CN112360571B - 一种低散热闭式布雷顿循环热电转换系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低散热闭式布雷顿循环热电转换系统，该系统由加热器、涡轮、压气机、主发电机、回热器、对称膨胀涡轮、减速器、辅助发动机、连接管路和工质组成。工质通过在由加热器及其连接管路、涡轮及其连接管路、回热器热侧及其连接管路、对称膨胀涡轮及其连接管路、冷却器及其连接管路、压气机及其连接管路、回热器冷却侧及其连接管路和加热器及其连接管路组成的闭式系统中有序循环流动，实现热能向机械能的转换，并通过主发电机和辅助发电机实现机械能向电能的转换。该系统具有能量利用率高、系统向周围环境散热少等优势，可以更好应用于空间环境下的热电转换。

Description

一种低散热闭式布雷顿循环热电转换系统
技术领域
本发明属于闭式布雷顿循环发电技术领域，具体涉及一种低散热闭式布雷顿循环热电转换系统。
背景技术
闭式布雷顿循环发电系统作为一种新型动力形式，能够借助某种气体工质在闭式条件下通过吸收热量、膨胀做功、放热和压缩等热力循环过程实现热能向机械能的转换，并利用电机进一步将机械能转变为电能。典型的闭式布雷顿循环热电转换系统主要包括加热器、涡轮、压气机、电机、回热器、冷却器等部件，其工作原理为：工质流过加热器被加热后，进入涡轮进行膨胀做功，接着进入回热器与压气机出口的工质进行热量交换以降低工质温度，然后工质进入冷却器进一步降低温度，被冷却器冷却后的低温工质经压气机提高压力后进入回热器，与涡轮出口工质进行换热以提高工质温度，最后进入加热器进一步加热，加热后的工质再次进入涡轮进行膨胀，如此形成一次完整的热力循环。
为保证闭式布雷顿循环热电转换系统的稳定运行，加热器应具有足够高的加热温度，同时冷却器也应当具有足够低的冷却温度；并且进一步提高工质流经加热器的出口温度或是进一步降低工质流经冷却器的出口温度，均有望提升闭式布雷顿循环热电转换系统的工作效率。
对于空间条件下应用的闭式布雷顿循环热电转换系统，由于受空间环境的限制，冷却器难以通过对流或传导方式高效地将热量从闭式布雷顿循环热电转换系统中向周围环境转移，尽管通过辐射方式可以实现热量从闭式布雷顿循环热电转换系统中向周围环境转移，但是需要构建体积较大的辐射器。因此，在散热条件有限的前提下，提高闭式布雷顿循环热电转换系统效率，降低冷却器的热交换量，是空间闭式布雷顿循环热电转换系统的重要发展方向。
发明内容
本发明针对空间环境下的热电高效转换需求，提出一种低散热闭式布雷顿循环热电转换系统。该系统主要包括加热器、涡轮、压气机、主发电机、回热器、对称膨胀涡轮、减速器、辅助发动机、连接管路和工质。在空间用低散热闭式布雷顿循环热电转换系统中，工质采用单一物质或是混合物质，工质在工作温度范围内保持气体状态，工质依次在由加热器及其连接管路、涡轮及其连接管路、回热器热侧及其连接管路、对称膨胀涡轮及其连接管路、冷却器及其连接管路、压气机及其连接管路、回热器冷却侧及其连接管路和加热器及其连接管路组成的闭式系统中有序循环流动，完成热能向机械能的转换，并通过主发电机和辅助发电机，进一步完成机械能向电能的转换。该系统具有能量利用率高、系统向周围环境散热少等优势，可以更好满足空间环境应用需求。
本发明的技术方案：
一种低散热闭式布雷顿循环热电转换系统，包括加热器、涡轮、压气机、主发电机、回热器、对称膨胀涡轮、减速器、辅助发电机、冷却器、连接管路和工质。
所述加热器用于加热工质，所述加热器的进口通过连接管路同回热器的冷侧出口相连接，所述加热器的出口通过连接管路同涡轮的进口相连接；
所述涡轮用于将热能转化为机械功，所述涡轮的进口通过连接管路同加热器的出口相连接，所述涡轮的出口通过连接管路同回热器的热侧进口相连接，所述涡轮的转轴同主发电机的转轴和压气机转轴相联接，实现机械功的传递；
所述压气机用于利用涡轮提供的部分机械功，实现闭式循环系统中工质压力的提升，所述压气机的进口通过连接管路同冷却器的出口相连接，所述压气机的出口通过连接管路同回热器的冷侧进口相连接；
所述主发电机用于将涡轮提供的部分机械功转变为电能，所述主发电机的转轴同涡轮的转轴相联接；
所述回热器用于将涡轮出口工质的部分热量传递给压气机出口工质，所述回热器的热侧进口通过连接管路同涡轮的出口相连接，所述回热器的热侧出口通过连接管路同对称膨胀涡轮的进口相连接，所述回热器的冷侧进口通过连接管路同压气机的出口相连接，所述回热器的冷侧出口通过连接管路同加热器的进口相连接；
所述对称膨胀涡轮用于将回热器的热侧出口工质热量转变为机械功同时降低工质温度，所述对称膨胀涡轮采用对称布置径流式涡轮结构以实现轴向力的自平衡，所述对称膨胀涡轮采用一体式对称结构或者是采用两个相同的径向涡轮对置装配而成，所述对称膨胀涡轮采用同一转轴，所述对称膨胀涡轮的转轴同减速器的输入端相联接，所述对称膨胀涡轮的进口通过连接管路同回热器的热侧出口相连接，所述对称膨胀涡轮的出口通过连接管路同冷却器的进口相连接；
所述减速器用于实现对称膨胀涡轮输出功率与辅助发电机之间的有效传递，所述减速器的输入端同对称膨胀涡轮的转轴相联接，所述减速器的输出端同辅助发电机的转轴相联接；
所述辅助发电机用于将对称膨胀涡轮提供的机械功转变为电能，所述辅助发电机的转轴同减速器的输出端相联接；
所述冷却器用于冷却工质，所述冷却器的进口通过连接管路同对称膨胀涡轮的出口相连接，所述冷却器的出口通过连接管路同压气机的进口相连接。
所述连接管路用于连通加热器、涡轮、压气机、回热器、对称膨胀涡轮和冷却器，保证工质在闭式循环系统中的合理流动；
所述工质采用单一物质或是混合物质，所述工质在工作温度范围内保持气体状态，所述工质在由加热器及其连接管路、涡轮及其连接管路、回热器热侧及其连接管路、对称膨胀涡轮及其连接管路、冷却器及其连接管路、压气机及其连接管路、回热器冷却侧及其连接管路和加热器及其连接管路组成的闭式系统中有序循环流动。
本发明的有益效果是：
一种低散热闭式布雷顿循环热电转换系统，通过在闭式布雷顿循环热电转换系统中引入对称膨胀涡轮，实现了回热器热侧出口工质余热的进一步利用，不仅可以将余热中的部分能量转变为机械能，提高系统效率，而且可以降低冷却器进口的工质温度，减少冷却器的散热需求，实现系统向周围环境的低散热目标，进而减小空间用闭式布雷顿循环热电转换系统热辐射装置的体积和重量，更好满足空间环境应用需求。对称膨胀涡轮采用对称结构型式，可以实现轴向力的自平衡，避免使用轴向轴承，提高了机械传动效率，便于对称膨胀涡轮转轴同减速器输入端的联接。采用减速器可以实现膨胀涡轮输出的具有高转速、低扭矩特征的功率向辅助发电机的有效传递，满足辅助发电机对输入转速和扭矩特性的需求。该系统采用闭式循环方式，具有能量利用率高、低散热等特征，可以更好地满足空间热电转换的应用需求。
附图说明
图1是空间用低散热闭式布雷顿循环热电转换系统组成示意图。
1加热器 2涡轮 3压气机 4发电机 5回热器 6对称膨胀涡轮 7减速器 8辅助发电机 9冷却器
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种低散热闭式布雷顿循环热电转换系统，其目的在于针对空间环境下的热电高效转换需求，提出一种可在空间条件下工作的低散热闭式布雷顿循环热电转换系统，该系统可以提高闭式布雷顿循环热电转换效率，同时降低冷却器的散热需求。
如图1所示，一种低散热闭式布雷顿循环热电转换系统，包括加热器1、涡轮2、压气机3、主发电机4、回热器5、对称膨胀涡轮6、减速器7、辅助发电机8、冷却器9、连接管路和工质。
所述加热器1用于加热工质，所述加热器1的进口通过连接管路同回热器5的冷侧出口相连接，所述加热器1的出口通过连接管路同涡轮2的进口相连接；
所述涡轮2用于将热能转化为机械功，所述涡轮2的进口通过连接管路同加热器1的出口相连接，所述涡轮2的出口通过连接管路同回热器5的热侧进口相连接，所述涡轮2的转轴同主发电机4的转轴和压气机3的转轴相联接，实现机械功的传递；
所述压气机3用于利用涡轮2提供的部分机械功，实现闭式循环系统中工质压力的提升，所述压气机3的进口通过连接管路同冷却器9的出口相连接，所述压气机3的出口通过连接管路同回热器5的冷侧进口相连接；
所述主发电机4用于将涡轮2提供的部分机械功转变为电能，所述主发电机4的转轴同涡轮2的转轴相联接；
所述回热器5用于将涡轮2出口工质的部分热量传递给压气机3的出口工质，所述回热器5的热侧进口通过连接管路同涡轮2的出口相连接，所述回热器5的热侧出口通过连接管路同对称膨胀涡轮6的进口相连接，所述回热器5的冷侧进口通过连接管路同压气机3的出口相连接，所述回热器5的冷侧出口通过连接管路同加热器1的进口相连接；
所述对称膨胀涡轮6用于将回热器5的热侧出口工质热量转变为机械功同时降低工质温度，所述对称膨胀涡轮6采用对称布置径流式涡轮结构以实现轴向力的自平衡，所述对称膨胀涡轮6采用一体式对称结构或者是采用两个相同的径向涡轮对置装配而成，所述对称膨胀涡轮6采用同一转轴，所述对称膨胀涡轮6的转轴同减速器7的输入端相联接，所述对称膨胀涡轮6的进口通过连接管路同回热器5的热侧出口相连接，所述对称膨胀涡轮6的出口通过连接管路同冷却器9的进口相连接；
所述减速器7用于实现对称膨胀涡轮6输出功率与辅助发电机8之间的有效传递，所述减速器7的输入端同对称膨胀涡轮6的转轴相联接，所述减速器7的输出端同辅助发电机8的转轴相联接；
所述辅助发电机8用于将对称膨胀涡轮6提供的机械功转变为电能，所述辅助发电机8的转轴同减速器7的输出端相联接；
所述冷却器9用于冷却工质，所述冷却器9的进口通过连接管路同对称膨胀涡轮6的出口相连接，所述冷却器9的出口通过连接管路同压气机3的进口相连接。
所述连接管路用于连通加热器1、涡轮2、压气机3、回热器5、对称膨胀涡轮6和冷却器9，保证工质在闭式布雷顿循环热电转换系统中的合理流动。
所述工质采用单一物质或是混合物质，所述工质在工作温度范围内保持气体状态，所述工质在由加热器1及其连接管路、涡轮2及其连接管路、回热器5的热侧及其连接管路、对称膨胀涡轮6及其连接管路、冷却器9及其连接管路、压气机3及其连接管路、回热器5的冷却侧及其连接管路和加热器1及其连接管路组成的闭式系统中有序循环流动。
在所提出的一种低散热闭式布雷顿循环热电转换系统中，气态工质依次通过在由加热器及其连接管路、涡轮及其连接管路、回热器热侧及其连接管路、对称膨胀涡轮及其连接管路、冷却器及其连接管路、压气机及其连接管路、回热器冷却侧及其连接管路和加热器及其连接管路组成的闭式循环系统中有序流动，完成热能向机械能的转换，并通过主发电机和辅助发电机，完成机械能向电能的转换，进而实现热能向电能的转换。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种低散热闭式布雷顿循环热电转换系统，其特征在于：包括加热器(1)、涡轮(2)、压气机(3)、主发电机(4)、回热器(5)、对称膨胀涡轮(6)、减速器(7)、辅助发电机(8)、冷却器(9)、连接管路和工质；
所述加热器(1)用于加热工质，所述加热器(1)的进口通过连接管路同回热器(5)的冷侧出口相连接，所述加热器(1)的出口通过连接管路同涡轮2的进口相连接；所述涡轮(2)用于将热能转化为机械功，所述涡轮(2)的进口通过连接管路同加热器(1)的出口相连接，所述涡轮(2)的出口通过连接管路同回热器(5)的热侧进口相连接，所述涡轮(2)的转轴同主发电机(4)的转轴和压气机(3)的转轴相联接，实现机械功的传递；
所述压气机(3)用于利用涡轮(2)提供的部分机械功，实现闭式循环系统中工质压力的提升，所述压气机(3)的进口通过连接管路同冷却器(9)的出口相连接，所述压气机(3)的出口通过连接管路同回热器(5)的冷侧进口相连接；
所述主发电机(4)用于将涡轮(2)提供的部分机械功转变为电能，所述主发电机(4)的转轴同涡轮(2)的转轴相联接；
所述回热器(5)用于将涡轮(2)出口工质的部分热量传递给压气机(3)的出口工质，所述回热器(5)的热侧进口通过连接管路同涡轮(2)的出口相连接，所述回热器(5)的热侧出口通过连接管路同对称膨胀涡轮(6)的进口相连接，所述回热器(5)的冷侧进口通过连接管路同压气机(3)的出口相连接，所述回热器(5)的冷侧出口通过连接管路同加热器(1)的进口相连接；
所述对称膨胀涡轮(6)用于将回热器(5)的热侧出口工质热量转变为机械功同时降低工质温度，所述对称膨胀涡轮(6)采用对称布置径流式涡轮结构以实现轴向力的自平衡，所述对称膨胀涡轮(6)采用一体式对称结构或者是采用两个相同的径向涡轮对置装配而成，所述对称膨胀涡轮(6)采用同一转轴，所述对称膨胀涡轮(6)的转轴同减速器(7)的输入端相联接，所述对称膨胀涡轮(6)的进口通过连接管路同回热器(5)的热侧出口相连接，所述对称膨胀涡轮(6)的出口通过连接管路同冷却器(9)的进口相连接；
所述减速器(7)用于实现对称膨胀涡轮(6)输出功率与辅助发电机(8)之间的有效传递，所述减速器(7)的输入端同对称膨胀涡轮(6)的转轴相联接，所述减速器(7)的输出端同辅助发电机(8)的转轴相联接；
所述辅助发电机(8)用于将对称膨胀涡轮(6)提供的机械功转变为电能，所述辅助发电机(8)的转轴同减速器(7)的输出端相联接；
所述冷却器(9)用于冷却工质，所述冷却器(9)的进口通过连接管路同对称膨胀涡轮(6)的出口相连接，所述冷却器(9)的出口通过连接管路同压气机(3)的进口相连接；
所述连接管路用于连通加热器(1)、涡轮(2)、压气机(3)、回热器(5)、对称膨胀涡轮(6)和冷却器(9)，保证工质在闭式布雷顿循环热电转换系统中的合理流动；
所述工质采用单一物质或是混合物质，所述工质在工作温度范围内保持气体状态，所述工质在由加热器(1)及其连接管路、涡轮(2)及其连接管路、回热器(5)的热侧及其连接管路、对称膨胀涡轮(6)及其连接管路、冷却器(9)及其连接管路、压气机(3)及其连接管路、回热器(5)的冷却侧及其连接管路和加热器(1)及其连接管路组成的闭式系统中有序循环流动。
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