跨臨界動(dòng)力循環(huán)裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及動(dòng)力機(jī)械【技術(shù)領(lǐng)域】，公開了一種跨臨界動(dòng)力循環(huán)裝置及方法。該裝置包括：膨脹機(jī)、冷卻器、膨脹閥、氣液分離器、工質(zhì)泵、加熱器和壓縮機(jī)；膨脹機(jī)出口與冷卻器進(jìn)口通過管道相連，冷卻器出口與膨脹閥進(jìn)口相連，膨脹閥出口與氣液分離器進(jìn)口相連，氣液分離器第一出口與工質(zhì)泵進(jìn)口相連，工質(zhì)泵出口與加熱器進(jìn)口相連，加熱器出口與膨脹機(jī)進(jìn)口相連，氣液分離器第二出口與壓縮機(jī)進(jìn)口相連，壓縮機(jī)出口與冷卻器進(jìn)口相連；其中，所述裝置中采用超臨界流體作為循環(huán)工質(zhì)。本發(fā)明有利于降低工質(zhì)泵功耗，提高工質(zhì)泵的工作穩(wěn)定性，有利于推進(jìn)CO2跨臨界動(dòng)力循環(huán)的推廣。
【專利說明】跨臨界動(dòng)力循環(huán)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及動(dòng)力機(jī)械【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種跨臨界動(dòng)力循環(huán)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有利用氣體做功獲得動(dòng)力的機(jī)械裝置主要有膨脹機(jī)和汽輪機(jī)等，這些動(dòng)力機(jī)械一般利用氣體工質(zhì)產(chǎn)生的壓力推動(dòng)機(jī)械組件。一般情況下，工質(zhì)的膨脹過程可以采用膨脹閥、節(jié)流閥和膨脹機(jī)，膨脹機(jī)可以回收膨脹功，但兩相區(qū)膨脹過程的膨脹功一般較小，且回收技術(shù)復(fù)雜，現(xiàn)有技術(shù)中通常采用膨脹閥或節(jié)流閥代替膨脹機(jī)。
[0003]目前氣液分離的技術(shù)比較成熟，工質(zhì)的回收循環(huán)可以選擇多種形式的氣液分離器。如果節(jié)流閥后的工質(zhì)氣液密度差較大，選擇簡單的重力沉降的方式實(shí)現(xiàn)分離，也可以選擇分離器中填料或者假設(shè)折流板等措施實(shí)現(xiàn)高效分離。
[0004]具體地，現(xiàn)有技術(shù)中動(dòng)力機(jī)械完整的循環(huán)過程一般采用朗肯循環(huán)或卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)。其中有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)在低溫?zé)嵩搭I(lǐng)域具有較高的效率，但其實(shí)際應(yīng)用中受到諸多方面的制約，如工質(zhì)具有毒性，具有可燃性，熱穩(wěn)定性差及價(jià)格較高，其相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)存在密封，工質(zhì)凈化等問題。卡琳娜(Klina)循環(huán)系統(tǒng)復(fù)雜，同時(shí)工質(zhì)具有毒性、可燃性和腐蝕性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是如何提高動(dòng)力機(jī)械的循環(huán)效率并降低工質(zhì)危害。
[0006]為解決上述問題，一方面，本發(fā)明提供了一種跨臨界動(dòng)力循環(huán)裝置，包括:膨脹機(jī)/汽輪機(jī)、冷卻器、膨脹閥/節(jié)流閥/膨脹機(jī)、氣液分離器、工質(zhì)泵、加熱器和壓縮機(jī)/引射器；膨脹機(jī)/汽輪機(jī)出口與冷卻器進(jìn)口通過管道相連，冷卻器出口與膨脹閥/節(jié)流閥/膨脹機(jī)進(jìn)口相連，膨脹閥/節(jié)流閥/膨脹機(jī)出口與氣液分離器進(jìn)口相連，氣液分離器第一出口與工質(zhì)泵進(jìn)口相連，工質(zhì)泵出口與加熱器進(jìn)口相連，加熱器出口與膨脹機(jī)/汽輪機(jī)進(jìn)口相連，氣液分離器第二出口與壓縮機(jī)/引射器進(jìn)口相連，壓縮機(jī)/引射器出口與冷卻器進(jìn)口相連；其中，所述裝置中采用超臨界流體作為循環(huán)工質(zhì)。
[0007]優(yōu)選地，所述超臨界流體為C02、R116、R13、R23、R41和乙烷中的至少一種。
[0008]另一方面，本發(fā)明還同時(shí)提供一種跨臨界動(dòng)力循環(huán)方法，包括步驟:
[0009]I)以超臨界流體為循環(huán)工質(zhì)在膨脹機(jī)/汽輪機(jī)中膨脹并對(duì)外輸出軸功，做功后的低壓乏汽進(jìn)入冷卻器被冷卻水超臨界冷卻；
[0010]2)低壓低溫的循環(huán)工質(zhì)經(jīng)膨脹閥/節(jié)流閥/膨脹機(jī)減壓進(jìn)入兩相區(qū)狀態(tài)，兩相區(qū)狀態(tài)工質(zhì)經(jīng)氣液分離器分離成飽和液態(tài)工質(zhì)和飽和氣態(tài)工質(zhì)，其中飽和氣態(tài)工質(zhì)由壓縮機(jī)/引射器增壓后與乏汽混合，再進(jìn)入冷卻器，而飽和液態(tài)工質(zhì)由工質(zhì)泵增壓，再進(jìn)入加熱器吸收熱量成為高壓高溫的超臨界狀態(tài)；
[0011]3)高壓高溫的工質(zhì)重新進(jìn)入膨脹機(jī)/汽輪機(jī)膨脹對(duì)外輸出軸功，從而完成一個(gè)循環(huán)。[0012]優(yōu)選地，所述膨脹閥/節(jié)流閥/膨脹機(jī)回收工質(zhì)降壓過程的膨脹功。
[0013]優(yōu)選地，所述飽和氣態(tài)工質(zhì)的增壓方式為:將分離后的氣體工質(zhì)通過壓縮機(jī)增壓后直接與乏汽混合，或者利用乏汽的較高壓力將分離氣體引射并混合。
[0014]優(yōu)選地，所述超臨界流體為C02、R116、R13、R23、R41和乙烷中的至少一種。
[0015]本發(fā)明采用超臨界加熱、超臨界冷卻、工質(zhì)節(jié)流和氣液分離相結(jié)合的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)以常規(guī)冷卻方法即可得到低溫飽和液態(tài)CO2，有利于降低工質(zhì)泵功耗，提高工質(zhì)泵的工作穩(wěn)定性，有利于推進(jìn)CO2跨臨界動(dòng)力循環(huán)的推廣。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為新型跨臨界動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)流程圖；
[0017]圖2為新型跨臨界動(dòng)力循環(huán)工質(zhì)狀態(tài)。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實(shí)施例為實(shí)施本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，所述描述是以說明本發(fā)明的一般原則為目的，并非用以限定本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以權(quán)利要求所界定者為準(zhǔn)，基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0019]在本發(fā)明中，首先提出了一種新型的跨臨界動(dòng)力循環(huán)裝置，根據(jù)熱源和冷源實(shí)際情況，優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。參見圖1，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述裝置包括:膨脹機(jī)(或汽輪機(jī))1、冷卻器2、膨脹閥(或節(jié)流閥、或膨脹機(jī))3、氣液分離器4、工質(zhì)泵5、加熱器6和壓縮機(jī)7 ;膨脹機(jī)(或汽輪機(jī))I出口與冷卻器2進(jìn)口通過管道相連，冷卻器2出口與膨脹閥(或節(jié)流閥、或膨脹機(jī))3進(jìn)口相連，膨脹閥(或節(jié)流閥、或膨脹機(jī))3出口與氣液分離器4進(jìn)口相連，氣液分離器4第一出口 a與工質(zhì)泵5進(jìn)口相連，工質(zhì)泵5出口與加熱器6進(jìn)口相連，加熱器6出口與膨脹機(jī)(或汽輪機(jī))I進(jìn)口相連，氣液分離器4第二出口 b與壓縮機(jī)7進(jìn)口相連，壓縮機(jī)7出口與冷卻器2進(jìn)口相連；其中，所述裝置中采用超臨界流體作為循環(huán)工質(zhì)。
[0020]超臨界流體工質(zhì)的優(yōu)勢在于液體與氣體分界消失，即使提高壓力也不會(huì)發(fā)生液化。超臨界流體的物性兼具液體性質(zhì)與氣體性質(zhì)，它可以視為氣態(tài)，但又不同于一般氣體，而是一種稠密的氣態(tài)；其密度比一般氣體要大兩個(gè)數(shù)量級(jí)，與液體相近；它的粘度比液體小，但擴(kuò)散速度比液體快(約兩個(gè)數(shù)量級(jí))，所以有較好的流動(dòng)性和傳遞性能；它的介電常數(shù)隨壓力而急劇變化(如介電常數(shù)增大有利于溶解一些極性大的物質(zhì))。另外，根據(jù)壓力和溫度的不同，這種物性會(huì)發(fā)生變化。利用超臨界流體的特殊性質(zhì)，可以提高換熱性能。
[0021]基于上述裝置，本發(fā)明的實(shí)施例中提供的跨臨界動(dòng)力循環(huán)方法包括步驟:
[0022]I)以超臨界流體為循環(huán)工質(zhì)在膨脹機(jī)或汽輪機(jī)中膨脹并對(duì)外輸出軸功，做功后的低壓乏汽進(jìn)入冷卻器被冷卻水超臨界冷卻，冷卻到的具體狀態(tài)根據(jù)冷卻水現(xiàn)實(shí)情況設(shè)計(jì)；
[0023]2)低壓低溫的循環(huán)工質(zhì)經(jīng)膨脹閥(或節(jié)流閥，或膨脹機(jī))減壓進(jìn)入兩相區(qū)狀態(tài)，兩相區(qū)狀態(tài)工質(zhì)經(jīng)氣液分離器分離成飽和液態(tài)工質(zhì)和飽和氣態(tài)工質(zhì)，其中飽和氣態(tài)工質(zhì)由壓縮機(jī)(或引射器)增壓后與乏汽混合，再進(jìn)入冷卻器，而飽和液態(tài)工質(zhì)由工質(zhì)泵增壓，再進(jìn)入加熱器吸收熱量成為高壓高溫的超臨界狀態(tài)；
[0024]3)高壓高溫的工質(zhì)重新進(jìn)入膨脹機(jī)或汽輪機(jī)膨脹對(duì)外輸出軸功，從而完成一個(gè)循環(huán)。
[0025]優(yōu)選地，上述超臨界流體為CO2，還可以應(yīng)用其他低臨界溫度物質(zhì)，如R116(六氟乙烷)、R13 (三氟一氯甲烷)、R23 (三氟甲烷)、R41 (氟甲烷)、乙烷等有機(jī)物。工質(zhì)的循環(huán)狀態(tài)如圖2所示，氣液分離器中氣液相工質(zhì)質(zhì)量比例受節(jié)流起始點(diǎn)位置的影響，超臨界冷卻壓力一定時(shí)，工質(zhì)膨脹起始點(diǎn)的溫度越高，膨脹后得到的兩相工質(zhì)干度越高，氣液分離后飽和汽的比例就越高；工質(zhì)膨脹起始點(diǎn)的溫度越低，節(jié)流后得到的兩相工質(zhì)干度越低，氣液分離后飽和汽的比例就越低。工質(zhì)膨脹起始點(diǎn)溫度越低越有利，但受到冷源流體溫度的限制，需根據(jù)工程當(dāng)?shù)厍闆r而定。
[0026]若采用膨脹機(jī)代替膨脹閥或節(jié)流閥，可回收工質(zhì)膨脹功，可采用變轉(zhuǎn)速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將此膨脹機(jī)和高壓高溫膨脹機(jī)(汽輪機(jī))的動(dòng)力輸出統(tǒng)一到一根軸上，向外輸出軸功，向設(shè)備提供動(dòng)力。采用膨脹機(jī)回收膨脹功可以提高循環(huán)效率，但回收兩相工質(zhì)膨脹功技術(shù)難度較大。
[0027]本發(fā)明設(shè)計(jì)的飽和氣態(tài)工質(zhì)增壓可以采用多種方式，可以將分離后的氣體工質(zhì)通過壓縮機(jī)增壓后直接與乏汽混合，也可以利用乏汽的較高壓力將分離氣體引射并混合，然后進(jìn)入超臨界冷卻器。
[0028]系統(tǒng)中壓縮機(jī)可采用電能帶動(dòng)，也可將膨脹機(jī)(汽輪機(jī))主軸與壓縮機(jī)主軸采用變轉(zhuǎn)速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，采用系統(tǒng)膨脹機(jī)(汽輪機(jī))對(duì)外輸出軸功的一部分帶動(dòng)壓縮機(jī)工作，從而提高整個(gè)系統(tǒng)性能。
[0029]氣液分離器中氣液相工質(zhì)質(zhì)量比例對(duì)循環(huán)性能具有重要影響，工質(zhì)膨脹起始點(diǎn)溫度越低，飽和液比例越大，飽和氣比例越小，飽和氣增壓耗功越小，循環(huán)效率就越高。
[0030]本發(fā)明提出的新型跨臨界CO2動(dòng)力循環(huán)，旨在解決常規(guī)跨臨界CO2動(dòng)力循環(huán)冷凝過程不易實(shí)現(xiàn)的問題。采用超臨界冷卻、工質(zhì)節(jié)流和氣液分離相結(jié)合的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)以常規(guī)冷卻方法即可得到低溫飽和液態(tài)CO2，有利于降低工質(zhì)泵功耗，提高工質(zhì)泵的工作穩(wěn)定性，有利于推進(jìn)CO2跨臨界動(dòng)力循環(huán)的推廣。
[0031]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有的循環(huán)形式，選擇CO2作為循環(huán)工質(zhì)，并且將CO2冷卻過程不容易實(shí)現(xiàn)的問題通過節(jié)流閥和氣液分離器解決。而且還可以根據(jù)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)選擇不同的節(jié)流起始點(diǎn)，對(duì)于熱源和循環(huán)工況具有靈活的適應(yīng)性。而且CO2具有無毒，不可燃，環(huán)境性能優(yōu)良，循環(huán)性能優(yōu)良，廉價(jià)易得等特點(diǎn)，是一種具有很好發(fā)展前景的動(dòng)力循環(huán)工質(zhì)，尤其是在低溫?zé)崮軇?dòng)力回收領(lǐng)域具有較好的循環(huán)性能。鑒于采用有機(jī)工質(zhì)的跨臨界動(dòng)力循環(huán)，由于某些有機(jī)工質(zhì)臨界溫度較低，同樣面臨工質(zhì)難以被常規(guī)冷卻水冷凝的問題，因此本發(fā)明不限于CO2工質(zhì)，同樣可以應(yīng)用于其他低臨界溫度物質(zhì)，如Rl 16、Rl3、R23、R41、乙烷等有機(jī)物。
[0032]本發(fā)明采用超臨界加熱、超臨界冷卻、工質(zhì)節(jié)流和氣液分離相結(jié)合的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)以常規(guī)冷卻方法即可得到低溫飽和液態(tài)CO2，有利于降低工質(zhì)泵功耗，提高工質(zhì)泵的工作穩(wěn)定性，有利于推進(jìn)CO2跨臨界動(dòng)力循環(huán)的推廣。
[0033]工質(zhì)經(jīng)過膨脹過程，從溫度較高的不能冷凝的超臨界狀態(tài)進(jìn)入兩相區(qū)，經(jīng)過氣液分離器產(chǎn)生飽和液態(tài)工質(zhì)和飽和氣態(tài)工質(zhì)，與膨脹前的溫度較高的超臨界工質(zhì)相比，飽和液態(tài)工質(zhì)密度更大，有利于提高工質(zhì)泵的效率。[0034]膨脹閥與氣液分離器兩個(gè)設(shè)備的應(yīng)用，起到了對(duì)工質(zhì)泵進(jìn)口工質(zhì)進(jìn)行降溫降壓的作用，回避了 CO2在冷凝器中冷凝的過程，更利于在實(shí)際工程中進(jìn)行推廣。
【權(quán)利要求】
1.一種跨臨界動(dòng)力循環(huán)裝置，其特征在于，所述裝置包括:膨脹機(jī)/汽輪機(jī)、冷卻器、膨脹閥/節(jié)流閥/膨脹機(jī)、氣液分離器、工質(zhì)泵、加熱器和壓縮機(jī)/引射器；膨脹機(jī)/汽輪機(jī)出口與冷卻器進(jìn)口通過管道相連，冷卻器出口與膨脹閥/節(jié)流閥/膨脹機(jī)進(jìn)口相連，膨脹閥/節(jié)流閥/膨脹機(jī)出口與氣液分離器進(jìn)口相連，氣液分離器第一出口與工質(zhì)泵進(jìn)口相連，工質(zhì)泵出口與加熱器進(jìn)口相連，加熱器出口與膨脹機(jī)/汽輪機(jī)進(jìn)口相連，氣液分離器第二出口與壓縮機(jī)/引射器進(jìn)口相連，壓縮機(jī)/引射器出口與冷卻器進(jìn)口相連；其中，所述裝置中采用超臨界流體作為循環(huán)工質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述超臨界流體為C02、Rl16、R13、R23、R41和乙烷中的至少一種。
3.一種跨臨界動(dòng)力循環(huán)方法，其特征在于，所述方法包括步驟: O以超臨界流體為循環(huán)工質(zhì)在膨脹機(jī)/汽輪機(jī)中膨脹并對(duì)外輸出軸功，做功后的低壓乏汽進(jìn)入冷卻器被冷卻水超臨界冷卻； 2)低壓低溫的循環(huán)工質(zhì)經(jīng)膨脹閥/節(jié)流閥/膨脹機(jī)減壓進(jìn)入兩相區(qū)狀態(tài)，兩相區(qū)狀態(tài)工質(zhì)經(jīng)氣液分離器分離成飽和液態(tài)工質(zhì)和飽和氣態(tài)工質(zhì)，其中飽和氣態(tài)工質(zhì)由壓縮機(jī)/引射器增壓后與乏汽混合，再進(jìn)入冷卻器，而飽和液態(tài)工質(zhì)由工質(zhì)泵增壓，再進(jìn)入加熱器吸收熱量成為高壓高溫的超臨界狀態(tài)； 3)高壓高溫的工質(zhì)重新進(jìn)入膨脹機(jī)/汽輪機(jī)膨脹對(duì)外輸出軸功，從而完成一個(gè)循環(huán)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述膨脹閥/節(jié)流閥/膨脹機(jī)回收工質(zhì)降壓過程的膨脹功。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述飽和氣態(tài)工質(zhì)的增壓方式為:將分離后的氣體工質(zhì)通過壓縮機(jī)增壓后直接與乏汽混合，或者利用乏汽的較高壓力將分離氣體引射并混合。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述超臨界流體為C02、Rl16、R13、R23、R41和乙烷中的至少一種。
【文檔編號(hào)】F01K25/10GK103790662SQ201410042886
【公開日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2014年1月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月29日
【發(fā)明者】潘利生, 魏小林, 史維秀, 李博 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院力學(xué)研究所