一種二氧化碳熱能發(fā)電裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉屬于熱能利用技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種利用二氧化碳臨界熱容隨溫壓變化實(shí) 現(xiàn)高效熱量傳輸來發(fā)電的裝置及方法，特別是一種二氧化碳熱能發(fā)電裝置及方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和對煤炭、石油資源消耗的增多，諸如太陽能、地?zé)岬惹鍧嵞茉匆?及工業(yè)廢氣熱的有效回收利用成為了國家經(jīng)濟(jì)綠色發(fā)展的關(guān)鍵。
[0003] 目前，熱能發(fā)電機(jī)主要有針對高溫?zé)嵩吹恼羝l(fā)電機(jī)和針對中低溫?zé)嵩吹碾p工質(zhì) 發(fā)電機(jī)，其中蒸汽發(fā)電機(jī)是把液態(tài)水加熱成一定壓力的水蒸汽，推動汽輪機(jī)并帶動發(fā)電機(jī) 發(fā)電；雙工質(zhì)發(fā)電通過換熱器把熱量傳遞給低沸點(diǎn)介質(zhì)，低沸點(diǎn)介質(zhì)吸熱后變?yōu)榫哂幸欢?壓力的蒸汽，推動汽輪機(jī)并帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，雖然降低了對地?zé)崴疁囟鹊囊?，但換熱器的 換熱效率限制了它的使用范圍，當(dāng)?shù)販氐陀?0°C時，經(jīng)濟(jì)價值低?，F(xiàn)有的兩種發(fā)電方式，都 需要流體經(jīng)歷液-氣_液的轉(zhuǎn)化過程，對熱源溫度有限制，而且裝置構(gòu)成較復(fù)雜，成本高。

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，尋求設(shè)計提供一種二氧化碳熱能發(fā) 電裝置及方法，利用二氧化碳臨界熱容隨溫壓變化實(shí)現(xiàn)高效熱量傳輸來發(fā)電。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明涉及的二氧化碳熱能發(fā)電裝置的主體結(jié)構(gòu)包括發(fā)電 機(jī)、溫壓傳感器、氣罐、氣體增壓泵、換熱器、計算機(jī)采集控制系統(tǒng)、自力調(diào)壓閥、膨脹機(jī)和無 級變速器；氣罐分別與氣體增壓泵和膨脹機(jī)管道連接，氣罐用于儲存二氧化碳?xì)怏w和緩沖 壓力，氣體增壓泵對來自氣罐的二氧化碳進(jìn)行加壓并提供循環(huán)動力；換熱器分別與氣體增 壓泵和膨脹機(jī)連接，換熱器與膨脹機(jī)之間的管路上設(shè)置有自力調(diào)壓閥，換熱器將熱源熱量 傳遞給二氧化碳流體，自力調(diào)壓閥控制加熱后的流體壓力，膨脹機(jī)將二氧化碳流體的熱能 轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；氣體增壓泵和換熱器之間的管路、換熱器和膨脹機(jī)之間的管路以及膨脹機(jī) 和氣罐之間的管路上均設(shè)置有溫壓傳感器，溫壓傳感器監(jiān)測管路的溫度和氣壓狀態(tài)；溫度 傳感器、氣體增壓泵和無級變速器分別與計算機(jī)采集控制系統(tǒng)電信息連通，計算機(jī)采集控 制系統(tǒng)采集管路的溫度和壓力信息，同時調(diào)節(jié)氣體增壓泵的轉(zhuǎn)速和無級變速器的變速比； 無級變速器分別與膨脹機(jī)和發(fā)電機(jī)相連，無級變速器控制膨脹機(jī)的阻力和輸出功率，發(fā)電 機(jī)將膨脹機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行發(fā)電。
[0006] 本發(fā)明所述換熱器內(nèi)設(shè)有換熱管道，換熱管道由入口、入口收縮段、盤管、出口擴(kuò) 張段和出口依次連通構(gòu)成，入口和出口截面積是盤管截面積的5倍以上；入口的壓力與氣 體增壓泵出口的壓力相同，入口收縮段將二氧化碳流體轉(zhuǎn)為低壓、低溫的紊流狀態(tài)，盤管對 二氧化碳進(jìn)行大溫差的高速換熱，二氧化碳流體在出口擴(kuò)張段轉(zhuǎn)為高壓、高熱容狀態(tài)，出口 實(shí)現(xiàn)高熱容二氧化碳對熱量的進(jìn)一步吸收和儲存。
[0007] 本發(fā)明實(shí)現(xiàn)超臨界二氧化碳熱能發(fā)電的具體步驟為：
[0008] (1)、啟動氣體增壓泵，將二氧化碳加壓至8. 5MPa以上，加壓后的二氧化碳進(jìn)入換 熱器循環(huán)；
[0009] (2)、二氧化碳在換熱器內(nèi)吸收熱量得到加熱后的二氧化碳，調(diào)節(jié)自力調(diào)壓閥使從 換熱器出來的二氧化碳壓力維持在8. 5MPa，同時通過計算機(jī)采集控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)氣體增壓泵 的流量使從換熱器出來的二氧化碳溫度維持在37°C ;
[0010] (3)、加熱后的二氧化碳進(jìn)入膨脹機(jī)將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過無級變速器將機(jī)械 能傳遞給發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)的電能，同時計算機(jī)采集控制系統(tǒng)對無級變速器進(jìn)行實(shí)時 調(diào)控，通過無級變速器改變流體通過膨脹機(jī)的流體阻力和輸出功率，對膨脹機(jī)前后的二氧 化碳壓差進(jìn)行控制；
[0011] (5)、經(jīng)過膨脹機(jī)的二氧化碳進(jìn)入氣罐中作為氣體增壓泵的氣體來源，重復(fù)上述過 程，如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)超臨界二氧化碳的熱能發(fā)電。
[0012] 本發(fā)明的工作原理為：8. 5MPa、37°C超臨界二氧化碳的質(zhì)量熱容是水的4倍，而低 壓下僅為水的1/4,8. 5MPa下的高熱容是低壓下熱容的16倍多，說明當(dāng)二氧化碳從8. 5MPa、 37°C降壓時，會有大量的熱能釋放，轉(zhuǎn)化為氣體的壓能，氣體的壓能可推動膨脹機(jī)8或渦輪 機(jī)工作而轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，當(dāng)對做功后降壓降溫的二氧化碳進(jìn)行增壓時，由于二氧化碳?xì)怏w 溫度和壓力降低，加壓到高壓時（大于8. 5MPa)，其熱容變小，因此增壓所需功遠(yuǎn)小于膨脹 機(jī)的機(jī)械功，由此循環(huán)回路能量一直為正，實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)；其次，超臨界下的二氧化碳密度、 粘度分別接近于其液態(tài)、氣態(tài)參數(shù)，根據(jù)達(dá)西定律，在相同壓差下其質(zhì)量流量可以達(dá)到水的 1~6倍，采熱速率可以達(dá)到水的1. 4~2. 7倍。第三，當(dāng)熱源溫度高時，可增大流量，當(dāng)熱 源溫度低時可增加盤管長度或減小盤管直徑來產(chǎn)生大溫差，因此對溫度適用范圍廣。
[0013] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，根據(jù)二氧化碳在〇°C到300°C熱容隨壓力先增后減的規(guī) 律變化，本發(fā)明裝置及方法對目前已知的地?zé)?、太陽能等均可適用，適用溫度范圍廣；而且 超臨界二氧化碳不需換熱即可推動發(fā)電機(jī)發(fā)電，提高了利用效率，增加了中低溫地?zé)峤?jīng)濟(jì) 的利用方式；二氧化碳通過換熱器的盤管時溫度降低，形成大溫差與熱源形成強(qiáng)化傳熱，相 比水其峰值熱容更大，熱能傳輸效率更高；所有循環(huán)動力都來自于熱能，不會有額外的能源 消耗；其裝置結(jié)構(gòu)簡單，工藝操作簡便，原理可靠，無需汽液轉(zhuǎn)化設(shè)備；傳熱介質(zhì)易得，成本 低，環(huán)境友好，節(jié)能減排。
【附圖說明】：
[0014] 圖1為本發(fā)明涉及的二氧化碳熱能發(fā)電裝置的主體結(jié)構(gòu)原理圖。
[0015] 圖2為本發(fā)明涉及的換熱管道的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】：
[0016] 下面通過實(shí)施例并結(jié)合附圖作進(jìn)一步說明。
[0017] 實(shí)施例：
[0018] 本實(shí)施例涉及的二氧化碳熱能發(fā)電裝置的主體結(jié)構(gòu)包括發(fā)電機(jī)1、溫壓傳感器2、 氣罐3、氣體增壓泵4、換熱器5、計算機(jī)采集控制系統(tǒng)6、自力調(diào)壓閥7、膨脹機(jī)8和無級變速 器9 ;氣罐3分別與氣體增壓泵4和膨脹機(jī)8管道連接，氣罐3用于儲存二氧化碳?xì)怏w和緩 沖壓力，氣體增壓泵4對來自氣罐3的二氧化碳進(jìn)行加壓并提供循環(huán)動力；換熱器5分別與 氣體增壓泵