CN110352291B - 用于驱动涡轮机的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于驱动涡轮机的方法，包括：(a)提供固体二氧化碳；(b)加热所述固体二氧化碳以产生高压二氧化碳流体；(c)使所述二氧化碳通过所述涡轮机的叶片；和(d)收集已经通过所述涡轮机叶片的所述二氧化碳；其中，步骤(d)中收集的所述二氧化碳是固体形式。

Description

用于驱动涡轮机的方法

技术领域

本发明涉及一种发电方法，尤其涉及一种使用二氧化碳发电的方法。

背景技术

本发明涉及电力的产生。世界上几乎所有的电力都是使用涡轮机产生的，而涡轮机由驱动发电机的流体进行驱动。涡轮机可以由风、水、蒸汽或燃烧天然气进行驱动。最常见的是使用蒸汽来驱动涡轮机。蒸汽可以通过矿物燃料的燃烧、核聚变或通过使用可再生能源(例如使用来自太阳能源的热量)加热水来产生。

发明内容

本发明使用二氧化碳作为驱动涡轮机的替代方法，具有诸多优点，这将在本文中给出进一步的描述。

本发明的第一方面提供了一种驱动涡轮机的方法，该方法包括：

(a)提供固体二氧化碳；

(b)加热所述固体二氧化碳以产生高压二氧化碳流体；

(c)使所述二氧化碳通过所述涡轮机的叶片；和

(d)收集已经通过所述涡轮机叶片的所述二氧化碳；

其中步骤(d)中收集的二氧化碳是固体形式。

本发明的第二方面提供了一种用于驱动涡轮机的装置，所述装置包括通过阀门可关闭的第一容器，和第二容器，其中所述两个容器通过管道连接，并且其中涡轮机的叶片是位于所述管道内，使得流过所述管道的气体导致所述涡轮机旋转；其中所述第一容器内的温度是可调节的。

本发明的第三方面提供了一种发电方法，该方法包括；

(i)提供所述第二方面的装置；

(ii)在所述第一容器中加入固态二氧化碳；

(iii)在关闭所述第一容器的同时对所述第一容器供热；和

(iv)打开所述阀门以允许所述二氧化碳通过所述管道进入所述第二容器中。

现在对本发明的第一、第二和第三方面的优选特征进行描述。任一方面的任一特征都可以适宜地与任何其他方面的任何特征进行组合。

为了理解本发明，重要的是要理解二氧化碳可能存在的相态。图1示出了二氧化碳的相图。在低压下，二氧化碳总是以气体形式存在。在低于三态点(-56.6℃，5.19巴(bar))的温度和压力下，二氧化碳升华。在高于三态点的温度下，二氧化碳随着压力增加首先变为液体，然后变为固体，直至达到临界点(30.98℃，73.77巴)为止。在高于临界点的温度和压力下，二氧化碳作为超临界流体存在。

本发明中有利地使用了二氧化碳的性质在于它在大气压下会升华这一事实。大气压下的升华点为-78.5℃。在该温度下储存和运输材料相对简单，因此二氧化碳可以以固体形式进行运输而无需加压容器。固体材料易于处理。

在本发明方法的步骤(a)中，提供固体二氧化碳。这适宜地设置在可通过阀门关闭的容器内，该容器适宜地为第二方面的装置的第一容器。

在步骤(a)中在大气压下适宜地提供固体二氧化碳。在大气压下将固体材料输送到容器中是简单的。因此，在输送到容器(适宜地第二方面的第一容器)之前，适宜地将二氧化碳保持在-78.5℃或更低的温度。在该阶段不需要对将二氧化碳所输送到的容器进行温度控制。

一旦将二氧化碳输送到容器中，容器就适宜地关闭，阀门也关闭。此时，容器的温度适宜地增加。这可以通过向容器传输热量来适宜地实现。在优选实施例中，第二方面的装置还包括用于向第一容器输送热量的设备。

本发明的第一方面的方法的步骤(b)包括对二氧化碳加热以产生高压二氧化碳流体。

高压二氧化碳流体是指在高于大气压的压力下呈流体形式的二氧化碳。优选地，压力为至少2巴，适宜地至少5巴，更优选地至少10巴，适宜地至少20巴，优选地至少50巴，例如至少70巴，适宜地至少90巴，例如至少100巴。在步骤(b)中，可以加热二氧化碳以提供高达150巴的压力，优选地高达200巴，例如高达250巴或高达300巴的压力。

当在步骤(b)中加热二氧化碳时，也适宜地实现了温度的升高。适宜地温度为至少-60℃，优选地至少-55℃，合适地至少-50℃。温度可以更高，例如高于-30℃或高于-15℃或高于0℃。温度可高达20℃或甚至高达50℃。温度和压力将根据加热程度而变化。步骤(b)中提供的高压二氧化碳流体可以是高压气体，它可以是液体，或者可以是超临界流体。

在一些优选实施例中，步骤(b)包括对固体二氧化碳加热以产生超临界二氧化碳。

由于容器是关闭的，当输送热量时，容器中二氧化碳的压力和温度升高。最初，二氧化碳将升华，并且当气体被进一步加热并且压力升高时，将形成液体或超临界流体。

步骤(b)中的对固体二氧化碳加热可以通过任何适宜的方法来实现。这些方法对于本领域技术人员来说是已知的。在优选实施例中，通过将加热元件穿过容器来实现加热，例如电加热元件或承载水或热流体的管道。

第一方面的方法的步骤(c)包括使二氧化碳通过涡轮机的叶片。

适宜地，第一方面的方法在第二方面的装置中实施。适宜地，步骤(c)包括打开容纳有二氧化碳的容器的阀门，该容器适宜地是第二方面的第一容器。在打开阀门之前，管道和第二容器中的压力适宜地远低于第一容器中的压力。当第一容器的阀门打开时，第二容器适宜地通向管道。适宜地，当打开通向第一容器的阀门时，管道和第二容器中的压力小于5巴，优选地小于3巴，合适地小于2巴。适宜地，当打开通向第一容器的阀门时，管道和第二容器中的压力大约为正常大气压，即大约1.01巴。

适宜地，当打开通向第一容器的阀门时，第二容器中的温度低于50℃。适宜地，该温度为局部环境温度。

涡轮机叶片位于管道中。因此，管道可以被认为是被涡轮机叶片分成两个部分。

可以对管道中与第二容器相邻的部分进行冷却。

可以对管道中与第一容器相邻的部分进行加热。

在一些实施例中，可以对第二容器进行冷却。

第一方面的方法的步骤(d)包括(d)收集已经通过涡轮机叶片的二氧化碳。

适宜地，由于压力差，当打开通向第一容器的阀门时，高压二氧化碳流体通过涡轮机叶片上方的管道并流向第二容器。当二氧化碳在涡轮机叶片上方流动时，显著地膨胀并冷却。这种膨胀和冷却导致二氧化碳固化。然后将固体材料收集在第二容器中。

在一些实施例中，可以对装置的位于阀门和涡轮机之间的区域进行加热。这是为了确保流体一旦离开容器还可以继续膨胀。可以对阀门和/或管道的位于阀门和涡轮机之间的部分进行加热。

这种加热可能是必需的，以确保二氧化碳在通过涡轮机叶片之前不会固化。

在一些实施例中，管道的位于第一容器和涡轮机叶片之间的部分可包括挡板以促进朝向叶片的流动。在一些实施例中，可以对挡板进行加热。

因此，在优选实施例中，第一方面的方法的步骤(d)包括在将固体二氧化碳收集在第二方面的装置的第二容器中。

有利地，因为已经通过涡轮机叶片的二氧化碳被固化，并且管道和第二容器中的压力不会增加，因此高压二氧化碳流体继续从第一容器流出并通过管道直到供应基本耗尽为止。

第二容器中二氧化碳的固化导致二氧化碳占据的体积显着减少(约10³)。这导致穿过涡轮机叶片的压力下降，这进一步驱动穿过叶片的流动。在一些实施例中，可以对管道中位于涡轮机叶片和第二容器之间的部分进行冷却。然而，这通常不是必需的，因为二氧化碳的固化会导致充分冷却。

根据第三方面的发电方法的优选特征如先前所定义。允许二氧化碳通过涡轮机叶片适宜地使涡轮机进行旋转，这可以用于例如产生电力。可以通过任何已知的方式来实现由旋转涡轮机产生电力。

适宜地，该装置用于确保当二氧化碳通过涡轮机的叶片时，涡轮机进行旋转。然后该旋转可用于产生电力。

适宜地，该装置用于使二氧化碳气体能够顺序地通过涡轮机的多个叶片。这将促进随着气体流动的连续旋转。对涡轮叶片在气流中的适宜定位是在本领域技术人员的能力范围内。其布置可以与通常用于蒸汽动力涡轮机的排布相同。

本发明可适宜地包括封闭系统。在优选实施例中，在使用该方法期间不会故意使二氧化碳从装置中逸出。因此，涡轮机叶片优选地完全位于管道内。不可避免的是，系统中存在一些低效率并且会丢失一些二氧化碳。然而，优选地，不允许故意逸出。

在使用该方法期间，适宜地将固体二氧化碳收集在第二容器中。一旦来自第一容器的超临界二氧化碳的供应已经耗尽，并且已经在第二容器中收集了所有固体二氧化碳，就可以关闭第二容器。

第二个容器与管道相连。因此，在第二容器中具有开口，该开口与管道相连。在一些优选实施例中，该开口可以是可关闭的。适宜地，第二容器通过阀门是可关闭。适宜地，设置在第二容器上的阀门与关闭第一容器的阀门具有相同类型。

在优选的实施例中，第一容器和第二容器大体是相同的。

适宜地，第一容器和第二容器各自设有阀门。每个阀门可以完全打开以允许固体材料从管道进入容器。每个阀门也可以关闭，以防止流体材料从容器中逸出并承受容器内的压力积聚。每个阀门可以打开以允许高压流体从容器逸出进入管道中。

因此，在优选实施例中，本发明第二方面的装置包括通过阀门可关闭的第一容器和通过阀门可关闭的第二容器，其中两个容器通过管道连接。适宜地，每个阀门是双向阀门，其允许材料流入和流出容器。每个阀门可具有第一打开位置和第二打开位置，第一打开位置允许固体材料沉积到容器中，第二打开位置允许高压流体从容器中逸出。每个阀门的第一打开位置和第二打开位置可以是相同或不同的。

因此，在优选的实施例中，本发明可包括在关闭的第一容器中提供固体二氧化碳；对固体二氧化碳进行加热以产生高压二氧化碳流体；打开第一容器的阀门以允许高压二氧化碳通过管道，使得高压二氧化碳通过打开的阀门进入第二容器。在通过管道时，高压二氧化碳通过涡轮机的叶片并导致涡轮机旋转。一旦来自第一容器的高压流体的供应耗尽并且所有二氧化碳固体已经被收集在第二容器中，则适宜地关闭第二容器上的阀门。然后可以对第二容器中的二氧化碳进行加热以提供高压流体，然后可以打开第二容器上的阀门并且允许流体返回到管道中以相反的方向通过涡轮机叶片并作为固体返回到第一容器中。因此，该过程可以反向运行的。

适宜地，涡轮机能够在两个方向上旋转。

本发明的装置适宜地包括在至少第一容器和优选附加地在第二容器中的温度和压力计。因此，一旦达到特定的压力和/或温度时，用户就可以确定何时应该打开阀门。这样的过程可以是自动化的。

在优选的实施例中，该方法可以反向运行，管道的每个部分可以设有加热设备和冷却设备。

在一些实施例中，包括输送热量流体的元件可以定位在管道的每个部分的内部或周围。可以根据需要选择性地对这种流体进行加热或冷却。

本发明(优选封闭的)系统的优点在于高效。在每个阶段，必须将热量供应到系统中。然而，使用二氧化碳而不是蒸汽来驱动涡轮机的优点在于需要提供较少量的热能来实现等效功率输出。

因为二氧化碳可以以固体形式供应，所以需要较少的能量来产生驱动涡轮机所需的压力的流体。因此，在本发明的方法中必须提供给二氧化碳的热能低于通常需要提供给水以使用蒸汽驱动涡轮机的热能。

另外，因为二氧化碳具有比水更高的分子量，所以对于给定的气体速度，它可以对涡轮机叶片施加更大的力。

本发明的特别优点在于其可以有效地利用“低质量”的热量，例如来自另一发电源的废热。这种热量通常不足以产生驱动涡轮机所需的蒸汽。

本发明中使用的二氧化碳也可以从例如矿物燃料的燃烧中捕获。因此，将本发明的发电装置定位在现有的发电场所是非常有利的。

附图说明

现在将参考附图进一步描述本发明，其中：

图1示出了二氧化碳的相图；

图2提供了根据本发明的装置的示意图。

具体实施方式

图2的装置包括第一容器1和第二容器2，每个容器具有贯穿于其中的加热元件3。容器1和容器2通过管道4连接，涡轮机5位于管道内。涡轮机将管道分成两个部分4A和4B。管道的部分4A和4B中的每一个部分可以被独立地加热或冷却。每个容器由阀门(6，7)关闭。首先关闭通向闭容器1的阀门6，并且首先打开通向容器2的阀门7。将固体二氧化碳(干冰)装入容器1中，容器1由阀门6关闭。二氧化碳开始膨胀并且启动加热元件以升高容器1中的温度，导致压力也快速增加。当达到所期望的压力和温度时，打开阀门1。二氧化碳流体通过打开的阀门1流经管道和涡轮机并流入容器2。当阀门1打开时，随着流体从4A部分进入4B部分而流经管道并通过涡轮机，存在压降。这会导致二氧化碳的快速膨胀、冷却和固化。将所得到的固体材料收集在容器2中。一旦收集了所有的固体二氧化碳，就可以关闭阀门7并反向重复该过程。

Claims (6)

1.一种用于驱动涡轮机的方法，包括：

(a)在大气压下提供固体二氧化碳；

(b)加热所述固体二氧化碳以产生高压二氧化碳流体；

(c)使所述二氧化碳通过所述涡轮机的叶片；和

(d)收集已经通过所述涡轮机的叶片的所述二氧化碳；

其中：

步骤(d)中收集的所述二氧化碳是固体形式；

所述方法由包括通过阀门可关闭的第一容器，以及通过阀门可关闭的第二容器的装置实施，所述第一容器和所述第二容器通过管道连接，涡轮机的叶片位于所述管道内，使得流过所述管道的气体导致所述涡轮机旋转；

所述第一容器内的温度是可调节的；

所述第二容器与所述第一容器大体上是相同的；

其中，每个阀门具有第一打开位置和第二打开位置，所述第一打开位置允许固体材料沉积到容器中，所述第二打开位置允许高压流体从容器中逸出，并且其中，每个阀门的所述第一打开位置和所述第二打开位置是相同或不同的。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述装置还包括用于向所述第一容器输送热量的设备。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(b)中提供的所述流体具有至少20巴的压力。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(c)包括打开容纳有二氧化碳的容器的阀门。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述涡轮机的叶片完全地位于所述管道内。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法可以反向实施。

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