能够避免温度夹点的超临界二氧化碳布雷顿循环预冷系统及方法与流程

1.本发明属于传热领域，涉及一种能够避免温度夹点的超临界二氧化碳布雷顿循环预冷系统及方法。


背景技术：

2.超临界二氧化碳布雷顿循环具有效率高、占地面积小、灵活性好等优点，在光热、核电、余热回收等领域有着广阔的应用前景。压缩机入口参数在临界点附近是超临界二氧化碳布雷顿循环具有效率高的前提。二氧化碳的临界点参数为7.38mpa、31℃，这意味着需要将压缩机入口工质冷却到接近31℃的时候，超临界二氧化碳布雷顿循环才能实现较高的效率。超临界二氧化碳冷却过程是在预冷器中实现的。在热带地区或夏天的温带地区，环境温度会接近压缩机入口温度(31～35℃)，此时冷却介质与超临界二氧化碳的换热温差就会减小。如果考虑在这些工况下将超临界二氧化碳冷却到目标温度，预冷器的换热面积就会极大地增加。另一方面，超临界二氧化碳从较高温度被冷却到临界点温度附近时会经历大比热区，大比热区的超临界二氧化碳比热存在峰值，被冷却的时候温度变化慢。而冷却工质一般为水或空气，为常物性流体，被加热后温度呈线性升高，当超临界二氧化碳与冷却介质的温度逐渐接近的时候就出现了温度夹点的问题，温度夹点的出现意味着冷热流体的温差非常小。根据传热功率的计算公式q＝haδt，当传热温度δt非常小，而传热系数h变化不大的情况下，需要很大的传热面积a才能实现相同的传热量q。综上所述，温度夹点的出现会导致超临界二氧化碳布雷顿循环中的预冷器换热面积变得极大，不仅大大增加了系统的建设成本，还导致预冷器中超临界二氧化碳侧的压降极大，使超临界二氧化碳布雷顿循环丧失了高效的特点。


技术实现要素：

3.为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供能够避免温度夹点的超临界二氧化碳布雷顿循环预冷系统及方法，将冷却介质分为多股，分别冷却热侧超临界co2的不同温度段，增大了传热温差，避免了换热过程中温度夹点现象的出现，减小了预冷系统的换热面积和超临界co2侧的阻力损失，保证了超临界co2循环的高效性。
4.为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
5.能够避免温度夹点的超临界二氧化碳布雷顿循环预冷系统，将预冷器分割为高温段预冷器2和低温段预冷器4，高温段预冷器2的热侧进口与高温介质入口管路1相连，高温段预冷器2的热侧出口通过高温介质管路3与低温段预冷器4的热侧进口相连，低温段预冷器4的热侧出口与目标温度介质管路5相连；冷却介质分为两路，一路通过第一升压设备6和第一路低温介质入口管路7与低温段预冷器4的冷侧入口相连；另一路通过第二升压设备12、第三阀门13和第二路低温介质入口管路14与高温段预冷器2的冷侧入口相连；低温段预冷器4的冷侧出口分为两路，一路经第一阀门8和第一路低温介质出口管路9通向循环水冷
却装置，另一路通过低温介质管路10和第二阀门11与高温段预冷器2的冷侧入口的第二路低温介质入口管路14相连；高温段预冷器2的冷侧出口经第二路低温介质出口管路15通向循环水冷却装置。
6.冷却介质通过总升压设备16后分为两路，一路经低温介质管路与低温段预冷器4的冷侧入口相连，一路经第三阀门13和低温介质管路与高温段预冷器2的冷侧入口相连。
7.所述冷却介质为冷却水或空气，当冷却介质为冷却水时，第一升压设备6、第二升压设备12和总升压设备16分别为第一水泵、第二水泵和总水泵；当冷却介质为空气时，第一升压设备6、第二升压设备12和总升压设备16分别为第一风机、第二风机和总风机。
8.预冷器分割为三段或更多段。
9.所述的一种能够避免温度夹点的超临界二氧化碳布雷顿循环预冷系统的工作方法，高温的超临界二氧化碳经过高温介质入口管路1进入高温段预冷器2被冷却到接近拟临界温度后流出，再经过高温介质管路3进入低温段预冷器4被冷却到目标温度后，从目标温度介质管路5流出；
10.当进入预冷器的冷却介质温度高于25℃时，关闭第二阀门11，打开第一阀门8第三阀门和13；冷却介质分两路，一路经第三阀门13和第二路低温介质入口管路14进入高温段预冷器2，将热的超临界二氧化碳冷却到接近拟临界温度，被加热后的冷却介质经第二路低温介质出口管路15去循环水冷却装置；另一路冷却介质经第一路低温介质入口管路7进入低温段预冷器4，将超临界二氧化碳进一步冷却到目标温度，被加热后的冷却介质经第一阀门8和第一路低温介质出口管路9去循环水冷却装置；
11.当进入预冷器的冷却介质温度不高于25℃时，关闭第一阀门8和第三阀门13，打开第二阀门11，两段预冷器的运行过程类似于单个预冷器；冷却介质经第一路低温介质入口管路7进入低温段预冷器4将超临界二氧化碳冷却到目标温度，然后经过低温介质管路10、第二阀门11和第二路低温介质入口管路14进入高温段预冷器2中冷却高温的超临界二氧化碳，被加热的冷却介质经第二路低温介质出口管路15去循环水冷却装置。
12.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明将预冷器至少分为两段，然后将低温的冷却介质分为相应的几股，分别去冷却各段的超临界二氧化碳，在环境温度较高的情况下，能显著增大预冷器的传热温差，避免温度夹点现象的出现。同时，由于传热温差的增大，预冷器的换热器面积能够降低，从而降低了预冷器的成本。
附图说明
13.图1为本发明的一种系统示意图。
14.图2为本发明的另一种系统示意图。
具体实施方式
15.下面结合附图和具体实施例对发明做进一步详细描述。
16.实施例一
17.如图1所示，一种能够避免温度夹点的超临界二氧化碳布雷顿循环预冷系统，将预冷器分割为高温段预冷器2和低温段预冷器4，高温段预冷器2的热侧进口与高温介质入口管路1相连，高温段预冷器2的热侧出口通过高温介质管路3与低温段预冷器4的热侧进口相
连，低温段预冷器4的热侧出口与目标温度介质管路5相连；冷却介质分为两路，一路通过第一升压设备6和第一路低温介质入口管路7与低温段预冷器4的冷侧入口相连；另一路通过第二升压设备12、第三阀门13和第二路低温介质入口管路14与高温段预冷器2的冷侧入口相连；低温段预冷器4的冷侧出口分为两路，一路经第一阀门8和第一路低温介质出口管路9通向循环水冷却装置，另一路通过低温介质管路10和第二阀门11与高温段预冷器2的冷侧入口的第二路低温介质入口管路14相连；高温段预冷器2的冷侧出口经第二路低温介质出口管路15通向循环水冷却装置。
18.作为本发明的优选实施方式，所述冷却介质为冷却水或空气，当冷却介质为冷却水时，第一升压设备6、第二升压设备12和总升压设备16分别为第一水泵、第二水泵和总水泵；当冷却介质为空气时，第一升压设备6、第二升压设备12和总升压设备16分别为第一风机、第二风机和总风机。
19.作为本发明的优选实施方式，预冷器分割为三段或更多段，以充分冷却高温介质。
20.如图1所示，本发明所述的一种能够避免温度夹点的超临界二氧化碳布雷顿循环预冷系统的工作方法，高温的超临界二氧化碳经过高温介质入口管路1进入高温段预冷器2被冷却到接近拟临界温度后流出，再经过高温介质管路3进入低温段预冷器4被冷却到目标温度后，从目标温度介质管路5流出；
21.当进入预冷器的冷却介质温度高于25℃时，关闭第二阀门11，打开第一阀门8第三阀门和13；冷却介质分两路，一路经第三阀门13和第二路低温介质入口管路14进入高温段预冷器2，将热的超临界二氧化碳冷却到接近拟临界温度，被加热后的冷却介质经第二路低温介质出口管路15去循环水冷却装置；另一路冷却介质经第一路低温介质入口管路7进入低温段预冷器4，将超临界二氧化碳进一步冷却到目标温度，被加热后的冷却介质经第一阀门8和第一路低温介质出口管路9去循环水冷却装置；
22.当进入预冷器的冷却介质温度不高于25℃时，关闭第一阀门8和第三阀门13，打开第二阀门11，两段预冷器的运行过程类似于单个预冷器；冷却介质经第一路低温介质入口管路7进入低温段预冷器4将超临界二氧化碳冷却到目标温度，然后经过低温介质管路10、第二阀门11和第二路低温介质入口管路14进入高温段预冷器2中冷却高温的超临界二氧化碳，被加热的冷却介质经第二路低温介质出口管路15去循环水冷却装置。
23.实施例二
24.如图2所示，冷却介质通过总升压设备16后分为两路，一路经低温介质管路与低温段预冷器4的冷侧入口相连，一路经第三阀门13和低温介质管路与高温段预冷器2的冷侧入口相连。其它部件的连接方式与实施例一相同。