CN102325965B - 具有串联的几个热泵的发电设备 - Google Patents

Abstract

一种发电设备(1)，包括：第一热泵(3)，设置有：第一闭合回路(15)，第一热传导流体在所述第一闭合回路(15)中循环；以及在所述第一热传导流体与大气空气的气流之间的第一热交换器(17)，在所述第一热交换器(17)中所述大气空气的气流向所述第一热传导流体传递一定量的热；至少一个第二热泵(5)，设置有：第二闭合回路(23)，第二热传导流体在所述第二闭合回路(23)中循环；以及在所述第二热传导流体与第三热传导流体之间的第二热交换器(25)，在所述第二热交换器(25)中所述第二热传导流体向所述第三热传导流体传递一定量的热；用于从所述第一热传导流体向所述第二热传导流体传递一定量的热的装置；第三闭合回路(9)，所述第三热传导流体在所述第三闭合回路(9)中循环；涡轮机(11)，插置在所述第三闭合回路(9)中，并由所述第三热传导流体驱动；发电机(13)，由所述涡轮机(11)机械驱动。

Description

具有串联的几个热泵的发电设备

技术领域

本发明总体上涉及发电设备。

背景技术

迄今已知的发电设备促使全球变暖(化石燃料或生物质燃料产品)或者它们对于全球变暖问题而言是中性的(水电站、风力发电场、核电站)。以太阳能运行的发电设备通过将太阳能转换为电能从而对减少全球变暖有贡献。然而由于仅能够在低温利用太阳的热量，所述太阳能装置通常功率不大。为了升高温度，必须聚集太阳光线，这在技术上是复杂的。

太阳能从而可用于对水或空气进行加热，但它仍不适于电能的大量生产。当前的光电池仅能够提供少量的电能。

此外，已知热泵允许在高于环境空气的温度下产生热量。热泵从环境空气吸收能量，并通常以相对于环境空气30到40℃数量级的温度差输出热量。所述机器不适于产生电能，因为在热泵的热点与冷点之间的温度差较低。

发明内容

在这个背景下，本发明阐述了提出一种用于发电的设备，其对限制全球变暖有贡献，并允许以可接受的效率产生大量电。

为此，本发明涉及一种发电设备，包括：

-第一热泵，设置有：第一闭合回路，第一热传导流体在其中循环；以及在所述第一热传导流体与大气空气的气流之间的第一热交换器，在其中所述大气空气的气流向所述第一热传导流体传递一定量的热；

-至少一个第二热泵，设置有：第二闭合回路，第二热传导流体在其中循环；以及在所述第二热传导流体与第三热传导流体之间的第二热交换器，在其中所述第二热传导流体向所述第三热传导流体传递一定量的热；

-用于从所述第一热传导流体向所述第二热传导流体传递一定量的热的装置；

-第三闭合回路，所述第三热传导流体在其中循环；

-涡轮机，插置在所述第三闭合回路中，并由所述第三热传导流体驱动；

-发电机，由所述涡轮机机械驱动。

所述发电设备还可以单独地或者以任何技术上可能的组合方式具有一个或多个以下特性：

-用于从所述第一热传导流体向所述第二热传导流体传递一定量的热的所述装置包括第三热泵，设置有：第四闭合回路，第四热传导流体在其中循环；在所述第一热传导流体与所述第四热传导流体之间的第三热交换器，所述第一热传导流体在其中向所述第四热传导流体产出一定量的热；以及在所述第四热传导流体与所述第二热传导流体之间的第四热交换器，所述第四热传导流体在其中向所述第二热传导流体产出一定量的热；

-所述第一热传导流体在所述第三热交换器入口处具有在18到22巴(bar)之间的压力和在220到270℃之间的温度，所述第一热传导流体在所述第一热交换器入口处具有在2到6巴之间的压力和0到20℃之间的温度；

-所述第四热传导流体在所述第四热交换器入口处具有在17到22巴之间的压力和在290到330℃之间的温度，所述第四热传导流体在所述第三热交换器入口处具有在2到6巴之间的压力和在30到70℃之间的温度；

-所述第二热传导流体在所述第二热交换器入口处具有在13到17巴之间的压力和在340到390℃之间的温度，所述第二热传导流体在所述第四热交换器入口处具有在1到5巴之间的压力和在90到130℃之间的温度；

-所述第三闭合回路包括第一和第二环路，所述第三热传导流体在其中循环；所述第一和第二环路中的每一个环路都具有热线(hot line)，将所述第二热交换器的出口与所述涡轮机的高压入口相连接；所述第一环路具有第一反馈线，将所述涡轮机的低压出口连接到所述第二热交换器的入口；所述第二环路具有：在所述第一热传导流体与所述第三传导流体之间的、所述第三热传导流体在其中向所述第一热传导流体产出一定量的热的中间热交换器，将所述涡轮机的低压出口连接到所述中间热交换器入口的中间线，以及将所述中间交换器的出口与所述第二热交换器的入口相连接的第二反馈线；

-所述第一热传导流体主要包括丙烷；

-所述第二热传导流体主要包括己烷；

-所述第四热传导流体主要包括丁烷；

-所述第三热传导流体主要包括水。

附图说明

参考所附的单个附图，依据以下作为说明的非限制性详细描述，本发明的其他特点和优点会变得明显，附图示出了根据本发明的发电设备。

具体实施方式

附图中所示的设备旨在用于发电。其包括插置在水/蒸汽回路中的汽轮机，借助串联设置的几个热泵来获得向涡轮机供应高压水蒸汽所需的热。因此，产生高压蒸汽所需的热量主要取自于大气。

更具体地，发电设备包括：

-第一、第二和第三热泵3、5和7；

-水/蒸汽回路9；

-汽轮机11，插置在水/蒸汽回路9中；

-发电机13，由涡轮机11机械驱动。

第一热泵3包括：第一闭合回路15，第一热传导流体在其中循环；在第一热传导流体与大气空气之间的第一热交换器17，压缩机19和膨胀阀21。

第一热传导流体主要包括丙烷。有利地，第一热传导流体是工业纯丙烷。

第一热交换器17包括：第一侧，大气空气在其中循环；以及第二侧，丙烷在其中循环。优选地，所述设备包括用于迫使空气在热交换器17的第一侧循环的装置。这些装置例如可以包括风扇或者任何类型的类似装置。

第二热泵5包括：第二闭合回路23，第二热传导流体在其中循环；在第二热传导流体与在水/蒸汽回路9中循环的流体之间的第二热交换器25；压缩机27和膨胀阀29。

第二热传导流体主要包括己烷。例如，第二热传导流体是工业纯己烷。

第二热交换器25包括：第一侧，第二热传导流体在其中循环；以及第二侧，水在其中以液体或蒸汽形式循环。水构成了第三热传导流体。

在水/蒸汽回路9中循环的水以蒸汽形式经由入口31并以液体形式经由入口33进入热交换器25，接收第二热传导流体产生的热，并以蒸汽形式经由出口35和37离开热交换器25。

第三热泵7包括：第三闭合回路39，第四热传导流体在其中循环；在所述第四热传导流体与第一热泵3的第一热传导流体之间的第三热交换器41；在所述第四热传导流体与第二热泵5的第二热传导流体之间的第四热交换器43；压缩机45和膨胀阀47。热交换器41具有：第一侧，第一热传导流体在其中循环；以及第二侧，第四热传导流体在其中循环。

第四热交换器43具有：第一侧，第四热传导流体在其中循环；以及第二侧，第二热传导流体在其中循环。

第四热传导流体优选地主要包括丁烷。例如，第四热传导流体是工业纯丁烷。

水/蒸汽回路9包括第一和第二环路49和51。相同的热传导流体在两个环路中循环。

第一环路49包括第一热线53，将第二热交换器的蒸汽出口35与涡轮机11的高压入口55相连接。第一环路还包括反馈线57，将涡轮机的低压出口59与第二热交换器的蒸汽入口31相连接。第一环路49还包括插置在第一热线53上的压缩机61。

水/蒸汽回路的第二环路51包括第二热线，将热交换器25的第二蒸汽出口37与汽轮机的高压入口55相连接。

第二环路还包括：在第一热传导流体与第三热传导流体之间的中间热交换器65，将汽轮机的低压出口59与中间交换器的入口69相连接的中间线67，以及将中间交换器的出口73与第二热交换器25的液体入口33相连接的第二反馈线。第二环路还包括插置在反馈线71上的压缩机75。

中间交换器65包括：第一侧，第一热传导流体在其中循环；以及第二侧，第三热传导流体在其中从入口69到出口73循环。

闭合回路15将压缩机19的排放口(discharge)与热交换器41的第一侧的入口相连接。回路15还将所述第一侧的出口与膨胀阀21的入口相连接。膨胀阀21的出口由回路15与热交换器17的第二侧的入口相连接。该回路还将交换器17的第二侧的出口与交换器65的第一侧的入口相连接，并将交换器65的第一侧的出口与压缩机19的抽吸口(suction)相连接。

第一热传导流体在交换器17的出口与交换器41的入口之间是气态的。它在交换器41的出口与交换器17的入口之间是液态的。在交换器17中，第一热传导流体与在该交换器的第一侧循环的空气热接触。空气向第一热传导流体传热。第一热传导流体在通过第一热交换器17时被汽化。

在中间交换器65中，在该交换器的第一侧上循环的第一热传导流体与在该交换器的第二侧上循环的蒸汽进行热接触。蒸汽在通过中间交换器时至少部分地被冷凝，并向第一热传导流体传热。

在热交换器41的第一侧上循环的第一热传导流体与在交换器41的第二侧上循环的第四热传导流体进行热接触。第一热传导流体在通过交换器41时被冷凝，并向第三热传导流体传热。

第三闭合回路39将压缩机45的排放口与热交换器43的第一侧上的入口相连接。它还将热交换器43的所述第一侧的出口与膨胀阀47的入口相连接。闭合回路39还将膨胀阀47的出口与热交换器41的第二侧的入口相连接。最后，回路39将交换器41的所述第二侧的出口与压缩机45的抽吸口相连接。

如上指出的，第四热传导流体在通过热交换器41时与第一热传导流体进行热接触，所述第四热传导流体从其接收热量。第四热传导流体在热交换器41中被汽化。第四热传导流体在通过热交换器43的第一侧时与在交换器43的第二侧上循环的第二热传导流体进行热接触。第四热传导流体在通过热交换器43时被冷凝，并向第二热传导流体传热。

第四热传导流体在热交换器41的第二侧的出口与热交换器43的第一侧的入口之间处于气态。它在交换器43的第一侧的出口与交换器41的第二侧的入口之间处于液态。

第二闭合回路23将压缩机27的排放口与热交换器25的第一侧的入口相连接。它还将热交换器25的第一侧的出口与膨胀阀29的入口相连接。回路23还将膨胀阀29的出口与交换器43的第二侧的入口相连接，并将所述第二侧的出口与压缩机27的抽吸口相连接。第二热传导流体在通过热交换器43的第二侧时与第四热传导流体进行热接触。它在通过交换器43时从第四热传导流体接收热量并被汽化。

第二热传导流体在热交换器25中与第三热传导流体进行热接触。当通过热交换器25的第一侧时，它被冷凝并向第三热传导流体传热。

第二热传导流体在交换器43的第二侧的出口与热交换器25的第一侧的入口之间处于气态。它在热交换器25的第一侧的出口与热交换器43的第二侧的入口之间处于液态。

热交换器25例如是双区交换器，第一区允许加热在第一环路中循环的蒸汽，第二区允许汽化在第二环路中循环的水。在热交换器25的第一侧上循环的第二热传导流体首先被设置为与在第二环路中循环的流体进行热接触，随后设置为与在第一环路中循环的流体进行热接触。热交换器25的第二侧包括两个分离的回路，一个回路在入口33与出口37之间，另一个回路在入口31与出口35之间。在这两个回路中的流体是分离的。

水在出口35与涡轮机的高压入口之间的第一环路中处于蒸汽状态。它在涡轮机的低压出口59与第二热交换器的入口31之间处于接近于饱和温度的蒸汽状态。在第二环路中，水在第二热交换器的出口37与涡轮机的高压入口55之间处于蒸汽状态。它在涡轮机的低压出口59与中间交换器65的入口69之间处于接近于饱和温度的蒸汽状态。蒸汽在交换器65中至少部分地被冷凝。水在压缩机75的排放口与第二热交换器的入口33之间是液体形式。

现在将详细描述上述设备的运行。

在热交换器17的第二侧上循环的大气空气向第一热传导流体传送其热量。例如，大气空气在交换器17的入口与出口之间具有12℃的温度差。大气空气的流量约为1百万m³/h。例如，空气在交换器17的入口处具有12℃的温度，在交换器17的出口处具有0℃的温度。

第一闭合回路15中的丙烷的流量约为40t/h。丙烷在交换器17中被汽化。它具有4巴的压力，在交换器17的入口处温度是0℃或者约为0℃，在交换器17的出口处温度是10℃。丙烷在中间交换器65中被加热。它在中间交换器65的出口处具有4巴的压力及约为179℃的温度。丙烷由压缩机19压缩，且在压缩机19的排放口具有20巴的压力，及约为245℃的温度。当通过热交换器41时，丙烷被冷凝。在热交换器41的出口处，它具有约20巴的压力和约60℃的温度。丙烷最终在通过膨胀阀21时经过膨胀，在这个阀的出口处具有4巴的压力和约0℃的温度。

在第四闭合回路39中循环的丁烷在热交换器41的入口处具有4巴的压力和约为50℃的温度。它在通过这个交换器时被汽化并在出口处具有4巴的压力和240℃或者约为240℃的温度。丁烷随后由压缩机45压缩为19巴的压力和约310℃的温度。它在通过热交换器43时被冷凝，且在热交换器43的出口处具有约为19巴的压力和约为116℃的温度。丁烷随后在通过膨胀阀47时被膨胀为4巴的压力和约50℃的温度。在第四闭合回路中的丁烷流量约为52t/h。

在第二闭合回路23中己烷的流量约为50t/h。它在热交换器43的入口处具有2.5巴的压力和110℃的温度。己烷在热交换器43中被汽化，且在交换器43的出口处具有2.5巴的压力和305℃的温度。己烷随后由压缩机27压缩为15巴的压力和365℃的温度。己烷在通过热交换器25时被冷凝并在通过膨胀阀29时经过膨胀。

在第三闭合回路9中水的流量总计约为65.2t/h。在第一环路中的水流量约为62t/h，在第二环路中的水流量约为3.2t/h。在第二热交换器的入口31处，在第一环路中循环的蒸汽具有9巴的压力和约为180℃的温度。它在通过热交换器25时被过度加热，在出口35处的蒸汽具有9巴的压力和约为360℃的温度。蒸汽由压缩机61压缩为30巴的压力和405℃的温度。

在第二环路中循环的水在第二热交换器的出口33处具有30巴的压力和约为180℃的温度。该水在热交换器25中被汽化成约为370℃的温度和约为30巴的压力。第一和第二环路都连接到涡轮机的相同入口55。作为变型，它们可以连接到不同的入口。

蒸汽驱动涡轮机且同时经过膨胀。它在涡轮机的低压出口处具有9巴的压力和约为180℃的温度。

蒸汽被再分为两个气流，部分流向第一环路的反馈线57，部分流向第二环路的中间线67。

蒸汽在中间交换器65中至少部分地被冷凝，压力和温度基本保持恒定。在压缩机75的入口处的水具有9巴的压力和180℃的温度，它在所述压缩机的排放口处具有30巴的压力的180℃的温度。

设备的能量平衡如下：大气空气向丙烷传递约3 700 000卡/小时。丙烷在中间交换器中接收约1 660 000卡/小时。在被压缩机19压缩时，它还接收约550 000卡/小时。丙烷向热交换器41中的丁烷传递约5 900 000卡/小时。

丁烷随后在被压缩机45压缩时接收约600 000卡/小时，它在交换器43中传递约6 500 000卡/小时。

己烷在被压缩机27压缩时接收约600 000卡/小时。它在热交换器25中向水传递约7 000 000卡/小时。此外，在第一环路中循环的水在被压缩机61压缩时接收约550 000卡/小时。没有考虑在被压缩机75压缩时由在第二环路中循环的水接收的能量。

因此，在考虑由第二环路的蒸汽在中间交换器65中传递的热量的情况下，提供给涡轮机的能量约为6 000 000卡/小时。涡轮交流发电机组件11和13电产率约为70％。交流发电机13因此产生约4 000 200卡/小时的电，即4900kW的电功率。

不同压缩机19、27、45、61和75的电消耗分别为750kW、900kW、900kW、800kW、20kW。打算用于迫使大气空气通过交换器17循环的风扇的消耗估计为约100kW。

发电设备因此具有约1400kW的正能量平衡。

前述发电设备具有多个优点。

由于该设备包括：

-第一热泵，设置有：第一闭合回路，第一热传导流体在其中循环；以及在所述第一热传导流体与大气空气气流之间的第一热交换器，在其中所述大气空气气流向所述第一热传导流体传递一定量的热；

-至少一个第二热泵，设置有：第二闭合回路，第二热传导流体在其中循环；以及在所述第二热传导流体与第三热传导流体之间的第二热交换器，在其中所述第二热传导流体向所述第三热传导流体传递一定量的热；

-用于从所述第一热传导流体向所述第二热传导流体传递一定量的热的装置；

-第三闭合回路，所述第三热传导流体在其中循环；

-涡轮机，插置在所述第三闭合回路中，并由所述第三热传导流体驱动；以及

-发电机，由所述涡轮机机械驱动。

该发电设备从环境取热同时发电。设备由以下事实获益：在热泵中每施加1kW的能量，尤其是用于热传递气体的压缩，都可以获得5kW的热能。通过将几个热泵串联设置，一个接着另一个，可以在每一步骤升高热传导流体的温度，直至允许产生足以驱动与发电机耦接的汽轮机的蒸汽的温度。因此，使用几个串联热泵的事实意味着可以克服热泵的缺点，即它们仅允许在吸热流与热泵输出的热流之间小的温度差。

选择热传导流体以使得在给定热泵中流体的冷凝温度基本上对应于在随后串联热泵中热传导流体的沸点温度。

因此，通过用压缩机压缩每一个热传导流体，随后通过热交换而用更易挥发的流体冷凝每一个热传导流体，这个步骤之后是膨胀，可以使得每一个热传导流体的热量由随后串联热泵中使用的不易挥发的流体吸收。以此方式，逐级获得热传导流体温度的递增，直至达到约为400℃的温度。

串联的两个热泵就足以发电，但有利地使用至少三个以获得足够的能量产量。

在三个串联设置的热泵中使用丙烷、丁烷和己烷作为热传导流体是尤其有利的，因为这些流体具有非常适合于所针对目的的特性。

类似地，以上针对三个热泵的热传导流体描述的压力和温度曲线也是尤其适合的。

通过将蒸汽回路再分为两个环路，其中一个环路用于在压缩前过度加热第一热泵的热传导流体，可以优化设备的总能量产率。涡轮机/交流发电机组件的电产率因此高于60％，例如为70％的量级。

上述发电设备进行多种变形。

相对于要获得的功率和使用的热传导流体，它可以仅包括一个接着另一个串联的两个热泵或三个热泵，或者多于三个热泵。

不同热泵中使用的热传导流体可以是任何类型的，只要用于给定热泵中的一个热传导流体的冷凝温度基本上对应于随后串联热泵中使用的热传导流体的沸点温度。

此外，相对于要传递的热功率和使用的热传导流体，压力和温度曲线可以针对每一个热泵而变化。

水/蒸汽回路可以仅包括单个环路。

在第二热传导流体与水之间的热交换器25可以由具有几个区的一个交换器组成，或者可以由物理上彼此独立的几个热交换器组成。

Claims (10)

1.一种发电设备（1），包括： 

-第一热泵（3），设置有：第一闭合回路（15），第一热传导流体在所述第一闭合回路（15）中循环；以及在所述第一热传导流体与大气空气的气流之间的第一热交换器（17），在所述第一热交换器（17）中所述大气空气的气流向所述第一热传导流体传递一定量的热； 

-至少一个第二热泵（5），设置有：第二闭合回路（23），第二热传导流体在所述第二闭合回路（23）中循环；以及在所述第二热传导流体与第三热传导流体之间的第二热交换器（25），在所述第二热交换器（25）中所述第二热传导流体向所述第三热传导流体传递一定量的热； 

-用于从所述第一热传导流体向所述第二热传导流体传递一定量的热的装置； 

-第三闭合回路（9），所述第三热传导流体在所述第三闭合回路（9）中循环； 

-涡轮机（11），插置在所述第三闭合回路（9）中，并由所述第三热传导流体驱动； 

-发电机（13），由所述涡轮机（11）机械驱动； 

-所述第三闭合回路（9）包括第一环路（49）和第二环路（51），所述第三热传导流体在所述第一环路（49）和所述第二环路（51）中循环；所述第一环路（49）和所述第二环路（51）中的每一个环路都具有热线（53，63），所述热线（53，63）将所述第二热交换器（25）的出口（35，37）与所述涡轮机（11）的高压入口（55）相连接；所述第一环路（49）具有第一反馈线（57），所述第一反馈线（57）将所述涡轮机（11）的低压出口（59）与所述第二热交换器（25）的入口（31）相连接；所述第二环路（51）具有：在所述第一热传导流体与所述第三热传导流体之间的中间热交换器（65）、将所述涡轮机（11）的低压出口（59）与所述中间热交换器（65）的入口（69）相连接的中间线（67）、以及将所述中间热交换器（65）的出口（73）与所述第二热交换器（25）的入口（33）相连接的第二反馈线（71），其中所述第三热传导流体在所述中间热交换器（65）中向所述第一热传导 流体传递一定量的热。 

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于：用于从所述第一热传导流体向所述第二热传导流体传递一定量的热的所述装置包括第三热泵（7），所述第三热泵（7）设置有：第四闭合回路（39），第四热传导流体在所述第四闭合回路（39）中循环；在所述第一热传导流体与所述第四热传导流体之间的第三热交换器（41），所述第一热传导流体在所述第三热交换器（41）中向所述第四热传导流体传递一定量的热；以及在所述第四热传导流体与所述第二热传导流体之间的第四热交换器（43），所述第四热传导流体在所述第四热交换器（43）中向所述第二热传导流体传递一定量的热。 

3.如权利要求2所述的设备，其特征在于：所述第一热传导流体在所述第三热交换器（41）的入口处具有在18到22巴之间的压力和在220到270℃之间的温度，所述第一热传导流体在所述第一热交换器（17）的入口处具有在2到6巴之间的压力和0到20℃之间的温度。 

4.如权利要求2或3所述的设备，其特征在于：所述第四热传导流体在所述第四热交换器（43）的入口处具有在17到22巴之间的压力和在290到330℃之间的温度，所述第四热传导流体在所述第三热交换器（41）的入口处具有在2到6巴之间的压力和在30到70℃之间的温度。 

5.如权利要求2或3所述的设备，其特征在于：所述第二热传导流体在所述第二热交换器（25）的入口处具有在13到17巴之间的压力和在340到390℃之间的温度，所述第二热传导流体在所述第四热交换器（43）的入口处具有在1到5巴之间的压力和在90到130℃之间的温度。 

6.如权利要求1到3中任意一项所述的设备，其特征在于：所述第一热传导流体主要包括丙烷。 

7.如权利要求1到3中任意一项所述的设备，其特征在于：所述第二 热传导流体主要包括己烷。 

8.如权利要求2或3所述的设备，其特征在于：所述第四热传导流体主要包括丁烷。 

9.如权利要求1到3中任意一项所述的设备，其特征在于：所述第三热传导流体主要包括水。 

10.如权利要求1到3中任意一项所述的设备，其特征在于：所述涡轮机（11）和所述发电机（13）共同具有高于60%的电产率。 

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