器管道中的低温发电工质吸收可燃气体燃烧所产生的高温热能后，形成高温高压气体，输入并驱动所述低温工质超临界气轮机高速旋转对外输出机械能或者带动发电机旋转对外输出电能；
进一步的，高温主换热器和/或锅炉烟道外，还设置有低温主换热器，所述低温主换热器充分吸收锅炉中可燃气体燃烧所产生出来的热能，充分利用可燃气体燃烧所产生出的热能量进行做功和发电；
进一步的，所述低温主换热器还与其他发热设备进行换热，充分的吸收其他发热设备的热能量，同时也令其他发热设备降温；
进一步的，所述低温主换热器，还与环境中的热空气或者太阳能光热能量，利用极其低温的所述低温发电工质，吸收环境中空气中热和/或太阳热能做功，进一步提高该系统的发电效率和发电输出。


5.根据权利要求1-4所述的低温工质超临界动力系统和机动设备，其特征在于，所述低温液体储罐为拥有安全阀保护措施的，并具有良好绝热性能的低温液...

【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