一种朗肯循环与液态金属自然循环联合发电系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种朗肯循环与液态金属自然循环联合发电系统，包括朗肯循环发电回路、液态金属发电回路。朗肯循环发电回路由膨胀机、发电机、冷凝器、工质循环泵以及与液态金属发电回路耦合的混合蒸发段组成；液态金属发电回路包括吸热段、与朗肯循环发电回路耦合的两相流上升段、汽液分离段、下降段，下降段上设置发电单元。朗肯循环发电回路的液态工质经分液器进入混合蒸发段后遇高温液态金属而产生相变，在混合蒸发段内形成蒸汽?液态金属的两相流，从而驱动液态金属产生自然循环，液态金属的运动在下降段的发电单元切割磁力线从而产生电能，本实用新型可广泛应用于工业余热、太阳能、地热能等多种形式的热能?电能转换，具有广阔的应用前景。
【专利说明】
一种朗肯循环与液态金属自然循环联合发电系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及热发电技术领域，特别涉及一种朗肯循环与液态金属自然循环联合发电系统。
【背景技术】
[0002]自然界中存在大量的热能，如太阳能、地热能;在人类生产生活中，热能的来源多种多样，包括在工业生产过程中煤、石油、天然气等化石能源的燃烧、核反应过程等都释放大量的热能，水泥、钢铁、火电、建材、化工等高耗能行业也向环境排放大量的工业余热。如何有效利用自然界及人类生产生活中各种温度品位的热能，一直是个挑战性课题。与水力发电、风能发电等技术相比，热发电技术目前在国际上仍占主导地位，现有热发电技术大都是通过蒸汽朗肯循环实现热能-机械功-电能的转换，包括火力发电、核能发电、太阳能热发电以及工业余热发电技术等，在这类发电系统中，主要包括汽轮机(膨胀机)、循环栗、冷凝器、蒸发器四个关键部件，部件性能往往决定整个机组的性能，特别是在蒸发器中，受热面本身间壁热阻及污垢热阻的存在会严重降低其传热性能，导致设备过热、产生热疲劳而毁坏。
【发明内容】
[0003]本实用新型的目的在于提供一种朗肯循环与液态金属自然循环联合发电系统，具有结构简单、传热性能高的优点。
[0004]为达到上述目的，本实用新型采用了以下技术方案:
[0005]该联合发电系统包括朗肯循环发电回路以及液态金属发电回路;所述朗肯循环发电回路包括发电机以及依次相连的膨胀机、冷凝器和工质循环栗，所述发电机与膨胀机相连;所述液态金属发电回路包括环形通道结构以及设置于环形通道结构内的液态金属，所述环形通道结构包括首尾依次相连的汽液分离段、下降段、液态金属吸热段以及两相流上升段，所述汽液分离段位于上端，所述液态金属吸热段位于下端，所述下降段以及两相流上升段位于汽液分离段与液态金属吸热段之间，所述下降段设置有发电单元，发电单元包括两端与所述下降段连接的腔体、设置于所述腔体外侧的磁场以及设置于所述腔体上的用于输出感生电能的电极板，所述磁场的方向与流经所述腔体的液态金属的流向垂直相交，所述工质循环栗与所述两相流上升段相连，所述膨胀机与所述汽液分离段相连。
[0006]所述联合发电系统还包括用于加热所述液态金属吸热段内的液态金属的热源。
[0007]所述热源选自锅炉产热、工业余热、太阳能、地热能或其他高于环境温度的热能。
[0008]所述工质选自水或低沸点有机工质。
[0009]所述热源与工质的匹配原则为工质的沸点低于热源温度。
[0010]所述环形通道结构竖直设置。
[0011]所述腔体采用矩形通道，所述电极板设置于所述矩形通道的两相对侧壁上，所述磁场沿与所述电极板平行的方向施加于液态金属上。
[0012]所述两相流上升段内设置有与所述工质循环栗相连的分液器。
[0013]本实用新型的有益效果体现在:
[0014]本实用新型利用吸热后的高温液态金属与朗肯循环系统液态工质接触，实现直接混合式蒸发传热模式，避免了换热器存在的间壁热阻和污垢热阻问题，并且经分液器后的液态工质与液态金属具有较大的接触面积，与传统朗肯循环的蒸发器相比，传热性能和可靠性都获得显著提高，同时，混合蒸发段内的两相流动使得液态金属产生自然循环，并在循环运动中通过切割磁场磁力线产生电能，无需任何运动部件便实现了热电的直接转换;该朗肯循环与液态金属自然循环联合发电系统具有较高的传热性能和热电转换效率，应用前景广阔。
【附图说明】
[0015]图1为本实用新型所述朗肯循环与液态金属自然循环联合发电系统的结构示意图；
[0016]图2为所述分液器的结构示意图；
[0017]图3为所述发电单元的结构示意图；
[0018]图中:1、朗肯循环发电回路，11、膨胀机，12、发电机，13、冷凝器，14、工质循环栗，
2、液态金属发电回路，21、吸热段，22、两相流上升段，221、分液器，23、汽液分离段，24、下降段，25、发电单元，251、矩形通道，252、电极板，253、电极引线，3、热源，4、磁场，N、磁场N极，
S、磁场S极。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。
[0020]参见图1，本实用新型所述朗肯循环与液态金属自然循环联合发电系统，包括朗肯循环发电回路1、液态金属发电回路2及热源3和磁场4。所述朗肯循环发电回路I由膨胀机U、发电机12、冷凝器13、工质循环栗14以及与液态金属发电回路耦合的混合蒸发段(即液态金属发电回路的两相流上升段22)组成，其中，膨胀机11、冷凝器13、工质循环栗14依次相连，工质循环栗14与混合蒸发段相连，发电机12与膨胀机11相连;液态金属发电回路2包括竖直放置的环形通道结构(例如回字形)，环形通道结构由位于下端的吸热段21、与朗肯循环发电回路耦合的两相流上升段22、位于上端的汽液分离段23以及位于两相流上升段22对侧的下降段24组成，其中，吸热段21、两相流上升段22、汽液分离段23、下降段24首尾依次相连，下降段24上设置有发电单元25，环形通道结构内设置有液态金属(如液态镓铟合金，液态水银等)。
[0021]参见图2，在所述朗肯循环发电回路I与液态金属发电回路2的耦合段内，即混合蒸发段-两相流上升段22内下端，设置有工质分液器221(与工质循环栗14相连)，将进入耦合段的液态工质均匀分配成多股流体，以增大朗肯循环工质与液态金属的接触面积。
[0022]吸热段21吸收热源3的热量使回路内液态金属温度升高，朗肯循环发电回路I的液态工质经分液器221进入混合蒸发段，遇高温液态金属而产生相变，在混合蒸发段内形成蒸汽-液态金属的两相流，与下降段24相比，混合蒸发段内的两相流密度较小，在浮升力作用下产生向上流动，从而驱动液态金属发电回路2内液态金属产生自然循环。在汽液分离段23，高温高压蒸汽溢出液态金属发电回路2进入膨胀机11(或汽轮机)，膨胀做功并带动发电机12发电，膨胀机11出口的乏汽经冷凝器13冷凝成液态后由工质循环栗14送入混合蒸发段完成一个朗肯循环。
[0023]参见图3，所述液态金属发电回路2中的发电单元25包括两端接入下降段24的矩形通道251，以及设置于所述矩形通道两相对侧壁上的电极板252，发电单元25为矩形(正方形为矩形特例)，其截面积恒定，使得感生电流在液态金属内均匀分布，环形通道结构其他位置的通道可为任意形状;在所述矩形通道的另两个侧壁方向上施加有磁场4，液态金属在循环运动中，在发电单元25处切割磁场4的磁力线，从而产生电能，产生的电能通过与电极板252相连的电极引线253输送给外部电路。
[0024]在上述联合发电系统中，热源3可为来自锅炉产热、工业余热、太阳能、地热能及其他高于环境温度的热能。
[0025]所述朗肯循环发电回路I的工质类型由所述热源3的温度品位决定，热源3温度品位较高时，可采用水为工质，当热源温度品位较低时，可采用沸点较低的有机工质；工质筛选应遵循的基本原则为:工质能够在混合蒸发段产生相变并且工质具有较大的汽液密度比。
[0026]总之，本发明所述朗肯循环与液态金属自然循环联合发电系统是在传统蒸汽朗肯循环基础上的突破和创新:在朗肯循环系统中采用直接混合式蒸发传热模式，即液态工质经分液器均匀分配后，直接与高温的液态金属接触，避免了传统蒸发器存在的间壁热阻和污垢热阻问题，并且经分液器后的液态工质与液态金属具有较大的接触面积，与传统朗肯循环的蒸发器相比，传热性能和可靠性都获得显著提高，同时，混合蒸发段内的两相流动使得液态金属发电回路产生自然循环，无需任何运动部件便实现了热电的直接转换，该朗肯循环与液态金属自然循环联合发电系统具有较高的传热性能和热电转换效率，可广泛应用于工业余热、太阳能、地热能等多种形式的热能-电能转换，具有广阔的应用前景。
【主权项】
1.一种朗肯循环与液态金属自然循环联合发电系统，其特征在于:该联合发电系统包括朗肯循环发电回路(I)以及液态金属发电回路(2);所述朗肯循环发电回路(I)包括发电机(12)以及依次相连的膨胀机(11)、冷凝器(13)和工质循环栗(14)，所述发电机(12)与膨胀机(11)相连;所述液态金属发电回路(2)包括环形通道结构以及设置于环形通道结构内的液态金属，所述环形通道结构包括首尾依次相连的汽液分离段(23)、下降段(24)、液态金属吸热段(21)以及两相流上升段(22)，所述汽液分离段(23)位于上端，所述液态金属吸热段(21)位于下端，所述下降段(24)以及两相流上升段(22)位于汽液分离段(23)与液态金属吸热段(21)之间，所述下降段(24)设置有发电单元(25)，发电单元(25)包括两端与所述下降段(24)连接的腔体、设置于所述腔体外侧的磁场(4)以及设置于所述腔体上的用于输出感生电能的电极板(252)，所述磁场(4)的方向与流经所述腔体的液态金属的流向垂直相交，所述工质循环栗(14)与所述两相流上升段(22)相连，所述膨胀机(11)与所述汽液分离段(23)相连。2.根据权利要求1所述一种朗肯循环与液态金属自然循环联合发电系统，其特征在于:所述联合发电系统还包括用于加热所述液态金属吸热段(21)内的液态金属的热源(3)。3.根据权利要求2所述一种朗肯循环与液态金属自然循环联合发电系统，其特征在于:所述热源(3)选自锅炉产热、工业余热、太阳能、地热能或其他高于环境温度的热能。4.根据权利要求1所述一种朗肯循环与液态金属自然循环联合发电系统，其特征在于:所述工质选自水或有机工质。5.根据权利要求1所述一种朗肯循环与液态金属自然循环联合发电系统，其特征在于:所述环形通道结构竖直设置。6.根据权利要求1所述一种朗肯循环与液态金属自然循环联合发电系统，其特征在于:所述腔体采用矩形通道(251)，所述电极板(252)设置于所述矩形通道(251)的两相对侧壁上，所述磁场(4)沿与所述电极板(252)平行的方向施加于液态金属上。7.根据权利要求1所述一种朗肯循环与液态金属自然循环联合发电系统，其特征在于:所述两相流上升段(22)内设置有与所述工质循环栗(14)相连的分液器(221)。
【文档编号】H02N3/00GK205558983SQ201620341042
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月21日
【发明人】马菁, 臧泽楠, 张旭杰, 高楠, 陈昊
【申请人】长安大学