一種卡諾-布雷頓混合循環(huán)高效發(fā)電設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供的一種卡諾-布雷頓混合循環(huán)發(fā)電設(shè)備，包括卡諾-布雷頓循環(huán)回路（1）；所述卡諾-布雷頓循環(huán)回路（1）包括依次串聯(lián)的一組壓縮機(jī)（5）和換熱器（6），熱功動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)械（2）及冷凝器（4）。一組壓縮機(jī)（5）兩兩之間設(shè)有冷卻器；一組壓縮機(jī)（5）進(jìn)口與冷凝器（4）出口連接，出口與換熱器（6）的入口連接；所述換熱器（6）出口和熱功動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)械（2）的入口相連，熱功動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)械（2）的出口與冷凝器（4）的入口連接。該設(shè)備，將卡諾循環(huán)與布雷頓循環(huán)結(jié)合為一個(gè)閉式循環(huán)內(nèi)，利用卡諾循環(huán)效率高的優(yōu)點(diǎn)，對布雷頓循環(huán)加以改進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)了大幅度提高循環(huán)熱效率的效果。
【專利說明】一種卡諾-布雷頓混合循環(huán)高效發(fā)電設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電力設(shè)備領(lǐng)域，特別涉及一種卡諾-布雷頓混合循環(huán)發(fā)電設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]卡諾循環(huán)(Carnot cycle)是由法國工程師尼古拉?萊昂納爾?薩迪?卡諾于1824年提出的，以分析熱機(jī)的工作過程?？ㄖZ循環(huán)是由兩個(gè)等溫過程和兩個(gè)絕熱過程所構(gòu)成的氣體循環(huán)，其特點(diǎn)是氣體工質(zhì)的動(dòng)力循環(huán)在熱力循環(huán)中不存在相變，包括四個(gè)步驟:氣體等溫膨脹，氣體絕熱膨脹，氣體等溫壓縮，氣體絕熱壓縮。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，在相同的高、低溫?zé)嵩礈囟萒l與T2之間工作的一切循環(huán)中，以卡諾循環(huán)的熱效率為最高，稱為卡諾定理。盡管卡諾循環(huán)的熱效率高，但完全按照卡諾循環(huán)工作的熱機(jī)在現(xiàn)實(shí)中是難以實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)闊釞C(jī)的膨脹做功的高壓氣體要求在等溫加熱的條件下才能實(shí)現(xiàn)，而實(shí)際上熱機(jī)的膨脹做功是高壓氣體在很短的時(shí)間內(nèi)迅速完成的，是絕熱膨脹過程，很難通過外部加熱來實(shí)現(xiàn)等溫膨脹過程；而低壓氣體等溫放熱壓縮，必須使壓縮氣體的熱量隨時(shí)與外界交換，氣體溫度與外界相等，這在實(shí)際工作中是不可能實(shí)現(xiàn)的，氣體的壓縮過程，也是在較短的時(shí)間內(nèi)完成的，也很難通過外部冷凝來實(shí)現(xiàn)氣體等溫壓縮過程。
[0003]布雷頓(George fcayton(1830 - 1892))，美國工程師，1872年提出，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，不斷從外界吸入空氣，加壓后的空氣，經(jīng)過加熱做功等一系列熱力過程，最后高溫排出，排出的高溫氣體在外界逐步散失能量最終達(dá)到與外界大氣平衡，構(gòu)成一個(gè)開放式的循環(huán)過程。他的熱力學(xué)循環(huán)理論(后稱為布雷頓循環(huán))的熱效率被作為計(jì)算燃?xì)廨啓C(jī)性能的方法。布雷頓循環(huán)的特點(diǎn)是氣體工質(zhì)的等壓動(dòng)力循環(huán)，由四個(gè)熱力過程組成，通過氣體在熱力設(shè)備中不斷進(jìn)行高壓氣體的等壓加熱膨脹、高壓氣體的絕熱膨脹、低壓氣體的等壓放熱壓縮和低壓氣體的絕熱壓縮4個(gè)過程，使熱能不斷轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再由發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。布雷頓循環(huán)分為開式循環(huán)及閉式循環(huán)兩種:循環(huán)工質(zhì)來自大氣最后又排至大氣的是開式循環(huán)；循環(huán)工質(zhì)被封閉循環(huán)使用的是閉式循環(huán)。布雷頓循環(huán)初溫和壓縮機(jī)的壓縮比，是影響熱效率的兩個(gè)主要因素。降低壓縮氣體的初溫，并相應(yīng)提高壓縮比，可使布雷頓循環(huán)效率顯著提高。布雷頓循環(huán)有很多優(yōu)`點(diǎn)，體積小，做功發(fā)電量大，易實(shí)現(xiàn)各種規(guī)模發(fā)電，且其使用的工質(zhì)為空氣，具有廉價(jià)、無毒、無腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于各種規(guī)模的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電；然而，布雷頓循環(huán)最大的缺點(diǎn)是發(fā)電效率較低，例如，一般的燃?xì)廨啓C(jī)的效率只有25-30%，跟內(nèi)燃機(jī)相比稍高，大部分熱能由尾氣排出，其出口尾氣的溫度高達(dá)450-500°C。
[0004]為了提高布雷頓循環(huán)發(fā)電效率，工業(yè)上常用的方法是把高溫尾氣接到朗肯循環(huán)的蒸汽機(jī)上再發(fā)電，從而可使熱效率增加20%左右，使整體效率達(dá)到50%左右，變成了 “燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)”。然而，燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)盡管在一定程度上提高了效率，其代價(jià)是高昂的。由于多使用了一套朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，一方面大大增加了成本，另一方面使本來體積小的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)加上汽輪機(jī)后體積過大，難以用于中小規(guī)模的發(fā)電。因此，難以推廣應(yīng)用，導(dǎo)致大部分燃?xì)廨啓C(jī)均為較低效率的單一循環(huán)的布雷頓循環(huán)發(fā)電裝置。
[0005]卡諾循環(huán)及布雷頓循環(huán)都有各自的熱力學(xué)優(yōu)勢，因此如何發(fā)揮其優(yōu)勢，克服缺點(diǎn)，探索新的循環(huán)方法及理論，找到提高布雷頓循環(huán)熱效率的新途徑，提高燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率，并簡化設(shè)備，無疑具有十分重要的意義。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的在于提供一種發(fā)電效率高的卡諾-布雷頓混合循環(huán)發(fā)電設(shè)備，利用卡諾循環(huán)熱效率聞的優(yōu)點(diǎn)，對布雷頓循環(huán)加以改進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)大幅度提聞熱力循環(huán)發(fā)電熱效率的目的。
[0007]技術(shù)方案:本發(fā)明提供的一種卡諾-布雷頓混合循環(huán)發(fā)電設(shè)備，包括依次連接成環(huán)的一組壓縮機(jī)、換熱器、熱功動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)械和冷凝器；所述一組壓縮機(jī)兩兩之間設(shè)有冷卻器。
[0008]作為優(yōu)選，所述壓縮機(jī)的數(shù)量為兩個(gè)以上。
[0009]作為另一種優(yōu)選，所述壓縮機(jī)為渦旋式壓縮機(jī)、螺桿式壓縮機(jī)、離心式壓縮機(jī)、活塞式壓縮機(jī)、滑片壓縮機(jī)或軸流式壓縮機(jī)。
[0010]作為另一種優(yōu)選，還包括發(fā)電機(jī)，所述發(fā)電機(jī)與熱功動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)械連接。
[0011]作為另一種優(yōu)選，還包括調(diào)壓閥，所述調(diào)壓閥設(shè)于換熱器和熱功動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)械之間。
[0012]作為另一種優(yōu)選，所述卡諾-布雷頓混合循環(huán)發(fā)電設(shè)備采用二氧化碳、空氣、氮?dú)狻⒑?、氫氣和氧氣中的一種或幾種的混合物作為循環(huán)工質(zhì)。
[0013]作為另一種優(yōu)選，所述的熱功動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)械為汽輪機(jī)或膨脹機(jī)。
[0014]作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述膨脹機(jī)為渦旋式膨脹機(jī)、螺桿式膨脹機(jī)、離心式膨脹機(jī)或活塞式膨脹機(jī)。
[0015]有益效果:本發(fā)明提供的卡諾-布雷頓混合循環(huán)發(fā)電設(shè)備，將卡諾循環(huán)與布雷頓循環(huán)結(jié)合，利用卡諾循環(huán)效率高的優(yōu)點(diǎn)，對布雷頓循環(huán)加以改進(jìn)，形成一個(gè)混合循環(huán)動(dòng)力設(shè)備，從而發(fā)揮各自的優(yōu)勢，用一個(gè)循環(huán)大幅度提高了燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明卡諾-布雷頓混合循環(huán)發(fā)電設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2a為本發(fā)明卡諾-布雷頓熱力循環(huán)的P-V圖；
[0018]圖2b為本發(fā)明卡諾-布雷頓熱力循環(huán)的T-S圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做出進(jìn)一步說明。
[0020]卡諾-布雷頓混合循環(huán)發(fā)電設(shè)備，見圖1，包括發(fā)電機(jī)(6)以及依次連接成環(huán)的一組壓縮機(jī)(I)、換熱器(2)、調(diào)壓閥(7)、熱功動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)械(3)、冷凝器(4)，發(fā)電機(jī)(6)與熱功動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)械(3)連接；所述一組壓縮機(jī)(I)兩兩之間設(shè)有冷卻器(5)。
[0021]本實(shí)施例中，壓縮機(jī)的數(shù)量為三個(gè)，也就是說，本實(shí)施例中，卡諾-布雷頓混合循環(huán)發(fā)電設(shè)備包括發(fā)電機(jī)(6)以及依次連接成環(huán)的第一壓縮機(jī)(11)、第一冷卻器(12)、第二壓縮機(jī)(13)、第二冷卻器(14)、第三壓縮機(jī)(15)、換熱器(2)、調(diào)壓閥(7)、熱功動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)械(3)、冷凝器(4)，發(fā)電機(jī)(6)與熱功動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)械(3)連接?？蛇x地，壓縮機(jī)(5)的數(shù)量也可以根據(jù)需要合理設(shè)置，只要是在一個(gè)以上均可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，然而，使用兩個(gè)以上的壓縮機(jī)串聯(lián)，能夠大大提聞發(fā)電效率。
[0022]本發(fā)明中，壓縮機(jī)5為螺桿式壓縮機(jī)；可選地，也可以選擇任意合適的壓縮機(jī)；優(yōu)選地，可選用渦旋式壓縮機(jī)、螺桿式壓縮機(jī)、離心式壓縮機(jī)、活塞式壓縮機(jī)、滑片壓縮機(jī)或軸流式壓縮機(jī)。
[0023]該裝置的工作原理為:
[0024]卡諾-布雷頓混合循環(huán)發(fā)電設(shè)備內(nèi)的低壓氣體經(jīng)一組壓縮機(jī)I和冷卻器5的數(shù)級冷卻壓縮后，形成高壓氣體，經(jīng)換熱器加熱后，形成高溫高壓氣體，進(jìn)入熱功動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)械3內(nèi)膨脹做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)6發(fā)電，成為低溫低壓的氣體進(jìn)入冷凝器4冷凝，完成一次循環(huán)。
[0025]本發(fā)明提供的卡諾-布雷頓循環(huán)是由一個(gè)等壓過程、一個(gè)等溫過程及兩個(gè)絕熱過程所構(gòu)成的氣體循環(huán)(見圖2a和圖2b)，具體為:氣體在設(shè)備中進(jìn)行低壓氣體絕熱壓縮(1-2，卡諾循環(huán))、高壓氣體等壓加熱膨脹(2-3，布雷頓循環(huán))、高壓氣體絕熱膨脹(3-5，布雷頓循環(huán))、低壓氣體等溫放熱壓縮(5-1，卡諾循環(huán))共4個(gè)過程，使熱能不斷轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再由發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。該循環(huán)的高壓氣體等壓加熱膨脹(2-3)是布雷頓循環(huán)的膨脹過程，低壓氣體等溫放熱壓縮(5-1)是卡諾循環(huán)的壓縮過程，從而形成卡諾-布雷頓循環(huán)(1-2-3-5-1)的組合。
[0026]膨脹過程，通常按照卡諾循環(huán)工作的等溫加熱膨脹在現(xiàn)實(shí)中是難以實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)闊釞C(jī)的膨脹做功是高壓氣體在較短的時(shí)間內(nèi)完成的，很難通過一邊膨脹一邊用外部加熱來實(shí)現(xiàn)等溫膨脹過程，而布雷頓循環(huán)(1-2-3-4-1)的高壓氣體等壓加熱膨脹(2-3)是進(jìn)入熱機(jī)膨脹前先加熱，再繼續(xù)高壓氣體絕熱膨脹(3-4)過程，通過在熱機(jī)外部膨脹前加熱高壓氣體，實(shí)現(xiàn)了氣體加熱膨脹的過程。
[0027]壓縮過程，通常按照布雷頓循環(huán)工作的等壓放熱壓縮用損失較高溫度的尾氣熱量的方法才能得以實(shí)現(xiàn)，而卡諾循環(huán)回路中低壓氣體的等溫壓縮，是通過分極壓縮及分極外部環(huán)境冷凝來實(shí)現(xiàn)等溫壓縮的過程(5-1)，無須損失尾氣的熱量即可實(shí)現(xiàn)循環(huán)過程。
[0028]根據(jù)熱力學(xué)理論，熱機(jī)膨脹過程中等溫膨脹做功最大，而在壓縮過程中等溫壓縮能量損耗最小。但要實(shí)現(xiàn)等溫壓縮，必須使氣體的熱量隨時(shí)與外界交換，氣體溫度與外界相等，這在實(shí)際工作中一級壓縮是不可能實(shí)現(xiàn)的。為降低壓縮后的氣體溫度和減小壓縮機(jī)功耗，盡可能向定溫壓縮過程靠近，本發(fā)明采用了分級壓縮加中間冷卻，有效的解決了該問題。分級壓縮后必須經(jīng)過中間冷卻，使進(jìn)入到第二級的壓縮空氣進(jìn)氣溫度，等于或接近于第一級的進(jìn)氣溫度，這樣才能降低排氣溫度和壓縮機(jī)功耗。分級壓縮加中間冷卻實(shí)現(xiàn)了氣體定溫壓縮的過程，使得布雷頓循環(huán)無需排放高溫尾氣，即可恢復(fù)到高壓循環(huán)狀態(tài)，把布雷頓循環(huán)排放的高溫尾氣熱量進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為輸出功，大幅度增加了功的輸出(圖2a和圖2b中的1-4-5)。
[0029]因此，本發(fā)明將高效率的卡諾循環(huán)與布雷頓循環(huán)有機(jī)的結(jié)合起來，能夠發(fā)揮各自的優(yōu)勢，形成一個(gè)混合循環(huán)動(dòng)力設(shè)備，從而大幅度提高了布雷頓循環(huán)動(dòng)力設(shè)備的熱效率；該動(dòng)力設(shè)備能夠比傳統(tǒng)的布雷頓循環(huán)發(fā)電裝置效率提高20%以上，用一套循環(huán)裝置，就達(dá)到了燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電效率，可大幅度節(jié)約成本及能耗，意義重大。
[0030]將上述卡諾-布雷頓混合循環(huán)發(fā)電設(shè)備用于不同條件下發(fā)電。
[0031]應(yīng)用實(shí)例一，卡諾-布雷頓混合循環(huán)發(fā)電設(shè)備采用氦氣作為工作介質(zhì)，高壓側(cè)壓力為IMpa，換熱器6的加熱溫度為500°C ;低壓側(cè)壓力為0.096Mpa,冷凝器14冷凝溫度為20°C，冷凝采用水冷方式。
[0032]應(yīng)用實(shí)例二，卡諾-布雷頓混合循環(huán)發(fā)電設(shè)備采用氦氣作為工作介質(zhì)，高壓側(cè)壓力為IMpa，換熱器6的加熱溫度為300°C ;低壓側(cè)壓力為0.2Mpa，冷凝器14冷凝溫度為20°C，冷凝采用空冷方式。
[0033]應(yīng)用實(shí)例三，卡諾-布雷頓混合循環(huán)發(fā)電設(shè)備采用氦氣作為工作介質(zhì)，高壓側(cè)壓力為IMpa，換熱器6的加熱溫度為200°C ;低壓側(cè)壓力為0.33Mpa，冷凝器14冷凝溫度為20°C，冷凝采用空冷方式。熱效率見表1。
[0034]應(yīng)用實(shí)例四，與應(yīng)用實(shí)例三基本相同，不同之處僅在于:米用二氧化碳作為工作介質(zhì)，熱效率為34.9%。
[0035]應(yīng)用實(shí)例五，與應(yīng)用實(shí)例三基本相同，不同之處僅在于:米用氮?dú)庾鳛楣ぷ鹘橘|(zhì)，熱效率為38.9%。
[0036]應(yīng)用實(shí)例六，與應(yīng)用實(shí)例三基本相同，不同之處僅在于:米用氧氣作為工作介質(zhì)，熱效率為38.5%。
[0037]應(yīng)用實(shí)例七，與應(yīng)用實(shí)例三基本相同，不同之處僅在于:米用空氣作為工作介質(zhì)，熱效率為39%。
[0038]通過以上實(shí)例，可以看出，所使用氣體的種類對熱效率的影響很小。
[0039]應(yīng)用實(shí)例一至三的熱效率與相同條件下的布雷頓循環(huán)和卡諾循環(huán)的熱效率對比，見圖1。 [0040]表1卡諾-布雷頓混合循環(huán)混合設(shè)備的熱效率比較
[0041]
【權(quán)利要求】
1.一種卡諾-布雷頓混合循環(huán)發(fā)電設(shè)備，其特征在于:包括依次連接成環(huán)的一組壓縮機(jī)(I)、換熱器(2)、熱功動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)械(3)和冷凝器(4);所述一組壓縮機(jī)(I)兩兩之間設(shè)有冷卻器(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種卡諾-布雷頓混合循環(huán)發(fā)電設(shè)備，其特征在于:所述壓縮機(jī)(5)的數(shù)量為兩個(gè)以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種卡諾-布雷頓混合循環(huán)發(fā)電設(shè)備，其特征在于:所述壓縮機(jī)(5)為渦旋式壓縮機(jī)、螺桿式壓縮機(jī)、離心式壓縮機(jī)、活塞式壓縮機(jī)、滑片壓縮機(jī)或軸流式壓縮機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種卡諾-布雷頓混合循環(huán)發(fā)電設(shè)備，其特征在于:還包括發(fā)電機(jī)(6)，所述發(fā)電機(jī)(6)與熱功動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)械(3)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種卡諾-布雷頓混合循環(huán)發(fā)電設(shè)備，其特征在于:還包括調(diào)壓閥(7 )，所述調(diào)壓閥(7 )設(shè)于換熱器(6 )和熱功動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)械(2 )之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種卡諾-布雷頓混合循環(huán)發(fā)電設(shè)備，其特征在于:所述卡諾-布雷頓混合循環(huán)發(fā)電設(shè)備米用二氧化碳、空氣、氮?dú)?、氦氣、氫氣和氧氣中的一種或幾種的混合物作為循環(huán)工質(zhì)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種卡諾-布雷頓混合循環(huán)發(fā)電設(shè)備，其特征在于:所述的熱功動(dòng)力轉(zhuǎn)換機(jī)械(3)為汽輪機(jī)或膨脹機(jī)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種卡諾-布雷頓混合循環(huán)發(fā)電設(shè)備，其特征在于:所述膨脹機(jī)為渦旋式膨脹機(jī)、螺桿式膨脹機(jī)、離心式膨脹機(jī)或活塞式膨脹機(jī)。
【文檔編號】F01K23/18GK203655371SQ201320792430
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2013年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月4日
【發(fā)明者】孟寧 申請人:孟寧