阅读说明：本技术 一种基于涡流管的跨临界二氧化碳发电系统 (Transcritical carbon dioxide power generation system based on vortex tube ) 是由 王江峰 廖广临 左启尧 赵攀 吴伟烽 何志龙 戴义平 于 2020-06-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于涡流管的跨临界二氧化碳发电系统,CO<Sub>2</Sub>透平的出口分两路,一路与发电机连接,另一路经冷却器连接涡流管顶部的入口,涡流管的出口分三路,用于将中压CO<Sub>2</Sub>流体分为三股低压流体,一路依次经CO<Sub>2</Sub>工质泵和加热器后与CO<Sub>2</Sub>透平的入口连接；剩余两路经CO<Sub>2</Sub>压缩机与冷却器的入口连接。本发明解决了高温环境下CO<Sub>2</Sub>难以冷凝的难题,降低了系统不可逆损失,提高了系统发电效率。(The invention discloses a supercritical carbon dioxide power generation system based on a vortex tube, and CO 2 The outlet of the turbine is divided into two paths, one path is connected with the generator, the other path is connected with the inlet at the top of the vortex tube through the cooler, and the outlet of the vortex tube is divided into three paths for dividing medium-pressure CO 2 The fluid is divided into three low-pressure fluids, one path of which passes through CO in sequence 2 Working medium pump and heater and CO 2 The inlet of the turbine is connected; the remaining two paths are passed through CO 2 The compressor is connected to the inlet of the cooler. The invention solves the problem of CO in high-temperature environment 2 The difficulty of difficult condensation reduces the irreversible loss of the system and improves the generating efficiency of the system.)

一种基于涡流管的跨临界二氧化碳发电系统

技术领域

本发明属于低温发电技术领域，具体涉及一种基于涡流管的跨临界二氧化碳发电系统。

背景技术

近年来，为了缓解能源问题，降低环境污染，低温可再生能源与工业余热发电技术收到广泛关注。

跨临界CO₂发电技术是一种高效利用低温可再生能源与工业余热发电的技术，具有结构紧凑，热源温度范围广等特点。然而，CO₂临界温度较低(只有31℃)，在高温环境下难以被冷凝。因此，跨临界CO₂发电系统高温环境下工质难以被冷凝的问题急需被解决。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于涡流管的跨临界二氧化碳发电系统，在高温环境下将CO₂流体冷凝。

本发明采用以下技术方案：

一种基于涡流管的跨临界二氧化碳发电系统，包括CO₂透平，CO₂透平的出口分两路，一路与发电机连接，另一路经冷却器连接涡流管顶部的入口，涡流管的出口分三路，用于将中压CO₂流体分为三股低压流体，一路依次经CO₂工质泵和加热器后与CO₂透平的入口连接；剩余两路经CO₂压缩机与冷却器的入口连接。

具体的，涡流管底部的出口与CO₂工质泵的入口连接，用于排出涡流管内的饱和液态CO₂流体；CO₂工质泵的出口与加热器的工质侧入口连接；加热器的工质侧出口与CO₂透平的入口连接。

具体的，涡流管左侧及右侧的出口分别与CO₂压缩机的入口连接，涡流管内的饱和气态CO₂流体从涡流管右侧的冷端管流出，过热气态CO₂流体从涡流管左侧的冷端管流出。

具体的，冷却器分别经进水管和出水管连接外部冷却水，进水管和出水管中冷却水的流动方向与冷却器中CO₂的流动方向相反。

具体的，加热器连接有外部热源流体或导热油，热源流体或导热油的流动方向与加热器中CO₂的流动方向相反。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种基于涡流管的跨临界二氧化碳发电系统，结构设计科学，通过在传统跨临界二氧化碳发电系统中配置涡流管，利用涡流管将CO₂流体冷凝至饱和液态，解决了高温环境下CO₂难以冷凝的难题，同时涡流管结构简单，损失较小，提高了系统发电效率，降低了系统成本。

进一步的，涡流管底部的出口与CO₂工质泵相连，使得被冷凝至饱和液态的CO₂工质经CO₂工质泵加压至超临界后，重新进入加热器中吸热，完成整个发电循环。

进一步的，涡流管左侧及右侧出口的饱和气态CO₂流体和过热气态CO₂流体汇合后进入CO₂压缩机被压缩后重新进入循环。

进一步的，进水管和出水管中冷却水的流动方向与冷却器中CO2的流动方向相反设置，可以降低冷却器中的CO₂与冷却水换热的不可逆损失，提高系统发电效率。

进一步的，热源流体或导热油的流动方向与加热器中CO₂的流动方向相反设置，可以降低换热器中CO₂与热源流体或导热油换热的不可逆损失，提高系统发电效率。

综上所述，本发明解决了高温环境下CO₂难以冷凝的难题，降低了系统不可逆损失，提高了系统发电效率。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明结构原理图。

其中：1.CO₂透平；2.CO₂压缩机；3.冷却器；4.涡流管；5.CO₂工质泵；6.加热器；7.发电机。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种基于涡流管的跨临界二氧化碳发电系统，利用涡流管的能量分离作用将CO₂在常温下冷凝成液态，解决了跨临界CO₂发电系统在高温环境下工质难以被冷凝的问题。

请参阅图1，本发明一种基于涡流管的跨临界二氧化碳发电系统，包括CO₂透平1、CO₂压缩机2、冷却器3、涡流管4、CO₂工质泵5、加热器6和发电机7。

CO₂透平1的出口分两路，一路连接发电机7，另一路经冷却器3与涡流管4连接，涡流管4的出口分两路，一路依次经CO₂工质泵5和加热器6后与CO₂透平1的入口连接；另一路经CO₂压缩机2与冷却器3的入口连接。

CO₂透平1的出口与冷却器3的入口相连接；冷却器3的出口与涡流管4顶部的入口相连接。

涡流管4底部的出口与CO₂工质泵5的入口相连接；CO₂工质泵5的出口与加热器6的工质侧入口相连接；加热器6的工质侧出口与CO₂透平1的入口相连接。

涡流管4左侧及右侧的出口分别与CO₂压缩机2的入口相连接；CO₂压缩机2的出口与冷却器3的入口相连接；CO₂透平1与发电机7连接。

冷却器3还与外部冷却水通过进水管与出水管相连接，进水管和出水管中水的流动方向与冷却器3中CO₂的流动方向相反。

加热器6还与外部热源流体或导热油相连接，热源流体或导热油的流动方向与加热器6中CO₂的流动方向相反。

对于本发明，CO₂透平1、冷却器3、涡流管4、CO₂工质泵5、加热器6依次串联，涡流管4左侧和底部出口与CO₂压缩机2入口连接，CO₂压缩机2出口再与冷却器3入口连接。需要说明的是，涡流管4利用流体的涡流作用实现能量分离，将一股中压CO₂流体分为三股低压流体，分别是饱和气态CO₂、饱和液态CO₂与过热气态CO₂流体；饱和气态CO₂流体从涡流管4右侧的冷端管流出，过热气态CO₂流体从涡流管4左侧的热端管流出，而饱和液态CO₂流体因离心力作用被甩至壁面，经壁面处的排液结构从涡流管底部出口流出。

本发明一种基于涡流管的跨临界二氧化碳发电系统的工作过程如下：

CO₂透平出口的中压CO₂流体与来自压缩机出口的中压CO₂流体汇合后，经冷却器向外部冷却水放热降温至较低温度，中压所指压力为CO2临界压力(7.18MPa)以上，通常为10MPa以下。

降温后的中压CO₂流体从涡流管顶部入口流入涡流管，在涡流管中通过涡流效应分离为三股亚临界低压流体，分别是饱和气态CO₂、饱和液态CO₂与过热气态CO₂流体，低压所指压力为CO2临界压力(7.18MPa)以下，通常为4～6MPa。

低压饱和液态CO₂流体经过CO₂工质泵加压至跨临界高压状态，高压的液态CO₂流体在蒸汽发生其中吸收来自热源流体或者导热油的热量，被加热至过热状态，高压的过热CO₂流体流入CO₂透平中，带动发电动机发电；高压所指压力为CO2临界压力(7.18MPa)以上，通常为15-25MPa。

低压饱和气态CO₂流体与低压过热气态CO₂流体汇合后流入CO₂压缩机中被加压至中压，中压气态CO₂流体流入冷却器中向外部冷却水放热降温至较低温度，随后重新进入涡流管中。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

经计算，本发明系统在给定条件下系统

效率19.46％，发电效率为6.73％，发电量为74.56kW；计算给定条件如下：

综上所述，本发明一种基于涡流管的跨临界二氧化碳发电系统，结构设计科学合理，通过在传统跨临界二氧化碳发电系统中增设涡流管，利用涡流管的能量分离作用将二氧化碳冷凝至液态，从而有效解决了跨临界CO₂发电系统高温环境下工质难以被冷凝的问题。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。