CN109899124A - 加热u型塔管多相流升压涡轮机高效循环发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明的加热U型塔管多相流升压涡轮机高效循环发电装置属于热气或燃烧产物的变容式发动机装置领域，是由冷却器、冷水塔管、供液增压器、加热塔管、多段多级涡轮机组、发电机、气液分离器和排气转换器构成，加热塔管由底盘和垂直塔管构成，冷水塔管底部与加热塔管的底盘连接、其连接部位设置供液增压器，底盘内设有加热盘管，垂直塔管内设有多段多级涡轮机组，多段多级涡轮机组的输出轴连接发电机，垂直塔管的顶部出口连接至气液分离器，气液分离器的上出口连接排气转换器、排气转换器的出口连接至冷水塔管。装置驱动能量种类多、各种驱动能量大、驱动能量机械轴功转换效率高、无效能耗小、余液、多种余气、多种余能回收利用率高。

Description

加热U型塔管多相流升压涡轮机高效循环发电装置

技术领域

本发明涉及热气或燃烧产物的变容式发动机装置领域，特别涉及加热U型塔管多相流升压涡轮机高效循环发电装置。

背景技术

目前涡轮机发电时，加热锅炉内的水变为水蒸汽，通过涡轮机带动发电机发电。现有的锅炉加热换热面积小，且一般是层流态，换热传导效率低；没有充分利用蒸汽的动能，更没有充分利用水的动能；没有充分利用汽化气的相变能，由水分子吸热后获得能量挣脱水分子体的束缚，相变为气相，做完功的大量气相又在冷却塔中产生逆相变，气相中的相变能被冷却液吸收而从使气相转变为液相，相变能浪费了；因蒸汽做功过程中温度、压力是变化的，所以其体积流量也是变化的，但一般涡轮机叶片的转速都是一样的，这就出现了蒸汽流速与各叶片转速的比值不统一，导致了蒸汽能量的利用率不统一，能量转换率无法达到最优状态。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种加热U型塔管多相流升压涡轮机高效循环发电装置。

本发明的加热U型塔管多相流升压涡轮机高效循环发电装置，是由冷却器、冷水塔管、供液增压器、加热塔管、多段多级涡轮机组、发电机、气液分离器和排气转换器构成，冷却器与冷水塔管连接，加热塔管由底盘和垂直塔管构成，冷水塔管底部与加热塔管的底盘连接、其连接部位设置供液增压器，底盘内设有加热盘管，垂直塔管内设有多段多级涡轮机组，多段多级涡轮机组的输出轴连接发电机，垂直塔管的顶部出口连接至气液分离器，气液分离器的上出口连接排气转换器、排气转换器的出口连接至冷水塔管，气液分离器的下出口连接至冷却器入口。

作为本发明的进一步改进，冷却器的入口连接至气液分离器的下出口、出口连接至冷水塔管。

作为本发明的进一步改进，供液增压器可以选用涡轮增压器或螺杆泵。

作为本发明的进一步改进，多段多级涡轮机组的同一段中不同级叶片中间设置有分级调速器、不同段之间设置有分段调速器。

作为本发明的进一步改进，加热底盘为扁状大盘。

作为本发明的进一步改进，垂直塔管底部设有辅助加热装置。

作为本发明的进一步改进，加热盘管外连接太阳能供电装置。

本发明的加热U型塔管多相流升压涡轮机高效循环发电装置，驱动能量种类多、各种驱动能量大、驱动能量机械轴功转换效率高、无效能耗小、余液、多种余气、多种余能回收利用率高。利用垂直U型塔管两侧重力差驱动力循环发电；被冷却的液体的余能（动能、势能、压能等）再利用，分离出的含余能的游离气（余压、余温）不需要冷却，均可回收利用；供液增压器防止热流体倒灌回流，保证冷液供应及冷液余能再利用；加热底盘为扁状大盘，面积大、强加热，提高换热效率；多级涡轮机组经各种调速器把机械能统一旋转数调整到主输出轴上，达到最佳的发电效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的余液溶解度图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的加热U型塔管多相流升压涡轮机高效循环发电装置，是由冷却器1、冷水塔管2、供液增压器3、加热塔管4、多段多级涡轮机组5、发电机6、气液分离器7和排气转换器8构成，冷却器1与冷水塔管2连接，向冷水塔管2内注入低温水，冷水塔管2上设有气体入口14，通过气体入口14向冷水塔管2内注入溶解气溶解形成饱和溶气水，加热塔管4由底盘9和垂直塔管10构成，加热底盘9为扁状大盘，增加换热面积及换热效率，为充分利用低能量密度大容量的清洁能源（太阳能、地热等）提供足够大的空间环境，垂直塔管10底部设有辅助加热装置，可利用太阳能或化石能源供热，冷水塔管2底部与加热塔管4的底盘9连接、其连接部位设置供液增压器3，供液增压器3可以选用涡轮增压器或螺杆泵等，底盘9内设有加热盘管11，加热盘管11外连接太阳能供电装置，垂直塔管10内设有多段多级涡轮机组5，多段多级涡轮机组5的同一段中不同级叶片中间设置有分级调速器12、不同段之间设置有分段调速器13，多段多级涡轮机组5在受热U型塔管一侧，因流体温度升高、位置升高、游离自由气增加、体积膨胀、浮力增加、流速（体积流量）增加，保证高的机械转化效率，多段多级涡轮机组5的输出轴连接发电机6，垂直塔管10的顶部出口连接至气液分离器7，气液分离器7的上出口连接排气转换器8、排气转换器8的出口连接至冷水塔管2，既可以降低涡轮机尾端的压力，提高发电功率，又可把（负压）转换器后的带压带温游离气输出到冷水塔管2上的气体入口14并回收而混入冷水中，气体入口14也是含余能（余压、余温、相变能、蒸汽分压、游离气自由能）及抽排气压能的游离气在冷水塔管2上的某压力等值点，达到回收溶解气及回收余能的目的，气液分离器7的下出口连接至冷却器1入口、出口连接至冷水塔管2。冷却液从高处冷却器1中经过较小冷却降温流入冷水塔管2，达到较高溶解度的最高液体温度，提高余温的发电利用率，含余能（余压、余温、相变能、蒸汽分压、游离气自由能）及抽排气压能的游离气在冷水塔管2的气体入口14混入并完全溶解进入不饱和的低温液体中。

使用时，U型塔管的U型是由冷水塔管2和加热塔管4形成的，利用U型塔管两侧流体密度（比重）差异，产生重力驱动力，供液增压器3（涡轮增压器、螺杆泵等）在冷水塔管2底部与加热塔管4加热始端的连接部位，供液增压器3的入口连接冷水塔管2、出口连接加热塔管4，把冷液连续推进底盘9中加热，把冷液的能量（压能，含静液柱重力能）、动能、热能、溶解气余能等传入底盘9中，阻隔底盘9中内的高能流体，防止反向流入冷水塔管2内。

加热盘管11放置在底盘9的底部，提高对流换热效率，底盘9中加热初期（A段），溶解气开始溢出，出现小气泡，形成气泡两相流；加热中期（B段），温度升高，溶解气溢出更多，气泡变大，形成弹状大气泡的弹状气液两相流，也易从层流转为湍流，增加了导热换热效率；加热后期（C段），溢出的游离气进一步增加并且进入垂直方向流动阶段，即进入垂直塔管10中，由于受到管壁液体的粘性边界层阻滞影响，气泡会自动滑向剪切力小的中心线区域，大量气泡汇集形成更大气泡，形状类似活塞流态，此气泡活塞受到浮力作用上浮移动，有助于推动液体向上流动，由于出现了游离自由气的气相空间，按照液体分子的气相分压定律，液体分子会向气相中蒸发直到达到饱和分压为止，气相中既有大量溶解后又游离出的自由气分子，也有蒸发汽化的液体分子，此蒸汽分压也是增大气相体积，增大气相上升浮力，增大体积流速，推动液体上升的驱动力，如果温度、压力达到液体沸点，则液体分子将气化相变，变为汽化气，此时汽化气分子不仅含有相变能，更在宏观上增加了气相的质量、体积和压力，使得气相上升浮力更大，流速更快，冲击力更强，做功能力更大。

利用溶解气的溶解度与液体温度的负效应，即温度升高而气体溶解度下降特性（固体溶解度一般随温度升高而增大，视为正效应），在加热塔管中，溶解气变为游离自由气，单相液流变成气液两相流，游离气体积膨胀，浮力上升驱动液体加速，两相流动速度加快，提高涡轮机发电功率，在气泡（游离自由气相）出现后，按照物理化学原理，气相中会相应出现液相分子的气相分压，即气相中至少有两种物质以上气体分子，一种是溶解气的游离气，另一种是液体的蒸发气，此伴生蒸发气分压也是提高液体驱动力的一种新能量，可以提高热能转化动力发电的效率。

在垂直塔管10的初期（D段）可以设置辅助加热加强段，因清洁可再生能源的能量密度大多偏低，达不到化石能源的高能量密度，清洁能源通常不能满足目前热力发电的工艺要求，在有多种能源可供使用，如：太阳能、地热能、核热能、高能量密度的化石能源（如石油、天然气、煤等）或大量工业废弃余热可以回收利用时，可增设辅助加热加强段，给垂直塔管10辅助增强增热，提高发电能力。

因为气液两相流在上升过程中体积流速是有很大变化的，为了保证流体速度与轮机叶片速度的比值处在最佳值附近，因太大、太小都不利于机械能的转化效率，理论上比值应在1/左右，即约0.56，所以需采用多段多级涡轮机组5。在同一段中不同级叶片中间设置分级调速器12，既使叶片转速不同但是叶片传递到同轴动力转速却是一样的，这充分发挥了每个叶片的机械能转换作用，为了便于设备加工制造及隔断涡轮机组的旋转轴功率协调统一，设置了分段调速器13，多段多级涡轮机组5经各种调速器把机械能统一旋转数调整到主输出轴上，连接发电机6发电。

做功后剩余一定能量（压能、温度热能、速度动能、势能、相变能、游离气能、蒸汽分压能、若温度高时还有气化蒸汽能等）的气液两相流（E段），为了充分利用所有剩余能量及分类利用气体物质及液体物质，利用气液分离器7把做完功后的气液两相流分离出单相气体和单相液体，液体适当冷却后进入冷水塔管2，而带有余温余压余能的游离气不需冷却，反而经排气转换器8降低了多段多级涡轮机组5末端的压力，即采用与发电机涡轮增压相反的作用原理—涡轮减压方法，排气减压法，提高涡轮机前后压差，达到提高发电机功率的目的，同时又可把（负压）转换器后的带压带温游离气输出到冷水塔管2上某个等压点回收而混入冷水中，达到回收溶解气及回收余能的目的。

总功率的增减结果：涡轮发电效率的增大减去排气转换器8耗电应大于零，因液体的可压缩性很小，可视为刚性，在无气体压力时，末端液体相对压力可达到零；因气体（部分液体）质量很小，涡轮减压器耗能很小，而流过涡轮发电机轴的气液两相流体质量大，发电功率大；小功率排气转换器8仅抽气体减压，末端液体降压，驱动压差变大，发电功率更大。

排气转换器8所耗电能大部分转化为气体的动能及压能，排出气体积所包含的余能（压能、热能、相变能、蒸汽分压能、动能等）全部从冷水塔管2上的气体入口14输出到冷水塔管2中，达到此部分余能全回收利用，提高能量利用率。

气液分离器7分离出的余液含有一定余能（温度、压力等），此余液不用大幅度降温只需要降到高温快速敏感起始点Ts（如图2）附近即可，即是较大溶解度的最高温度点，既能保证液体的较大溶解度，又能减少冷却以保证余能（余温）最高，最节能。

Claims (7)

1.加热U型塔管多相流升压涡轮机高效循环发电装置，其特征在于是由冷却器（1）、冷水塔管（2）、供液增压器（3）、加热塔管（4）、多段多级涡轮机组（5）、发电机（6）、气液分离器（7）和排气转换器（8）构成，冷却器（1）与冷水塔管（2）连接，加热塔管（4）由底盘（9）和垂直塔管（10）构成，冷水塔管（2）底部与加热塔管（4）的底盘（9）连接、其连接部位设置供液增压器（3），底盘（9）内设有加热盘管（11），垂直塔管（10）内设有多段多级涡轮机组（5），多段多级涡轮机组（5）的输出轴连接发电机（6），垂直塔管（10）的顶部出口连接至气液分离器（7），气液分离器（7）的上出口连接排气转换器（8）、排气转换器（8）的出口连接至冷水塔管（2），气液分离器（7）的下出口连接至冷却器（1）入口。

2.如权利要求1所述的加热U型塔管多相流升压涡轮机高效循环发电装置，其特征在于冷却器（1）的入口连接至气液分离器（7）的下出口、出口连接至冷水塔管（2）。

3.如权利要求1所述的加热U型塔管多相流升压涡轮机高效循环发电装置，其特征在于供液增压器（3）可以选用涡轮增压器或螺杆泵。

4.如权利要求1所述的加热U型塔管多相流升压涡轮机高效循环发电装置，其特征在于多段多级涡轮机组（5）的同一段中不同级叶片中间设置有分级调速器（12）、不同段之间设置有分段调速器（13）。

5.如权利要求1所述的加热U型塔管多相流升压涡轮机高效循环发电装置，其特征在于加热底盘（9）为扁状大盘。

6.如权利要求1所述的加热U型塔管多相流升压涡轮机高效循环发电装置，其特征在于垂直塔管（10）底部设有辅助加热装置。

7.如权利要求1所述的加热U型塔管多相流升压涡轮机高效循环发电装置，其特征在于加热盘管（11）外连接太阳能供电装置。