專利名稱：基于布朗循環(huán)的中低溫混合工質(zhì)熱電聯(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)、前言能源動力系統(tǒng)研究的導向主要取決于世界能源發(fā)展與結(jié)構(gòu)變化的趨勢和能源科學本身研究的發(fā)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(huán)熱力參數(shù)與部件內(nèi)效率來求得較高的熱效率；第二代的特點是基于第二定律，注重能的品位差別與梯級利用以及不同循環(huán)有機結(jié)合，提出總能系統(tǒng)；第三代的研究突出可持續(xù)發(fā)展概念，注重總能系統(tǒng)與高效潔凈利用、優(yōu)化經(jīng)濟效果結(jié)合和能源與環(huán)境綜合滲透。常規(guī)的化石能源動力系統(tǒng)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(zhuǎn)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(tài)環(huán)境嚴重污染。為此，人們不斷提出能量轉(zhuǎn)換利用新概念、工程熱物理過程新機理、熱力循環(huán)新構(gòu)思以及能源動力發(fā)展新模式，在傳統(tǒng)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(tài)環(huán)境的關(guān)鍵與突破口，旨在建立革命性的能源動力系統(tǒng)。新一代能源動力系統(tǒng)是一個更加復雜的系統(tǒng)，其研究對象為物理層次的復雜性科學，除了更深入研究共性問題(系統(tǒng)模擬與綜合優(yōu)化，系統(tǒng)集成、功能及特性，系統(tǒng)多目標評價準則以及系統(tǒng)的調(diào)控與籌劃等)外，目前基于不同的發(fā)展目標，主要研究方向有①熱力循環(huán)創(chuàng)新與能量轉(zhuǎn)換利用新機理；②多功能的能源動力系統(tǒng)；③多能源的綜合利用系統(tǒng)；④無公害的能源動力系統(tǒng)；⑤中低溫能源轉(zhuǎn)換利用系統(tǒng)等。熱力循環(huán)是動力系統(tǒng)發(fā)展的理論基礎。多年來，各種熱力循環(huán)的改進原則上都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；另一方面使實際循環(huán)盡量接近理想的卡諾循環(huán)的方向進行。目前，人們已對幾乎所有的簡單循環(huán)進行過詳盡分析，對這些簡單循環(huán)的特性已有了全面的掌握。現(xiàn)在人們開始把目光轉(zhuǎn)向如何構(gòu)建新的循環(huán)，并盡量提高其熱力學性能上來。在能源與動力領(lǐng)域，通過熱力循環(huán)實現(xiàn)機械能的輸出，圍繞熱力循環(huán)的研究是能源利用轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的永久課題，能源高效、潔凈開發(fā)利用需要相應熱力循環(huán)的開拓性基礎研究。( 二)、毛細泵回路熱管(CPL)毛細泵回路熱管(CPL)主要由以下部分組成蒸發(fā)器、冷凝器、蒸汽通道、液體通道儲液器、隔離器以及控制系統(tǒng)(加熱器和溫度傳感器)。毛細泵回路的原理圖如

圖1.所
7J\ ο工作液體在蒸發(fā)器內(nèi)從熱源吸收熱量而蒸發(fā)汽化，產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)過蒸汽通道進入冷凝器，蒸汽在冷凝器內(nèi)放出熱量而凝結(jié)成液體，液體由于毛細結(jié)構(gòu)提供的毛細力而經(jīng)過液體通道回到蒸發(fā)器。如此循環(huán)，回路內(nèi)的工質(zhì)以相變傳熱的形式不斷的將熱量從蒸發(fā)器傳向冷凝器。隔離器設置在液體管道進入蒸發(fā)器的入口處，其作用是收集液體通道所輸送的不凝結(jié)氣體和蒸汽氣泡，防止它們進入蒸發(fā)器的毛細芯而阻塞液體流動。儲液器適用于溫度調(diào)控和蒸發(fā)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。由于在CPL回路中，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(fā)器外，其余部分都可以采用光滑管道，這就減少了系統(tǒng)的壓力損失，從而使得CPL的傳熱能力比普通熱管高。在CPL回路中流體的相變過程幾乎是在等溫下完成的，因此，CPL系統(tǒng)的等溫性非常好。CPL回路的壓力損失小，使得CPL系統(tǒng)可以實現(xiàn)長距離傳熱。(2) CPL具有優(yōu)良的控溫特性。CPL可以利用控制系統(tǒng)將回路的工作溫度調(diào)控在所需的溫度范圍內(nèi)。儲液器和CPL回路相連通，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(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作壓力，從而調(diào)節(jié)冷凝器的換熱面積以達到控制系統(tǒng)的飽和
工作溫度。(3)熱分享特性。CPL的蒸發(fā)器可以由多個蒸發(fā)器并聯(lián)而成，每個蒸發(fā)器的熱負荷可以有很大的不同，即使有的蒸發(fā)器沒有負荷，由于系統(tǒng)內(nèi)壓力平衡和各蒸發(fā)器的抽吸作用，它也可分享其余蒸發(fā)器的負荷，使系統(tǒng)溫度一致。(4)壓力灌注特性。一旦個別蒸發(fā)器由于熱負荷意外超載而出現(xiàn)干涸，可在系統(tǒng)的繼續(xù)運行中，通過加熱儲液器，進行壓力灌注而使干涸的蒸發(fā)器恢復工作。(5)熱二極管特性。冷凝器內(nèi)沒有毛細結(jié)構(gòu)，因此熱量只能從蒸發(fā)器傳向冷凝器， 從此起到了熱二極管的作用。在液體中添加納米顆粒顯著提高了液體的導熱系數(shù)，其原因可能有以下兩方面 氧化銅一水納米流體a)、由于固體顆粒的導熱系數(shù)遠遠大于液體的導熱系數(shù)。固體顆粒的加入改變了液體的結(jié)構(gòu)，增強了混合物內(nèi)部的能量傳遞過程，使得液體的導熱系數(shù)增大。納米流體導熱系數(shù)隨著納米顆粒體積分數(shù)的增大而增大。納米顆粒的體積分數(shù)越大，單位體積內(nèi)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；納米流體的導熱系數(shù)與構(gòu)成納米顆粒的材料的導熱系數(shù)有關(guān)，構(gòu)成納米顆粒的材料的導熱系數(shù)越大，納米流體的導熱系數(shù)也越大。b)、由于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(guī)則運動，布朗擴散、熱擴散等現(xiàn)象存在于納米流體中，納米顆粒的微運動使得納米顆粒與液體之間有微對流現(xiàn)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系數(shù)。最重要的是，納米流體中懸浮的納米顆粒在做無規(guī)則運動的同時，其自身所攜帶的能量也發(fā)生了遷移，同納米顆粒與液體間微對流強化導熱系數(shù)相比， 納米顆粒運動所產(chǎn)生的這部分能量遷移大大增強了納米流體內(nèi)部能量傳遞過程，對納米流體強化導熱系數(shù)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(nèi)部傳熱發(fā)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于傳熱。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， 納米流體的導熱系數(shù)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(nèi)部能量傳遞主要介質(zhì)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系數(shù)的能力增強。在熱管中添加納米顆粒能提高蒸發(fā)段的換熱性能和臨界熱流密度，冷凝段的換熱系數(shù)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，熱管的換熱系數(shù)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(zhì)量濃度，在該濃度下，熱管蒸發(fā)段的換熱系數(shù)最高。(三)、火、核電廠現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)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(shù)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(huán)中必須存在冷端，即蒸汽動力循環(huán)中汽溫最低的點位。對凝汽式機組，蒸汽經(jīng)汽輪機全部葉輪做功后，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(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。冷卻水有兩個來源一是取自自然水域；二是來自電廠的冷卻塔。發(fā)電機組不停止運行，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，棄熱對熱機生產(chǎn)過程不可避免。經(jīng)汽機作功后的蒸汽(排汽)冷凝(放熱)成凝結(jié)水再經(jīng)回熱后進入鍋爐，鍋爐產(chǎn)生的蒸汽在汽機中作功，在這個熱媒的循環(huán)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(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生產(chǎn)效率直接相關(guān)。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(huán)境(主要是冷卻水帶走)。對1000MW火電汽輪機組而言，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(qū)而異)。核電機組循環(huán)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，按非供熱機組容量占火電總?cè)萘?6%匡算，相當全年約有8. 4億噸標準煤白白扔到環(huán)境中?；鹆Πl(fā)電廠各項損失參考值附表1。
權(quán)利要求
1.采用毛細泵回路熱管(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(fā)揮毛細泵回路熱管(CPL)蒸發(fā)器、冷凝器、蒸汽通道、液體通道儲液器、隔離器以及控制系統(tǒng)(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回路的壓力損失小，使得CPL系統(tǒng)可以實現(xiàn)長距離傳熱。⑵CPL具有優(yōu)良的控溫特性。CPL可以利用控制系統(tǒng)將回路的工作溫度調(diào)控在所需的溫度范圍內(nèi)。儲液器和CPL回路相連通，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(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作壓力，從而調(diào)節(jié)冷凝器的換熱面積以達到控制系統(tǒng)的飽和工作溫度。(3)熱分享特性。CPL的蒸發(fā)器可以由多個蒸發(fā)器并聯(lián)而成，每個蒸發(fā)器的熱負荷可以有很大的不同，即使有的蒸發(fā)器沒有負荷，由于系統(tǒng)內(nèi)壓力平衡和各蒸發(fā)器的抽吸作用，它也可分享其余蒸發(fā)器的負荷，使系統(tǒng)溫度一致。(4)壓力灌注特性。一旦個別蒸發(fā)器由于熱負荷意外超載而出現(xiàn)干涸，可在系統(tǒng)的繼續(xù)運行中，通過加熱儲液器，進行壓力灌注而使干涸的蒸發(fā)器恢復工作。(5)熱二極管特性。冷凝器內(nèi)沒有毛細結(jié)構(gòu)，因此熱量只能從蒸發(fā)器傳向冷凝器，從此起到了熱二極管的作用。在液體中氧化銅一水納米流體顯著提高了液體的導熱系數(shù)，其原因可能有以下兩方a)、由于固體顆粒的導熱系數(shù)遠遠大于液體的導熱系數(shù)。固體顆粒的加入改變了液體的結(jié)構(gòu)，增強了混合物內(nèi)部的能量傳遞過程，使得液體的導熱系數(shù)增大。納米流體導熱系數(shù)隨著納米顆粒體積分數(shù)的增大而增大。納米顆粒的體積分數(shù)越大，單位體積內(nèi)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；納米流體的導熱系數(shù)與構(gòu)成納米顆粒的材料的導熱系數(shù)有關(guān)，構(gòu)成納米顆粒的材料的導熱系數(shù)越大，納米流體的導熱系數(shù)也越大。b)、由于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，熱管的換熱系數(shù)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(zhì)量濃度，在該濃度下，熱管蒸發(fā)段的換熱系數(shù)最高。
2.見圖03)-(6)—個帶有引射循環(huán)回路的渦輪發(fā)電系統(tǒng)。主要設備有引射器、增壓室、 渦輪機和回路熱管加熱器。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，混合蒸氣體在擴壓室內(nèi)絕熱減速增壓經(jīng)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(fā)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足引射器正常運行所需的入口條件。
3.引射循環(huán)系統(tǒng)分為兩個回路見圖(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，所以整個循環(huán)過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后的狀態(tài)，可逆過程c-d表示混合后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(huán)看成一個整體時，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)多級引射增壓系統(tǒng)⑧的系統(tǒng)圖的布置與設計原則。
全文摘要
基于布朗循環(huán)的中低溫混合工質(zhì)熱電聯(lián)合循環(huán)采用毛細泵回路熱管(CPL)、蒸發(fā)器、冷凝器、蒸汽通道、液體通道儲液器、隔離器以及控制系統(tǒng)特點的循環(huán)系統(tǒng)集成。在液體中氧化銅-水納米流體，提高了液體的導熱系數(shù)會以103倍的速度增大，熱管的換熱系數(shù)最大提高了160％臨界熱流密度提高了120％；一個帶有引射循環(huán)回路的渦輪發(fā)電系統(tǒng)。主要設備有引射器、增壓室、渦輪機和回路熱管加熱器?；旌险魵怏w在擴壓室內(nèi)絕熱減速增壓經(jīng)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(yōu)先權(quán)日2011年7月6日
發(fā)明者羅勰, 羅藝琳 申請人:羅勰, 羅藝琳