基於布朗循環的中低溫混合工質熱電聯合循環的製作方法

2023-05-07 08:13:36 1

專利名稱：基於布朗循環的中低溫混合工質熱電聯合循環的製作方法
技術領域：
火、核發電熱電聯產分布式熱電冷聯供煤基多聯產技術背景(一)、前言能源動力系統研究的導向主要取決於世界能源發展與結構變化的趨勢和能源科學本身研究的發展。其研究可分為3代第一代的研究以熱力學第一定律為基礎，一般通過提高循環熱力參數與部件內效率來求得較高的熱效率；第二代的特點是基於第二定律，注重能的品位差別與梯級利用以及不同循環有機結合，提出總能系統；第三代的研究突出可持續發展概念，注重總能系統與高效潔淨利用、優化經濟效果結合和能源與環境綜合滲透。常規的化石能源動力系統存在四大弊病燃燒過程燃料品位的重大損失，高溫段熱能轉換利用的斷層，低溫段大量中低溫熱能排放損失以及對生態環境嚴重汙染。為此，人們不斷提出能量轉換利用新概念、工程熱物理過程新機理、熱力循環新構思以及能源動力發展新模式，在傳統能源科學基礎上不斷開拓新的研究熱點。它們通常是提高能源資源利用率和改善生態環境的關鍵與突破口，旨在建立革命性的能源動力系統。新一代能源動力系統是一個更加複雜的系統，其研究對象為物理層次的複雜性科學，除了更深入研究共性問題(系統模擬與綜合優化，系統集成、功能及特性，系統多目標評價準則以及系統的調控與籌劃等)外，目前基於不同的發展目標，主要研究方向有①熱力循環創新與能量轉換利用新機理；②多功能的能源動力系統；③多能源的綜合利用系統；④無公害的能源動力系統；⑤中低溫能源轉換利用系統等。熱力循環是動力系統發展的理論基礎。多年來，各種熱力循環的改進原則上都是遵循一方面不斷提高循環的最高溫度與最低溫度之比和提高部件性能；另一方面使實際循環儘量接近理想的卡諾循環的方向進行。目前，人們已對幾乎所有的簡單循環進行過詳盡分析，對這些簡單循環的特性已有了全面的掌握。現在人們開始把目光轉向如何構建新的循環，並儘量提高其熱力學性能上來。在能源與動力領域，通過熱力循環實現機械能的輸出，圍繞熱力循環的研究是能源利用轉換領域的永久課題，能源高效、潔淨開發利用需要相應熱力循環的開拓性基礎研究。( 二)、毛細泵迴路熱管(CPL)毛細泵迴路熱管(CPL)主要由以下部分組成蒸發器、冷凝器、蒸汽通道、液體通道儲液器、隔離器以及控制系統(加熱器和溫度傳感器)。毛細泵迴路的原理圖如

圖1.所
7J\ ο工作液體在蒸發器內從熱源吸收熱量而蒸發汽化，產生的蒸汽經過蒸汽通道進入冷凝器，蒸汽在冷凝器內放出熱量而凝結成液體，液體由於毛細結構提供的毛細力而經過液體通道回到蒸發器。如此循環，迴路內的工質以相變傳熱的形式不斷的將熱量從蒸發器傳向冷凝器。隔離器設置在液體管道進入蒸發器的入口處，其作用是收集液體通道所輸送的不凝結氣體和蒸汽氣泡，防止它們進入蒸發器的毛細芯而阻塞液體流動。儲液器適用於溫度調控和蒸發器的啟動以及運行過程中任何情況的再啟動。CPL作為熱控元件，它具有如下特點(I)CPL具有較高的傳熱能力和等溫性。由於在CPL迴路中，蒸汽和液體的通道是完全分開的，所以不存在普通熱管中的攜帶極限。除了蒸發器外，其餘部分都可以採用光滑管道，這就減少了系統的壓力損失，從而使得CPL的傳熱能力比普通熱管高。在CPL迴路中流體的相變過程幾乎是在等溫下完成的，因此，CPL系統的等溫性非常好。CPL迴路的壓力損失小，使得CPL系統可以實現長距離傳熱。(2) CPL具有優良的控溫特性。CPL可以利用控制系統將迴路的工作溫度調控在所需的溫度範圍內。儲液器和CPL迴路相連通，因此二者具有相同的工作壓力，通過對儲液器的加熱或冷凝來調節系統的工作壓力，從而調節冷凝器的換熱面積以達到控制系統的飽和
工作溫度。(3)熱分享特性。CPL的蒸發器可以由多個蒸發器並聯而成，每個蒸發器的熱負荷可以有很大的不同，即使有的蒸發器沒有負荷，由於系統內壓力平衡和各蒸發器的抽吸作用，它也可分享其餘蒸發器的負荷，使系統溫度一致。(4)壓力灌注特性。一旦個別蒸發器由於熱負荷意外超載而出現乾涸，可在系統的繼續運行中，通過加熱儲液器，進行壓力灌注而使乾涸的蒸發器恢復工作。(5)熱二極體特性。冷凝器內沒有毛細結構，因此熱量只能從蒸發器傳向冷凝器， 從此起到了熱二極體的作用。在液體中添加納米顆粒顯著提高了液體的導熱係數，其原因可能有以下兩方面 氧化銅一水納米流體a)、由於固體顆粒的導熱係數遠遠大於液體的導熱係數。固體顆粒的加入改變了液體的結構，增強了混合物內部的能量傳遞過程，使得液體的導熱係數增大。納米流體導熱係數隨著納米顆粒體積分數的增大而增大。納米顆粒的體積分數越大，單位體積內液體分散的納米顆粒越多，導致納米顆粒與納米顆粒的熱傳導、納米顆粒與液體的微對流增強，能量傳遞加快，熱導率增大；納米流體的導熱係數與構成納米顆粒的材料的導熱係數有關，構成納米顆粒的材料的導熱係數越大，納米流體的導熱係數也越大。b)、由於納米顆粒的小尺寸效應，納米流體中懸浮的納米顆粒受布朗力的作用，做無規則運動，布朗擴散、熱擴散等現象存在於納米流體中，納米顆粒的微運動使得納米顆粒與液體之間有微對流現象存在，這種微對流增強了納米顆粒與液體之間的能量傳遞過程， 增大了納米流體的導熱係數。最重要的是，納米流體中懸浮的納米顆粒在做無規則運動的同時，其自身所攜帶的能量也發生了遷移，同納米顆粒與液體間微對流強化導熱係數相比， 納米顆粒運動所產生的這部分能量遷移大大增強了納米流體內部能量傳遞過程，對納米流體強化導熱係數的作用更大。納米顆粒尺寸越小，納米流體熱導率越大。這是因為納米流體的內部傳熱發生在液體和納米顆粒的表面，表面積越大，傳熱就更加有效和迅速，即粒子比表面積越大越有利於傳熱。當納米顆粒尺寸減小的時候，比表面積會以103倍的速度增大，因此納米顆粒尺寸的減小將直接導致熱導率的提高。與此同時，納米流體的溫度越高， 納米流體的導熱係數越大。因為隨著納米流體懸浮液溫度的提高，作為納米流體內部能量傳遞主要介質一納米粒子微運動的強度加劇，納米顆粒與納米顆粒、納米顆粒與液體間碰撞的頻率加大，能量傳遞的速率加快，使得納米流體強化導熱係數的能力增強。在熱管中添加納米顆粒能提高蒸發段的換熱性能和臨界熱流密度，冷凝段的換熱係數沒有變化；熱管工作壓力越低，納米顆粒對熱管換熱強化作用越顯著，熱管的換熱係數最大提高了 160%臨界熱流密度提高了 120% ；存在著一個最佳的納米顆粒質量濃度，在該濃度下，熱管蒸發段的換熱係數最高。(三)、火、核電廠現有技術狀態火、核電廠汽輪機有凝汽式(含抽汽凝汽式)和背壓式兩種，除熱電廠的供熱機組多用背壓式外，絕大多數非供熱電廠的汽輪機組是凝汽式機。在我國火、核電廠裝機總功率中，大約有86%是非供熱機型。汽輪機利用高溫高壓蒸汽做功的熱力循環中必須存在冷端，即蒸汽動力循環中汽溫最低的點位。對凝汽式機組，蒸汽經汽輪機全部葉輪做功後，成為乏汽，排至排汽缸，進入汽機冷端一凝汽器。在凝汽器這個非接觸式冷卻器中，乏汽傳熱至循環冷卻水，釋放其凝結潛熱後，變成凝結水被重返鍋爐。保證汽機冷端功效的是流經凝汽器吸收乏汽凝結潛熱的循環冷卻水。冷卻水有兩個來源一是取自自然水域；二是來自電廠的冷卻塔。發電機組不停止運行，循環冷卻水(溫排水)則一刻不停地將大量餘熱釋放到環境。電廠循環冷卻水中賦存的餘熱量十分巨大，棄熱對熱機生產過程不可避免。經汽機作功後的蒸汽(排汽)冷凝(放熱)成凝結水再經回熱後進入鍋爐，鍋爐產生的蒸汽在汽機中作功，在這個熱媒的循環過程中，需要放出大量的冷凝熱。冷凝熱的主要特點如下品位低。排汽壓力水冷，4_8kPa ；空冷，15kPa。冷凝溫度水冷，29-41. 5°C;空冷， 54 "C。量大、集中。平均發電耗熱約佔總輸入的32%左右。純凝汽工況排入大氣的可回收冷凝熱佔50%以上，為發電耗熱的1. 5倍以上；供熱工況可回收冷凝熱約為發電耗熱的 0. 7-1. 3 倍。電廠排熱量巨大與它的熱機生產效率直接相關。一般大型火電廠實際熱效率僅為 40%，核電不及35%，60%以上熱量排到環境(主要是冷卻水帶走)。對1000MW火電汽輪機組而言，循環冷卻水量約35 45m3/S (3X IO6 4X 106m3/d)、排水溫升(即超過環境水域的溫度)8 13°C (視季節而變)，該溫升所賦存的熱量約1. 2X IO6 1. 9X 106kJ/s ；按年運行5000h計，年均3. 0 4. 8X 1013kJ/a，其熱量折合標準煤約70 114萬t/a。排出的溫排水溫度，冬季20 35°C;夏季25 45°C (視電廠所處地區而異)。核電機組循環水量是火電機組的1. 2 1. 5倍，棄熱量會更多。2010年全國火電裝機總量約7. 9億千瓦，按非供熱機組容量佔火電總容量86%匡算，相當全年約有8. 4億噸標準煤白白扔到環境中。火力發電廠各項損失參考值附表1。
權利要求
1.採用毛細泵迴路熱管(CPL)是一種兩相的高效傳熱裝置作為吸熱式熱泵的換熱，提高冷凝熱的利用充分發揮毛細泵迴路熱管(CPL)蒸發器、冷凝器、蒸汽通道、液體通道儲液器、隔離器以及控制系統(加熱器和溫度傳感器)特點；1)CPL具有較高的傳熱能力和等溫性。CPL迴路的壓力損失小，使得CPL系統可以實現長距離傳熱。⑵CPL具有優良的控溫特性。CPL可以利用控制系統將迴路的工作溫度調控在所需的溫度範圍內。儲液器和CPL迴路相連通，因此二者具有相同的工作壓力，通過對儲液器的加熱或冷凝來調節系統的工作壓力，從而調節冷凝器的換熱面積以達到控制系統的飽和工作溫度。(3)熱分享特性。CPL的蒸發器可以由多個蒸發器並聯而成，每個蒸發器的熱負荷可以有很大的不同，即使有的蒸發器沒有負荷，由於系統內壓力平衡和各蒸發器的抽吸作用，它也可分享其餘蒸發器的負荷，使系統溫度一致。(4)壓力灌注特性。一旦個別蒸發器由於熱負荷意外超載而出現乾涸，可在系統的繼續運行中，通過加熱儲液器，進行壓力灌注而使乾涸的蒸發器恢復工作。(5)熱二極體特性。冷凝器內沒有毛細結構，因此熱量只能從蒸發器傳向冷凝器，從此起到了熱二極體的作用。在液體中氧化銅一水納米流體顯著提高了液體的導熱係數，其原因可能有以下兩方a)、由於固體顆粒的導熱係數遠遠大於液體的導熱係數。固體顆粒的加入改變了液體的結構，增強了混合物內部的能量傳遞過程，使得液體的導熱係數增大。納米流體導熱係數隨著納米顆粒體積分數的增大而增大。納米顆粒的體積分數越大，單位體積內液體分散的納米顆粒越多，導致納米顆粒與納米顆粒的熱傳導、納米顆粒與液體的微對流增強，能量傳遞加快，熱導率增大；納米流體的導熱係數與構成納米顆粒的材料的導熱係數有關，構成納米顆粒的材料的導熱係數越大，納米流體的導熱係數也越大。b)、由於納米顆粒的小尺寸效應，熱管工作壓力越低，納米顆粒對熱管換熱強化作用越顯著，熱管的換熱係數最大提高了 160%臨界熱流密度提高了 120% ；存在著一個最佳的納米顆粒質量濃度，在該濃度下，熱管蒸發段的換熱係數最高。
2.見圖03)-(6)—個帶有引射循環迴路的渦輪發電系統。主要設備有引射器、增壓室、 渦輪機和迴路熱管加熱器。工作蒸氣被引入噴管中作絕熱膨脹，產生的高速氣流將已加熱至90°C的冷凝熱水引入混合室混合，混合蒸氣體在擴壓室內絕熱減速增壓經兩級增壓或三級增壓至150°C熱水的壓力增加至3-5MPa進熱水發電機與圖5相對應(定壓加熱d_e)，進入氣輪機絕熱膨脹對外作功，然後排入循環系統(定壓放熱f-o)；—部分蒸氣溫度與壓力滿足引射器正常運行所需的入口條件。
3.引射循環系統分為兩個迴路見圖(4)質量ο的冷凝熱水的工質作循環o-c-d-e-f-o 對外作功，而質量為a蒸汽的工質作引射循環a-b-c-d-e-o增壓冷凝熱水。雖然冷凝熱水和蒸汽的形態不同，但一者的熱力性質很接近，而且一般情況下所用的蒸汽與冷凝熱水質量相比很小，可被忽略，所以整個循環過程中始終是一定量的蒸汽工質在工作。噴管中的絕熱膨脹過程在圖(4)上是不可逆的絕熱過程。c表示蒸汽流體與引射冷凝熱流體在混合室中混合後的狀態，可逆過程c-d表示混合後的液體在擴壓室中的絕熱壓縮過程，實際過程伴有摩擦和激波，是不可逆的。過程d-e被簡化為定容加熱過程。當將整個循環看成一個整體時，單位質量工質總循環吸熱量為Q，由定容加熱和定壓加熱兩部分得到。圖(5)引射循環發電系統溫一熵(T-S)圖。圖(6)多級引射增壓系統⑧的系統圖的布置與設計原則。
全文摘要
基於布朗循環的中低溫混合工質熱電聯合循環採用毛細泵迴路熱管(CPL)、蒸發器、冷凝器、蒸汽通道、液體通道儲液器、隔離器以及控制系統特點的循環系統集成。在液體中氧化銅-水納米流體，提高了液體的導熱係數會以103倍的速度增大，熱管的換熱係數最大提高了160％臨界熱流密度提高了120％；一個帶有引射循環迴路的渦輪發電系統。主要設備有引射器、增壓室、渦輪機和迴路熱管加熱器。混合蒸氣體在擴壓室內絕熱減速增壓經兩級增壓或三級增壓至150℃熱水的壓力增加至3-5MPa進入氣輪機絕熱膨脹對外作功，一部分蒸氣溫度與壓力滿足引射器正常運行所需的入口條件。
文檔編號F28D15/04GK102359745SQ20111018819
公開日2012年2月22日 申請日期2011年7月6日 優先權日2011年7月6日
發明者羅勰, 羅藝琳 申請人:羅勰, 羅藝琳