一種基于稀相催化燃燒和有機(jī)朗肯循環(huán)的新概念動(dòng)力系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新概念動(dòng)力系統(tǒng)，特別是涉及一種利用稀相催化燃燒和有機(jī)朗肯循環(huán)產(chǎn)生動(dòng)力的新概念系統(tǒng)，屬于熱動(dòng)力發(fā)電領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]稀相催化燃燒是氣體燃料在固體催化劑表面進(jìn)行的無(wú)焰燃燒氧化反應(yīng)，通過(guò)降低反應(yīng)活化能來(lái)提高反應(yīng)速率和轉(zhuǎn)化率。催化燃燒具有對(duì)燃料分壓要求低，起燃溫度低，高燃燒穩(wěn)定性，節(jié)約能源，污染物排放低，適用范圍廣的優(yōu)勢(shì)，能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)燃料的高效清潔利用。
[0003]有機(jī)朗肯循環(huán)(organic Rankine cycle，ORC)中，循環(huán)工質(zhì)為具有較低臨界溫度的有機(jī)工質(zhì)，其對(duì)熱源溫度要求較低，是利用低溫?zé)嵩吹挠行緩?。有機(jī)朗肯循環(huán)具有廣闊的應(yīng)用前景，可利用微型邊界層透平(無(wú)葉透平)和有機(jī)朗肯循環(huán)將低品位熱能轉(zhuǎn)化為電能。微型邊界層透平又稱(chēng)Tesla透平或無(wú)葉透平，由一組平行圓盤(pán)以極小間距平行固定在軸上，高速流體從近切線方向吹入圓盤(pán)間隙，螺旋狀流入，從圓盤(pán)中心軸向流出，利用流體與邊界的粘性力帶動(dòng)圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，類(lèi)似于純沖動(dòng)式汽輪機(jī)，噴嘴壓降大，轉(zhuǎn)子壓降小。邊界層透平(無(wú)葉透平)具有入口參數(shù)要求低、制造成本低、便于小型化、可應(yīng)用多相工質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)。邊界層透平由于沒(méi)有葉片，可以有效防止在系統(tǒng)啟停和非穩(wěn)態(tài)工況下容易產(chǎn)生的液擊現(xiàn)象。同時(shí)由于工質(zhì)不在透平內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)壓和膨脹，因此密封較普通透平更容易，這對(duì)于對(duì)密封有著較高要求的有機(jī)朗肯循環(huán)較為有利。
[0004]平流層飛艇依靠靜升力駐空，可在20km高度區(qū)域定點(diǎn)懸停、主動(dòng)控制和慢速機(jī)動(dòng)，是一種可控的浮空器，它可攜帶數(shù)百公斤甚至數(shù)噸重的有效載荷，用來(lái)執(zhí)行高分辨率對(duì)地觀測(cè)、通信中繼、區(qū)域預(yù)警等任務(wù)，非常適合作為新型信息平臺(tái)。近年來(lái)，由于平流層飛艇在軍民領(lǐng)域均有重要的應(yīng)用前景，美歐等國(guó)都非常重視發(fā)展平流層飛艇新技術(shù)，開(kāi)展了多項(xiàng)飛行試驗(yàn)，取得了重要進(jìn)展。
[0005]目前平流層飛艇能源系統(tǒng)方案均采用敷設(shè)在艇體表面的太陽(yáng)能電池陣將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)、主動(dòng)控制和機(jī)動(dòng)的能力，并通過(guò)再生燃料電池和鋰離子電池等儲(chǔ)能裝置滿足夜間的能源供應(yīng)。這些全電方案可較好地解決平流層飛艇在平均抗風(fēng)能力下的能量循環(huán)問(wèn)題。但由于平流層飛艇處于20km高度，會(huì)以一定的概率出現(xiàn)大風(fēng)。平流層飛艇為實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)抵抗陣風(fēng)，其消耗的功率和風(fēng)速近似成三次方關(guān)系，例如，平均抗風(fēng)15m/s下消耗功率為40kW，在陣風(fēng)30m/s下，消耗的功率將為320kW左右。若仍采用太陽(yáng)能電池和再生燃料電池能源系統(tǒng)方案，能源系統(tǒng)重量會(huì)大幅增加，而這部分增加的重量在大多數(shù)時(shí)間中不會(huì)發(fā)揮作用。與飛機(jī)等飛行器不同，平流層飛艇艇囊內(nèi)充滿密度比空氣小得多的氣體借以產(chǎn)生浮力而升空，飛艇在飛行過(guò)程中通過(guò)艇囊的充放氣過(guò)程來(lái)調(diào)節(jié)氣囊壓力，從而進(jìn)一步調(diào)整升力和飛艇高度。因此，本發(fā)明提出了利用飛艇氣囊排氣作為稀相燃料，采用低溫催化燃燒技術(shù)和有機(jī)朗肯循環(huán)應(yīng)用于飛艇動(dòng)力系統(tǒng)的熱源，來(lái)滿足在突風(fēng)、應(yīng)急和上升返回過(guò)程中的峰值功率需求，可望免去攜帶額外燃料，從而獲得更為優(yōu)化的系統(tǒng)能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種利用稀相催化燃燒和有機(jī)朗肯循環(huán)獲取動(dòng)力的新概念系統(tǒng)，利用飛艇氣囊排氣作為稀相燃料，具有免去攜帶額外燃料、實(shí)現(xiàn)能源高效利用的優(yōu)點(diǎn)，利用微型邊界層透平(無(wú)葉透平)和有機(jī)朗肯循環(huán)將低品位熱能轉(zhuǎn)化為電能，具有透平入口參數(shù)要求低、便于小型化、可以有效防止在系統(tǒng)啟停和非穩(wěn)態(tài)工況下產(chǎn)生液擊現(xiàn)象的優(yōu)點(diǎn)。從而為平流層飛艇等浮空器在太陽(yáng)能電池和再生燃料電池之外提供一種無(wú)需攜帶額外燃料的輕量化的發(fā)電系統(tǒng)，來(lái)滿足在突風(fēng)、應(yīng)急和上升返回過(guò)程中的能源供應(yīng)。本發(fā)明可大大提高平流層飛艇的機(jī)動(dòng)性、安全性和環(huán)境適應(yīng)性。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種基于稀相催化燃燒和有機(jī)朗肯循環(huán)的新概念動(dòng)力系統(tǒng)，包括:催化裝置、蒸發(fā)器、冷凝器、泵、透平、發(fā)電機(jī)、電源管理裝置和蓄電池裝置；
[0008]催化裝置對(duì)飛艇排氣進(jìn)行稀相催化燃燒，產(chǎn)生催化燃燒氣體，傳送給蒸發(fā)器，所述飛艇排氣為密度小于周?chē)諝饷芏惹夷馨l(fā)生稀相催化燃燒的氣體；
[0009]蒸發(fā)器、冷凝器、泵和透平構(gòu)成有機(jī)朗肯循環(huán)，泵驅(qū)動(dòng)有機(jī)工質(zhì)流入蒸發(fā)器中，并在蒸發(fā)器中吸收催化燃燒氣體的熱量后流入透平，透平將有機(jī)工質(zhì)的熱量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出，流經(jīng)透平的有機(jī)工質(zhì)進(jìn)入冷凝器中進(jìn)行冷卻；
[0010]發(fā)電機(jī)接收透平輸出的機(jī)械能后，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并利用電源管理裝置和蓄電池裝置進(jìn)行存儲(chǔ)。
[0011 ] 所述飛艇排氣為氫氣、甲烷或熱空氣。
[0012]所述催化裝置中的催化劑為貴金屬催化劑、稀土鈣鈦礦型氧化物催化劑或六鋁酸鹽催化劑。
[0013]所述催化裝置中的催化劑載體為:A1203、S12, CeO2, Zr02、Mg0或復(fù)合氧化物。
[0014]所述有機(jī)工質(zhì)為R245fa、R123或R600a。
[0015]所述透平為微型邊界層透平。
[0016]所述有機(jī)工質(zhì)進(jìn)入冷凝器中進(jìn)行冷卻，采用氣體冷卻的方式進(jìn)行。
[0017]所述氣體為外部空氣。
[0018]所述氣體為飛艇排氣與空氣的混合氣體。
[0019]所述飛艇排氣與空氣的混合氣體為輸入到催化裝置的氣體。
[0020]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是:
[0021](I)本發(fā)明提出的一種基于稀相催化燃燒和有機(jī)朗肯循環(huán)的新概念動(dòng)力系統(tǒng)，可充分利用平流層飛艇排出氣體作為稀相氣體燃料，無(wú)需攜帶額外燃料，達(dá)到了輕量化、機(jī)動(dòng)化的目的；
[0022](2)本發(fā)明利用低溫稀相催化燃燒技術(shù)，具有對(duì)燃料分壓要求低，起燃溫度低，高燃燒穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)；
[0023](3)本發(fā)明以微型邊界層透平作為熱發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵動(dòng)力部件，微型邊界層透平(無(wú)葉透平)具有入口參數(shù)要求低、便于小型化、可以有效防止在系統(tǒng)啟停和非穩(wěn)態(tài)工況下產(chǎn)生液擊現(xiàn)象的優(yōu)點(diǎn)，從而可以有效減小整個(gè)系統(tǒng)的重量。同時(shí)由于工質(zhì)不在透平內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)壓和膨脹，因此密封較普通透平更容易，這對(duì)于對(duì)密封有著較高要求的有機(jī)朗肯循環(huán)較為有利；
[0024](4)本發(fā)明采用有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)，具有低品位回收熱能效率高、環(huán)境友好的優(yōu)占.V，
[0025](5)本發(fā)明中的有機(jī)工質(zhì)采用R245fa，臨界溫度和臨界壓力均適應(yīng)平流層環(huán)境，且不含氯元素，臭氧層破壞潛能為零，清潔無(wú)污染；
[0026](6)本發(fā)明中的催化劑為貴金屬催化劑，催化劑載體為Al2O3,貴金屬催化劑具有良好的催化反應(yīng)活性，制備方法簡(jiǎn)單，Al2O3具有較高的比表面積，有利于獲得高比表面的催化劑進(jìn)而提尚反應(yīng)活性；
[0027](7)本發(fā)明中的冷卻方法采用平流層飛艇排出的低濃度氫氣與適量比例空氣混合后吸收冷凝熱，再直接進(jìn)入催化燃燒段進(jìn)行稀相催化燃燒，有效利用了冷凝熱，提高了催化效率。
【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1為飛艇結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)(空氣冷凝)示意圖；
[0030]圖3為本發(fā)明的系統(tǒng)(冷凝熱利用)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0032]如圖1所示為飛艇結(jié)構(gòu)示意圖，從圖1可知，平流層飛艇包括平流層飛艇、座艙和動(dòng)力系統(tǒng)。動(dòng)力系統(tǒng)安裝在平流層飛艇下部，由催化燃燒系統(tǒng)和有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)組成。
[0033]如圖2所示為本發(fā)明的系統(tǒng)(空氣冷凝)示意圖，圖3為本發(fā)明的系統(tǒng)(冷凝熱利用)示意圖，從圖2和圖3可知，本發(fā)明提出的一種利用稀相催化燃燒和有機(jī)朗肯循環(huán)獲取動(dòng)力的新概念系統(tǒng)，包括催化裝置1、蒸發(fā)器2、冷凝器3、泵4、透平5、發(fā)電機(jī)6、電源管理裝置7和蓄電池裝置8;
[0034]催化裝置I對(duì)飛艇排氣進(jìn)行稀相催化燃燒，產(chǎn)生催化燃燒氣體，傳送給蒸發(fā)器2 ;所述飛艇排氣為比周?chē)諝饷芏鹊颓夷馨l(fā)生稀相催化燃燒的氣體，如氫氣、甲烷、熱空氣。
[0035]蒸發(fā)器2、冷凝器3、泵4和透平5構(gòu)成有機(jī)朗肯循環(huán)，泵4驅(qū)動(dòng)有機(jī)工質(zhì)流入蒸發(fā)器2中，并在蒸發(fā)器中吸收催化燃燒氣體的熱量后流入透平5，透平5將有機(jī)工質(zhì)的熱量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出，流經(jīng)透平5的有機(jī)工質(zhì)進(jìn)入冷凝器3中進(jìn)行冷卻；
[0036]發(fā)電機(jī)6接收透平5輸出的機(jī)械能后，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并利用電源管理裝置7和蓄電池裝置8進(jìn)行存儲(chǔ)。
[0037]本發(fā)明中的動(dòng)力系統(tǒng)包括催化燃燒段、有機(jī)工質(zhì)段和冷凝段。
[0038]在催化燃燒段，包括催化段和蒸發(fā)器放熱部分，以氫氣為例，利用平流層飛艇排出低濃度氫氣，與適量比例空氣混合后進(jìn)入催化段，在催化段發(fā)生稀相催化燃燒后產(chǎn)生高溫?zé)煔?，在蒸發(fā)段將熱量傳遞給有機(jī)工質(zhì)段。目前用于催化燃燒的催化劑主要有:(I)貴金屬催化劑；(2)稀土鈣鈦礦型氧化物催化劑；(3)六鋁酸鹽催化劑。與其他催化劑相比貴金屬催化劑顯示了良好的催化反應(yīng)活性，制備方法簡(jiǎn)單，但存在價(jià)格高、高溫不穩(wěn)定性等問(wèn)題，因此考慮在載體上負(fù)載貴金屬活性組分如Pd、Pt、Rh等形成負(fù)載型催化劑，可以減少貴金屬的用量，節(jié)約