一種朗肯循環(huán)與液態(tài)金屬自然循環(huán)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種朗肯循環(huán)與液態(tài)金屬自然循環(huán)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，包括朗肯循環(huán)發(fā)電回路、液態(tài)金屬發(fā)電回路。朗肯循環(huán)發(fā)電回路由膨脹機(jī)、發(fā)電機(jī)、冷凝器、工質(zhì)循環(huán)泵以及與液態(tài)金屬發(fā)電回路耦合的混合蒸發(fā)段組成；液態(tài)金屬發(fā)電回路包括吸熱段、與朗肯循環(huán)發(fā)電回路耦合的兩相流上升段、汽液分離段、下降段，下降段上設(shè)置發(fā)電單元。朗肯循環(huán)發(fā)電回路的液態(tài)工質(zhì)經(jīng)分液器進(jìn)入混合蒸發(fā)段后遇高溫液態(tài)金屬而產(chǎn)生相變，在混合蒸發(fā)段內(nèi)形成蒸汽?液態(tài)金屬的兩相流，從而驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬產(chǎn)生自然循環(huán)，液態(tài)金屬的運(yùn)動(dòng)在下降段的發(fā)電單元切割磁力線從而產(chǎn)生電能，本實(shí)用新型可廣泛應(yīng)用于工業(yè)余熱、太陽(yáng)能、地?zé)崮艿榷喾N形式的熱能?電能轉(zhuǎn)換，具有廣闊的應(yīng)用前景。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種朗肯循環(huán)與液態(tài)金屬自然循環(huán)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及熱發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種朗肯循環(huán)與液態(tài)金屬自然循環(huán)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]自然界中存在大量的熱能，如太陽(yáng)能、地?zé)崮?在人類(lèi)生產(chǎn)生活中，熱能的來(lái)源多種多樣，包括在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中煤、石油、天然氣等化石能源的燃燒、核反應(yīng)過(guò)程等都釋放大量的熱能，水泥、鋼鐵、火電、建材、化工等高耗能行業(yè)也向環(huán)境排放大量的工業(yè)余熱。如何有效利用自然界及人類(lèi)生產(chǎn)生活中各種溫度品位的熱能，一直是個(gè)挑戰(zhàn)性課題。與水力發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電等技術(shù)相比，熱發(fā)電技術(shù)目前在國(guó)際上仍占主導(dǎo)地位，現(xiàn)有熱發(fā)電技術(shù)大都是通過(guò)蒸汽朗肯循環(huán)實(shí)現(xiàn)熱能-機(jī)械功-電能的轉(zhuǎn)換，包括火力發(fā)電、核能發(fā)電、太陽(yáng)能熱發(fā)電以及工業(yè)余熱發(fā)電技術(shù)等，在這類(lèi)發(fā)電系統(tǒng)中，主要包括汽輪機(jī)(膨脹機(jī))、循環(huán)栗、冷凝器、蒸發(fā)器四個(gè)關(guān)鍵部件，部件性能往往決定整個(gè)機(jī)組的性能，特別是在蒸發(fā)器中，受熱面本身間壁熱阻及污垢熱阻的存在會(huì)嚴(yán)重降低其傳熱性能，導(dǎo)致設(shè)備過(guò)熱、產(chǎn)生熱疲勞而毀壞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實(shí)用新型的目的在于提供一種朗肯循環(huán)與液態(tài)金屬自然循環(huán)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳熱性能高的優(yōu)點(diǎn)。
[0004]為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用了以下技術(shù)方案:
[0005]該聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)包括朗肯循環(huán)發(fā)電回路以及液態(tài)金屬發(fā)電回路;所述朗肯循環(huán)發(fā)電回路包括發(fā)電機(jī)以及依次相連的膨脹機(jī)、冷凝器和工質(zhì)循環(huán)栗，所述發(fā)電機(jī)與膨脹機(jī)相連;所述液態(tài)金屬發(fā)電回路包括環(huán)形通道結(jié)構(gòu)以及設(shè)置于環(huán)形通道結(jié)構(gòu)內(nèi)的液態(tài)金屬，所述環(huán)形通道結(jié)構(gòu)包括首尾依次相連的汽液分離段、下降段、液態(tài)金屬吸熱段以及兩相流上升段，所述汽液分離段位于上端，所述液態(tài)金屬吸熱段位于下端，所述下降段以及兩相流上升段位于汽液分離段與液態(tài)金屬吸熱段之間，所述下降段設(shè)置有發(fā)電單元，發(fā)電單元包括兩端與所述下降段連接的腔體、設(shè)置于所述腔體外側(cè)的磁場(chǎng)以及設(shè)置于所述腔體上的用于輸出感生電能的電極板，所述磁場(chǎng)的方向與流經(jīng)所述腔體的液態(tài)金屬的流向垂直相交，所述工質(zhì)循環(huán)栗與所述兩相流上升段相連，所述膨脹機(jī)與所述汽液分離段相連。
[0006]所述聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)還包括用于加熱所述液態(tài)金屬吸熱段內(nèi)的液態(tài)金屬的熱源。
[0007]所述熱源選自鍋爐產(chǎn)熱、工業(yè)余熱、太陽(yáng)能、地?zé)崮芑蚱渌哂诃h(huán)境溫度的熱能。
[0008]所述工質(zhì)選自水或低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)。
[0009]所述熱源與工質(zhì)的匹配原則為工質(zhì)的沸點(diǎn)低于熱源溫度。
[0010]所述環(huán)形通道結(jié)構(gòu)豎直設(shè)置。
[0011]所述腔體采用矩形通道，所述電極板設(shè)置于所述矩形通道的兩相對(duì)側(cè)壁上，所述磁場(chǎng)沿與所述電極板平行的方向施加于液態(tài)金屬上。
[0012]所述兩相流上升段內(nèi)設(shè)置有與所述工質(zhì)循環(huán)栗相連的分液器。
[0013]本實(shí)用新型的有益效果體現(xiàn)在:
[0014]本實(shí)用新型利用吸熱后的高溫液態(tài)金屬與朗肯循環(huán)系統(tǒng)液態(tài)工質(zhì)接觸，實(shí)現(xiàn)直接混合式蒸發(fā)傳熱模式，避免了換熱器存在的間壁熱阻和污垢熱阻問(wèn)題，并且經(jīng)分液器后的液態(tài)工質(zhì)與液態(tài)金屬具有較大的接觸面積，與傳統(tǒng)朗肯循環(huán)的蒸發(fā)器相比，傳熱性能和可靠性都獲得顯著提高，同時(shí)，混合蒸發(fā)段內(nèi)的兩相流動(dòng)使得液態(tài)金屬產(chǎn)生自然循環(huán)，并在循環(huán)運(yùn)動(dòng)中通過(guò)切割磁場(chǎng)磁力線產(chǎn)生電能，無(wú)需任何運(yùn)動(dòng)部件便實(shí)現(xiàn)了熱電的直接轉(zhuǎn)換;該朗肯循環(huán)與液態(tài)金屬自然循環(huán)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)具有較高的傳熱性能和熱電轉(zhuǎn)換效率，應(yīng)用前景廣闊。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為本實(shí)用新型所述朗肯循環(huán)與液態(tài)金屬自然循環(huán)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2為所述分液器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖3為所述發(fā)電單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖中:1、朗肯循環(huán)發(fā)電回路，11、膨脹機(jī)，12、發(fā)電機(jī)，13、冷凝器，14、工質(zhì)循環(huán)栗，
2、液態(tài)金屬發(fā)電回路，21、吸熱段，22、兩相流上升段，221、分液器，23、汽液分離段，24、下降段，25、發(fā)電單元，251、矩形通道，252、電極板，253、電極引線，3、熱源，4、磁場(chǎng)，N、磁場(chǎng)N極，
S、磁場(chǎng)S極。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0020]參見(jiàn)圖1，本實(shí)用新型所述朗肯循環(huán)與液態(tài)金屬自然循環(huán)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，包括朗肯循環(huán)發(fā)電回路1、液態(tài)金屬發(fā)電回路2及熱源3和磁場(chǎng)4。所述朗肯循環(huán)發(fā)電回路I由膨脹機(jī)U、發(fā)電機(jī)12、冷凝器13、工質(zhì)循環(huán)栗14以及與液態(tài)金屬發(fā)電回路耦合的混合蒸發(fā)段(即液態(tài)金屬發(fā)電回路的兩相流上升段22)組成，其中，膨脹機(jī)11、冷凝器13、工質(zhì)循環(huán)栗14依次相連，工質(zhì)循環(huán)栗14與混合蒸發(fā)段相連，發(fā)電機(jī)12與膨脹機(jī)11相連;液態(tài)金屬發(fā)電回路2包括豎直放置的環(huán)形通道結(jié)構(gòu)(例如回字形)，環(huán)形通道結(jié)構(gòu)由位于下端的吸熱段21、與朗肯循環(huán)發(fā)電回路耦合的兩相流上升段22、位于上端的汽液分離段23以及位于兩相流上升段22對(duì)側(cè)的下降段24組成，其中，吸熱段21、兩相流上升段22、汽液分離段23、下降段24首尾依次相連，下降段24上設(shè)置有發(fā)電單元25，環(huán)形通道結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置有液態(tài)金屬(如液態(tài)鎵銦合金，液態(tài)水銀等)。
[0021]參見(jiàn)圖2，在所述朗肯循環(huán)發(fā)電回路I與液態(tài)金屬發(fā)電回路2的耦合段內(nèi)，即混合蒸發(fā)段-兩相流上升段22內(nèi)下端，設(shè)置有工質(zhì)分液器221(與工質(zhì)循環(huán)栗14相連)，將進(jìn)入耦合段的液態(tài)工質(zhì)均勻分配成多股流體，以增大朗肯循環(huán)工質(zhì)與液態(tài)金屬的接觸面積。
[0022]吸熱段21吸收熱源3的熱量使回路內(nèi)液態(tài)金屬溫度升高，朗肯循環(huán)發(fā)電回路I的液態(tài)工質(zhì)經(jīng)分液器221進(jìn)入混合蒸發(fā)段，遇高溫液態(tài)金屬而產(chǎn)生相變，在混合蒸發(fā)段內(nèi)形成蒸汽-液態(tài)金屬的兩相流，與下降段24相比，混合蒸發(fā)段內(nèi)的兩相流密度較小，在浮升力作用下產(chǎn)生向上流動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)液態(tài)金屬發(fā)電回路2內(nèi)液態(tài)金屬產(chǎn)生自然循環(huán)。在汽液分離段23，高溫高壓蒸汽溢出液態(tài)金屬發(fā)電回路2進(jìn)入膨脹機(jī)11(或汽輪機(jī))，膨脹做功并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)12發(fā)電，膨脹機(jī)11出口的乏汽經(jīng)冷凝器13冷凝成液態(tài)后由工質(zhì)循環(huán)栗14送入混合蒸發(fā)段完成一個(gè)朗肯循環(huán)。
[0023]參見(jiàn)圖3，所述液態(tài)金屬發(fā)電回路2中的發(fā)電單元25包括兩端接入下降段24的矩形通道251，以及設(shè)置于所述矩形通道兩相對(duì)側(cè)壁上的電極板252，發(fā)電單元25為矩形(正方形為矩形特例)，其截面積恒定，使得感生電流在液態(tài)金屬內(nèi)均勻分布，環(huán)形通道結(jié)構(gòu)其他位置的通道可為任意形狀;在所述矩形通道的另兩個(gè)側(cè)壁方向上施加有磁場(chǎng)4，液態(tài)金屬在循環(huán)運(yùn)動(dòng)中，在發(fā)電單元25處切割磁場(chǎng)4的磁力線，從而產(chǎn)生電能，產(chǎn)生的電能通過(guò)與電極板252相連的電極引線253輸送給外部電路。
[0024]在上述聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中，熱源3可為來(lái)自鍋爐產(chǎn)熱、工業(yè)余熱、太陽(yáng)能、地?zé)崮芗捌渌哂诃h(huán)境溫度的熱能。
[0025]所述朗肯循環(huán)發(fā)電回路I的工質(zhì)類(lèi)型由所述熱源3的溫度品位決定，熱源3溫度品位較高時(shí)，可采用水為工質(zhì)，當(dāng)熱源溫度品位較低時(shí)，可采用沸點(diǎn)較低的有機(jī)工質(zhì)；工質(zhì)篩選應(yīng)遵循的基本原則為:工質(zhì)能夠在混合蒸發(fā)段產(chǎn)生相變并且工質(zhì)具有較大的汽液密度比。
[0026]總之，本發(fā)明所述朗肯循環(huán)與液態(tài)金屬自然循環(huán)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)是在傳統(tǒng)蒸汽朗肯循環(huán)基礎(chǔ)上的突破和創(chuàng)新:在朗肯循環(huán)系統(tǒng)中采用直接混合式蒸發(fā)傳熱模式，即液態(tài)工質(zhì)經(jīng)分液器均勻分配后，直接與高溫的液態(tài)金屬接觸，避免了傳統(tǒng)蒸發(fā)器存在的間壁熱阻和污垢熱阻問(wèn)題，并且經(jīng)分液器后的液態(tài)工質(zhì)與液態(tài)金屬具有較大的接觸面積，與傳統(tǒng)朗肯循環(huán)的蒸發(fā)器相比，傳熱性能和可靠性都獲得顯著提高，同時(shí)，混合蒸發(fā)段內(nèi)的兩相流動(dòng)使得液態(tài)金屬發(fā)電回路產(chǎn)生自然循環(huán)，無(wú)需任何運(yùn)動(dòng)部件便實(shí)現(xiàn)了熱電的直接轉(zhuǎn)換，該朗肯循環(huán)與液態(tài)金屬自然循環(huán)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)具有較高的傳熱性能和熱電轉(zhuǎn)換效率，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)余熱、太陽(yáng)能、地?zé)崮艿榷喾N形式的熱能-電能轉(zhuǎn)換，具有廣闊的應(yīng)用前景。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種朗肯循環(huán)與液態(tài)金屬自然循環(huán)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:該聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)包括朗肯循環(huán)發(fā)電回路(I)以及液態(tài)金屬發(fā)電回路(2);所述朗肯循環(huán)發(fā)電回路(I)包括發(fā)電機(jī)(12)以及依次相連的膨脹機(jī)(11)、冷凝器(13)和工質(zhì)循環(huán)栗(14)，所述發(fā)電機(jī)(12)與膨脹機(jī)(11)相連;所述液態(tài)金屬發(fā)電回路(2)包括環(huán)形通道結(jié)構(gòu)以及設(shè)置于環(huán)形通道結(jié)構(gòu)內(nèi)的液態(tài)金屬，所述環(huán)形通道結(jié)構(gòu)包括首尾依次相連的汽液分離段(23)、下降段(24)、液態(tài)金屬吸熱段(21)以及兩相流上升段(22)，所述汽液分離段(23)位于上端，所述液態(tài)金屬吸熱段(21)位于下端，所述下降段(24)以及兩相流上升段(22)位于汽液分離段(23)與液態(tài)金屬吸熱段(21)之間，所述下降段(24)設(shè)置有發(fā)電單元(25)，發(fā)電單元(25)包括兩端與所述下降段(24)連接的腔體、設(shè)置于所述腔體外側(cè)的磁場(chǎng)(4)以及設(shè)置于所述腔體上的用于輸出感生電能的電極板(252)，所述磁場(chǎng)(4)的方向與流經(jīng)所述腔體的液態(tài)金屬的流向垂直相交，所述工質(zhì)循環(huán)栗(14)與所述兩相流上升段(22)相連，所述膨脹機(jī)(11)與所述汽液分離段(23)相連。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種朗肯循環(huán)與液態(tài)金屬自然循環(huán)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)還包括用于加熱所述液態(tài)金屬吸熱段(21)內(nèi)的液態(tài)金屬的熱源(3)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種朗肯循環(huán)與液態(tài)金屬自然循環(huán)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述熱源(3)選自鍋爐產(chǎn)熱、工業(yè)余熱、太陽(yáng)能、地?zé)崮芑蚱渌哂诃h(huán)境溫度的熱能。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種朗肯循環(huán)與液態(tài)金屬自然循環(huán)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述工質(zhì)選自水或有機(jī)工質(zhì)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種朗肯循環(huán)與液態(tài)金屬自然循環(huán)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述環(huán)形通道結(jié)構(gòu)豎直設(shè)置。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種朗肯循環(huán)與液態(tài)金屬自然循環(huán)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述腔體采用矩形通道(251)，所述電極板(252)設(shè)置于所述矩形通道(251)的兩相對(duì)側(cè)壁上，所述磁場(chǎng)(4)沿與所述電極板(252)平行的方向施加于液態(tài)金屬上。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種朗肯循環(huán)與液態(tài)金屬自然循環(huán)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述兩相流上升段(22)內(nèi)設(shè)置有與所述工質(zhì)循環(huán)栗(14)相連的分液器(221)。
【文檔編號(hào)】H02N3/00GK205558983SQ201620341042
【公開(kāi)日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年4月21日
【發(fā)明人】馬菁, 臧澤楠, 張旭杰, 高楠, 陳昊
【申請(qǐng)人】長(zhǎng)安大學(xué)