一种自分流布雷顿循环方法及循环系统与流程

1.本发明涉及布雷顿循环技术领域，具体涉及一种自分流布雷顿循环方法及循环系统。


背景技术：

2.超临界二氧化碳布雷顿循环被认为是最有潜力替代蒸汽朗肯动力转换技术的方案。它利用超临界二氧化碳工质无相变、密度大、拟临界参数附近易压缩的特点，具有压比低、热惰性设备少、适宜采用直接循环和电力推进技术等优势，同时可以大幅简化系统、缩小体积、减轻重量、提高机动性、降低噪声、提高系统热效率。
3.布雷顿循环一般包括绝热压缩、等压加热、绝热膨胀、等压放热四个基本热力过程组成，但由于超临界二氧化碳布雷顿循环的主要特点在于利用二氧化碳拟临界区易压缩的特性，因此需要将二氧化碳冷却至临界温度附近，而二氧化碳临界温度仅为31℃。对大部分动力循环来讲，要将循环工质冷却至如此低的温度，又要保证效率，就必须增加回热过程。因此，超临界二氧化碳工质用于动力循环的最简单模式除了一般布雷顿循环的四个基本热力过程外，还必须添加回热过程。而为了进一步避免回热过程中的换热夹点问题对系统效率的严重损害，又有学者在简单回热循环的基础上提出了再压缩循环的方案。
4.相比于简单回热循环，再压缩循环的效率更高，但系统设备需要增加一台回热器和再压缩机，导致系统成本、重量和体积的增加，特别是再压缩机的引入给系统的成本、运行控制带来极大的挑战，进而限制了再压缩循环系统的应用。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是目前的再压缩布雷顿循环方法控制逻辑复杂，循环系统的成本重量以及体积都严重增加；目的在于提供一种自分流布雷顿循环方法及循环方法，以解决以上问题。
6.本发明的第一个目的在于提供一种自分流布雷顿循环方法，包括：
7.(1)将循环工质经压缩机压缩、经回热器预热后，进入喷射器中；
8.(2)循环工质在喷射器中充分混合并升压后，进入到高温回热器中预热至堆芯入口温度，进入热源吸收热量，在热源出口达到循环最高温度后进入透平膨胀做功；
9.(3)做功后的高温流体依次进入高温回热器和低温回热器后进入分流器分流，一部分流体进入冷却器中冷却后经压缩机压缩，流经低温回热器升温后进入喷射器作为工作流体，一部分进入喷射器作为引射流体。
10.在一可选的实施例中，所述喷射器设置一台或两台及以上。
11.在一可选的实施例中，两台及以上的喷射器为串联或并联连接。
12.在一可选的实施例中，还包括在不同的喷射器之间进行循环分流比的调节。
13.在一可选的实施例中，通过在各所述喷射器的高压流体进口处设置调节阀组的方式进行循环分流比调节。
14.本发明的第二个目的在于提供一种自分流布雷顿循环系统，包括依次连接的压缩机、低温回热器、喷射器、高温回热器、热源、透平，还包括分流器和冷却器；
15.所述透平的出口连接所述高温回热器的低压侧入口，所述高温回热器的高压侧出口连接所述低温回热器的高压侧进口，所述低温回热器的低压侧出口连接所述分流器，所述分流器的出口分别连接所述冷却器和所述喷射器的引射流体进口，所述冷却器的出口连接所述压缩机的进口。
16.在一可选的实施例中，所述喷射器设置一台或两台及以上。
17.在一可选的实施例中，两台及以上的喷射器采用串联或并联的方式连接。
18.在一可选的实施例中，各所述喷射器的高压流体进口处设置有调节阀组，以调节液体循环工质在不同循环路径的循环分流比。
19.在一可选的实施例中，所述喷射器为参数可调节式喷射器。
20.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
21.(1)本发明实施例提供的一种自分流布雷顿循环方法及循环系统，采用非能动的喷射器在不引入压缩机的前提下即可实现回热器出口的分流，构建再压缩循环，可以保证循环系统的性能，对系统进行简化，相较于压缩机的精密复杂且制造成本极高、系统控制逻辑复杂，本发明采用的喷射器为纯机械结构、无旋转部件、制造加工难度小、加工成本极低，整个系统的重量和体积都减小了，无需对再压缩机的润滑、密封、冷却及运行策略进行维持和控制，因而有较为简单的控制逻辑和较低的运行成本。
22.(2)本发明实施例提供的一种自分流布雷顿循环方法及循环系统，通过设置单级、多级喷射，结合调节阀组构建分流比可调的喷射阀组，从而形成多个闭式循环路径。系统结构简单，控制逻辑简单。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
24.图1为本发明实施例提供的一种自分流布雷顿循环系统方案图；
25.图2为本发明实施例提供的另一种自分流布雷顿循环系统方案图。
具体实施方式
26.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
27.在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
28.在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。
因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
29.实施例：
30.如图1中所示，一种自分流布雷顿循环系统，包括依次连接的压缩机、低温回热器、喷射器、高温回热器、热源、透平，还包括分流器和冷却器；
31.压缩机用于压缩液体循环工作，在压缩机内液体循环工质被压缩至较高压力，形成高压循环工质；
32.低温回热器用于对进入的循环工作进行预热加热升温，形成低温高压循环工质；
33.喷射器用于利用流体传递能量和质量，喷射器包括喷嘴、接受室、混合室、扩散室；经过升温的循环工质进入到喷射器中作为工作流体，工作流体以很高的速度从喷嘴喷出，进入到接受室中，接受室还将喷射器前的较低压力的引射流体吸走而进入到混合室内，在该过程中，工作流体的势能和热能先转变为动能，而工作流体的一部分动能又会传给引射流体。在沿喷射器流动的过程中，混合流体的速度渐渐均衡，还伴随压力的升高，而从混合室出来进入扩散室后，压力还将继续升高，最后充分混合并升压的流体进入高温回热器；
34.高温回热器用于对进入的流体进行加热使温度达到堆芯的入口温度；
35.热源位于堆芯内，从高温回热器中流出的流体进入到热源吸收热量，在热源出口达到循环最高温度后进入透平膨胀做功；
36.所述透平的出口连接所述高温回热器的低压侧入口，所述高温回热器的高压侧出口连接所述低温回热器的高压侧进口，所述低温回热器的低压侧出口连接所述分流器，所述分流器的出口分别连接所述冷却器和所述喷射器的引射流体进口，所述冷却器的出口连接所述压缩机的进口。
37.在透平内做功后的高温流体依次进入到高温回热器和低温回热器后，进入分流器中进行分流，期中，一部分流体进入冷却器中进行冷却，冷却后的流体再进入压缩机中进行压缩，然后再重新进入低温回热器中经升温后进入喷射器作为工作流体，从而形成闭式循环，另一部分流体从喷射器的低压引射流进口进入而作为引射流体。
38.本发明中采用喷射器作为非能动部件，在不引入压缩机的前提下即可实现回热器出口的分流，构建再压缩循环，可以保证循环系统的性能，对系统进行简化，相较于压缩机的精密复杂且制造成本极高、系统控制逻辑复杂，本发明实施例中采用的喷射器制造加工难度小、加工成本极低，整个系统的重量和体积都减小了。
39.本发明实施例中的所述喷射器可以设置一台(如图1中所示)，或者设置两台及以上，如图2中所示设置两台喷射器。优选地，两台及以上的喷射器可以采用串联或并联的方式连接，从而形成单级或多级喷射以获得较高的引射压力比。从压缩机中出来的高压流体经低温回热器预热后进入到多个喷射器中作为工作流体，而从各个喷射器中出来的流体进入到高温回热器中进行加热。在流体进入到热源后，从透平流出经高温、低温回热器后再进行分流，一部分流体进入到各个喷射器中作为引射流体，从而形成多个闭式循环路径。喷射器优选采用参数可调的喷射器，可以采用目前市售的产品。
40.考虑到单级或多级喷射器，本发明实施例中通过设置阀组以及采用参数可调的喷射器结构，如图2中所示在各喷射器的高压流体进口处设置有由截止阀、调节阀等阀门构成的调节阀组，可以构建分流比可调的喷射器组，可以在上游参数一定的条件下通过调节阀组或喷射器结构来调节工质在布雷顿循环中不同循环路径的分流比，以获得最佳的循环响应特性。
41.本发明实施例的循环系统的工作流程为：
42.在压缩机内(1-2段)，一部分流体被压缩至较高压力，并在低温回热器内被预热，工作流体(3)以很高的速度从喷嘴喷出，进入喷射器的接受室，并把在喷射器前的压力较低的介质(4)，即为引射流体吸走，在喷射器中经过充分混合并升压的进入高温回热器，被高温回热器预热至堆芯入口温度(5-6段)，进入热源，吸收热量，并在热源出口达到循环的最高温度(6-7段)并直接进入透平的气轮机膨胀做功(7-8段)。做功后的高温流体经高温回热器(8-9段)和低温回热器(9-10段)将热量传递给高压侧的冷流体并被冷却。冷却后的流体在进入冷却器之前进行分流(10)，一部分流体经主压缩机压缩(1-2段)，流经低温回热器升温后进入喷射器作为工作流体；一部分流体进入到喷射器中作为引射流体。
43.以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种自分流布雷顿循环方法，其特征在于，包括：(1)将液态循环工质经压缩机压缩、经回热器预热后，进入喷射器中；(2)液态循环工质在喷射器中充分混合并升压后，进入到高温回热器中预热至堆芯入口温度，进入热源吸收热量，在热源出口达到循环最高温度后进入透平膨胀做功；(3)做功后的高温流体依次进入高温回热器和低温回热器后进入分流器分流，一部分流体进入冷却器中冷却后经压缩机压缩，流经低温回热器升温后进入喷射器作为工作流体，一部分进入喷射器作为引射流体。2.根据权利要求1所述的一种自分流布雷顿循环方法，其特征在于，所述喷射器设置一台或两台及以上。3.根据权利要求2所述的一种自分流布雷顿循环方法，其特征在于，两台及以上的喷射器为串联或并联连接。4.根据权利要求3所述的一种自分流布雷顿循环方法，其特征在于，还包括在不同的喷射器之间进行循环分流比的调节。5.根据权利要求4所述的一种自分流布雷顿循环方法，其特征在于，通过在各所述喷射器的高压流体进口处设置调节阀组的方式进行循环分流比调节。6.一种自分流布雷顿循环系统，其特征在于，包括依次连接的压缩机、低温回热器、喷射器、高温回热器、热源、透平，还包括分流器和冷却器；所述透平的出口连接所述高温回热器的低压侧入口，所述高温回热器的高压侧出口连接所述低温回热器的高压侧进口，所述低温回热器的低压侧出口连接所述分流器，所述分流器的出口分别连接所述冷却器和所述喷射器的引射流体进口，所述冷却器的出口连接所述压缩机的进口。7.根据权利要求6所述的一种自分流布雷顿循环系统，其特征在于，所述喷射器设置一台或两台及以上。8.根据权利要求7所述的一种自分流布雷顿循环系统，其特征在于，两台及以上的喷射器采用串联或并联的方式连接。9.根据权利要求8所述的一种自分流布雷顿循环系统，其特征在于，各所述喷射器的高压流体进口处设置有调节阀组，以调节液体循环工质在不同循环路径的循环分流比。10.根据权利要求9所述的一种自分流布雷顿循环系统，其特征在于，所述喷射器为参数可调节式喷射器。

技术总结
本发明公开了一种自分流布雷顿循环方法及循环系统，将液态循环工质经压缩机压缩、经回热器预热后，进入喷射器中；液态循环工质在喷射器中充分混合并升压后，进入到高温回热器中预热至堆芯入口温度，进入热源吸收热量，在热源出口达到循环最高温度后进入透平膨胀做功；做功后的高温流体依次进入高温回热器和低温回热器后进入分流器分流，一部分流体进入冷却器中冷却后经压缩机压缩，流经低温回热器升温后进入喷射器作为工作流体，一部分进入喷射器作为引射流体。本发明采用非能动的喷射器在不引入压缩机的前提下即可实现回热器出口的分流，构建再压缩循环，可以保证循环系统的性能，对系统进行简化，加工难度小、加工成本极低，重量和体积减小。重量和体积减小。重量和体积减小。


技术研发人员：刘旻昀 唐佳 黄彦平 刘睿龙 费俊杰 席大鹏
受保护的技术使用者：中国核动力研究设计院
技术研发日：2023.03.13
技术公布日：2023/5/30