CN110107366B - 基于超临界二氧化碳的混合涡轴动力系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超临界二氧化碳的混合涡轴动力系统及方法，属于新能源与高效动力领域。该系统主要包括了压气机、燃烧室、涡轮、储热罐、S‑CO2储气罐、固体燃料储料罐、化学反应器、换热器、二氧化碳缓存罐、二氧化碳排气储存罐、旋风分离器和固体粉末回收罐。其特征在于：借助二氧化碳的超临界特性及高储能密度，加热后可以产生很强的做功能力；S‑CO2做功前需适当加热，一种热源可以选择传统燃气轮机的尾气热量，通过储热罐实现能量的储存和释放，还可以降低排放的尾气温度；S‑CO2的制备，则可以在电网负荷低谷期提前生产，所以辅助动力系统无需借助压气机就能工作。本系统可以降低红外辐射，减少传统化石能源的使用，有优质的环保性。
Description
技术领域
本发明公开了一种基于超临界二氧化碳的混合涡轴动力系统及方法，属于新能源与高效动力领域。
背景技术
传统涡轴式动力系统属于开式动力输出系统，因此进气道的设计复杂而且困难，遇上沙尘或者冰雹等天气，需要将气流中的颗粒物聚集在一起与空气分离，排出机外，从而为压气机稳定工作创造一个好的进气环境。
传统涡轴式动力系统另外一个问题是：存在约5%的高温燃气向外喷出。系统排出的热流会产生较强的红外辐射；常用的解决办法是吸入外部空气，使其与高温燃气混合降温后排出。
二氧化碳无毒，拥有良好的物理和化学特性，在空气中比例为0.3%，且临界温度较低为Tc=31.1℃，临界压力适中为7.38*106Pa。当二氧化碳处于超临界状态下，其兼有气体和液体的双重特性，密度近似液体（约为空气密度200~800倍），粘度、扩散系数接近于气体（约为液体的100倍），具有更好的流动性和传输特性。此外，其储能密度与相同参数的空气相比，约是空气的2倍。
电力的消耗在一天中并不是恒定的，具有能耗的峰值和谷值，通常谷值的电量会被浪费。然而制备超临界二氧化碳只需在电网负荷低谷期，将多余电量输入压气机，压缩二氧化碳，即可提前完成辅助动力系统的气体工质生产。
发明内容
本发明提供一种基于超临界二氧化碳的混合涡轴动力系统及方法。利用超临界二氧化碳体积小、临界点附近储能密度大以及金属氧化物和二氧化碳反应会释放大量热等优点，设计出一种混合涡轴动力系统，既可以借助储热罐内的蓄热介质回收传统燃气轮机的尾气热量加以利用，又可以在冰雹、沙尘等恶劣环境中，消除对压气机的损害，还可以减少夜间大量多余电力的浪费，很环保。
本发明为解决其技术问题所采取的技术方案是：一种基于超临界二氧化碳的混合涡轴动力系统，其特征在于：
包括压气机、燃烧室、涡轮、储热罐、螺旋桨、S-CO2储气罐、二氧化碳排气储存罐、换热器、化学反应器、二氧化碳缓存罐、固体燃料储料罐；
其中S-CO2储气罐包含侧右出气口和下出气 口；二氧化碳缓存罐包含进气口、回气口和出气口；化学反应器包含底部气体工质进口、上部固体燃料进口和气固混合物出口；储热罐有四个端口，分别是顶部高温燃气尾气入口和低温燃气尾气出口，底部S-CO2入口和S-CO2出口；
空气经过压气机经管道与燃烧室入口相连，燃烧室出口经燃气进气段止回阀与进气段三通阀的第一端相连，进气段三通阀的第二端与涡轮进口连通；涡轮出口与排气段三通阀的第一端相连，排气段三通阀的第二端经过燃气排放段电动开关阀与储热罐的顶部高温燃气尾气入口相连；涡轮通过轴承与螺旋桨连接，以燃气轮机的形式，产生动力，带动螺旋桨旋转；排放的燃气尾气将热量传给储热罐；
S-CO2储气罐右侧出气口经S-CO2供气段电动开关阀A与S-CO2供气段三通阀的第一端相连，S-CO2供气段三通阀的第二端经过S-CO2供气段电动开关阀C与换热器入口连通，准备加热辅助动力系统的工质，来推动涡轮做功，产生动力；换热器嵌在化学反应器内部；换热器的出口经S-CO2供气段止回阀C与三通阀的第一端相连，三通阀的第二端经过S-CO2进气段止回阀和进气段三通阀的第三端相连；排气段三通阀的第三端经过二氧化碳排放段电动开关阀与二氧化碳排气储存罐相连，来回收工质；
S-CO2储气罐下出气口与所述二氧化碳缓存罐进气口之间依次设有补气段电动开关阀以及补气段减压阀；随着二氧化碳和固体燃料不断反应，化学反应气体工质供应单元内二氧化碳的质量流量不断减少，若无法满足1：1的摩尔比，反应可能停止或产生别的产物吸收热量，所以要不定时进行补气操作；
S-CO2供气段三通阀的第三端经过S-CO2供气段电动开关阀B还与储热罐的底部S-CO2入口连通，这是加热辅助动力系统的工质另一种方式，形成另一条推动涡轮做功的管路；储热罐的底部S-CO2出口经S-CO2供气段止回阀B与三通阀的三端相连；
二氧化碳缓存罐出气口经化学反应供气段电动开关阀、化学反应供气段止回阀与化学反应器气体工质进口连通；化学反应器的气固混合物出口经管路与二氧化碳缓存罐回气口相连；
化学反应器的气固混合物出口和所述二氧化碳缓存罐的回气口之间的连通管路上还依次设有旋风分离器、增压泵以及过滤器；从而实现净化反应后多余的二氧化碳气体，保持流速，达到重复利用的目的；旋风分离器经管路与固体粉末回收罐连通；以达到回收化学反应产物、保护环境、减排的目的；
固体燃料储料罐经化学反应供料段电动开关阀和化学反应供料段止回阀与化学反应器固体燃料进口连通。
所述的混合涡轴动力系统，其特征在于，在所述涡轮燃气排放段出口加装所述储热罐，内部的蓄热介质可以是导热油、熔融盐等。准备排放的燃气尾气将热量传给蓄热介质，进行存储；当辅助动力系统开始运作时，蓄热介质将存储的热量传递给超临界二氧化碳，使其升温，已达到加热的目的。
所述的混合涡轴动力系统，其特征在于，所述化学反应器底部有启动装置；所述启动装置将所述化学反应器加热至550℃以上温度，利用固体燃料（如氧化钙、氧化镁等）与二氧化碳在该温度下，能发生反应并释放大量的热量，将这些热量传入换热器，然后再通过内部的盘管传给管内的超临界二氧化碳工质。
所述的混合涡轴动力系统的方法，其特征在于，包括以下过程：
当系统工作环境优良时，关闭S-CO2供气段电动开关阀A、S-CO2供气段电动开关阀B、S-CO2供气段电动开关阀C、补气段电动开关阀、化学反应供气段电动开关阀、化学反应供料段电动开关阀和二氧化碳排放段电动开关阀，打开燃气排放段电动开关阀；空气进入压气机，压缩后进入燃烧室定压升温，然后流过燃气进气段止回阀，在超临界二氧化碳进气段止回阀的作用下，通过进气段三通阀，进入涡轮做功；做功后的燃气通过排气段三通阀，流经燃气排放段电动开关阀，进入储热罐，将热量传递给内部的蓄热介质，最后低温尾气被排出；
当突遇沙尘或冰雹等天气时，压气机停止工作，关闭S-CO2供气段电动开关阀C、补气段电动开关阀、化学反应供气段电动开关阀、化学反应供料段电动开关阀和燃气排放段电动开关阀，打开S-CO2供气段电动开关阀A、S-CO2供气段电动开关阀B和二氧化碳排放段电动开关阀；气体工质从S-CO2储气罐流出，经过S-CO2供气段三通阀，进入储热罐，吸收储存在蓄热介质内的热量，定压升温；升温后的超临界二氧化碳经过三通阀，在S-CO2供气段止回阀C和燃气进气段止回阀的共同作用下，通过进气段三通阀，进入涡轮做功，然后流过排气段三通阀和二氧化碳排放段电动开关阀，进入二氧化碳排气储存罐；
当储热罐内热量快要耗尽前，打开启动装置和化学反应供气段电动开关阀，将化学反应器加热至550℃以上；当储热罐内热量耗尽时，关闭S-CO2供气段电动开关阀B、补气段电动开关阀和燃气排放段电动开关阀，打开S-CO2供气段电动开关阀C、化学反应供料段电动开关阀和二氧化碳排放段电动开关阀；金属氧化物（如氧化钙、氧化镁等）从固体燃料储料罐底部流出，经过化学反应供料段止回阀，进入化学反应器和二氧化碳发生反应放热，反应后的产物伴随多余的二氧化碳气流进入旋风分离器进行气固分离；固体粉末从旋风分离器底部离开，流进固体粉末回收罐；多余的二氧化碳气体，流过增压泵和过滤器，从二氧化碳缓存罐回气口流回，再次循环；气体工质从S-CO2储气罐流出，经过S-CO2供气段三通阀，进入换热器吸收从化学反应器传入的热量；然后在S-CO2供气段止回阀B和燃气进气段止回阀的共同作用下，依次流过三通阀、S-CO2进气段止回阀和进气段三通阀，进入涡轮做功，然后流过排气段三通阀和二氧化碳排放段电动开关阀，进入二氧化碳排气储存罐；
随着二氧化碳和固体燃料不断反应，化学反应气体工质供应单元内二氧化碳的质量流量不断减少；若无法满足1：1的摩尔比时，需不定时地打开补气段电动开关阀，从所述S-CO2储气罐内抽出一小部分气体，经过补气段减压阀，减压送入所述二氧化碳缓存罐，完成补气操作。
附图说明
图1基于超临界二氧化碳的混合涡轴动力系统图；
图2基于超临界二氧化碳的混合涡轴动力燃油阶段工作系统图；
图3基于超临界二氧化碳的混合涡轴动力回热阶段工作系统图
图4基于超临界二氧化碳的混合涡轴动力化学反应阶段工作系统图
图中标号名称：1-压气机；2-燃烧室；3-燃气进气段止回阀；4-涡轮；5-燃气排放段电动开关阀；6-储热罐；7-螺旋桨；8-S-CO2储气罐；9-S-CO2供气段电动开关阀A；10-S-CO2供气段三通阀；11-S-CO2供气段电动开关阀B；12-S-CO2供气段止回阀B；13-三通阀；14-S-CO2进气段止回阀；15-进气段三通阀；16-排气段三通阀；17-二氧化碳排放段电动开关阀；18-二氧化碳排气储存罐；19-S-CO2供气段电动开关阀C；20-换热器；21-化学反应器；22-S-CO2供气段止回阀C；23-固体燃料储料罐；24-化学反应供料段电动开关阀；25-化学反应供料段止回阀；26-启动装置；27-补气段电动开关阀；28-补气段减压阀；29-二氧化碳缓存罐；30-化学反应供气段电动开关阀；31-化学反应供气段止回阀；32-旋风分离器；33-增压泵；34-过滤器；35-固体粉末回收罐
具体实施方式
图1是本发明提出的基于超临界二氧化碳的混合涡轴动力系统，下面参照图1和图2说明直升机工作环境优良时，系统的工作过程。
当工作环境优良时，传统燃气轮机工作，关闭S-CO2供气段电动开关阀A9、S-CO2供气段电动开关阀B11、S-CO2供气段电动开关阀C19、补气段电动开关阀27、化学反应供气段电动开关阀30、化学反应供料段电动开关阀24和二氧化碳排放段电动开关阀17，打开燃气排放段电动开关阀5。机外空气进入压气机1，压缩后进入燃烧室2定压升温，然后流过燃气进气段止回阀3，在超临界二氧化碳进气段止回阀14的作用下，通过进气段三通阀15，进入涡轮4做功，涡轮4则通过轴承带动螺旋桨7，产生升力。做功后的燃气通过排气段三通阀16，流经燃气排放段电动开关阀5，进入储热罐6，将热量传递给内部的蓄热介质，最后低温尾气被排出机外。
下面参照图1和图3说明直升机经历优良的工作环境后，突遇沙尘或冰雹等天气，系统的工作过程。
当突遇沙尘或冰雹等天气时，压气机1停止工作，关闭S-CO2供气段电动开关阀C19、补气段电动开关阀27、化学反应供气段电动开关阀30、化学反应供料段电动开关阀24和燃气排放段电动开关阀5，打开S-CO2供气段电动开关阀A9、S-CO2供气段电动开关阀B11和二氧化碳排放段电动开关阀17。气体工质从S-CO2储气罐8流出，经过S-CO2供气段三通阀10，进入储热罐6，吸收储存在蓄热介质内的热量，定压升温。升温后的超临界二氧化碳经过三通阀13，在S-CO2供气段止回阀C22和燃气进气段止回阀3的共同作用下，通过进气段三通阀16，进入涡轮4做功，然后流过排气段三通阀16和二氧化碳排放段电动开关阀17，进入二氧化碳排气储存罐18。
下面参照图1和图4说明直升机长时间运行在沙尘或冰雹等天气，储热罐内热量耗尽时，系统的工作过程。
当储热罐内热量快要耗尽前，打开启动装置26和化学反应供气段电动开关阀30，将化学反应器21加热至550℃以上。当储热罐内热量耗尽时，关闭S-CO2供气段电动开关阀B11、补气段电动开关阀27和燃气排放段电动开关阀5，打开S-CO2供气段电动开关阀C19、化学反应供料段电动开关阀24和二氧化碳排放段电动开关阀17。金属氧化物如氧化钙、氧化镁等从固体燃料储料罐23底部流出，经过化学反应供料段止回阀25，进入化学反应器21和二氧化碳发生反应放热，反应后的产物伴随多余的二氧化碳气流进入旋风分离器32进行气固分离。固体粉末从旋风分离器32底部离开，流进固体粉末回收罐35。多余的二氧化碳气体，流过增压泵33和过滤器34，从二氧化碳缓存罐29回气口流回，再次循环。气体工质从S-CO2储气罐8流出，经过S-CO2供气段三通阀10，进入换热器20吸收从化学反应器21传入的热量。然后在S-CO2供气段止回阀B12和燃气进气段止回阀3的共同作用下，依次流过三通阀13、S-CO2进气段止回阀14和进气段三通阀15，进入涡轮4做功，然后流过排气段三通阀16和二氧化碳排放段电动开关阀17，进入二氧化碳排气储存罐18。
随着二氧化碳和固体燃料不断反应，化学反应气体工质供应单元内二氧化碳的质量流量不断减少，若无法满足1：1的摩尔比，反应可能停止或产生别的产物吸收热量。因此，需不定时地打开补气段电动开关阀27，从所述S-CO2储气罐8内抽出一小部分气体，经过补气段减压阀28，减压送入所述二氧化碳缓存罐29，完成补气操作。
Claims (2)
1.一种基于超临界二氧化碳的混合涡轴动力系统，其特征在于：
包括压气机（1）、燃烧室（2）、涡轮（4）、储热罐（6）、螺旋桨（7）、S-CO2储气罐（8）、二氧化碳排气储存罐（18）、换热器（20）、化学反应器（21）、二氧化碳缓存罐（29）、固体燃料储料罐（23）；
其中S-CO2储气罐（8）包含侧出气口和下出气口；二氧化碳缓存罐（29）包含进气口、回气口和出气口；化学反应器（21）包含底部气体工质进口、上部固体燃料进口和气固混合物出口；储热罐（6）有四个端口，分别是顶部的高温燃气尾气入口和低温燃气尾气出口，底部S-CO2入口和S-CO2出口；
压气机（1）经管道与燃烧室（2）入口相连，燃烧室（2）出口经燃气进气段止回阀（3）与进气段三通阀（15）的第一端相连，进气段三通阀（15）的第二端与涡轮（4）进口连通；涡轮（4）出口与排气段三通阀（16）的第一端相连，排气段三通阀（16）的第二端经过燃气排放段电动开关阀（5）与储热罐（6）的高温燃气尾气入口相连；涡轮（4）通过轴承与螺旋桨（7）连接；
S-CO2储气罐（8）侧出气口经S-CO2供气段电动开关阀A（9）与S-CO2供气段三通阀（10）的第一端相连，S-CO2供气段三通阀（10）的第二端经过S-CO2供气段电动开关阀C（19）与换热器（20）入口连通；换热器（20）嵌在化学反应器（21）内部；换热器（20）的出口经S-CO2供气段止回阀C（22）与三通阀（13）的第一端相连，三通阀（13）的第二端经过S-CO2进气段止回阀（14）和进气段三通阀（15）的第三端相连；排气段三通阀（16）的第三端经过二氧化碳排放段电动开关阀（17）与二氧化碳排气储存罐（18）相连；
S-CO2储气罐（8）下出气口与所述二氧化碳缓存罐（29）进气口之间依次设有补气段电动开关阀（27）以及补气段减压阀（28）；
S-CO2供气段三通阀（10）的第三端经过S-CO2供气段电动开关阀B（11）还与储热罐（6）的底部S-CO2入口连通；储热罐（6）的底部S-CO2出口经S-CO2供气段止回阀B（12）与三通阀（13）的三端相连；
二氧化碳缓存罐（29）出气口经化学反应供气段电动开关阀（30）、化学反应供气段止回阀（31）与化学反应器（21）气体工质进口连通；化学反应器（21）的气固混合物出口经管路与二氧化碳缓存罐（29）回气口相连；
化学反应器（21）的气固混合物出口和所述二氧化碳缓存罐（29）的回气口之间的连通管路上还依次设有旋风分离器（32）、增压泵（33）以及过滤器（34）；旋风分离器（32）经管路与固体粉末回收罐（35）连通；
固体燃料储料罐（23）经化学反应供料段电动开关阀（24）和化学反应供料段止回阀（25）与化学反应器（21）固体燃料进口连通。
2.根据权利要求1所述的混合涡轴动力系统的方法，其特征在于，包括以下过程：
当系统工作环境优良时，关闭S-CO2供气段电动开关阀A（9）、S-CO2供气段电动开关阀B（11）、S-CO2供气段电动开关阀C（19）、补气段电动开关阀（27）、化学反应供气段电动开关阀（30）、化学反应供料段电动开关阀（24）和二氧化碳排放段电动开关阀（17），打开燃气排放段电动开关阀（5）；空气进入压气机（1），压缩后进入燃烧室（2）定压升温，然后流过燃气进气段止回阀（3），在超临界二氧化碳进气段止回阀（14）的作用下，通过进气段三通阀（15），进入涡轮（4）做功；做功后的燃气通过排气段三通阀（16），流经燃气排放段电动开关阀（5），进入储热罐（6），将热量传递给内部的蓄热介质，最后低温尾气被排出；
当突遇沙尘或冰雹等天气时，压气机（1）停止工作，关闭S-CO2供气段电动开关阀C（19）、补气段电动开关阀（27）、化学反应供气段电动开关阀（30）、化学反应供料段电动开关阀（24）和燃气排放段电动开关阀（5），打开S-CO2供气段电动开关阀A（9）、S-CO2供气段电动开关阀B（11）和二氧化碳排放段电动开关阀（17）；气体工质从S-CO2储气罐（8）流出，经过S-CO2供气段三通阀（10），进入储热罐（6），吸收储存在蓄热介质内的热量，定压升温；升温后的超临界二氧化碳经过三通阀（13），在S-CO2供气段止回阀C（22）和燃气进气段止回阀（3）的共同作用下，通过进气段三通阀（15），进入涡轮（4）做功，然后流过排气段三通阀（16）和二氧化碳排放段电动开关阀（17），进入二氧化碳排气储存罐（18）；
当储热罐内热量快要耗尽前，打开启动装置（26）和化学反应供气段电动开关阀（30），将化学反应器（21）加热至550℃以上；当储热罐内热量耗尽时，关闭S-CO2供气段电动开关阀B（11）、补气段电动开关阀（27）和燃气排放段电动开关阀（5），打开S-CO2供气段电动开关阀C（19）、化学反应供料段电动开关阀（24）和二氧化碳排放段电动开关阀（17）；金属氧化物从固体燃料储料罐（23）底部流出，经过化学反应供料段止回阀（25），进入化学反应器（21）和二氧化碳发生反应放热，反应后的产物伴随多余的二氧化碳气流进入旋风分离器（32）进行气固分离；固体粉末从旋风分离器（32）底部离开，流进固体粉末回收罐（35）；多余的二氧化碳气体，流过增压泵（33）和过滤器（34），从二氧化碳缓存罐（29）回气口流回，再次循环；气体工质从S-CO2储气罐（8）流出，经过S-CO2供气段三通阀（10），进入换热器（20）吸收从化学反应器（21）传入的热量；然后在S-CO2供气段止回阀B（12）和燃气进气段止回阀（3）的共同作用下，依次流过三通阀（13）、S-CO2进气段止回阀（14）和进气段三通阀（15），进入涡轮（4）做功，然后流过排气段三通阀（16）和二氧化碳排放段电动开关阀（17），进入二氧化碳排气储存罐（18）；
随着二氧化碳和固体燃料不断反应，化学反应气体工质供应单元内二氧化碳的质量流量不断减少；若无法满足1：1的摩尔比时，需不定时地打开补气段电动开关阀（27），从所述S-CO2储气罐（8）内抽出一小部分气体，经过补气段减压阀（28），减压送入所述二氧化碳缓存罐（29），完成补气操作。
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