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低温差动力源装置

阅读：562发布：2020-12-15

专利汇可以提供低温差动力源装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种利用低温差的动力源装置，利用容易获得的天然冷、热源，或者目前阶段较少用于转换为动力的冷、热源，使用本装置可以廉价地得到低成本的动力输出。使用工艺简单、廉价材料制作的承压密封腔体，附有两组换热器、压差-动力转换设备，管道、阀门、泵等一系列结构，腔体内有合适的温差-动力转换工质，工作于较大压力时效率相对比较理想。适合于深海岛礁、大型油轮/货轮、海上平台等物质补充困难的场合提供动力，也适合距离深海比较近的陆地作为环保低碳能源 (如东南亚很多国家、美洲、非洲西海岸等)，甚至适合应用于南极圈、北极圈等极端气候地区，是一款实用的环境友好新能源。，下面是低温差动力源装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种将低温度差冷源、热源的热量传递转换为动力的装置，拥有承压密封腔体、相关的热量传递管道，其特征是：进入装置的热源的温度不高于摄氏80度并且不低于摄氏零下
10.0度，冷源的温度不低于摄氏零下70度并且不高于摄氏40度；一个或若干个承压密封腔体，内有两组换热器，冷凝侧换热器的一部分拥有清除凝附在其表面的液态工质的相关结构，换热器热交换面积大于1.0平方米；一个或者一组压差/速度-动力转换器；密封腔体内使用1.0～500.0个标准大气压的内部工作压力；使用临界点或工作压力下沸点高于冷源摄氏5.0～10度，并且低于热源摄氏5.0～10度的，混合物水溶液或者不含水的物质作为热量-动力交换工质，并且尽量选择分子量较大的物质，工作压力范围为常压、低中压、亚临界、临界直至高超临界状态范围；使用高强度铝合金、复合纤维增强材料之类在最高工作温度、最低工作温度之间可以保持足够强度的，低加工难度的材料制作密封的腔体；拥有一组管道、沟道、阀门、液体泵和可能的压力泵、动力转换工质储存设备、压力传感器、控制机构，用于完成装置启动功能、液-汽-液循环、检修各动作的一系列结构。
2.根据权利要求1所述的转换装置，其特征是：使用温暖空气或者温暖洋流或者浅层、表层海水作为热源或热源的一部分，使用负150米以下的深层海水作为冷源或冷源的一部分；用绝热并涂有阻止生物附着材料的，可以直接抽取冷、热源海水的管道，或者密封的绝热管道，其末端有热量传递结构，并且表面涂布有阻止生物附着生长的物质，或者粘附导热率比较高、厚度很薄、有阻止生物附着生长物质、并且能够较方便剥除更换的复合薄膜，内部使用掺有降低密度溶剂的浓盐水但不限定是盐水作为热量传递工质，添加能够降低管道内液体流动阻力的溶剂；热量-动力转换工质的临界点，或在工作压力下的沸点，范围为摄氏5.0度～摄氏50度；深水管道拥有比较高的强度，附着在足够强度的钢缆、复合纤维缆绳上，并且外覆有螺旋形或其他形状的坚硬材料；有必要时，布置有专门用于拖曳移动冷源/热源的部分管道和附属的热量传递结构的抗风浪工作船，甚至将完整的本装置安装在工作船或能源采集船上。
3.根据权利要求2所述的转换装置，其特征是：在权利要求2的结构之外，附加一系列的执行机构，可以比较方便地完成在浅水时，收回冷源或热源交换构件及管道动作，及深水时释放动作的执行机构；在管道、热交换构件断裂、破损、丢失时使用的简便替换设施；附属使用声呐预警装置、警告声音装置、警告颜色/警告图像装置、电击放电设备，或者足够强度、长度的防撞结构或者避撞结构；平衡鳍之类的，减轻移动时冷、热源交换构件、管道不必要的摇摆、沉浮的稳定性结构；管道、热交换构件目的是减少移动阻力的，特定的形状、结构或者外层物质，。
4.根据权利要求1所述的转换装置，其特征是：用现有类型的热电厂中间冷却水、燃料发动机尾气作为热源或热源的一部分，可方便取得的空气、天然水体作为冷源或冷源的一部分；热量-动力转换工质的沸点或临界点为摄氏30度～摄氏80度。
5.根据权利要求1所述的转换装置，其特征是：用未结冰海水、湖水作为热源，表层摄氏-10°～-70°海冰或者冷空气作为冷源，热量-动力转换工质工作压力的沸点或临界点为摄氏零下50度～零下2.0度；冷源传递介质为凝固点低于冷源的合适物质。

说明书全文

低温差动力源装置

所属技术领域

[0001] 本发明涉及一种利用低温差提供动力的装置，尤其是其中的高温源也低于摄氏80度的低温温差源类的新能源动力装置；本装置特别适合于深海岛礁、船舶、潜艇(本装置工作时不消耗空气，热源管道可以采用透明的有机材料)、海上平台等物质补充困难的场合提供动力，也适合距离深海比较近的陆地作为环保低碳能源(如东南亚很多国家、日本东海岸、美洲西海岸、非洲西海岸等地)，甚至适合应用于南极圈、北极圈等极端气候地区，是一款实用的环境友好型动力源。

背景技术

[0002] 目前，公知的温差能源装置一般适合于温度差高于摄氏60～70度的场合，较低温差的热量交换通常难以提供令人满意的有效输出，或者是装置成本高、效率低、运行消耗大等不足。

发明内容

[0003] 为了克服现有的温差动力装置在低温差源及满意输出方面不足，本发明提供一种低温热源型的动力装置，能实现降耗、环保的目的，即使在南、北极等极端地区或冬季某些地区也可以得到令人欣喜的动力输出。

[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

[0005] 一个或若干个承压密封腔体，另有热端换热器、压差动力转换器、冷端换热器、合适的温差动力转换工质，以及管道、阀门、液体泵、高压泵、储存罐和可能的控制单元，实现较低温差的两个温度源的热量交换转化为动力的转换。

[0006] 在有足够温差源的地方，如较深的海洋地区，热源为摄氏15度～45度的表层、浅层海水、或者海面的暖空气、或者温暖洋流；冷源为深度大于150米的水域，因为没有阳光带来的热量补充，同时热体辐射消耗热量，静止水的热传导能力差，以及水的密度最大点不是冰点的物理特性(水温继续降低时密度降低，会在上浮对流后，混合上层稍高温度的水，继续维持密度最大的温度)，水温会常年保持在最大密度的摄氏0～4度附近，即使是赤道的深水海域也是类似；

[0007] 在海水中特别是在深海海岛上应用时，冷热源的距离比较远，需要减少热量在传递过程的损失，管道可以使用绝热效果较好的泡沫化硅胶，或类似的低热传导系数、可以承受压力、耐腐蚀、足够轻便、成本低廉的材料，添加编织复合纤维之类作为骨架，或附着在钢缆、复合纤维缆绳上，使管道可以承受或者无需承受比较大的拉力；同时管道外覆有螺旋形或其他形状的坚硬材料保护；

[0008] 可以直接抽取冷、热源海水，但需要解决管道内壁生物附着生长后，增加阻力的问题，可以在管道内壁涂布可以阻止海洋生物附着生长的材料；也可以是密封的管道，密封管道末端使用高热传导率的耐腐蚀金属材料或足够强度的新型导热材料(比如导热陶瓷等)，构成有足够功率的热量传递结构，热量传递结构表面涂布氧化亚铜之类，可以阻止海洋生物附着生长的成分(可能仍需要清除维护)，或者粘附导热率比较高的薄层复合薄膜(比如掺有石墨粉末、金属/合金粉末的有机/无机薄膜)，含有阻止生物附着生长的成分，定期剥除更换，内部使用浓盐水作为热量传递工质，足够浓度的盐水可以抑制一般生物在管内的生长，即使管道泄漏，浓盐水也不会造成生态破坏，添加乙醚之类的可以降低粘稠度、降低密度的溶剂，降低管道内热量传递工质运动的阻力，在设计上注意管道内壁口径形状尽量减少变化降低损耗；需要注意的是浓盐水的密度大于普通海水，密封管道比较长，在足够深度时会因为与海水的密度差，导致较大的压力差，所以管道、管道终端的热传递结构均需要考虑承受压力；冷热源的使用量巨大(100MW的热量转换，按摄氏6度温度差计算，每小时需要1.5万吨海水)，同时考虑到维护问题，固定地点的本装置，冷源或热源的部分管道及末端热量交换结构，由一条专门用途的抗风浪工作船拖曳在小范围移动，工作船的动力可以由本装置提供，甚至整套装置就安装在工作船上，然后向较远的地方传递动力，或者就此收集并储存能源；

[0009] 温差动力转换工质可以考虑使用类似乙烯(临界温度摄氏9.2度，压力5.04MPa。远低于水的临界温度摄氏374度、压力22.13Mpa)，低毒性的，沸点、临界点低一些或高一点的物质，或其他合适的混合物，一般不含水，或者添加有单元成分/组合成分的水溶液，可以在常压或较高压力下将这种水溶液的沸点降低到摄氏50度以下(这种情况下，因为蒸发、冷凝，维持组分的比例可能会有一定的技术难度)；转换工质建议选择分子量比较大的有机物或者化合物，利于提高效率，当然此时需要注意这种工质在液态时对装置及构件的溶解、腐蚀问题，以及工质本身的化学稳定性；工作时承压腔内加有超过或接近临界的高压力，工质的临界温度比冷源温度稍高。当液态的工质被超过临界温度的热源加热，其吸收热量迅速汽化，继续加热气态的工质，得到过热蒸汽，增加腔内压力，得到转换效率最优的压力点；因为实际温度不高，腔体的承压材料可选择范围比较大，可以使用相对容易加工制造的高强度牌号铝合金制作，或者碳纤维之类高强度复合材料制作承压腔体，气态工质经过气液分离装置干燥后，冲击叶片、活塞甚至现成的风动马达等压差/速度-动力转换装置，做功输出动力，工质做功后压力降低、温度也降低，气态工质被冷源冷却后液化，或者做功后工质直接液化，液化的工质在装置的沟道结构内自然流回，或者加动力由管道输送回热端换热器位置，循环工作，将热源、冷源的温差转化为叶片、活塞、气动马达等的机械运动，输出动力；其中一部分动力直接或间接用于将冷源、热源传递到本装置；腔体与管道的设计压力差别比较大，所以冷热源的热量传递均需经过承压材料；热传递功率与温差成正比，冷源或热源的输送阻力不一样，设计中间温度(即工质的沸点，或者工质的临界点)时需要综合考虑到双方输送动力的优化分配；冷端热交换器需要注意留足余量或采取措施，解决冷凝的工质附着在交换器表面对交换器热传导能力的阻碍，比如可以将这部分换热器分成若干组，间隔一段时间交替更换为超过临界温度的接近排出温度的冷却工质，汽化换热器表面附着的转换工质；

[0010] 按照气体压力方程pV＝nRT，我们可以得出在一定范围内，温度越高压力就越高，同时气体的密度也会越大，蕴含的热量增大，热量-动力转换效率提高，但相应的腔体成本会升高；因为温度差比较小，腔内压力可能比较大，以及腔体尺寸限制，可以插入垂直于腔壁的(至少不是平行于腔壁)，能承受足够压力的真空热导管之类结构，增加热传导面积、功率；腔体、管道、泵、阀等外壁均覆盖低热导率的保温结构，在不增加太多成本的情况下，尽量降低不必要的热量损失；本装置在使用常压腔体或者低压强腔体时，不增加额外的压力，温差动力转换工质相应修改，装置成本可能会大幅降低，毕竟这类温差源的获取几乎没有成本，就算转换效率不理想，仍然有足够的实用价值，此时装置相应可能比较庞大；

[0011] 在极地的极端气候环境地区或者冬季气温低于摄氏零度时，本装置反过来使用摄氏0～4度的深层海水、冰底湖水或者可能的暖洋流作为热源，冰或者冷空气作为冷源，利用这种低温差热源间的热量交换转换一样可以得到动力，这个时候冷源的热量难以直接用浓盐水来传递，可以使用凝固温度比较低、粘度也比较低的正戊烷、异戊烷之类在这个温度范围的热量传递工质，温差转换工质当然也改用临界点或者沸点比较低的工质，此时需要注意的问题是承压腔体受力材料的冷脆性，成本上考虑时，这类场合可以考虑使用常压或压力不高的腔体；

[0012] 在船舶舰艇上使用时，还需要考虑：冷源或热源交换构件及管道，在浅水时收回动作及深水时释放动作的完成，在深水区域移动时规避与海洋生物、泥火山、船舰等碰撞，移动时冷、热源交换构件的摇摆、沉浮，移动时管道、热交换构件的阻力，预防管道断裂、破损、丢失。收起及释放管道及冷热源交换构件，有很多可行的方案；规避碰撞可以在船前部安装预警声呐，安装声音设备、发光、警告颜色/警告图像设备、放电电击设备、足够长度/强度的防撞链条等生物驱赶装置，规划专用航道；摇摆可以在交换构件上添加平衡鳍、导流管；减小阻力没有好办法，可以将管道的截面设计为在流体中阻力最小的水滴形状，交换构件也类似处理，还可以尝试仿生，在表面覆盖模拟鱼鳞纹之类形状的耐盐胶膜，另外需要携带的燃料大幅减少，可以考虑增加在船、艇上本装置的功率，抵消阻力的影响；海洋情况复杂，管道可能断裂、破损、丢失，可以考虑增加定时、超压等条件触发后增加浮力的装置，将丢失的交换构件、管道带出水面，便于回收，当然这样做可能会带来其他风险，如果成本相对不高，可以不考虑回收，增加方便更换的备件即可，毕竟船上工作人员不多。本装置还可以使用在很多场合：比如远洋能源收集船、燃油发动机尾气利用、热电厂中间冷却水利用，在这里中间冷却水的定义是，将汽轮机排出的乏蒸汽冷凝为液态蒸馏水用的输出温度大于摄氏60度的冷却水部分；

[0013] 同样的思路，现有的热电站，使用亚临界、超临界蒸馏水工质，其温度高达摄氏500～600度，压力超过28MPa，虽然效率不错，但因为温度相当高，很多部件的使用环境恶劣，成本高昂，制造难度大，而且水的临界温度摄氏374度，约647K，与摄氏600度/873K开尔文倍数关系仅约1.35；也许选择合适的工质，合理降低温度，提高工作压力，比如临界温度设计为摄氏50度/323K，蒸汽输出温度设计为摄氏200度/473K，其倍数关系提高为1.46，按照气体压力方程，压差明显增加，材料工作温度由摄氏600度，降低为摄氏200度，另外水的分子量仅有18，明显偏低，乙烯分子量是28；我们可能可以设计出成本低廉，制造工艺要求大幅降低，维持高效率，甚至可以提高效率的新型热电站；

[0014] 本发明的有益效果是，可以使用温差比较小的冷、热源的热量交换得到动力输出。除了可以用于合适的海洋地区，还可以令人意外的在气温极低的南北极合适地区，找到温差源转换得到动力，减少化石燃料的使用，减轻人类活动对极地环境的破坏。
附图说明

[0015] 下面结合附图进一步说明。附图是本发明的主体结构示意图。

[0016] 图中(1)承压腔体，(2)、(3)热端换热器、冷端换热器，(4)低压差动力转换器，(5)、(6)热源、冷源热交换工质，(7)、(10)为阀门，(8)工质输送泵，(9)高压加压泵或工质储存设备。

具体实施方式

[0017] 作为低温差动力源时，将动力转换工质通过阀门(10)由压力泵或储存设备(9)压入承压腔体(1)冷却侧，通入冷源(6)，达到一定液位和工作压力后，开启承压腔内由冷却侧到加热侧的转换工质输送阀门(7)、泵(8)，通入热源(5)，动力转换工质被热端换热器(2)传递的热量加热达到临界温度，继续吸收热量，沸腾汽化，汽化的蒸汽被热源继续加热，成为超临界过热蒸汽，压力继续升高，加热侧气体压力高于冷却侧，冲击叶片或活塞等，即图示(4)低压差动力转换器，做功输出动力，高压气体做功后压力降低，温度降低，进入冷却侧，被冷端换热器(3)内的冷源工质降温冷凝为液态，到达一定的液位后，被工质输送泵加压送回加热侧，完成将温度差转换为动力的液-汽-液循环过程，以及在必要时，将工质压回储存设备(9)，待承压腔(1)内压力下降到安全值后，安全排出剩余工质气体，进行检修工作。

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