一种组分变化及多压蒸发的非共沸有机朗肯循环系统 |
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| 申请号 | CN201710237102.9 | 申请日 | 2017-04-12 | 公开(公告)号 | CN106979042A | 公开(公告)日 | 2017-07-25 |
| 申请人 | 广东工业大学; | 发明人 | 罗向龙; 黄仁龙; 陈颖; 陈健勇; 易知通; | ||||
| 摘要 | 本 发明 实施例 公开了一种组分变化及多压 蒸发 的非共沸有机 朗肯循环 系统，解决了 有机朗肯循环 工质与冷热源之间不能很好地匹配而导致损失大的问题，能够更好地提高工业余热、 太阳能 和 地 热能 等中低温 可再生 能源 的利用率。本发明实施例包括：低压 蒸发器 、高压蒸发器、膨胀机、发 电机 、分液 冷凝器 、低沸点混合工质储液罐、高沸点混合工质储液罐；低压蒸发器的混合工质入口通过低沸点混合工质储液罐与分液冷凝器连接，高压蒸发器的混合工质入口通过高沸点混合工质储液罐与分液冷凝器连接，低压蒸发器的废热源入口与高压蒸发器的废热源出口连接；低压蒸发器的混合工质出口与膨胀机连接，高压蒸发器的混合工质出口与膨胀机连接，膨胀机与分液冷凝器连接。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种分液冷凝变组分多压蒸发的ORC系统，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 一种组分变化及多压蒸发的非共沸有机朗肯循环系统技术领域背景技术[0002] 有机朗肯循环(ORC)是利用太阳能、地热、工业余热等低温位可再生能源和中低温余热进行发电的非常有前景的技术之一，然而由于温位低的特点，相比传统高温热源发电系统，投资成本较高和发电效率较低，成为其当前大规模应用的主要障碍。蒸发器、冷凝器、泵、膨胀机是有机朗肯循环系统的核心设备，在这些核心设备中，换热器 损和投资成本占绝大部分。造成这样问题的原因是由于传统纯工质有机朗肯循环相变过程的等温特性，工质相变热力过程线与冷热源热力过程线匹配较差，造成有机朗肯循环系统换热环节 损失大，系统效率低。另一方面，热源的温度容易产生波动，纯工质有机朗肯循环虽然可以通过调整流量以适应热源参数变化，但是其受限于换热设备的设计参数，变工况调节柔性差。 [0003] 非共沸混合工质在蒸发和冷凝过程中由于存在温度滑移的现象，能够很好的与热源和冷源进行匹配，可有效的降低系统的不可逆损失，提高了系统的热效率。与纯工质相比，虽然改善了工质与冷热源匹配，但是不可逆损失依然很大，尤其是蒸发过程，而传统单压循环改善潜力有限。而采用非共沸工质多压蒸发可以进一步改善工质与冷热源热匹配曲线，进一步降低换热过程不可逆损失。同时由于热源的多样性，释热曲线随热源种类、温位而异，如不同蒸发等级非共沸工质的组分和流量可调，则可以进一步改善换热过程匹配性能，降低换热过程不可逆损失。另外，还可以通过组分和流量调控实现循环的变工况调节，提升全年平均运行性能。而常规改变非共沸组分的方法是在系统上增加一个额外的蒸馏系统，导致系统复杂，投资增加，而通过分液冷凝器的气液分离功能可以获得不同组分的非共沸工质，实现组分和流量的调控，而组分的调控能为多压蒸发提供了不同组分和流量的非共沸工质，以保证多压蒸发的效果。本发明提出一种通过分液冷凝改变工质组分并进行多压蒸发的有机朗肯循环系统，旨在解决工质与冷热源之间不能很好地匹配而导致 损失大的问题，提高系统的运行效率。 发明内容[0004] 本发明实施例提供了一种组分变化及多压蒸发的非共沸有机朗肯循环系统，用于解决有机朗肯循环工质与冷热源之间不能很好地匹配而导致 损失大的问题，能够更好的提高工业余热，太阳能和地热能等中低温可再生能源的利用率。 [0005] 本发明实施例提供的一种分液冷凝变组分多压蒸发的ORC系统，包括： [0006] 低压蒸发器、高压蒸发器、膨胀机、发电机、分液冷凝器、低沸点混合工质储液罐、高沸点混合工质储液罐； [0007] 所述低压蒸发器的混合工质入口通过所述低沸点混合工质储液罐与所述分液冷凝器连接，所述高压蒸发器的混合工质入口通过所述高沸点混合工质储液罐与所述分液冷凝器连接，所述低压蒸发器的废热源入口与所述高压蒸发器的废热源出口连接； [0008] 所述低压蒸发器的混合工质出口与所述膨胀机连接，所述高压蒸发器的混合工质出口与所述膨胀机连接，所述膨胀机与所述分液冷凝器连接，所述膨胀机还连接有发电机。 [0009] 优选地，还包括：低压泵和高压泵； [0010] 所述低压蒸发器的混合工质入口与所述低沸点混合工质储液罐之间还连接有低压泵； [0011] 所述高压蒸发器的混合工质入口与所述高沸点混合工质储液罐之间还连接有高压泵。 [0012] 优选地，所述分液冷凝器包括乏汽进口管、第一联箱、换热管、第二联箱； [0013] 所述乏汽进口管设置于所述分液冷凝器的上端，所述第一联箱和所述第二联箱分别设置于所述换热管的两侧。 [0014] 优选地，所述第一联箱还设置有水平放置的盲板。 [0015] 优选地，所述第一联箱和所述第二联箱还设置有分液漏板。 [0017] 优选地，所述分液漏板下还设置有倾斜盲板，所述倾斜盲板水平倾斜的角度为15°～60°。 [0018] 从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点： [0019] 本发明实施例提供了一种分液冷凝变组分多压蒸发的ORC系统，包括：低压蒸发器、高压蒸发器、膨胀机、发电机、分液冷凝器、低沸点混合工质储液罐、高沸点混合工质储液罐；低压蒸发器的混合工质入口通过低沸点混合工质储液罐与分液冷凝器连接，高压蒸发器的混合工质入口通过高沸点混合工质储液罐与分液冷凝器连接，低压蒸发器的废热源入口与高压蒸发器的废热源出口连接；低压蒸发器的混合工质出口与膨胀机连接，高压蒸发器的混合工质出口与膨胀机连接，膨胀机与分液冷凝器连接，膨胀机还连接有发电机，本发明实施例通过利用分液冷凝器来改变系统中工质的运行组分，经过分离后的混合工质进入不同的蒸发器蒸发，从而降低温差传热，提高系统的热效率，同时，利用分液冷凝器对汽液相进行分离，及时的把液体排出来，改变了冷凝过程中的工质组分，这样的循环能有效的解决工质与冷热源之间不能很好地匹配而导致 损失大的问题，提高系统的性能。同时本发明利用旁路管道和冷凝器与泵前的压差较大的特点，导出冷凝液，避免了传统分液难的问题。附图说明 [0020] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。 [0021] 图1为本发明实施例提供的一种分液冷凝变组分多压蒸发的ORC系统的结构示意图； [0022] 图2为本发明实施例提供的分液冷凝器的结构示意图； [0023] 图3为本发明实施例提供的导出液节点处的局部放大示意图； [0024] 图示说明，a：废热源进口，b：高压蒸发器的废热源出口，c：废热源入口，d：低压蒸发器的废热源出口，1：高压蒸发器混合工质入口，2：高压蒸发器混合工质出口，3：高沸点混合工质膨胀机入口，4：初始组分的乏汽，5：高沸点混合工质冷凝液，6：低沸点混合工质冷凝液，7：低压蒸发器混合工质入口，8：低压蒸发器混合工质出口，9：低沸点混合工质膨胀机入口，Ⅰ：低压蒸发器，Ⅱ：高压蒸发器，Ⅲ：膨胀机，Ⅳ：发电机，Ⅵ：分液冷凝器，Ⅶ：低沸点混合工质储液罐，Ⅷ：高沸点混合工质储液罐，Ⅸ：高压泵，Ⅹ：低压泵，21：盲板，22：乏汽进口管，23：第一联箱，24：换热管，25：第二联箱，26：分液漏板。 具体实施方式[0025] 本发明实施例提供了一种分液冷凝变组分多压蒸发的ORC系统，解决了工质与冷热源之间不能很好地匹配而导致 损失大的问题，使其能够更好的提高工业余热，太阳能和地热能等中低温可再生能源的利用率。 [0026] 为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。 [0027] 请参阅图1，本发明实施例提供的一种分液冷凝变组分多压蒸发的ORC系统，包括： [0028] 低压蒸发器Ⅰ、高压蒸发器Ⅱ、膨胀机Ⅲ、发电机Ⅳ、分液冷凝器Ⅵ、低沸点混合工质储液罐Ⅶ、高沸点混合工质储液罐Ⅷ； [0029] 低压蒸发器Ⅰ的混合工质入口通过低沸点混合工质储液罐Ⅶ与分液冷凝器Ⅵ连接，高压蒸发器Ⅱ的混合工质入口通过高沸点混合工质储液罐Ⅷ与分液冷凝器Ⅵ连接，低压蒸发器Ⅰ的废热源入口与高压蒸发器Ⅱ的废热源出口连接； [0030] 低压蒸发器Ⅰ的混合工质出口与膨胀机Ⅲ连接，高压蒸发器Ⅱ的混合工质出口与膨胀机Ⅲ连接，膨胀机Ⅲ与分液冷凝器Ⅵ连接，膨胀机Ⅲ还连接有发电机Ⅳ。 [0031] 进一步地，还包括：低压泵Ⅹ和高压泵Ⅸ； [0032] 低压蒸发器Ⅰ的混合工质入口与低沸点混合工质储液罐Ⅶ之间还连接有低压泵Ⅹ； [0033] 高压蒸发器Ⅱ的混合工质入口与高沸点混合工质储液罐Ⅷ之间还连接有高压泵Ⅸ。 [0034] 进一步地，请参阅图2和图3所示的冷凝器结构示意图，分液冷凝器Ⅵ包括乏汽进口管22、第一联箱23、换热管24、第二联箱25，在第一联箱23和第二联箱25中的分液节点处，安装有多个旁路阀，用于实现分液之后对冷凝液流路的调节，同时旁路阀还具有降低冷凝液流速的作用。 [0035] 乏汽进口管22设置于分液冷凝器Ⅵ的上端，第一联箱23和第二联箱25分别设置于换热管24的两侧，其中，换热管24的每管程的规格都可以不同。 [0036] 进一步地，第一联箱23还设置有水平放置的盲板21。 [0037] 进一步地，第一联箱23和第二联箱25还设置有分液漏板26，其中其分液能力的好坏将会影响系统的整体性能，根据研究可知，分液漏板26必须具有排液功能，同时需具有液封的作用，来隔绝上一管程的气体进入下一管程，在本发明中，采用旁路管道来导出冷凝液，与传统的冷凝液进入下一管程不同，所述的旁路管道5能直接的把液体排出，避免了冷凝液进入下一管程而影响冷凝器的冷凝效果。所述的每个分液隔板，其下面布置一块倾斜盲板，其水平倾斜角为15°～60°之间的任意角度，用来疏导冷凝液。 [0038] 进一步地，分液冷凝器Ⅵ还设置有阀门，通过操作不同阀门的关闭，来改变流体的流路，将能实现混合工质组分的调控。所述的阀门还具有减压作用，防止液体喷涌而出，同时能使阀门与分液隔板之间保存有足够的液体，对气体进行液封，确保气体能继续进入换热管24冷凝。每个分液节点的出口管道上都布置有水平和竖直的阀门。打开水平阀门，将把冷凝液导向高沸点混合工质储液罐Ⅷ。打开竖直阀门，将把冷凝液导向低沸点混合工质储液罐Ⅶ。若需要降低高沸点混合工质储液罐Ⅷ高沸点组分的比例，只需要从上到下依次打开水平阀门即可。而其它分液节点处，只需要打开竖直布置的阀门。由于工质流量和组分都会影响系统的性能，而在不同的位置进行分液，都会改变蒸发器Ⅰ和蒸发器Ⅱ工质流量和组分，因此需要综合考虑分液位置。 [0039] 为便于理解，本发明实施例中利用R134a/R245fa非共沸混合工质为例子，对本发明实施例提供的一种分液冷凝变组分多压蒸发的ORC系统的工作原理进行详细的描述。 [0040] 低沸点混合工质存储在低沸点混合工质储液罐Ⅶ，高沸点混合工质存储在高沸点混合工质储液罐Ⅷ，系统运行之后，低沸点混合工质在低压泵Ⅹ的加压下，经过管道进入低压蒸发器Ⅰ蒸发，工质吸热之后成为高温高压蒸汽，进而进入膨胀机Ⅲ膨胀做工。此时的高沸点混合工质在经过高压蒸发器Ⅱ蒸发后，也成为高温高压蒸汽，也进入膨胀机Ⅲ膨胀做工。两股流体在膨胀机内混合后，成为乏汽，再进入分液冷凝器进行冷凝，在冷凝的过程中，在适当的干度下进行分液，分离出来的高沸点组分进入高沸点混合工质储液罐Ⅷ。而最后冷凝出来的低沸点组分进入低沸点混合工质储液罐Ⅶ。从而完成一个循环。此外，低压蒸发器Ⅰ和高压蒸发器Ⅱ共用一个热源，废热源先从高压蒸发器Ⅱ的废热源进口a进入，再从高压蒸发器Ⅱ的废热源出口b出去，然后再进入低压蒸发器Ⅰ的废热源入口c，最后从低压蒸发器Ⅰ的废热源出口d排出。 [0041] 其中，分液冷凝器Ⅵ还设置有阀门，用于调控混合工质的组分；当热源的温度发生变化的时候，可以通过调节分液冷凝器Ⅵ旁的阀门，对混合工质的组分进行调控，利用分液冷凝来改变非共沸混合工质的组分，能有效地与热源进行匹配，缩小了变相过程中的传热温差、减小了过程的不可逆损失，可显著提高系统循环效率。 [0042] 以上为对本发明实施例提供的一种分液冷凝变组分多压蒸发的ORC系统的工作原理的详细描述，以下将以一具体实施例对本发明实施例提供的分液冷凝变组分多压蒸发的ORC系统进行进一步的详细描述。 [0043] 本发明实施例中选取R134a/R245fa非共沸混合工质作为工质，利用数学建模软件GAMS对传统非共沸有机朗肯循环(BZORC)和分液冷凝多压蒸发的有机朗肯循环系统(LMZORC)进行建模优化。其初始的有关参数如表1： [0044] 表1 [0045] [0046] [0047] 表2 [0048] 通过优化计算后的结果如表2所示，通过与传统的非共沸工质有机朗肯循环对比可知，LMZORC系统的热效率能提高15.28％， 效率可提高11.19％，其总 损降低了12.47％，纯输出功增加了11.3％。 [0049] 很显然，本发明实施例中提供的兼具“分液冷凝、组分调控、多压蒸发”功能的分液冷凝变组分多压蒸发的ORC系统具有提高热效率和降低 损的工程运用潜力。 [0050] 所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。 [0051] 以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。 |
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