CN104863653A - 一种二氧化碳热能发电装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉属于热能利用技术领域，涉及一种二氧化碳热能发电装置及方法，气罐分别与气体增压泵和膨胀机管道连接，换热器分别与气体增压泵和膨胀机连接，换热器与膨胀机之间的管路上设置有自力调压阀，气体增压泵和换热器之间的管路、换热器和膨胀机之间的管路以及膨胀机和气罐之间的管路上均设置有温压传感器，温度传感器、气体增压泵和无级变速器分别与计算机采集控制系统电信息连通，无级变速器分别与膨胀机和发电机相连，发电机将膨胀机产生的机械能转化为电能进行发电；其装置结构简单，工艺操作简便，原理可靠，无需汽液转化设备；传热介质易得，成本低，环境友好，节能减排。

Description

一种二氧化碳热能发电装置及方法

技术领域：

本发明涉属于热能利用技术领域，涉及一种利用二氧化碳临界热容随温压变化实现高效热量传输来发电的装置及方法，特别是一种二氧化碳热能发电装置及方法。

背景技术：

随着经济的发展和对煤炭、石油资源消耗的增多，诸如太阳能、地热等清洁能源以及工业废气热的有效回收利用成为了国家经济绿色发展的关键。

目前，热能发电机主要有针对高温热源的蒸汽发电机和针对中低温热源的双工质发电机，其中蒸汽发电机是把液态水加热成一定压力的水蒸汽，推动汽轮机并带动发电机发电；双工质发电通过换热器把热量传递给低沸点介质，低沸点介质吸热后变为具有一定压力的蒸汽，推动汽轮机并带动发电机发电，虽然降低了对地热水温度的要求，但换热器的换热效率限制了它的使用范围，当地温低于90℃时，经济价值低。现有的两种发电方式，都需要流体经历液-气-液的转化过程，对热源温度有限制，而且装置构成较复杂，成本高。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种二氧化碳热能发电装置及方法，利用二氧化碳临界热容随温压变化实现高效热量传输来发电。

为了实现上述目的，本发明涉及的二氧化碳热能发电装置的主体结构包括发电机、温压传感器、气罐、气体增压泵、换热器、计算机采集控制系统、自力调压阀、膨胀机和无级变速器；气罐分别与气体增压泵和膨胀机管道连接，气罐用于储存二氧化碳气体和缓冲压力，气体增压泵对来自气罐的二氧化碳进行加压并提供循环动力；换热器分别与气体增压泵和膨胀机连接，换热器与膨胀机之间的管路上设置有自力调压阀，换热器将热源热量传递给二氧化碳流体，自力调压阀控制加热后的流体压力，膨胀机将二氧化碳流体的热能转换为机械能；气体增压泵和换热器之间的管路、换热器和膨胀机之间的管路以及膨胀机和气罐之间的管路上均设置有温压传感器，温压传感器监测管路的温度和气压状态；温度传感器、气体增压泵和无级变速器分别与计算机采集控制系统电信息连通，计算机采集控制系统采集管路的温度和压力信息，同时调节气体增压泵的转速和无级变速器的变速比；无级变速器分别与膨胀机和发电机相连，无级变速器控制膨胀机的阻力和输出功率，发电机将膨胀机产生的机械能转化为电能进行发电。

本发明所述换热器内设有换热管道，换热管道由入口、入口收缩段、盘管、出口扩张段和出口依次连通构成，入口和出口截面积是盘管截面积的5倍以上；入口的压力与气体增压泵出口的压力相同，入口收缩段将二氧化碳流体转为低压、低温的紊流状态，盘管对二氧化碳进行大温差的高速换热，二氧化碳流体在出口扩张段转为高压、高热容状态，出口实现高热容二氧化碳对热量的进一步吸收和储存。

本发明实现超临界二氧化碳热能发电的具体步骤为：

(1)、启动气体增压泵，将二氧化碳加压至8.5MPa以上，加压后的二氧化碳进入换热器循环；

(2)、二氧化碳在换热器内吸收热量得到加热后的二氧化碳，调节自力调压阀使从换热器出来的二氧化碳压力维持在8.5MPa，同时通过计算机采集控制系统调节气体增压泵的流量使从换热器出来的二氧化碳温度维持在37℃；

(3)、加热后的二氧化碳进入膨胀机将热能转化为机械能，通过无级变速器将机械能传递给发电机，转化为发电机的电能，同时计算机采集控制系统对无级变速器进行实时调控，通过无级变速器改变流体通过膨胀机的流体阻力和输出功率，对膨胀机前后的二氧化碳压差进行控制；

(5)、经过膨胀机的二氧化碳进入气罐中作为气体增压泵的气体来源，重复上述过程，如此循环，实现超临界二氧化碳的热能发电。

本发明的工作原理为：8.5MPa、37℃超临界二氧化碳的质量热容是水的4倍，而低压下仅为水的1/4，8.5MPa下的高热容是低压下热容的16倍多，说明当二氧化碳从8.5MPa、37℃降压时，会有大量的热能释放，转化为气体的压能，气体的压能可推动膨胀机8或涡轮机工作而转化为机械能，当对做功后降压降温的二氧化碳进行增压时，由于二氧化碳气体温度和压力降低，加压到高压时(大于8.5MPa),其热容变小,因此增压所需功远小于膨胀机的机械功，由此循环回路能量一直为正，实现良性循环；其次，超临界下的二氧化碳密度、粘度分别接近于其液态、气态参数，根据达西定律，在相同压差下其质量流量可以达到水的1～6倍，采热速率可以达到水的1.4～2.7倍。第三，当热源温度高时，可增大流量，当热源温度低时可增加盘管长度或减小盘管直径来产生大温差，因此对温度适用范围广。

本发明与现有技术相比，根据二氧化碳在0℃到300℃热容随压力先增后减的规律变化，本发明装置及方法对目前已知的地热、太阳能等均可适用，适用温度范围广；而且超临界二氧化碳不需换热即可推动发电机发电，提高了利用效率，增加了中低温地热经济的利用方式；二氧化碳通过换热器的盘管时温度降低，形成大温差与热源形成强化传热，相比水其峰值热容更大，热能传输效率更高；所有循环动力都来自于热能，不会有额外的能源消耗；其装置结构简单，工艺操作简便，原理可靠，无需汽液转化设备；传热介质易得，成本低，环境友好，节能减排。

附图说明：

图1为本发明涉及的二氧化碳热能发电装置的主体结构原理图。

图2为本发明涉及的换热管道的结构原理示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图作进一步说明。

实施例：

本实施例涉及的二氧化碳热能发电装置的主体结构包括发电机1、温压传感器2、气罐3、气体增压泵4、换热器5、计算机采集控制系统6、自力调压阀7、膨胀机8和无级变速器9；气罐3分别与气体增压泵4和膨胀机8管道连接，气罐3用于储存二氧化碳气体和缓冲压力，气体增压泵4对来自气罐3的二氧化碳进行加压并提供循环动力；换热器5分别与气体增压泵4和膨胀机8连接，换热器5与膨胀机8之间的管路上设置有自力调压阀7，换热器5将热源热量传递给二氧化碳流体，自力调压阀7控制加热后的流体压力，膨胀机8将二氧化碳流体的热能转换为机械能；气体增压泵4和换热器5之间的管路、换热器5和膨胀机8之间的管路以及膨胀机8和气罐3之间的管路上均设置有温压传感器2，温压传感器2监测管路的温度和气压状态；温度传感器2、气体增压泵4和无级变速器9分别与计算机采集控制系统6电信息连通，计算机采集控制系统6采集管路的温度、压力信息，同时调节气体增压泵4的转速和无级变速器9的变速比；无级变速器9分别与膨胀机8和发电机1相连，无级变速器9控制膨胀机8的阻力和输出功率，发电机1将膨胀机8产生的机械能转化为电能进行发电。

本实施例所述换热器5内设有换热管道，换热管道由入口10、入口收缩段11、盘管12、出口扩张段13和出口14依次连通构成，入口10和出口14截面积是盘管截面积的5倍以上；入口10的压力与气体增压泵4出口的压力相同，入口收缩段11将二氧化碳流体转为低压、低温的紊流状态，盘管12对二氧化碳进行大温差的高速换热，二氧化碳流体在出口扩张段13转为高压、高热容状态，出口14实现高热容二氧化碳对热量的进一步吸收和储存。。

本实施例实现超临界二氧化碳热能发电的具体步骤为：

(1)、启动气体增压泵4，将二氧化碳加压至8.5MPa以上，加压后的二氧化碳进入换热器5循环；

(2)、二氧化碳在换热器5内吸收热量得到加热后的二氧化碳，调节自力调压阀7使从换热器5出来的二氧化碳压力维持在8.5MPa，同时通过计算机采集控制系统6调节气体增压泵4的流量使从换热器5出来的二氧化碳温度维持在37℃；

(3)、加热后的二氧化碳进入膨胀机8将热能转化为机械能，通过无级变速器9将机械能传递给发电机1，转化为发电机1的电能，同时计算机采集控制系统6对无级变速器9进行实时调控，通过无级变速器9改变流体通过膨胀机8的流体阻力和输出功率，对膨胀机8前后的二氧化碳压差进行控制；

(5)、经过膨胀机8的二氧化碳进入气罐3中作为气体增压泵4的气体来源，重复上述过程，如此循环，实现超临界二氧化碳的热能发电。

本实施例对气体增压泵4的入出口温度、压力以及膨胀机8的入出口温度、压力进行如下表估测，进行功耗分析：

表1：二氧化碳流体通过气体泵消耗功

表2：二氧化碳流体通过膨胀机做功表

由上表可看出，在不考虑循环压耗和热量流失的情况，每千克二氧化碳在循环回路中可产生4499490J的能量用来发电，而大气压下每千克水变为水蒸汽需吸收2484000J的能量，即使水蒸汽的能量全部转化为电能，二氧化碳的热能发电利用率仍是水的2倍以上。

本实施例可用氮气、甲烷等替代二氧化碳，利用氮气、甲烷的热容随温压变化的规律进行热能发电。

Claims (3)

1.一种二氧化碳热能发电装置，其特征在于主体结构包括发电机、温压传感器、气罐、气体增压泵、换热器、计算机采集控制系统、自力调压阀、膨胀机和无级变速器；气罐分别与气体增压泵和膨胀机管道连接，气罐用于储存二氧化碳气体和缓冲压力，气体增压泵对来自气罐的二氧化碳进行加压并提供循环动力；换热器分别与气体增压泵和膨胀机连接，换热器与膨胀机之间的管路上设置有自力调压阀，换热器将热源热量传递给二氧化碳流体，自力调压阀控制加热后的流体压力，膨胀机将二氧化碳流体的热能转换为机械能；气体增压泵和换热器之间的管路、换热器和膨胀机之间的管路以及膨胀机和气罐之间的管路上均设置有温压传感器，温压传感器监测管路的温度和气压状态；温度传感器、气体增压泵和无级变速器分别与计算机采集控制系统电信息连通，计算机采集控制系统采集管路的温度和压力信息，同时调节气体增压泵的转速和无级变速器的变速比；无级变速器分别与膨胀机和发电机相连，无级变速器控制膨胀机的阻力和输出功率，发电机将膨胀机产生的机械能转化为电能进行发电。

2.根据权利要求1所述二氧化碳热能发电装置，其特征在于所述换热器内设有换热管道，换热管道由入口、入口收缩段、盘管、出口扩张段和出口依次连通构成，入口和出口截面积是盘管截面积的5倍以上；入口的压力与气体增压泵出口的压力相同，入口收缩段将二氧化碳流体转为低压、低温的紊流状态，盘管对二氧化碳进行大温差的高速换热，二氧化碳流体在出口扩张段转为高压、高热容状态，出口实现高热容二氧化碳对热量的进一步吸收和储存。

3.一种采用如权利要求2所述二氧化碳热能发电装置进行发电的方法，其特征在于实现超临界二氧化碳热能发电的具体步骤为：

(1)、启动气体增压泵，将二氧化碳加压至8.5MPa以上，加压后的二氧化碳进入换热器循环；

(2)、二氧化碳在换热器内吸收热量得到加热后的二氧化碳，调节自力调压阀使从换热器出来的二氧化碳压力维持在8.5MPa，同时通过计算机采集控制系统调节气体增压泵的流量使从换热器出来的二氧化碳温度维持在37℃；

(3)、加热后的二氧化碳进入膨胀机将热能转化为机械能，通过无级变速器将机械能传递给发电机，转化为发电机的电能，同时计算机采集控制系统对无级变速器进行实时调控，通过无级变速器改变流体通过膨胀机的流体阻力和输出功率，对膨胀机前后的二氧化碳压差进行控制；

(5)、经过膨胀机的二氧化碳进入气罐中作为气体增压泵的气体来源，重复上述过程，如此循环，实现超临界二氧化碳的热能发电。