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至尊木虫 (正式写手)

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[交流] 自然界热量利用的方法

摘要：自然界充满着无限量的空气、海水、地热等常温热源，把这些热源降温过程中的热量用于机械驱动，可用于发电机发电或舰船、车辆、飞行器的行驶。为能源的利用提供一种新的途径。
关键词：常温热源机械驱动压缩膨胀做功

1.背景
生命生存繁衍的过程中离不开能源的消耗，特别是人类工业化进程的深入对能源的需求将越来越多。人类在能源利用领域可利用的资源，包括：太阳能、风能、海水潮汐能、江河水力能，石油、天然气、煤炭等化石类能源，核裂变、核聚变的核能等。太阳能、风能、海水潮汐能、江河水力能虽然清洁，但毕竟有限，且会造成人工干扰自然运转状态；石油、天然气、煤炭等化石类能源，不仅有限，且将会造成地球温度的上升、大气的污染和大气中温室气体二氧化碳含量的上升；核裂变、核聚变的能量，将会造成全球温度的上升。

2.思路
自然界蕴藏着大量的空气、海水、地热等常温热源，把这些热源降温过程中的热量转换为机械能，驱动发电机发电或舰船、车辆、飞行器的行驶。发电过程适配于工厂冷冻、城市中央空调制冷过程效益将得以扩展。
热量的高温向低温传递性质限定了我们不可能直接利用常温热源的热量，通过一种方法(布雷顿循环Braytom Cycle或气体制冷机循环)把低温的热温差转换为高温的热温差，从而完成常温热源热量的利用。
2.1.理论层面的永动机
气体在绝热压缩过程中，压力升高的同时温度相应升高，压力变化的同时温度发生相应的变化；气体在绝热膨胀做功的过程中，压力降低的同时温度相应下降，压力变化的同时温度发生相应的变化，期间的关系由气体本身的温度过程指数KT所决定，且遵循如下公式：
T_2/T_1 =(P_2/P_1 )^(((K_T-1)/K_T ) )
气体绝热压缩过程中所需的机械能、绝热膨胀做功过程中所输出的机械能理论上等于过程气体的焓变，，期间介质的比焓不变，且遵循如下公式：
W=∆H=F×R×T×(K_T/(K_T-1))×[(P_2/P_1 )^(((K_T-1)/K_T ) )-1]
基于此理论我们可以做出如图1的压缩机J1、膨胀机J2组成并由阀门F1、F2控制的理论层面上的永动机：

图1
赋予数据，选取二氧化碳做机组运行间的介质，
1000Kmol/h、15℃、0.518Mpa的二氧化碳(01)经过压缩机(J1)压缩，由阀门(F1)控制出口压力5.00Mpa，计算出口压缩机温度为277.60℃，即压缩机出口的二氧化碳(02)为1000Kmol/h、277.60℃、5.00Mpa；
膨胀机(J2)入口的二氧化碳(03)的参数与压缩机出口的相同：1000Kmol/h、277.60℃、5.00Mpa；
由阀门(F2)控制膨胀机(J2)出口二氧化碳的压力为0.518Mpa，计算出口温度为15℃，即膨胀机出口的二氧化碳(04)为1000Kmol/h、15℃、0.518Mpa；
完成压缩机、膨胀机间的二氧化碳循环；压缩机功耗为10644256.5KJ/h，膨胀机对外做功为1064256.5KJ/h，完成永动机组的运转。
2.2.传热过程
如图2，在永动机间增加换热设备，压缩机出口移出热量、膨胀机出口补充热量，机组间的功耗由驱动机械E平衡。

图2
压缩机出口的二氧化碳(02)经过换热器(E1)移出热量，控制温度为45℃，移出热量为11449872.4KJ/h，即膨胀机(J2)入口二氧化碳(03)为1000Kmol/h、45℃、5.00Mpa；
膨胀机(J2)入口的1000Kmol/h、45℃、5.00Mpa二氧化碳(03)经过膨胀做功，由阀门(F2)控制膨胀机(J2)出口二氧化碳的压力为0.518Mpa，计算其当量温度为-112.41℃，实际该处二氧化碳为气液共存的饱和态，温度为该压力下对应的二氧化碳的饱和温度-56.5564℃，计算液体二氧化碳含量为11.74%，即膨胀机出口的二氧化碳为-56.5564℃、0.518Mpa，含液体11.74%；
膨胀机出口的二氧化碳经过换热器(E1)补充热量，控制温度为15℃，补充热量为4547820.3KJ/h；
完成压缩机、膨胀机间的二氧化碳循环；压缩机功耗为10644256.6KJ/h，膨胀机对外做功为3742204.4KJ/h，驱动机械E提供6096436.2KJ/h功，完成机组的运转。
2.3.过程热利用
如图2所示，换热器(E1)的吸取自然界的空气、海水、地热等常温热源，换热器(E2)的热量用于较低温度下可气化的介质，如用于液体二氧化碳的气化和过热，气化和过热后的二氧化碳经过膨胀做功，完成对自然界常温热源热量的吸取、由压缩机、膨胀机组成驱动机组向外界传递机械能，从而完成自然界常温热源的热量转换为机械能的过程，如图3。

图3

3.具体实施
高压的第一介质的气体经过膨胀机膨胀做功，得到比常温热源温度更低的第一方介质；常温热源的热量传递给更低温度的第一介质；第一介质的气体经过压缩压力升高的同时温度相应升高，升压升温的第一介质的气体经过第三方介质的降温后经过膨胀机膨胀做功得到低于常温热源物质温度的第一介质，完成第一介质从自然界吸取热量、向第三方介质传递热量的过程；第三方介质的液体经过压缩机出口的第一介质加热气化和过热，过热的第三方介质经过涡轮膨胀机膨胀做功后经过第一介质膨胀机出口的第一介质的冷凝，形成第三方介质的液体，完成常温热源的热量转换为机械能的过程，从而完成常温热源的热量的吸收并向机械能转换的过程。
自然界热源物质加热后的第一方工质的气体经过压缩机绝热压缩，压力升高的同时温度相应升高，通过控制其压力达到控制其温度，满足第三方工质的液体的气化和过热过程中的热量需要；
压缩机出口的第一方工质的气体经过换热器降温，同时气化和过热第三方工质的液体，得到温度、压力受控的第三方工质的过热气体；
降温的第一方工质的气体经过涡轮膨胀机膨胀做功，通过控制其压力达到控制其温度低于选取的自然界热源物质温度；
第三方工质的过热气体经过涡轮膨胀机膨胀做功，通过控制其温度、压力从而控制膨胀机出口的第三方工质处于亚临界状态(温度、压力接近且低于临界点)。
第一方工质涡轮膨胀机的第一方工质经过并联的两个换热器升温；
第三方工质涡轮膨胀机出口的第三方工质经过第一方工质涡轮膨胀机的第一方工质降温冷凝为第三方工质的液体；
第一方工质涡轮膨胀机的第一方工质经过选取的自然界热源物质加热，吸取自然界热源物质的热量；
第一方工质涡轮膨胀机的第一方工质加热后汇合进入压缩机升压升温，完成从循环；
冷凝的第三方工质的液体进入储罐，再经过泵的提压进入换热器气化和过热，完成第三方工质的循环。
通过以上过程完成对自然界热源物质的热量吸收，并由所述的压缩机、涡轮膨胀机共同完成吸收的热量转换为机械能的过程，由所述的压缩机、涡轮膨胀机组成的驱动机组向外界输出机械能。
从而完成自然界热量的利用，为能源的利用提供一种新的途径，提供一种自然界热量利用的方法，把自然界的空气、海水、地热等常温热源的热量转换为机械能。

4.实施例
4.1.理论依据
过程的数据皆为计算数据，运用公式如下：
气体的恒压热容公式
C_P=a+b×T+c×T^2+d×T^3
式中K为理想气体的绝热指数，R为气体常数，取值8.314472
压缩机、膨胀机过程功变理论上等于进出口介质的焓变。
实际气体的理想绝热指数(CP/CV)与绝热过程之间无特定的关系，与绝热过程的温度过程指数KT相关，即T_2/T_1 =(P_2/P_1 )^(((K_T-1)/K_T ) )
二氧化碳的的一般温度过程指数KT表：
温度℃ 压力 Mpa
0.1 10 20 30 60 80 100
25 1.400 1.433 1.414 1.394 1.349 1.344 1.341
100 1.400 1.422 1.424 1.422 1.395 1.390 1.390
200 1.399 1.407 1.415 1.422 1.408 1.403 1.398
※见《压缩机工程手册_郁永章》P21/23

4.2.实施例
由于受限于基础数据的偏差、过程中的数据有待更为精准的计算和试验数据校正，但不影响过程原理的正确性。
如图3所示，图中设备说明：
J1:压缩机  J2:第一膨胀机  J3:第二膨胀机
E1:换热器  E2:换热器  E3:环境换热器  E4:冷凝器
F1:第一压力控制阀  F2:第二压力控制阀  F3:第一流量控制阀  F4:第二流量控制阀  F5:第三压力控制阀
V:液体储罐  P:液体泵  E:被驱动机械
4.2.1.实施例1
如图3所示，选取二氧化碳做为第一方工质、同时选取二氧化碳做为第三方工质。
1000Kmol/h、15℃、0.518Mpa、4489.21m3/h的气体二氧化碳(01)经过压缩机(J1)升压到5.00Mpa，温度相应升高为277.60℃、896.97m3/h。由第一压力控制阀(F1)控制压缩机出口二氧化碳的压力、从而控制压缩机出口二氧化碳(02)的温度满足液体二氧化碳(13)气化和过热的需要。
1000Kmol/h、277.60℃、5.00Mpa、896.97m3/h的气体二氧化碳(02)经过第一压力控制阀(F1)进入换热器(E1)、(E2)降温至45℃；同时气化和过热液体二氧化碳泵(P)出口的液体二氧化碳。
1000Kmol/h、45℃、4.96Mpa、409.38m3/h的气体二氧化碳(05)进入第二涡轮膨胀机(J3)膨胀做功，由第二压力控制阀(F2)的排放或补充控制第二涡轮膨胀机(J3)出口的二氧化碳(06)的压力，从而控制第二涡轮膨胀机(J3)出口的二氧化碳的温度低于选取的自然界热源物质的温度。控制第二涡轮膨胀机(J3)出口的二氧化碳的压力0.538Mpa，计算其当量温度为-112.41℃，该二氧化碳为气体液体共存的饱和状态，实际温度为该压力下的饱和温度-55.6812℃、含液体二氧化碳11.74%。
第二涡轮膨胀机(J3)出口的1000Kmol/h、-55.6812℃、0.538Mpa含11.74%液体的二氧化碳经过并联的换热器(E3)、(E4)加热，环境温度为30℃的情况下温度升高为15℃，形成1000Kmol/h、15℃、0.518Mpa、4489.21m3/h的气体二氧化碳(11)；其中通过阀门(F3)控制通过换热器(E3)的冷量满足第一膨胀机出口二氧化碳冷凝液化的需要，流量为292.03Kmol/h；通过吸热换热器(E4) 流量为707.97Kmol/h，从环境吸取热量为3219720.6KJ/h。
1000Kmol/h、15℃、0.518Mpa、4489.21m3/h的气体二氧化碳(11)进入压缩机(J1)完成循环。
压缩机(J1)出口的1000Kmol/h、277.60℃、5.00Mpa、896.97m3/h的气体二氧化碳经过换热器(E1)、(E2)降温至45℃的热量当量于1070.67 Kmol/h液体二氧化碳由30.8℃的气化和过热为200.00℃、35.00Mpa气体二氧化碳的过程的热量。
液体二氧化碳泵(P)出口的1070.67 Kmol/h、30.8℃、35.50Mpa的液体二氧化碳经过换热器(E2)气化、换热器(E1)加热200.00℃、35.00Mpa、105.53m3/h的过热气体二氧化碳(16)。由第三压力控制阀(F5)控制其压力、由第二流量控制阀(F4)控制液体二氧化碳的流量从而控制其温度，从而控制第一涡轮膨胀机(J2)出口的二氧化碳(17)处于30.8℃、7.3471Mpa的亚临界状态(温度、压力接近且低于临界点)。
第一涡轮膨胀机(J2)出口1070.67Kmol/h、30.8℃、7.3471Mpa的气液混合态的二氧化碳，经过换热器(E3)冷凝，形成液体二氧化碳(18)进入液体二氧化碳储罐(V)。由第一流量控制阀(F3)控制第二涡轮膨胀机(J3)出口的二氧化碳(07)的流量,从而控制第一涡轮膨胀机(J2)的二氧化碳(17)的温度,该二氧化碳为饱和态、其压力为二氧化碳在该温度下的饱和压力7.3471Mpa。
液体二氧化碳储罐(V)出口的30.8℃、7.3471Mpa液体二氧化碳经过液体二氧化碳泵(P)提压进入换热器(E1)完成循环。
过程控制的关键：压缩机出口的温度满足液体二氧化碳(13)气化和过热的需要；气化和过热的二氧化碳(16)的温度、压力满足第一涡轮膨胀机(J2)出口的二氧化碳(17)处于30.8℃、7.3471Mpa的亚临界状态(温度、压力接近且低于临界点)；第二涡轮膨胀机(J3)出口的二氧化碳的温度低于选取的自然界热源物质的温度。
工质的选择：第一工质应该具有低沸点、低凝固点特性，以便向外界提供低温冷量的过程中具有良好的流动性，保证过程的运行；第三方工质应该具有低临界温度、低临界压力的特性，以保证设备处于相对的低压运行状况。
计算数据：
压缩机出口的1000Kmol/h、277.60℃、5.00Mpa的气体二氧化碳经过换热器(E1)、(E2)降温至45℃过程放热：11449872.4KJ/h；
换热器(E3)热负荷：1328099.7KJ/h；
换热器(E4)热负荷：3219720.6KJ/h；
压缩机(J1)输入功率：2956.74KW；
第一涡轮膨胀机(J2)输出功率：3497.3KW；
第二涡轮膨胀机(J3) 输出功率：1039.5KW；
液体二氧化碳泵(P) 输入功率：685.7KW；
驱动机组(J1)、(J2)、(J3)输出功率：1580KW；
换热器(E4)热负荷，即系统从环境吸收热量，同时当量于提供制冷量。

图1.JPG