极寒地带动力驱动系统及其驱动方法

摘要

本发明公开了一种极寒地带动力驱动系统及其驱动方法，第一换热器用于设置在极寒地带高温区，第二换热器用于设置在极寒地带低温区；介质贮罐内的循环介质通过增压装置提压输送至第一换热器输入端，第一换热器输出端用于连接膨胀机气源输入端，膨胀机气源输出端与第二换热器输入端连接，第二换热器输出端与介质贮罐连接。介质贮罐内的液体介质经过增压装置提压，升压后的液体介质由第一换热器获取环境热量气化并过热，高压过热形成的气体介质驱动膨胀机对外输出机械能，膨胀机出口的气体介质由第二换热器获取环境冷量冷冻液化为液体介质，输送至介质贮罐内，至此完成循环，实现系统对外输出机械能，本发明实现了极寒地带的能源转化。

说明书

技术领域

本发明属于能源利用系统领域，特别涉及一种极寒地带动力驱动系统及其驱动方法。

背景技术

极寒地带，例如南极、北极和其他极地环境有着丰富的低温冷源，同时也存在着丰富的海水、地热、太阳能的热源，但是目前很少有设备能够利用这部分能源，通常是利用太阳能来驱动电气设备。可是单单只利用太阳能，是满足不了能量需求的。

现有技术中公开了气体冷凝及低温工质发电系统，包括低温发电装置和乏汽回收装置；所述低温发电装置与所述乏汽回收装置首尾连通形成闭环；所述低温发电装置包括依次连通的低温液体泵、主换热器、低温工质汽轮机或膨胀机，所述乏汽回收装置包括乏汽回热器。乏汽回收装置还包括发电装置的所述低温工质汽轮机或膨胀机、乏汽回热器的高温管路和所述低温工质存储器；所述低温工质汽轮机或膨胀机、所述乏汽回热器的高温管路、所述低温工质存储器依次连通。但是该装置不仅需要对进入的气体进一步进行冷凝、压缩，需要更复杂的设置。因此对设置的优化，工艺的调整对极寒地带的能源转化是目前亟需要解决的技术问题，例如转化为动能或电能。

发明内容

鉴于背景技术所存在的技术问题，本发明所提供的极寒地带动力驱动系统及其驱动方法，通过本发明的极寒地带动力驱动的系统可以较好的利用这些冷源、热源，并输出相应的机械能，用于设备的运转、发电等，从而补充极寒地带的能源来源。

为了解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案来实现：

一种极寒地带动力驱动系统，包括介质贮罐、第一换热器和第二换热器，第一换热器用于设置在极寒地带高温区，第二换热器用于设置在极寒地带低温区；介质贮罐内的循环介质通过增压装置提压输送至第一换热器输入端，第一换热器输出端用于连接膨胀机气源输入端，膨胀机气源输出端与第二换热器输入端连接，第二换热器输出端与介质贮罐连接。

所述的第一换热器输出端设有第一调节阀，第二换热器输出端设有第二调节阀。

所述的介质贮罐设有介质补充管道和介质排放管道，介质补充管道上设有进料阀，介质排放管道上设有出料阀。所述的增压装置为压力提升泵。

采用本申请所述的极寒地带动力驱动系统进行的驱动方法，包括以下步骤：

S1：将第一换热器设置在极寒地带高温区，第二换热器设置在极寒地带低温区；第一换热器和第二换热器位置确定并安装后，再将介质贮罐、增压装置和膨胀机按照工艺图进行安装；循环介质根据极寒地带高温区和极寒地带低温区温度来选择，具有在极寒地带低温区受控液化、极寒地带高温区受控气化的性质，即具有极寒地带环境中气态与液态互相转化的性质；

S2：介质贮罐内的液体介质经过增压装置提压，升压后的液体介质由第一换热器获取环境热量气化并过热，高压过热形成的气体介质驱动膨胀机对外输出机械能，膨胀机出口的气体介质由第二换热器获取环境冷量冷冻液化为液体介质，输送至介质贮罐内，至此完成循环，实现系统对外输出机械能，即可完成极寒地带的动力驱动。

作为S2的优选步骤，贮罐内低温低压的液态介质经增压装置提升至高压液体，高压的液体介质进入第一换热器由极寒地带高温区获取热量、气化过热；第一换热器输出的高压过热的气体介质进入接膨胀机做功，由膨胀机对外输出机械能，膨胀机输出低温低压的气体介质；膨胀机输出低温低压的气体介质进入第二换热器由极寒地带低温区冷冻液化为低温低压的液体介质；第二换热器输出的低温低压液体介质回流至介质贮罐，完成介质循环，系统完成对外输出机械能。

S3：保障膨胀机运行。第一换热器出口气体介质的过热度由第一调节阀控制压力得以控制，即根据第一换热器出口气体介质温度控制，压力控制的高第一换热器出口气体介质的过热度就低、压力控制的低第一换热器出口气体介质的过热度就高；保障膨胀机出口气体介质的温度由第二调节阀控制压力得以控，即根据膨胀机出口介质的压力控制膨胀机出口介质的温度，压力控制的高膨胀机出口介质的温度就高、压力控制的低高膨胀机出口介质的温度就低，以适宜环境温度对高膨胀机出口介质的冷冻液化。

所述的极寒地带包括温度低于-30℃以下的南极、北极或极地环境的冷源，以及以海水、地热、太阳能的热源；其中冷源即为极寒地带低温区，热源即为极寒地带高温区。

所述的介质贮罐内装有液体介质，液体介质的沸点高于极寒地带低温区的环境温度并低于极寒地带高温区的环境温度。

所述的液体介质包括液体二氧化碳、液体丙烯、液体氨中的任意一种。

增压装置提压至0.3-5MPa；膨胀机输出功率为400-600 kW。

作为本发明的另一优选方案中，采用本发明的驱动装置进行的驱动方法中不限于极寒地带，也适用于温差大于20℃的环境；所述的液体介质选自温差范围内的介质，即低于高温环境，高于低温环境温度的液体介质。

采用本发明的技术方案能够在液态介质条件下实现极寒地带的能源转化，例如转化为动能或电能。属于绿色环保装置及工艺方法。

附图说明

图1为极寒地带动力驱动系统结构示意图，其中，1. 介质贮罐，2. 增压装置，31.第一换热器，32. 第二换热器，41. 极寒地带高温区，42. 极寒地带低温区，5. 膨胀机，61.第一调节阀，62. 第二调节阀，71. 进料阀，72. 出料阀。

具体实施方式

实施例1

一种极寒地带动力驱动系统，包括介质贮罐1、第一换热器31和第二换热器32，其特征在于，第一换热器31用于设置在极寒地带高温区41，第二换热器32用于设置在极寒地带低温区42；介质贮罐1内的循环介质通过增压装置2提压输送至第一换热器31输入端，第一换热器31输出端用于连接膨胀机5气源输入端，膨胀机5气源输出端与第二换热器32输入端连接，第二换热器32输出端与介质贮罐1连接。

所述的第一换热器31输出端设有第一调节阀61，第二换热器32输出端设有第二调节阀62。

所述的介质贮罐1设有介质补充管道和介质排放管道，介质补充管道上设有进料阀7），介质排放管道上设有出料阀72。

所述的增压装置2为压力提升泵。

1. 介质贮罐（ZJTZ-100-YA，山东中杰特种设备有限公司），2. 增压装置（成都深冷液化设备股份有限公司），31. 第一换热器（冀州区程祥翅片焊管加工厂），32. 第二换热器（冀州区程祥翅片焊管加工厂），5. 膨胀机（成都深冷液化设备股份有限公司），61. 第一调节阀（能进行压力控制的条件阀门），62. 第二调节阀（能进行压力控制的条件阀门），71.进料阀（能进行物料流量控制的条件阀门），72. 出料阀（能进行物料流量控制的条件阀门）。

实施例2

以二氧化碳作过程的工质

介质贮罐1内的0.52MPa、-56.7℃、1000kmol/h(44吨/小时)的液体二氧化碳经过增压装置2提压至2.85MPa，经过第一换热器31由海水气化过热为2.75MPa、-5℃的气体，压力由第一调节阀61控制；2.75MPa、-5℃、1000kmol/h的气体二氧化碳驱动膨胀机5做功，膨胀机5出口的二氧化碳经过第二换热器32由-65℃环境空气降温液化为0.52MPa、-56.7℃的液体二氧化碳，第二换热器32出口的液体二氧化碳回流至介质贮罐1，膨胀机5出口压力由第二调节阀62控制。系统中二氧化碳的补充由进料阀71控制，系统二氧化碳的释放由出料阀72控制。

过程中系统第一换热器31由海水获取15987593.9kJ/h的热量，第二换热器32向环境释放14141783.8 kJ/h的热量，泵功耗38.62kW，膨胀机输出功率521.94kW，系统可以对外输出功率483.32kW。

实施例3

以丙烯作过程的工质

介质贮罐1内的0.101325MPa、-50℃、1000kmol/h(42.08吨/小时)的液体丙烯经过增压装置2提压至0.51MPa，经过第一换热器31由海水气化过热为0.5MPa、-5℃的气体，压力由第一调节阀61控制；0.5MPa、-5℃、1000kmol/h的气体丙烯驱动膨胀机5做功，膨胀机5出口的丙烯经过第二换热器32由-60℃环境空气降温液化为0.101325MPa、-50℃的液体丙烯，第二换热器32出口的液体丙烯回流至介质贮罐1，膨胀机出口压力由第二调节阀62控制。系统中丙烯的补充由进料阀71控制，系统丙烯的释放由出料阀72控制。

过程中系统第一换热器31由海水获取20892658.6kJ/h的热量，第二换热器32对环境释放18811937.8kJ/h的热量，泵功耗12.3kW，膨胀机输出功率560.17kW，系统可以对外输出功率547.87kW。

实施例4

以氨作过程的工质

介质贮罐1内的0.101325MPa、-33.32℃、1000kmol/h(17.03吨/小时)的液体氨经过增压装置2提压至0.34MPa，经过第一换热器31由海水气化过热为0.33MPa、-5℃的气体，压力由第一调节阀61控制；0.33MPa、-5℃、1000kmol/h的气体氨驱动膨胀机5做功，膨胀机5出口的氨经过第二换热器32由-43℃环境降空气温液化为0.101325MPa、-33.32℃的液体氨，第二换热器32出口的液体氨回流至介质贮罐1，膨胀机出口压力由第二调节阀62控制。系统中氨的补充由进料阀71控制，系统氨的释放由出料阀72控制。

过程中系统第一换热器31由海水获取24533632kJ/h的热量，第二换热器32对环境释放22916250.5kJ/h的热量，泵功耗2.68kW，膨胀机输出功率429.227kW，系统可以对外输出功率426.547kW。

实施例5

以氨作过程的工质

介质贮罐1内的0.101325MPa、-33.32℃、1000kmol/h(17.03吨/小时)的液体氨经过增压装置2提压至0.43MPa，经过换热器E1由地热或太阳能气化过热为0.42MPa、10℃的气体，压力由第一调节阀61控制；0.42MPa、10℃、1000kmol/h的气体氨驱动膨胀机5做功，膨胀机5出口的氨经过第二换热器32由-43℃环境空气降温液化为0.101325MPa、-33.32℃的液体氨，第二换热器32出口的液体氨回流至介质贮罐1，膨胀机出口压力由第二调节阀62控制。系统中氨的补充由进料阀71控制，系统氨的释放由出料阀72控制。

过程中系统第一换热器31由海水获取25014074.2kJ/h的热量，第二换热器32对环境释放23006298.4kJ/h的热量，泵功耗3.69kW，膨胀机输出功率533.167kW，系统可以对外输出功率529.47kW。

采用本申请的技术方案的技术构思为循环介质贮罐内介质为低温低压的液态；贮罐内低温低压的液态介质由增压装置升压至高压状态、增压装置输出介质为低温高压的液态；低温高压的液态介质进入第一换热器并由极寒地带高温区获取热量气化并过热，形成过热的高压气体；第一换热器输出高压过热气体介质进入膨胀机，对驱动膨胀机做功，由膨胀机对外输出机械能；高压过热气体介质膨胀机做功，由膨胀机输出低温低压的气体介质；膨胀机输出低温低压的气体介质进入第二换热器由极寒地带低温区进行冷冻液化、液化为低温低压的液态介质；第二换热器输出的低温低压液态介质回流至介质贮罐完成循环；系统对外输出机械能。