冷电技术介绍925

1、冷电技术介绍（一种“以天地为炉”的技术）1前言工业生产和生活中产生了大量的“低温热能”，自然界中存在更大量的可用性差的“低品质热能”，用“工程热力学”的视角来看，这些都是“废热”，属于“不可用能”。但在辩证的世界里，一切都不是绝对的。2热能的可用性我们已习惯于用环境温度来判别热能的可用性，与环境温度的偏差越大，可用性越大。通过下面的图1和图2予以进一步的剖析。图1为用于可用能分析的T-S图，当热源温度由T1变为T2时（这个过程以环境热库为冷源，环境温度为TO1）,可提供热量可用下式表水：Q=12Tds（1）其中低于环境温度T01以下的由3456组成的面积的部分为不可用能，其值为ToRS,由12

2、34组成的阴影部分为可用能W1及其损耗EL1,热量Q可用下式表本:Q=(W1-EL1)+T01(S1-S2)(2)图2是在图1的基础上的衍变(类似于以冷海水作为低温热源，环境背景温度为T02低于环境温度为To。的T-S图，热量Q在这个过程中没有变化，但用下式表示：Q=(W2-EL2)+T02(S1-S2)(3)上式中，可用能W1及其损耗EL1变为可用能W2及其损耗EL2,可用能总量增加；与此同时不可用能由To1(S1-S2)变为To2(S1-S2),总量减少。实际的蒸汽动力循环中，考虑到换热，To1略高于环境温度(一般在28c以上，环境温度为25c时)。3冷电的定义冷电是相对于热电而言的，热电

3、有两种产品：电能与热能(品质较低的生产、生活用热能)；冷电同样有两种产品产生：一是电能，另外还产生冷能(根据习惯以下称之为冷量)。冷量也是热能的一种形式，是状态参数(注：热量是过程参数)，一般高于环境的被叫做“热能”，冷量的温度低于环境温度。从某种角度而言，冷量是高于电能的高等级能量(一般制冷需要消耗大量电能)。4冷电循环冷电循环的示意图和T-S图如图3、图4所示。iTE施沼体SiI-望用用NTSHff4一换热器于一遢平国我凯&一发设机7-fefiitattflg4将我*12%液苹系尾竹瞪承段？一3力过/短曲弼天果展J4力纲事，C吧乱患禁程*5离至出74K号河海青I”过卷气伴雾陆并也俄

4、7为整气件MIW冷髭峰祖国T-a为国藤，体独都液他段R-i*钵述立段出5冷电用用4用电界T-StS图3中低温液体储梢7中的低温液体循环工质经低温液体泵1增压，在冷箱2中与正流气体工质换热，吸收热能后蒸发，小部分始值提高的气体工质通过补冷装置8膨胀做功后产生补充冷量，大部分气体工质经辅冷箱3与外部热源换热继续增加始值，再经过换热器4与低品质热能换热增始，在透平膨胀机5-发电机组6中做功转换为电能，膨胀做功后的气体工质温度降低，作为正流工质进入冷箱2与反流工质换热，在补冷和增压液体节流制冷的共同作用下逐渐冷凝、液化和过冷，过冷液体进入低温液体储梢7,经低温液体泵1工质循环使用。图4中，T2为乏气温

5、度（进入冷箱2的正流气温度），T2-St为返流气出冷箱2的温度，St为不完全换热温差。循环5-6段，增始的压缩气体压缩气体做功转化为机械能，再经发电机转化为电能；循环1-2段，液体泵绝热增压，消耗电能；产生的电能减去消耗的电能即为循环的发电量。循环4-5段，为吸热增温段，其中大量的冷量可以利用。冷电循环的基础就是：利用膨胀气体做功后气体工质温度降低作为冷源（或反流工质作为冷源），因冷源温度远低于环境温度，使环境中存储的部分低温热能的可用性被显现出来，再利用低品质热能换热增温，将低温热能的可利用空间进一步扩大。5热电与冷电的相同与不同冷电与热电有相同之处：都需要一个类似于汽轮机的机械设备让增给的

6、气体（或蒸汽）膨胀做功将热能转化为机械能，再通过发电机转化为电能；都需要加热或换热设备，提高循环工质的热能；循环工质都是自然物质；循环工质在转化机械中基本未发生相变。冷电与热电不同之处很多，主要有以下几个方面：一是利用的热源品质不同，热电的热源品质要求高（高温高压热能），代价相应也高；冷电的热源品质低，主要是低温热能（或低品质热能），获取的代价较低。二是热电热能转化为机械能的设备是汽轮机，循环工质从高温热能变为低品质热能；冷电热能转化为机械能的设备是膨胀机，循环工质从低品质热能变为中冷（一50c左右）温度的冷量。三是热电通过锅炉加热循环工质，冷电通过气液换热、气气换热、自然换热等换热设备提高循

7、环工质的热能。四是热电循环工质的相变在锅炉、凝汽器、热交换器中完成，冷电的循环工质的相变在冷箱内中完成。五是热电的循环工质为水（及相变后的水蒸气），冷电的循环工质为液氮或液空（及相变后的氮气或空气）。六是热电主要通过提高循环工质初参数提高热效率，冷电主要通过降低循环工质终参数提高热能利用空间。七是热电关注热利用效率，冷电关注冷量平衡。八是冷电“不可用热能”的温度下限远小于热电。6冷电的工质热电需要的工质主要为除盐水（蒸汽动力循环）、循环水（凝汽器或换热器循环换热工质）和空气（助燃工质、换热工质），冷电所需要的工质不同于热电，主要分以下几类：6.1 循环工质冷电的循环工质主要是液氮或液空（及相变

8、后的氮气或空气），选用的主要因素：一是自然物质，没有环境污染问题；二是获取相对容易，工业气体行业发展很成熟，有众多的空气分离设备，而且分布广泛；三是氮气或空气的液化（相变）温度很低，使通过降低循环工质的终参数来提高热能利用效率有了更大的空间；四是可根据需要和使用场合，灵活选用或组配高纯氮、低纯氮、空气（可用液氧、液氮混配）。6.2 换热工质冷电的换热工质根据换热段的不同而不同。冷箱内的换热工质与循环工质同一物质，按状态参数或相态分，有三种：一是增压液体节流工质，用于过冷或液化正流工质；二是增压气体工质经膨胀做功后的低压气体工质（少量带液），用于冷箱补冷、冷却及液化正流工质；三是增压气体工质，用

9、于冷却正流工质出冷箱的反流增压工质因温度较低（中冷温度），不能用低凝点工质换热，可根据需要选择空气、低凝点制冷剂、低凝点有机郎肯循环（ORC工质（辅助发电装置的循环工质）等换热工质，换热后的冷量用于制冷或冷凝ORCT质，必要时可增加辅冷箱，以减少冷量的浪费。出辅冷箱的循环工质可采用自然换热，选用低流阻空浴式换热器,可用轴流风机增加换热强度。出空浴式换热器的循环工质需要增热，可与较高温度的含低品质热能废气或含低品质的热能的循环水换热，也可通过水等中间介质获取废气、废水、太阳池和地热水等中的热能，再与反流增压循环工质换热。6.3 储能工质冷电需要的储能工质分为两大类，储冷工质和储热工质。冷电的储冷

10、工质就是过冷后的液氮或液空，通过液体储梢存储，通过低温液体泵增压后向冷箱输送，作为反流换热工质。储热工质主要针对热源变化较大的情况下使用，对于热源相对稳定的工业废热（连续生产的工业流程）、海洋热能、湖泊热能等则不需要，但有增热设施的（太阳池等）则需要考虑。储热的工质热容量应较大，流动性较好，如水就比较适合作为储热工质，可以将太阳能等增热的热能，通过热水的形式存储（可通过建立地下隔热水池等方式实现），维持冷电设备在夜间和阴雨天的运行。改良后的大型太阳池（有隔热措施）也可用于存放储热工质。相变储能工质的单位储能量较大，通过加热可再生的相变低品位热能储能物质，将会作为重点开发的储热工质。化学储能物质

11、单位储能量也较大，可作为应急措施的选项。7冷电的热源与冷源冷电可用的热源存在十分广泛且总量巨大，可以是工业废气、废水、循环水等中的低品质热能，可以是大气、土壤、江海、湖泊、地热等自然界中的低品质热能，也可以是太阳能锅炉、太阳池等中经过增温的低品质热能，还可以是建筑物、大型动力设备吸收或产生的热能等。冷电的冷源是非自然形成的，通过增压、增温气体膨胀做功后温度降低来实现的，热能转化为机械能的同时，冷源产生了，再通过控制反流气体出冷箱温度（较小的换热温差），使冷源保持相对的稳定。蒸汽动力循环冷源比较固定，直接冷源是环境中的空气，间接冷源是循环冷却水。冷电的冷源，从不同角度来看有所不同，冷电循环工质出

12、膨胀机（或进冷箱正流气）可视为冷源，它是冷量产生和维持的根源；也可将冷电循环工质出冷箱（反流气）看作冷源，它是热交换中与热源相对的对象；两者之间相差一个“冷箱热端换热温差”（一般在3c左右），反流气温度相对较低。8冷电冷源的作用核电、热力发电主要通过提高循环工质初参数提高热效率，也有通过降低循环工质终参数提高热效率的例子，如利用地下水或深海水降低循环工质终参数，将发电厂建在环境温度较低的区域（山区或北方）等。海洋温差发电，将海洋深处冷海水作为冷源，也是降低循环工质终参数的做法。但受大的环境限制，循环工质终参数降低的幅度很小。冷电循环制造出的冷源远低于环境温度，当稳定的冷源出现后，环境中存储的部

13、分低品质热能的可用性被充分显现出来，使得低温热能的可利用空间得以扩大。冷电循环输出的冷量，同样也可以作为热电的冷源之一，总量足够时，甚至可以替代热电的冷源，用以提高热电发电效率。9冷电冷量的平衡冷量平衡对于冷电循环而言至关重要。首先需要解决冷量损失，冷量损失主要包括：跑冷损失、不完全换热损失。冷箱、液体管道和液体储梢的跑冷主要通过绝热措施来减少，冷箱密封、加密封气、珠光砂填充、支架隔热等措施减小冷箱跑冷，采用真空管来减少管道跑冷，夹层充填绝热材料和密封气减少液体储梢的跑冷。增加换热面积，采用高效换热器等来降低冷箱热端正、反流气温差，减少不完全换热损失。气体膨胀、液体增压过程也会损失冷量，量相对

14、较少，但也要采取增加适当保温、减少摩擦等措施。其次，针对冷量损失，增加补冷装置。低温液体泵增压的液体工质经换热相变后，一部分增压气体工质经膨胀做功后的变为低温低压气体工质，用于补充冷量损失。另外，正流工质完成相变，完全液化、过冷，才能保持循环的持续稳定，液体过冷还能弥补液体储梢的跑冷损失以及减少液体增压时的气化，故还需要增加辅助措施。一部分的增压的液体工质节流（或通过液体膨胀机）降压降温作为反流工质与正流工质换热，也是必要的补充措施。物料平衡对冷量平衡也十分重要，膨胀做功后的低温低压气体工质和液体工质节流后的低温低压气体工质若不能回收，物料不平衡，不仅影响冷量的平衡，还将造成工质量的损失，使循

15、环不可持续。增加混合器不仅解决物料平衡问题，还能保证冷箱的液化和过冷段，正流工质的压力高于反流工质，更有利于正流工质的液化和过冷。物料平衡还包括主循环工质、补冷及过冷工质的比例分配，后两者比例过大，将会影响混合器的效率。10冷电的前景冷电技术和设备分解后均采用的是成熟的技术和装备，没有超出现有工业的东西，冷电技术本身符合当今社会节能、环保、可持续的发展潮流，可用于发电、制冷、建筑节能、海水淡化、企业节能减排等多种用途。因低品质热源可再生性强、获取相对容易、总量大，而且有措施保证持续稳定供应，加上十分环保，适用场合多样，将使得冷电比其它新型能源生产技术拥有无可比拟的竞争优势。简要对比如下：常规的

16、火电，需要消耗大量化石能源，即使最环保的火电厂（有先进的除尘、脱硫、脱销装置，煤灰全部回收利用），氮氧化物、二氧化碳的排放难以避免（除非完全回收），另外物流运输量巨大，这些是火电厂运营成本的重要组成部分。而同规模冷电厂则不存在以上部分，设备折旧费用可能会高常规的水电，受地理条件的限制，难以适用于更广的地域，投资巨大，回收期漫长。冷电设备适用场合多样，单位电量工程造价类同与风电、太阳能发电等新型能源转换项目，远低于水电。核电，首先因粘上“核”字，其高风险性令很多人极力回避，一些事故案例的严重后果至今使人难以忘怀；其次是投资巨大（有提高可靠性的因素，也有工艺本身的原因）；另外废料处理也是一个难题。

17、风电和光伏发电，受时间、天气和季节的影响，单位电能成本受到极大影响，且不够稳定持续，电网中属于品质较低的电源，只能适合用于调剂或要求不高的场合。海洋温差发电，由于浅海水和深海水的温差在20c左右，故其单位电量工程造价很高，而且受地理条件和维度的限制，另外还需要使用非自然的制冷剂作为循环工质。OR侬电，可利用地热或废热，但最低热源温度要求高于90C（离心式透平膨胀机）或高于60C（螺杆式膨胀机），低于60c的大量热能不能利用，且采用的非自然循环工质对环境有影响，另外螺杆式膨胀机受制造工艺的限制难以大型化。生物质发电、垃圾发电等，由于种植、物资分类、物流运输或物质二次转换等，使运营成本居高不下。冷

18、电设备可适用于中、小规模用户，还可实现大规模的工业化生产；能用于技术改造，也能单独运行，有很好的市场前景。冷电产品不仅有电，还有能量等级较高的冷（大多数制冷是通过消耗电能实现的），在需要冷的场合（如空调、冷冻水生产、冷冻干燥、物品冷冻、冷冻法海水淡化等）其优势更加凸显。考虑到其核心设备膨胀机的成熟度，可先开发中小型的冷电设备（采用成熟高效的径流式膨胀机）；待条件成熟，再开发大型的冷电设备（采用大流量的轴流式膨胀机）。市场营销方面，可先设备制造,后设备成套，再项目总包，独立运营作为市场成熟后的业务拓展来规划。混合式冷电装置示意图1T比温限馋素：2一主专箱：3一蛹涉的：尸做热翳；5通平踞艇机：台一发电机：7T氐温被体便槽；白一扑屋前3太阳能辑醇器一透明盖板11-酬率概&需钵工工一情环水票工3糖讦水漕上图是一种混合式冷电装置的示意图，保温密封的集热器9即可用于高效吸收转化太阳能，也可用于储存热能。进一步提高了冷电循环的发电效率，增强了冷电循环负荷持续稳定地运行的能力。黑暗将光明转化为热能（纳米碳管黑体吸收最高达99.965%的可见光波段电磁辐射），深冷（领域）将低品质热能的可用性放大。这就是这种混合式冷电装置的要