利用有机工质无泵循环的连续发电装置及方法
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连续发电装置及方法。
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。随着节能减排工作的大力推进，目前针对中高温热源，如工业余热、太阳能聚光热等都有较成熟的应用技术。针对中低温热源如浅表层地热能、太阳能以及工业余热等的利用率有待提高。
中低温热源的热功转换主要方式之一是有机朗肯循环，常见的形式包含多层有机朗肯循环或者重力驱动有机朗肯循环，但其存在泵的功耗占比大所导致发电效率低下或者驱动力不足导致的系统高度过高的问题。
近年来，针对中低温热源的利用，相关学者还提出trilateral-flash循环，该循环由蒸发器、压缩机以及膨胀机组成，其蒸发器中工质受热后不会发生相变，而是当压力达到一定值时，处于膨胀机入口的阀门打开，高温高压的液体通过喷嘴进入低压环境，在喷嘴出口发生闪蒸产生射流推动膨胀机旋转。由于该系统蒸发器中的工质每次加热需到达一定压力后，才可以开启阀门发电，存在产生脉冲性电流的问题。
因此研究一种减少泵功、减小系统规模的连续发电系统具有重要的现实意义。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种利用有机工质无泵循环的连续发电装置及方法，具有结构简单、效率高的优点。
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连续发电装置，由有机工质封闭循环回路以及两个发电单元组成；所述有机工质封闭循环回路包括闪蒸喷射管束 1、磁球运动管束2、储液罐3、下降管4和集箱5，闪蒸喷射管束1出口连接磁球运动管束2入口，磁球运动管束2出口全部连通储液罐3入口，储液罐3出口连接下降管4入口，下降管4出口连通集箱5入口，集箱5 出口连通闪蒸喷射管束1入口；所述两个发电单元包括直线发电机单元6 与旋转发电机单元7，其中直线发电机单元6由缠绕在磁球运动管束2外壁的直线发电机绕组8、与直线发电机绕组8连接的整流电路9以及与整流电路9连接的负载20组成，旋转发电机单元7由置于储液罐3中并位于磁球运动管束2正上方的叶轮10以及与叶轮10连接的旋转发电机11 组成；闪蒸喷射管束1放置于热源12中，储液罐3上方布满冷凝毛细管 13；闪蒸喷射管束1进出口设置下喷嘴14和上喷嘴15，下喷嘴14和上喷嘴15上分别放置下磁球16和上磁球17。
所述磁球运动管束2出口为锥形渐缩口18。
所述有机工质封闭循环回路中为低沸点有机工质19。
所述下喷嘴14和上喷嘴15均为缩放型喷嘴。
所述下磁球16和上磁球17均为强磁耐高温型钕铁硼磁球。
所述储液罐3临近下降管4的一侧向下倾斜放置。
所述热源12的温度为70～400℃，介质类型不限于水、导热油等物质。
所述的利用有机工质无泵循环的连续发电装置的发电方法，在预设温度条件下，有机工质封闭循环回路内充入预设量的饱和液态有机工质；当开启热源12后，闪蒸喷射管束1中的饱和液态有机工质开始被加热，由于下磁球16和上磁球17对加热空间形成的密封性，饱和液态有机工质的温度压力逐渐升高，当压力升高到能够将上磁球17推开一条缝隙时，闪蒸喷射管束1内压力突然降低，此时，其中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连续发电装置初始的预设压力；由于连续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，先产生少量气核，随着工质进一步过热，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17向上喷出；以上过程中，下喷嘴14与下磁球16紧密配合，起到止回阀的作用，以使闪蒸喷射管束1中液体的喷射力全部用于推动上磁球17 向上运动；当上磁球17上升到一定高度时，在重力作用下回落至原位置，上磁球17的上下运动导致直线发电机绕组8中的磁场强度发生变化，直线发电机绕组8中产生感应电流经过整流电路9整流后带动外部的负载20 工作；为了防止磁球运动至储液罐，在磁球运动管束2末端设置锥形渐缩口18，该锥形渐缩口18同时也使喷射到叶轮10的气液两相流速度更高；磁球运动管束2对准叶轮叶片，其喷射力将推动叶轮10旋转带动旋转发电机11发电；磁球运动管束2各个管子中做功后的工质统一进入储液罐3，在储液罐顶部冷凝毛细管13的作用下，冷凝为初始的饱和液体状态，再在下降管4的作用下流入集箱5，开始下一轮循环。
本发明提供了一种用于中低温热源下的连续发电方式，具有如下创新性：
(1)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，增加了自主创新的管束沸腾喷射推动叶轮发电系统。与传统的有机朗肯循环发电系统相比，本装置主循环回路采用自然循环的方式，省略了增压泵、膨胀机，不依靠外部的电力供给，没有泵的功耗，具有效率高、成本低的优点。
(2)与重力驱动的有机朗肯循环相比，增加了由闪蒸喷射管束、磁球运动管束、上下喷嘴、上下磁球以及热源组成的沸腾喷射装置，闪蒸喷射管束上下端配置的磁球既为沸腾喷射提供了发生条件，同时又可作为运动部件切割感应线圈发电。系统的驱动力增强，对低温热源的利用率更高。
(3)与单管闪蒸喷射增强重力驱动发电装置相比，采用管束型传热管以及叶轮、磁球联合发电的形式，可连续输出电能。
由于本发明连续发电装置的特殊设计，故而具有成本低，易实施的优点，可用于分布式发电系统、中低温余热利用等领域。
附图说明
图1为本发明的连续发电装置结构示意图。
图中：1为闪蒸喷射管束；2为磁球运动管束；3为储液罐；4为下降管；5为集箱；6为直线发电机单元；7为旋转发电机单元；8为直线发电机绕组；9为整流电路；10为叶轮；11为旋转发电机；12为热源；13为冷凝毛细管；14为下喷嘴；15为上喷嘴；16为下磁球；17为上磁球；18 为锥形渐缩口；19为低沸点有机工质；20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，本发明一种利用有机工质无泵循环的连续发电装置，由有机工质封闭循环回路以及两个发电单元组成；有机工质封闭循环回路包括闪蒸喷射管束1、磁球运动管束2、储液罐3、下降管4和集箱5，闪蒸喷射管束1出口连接磁球运动管束2入口，磁球运动管束2出口全部连通储液罐3入口，储液罐3出口连接下降管4入口，下降管4出口连通集箱5 入口，集箱5出口连通闪蒸喷射管束1入口；两个发电单元包括直线发电机单元6与旋转发电机单元7，其中直线发电机单元6由缠绕在磁球运动管束2外壁的直线发电机绕组8、与直线发电机绕组8连接的整流电路9 以及与整流电路9连接的负载20组成，旋转发电机单元7由置于储液罐3 中并位于磁球运动管束2正上方的叶轮10以及与叶轮10连接的旋转发电机11组成；闪蒸喷射管束1放置于热源12中，储液罐3上方布满冷凝毛细管13；闪蒸喷射管束1进出口设置下喷嘴14和上喷嘴15，下喷嘴14 和上喷嘴15上分别放置下磁球16和上磁球17。主循环回路中为低沸点工质19。通过对低沸点有机工质19加热，沸腾喷射装置推动上磁球17做上下往复直线运动，之后仍具有较大喷射力的气液混合物推动叶轮10旋转，其中气相在毛细冷凝管13的作用下冷凝为饱和液，与液相混合后流经下降管再次进入闪蒸喷射管束1加热完成一次循环。本装置通过磁球的上下往复运动以及叶轮旋转带动发电机发电，实现了将中低温热源的热能转换为电能的目的。
作为本发明的优选实施方式，所述磁球运动管束2出口为锥形渐缩口18，该结构使流道截面积变小，流体速度增高，因此喷射到叶轮10 上的流体具有更高的动能。同时，该结构还可以防止上磁球17运动到储液罐。
作为本发明的优选实施方式，所述下喷嘴14和上喷嘴15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相比，本装置可以更有效地将热量从热源传递给工质，不可逆损失降低，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16和上磁球17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，所述储液罐3临近下降管4的一侧向下倾斜放置，重位差可以抵消一部分气相的摩擦阻力。
作为本发明的优选实施方式，所述热源12的温度为70～400℃，根据热源引入方式，加热方式可分为直接引入法和间接引入法。其中，直接引入法为将闪蒸喷射管束1放入低品位热能中或者利用低品位热源直接给循环工质加热；间接引入方式指通过另外建立新的加热回路，利用低品位热源加热中间介质，再通过中间介质加热本装置的循环工质，中间介质可为水、导热油等物质。
本发明一种利用有机工质无泵循环的连续发电装置的工作过程为：
(1)将有机工质封闭循环回路抽真空，充灌低沸点有机工质19。初始状态时，工质处于室温条件下的饱和液态。
(2)依次开启冷凝毛细管13、热源12。闪蒸喷射管束1中的工质在加热过程中，温度、压力均升高，当其压力升高到可以克服上磁球17的重力以及磁球运动管束2中工质重力时，上磁球17被推开一条缝隙。此时，闪蒸喷射管束1中的压力突然降低，最终降至连续发电装置初始压力。由于连续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，闪蒸喷射管束1中的部分工质处于过热状态，因此将产生少量气核。
(3)在极短(毫秒)时间内，工质将进一步过热，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17向上喷出。
(4)上磁球17运动到一定高度后，在重力作用下回落至原位置，上磁球17的上下运动导致直线发电机绕组8中的磁场强度发生变化，直线发电机绕组8中产生感应电流经过整流电路9整流后带动外部的负载20 工作。推动磁球做功后的流体经过锥形渐缩口18后接着推动叶轮10旋转带动旋转发电机11发电。
(5)工质进入储液罐3后，两相工质中的气相接触储液罐中的冷凝毛细管13，冷凝为初始的饱和液态，在重力作用下，经由下降管4和集箱5 再次进入闪蒸喷射管束1加热。
以上过程即为该装置的一次完整循环。上磁球17的上下往复运动以及叶轮10旋转分别带动直线发电机绕组8和旋转发电机11产生连续电流。
