1、冷電技術(shù)介紹（一種“以天地為爐”的技術(shù)）1前言工業(yè)生產(chǎn)和生活中產(chǎn)生了大量的“低溫?zé)崮堋?，自然界中存在更大量的可用性差的“低品質(zhì)熱能”，用“工程熱力學(xué)”的視角來(lái)看，這些都是“廢熱”，屬于“不可用能”。但在辯證的世界里，一切都不是絕對(duì)的。2熱能的可用性我們已習(xí)慣于用環(huán)境溫度來(lái)判別熱能的可用性，與環(huán)境溫度的偏差越大，可用性越大。通過下面的圖1和圖2予以進(jìn)一步的剖析。圖1為用于可用能分析的T-S圖，當(dāng)熱源溫度由T1變?yōu)門2時(shí)（這個(gè)過程以環(huán)境熱庫(kù)為冷源，環(huán)境溫度為TO1）,可提供熱量可用下式表水：Q=12Tds（1）其中低于環(huán)境溫度T01以下的由3456組成的面積的部分為不可用能，其值為ToRS,由12

2、34組成的陰影部分為可用能W1及其損耗EL1,熱量Q可用下式表本:Q=(W1-EL1)+T01(S1-S2)(2)圖2是在圖1的基礎(chǔ)上的衍變(類似于以冷海水作為低溫?zé)嵩矗h(huán)境背景溫度為T02低于環(huán)境溫度為To。的T-S圖，熱量Q在這個(gè)過程中沒有變化，但用下式表示：Q=(W2-EL2)+T02(S1-S2)(3)上式中，可用能W1及其損耗EL1變?yōu)榭捎媚躓2及其損耗EL2,可用能總量增加；與此同時(shí)不可用能由To1(S1-S2)變?yōu)門o2(S1-S2),總量減少。實(shí)際的蒸汽動(dòng)力循環(huán)中，考慮到換熱，To1略高于環(huán)境溫度(一般在28c以上，環(huán)境溫度為25c時(shí))。3冷電的定義冷電是相對(duì)于熱電而言的，熱電

3、有兩種產(chǎn)品：電能與熱能(品質(zhì)較低的生產(chǎn)、生活用熱能)；冷電同樣有兩種產(chǎn)品產(chǎn)生：一是電能，另外還產(chǎn)生冷能(根據(jù)習(xí)慣以下稱之為冷量)。冷量也是熱能的一種形式，是狀態(tài)參數(shù)(注：熱量是過程參數(shù))，一般高于環(huán)境的被叫做“熱能”，冷量的溫度低于環(huán)境溫度。從某種角度而言，冷量是高于電能的高等級(jí)能量(一般制冷需要消耗大量電能)。4冷電循環(huán)冷電循環(huán)的示意圖和T-S圖如圖3、圖4所示。iTE施沼體SiI-望用用NTSHff4一換熱器于一遢平國(guó)我凱&一發(fā)設(shè)機(jī)7-fefiitattflg4將我*12%液蘋系尾竹瞪承段？一3力過/短曲弼天果展J4力綱事，C吧亂患禁程*5離至出74K號(hào)河海青I”過卷氣伴霧陸并也俄

4、7為整氣件MIW冷髭峰祖國(guó)T-a為國(guó)藤，體獨(dú)都液他段R-i*缽述立段出5冷電用用4用電界T-StS圖3中低溫液體儲(chǔ)梢7中的低溫液體循環(huán)工質(zhì)經(jīng)低溫液體泵1增壓，在冷箱2中與正流氣體工質(zhì)換熱，吸收熱能后蒸發(fā)，小部分始值提高的氣體工質(zhì)通過補(bǔ)冷裝置8膨脹做功后產(chǎn)生補(bǔ)充冷量，大部分氣體工質(zhì)經(jīng)輔冷箱3與外部熱源換熱繼續(xù)增加始值，再經(jīng)過換熱器4與低品質(zhì)熱能換熱增始，在透平膨脹機(jī)5-發(fā)電機(jī)組6中做功轉(zhuǎn)換為電能，膨脹做功后的氣體工質(zhì)溫度降低，作為正流工質(zhì)進(jìn)入冷箱2與反流工質(zhì)換熱，在補(bǔ)冷和增壓液體節(jié)流制冷的共同作用下逐漸冷凝、液化和過冷，過冷液體進(jìn)入低溫液體儲(chǔ)梢7,經(jīng)低溫液體泵1工質(zhì)循環(huán)使用。圖4中，T2為乏氣溫

5、度（進(jìn)入冷箱2的正流氣溫度），T2-St為返流氣出冷箱2的溫度，St為不完全換熱溫差。循環(huán)5-6段，增始的壓縮氣體壓縮氣體做功轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再經(jīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能；循環(huán)1-2段，液體泵絕熱增壓，消耗電能；產(chǎn)生的電能減去消耗的電能即為循環(huán)的發(fā)電量。循環(huán)4-5段，為吸熱增溫段，其中大量的冷量可以利用。冷電循環(huán)的基礎(chǔ)就是：利用膨脹氣體做功后氣體工質(zhì)溫度降低作為冷源（或反流工質(zhì)作為冷源），因冷源溫度遠(yuǎn)低于環(huán)境溫度，使環(huán)境中存儲(chǔ)的部分低溫?zé)崮艿目捎眯员伙@現(xiàn)出來(lái)，再利用低品質(zhì)熱能換熱增溫，將低溫?zé)崮艿目衫每臻g進(jìn)一步擴(kuò)大。5熱電與冷電的相同與不同冷電與熱電有相同之處：都需要一個(gè)類似于汽輪機(jī)的機(jī)械設(shè)備讓增給的

6、氣體（或蒸汽）膨脹做功將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能；都需要加熱或換熱設(shè)備，提高循環(huán)工質(zhì)的熱能；循環(huán)工質(zhì)都是自然物質(zhì)；循環(huán)工質(zhì)在轉(zhuǎn)化機(jī)械中基本未發(fā)生相變。冷電與熱電不同之處很多，主要有以下幾個(gè)方面：一是利用的熱源品質(zhì)不同，熱電的熱源品質(zhì)要求高（高溫高壓熱能），代價(jià)相應(yīng)也高；冷電的熱源品質(zhì)低，主要是低溫?zé)崮埽ɑ虻推焚|(zhì)熱能），獲取的代價(jià)較低。二是熱電熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的設(shè)備是汽輪機(jī)，循環(huán)工質(zhì)從高溫?zé)崮茏優(yōu)榈推焚|(zhì)熱能；冷電熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的設(shè)備是膨脹機(jī)，循環(huán)工質(zhì)從低品質(zhì)熱能變?yōu)橹欣洌ㄒ?0c左右）溫度的冷量。三是熱電通過鍋爐加熱循環(huán)工質(zhì)，冷電通過氣液換熱、氣氣換熱、自然換熱等換熱設(shè)備提高循

7、環(huán)工質(zhì)的熱能。四是熱電循環(huán)工質(zhì)的相變?cè)阱仩t、凝汽器、熱交換器中完成，冷電的循環(huán)工質(zhì)的相變?cè)诶湎鋬?nèi)中完成。五是熱電的循環(huán)工質(zhì)為水（及相變后的水蒸氣），冷電的循環(huán)工質(zhì)為液氮或液空（及相變后的氮?dú)饣蚩諝猓?。六是熱電主要通過提高循環(huán)工質(zhì)初參數(shù)提高熱效率，冷電主要通過降低循環(huán)工質(zhì)終參數(shù)提高熱能利用空間。七是熱電關(guān)注熱利用效率，冷電關(guān)注冷量平衡。八是冷電“不可用熱能”的溫度下限遠(yuǎn)小于熱電。6冷電的工質(zhì)熱電需要的工質(zhì)主要為除鹽水（蒸汽動(dòng)力循環(huán)）、循環(huán)水（凝汽器或換熱器循環(huán)換熱工質(zhì)）和空氣（助燃工質(zhì)、換熱工質(zhì)），冷電所需要的工質(zhì)不同于熱電，主要分以下幾類：6.1 循環(huán)工質(zhì)冷電的循環(huán)工質(zhì)主要是液氮或液空（及相變

8、后的氮?dú)饣蚩諝猓?，選用的主要因素：一是自然物質(zhì)，沒有環(huán)境污染問題；二是獲取相對(duì)容易，工業(yè)氣體行業(yè)發(fā)展很成熟，有眾多的空氣分離設(shè)備，而且分布廣泛；三是氮?dú)饣蚩諝獾囊夯ㄏ嘧儯囟群艿?，使通過降低循環(huán)工質(zhì)的終參數(shù)來(lái)提高熱能利用效率有了更大的空間；四是可根據(jù)需要和使用場(chǎng)合，靈活選用或組配高純氮、低純氮、空氣（可用液氧、液氮混配）。6.2 換熱工質(zhì)冷電的換熱工質(zhì)根據(jù)換熱段的不同而不同。冷箱內(nèi)的換熱工質(zhì)與循環(huán)工質(zhì)同一物質(zhì)，按狀態(tài)參數(shù)或相態(tài)分，有三種：一是增壓液體節(jié)流工質(zhì)，用于過冷或液化正流工質(zhì)；二是增壓氣體工質(zhì)經(jīng)膨脹做功后的低壓氣體工質(zhì)（少量帶液），用于冷箱補(bǔ)冷、冷卻及液化正流工質(zhì)；三是增壓氣體工質(zhì)，用

9、于冷卻正流工質(zhì)出冷箱的反流增壓工質(zhì)因溫度較低（中冷溫度），不能用低凝點(diǎn)工質(zhì)換熱，可根據(jù)需要選擇空氣、低凝點(diǎn)制冷劑、低凝點(diǎn)有機(jī)郎肯循環(huán)（ORC工質(zhì)（輔助發(fā)電裝置的循環(huán)工質(zhì)）等換熱工質(zhì)，換熱后的冷量用于制冷或冷凝ORCT質(zhì)，必要時(shí)可增加輔冷箱，以減少冷量的浪費(fèi)。出輔冷箱的循環(huán)工質(zhì)可采用自然換熱，選用低流阻空浴式換熱器,可用軸流風(fēng)機(jī)增加換熱強(qiáng)度。出空浴式換熱器的循環(huán)工質(zhì)需要增熱，可與較高溫度的含低品質(zhì)熱能廢氣或含低品質(zhì)的熱能的循環(huán)水換熱，也可通過水等中間介質(zhì)獲取廢氣、廢水、太陽(yáng)池和地?zé)崴戎械臒崮?，再與反流增壓循環(huán)工質(zhì)換熱。6.3 儲(chǔ)能工質(zhì)冷電需要的儲(chǔ)能工質(zhì)分為兩大類，儲(chǔ)冷工質(zhì)和儲(chǔ)熱工質(zhì)。冷電的儲(chǔ)冷

10、工質(zhì)就是過冷后的液氮或液空，通過液體儲(chǔ)梢存儲(chǔ)，通過低溫液體泵增壓后向冷箱輸送，作為反流換熱工質(zhì)。儲(chǔ)熱工質(zhì)主要針對(duì)熱源變化較大的情況下使用，對(duì)于熱源相對(duì)穩(wěn)定的工業(yè)廢熱（連續(xù)生產(chǎn)的工業(yè)流程）、海洋熱能、湖泊熱能等則不需要，但有增熱設(shè)施的（太陽(yáng)池等）則需要考慮。儲(chǔ)熱的工質(zhì)熱容量應(yīng)較大，流動(dòng)性較好，如水就比較適合作為儲(chǔ)熱工質(zhì)，可以將太陽(yáng)能等增熱的熱能，通過熱水的形式存儲(chǔ)（可通過建立地下隔熱水池等方式實(shí)現(xiàn)），維持冷電設(shè)備在夜間和陰雨天的運(yùn)行。改良后的大型太陽(yáng)池（有隔熱措施）也可用于存放儲(chǔ)熱工質(zhì)。相變儲(chǔ)能工質(zhì)的單位儲(chǔ)能量較大，通過加熱可再生的相變低品位熱能儲(chǔ)能物質(zhì)，將會(huì)作為重點(diǎn)開發(fā)的儲(chǔ)熱工質(zhì)。化學(xué)儲(chǔ)能物質(zhì)

11、單位儲(chǔ)能量也較大，可作為應(yīng)急措施的選項(xiàng)。7冷電的熱源與冷源冷電可用的熱源存在十分廣泛且總量巨大，可以是工業(yè)廢氣、廢水、循環(huán)水等中的低品質(zhì)熱能，可以是大氣、土壤、江海、湖泊、地?zé)岬茸匀唤缰械牡推焚|(zhì)熱能，也可以是太陽(yáng)能鍋爐、太陽(yáng)池等中經(jīng)過增溫的低品質(zhì)熱能，還可以是建筑物、大型動(dòng)力設(shè)備吸收或產(chǎn)生的熱能等。冷電的冷源是非自然形成的，通過增壓、增溫氣體膨脹做功后溫度降低來(lái)實(shí)現(xiàn)的，熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的同時(shí)，冷源產(chǎn)生了，再通過控制反流氣體出冷箱溫度（較小的換熱溫差），使冷源保持相對(duì)的穩(wěn)定。蒸汽動(dòng)力循環(huán)冷源比較固定，直接冷源是環(huán)境中的空氣，間接冷源是循環(huán)冷卻水。冷電的冷源，從不同角度來(lái)看有所不同，冷電循環(huán)工質(zhì)出

12、膨脹機(jī)（或進(jìn)冷箱正流氣）可視為冷源，它是冷量產(chǎn)生和維持的根源；也可將冷電循環(huán)工質(zhì)出冷箱（反流氣）看作冷源，它是熱交換中與熱源相對(duì)的對(duì)象；兩者之間相差一個(gè)“冷箱熱端換熱溫差”（一般在3c左右），反流氣溫度相對(duì)較低。8冷電冷源的作用核電、熱力發(fā)電主要通過提高循環(huán)工質(zhì)初參數(shù)提高熱效率，也有通過降低循環(huán)工質(zhì)終參數(shù)提高熱效率的例子，如利用地下水或深海水降低循環(huán)工質(zhì)終參數(shù)，將發(fā)電廠建在環(huán)境溫度較低的區(qū)域（山區(qū)或北方）等。海洋溫差發(fā)電，將海洋深處冷海水作為冷源，也是降低循環(huán)工質(zhì)終參數(shù)的做法。但受大的環(huán)境限制，循環(huán)工質(zhì)終參數(shù)降低的幅度很小。冷電循環(huán)制造出的冷源遠(yuǎn)低于環(huán)境溫度，當(dāng)穩(wěn)定的冷源出現(xiàn)后，環(huán)境中存儲(chǔ)的部

13、分低品質(zhì)熱能的可用性被充分顯現(xiàn)出來(lái)，使得低溫?zé)崮艿目衫每臻g得以擴(kuò)大。冷電循環(huán)輸出的冷量，同樣也可以作為熱電的冷源之一，總量足夠時(shí)，甚至可以替代熱電的冷源，用以提高熱電發(fā)電效率。9冷電冷量的平衡冷量平衡對(duì)于冷電循環(huán)而言至關(guān)重要。首先需要解決冷量損失，冷量損失主要包括：跑冷損失、不完全換熱損失。冷箱、液體管道和液體儲(chǔ)梢的跑冷主要通過絕熱措施來(lái)減少，冷箱密封、加密封氣、珠光砂填充、支架隔熱等措施減小冷箱跑冷，采用真空管來(lái)減少管道跑冷，夾層充填絕熱材料和密封氣減少液體儲(chǔ)梢的跑冷。增加換熱面積，采用高效換熱器等來(lái)降低冷箱熱端正、反流氣溫差，減少不完全換熱損失。氣體膨脹、液體增壓過程也會(huì)損失冷量，量相對(duì)

14、較少，但也要采取增加適當(dāng)保溫、減少摩擦等措施。其次，針對(duì)冷量損失，增加補(bǔ)冷裝置。低溫液體泵增壓的液體工質(zhì)經(jīng)換熱相變后，一部分增壓氣體工質(zhì)經(jīng)膨脹做功后的變?yōu)榈蜏氐蛪簹怏w工質(zhì)，用于補(bǔ)充冷量損失。另外，正流工質(zhì)完成相變，完全液化、過冷，才能保持循環(huán)的持續(xù)穩(wěn)定，液體過冷還能彌補(bǔ)液體儲(chǔ)梢的跑冷損失以及減少液體增壓時(shí)的氣化，故還需要增加輔助措施。一部分的增壓的液體工質(zhì)節(jié)流（或通過液體膨脹機(jī)）降壓降溫作為反流工質(zhì)與正流工質(zhì)換熱，也是必要的補(bǔ)充措施。物料平衡對(duì)冷量平衡也十分重要，膨脹做功后的低溫低壓氣體工質(zhì)和液體工質(zhì)節(jié)流后的低溫低壓氣體工質(zhì)若不能回收，物料不平衡，不僅影響冷量的平衡，還將造成工質(zhì)量的損失，使循

15、環(huán)不可持續(xù)。增加混合器不僅解決物料平衡問題，還能保證冷箱的液化和過冷段，正流工質(zhì)的壓力高于反流工質(zhì)，更有利于正流工質(zhì)的液化和過冷。物料平衡還包括主循環(huán)工質(zhì)、補(bǔ)冷及過冷工質(zhì)的比例分配，后兩者比例過大，將會(huì)影響混合器的效率。10冷電的前景冷電技術(shù)和設(shè)備分解后均采用的是成熟的技術(shù)和裝備，沒有超出現(xiàn)有工業(yè)的東西，冷電技術(shù)本身符合當(dāng)今社會(huì)節(jié)能、環(huán)保、可持續(xù)的發(fā)展潮流，可用于發(fā)電、制冷、建筑節(jié)能、海水淡化、企業(yè)節(jié)能減排等多種用途。因低品質(zhì)熱源可再生性強(qiáng)、獲取相對(duì)容易、總量大，而且有措施保證持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)，加上十分環(huán)保，適用場(chǎng)合多樣，將使得冷電比其它新型能源生產(chǎn)技術(shù)擁有無(wú)可比擬的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。簡(jiǎn)要對(duì)比如下：常規(guī)的

16、火電，需要消耗大量化石能源，即使最環(huán)保的火電廠（有先進(jìn)的除塵、脫硫、脫銷裝置，煤灰全部回收利用），氮氧化物、二氧化碳的排放難以避免（除非完全回收），另外物流運(yùn)輸量巨大，這些是火電廠運(yùn)營(yíng)成本的重要組成部分。而同規(guī)模冷電廠則不存在以上部分，設(shè)備折舊費(fèi)用可能會(huì)高常規(guī)的水電，受地理?xiàng)l件的限制，難以適用于更廣的地域，投資巨大，回收期漫長(zhǎng)。冷電設(shè)備適用場(chǎng)合多樣，單位電量工程造價(jià)類同與風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電等新型能源轉(zhuǎn)換項(xiàng)目，遠(yuǎn)低于水電。核電，首先因粘上“核”字，其高風(fēng)險(xiǎn)性令很多人極力回避，一些事故案例的嚴(yán)重后果至今使人難以忘懷；其次是投資巨大（有提高可靠性的因素，也有工藝本身的原因）；另外廢料處理也是一個(gè)難題。

17、風(fēng)電和光伏發(fā)電，受時(shí)間、天氣和季節(jié)的影響，單位電能成本受到極大影響，且不夠穩(wěn)定持續(xù)，電網(wǎng)中屬于品質(zhì)較低的電源，只能適合用于調(diào)劑或要求不高的場(chǎng)合。海洋溫差發(fā)電，由于淺海水和深海水的溫差在20c左右，故其單位電量工程造價(jià)很高，而且受地理?xiàng)l件和維度的限制，另外還需要使用非自然的制冷劑作為循環(huán)工質(zhì)。OR儂電，可利用地?zé)峄驈U熱，但最低熱源溫度要求高于90C（離心式透平膨脹機(jī)）或高于60C（螺桿式膨脹機(jī)），低于60c的大量熱能不能利用，且采用的非自然循環(huán)工質(zhì)對(duì)環(huán)境有影響，另外螺桿式膨脹機(jī)受制造工藝的限制難以大型化。生物質(zhì)發(fā)電、垃圾發(fā)電等，由于種植、物資分類、物流運(yùn)輸或物質(zhì)二次轉(zhuǎn)換等，使運(yùn)營(yíng)成本居高不下。冷

18、電設(shè)備可適用于中、小規(guī)模用戶，還可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)；能用于技術(shù)改造，也能單獨(dú)運(yùn)行，有很好的市場(chǎng)前景。冷電產(chǎn)品不僅有電，還有能量等級(jí)較高的冷（大多數(shù)制冷是通過消耗電能實(shí)現(xiàn)的），在需要冷的場(chǎng)合（如空調(diào)、冷凍水生產(chǎn)、冷凍干燥、物品冷凍、冷凍法海水淡化等）其優(yōu)勢(shì)更加凸顯?？紤]到其核心設(shè)備膨脹機(jī)的成熟度，可先開發(fā)中小型的冷電設(shè)備（采用成熟高效的徑流式膨脹機(jī)）；待條件成熟，再開發(fā)大型的冷電設(shè)備（采用大流量的軸流式膨脹機(jī)）。市場(chǎng)營(yíng)銷方面，可先設(shè)備制造,后設(shè)備成套，再項(xiàng)目總包，獨(dú)立運(yùn)營(yíng)作為市場(chǎng)成熟后的業(yè)務(wù)拓展來(lái)規(guī)劃?；旌鲜嚼潆娧b置示意圖1T比溫限饞素：2一主專箱：3一蛹涉的：尸做熱翳；5通平踞艇機(jī)：臺(tái)一發(fā)電機(jī)：7T氐溫被體便槽；白一撲屋前3太陽(yáng)能輯醇器一透明蓋板11-酬率概&需缽工工一情環(huán)水票工3糖訐水漕上圖是一種混合式冷電裝置的示意圖，保溫密封的集熱器9即可用于高效吸收轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能，也可用于儲(chǔ)存熱能。進(jìn)一步提高了冷電循環(huán)的發(fā)電效率，增強(qiáng)了冷電循環(huán)負(fù)荷持續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行的能力。黑暗將光明轉(zhuǎn)化為熱能（納米碳管黑體吸收最高達(dá)99.965%的可見光波段電磁輻射），深冷（領(lǐng)域）將低品質(zhì)熱能的可用性放大。這就是這種混合式冷電裝置的要