一种可利用汽化潜热闭环磁流体发电方法及其循环发电系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种可利用汽化潜热闭环磁流体发电方法及其循环发电系统，尤其指 一种基于超音速喷管中膨胀产生凝结，释放汽化潜热获得高速流体以推动磁流体发电装置 运作的方法及其循环发电系统。
【背景技术】
[0002] 本发明涉及的【背景技术】主要有两个方面，一个是伴随凝结的可压缩流动，另一个 是磁流体发电技术。
[0003] 关于伴随凝结的可压缩流动的研宄，最早起源于两个工业背景，一个是汽轮机中 水蒸气凝结，另一个是风洞气流中的水分凝结。在这一过程中，气流的流动可近似看作等熵 绝热过程，当某处流体的温度降低至该处压力对应的饱和温度时，凝结开始发生并释放汽 化潜热。从能量守恒的角度看，该过程是流体压力能和潜热向动能的转化过程并伴随着凝 结现象。目前传统发电系统中正是利用高温高压的水蒸气在汽轮机中膨胀推动转子转动用 以发电，汽轮机入口初压越高，背压越低，汽轮机所能利用的蒸汽能量越多，循环热效率也 越高。然而由于在膨胀过程中有凝结产生，并且背压越低，凝结量越大，凝结产生的水滴以 高速冲击汽轮机叶片造成叶片损坏，即汽蚀，因此通常汽轮机排气压力和温度不能太低，否 则蒸汽湿度过大影响汽轮机叶片寿命及工作可靠性，一般不低于36°c。
[0004] 另一个背景是磁流体发电技术。磁流体发电基于电磁感应定律，当磁流体横切穿 过磁场时，磁力线将切割其产生电动势，如果在磁流体流经的通道上安装电极与外部负载 连接，则可用以发电。与传统的火力发电相比，磁流体发电具有效率高、环境污染小、节约用 水、机组启动快等特点。由于传统的磁流体发电技术是从平衡态的角度考虑的，进行磁流体 发电的导电流体是在很高的温度水平下获得的，导致这项技术的研宄遇到了瓶颈，东南大 学王心亮从非平衡的角度来寻找合适的可以进行磁流体发电的导电流体。本发明正是基于 非平衡态磁流体发电原理。
【发明内容】
[0005] 针对上述技术问题，本发明提出一种装置简单，没有再热回热系统，机组启停快， 循环效率高的先进的可利用汽化潜热闭环磁流体发电方法及其循环发电系统。
[0006] 本发明的技术方案如下：
[0007] 一种可利用汽化潜热闭环磁流体发电方法，包括步骤：
[0008] 第一步，加温加压：液态工质经过加压加热，达到超临界状态；
[0009] 第二步，形成高速流体：第一步得到的超临界状态的工质在超音速膨胀通道中绝 热膨胀，形成高速流体；在膨胀过程中，温度压力沿流动方向降低，当某处流体的温度降 低至该处压力对应的饱和温度时，流体中的气体分子形成团簇，产生凝结，释放汽化潜热， 转化为流体的动能，在到达超音速膨胀通道出口时，出口流速达到设定马赫数的超音速状 态；
[0010] 第三步，得到非平衡态等离子体：第二步形成的高速流体进入频率为1〇?15MHz 的放电电场的流动通道，在高频放电电场的作用下，将高速流体电离，得到非平衡态等离子 体；
[0011] 第四步，磁流体发电：第三步得到的非平衡态等离子体在垂直于流体流动方向、设 定磁场强度的磁场内流动，产生用于发电的电动势。
[0012] 所述设定马赫数、设定磁场强度以及设定温度根据不同的工质采取不同的数值范 围。
[0013] 所述工质为水或者二氧化碳。
[0014] 所述第三步中在高速流体中掺入电离种子Ar，以提高电离率。
[0015] -种可利用汽化潜热闭环磁流体发电方法中使用的循环发电系统，包括截面积先 收缩后扩张的、用于实现绝热膨胀的超音速膨胀通道；施加了 10?15MHz放电电场的等离 子体放电通道；施加了垂直于流体流动方向的设定强度的磁场的磁流体发电通道；冷凝装 置；加压装置以及加热装置；
[0016] 所述超音速喷膨胀通道出口往后依次连接电感耦合等离子体放电通道、磁流体发 电通道、冷凝装置、加压装置以及加热装置，加热装置再与超音速膨胀通道入口相连，构成 一个闭合回路。
[0017] 所述冷凝装置为冷凝器。
[0018] 所述加压装置为高压泵。
[0019] 所述加热装置为燃煤燃油锅炉、高温烟气或者高炉排气。
[0020] 所述冷凝器在以水作为循环工质时，为水冷或者风冷；在以二氧化碳作为工质时， 则需要提供额外的制冷系统进行工质的冷凝回收。
[0021] 有益效果
[0022] 本发明利用非平衡态磁流体发电方法，克服了传统发电方式中汽轮机叶片由于蒸 汽湿度过大造成的汽蚀问题。在磁流体发电技术中，不存在转子，蒸汽湿度不会对设备运行 产生影响，从而可以进一步膨胀，降低冷源温度，减少冷源损失，提高循环的热效率。本发明 所提出的循环发电系统，装置简单，没有再热回热系统，机组启停快。
【附图说明】
[0023] 图1为本发明实施例的发电系统构成示意图，图中1、2、3、4、5点分别对应于图2 中的状态点；
[0024] 图2为本发明实施例的热力循环过程温熵图。 具体实施方案
[0025] 下面结合附图和具体实施例，对本发明的【具体实施方式】做进一步详述。以下实施 例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
[0026] 如图1，本发明的一种可利用汽化潜热闭环磁流体循环发电系统，包括六个组成 部分：超音速膨胀段，非平衡态等离子体发生段，射流MHD作用段，冷凝器，高压泵以及加热 器。
[0027] 超音速膨胀段，即超音速膨胀凝结通道，超音速膨胀通道为一截面积先收缩后扩 张的流动通道，最常见的是拉伐尔喷管，其目的是为了获得高速的流体。工质在超音速膨胀 通道中流动过程中，产生凝结，释放汽化潜热，潜热的释放进一步转化为流体的动能，出口 流体为湿蒸汽状态的超音速流体。
[0028] 非平衡态等离子体发生段，即施加了高频强放电电场的电感耦合等离子体放电通 道（ICP放电通道），利用高频电场使得流过通道的工质电离，形成具有导电性的非平衡态 低温等离子体。等离子体中电子温度很高，而大部分中性粒子的温度依旧很低，整体对外呈 现出低温的特性。
[0029] 射流MHD作用段，即磁流体发电通道，所述磁流体发电通道为施加了垂直于流动 方向的磁场的流动通道，其目的是利用法拉第电磁感应定律进行发电。根据法拉第电磁感 应定律，流体在流动时做切割磁感线运动，因而在上下极板间产生感应电动势。在进入磁流 体发电通道之前的工质流速很高，为超音速流，具有很高的动能，而离开磁流体发电通道后 流速降至亚音速，这一过程即是动能向电能的转化。
[0030] 冷凝器，高压泵，加热器分别用于工质的冷凝回收，加压以及加热，从而形成循环。
[0031] 超音速喷膨胀通道出口往后依次连接电感耦合等离子体放电通道、磁流体发电通 道、冷凝器、高压泵以及加热器，加热器再与超音速膨胀通道入口相连，构成一个闭合回路。
[0032] 本发明以水或者二氧化碳为循环工质，循环工质的选择取决于高低温热源的选 择。以下结合说明书附图1，分别给出在使用水以及二氧化碳作为工质时在附图1、2中各个 点的状态参数，如表1、表2所示：
[0033] 表 1
[0034]
【主权项】
1. 一种可利用汽化潜热闭环磁流体发电方法，其特征在于，包括步骤： 第一步，加温加压：液态工质经过加压加热，达到超临界状态； 第二步，形成高速流体：第一步得到的超临界状态的工质在超音速膨胀通道中绝热膨 胀，形成高速流体；在膨胀过程中，温度压力沿流动方向降低，当某处流体的温度降低至该 处压力对应的饱和温度时，流体中的气体分子形成团簇，产生凝结，释放汽化潜热，转化为 流体的动能，在到达超音速膨胀通道出口时，出口流速达到设定马赫数的超音速状态； 第三步，得到非平衡态等离子体：第二步形成的高速流体进入频率为10?15MHZ的放 电电场的流动通道，在高频放电电场的作用下，将高速流体电离，得到非平衡态等离子体； 第四步，磁流体发电：第三步得到的非平衡态等离子体在垂直于流体流动方向、设定磁 场强度的磁场内流动，产生用于发电的电动势。
2. 根据权利要求1所述的可利用汽化潜热闭环磁流体发电方法，其特征在于，所述设 定马赫数、设定磁场强度以及设定温度根据不同的工质采取不同的数值范围。
3. 根据权利要求1所述的可利用汽化潜热闭环磁流体发电方法，其特征在于，所述工 质为水或者二氧化碳。
4. 根据权利要求1所述的可利用汽化潜热闭环磁流体发电方法，其特征在于，所述第 三步中在高速流体中掺入电离种子Ar。
5. -种如权利要求1中所述的可利用汽化潜热闭环磁流体发电方法中使用的循环发 电系统，其特征在于，包括截面积先收缩后扩张的、用于实现绝热膨胀的超音速膨胀通道； 施加了 10?15MHz放电电场的等离子体放电通道；施加了垂直于流体流动方向的设定强度 的磁场的磁流体发电通道；冷凝装置；加压装置以及加热装置； 所述超音速喷膨胀通道出口往后依次连接电感耦合等离子体放电通道、磁流体发电通 道、冷凝装置、加压装置以及加热装置，加热装置再与超音速膨胀通道入口相连，构成一个 闭合回路。
6. 根据权利要求5所述的循环发电系统，其特征在于，所述超音速膨胀通道为拉伐尔 喷管。
7. 根据权利要求5所述的循环发电系统，其特征在于，所述冷凝装置为冷凝器。
8. 根据权利要求5所述的循环发电系统，其特征在于，所述加压装置为高压泵。
9. 根据权利要求5所述的循环发电系统，其特征在于，所述加热装置为燃煤燃油锅炉、 高温烟气或者高炉排气。
10. 根据权利要求7所述的循环发电系统，其特征在于，所述冷凝器在以水作为循环工 质时，为水冷或者风冷；在以二氧化碳作为工质时，则需要提供额外的制冷系统进行工质的 冷凝回收。
【专利摘要】本发明公开了一种可利用汽化潜热闭环磁流体发电方法及其循环发电系统。高温高压的超临界工质经超音速膨胀通道进行绝热膨胀，在这一过程中伴随着气体团簇方式的凝结，凝结潜热释放，进一步转化为流体的动能，最终获得高速的流体，进入等离子体发生段形成导电流体，从而切割磁感线产生感应电动势用于发电，发电后的流体经冷凝器冷凝回收，由高压泵加压再经过加热器加热后重新达到高温高压的超临界状态，进入下一个循环。发明与传统发电系统相比，将汽轮机用超音速膨胀通道和磁流体发电通道取代，克服了传统发电系统中由于汽轮机中蒸汽凝结造成的叶片汽蚀而不得不采用较高的排汽温度的问题，从而可以进一步降低冷源温度，提高循环热效率。
【IPC分类】H02K44-08
【公开号】CN104578682
【申请号】CN201510047945
【发明人】顾璠, 吴立, 李森
【申请人】东南大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月29日