[發(fā)明專利]能夠避免溫度夾點(diǎn)的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)預(yù)冷系統(tǒng)及方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110915233.4
• 申請(qǐng)日: 2021-08-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113513380A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-10-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊玉;李紅智;張磊;吳帥帥;吳家榮;姚明宇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安熱工研究院有限公司
• 主分類號(hào): F01D25/12
• 分類號(hào): F01D25/12;F01K25/10
• 代理公司: 西安智大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 何會(huì)俠

本發(fā)明公開(kāi)了能夠避免溫度夾點(diǎn)的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)預(yù)冷系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)將預(yù)冷器至少分為兩段，然后將低溫的冷卻介質(zhì)分為相應(yīng)的幾股，分別去冷卻各段的超臨界二氧化碳，在環(huán)境溫度較高的情況下，能顯著增大預(yù)冷器的傳熱溫差，避免溫度夾點(diǎn)現(xiàn)象的出現(xiàn)。同時(shí)，由于傳熱溫差的增大，預(yù)冷器的換熱器面積能夠降低，從而降低了預(yù)冷器的成本。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于傳熱領(lǐng)域，涉及一種能夠避免溫度夾點(diǎn)的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)預(yù)冷系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)具有效率高、占地面積小、靈活性好等優(yōu)點(diǎn)，在光熱、核電、余熱回收等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。壓縮機(jī)入口參數(shù)在臨界點(diǎn)附近是超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)具有效率高的前提。二氧化碳的臨界點(diǎn)參數(shù)為7.38MPa、31℃，這意味著需要將壓縮機(jī)入口工質(zhì)冷卻到接近31℃的時(shí)候，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)才能實(shí)現(xiàn)較高的效率。超臨界二氧化碳冷卻過(guò)程是在預(yù)冷器中實(shí)現(xiàn)的。在熱帶地區(qū)或夏天的溫帶地區(qū)，環(huán)境溫度會(huì)接近壓縮機(jī)入口溫度(31～35℃)，此時(shí)冷卻介質(zhì)與超臨界二氧化碳的換熱溫差就會(huì)減小。如果考慮在這些工況下將超臨界二氧化碳冷卻到目標(biāo)溫度，預(yù)冷器的換熱面積就會(huì)極大地增加。另一方面，超臨界二氧化碳從較高溫度被冷卻到臨界點(diǎn)溫度附近時(shí)會(huì)經(jīng)歷大比熱區(qū)，大比熱區(qū)的超臨界二氧化碳比熱存在峰值，被冷卻的時(shí)候溫度變化慢。而冷卻工質(zhì)一般為水或空氣，為常物性流體，被加熱后溫度呈線性升高，當(dāng)超臨界二氧化碳與冷卻介質(zhì)的溫度逐漸接近的時(shí)候就出現(xiàn)了溫度夾點(diǎn)的問(wèn)題，溫度夾點(diǎn)的出現(xiàn)意味著冷熱流體的溫差非常小。根據(jù)傳熱功率的計(jì)算公式Q＝hAΔT，當(dāng)傳熱溫度ΔT非常小，而傳熱系數(shù)h變化不大的情況下，需要很大的傳熱面積A才能實(shí)現(xiàn)相同的傳熱量Q。綜上所述，溫度夾點(diǎn)的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)中的預(yù)冷器換熱面積變得極大，不僅大大增加了系統(tǒng)的建設(shè)成本，還導(dǎo)致預(yù)冷器中超臨界二氧化碳側(cè)的壓降極大，使超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)喪失了高效的特點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供能夠避免溫度夾點(diǎn)的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)預(yù)冷系統(tǒng)及方法，將冷卻介質(zhì)分為多股，分別冷卻熱側(cè)超臨界CO2的不同溫度段，增大了傳熱溫差，避免了換熱過(guò)程中溫度夾點(diǎn)現(xiàn)象的出現(xiàn)，減小了預(yù)冷系統(tǒng)的換熱面積和超臨界CO2側(cè)的阻力損失，保證了超臨界CO2循環(huán)的高效性。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

能夠避免溫度夾點(diǎn)的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)預(yù)冷系統(tǒng)，將預(yù)冷器分割為高溫段預(yù)冷器2和低溫段預(yù)冷器4，高溫段預(yù)冷器2的熱側(cè)進(jìn)口與高溫介質(zhì)入口管路1相連，高溫段預(yù)冷器2的熱側(cè)出口通過(guò)高溫介質(zhì)管路3與低溫段預(yù)冷器4的熱側(cè)進(jìn)口相連，低溫段預(yù)冷器4的熱側(cè)出口與目標(biāo)溫度介質(zhì)管路5相連；冷卻介質(zhì)分為兩路，一路通過(guò)第一升壓設(shè)備6和第一路低溫介質(zhì)入口管路7與低溫段預(yù)冷器4的冷側(cè)入口相連；另一路通過(guò)第二升壓設(shè)備12、第三閥門13和第二路低溫介質(zhì)入口管路14與高溫段預(yù)冷器2的冷側(cè)入口相連；低溫段預(yù)冷器4的冷側(cè)出口分為兩路，一路經(jīng)第一閥門8和第一路低溫介質(zhì)出口管路9通向循環(huán)水冷卻裝置，另一路通過(guò)低溫介質(zhì)管路10和第二閥門11與高溫段預(yù)冷器2的冷側(cè)入口的第二路低溫介質(zhì)入口管路14相連；高溫段預(yù)冷器2的冷側(cè)出口經(jīng)第二路低溫介質(zhì)出口管路15通向循環(huán)水冷卻裝置。

冷卻介質(zhì)通過(guò)總升壓設(shè)備16后分為兩路，一路經(jīng)低溫介質(zhì)管路與低溫段預(yù)冷器4的冷側(cè)入口相連，一路經(jīng)第三閥門13和低溫介質(zhì)管路與高溫段預(yù)冷器2的冷側(cè)入口相連。

所述冷卻介質(zhì)為冷卻水或空氣，當(dāng)冷卻介質(zhì)為冷卻水時(shí)，第一升壓設(shè)備6、第二升壓設(shè)備12和總升壓設(shè)備16分別為第一水泵、第二水泵和總水泵；當(dāng)冷卻介質(zhì)為空氣時(shí)，第一升壓設(shè)備6、第二升壓設(shè)備12和總升壓設(shè)備16分別為第一風(fēng)機(jī)、第二風(fēng)機(jī)和總風(fēng)機(jī)。

預(yù)冷器分割為三段或更多段。

所述的一種能夠避免溫度夾點(diǎn)的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)預(yù)冷系統(tǒng)的工作方法，高溫的超臨界二氧化碳經(jīng)過(guò)高溫介質(zhì)入口管路1進(jìn)入高溫段預(yù)冷器2被冷卻到接近擬臨界溫度后流出，再經(jīng)過(guò)高溫介質(zhì)管路3進(jìn)入低溫段預(yù)冷器4被冷卻到目標(biāo)溫度后，從目標(biāo)溫度介質(zhì)管路5流出；