專(zhuān)利名稱(chēng)：基于布朗循環(huán)的中低溫聯(lián)合循環(huán)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
火、核發(fā)電熱電聯(lián)產(chǎn)分布式熱電冷聯(lián)供煤基多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)背景(一)·前言一百多年來(lái)，工程熱力學(xué)已滲透到各種學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域并形成許多新的分支學(xué)科。但其主要研究對(duì)象仍然是熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的規(guī)律和方法以及使熱機(jī)更有效地將熱能轉(zhuǎn)化為功的途徑，所涉及的主要領(lǐng)域仍為能源與動(dòng)力。因而用以實(shí)現(xiàn)熱能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換的封閉過(guò)程的熱力循環(huán)一直是工程熱力學(xué)研究的重點(diǎn)，特別是新的熱力循環(huán)與相應(yīng)的新工質(zhì)研究成為永恒的研究方向。長(zhǎng)期以來(lái)，熱力循環(huán)的開(kāi)拓性研究成為經(jīng)久不衰的課題，許多學(xué)者一直在孜孜不倦地從不同途徑去探索。然而，沒(méi)有新概念、新技術(shù)、新材料和新工質(zhì)也就沒(méi)有新的熱力循環(huán)和動(dòng)力裝置的更新?lián)Q代及性能的大幅度提高。一個(gè)新概念的提出或新技術(shù)的突破，常常會(huì)萌發(fā)出新的熱力循環(huán)的構(gòu)思從而開(kāi)發(fā)出新的動(dòng)力裝置與能源系統(tǒng)。近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，新熱力循環(huán)的探索開(kāi)拓的主要方面就是圍繞新概念、新技術(shù)、新工質(zhì)及新材料等“四新”的核心科技問(wèn)題而展開(kāi)的。20世紀(jì)70-80年代總能系統(tǒng)概念的提出，使得熱力循環(huán)研究思路發(fā)生重大變化。 人們不再囿于單一循環(huán)的優(yōu)勢(shì)，而更重視對(duì)把不同循環(huán)有機(jī)結(jié)合起來(lái)的各種高性能聯(lián)合循環(huán)的探討，從而把能量轉(zhuǎn)換利用過(guò)程提高到系統(tǒng)高度來(lái)認(rèn)識(shí)，即在系統(tǒng)的高度上，綜合考慮能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中功和熱的梯級(jí)利用，不同品位和形式的能量的合理安排以及各系統(tǒng)構(gòu)成的優(yōu)化匹配等，合理利用各級(jí)能量以獲得最好的效果。一個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)為核心的總能系統(tǒng)能充分發(fā)揮其高溫加熱優(yōu)勢(shì)，又避免了較高溫排熱損失大的缺陷，顯示出極好的總體性能，因而得到電力、石化、冶金等部門(mén)的青睞。以聯(lián)合循環(huán)、功熱并供、三聯(lián)供、多聯(lián)產(chǎn)以及總能工廠等多種形式廣泛推廣應(yīng)用。至今，各種熱力循環(huán)的改進(jìn)原則上多是遵循一方面不斷提高循環(huán)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(shí)際循環(huán)盡量接近理想的卡諾循環(huán)的方向進(jìn)行。前述的聯(lián)合循環(huán)等措施會(huì)大幅度提高效率，如把Brayton與Rakin循環(huán)聯(lián)合的聯(lián)合循環(huán)的最高實(shí)用效率已達(dá)到60%。但常規(guī)聯(lián)合循環(huán)的缺點(diǎn)是在兩個(gè)循環(huán)之間還有較大的平均傳熱溫差，引起煙損、降低效率。面向21世紀(jì)可持續(xù)發(fā)展的綠色能源戰(zhàn)略的背景，熱力循環(huán)研究的總目標(biāo)是要解決能源利用與環(huán)境相容的協(xié)調(diào)難題，即要大幅度提高能源利用率和減少有害污染物排放， 相應(yīng)的核心科學(xué)問(wèn)題可歸納為三點(diǎn)—、是將梯級(jí)利用的概念引入化學(xué)能及化學(xué)能向物理能轉(zhuǎn)化的階段，以實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與物理能的綜合梯級(jí)利用；二、是多功能綜合新思路，打破獨(dú)立循環(huán)系統(tǒng)各自發(fā)展造成的提高熱力與環(huán)保性能的障礙，以實(shí)現(xiàn)不同用能的循環(huán)系統(tǒng)的有機(jī)聯(lián)合；三、是尋求關(guān)鍵技術(shù)、材料、工質(zhì)等的突破，以實(shí)現(xiàn)更高層次的循環(huán)系統(tǒng)集成。由于中低溫工業(yè)余熱和可再生能源(太陽(yáng)能、地?zé)崮艿?轉(zhuǎn)換利用過(guò)程中熱源的溫度都比較低(100°c -400°C )，因此中低溫?zé)嵩锤咝?、低污染利用的熱力循環(huán)也受到特別的重視。與高溫?zé)嵩聪啾?，中低溫?zé)嵩礋峁D(zhuǎn)換效率很難提高，需解決的關(guān)健問(wèn)題很多。如 中低溫?zé)嵩礋崮芷肺惶嵘?熱變換機(jī)一以熱能驅(qū)動(dòng)、將較低溫度的熱能轉(zhuǎn)變成較高溫度的熱能，從而提高了利用價(jià)值)；特殊工質(zhì)對(duì)(混合、共沸、非共沸)及其與循環(huán)匹配特性；循環(huán)系統(tǒng)的集成原理等。傳統(tǒng)的熱力循環(huán)研究的重點(diǎn)多放在提高循環(huán)初溫方面。近期的動(dòng)態(tài)是通過(guò)降低循環(huán)放熱過(guò)程的溫度來(lái)提高循環(huán)效率，主要有兩條途徑利用逆向循環(huán)利用各種廢熱或余熱，通過(guò)吸收式制冷循環(huán)把正向循環(huán)(Brayton)進(jìn)口工質(zhì)溫度降低，即所謂的正、逆向藕合循環(huán)。利用冷炬，低溫狀態(tài)的冷炬來(lái)直接或間接冷卻Rankine循環(huán)排汽或Bravton循環(huán)的壓氣機(jī)進(jìn)口空氣來(lái)提高循環(huán)性能。隨著能源系統(tǒng)向復(fù)雜化、大型化、多目標(biāo)方向發(fā)展，相應(yīng)的熱力循環(huán)有著更為典型的復(fù)雜系統(tǒng)的特征。傳統(tǒng)的循環(huán)分析方法面臨著新的挑戰(zhàn)，新的循環(huán)分析理論與方法成為重要研究課題。循環(huán)系統(tǒng)理論模擬的新思路，循環(huán)系統(tǒng)集成新理論，綜合優(yōu)化新方法以及新的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則等都將成為重要課題。綜上所述，世界科學(xué)前沿的新熱力循環(huán)研究方向。如不同產(chǎn)功機(jī)理整合的聯(lián)合循環(huán)；多功能總能系統(tǒng)熱力學(xué)循環(huán)理論(包括多聯(lián)產(chǎn)聯(lián)合循環(huán)與多能源綜合利用熱力循環(huán))； 無(wú)公害燃煤聯(lián)合循環(huán)；中低溫?zé)嵩礋崃ρh(huán)與正、逆向藕合循環(huán)；高溫核能聯(lián)合循環(huán)；循環(huán)分析的新理論與方法等。(二)·回路熱管回路熱管(Loop Heat Pipe, LHP)是由俄羅斯科學(xué)家Yu. F. Maidanik教授所發(fā)明的一種傳熱裝置。如圖(1)所示，回路熱管由蒸發(fā)器、蒸汽段、冷凝段、回流段、補(bǔ)償室五個(gè)部分組成，其中，在蒸發(fā)器內(nèi)部有一組毛細(xì)結(jié)構(gòu)。在蒸發(fā)器內(nèi)壁或者毛細(xì)結(jié)構(gòu)上有許多蒸汽槽道，如圖(1)中A-A截面所示。其基本的工作原理是毛細(xì)結(jié)構(gòu)本身可以將液態(tài)往上吸， 使得毛細(xì)結(jié)構(gòu)充滿(mǎn)工質(zhì)液體，而當(dāng)蒸發(fā)器被加熱時(shí)，毛細(xì)結(jié)構(gòu)也被加熱，毛細(xì)結(jié)構(gòu)中的液體便會(huì)蒸發(fā)成氣體，并通過(guò)蒸汽槽道沿著蒸汽段到冷凝段，同時(shí)帶走了熱量；而在冷凝段中， 氣體被冷凝成了液體，釋放出潛熱；而毛細(xì)結(jié)構(gòu)的毛細(xì)力再使液體沿著回流段回流到補(bǔ)償室，并到達(dá)毛細(xì)結(jié)構(gòu)。如此形成了一個(gè)工質(zhì)的流動(dòng)循環(huán)和熱量傳遞過(guò)程。補(bǔ)償室的作用主要是啟動(dòng)的時(shí)候容納在蒸汽段和冷凝段的液體，并且在運(yùn)行時(shí)防止液體來(lái)不及回流造成蒸發(fā)器干涸。雖然回路熱管與傳統(tǒng)熱管在結(jié)構(gòu)上有很大不同，但基本原理相同。當(dāng)外界熱量傳遞給蒸發(fā)器時(shí)，其內(nèi)液體工質(zhì)蒸發(fā)汽化，在主毛細(xì)芯內(nèi)的汽液界面形成新月面產(chǎn)生毛細(xì)壓力，驅(qū)動(dòng)蒸汽通過(guò)蒸汽管線流入冷凝器；在冷凝器內(nèi)蒸汽放出熱量冷凝為液體，將熱量傳遞至冷凝器外；液體被驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)液體管線回流進(jìn)入補(bǔ)償室，通過(guò)次毛細(xì)芯流回蒸發(fā)器內(nèi)的主毛細(xì)芯。工質(zhì)循環(huán)由毛細(xì)壓差驅(qū)動(dòng)，無(wú)需外加動(dòng)力。補(bǔ)償室儲(chǔ)存多余的液體，并控制回路的操作溫度。圖⑵所示為回路熱管中工質(zhì)循環(huán)的壓力一溫度圖。主毛細(xì)芯內(nèi)新月面汽相側(cè)的蒸汽處于飽和狀態(tài)1(各狀態(tài)點(diǎn)在回路中的對(duì)應(yīng)位置見(jiàn)圖(1))；在毛細(xì)壓力驅(qū)動(dòng)下蒸汽沿主毛細(xì)芯外側(cè)的蒸汽通道流向蒸發(fā)器出口，繼續(xù)被加熱溫度有所升高，為克服流動(dòng)阻力壓力有所下降，在蒸發(fā)器出口時(shí)為狀態(tài)2 ；由蒸發(fā)器沿蒸汽管線流向冷凝器時(shí)，理想狀況下為等溫流動(dòng)，克服流動(dòng)阻力壓力有所下降，在冷凝器入口處為狀態(tài)3 ；在冷凝器中釋放熱量，由過(guò)熱狀態(tài)冷卻至飽和狀態(tài)4，進(jìn)一步冷卻發(fā)生冷凝，在狀態(tài)5蒸汽完全冷凝為液體，進(jìn)一步被冷卻在出口處達(dá)到過(guò)冷狀態(tài)6;液體沿液體管線流回至補(bǔ)償室，理想狀況下為等溫流動(dòng)，在補(bǔ)償室入口處為狀態(tài)7 ；由于補(bǔ)償室與蒸發(fā)室相聯(lián)，部分熱量傳入補(bǔ)償室，加熱其中液體達(dá)到飽和狀態(tài)8 ；在毛細(xì)芯內(nèi)液體運(yùn)動(dòng)至新月形汽液界面過(guò)程中繼續(xù)被加熱至過(guò)熱狀態(tài)9 ；在新月形汽液界面過(guò)熱液體汽化，由于毛細(xì)作用壓力提升至狀態(tài)?；芈窡峁苡幸韵聝?yōu)點(diǎn)。(1)回路熱管(LHP)是一種兩相的高效傳熱裝置，它利用蒸發(fā)器內(nèi)的毛細(xì)芯產(chǎn)生的毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)回路運(yùn)行，利用工質(zhì)的蒸發(fā)和冷凝來(lái)傳遞熱量，不需要外加動(dòng)力；(2)等溫性能較好，可以遠(yuǎn)距離傳熱，并能改變熱量傳遞的方向；(3)汽液通道分離的設(shè)計(jì)，使管內(nèi)二相介質(zhì)流動(dòng)方向一致，加快了介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度，避免了汽液間的相互干擾，大大地降低了熱阻，提高了熱管的傳熱效率；(4)其管路的形狀無(wú)絕對(duì)性，可依據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)，適合不同的場(chǎng)合，應(yīng)用更加靈活。由于回路熱管有著良好的傳熱性能，回路熱管在航天航空方面應(yīng)用已比較廣泛， 技術(shù)也比較成熟。隨著LHP技術(shù)的成熟，LHP正在向小型化、平板型，高熱流、遠(yuǎn)距離的方向發(fā)展，以及在不同的應(yīng)用背景下，與不同的技術(shù)相結(jié)合衍生出新的LHP結(jié)構(gòu)。因此開(kāi)發(fā)應(yīng)用于大功率的回路熱管散熱器，使得大功率熱管散熱器采用自然冷卻成為可能。其無(wú)風(fēng)自冷狀態(tài)下熱阻可達(dá)到0. 0570C /W。(三)、火、核電廠現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)火、核電廠汽輪機(jī)有凝汽式(含抽汽凝汽式)和背壓式兩種，除熱電廠的供熱機(jī)組多用背壓式外，絕大多數(shù)非供熱電廠的汽輪機(jī)組是凝汽式機(jī)。在我國(guó)火、核電廠裝機(jī)總功率中，大約有86%是非供熱機(jī)型。汽輪機(jī)利用高溫高壓蒸汽做功的熱力循環(huán)中必須存在冷端，即蒸汽動(dòng)力循環(huán)中汽溫最低的點(diǎn)位。對(duì)凝汽式機(jī)組，蒸汽經(jīng)汽輪機(jī)全部葉輪做功后，成為乏汽，排至排汽缸，進(jìn)入汽機(jī)冷端一凝汽器。在凝汽器這個(gè)非接觸式冷卻器中，乏汽傳熱至循環(huán)冷卻水，釋放其凝結(jié)潛熱后，變成凝結(jié)水被重返鍋爐。保證汽機(jī)冷端功效的是流經(jīng)凝汽器吸收乏汽凝結(jié)潛熱的循環(huán)冷卻水。冷卻水有兩個(gè)來(lái)源一是取自自然水域；二是來(lái)自電廠的冷卻塔。發(fā)電機(jī)組不停止運(yùn)行，循環(huán)冷卻水(溫排水)則一刻不停地將大量余熱釋放到環(huán)境。電廠循環(huán)冷卻水中賦存的余熱量十分巨大，棄熱對(duì)熱機(jī)生產(chǎn)過(guò)程不可避免。經(jīng)汽機(jī)作功后的蒸汽(排汽)冷凝(放熱)成凝結(jié)水再經(jīng)回?zé)岷筮M(jìn)入鍋爐，鍋爐產(chǎn)生的蒸汽在汽機(jī)中作功，在這個(gè)熱媒的循環(huán)過(guò)程中，需要放出大量的冷凝熱。冷凝熱的主要特點(diǎn)如下品位低。排汽壓力水冷，4_8kPa ；空冷，15kPa。冷凝溫度水冷，四_41. 5°C ；空冷， 54 "C。量大、集中。平均發(fā)電耗熱約占總輸入的32%左右。純凝汽工況排入大氣的可回收冷凝熱占50%以上，為發(fā)電耗熱的1. 5倍以上；供熱工況可回收冷凝熱約為發(fā)電耗熱的 0. 7-1. 3 倍。電廠排熱量巨大與它的熱機(jī)生產(chǎn)效率直接相關(guān)。一般大型火電廠實(shí)際熱效率僅為 40%，核電不及35%，60%以上熱量排到環(huán)境(主要是冷卻水帶走)。對(duì)1000MW火電汽輪機(jī)組而言，循環(huán)冷卻水量約35 45m3/S (3X IO6 4X 106m3/d)、排水溫升(即超過(guò)環(huán)境水域的溫度)8 13°C (視季節(jié)而變)，該溫升所賦存的熱量約1. 2X IO6 1. 9X 106kJ/s ；按年運(yùn)行5000h計(jì)，年均3. 0 4. 8X 1013kJ/a，其熱量折合標(biāo)準(zhǔn)煤約70 114萬(wàn)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(qū)而異)。核電機(jī)組循環(huán)水量是火電機(jī)組的1. 2 1. 5倍，棄熱量會(huì)更多。2010年全國(guó)火電裝機(jī)總量約7. 9億千瓦，按非供熱機(jī)組容量占火電總?cè)萘?6%匡算，相當(dāng)全年約有8. 4億噸標(biāo)準(zhǔn)煤白白扔到環(huán)境中?；鹆Πl(fā)電廠各項(xiàng)損失參考值附表1。
權(quán)利要求
1.采用回路熱管(LHP)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(fā)揮回路熱管(LHP)以下特點(diǎn)；(1)回路熱管(LHP)是一種汽液兩相的高效傳熱裝置，它利用蒸發(fā)器內(nèi)的毛細(xì)芯產(chǎn)生的毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)回路運(yùn)行，利用工質(zhì)的蒸發(fā)和冷凝來(lái)傳遞熱量，不需要外加動(dòng)力；(2)等溫性能較好，可以遠(yuǎn)距離傳熱，并能改變熱量傳遞的方向；(3)汽液通道分離的設(shè)計(jì)，使管內(nèi)二相介質(zhì)流動(dòng)方向一致，加快了介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度，避免了汽液間的相互干擾，大大地降低了熱阻，提高了熱管的傳熱效率；(4)其管路的形狀無(wú)絕對(duì)性，可依據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)，適合不同的場(chǎng)合，應(yīng)用更加靈活。
2.見(jiàn)圖03)-(6)—個(gè)帶有引射循環(huán)回路的渦輪發(fā)電系統(tǒng)。主要設(shè)備有引射器、增壓室、 渦輪機(jī)和回路熱管加熱器。工作蒸氣被引入噴管中作絕熱膨脹，產(chǎn)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(kuò)壓室內(nèi)絕熱減速增壓經(jīng)兩級(jí)增壓或三級(jí)增壓至150°C熱水的壓力增加至3-5MPa進(jìn)熱水發(fā)電機(jī)與圖5相對(duì)應(yīng)(定壓加熱d_e)，進(jìn)入氣輪機(jī)絕熱膨脹對(duì)外作功，然后排入循環(huán)系統(tǒng)(定壓放熱f-o)；—部分蒸氣溫度與壓力滿(mǎn)足引射器正常運(yùn)行所需的入口條件。
3.引射循環(huán)系統(tǒng)分為兩個(gè)回路見(jiàn)圖(4)質(zhì)量ο的冷凝熱水的工質(zhì)作循環(huán)o-c-d-e-f-o 對(duì)外作功，而質(zhì)量為a蒸汽的工質(zhì)作引射循環(huán)a-b-c-d-e-o增壓冷凝熱水。雖然冷凝熱水和蒸汽的形態(tài)不同，但一者的熱力性質(zhì)很接近，而且一般情況下所用的蒸汽與冷凝熱水質(zhì)量相比很小，可被忽略，所以整個(gè)循環(huán)過(guò)程中始終是一定量的蒸汽工質(zhì)在工作。噴管中的絕熱膨脹過(guò)程在圖(4)上是不可逆的絕熱過(guò)程。c表示蒸汽流體與引射冷凝熱流體在混合室中混合后的狀態(tài)，可逆過(guò)程c-d表示混合后的液體在擴(kuò)壓室中的絕熱壓縮過(guò)程，實(shí)際過(guò)程伴有摩擦和激波，是不可逆的。過(guò)程d-e被簡(jiǎn)化為定容加熱過(guò)程。當(dāng)將整個(gè)循環(huán)看成一個(gè)整體時(shí)，單位質(zhì)量工質(zhì)總循環(huán)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(huán)發(fā)電系統(tǒng)溫一熵(T-S)圖。圖(6)多級(jí)引射增壓系統(tǒng)⑧的系統(tǒng)圖的布置與設(shè)計(jì)原則。
全文摘要
基于布朗循環(huán)的中低溫聯(lián)合循環(huán)技術(shù)，解決火、核電廠冷凝熱釋放出的熱量巨大的利用。提出了采用吸熱式熱泵、回路熱管、引射增壓、引射循環(huán)系統(tǒng)技術(shù)解決了回收回用冷凝余熱的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。1.是將梯級(jí)利用的概念引入化學(xué)能及化學(xué)能向物理能轉(zhuǎn)化的階段，以實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與物理能的綜合梯級(jí)利用；2.是多功能綜合新思路，打破獨(dú)立循環(huán)系統(tǒng)各自發(fā)展造成的提高熱力與環(huán)保性能的障礙，以實(shí)現(xiàn)不同用能的循環(huán)系統(tǒng)的有機(jī)聯(lián)合；3.是尋求關(guān)鍵技術(shù)、材料、工質(zhì)等的突破，以實(shí)現(xiàn)更高層次的循環(huán)系統(tǒng)集成。
文檔編號(hào)F01D15/10GK102313473SQ20111018817
公開(kāi)日2012年1月11日 申請(qǐng)日期2011年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月6日
發(fā)明者羅勰, 羅藝琳 申請(qǐng)人:羅勰, 羅藝琳