利用有机工质无泵循环的发电装置及方法
技术领域
本发明属于中低温热源发电技术领域，特别涉及一种利用有机工质无泵循环的发电装置及方法。
背景技术
热能是国民经济和人民生活中应用最广泛的能量形式，近年来很多学者对各种中低温热能的利用做了大量研究。这种中低温能源种类繁多，总量巨大，包括各种工业余热、太阳能、地热、生物质能、海洋温差能和LNG冷能等。
目前针对地热能、太阳能以及工业余热等中低温热源利用方式主要包括有机朗肯循环、卡琳娜循环以及超临界二氧化碳循环等几大类。以上方式存在结构复杂，发电效率低以及经济回收成本高的问题。因此研究使用闪蒸喷射力与重力联合驱动的有机工质无泵循环发电装置，将中低温、特别是低温热能高效转换为电能对能源的利用和发展具有重要的现实意义。
发明内容
为了避免传统有机朗肯循环中增压泵以及膨胀机的轴向密封难而产生的工质泄露问题，本发明的目的在于提供一种利用有机工质无泵循环的发电装置及方法，具有结构简单、成本低、易实施的优点，特别是无泵循环可保证低温余热高效转换为电能。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种利用有机工质无泵循环的发电装置，包括由闪蒸喷射段1、磁球运动段2、储液罐3和下降段4依次连通形成的主回路以及由储液罐3上部经由向下倾斜管道连接至翅片管10，翅片管10再由管道连接至储液罐3形成的冷却回路；所述闪蒸喷射段1下端布置有下喷嘴5与下磁球6形成止回阀，限制蒸气只能向上运动；闪蒸喷射段1上端布置的上喷嘴7与上磁球8形成闪蒸喷嘴，使蒸气驱动上磁球8向上运动，上磁球8的运动空间为磁球运动段2，闪蒸喷射段1与其外部的管道形成套管式换热器，换热器壳侧为热源11；磁球运动段2末端为锥形渐扩段9，磁球运动段2外部缠绕直线发电机绕组12，直线发电机绕组12与整流电路13相连，整流电路13连接负载14，上磁球8、磁球运动段2、直线发电机绕组12和整流电路13组成直线发电机。
所述主回路内的充灌低沸点有机工质。
所述下喷嘴5和上喷嘴7均为缩放型喷嘴。
所述下磁球6和上磁球8均为强磁耐高温型钕铁硼磁球。
所述下磁球6和上磁球8的直径小于磁球运动段2的管道内径。
所述翅片管10为矩形翅片管。
本发明一种利用有机工质无泵循环的发电装置的发电方法：
本发明装置在分离式热管系统以及重力驱动有机朗肯循环的基础上，增加了自主创新的闪蒸喷射系统，主要部件包括闪蒸喷射段1、磁球运动段2、储液罐3、直线发电机绕组12。闪蒸喷射段1被热源11加热后，下磁球6和上磁球8控制的加热段内，工质的温度压力逐渐升高，当压力升高到能够克服上磁球8以及上部液柱的重力时，上磁球8被推开一条缝隙，闪蒸喷射段1与磁球运动段2连通，闪蒸喷射段1中的工质压力突然降低，此时，加热段内的工质经历了准等温的迅速膨胀过程，工质的压力将会迅速接近发电装置初始压力；由于发电装置初始压力低于循环工质对应温度下的饱和蒸气压，工质将逐渐过热，过热的工质将会由于相变产生大量的气泡核，从而导致工质迅猛气化，即产生大量气泡；随后气泡将发生迅速膨胀直至爆裂，这个膨胀爆裂过程将产生强大的作用力，推动上磁球8向上喷出；上磁球8在磁球运动段2中向上运动，为了控制磁球的运动高度，在磁球运动段末端设置一个锥形渐扩段9，由于管道截面突然增大，流体速度降低，上磁球8受到的推力减小，在重力作用下回落至原位置；以上过程中，下磁球6起止回阀的作用，以使加热段中液体的喷射力全部用于推动上磁球8向上运动；推动上磁球8做功后的工质，经历了从准稳态向稳态转变的自发过程，从气泡核的形成、生长最终达到稳定的气液两相平衡状态，进入冷凝罐3；此时，气相工质密度小于液相工质，流向储液罐3的上部，经由翅片管10散热后流回储液罐3，与液相混合后在重力作用下再次流入闪蒸喷射段1，开始新一轮循环；上磁球8的上下往复运动导致直线发电机绕组12中的磁通量发生变化，根据法拉第电磁感应定律，线圈中产生感应电流经过整流电路13整流后，能够带动外部负载14做功。
本发明提供了一种用于中低温热源下的发电方式，具有如下创新性：
(1)与传统的有机朗肯循环(ORC)发电系统相比，本装置主循环回路采用自然循环的方式，采用闪蒸喷射段取代了ORC的增压泵，磁球运动段取代了膨胀机，省略了增压泵、膨胀机，不依靠外部的电力供给，具有发电效率高、成本低廉、结构简单、安全可靠的优点。用于将70～400℃范围内热源的热能，通过动力循环转换为电能。
(2)与重力驱动的有机朗肯循环相比，增加了闪蒸喷射装置，加热段上下端配置的磁球既为闪蒸喷射提供了发生条件，同时又可作为运动部件切割绕组发电。系统的驱动力增强，对低温热源的利用率更高。
由于本装置的特殊设计，故而具有成本低，易实施的优点，可用于小型发电机、分布式发电系统、中低温工业余热利用等领域。
附图说明
图1为本发明的发电装置结构示意图。
图2为闪蒸喷射段及磁球运动段结构的放大图。
图3是本发明中闪蒸喷射段气泡核的形成及生长示意图。
图4是本装置发电功率与时间的关系示意图。
图中：1为闪蒸喷射段；2为磁球运动段；3为储液罐；4为下降段；5为下喷嘴；6为上喷嘴；7为下磁球；8为上磁球；9为锥形突扩段；10为翅片管；11为热源；12为直线发电机绕组；13为整流电路；14为负载。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
参见图1和图2所示，一种利用有机工质无泵循环的发电装置，包括由闪蒸喷射段1、磁球运动段2、储液罐3和下降段4依次连通形成的主回路以及由储液罐3上部经由向下倾斜管道连接至翅片管10，翅片管10再由管道连接至储液罐3形成的冷却回路；所述闪蒸喷射段1下端布置有下喷嘴5与下磁球6形成止回阀，限制蒸气只能向上运动；闪蒸喷射段1上端布置的上喷嘴7与上磁球8形成闪蒸喷嘴，使蒸气驱动上磁球8向上运动，上磁球8的运动空间为磁球运动段2，闪蒸喷射段1与其外部的管道形成套管式换热器，换热器壳侧为热源11；磁球运动段2末端为锥形渐扩段9，磁球运动段2外部缠绕直线发电机绕组12，直线发电机绕组12与整流电路13相连，整流电路13连接负载14，上磁球8、磁球运动段2、直线发电机绕组12和整流电路13组成直线发电机。
作为本发明的优选实施方式，所述主回路内的充灌低沸点有机工质，通常为一些氟利昂工质和烷烃类工质，如R123、R245fa、R134a、R600a和正戊烷等。这些工质的临界温度范围为100～200℃，临界压力范围为3.5～4.1MPa，与装置的热源温度相匹配，可以在低温下进行热功转换，对装置承压能力要求低。而且有机工质具有潜热低、密度大的特性，减少了热力过程中的不可逆损失并使得系统的结构更加紧凑。从安全性能、系统效率以及经济性能角度来讲，有机工质比通常采用的NH3、CO2等自然物质具有更加优良的热力学特性和环保特性。
作为本发明的优选实施方式，所述下喷嘴5和上喷嘴7均为缩放型喷嘴，流体在流经缩放型喷嘴的喉部时，流体速度增加，压力降低，部分液体蒸发，由饱和液态变为两相态。与传统的有机朗肯循环不同，本装置中工质在加热过程中的膨胀是由饱和液态变成两相混合状态而不是从饱和液态变成饱和或者过热蒸气，避免了等温沸腾过程，因此可以更有效地将热量从热源传递给工质，不可逆损失低，提高了系统工艺性能。
作为本发明的优选实施方式，所述下磁球6和上磁球8均为强磁耐高温型钕铁硼磁球，其工作温度最高可达200℃，而且其质地坚硬，性能稳定，有很好的性价比。强磁材料使得元件更加小型化，减小了装置规模，同时在几何尺寸不变的条件下，磁场强度越强，发电机的效率越高。
作为本发明的优选实施方式，所述翅片管10为矩形翅片管，采用强化传热技术，增大换热管的外表面积，提高换热效率。与套管式换热器相比，减化了冷凝水回路的结构。
如图1和图2所示，闪蒸喷射段1中的工质被热源11加热后，下磁球6和上磁球8之间加热段内的工质温度、压力逐渐升高，当其压力能够克服上磁球8以及上部液柱的重力时，上磁球8被推开一条缝隙，闪蒸喷射段1与磁球运动段2连通，闪蒸喷射段1中的工质压力突然降低，发生闪蒸，产生气液两相流，气相的体积膨胀，经过喷嘴7形成射流推动磁球8向上运动，当上磁球8运动至锥形渐扩段9处时，工质流速降低，磁球受到的向上的推力减小，随后在重力作用下，回落至原位置。推动上磁球8运动后的工质流进储液罐3，气相经由翅片管10冷凝后流回储液罐3，与液相一起再次流回闪蒸喷射段1，开始下一次循环。每次循环中磁球上下往复运动，切割直线发电机绕组12产生感应电流。本装置可将中低温热源的热能转换为磁球上下运动的动能，再通过感应线圈将动能转换为电能，实现了低品位能到高品位能的转换。
本发明一种利用有机工质无泵循环的发电装置的工作过程为：
(1)将主回路抽真空，充灌低沸点有机工质。初始状态时，如图3中步骤(a)所示，工质处于室温条件下的饱和液态。
(2)开启热水回路。闪蒸喷射段1的上下两端装有下喷嘴5和上喷嘴7，下喷嘴5和上喷嘴7上分别放置下磁球6和上磁球8，以此形成相对固定容积。
(3)在加热过程中，闪蒸喷射段1内的工质温度、压力均升高，当其压力升高到可以克服上磁球8的重力以及上部管道中工质重力时，上磁球8被推开一条缝隙，如图3中步骤(b)所示。此时，闪蒸喷射段1与磁球运动段2连通，闪蒸喷射段1中的工质压力突然降低，由于初始压力低于沸腾喷射段工质的饱和蒸气压，闪蒸喷射段部分工质处于过热状态，因此将产生少量气核。
(4)在极短(毫秒)时间内，工质将进一步过热，过热的工质将会产生相变生成大量的气泡核，从而导致迅猛气化，如图3中步骤(b’)所示。
(5)随后气泡将发生迅速膨胀直至爆裂，这个膨胀爆裂过程(闪蒸)将产生强大的作用力，推动上磁球8向上喷出，如图3中步骤(c)所示。
(6)为了防止磁球随工质流入冷凝罐3，在磁球运动段2的末端设置锥形渐扩段9，当工质流经突扩位置处时，截面面积增加，工质流速降低，磁球受到向上的推力降低，将在重力作用下回落至原位置。在上磁球回落过程中，主回路中的工质将在重力作用下从冷凝罐3再次流向闪蒸喷射段1，此时充当止回阀的下磁球6将在工质作用下向上推开少许位移，如图3中步骤(d)所示。
(7)当闪蒸喷射段1中再次充满室温下的饱和液体时，开始重复第(3)-(7)过程。
以上(3)-(7)过程即为该发电装置的一次完整循环。随着上磁球8每次的上下往复运动，直线发电机绕组12中将产生脉冲式电流，其示意图如图4所示。
