一種可利用汽化潛熱閉環(huán)磁流體發(fā)電方法及其循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種可利用汽化潛熱閉環(huán)磁流體發(fā)電方法及其循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，尤其指 一種基于超音速噴管中膨脹產(chǎn)生凝結(jié)，釋放汽化潛熱獲得高速流體以推動(dòng)磁流體發(fā)電裝置 運(yùn)作的方法及其循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 本發(fā)明涉及的【背景技術(shù)】主要有兩個(gè)方面，一個(gè)是伴隨凝結(jié)的可壓縮流動(dòng)，另一個(gè) 是磁流體發(fā)電技術(shù)。
[0003] 關(guān)于伴隨凝結(jié)的可壓縮流動(dòng)的研宄，最早起源于兩個(gè)工業(yè)背景，一個(gè)是汽輪機(jī)中 水蒸氣凝結(jié)，另一個(gè)是風(fēng)洞氣流中的水分凝結(jié)。在這一過程中，氣流的流動(dòng)可近似看作等熵 絕熱過程，當(dāng)某處流體的溫度降低至該處壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度時(shí)，凝結(jié)開始發(fā)生并釋放汽 化潛熱。從能量守恒的角度看，該過程是流體壓力能和潛熱向動(dòng)能的轉(zhuǎn)化過程并伴隨著凝 結(jié)現(xiàn)象。目前傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)中正是利用高溫高壓的水蒸氣在汽輪機(jī)中膨脹推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)用 以發(fā)電，汽輪機(jī)入口初壓越高，背壓越低，汽輪機(jī)所能利用的蒸汽能量越多，循環(huán)熱效率也 越高。然而由于在膨脹過程中有凝結(jié)產(chǎn)生，并且背壓越低，凝結(jié)量越大，凝結(jié)產(chǎn)生的水滴以 高速?zèng)_擊汽輪機(jī)葉片造成葉片損壞，即汽蝕，因此通常汽輪機(jī)排氣壓力和溫度不能太低，否 則蒸汽濕度過大影響汽輪機(jī)葉片壽命及工作可靠性，一般不低于36°c。
[0004] 另一個(gè)背景是磁流體發(fā)電技術(shù)。磁流體發(fā)電基于電磁感應(yīng)定律，當(dāng)磁流體橫切穿 過磁場(chǎng)時(shí)，磁力線將切割其產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，如果在磁流體流經(jīng)的通道上安裝電極與外部負(fù)載 連接，則可用以發(fā)電。與傳統(tǒng)的火力發(fā)電相比，磁流體發(fā)電具有效率高、環(huán)境污染小、節(jié)約用 水、機(jī)組啟動(dòng)快等特點(diǎn)。由于傳統(tǒng)的磁流體發(fā)電技術(shù)是從平衡態(tài)的角度考慮的，進(jìn)行磁流體 發(fā)電的導(dǎo)電流體是在很高的溫度水平下獲得的，導(dǎo)致這項(xiàng)技術(shù)的研宄遇到了瓶頸，東南大 學(xué)王心亮從非平衡的角度來(lái)尋找合適的可以進(jìn)行磁流體發(fā)電的導(dǎo)電流體。本發(fā)明正是基于 非平衡態(tài)磁流體發(fā)電原理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種裝置簡(jiǎn)單，沒有再熱回?zé)嵯到y(tǒng)，機(jī)組啟停快， 循環(huán)效率高的先進(jìn)的可利用汽化潛熱閉環(huán)磁流體發(fā)電方法及其循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0007] 一種可利用汽化潛熱閉環(huán)磁流體發(fā)電方法，包括步驟：
[0008] 第一步，加溫加壓：液態(tài)工質(zhì)經(jīng)過加壓加熱，達(dá)到超臨界狀態(tài)；
[0009] 第二步，形成高速流體：第一步得到的超臨界狀態(tài)的工質(zhì)在超音速膨脹通道中絕 熱膨脹，形成高速流體；在膨脹過程中，溫度壓力沿流動(dòng)方向降低，當(dāng)某處流體的溫度降 低至該處壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度時(shí)，流體中的氣體分子形成團(tuán)簇，產(chǎn)生凝結(jié)，釋放汽化潛熱， 轉(zhuǎn)化為流體的動(dòng)能，在到達(dá)超音速膨脹通道出口時(shí)，出口流速達(dá)到設(shè)定馬赫數(shù)的超音速狀 態(tài)；
[0010] 第三步，得到非平衡態(tài)等離子體：第二步形成的高速流體進(jìn)入頻率為1〇?15MHz 的放電電場(chǎng)的流動(dòng)通道，在高頻放電電場(chǎng)的作用下，將高速流體電離，得到非平衡態(tài)等離子 體；
[0011] 第四步，磁流體發(fā)電：第三步得到的非平衡態(tài)等離子體在垂直于流體流動(dòng)方向、設(shè) 定磁場(chǎng)強(qiáng)度的磁場(chǎng)內(nèi)流動(dòng)，產(chǎn)生用于發(fā)電的電動(dòng)勢(shì)。
[0012] 所述設(shè)定馬赫數(shù)、設(shè)定磁場(chǎng)強(qiáng)度以及設(shè)定溫度根據(jù)不同的工質(zhì)采取不同的數(shù)值范 圍。
[0013] 所述工質(zhì)為水或者二氧化碳。
[0014] 所述第三步中在高速流體中摻入電離種子Ar，以提高電離率。
[0015] -種可利用汽化潛熱閉環(huán)磁流體發(fā)電方法中使用的循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，包括截面積先 收縮后擴(kuò)張的、用于實(shí)現(xiàn)絕熱膨脹的超音速膨脹通道；施加了 10?15MHz放電電場(chǎng)的等離 子體放電通道；施加了垂直于流體流動(dòng)方向的設(shè)定強(qiáng)度的磁場(chǎng)的磁流體發(fā)電通道；冷凝裝 置；加壓裝置以及加熱裝置；
[0016] 所述超音速噴膨脹通道出口往后依次連接電感耦合等離子體放電通道、磁流體發(fā) 電通道、冷凝裝置、加壓裝置以及加熱裝置，加熱裝置再與超音速膨脹通道入口相連，構(gòu)成 一個(gè)閉合回路。
[0017] 所述冷凝裝置為冷凝器。
[0018] 所述加壓裝置為高壓泵。
[0019] 所述加熱裝置為燃煤燃油鍋爐、高溫?zé)煔饣蛘吒郀t排氣。
[0020] 所述冷凝器在以水作為循環(huán)工質(zhì)時(shí)，為水冷或者風(fēng)冷；在以二氧化碳作為工質(zhì)時(shí)， 則需要提供額外的制冷系統(tǒng)進(jìn)行工質(zhì)的冷凝回收。
[0021] 有益效果
[0022] 本發(fā)明利用非平衡態(tài)磁流體發(fā)電方法，克服了傳統(tǒng)發(fā)電方式中汽輪機(jī)葉片由于蒸 汽濕度過大造成的汽蝕問題。在磁流體發(fā)電技術(shù)中，不存在轉(zhuǎn)子，蒸汽濕度不會(huì)對(duì)設(shè)備運(yùn)行 產(chǎn)生影響，從而可以進(jìn)一步膨脹，降低冷源溫度，減少冷源損失，提高循環(huán)的熱效率。本發(fā)明 所提出的循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，裝置簡(jiǎn)單，沒有再熱回?zé)嵯到y(tǒng)，機(jī)組啟停快。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例的發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成示意圖，圖中1、2、3、4、5點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)于圖2 中的狀態(tài)點(diǎn)；
[0024] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例的熱力循環(huán)過程溫熵圖。 具體實(shí)施方案
[0025] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做進(jìn)一步詳述。以下實(shí)施 例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。
[0026] 如圖1，本發(fā)明的一種可利用汽化潛熱閉環(huán)磁流體循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，包括六個(gè)組成 部分：超音速膨脹段，非平衡態(tài)等離子體發(fā)生段，射流MHD作用段，冷凝器，高壓泵以及加熱 器。
[0027] 超音速膨脹段，即超音速膨脹凝結(jié)通道，超音速膨脹通道為一截面積先收縮后擴(kuò) 張的流動(dòng)通道，最常見的是拉伐爾噴管，其目的是為了獲得高速的流體。工質(zhì)在超音速膨脹 通道中流動(dòng)過程中，產(chǎn)生凝結(jié)，釋放汽化潛熱，潛熱的釋放進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為流體的動(dòng)能，出口 流體為濕蒸汽狀態(tài)的超音速流體。
[0028] 非平衡態(tài)等離子體發(fā)生段，即施加了高頻強(qiáng)放電電場(chǎng)的電感耦合等離子體放電通 道（ICP放電通道），利用高頻電場(chǎng)使得流過通道的工質(zhì)電離，形成具有導(dǎo)電性的非平衡態(tài) 低溫等離子體。等離子體中電子溫度很高，而大部分中性粒子的溫度依舊很低，整體對(duì)外呈 現(xiàn)出低溫的特性。
[0029] 射流MHD作用段，即磁流體發(fā)電通道，所述磁流體發(fā)電通道為施加了垂直于流動(dòng) 方向的磁場(chǎng)的流動(dòng)通道，其目的是利用法拉第電磁感應(yīng)定律進(jìn)行發(fā)電。根據(jù)法拉第電磁感 應(yīng)定律，流體在流動(dòng)時(shí)做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，因而在上下極板間產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。在進(jìn)入磁流 體發(fā)電通道之前的工質(zhì)流速很高，為超音速流，具有很高的動(dòng)能，而離開磁流體發(fā)電通道后 流速降至亞音速，這一過程即是動(dòng)能向電能的轉(zhuǎn)化。
[0030] 冷凝器，高壓泵，加熱器分別用于工質(zhì)的冷凝回收，加壓以及加熱，從而形成循環(huán)。
[0031] 超音速噴膨脹通道出口往后依次連接電感耦合等離子體放電通道、磁流體發(fā)電通 道、冷凝器、高壓泵以及加熱器，加熱器再與超音速膨脹通道入口相連，構(gòu)成一個(gè)閉合回路。
[0032] 本發(fā)明以水或者二氧化碳為循環(huán)工質(zhì)，循環(huán)工質(zhì)的選擇取決于高低溫?zé)嵩吹倪x 擇。以下結(jié)合說(shuō)明書附圖1，分別給出在使用水以及二氧化碳作為工質(zhì)時(shí)在附圖1、2中各個(gè) 點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)，如表1、表2所示：
[0033] 表 1
[0034]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種可利用汽化潛熱閉環(huán)磁流體發(fā)電方法，其特征在于，包括步驟： 第一步，加溫加壓：液態(tài)工質(zhì)經(jīng)過加壓加熱，達(dá)到超臨界狀態(tài)； 第二步，形成高速流體：第一步得到的超臨界狀態(tài)的工質(zhì)在超音速膨脹通道中絕熱膨 脹，形成高速流體；在膨脹過程中，溫度壓力沿流動(dòng)方向降低，當(dāng)某處流體的溫度降低至該 處壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度時(shí)，流體中的氣體分子形成團(tuán)簇，產(chǎn)生凝結(jié)，釋放汽化潛熱，轉(zhuǎn)化為 流體的動(dòng)能，在到達(dá)超音速膨脹通道出口時(shí)，出口流速達(dá)到設(shè)定馬赫數(shù)的超音速狀態(tài)； 第三步，得到非平衡態(tài)等離子體：第二步形成的高速流體進(jìn)入頻率為10?15MHZ的放 電電場(chǎng)的流動(dòng)通道，在高頻放電電場(chǎng)的作用下，將高速流體電離，得到非平衡態(tài)等離子體； 第四步，磁流體發(fā)電：第三步得到的非平衡態(tài)等離子體在垂直于流體流動(dòng)方向、設(shè)定磁 場(chǎng)強(qiáng)度的磁場(chǎng)內(nèi)流動(dòng)，產(chǎn)生用于發(fā)電的電動(dòng)勢(shì)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可利用汽化潛熱閉環(huán)磁流體發(fā)電方法，其特征在于，所述設(shè) 定馬赫數(shù)、設(shè)定磁場(chǎng)強(qiáng)度以及設(shè)定溫度根據(jù)不同的工質(zhì)采取不同的數(shù)值范圍。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可利用汽化潛熱閉環(huán)磁流體發(fā)電方法，其特征在于，所述工 質(zhì)為水或者二氧化碳。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可利用汽化潛熱閉環(huán)磁流體發(fā)電方法，其特征在于，所述第 三步中在高速流體中摻入電離種子Ar。
5. -種如權(quán)利要求1中所述的可利用汽化潛熱閉環(huán)磁流體發(fā)電方法中使用的循環(huán)發(fā) 電系統(tǒng)，其特征在于，包括截面積先收縮后擴(kuò)張的、用于實(shí)現(xiàn)絕熱膨脹的超音速膨脹通道； 施加了 10?15MHz放電電場(chǎng)的等離子體放電通道；施加了垂直于流體流動(dòng)方向的設(shè)定強(qiáng)度 的磁場(chǎng)的磁流體發(fā)電通道；冷凝裝置；加壓裝置以及加熱裝置； 所述超音速噴膨脹通道出口往后依次連接電感耦合等離子體放電通道、磁流體發(fā)電通 道、冷凝裝置、加壓裝置以及加熱裝置，加熱裝置再與超音速膨脹通道入口相連，構(gòu)成一個(gè) 閉合回路。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述超音速膨脹通道為拉伐爾 噴管。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述冷凝裝置為冷凝器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述加壓裝置為高壓泵。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述加熱裝置為燃煤燃油鍋爐、 高溫?zé)煔饣蛘吒郀t排氣。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述冷凝器在以水作為循環(huán)工 質(zhì)時(shí)，為水冷或者風(fēng)冷；在以二氧化碳作為工質(zhì)時(shí)，則需要提供額外的制冷系統(tǒng)進(jìn)行工質(zhì)的 冷凝回收。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種可利用汽化潛熱閉環(huán)磁流體發(fā)電方法及其循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。高溫高壓的超臨界工質(zhì)經(jīng)超音速膨脹通道進(jìn)行絕熱膨脹，在這一過程中伴隨著氣體團(tuán)簇方式的凝結(jié)，凝結(jié)潛熱釋放，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為流體的動(dòng)能，最終獲得高速的流體，進(jìn)入等離子體發(fā)生段形成導(dǎo)電流體，從而切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)用于發(fā)電，發(fā)電后的流體經(jīng)冷凝器冷凝回收，由高壓泵加壓再經(jīng)過加熱器加熱后重新達(dá)到高溫高壓的超臨界狀態(tài)，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。發(fā)明與傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)相比，將汽輪機(jī)用超音速膨脹通道和磁流體發(fā)電通道取代，克服了傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)中由于汽輪機(jī)中蒸汽凝結(jié)造成的葉片汽蝕而不得不采用較高的排汽溫度的問題，從而可以進(jìn)一步降低冷源溫度，提高循環(huán)熱效率。
【IPC分類】H02K44-08
【公開號(hào)】CN104578682
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510047945
【發(fā)明人】顧璠, 吳立, 李森
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2015年1月29日