一种热驱动朗肯循环系统

1.本发明涉及一种低品位能源利用技术领域，特别涉及一种热驱动朗肯循环系统。


背景技术：

2.根据余热分类及其梯级综合利用基本原则，高温余热(500℃以上)及中温余热(200℃～500℃)的回收利用技术已经较为成熟，而低温热能，即品位相对较低的热能(一般温度低于200℃)回收利用技术难度较大，在稳定性、经济性以及回收效率等方面还存在一些问题。
3.有机朗肯循环(orc)发电可以实现热能到动能再到电能的转化，该系统适用于350℃以下热源发电，是低温热源转化为高品位电能的重要技术途径之一。图1为常见的有机朗肯循环示意图，一般的有机朗肯循环包括热源1、汽轮机2、冷凝器3、泵4等。
4.有机朗肯循环选用的介质一般为沸点比较低的有机物，在较低的温度下也能获得压力较高的蒸气。现有产业化中，美国的mti公司研发了orc余热发电系统，并将其应用于对工厂115℃余热资源的回收利用；ormat公司将低温orc发电技术应用于回收利用100℃至250℃的低品位热源。
5.但使用现有的有机朗肯循环，效率受热源温度限制较大，当热源温度低于100℃时，其有机工质蒸气压力较低，系统运转效率较差，几乎无法实现将低品位热能转换为高品位电能的目的。而热源温度低于100℃的低品位热能十分普遍，低品位热能除了工业余热之外，还包括生物质能、太阳能、地热能，以及更低温度的海洋温差能等可再生能源，热源温度均较低，能量密度相对较小。为有效利用这些温度较低的低品位热能并带动有机朗肯循环膨胀机发电，还需进一步进行系统设计和优化。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种热驱动朗肯循环系统，该系统可以有效利用100℃以下的低品位热能。
7.为实现上述发明目的，本发明提供了如下技术方案。
8.一种热驱动朗肯循环系统，包括发生器、增压机组件、涡流管、换热器、膨胀机、阀件，所述发生器存在两相饱和工质，所述发生器以使用低品位能源对液相工质加热，产生饱和蒸汽，所述增压机组件包括增压机、阀控系统，所述增压机包括机体、活塞、弹簧，所述机体开设低压腔、高压腔，所述活塞隔绝所述低压腔、所述高压腔，所述活塞包括低压端、高压端，所述低压端的横截面积与所述低压腔的横截面积相适应，所述高压端的横截面积与所述高压腔的横截面积相适应，所述低压端的横截面积大于所述高压端的横截面积从而所述低压腔与所述高压腔的压强相等时，所述活塞会压缩所述高压腔内的流体，所述弹簧一端与所述活塞抵接，另一端与所述机体抵接，所述弹簧可以在一定条件下驱动所述活塞运动使所述高压腔的体积增大，所述阀控系统可以控制所述发生器产生的饱和蒸汽进入所述低压腔或高压腔，也可以控制所述低压腔或所述高压腔内的流体流出，所述涡流管包括高压
气源入口、冷端出口、热端出口，流出所述低压腔的流体进入所述高压气源入口，定义从所述高压腔流出的流体为工作流体，从所述热端出口流出的流体进入所述换热器加热工作流体，使工作流体处于高温高压状态，流出所述换热器的工作流体进而进入所述膨胀机对外做功，流出所述冷端出口的流体以及流出所述膨胀机的流体经处理后流回所述发生器，所述阀件控制所述发生器产生的高温、高压蒸汽进入所述高压气源入口的流量。这样，通过设置增压机组件，不输入外部能源即可实现流体压力的提升，同时通过设置涡流管，在不输入外部能源即可实现流体的加热，从而获得高温高压流体，能够带动膨胀机对外做功，实现100℃以下的低品位热能的有效利用，同时，阀件控制发生器与高压气源入口之间的流量，可以匹配换热器所需的热量。
9.进一步，所述阀控系统包括第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀，所述第一控制阀设置于所述发生器与所述低压腔之间的管路上，控制所述发生器流入所述低压腔的流体流量，所述第二控制阀设置于所述发生器与所述高压腔之间的管路上，控制所述发生器流入所述高压腔的流体流量，所述第三控制阀设置于所述涡流管与所述低压腔之间的管路上，控制由所述低压腔流入所述涡流管的流体流量，所述第四控制阀设置于所述换热器与所述高压腔之间的管路上，控制由所述高压腔流入所述换热器的流量；所述阀件设置于发生器与所述高压气源入口之间的管路上。通过阀控系统设置，实现对系统的调控作用。
10.进一步，热驱动朗肯循环系统包括第一冷凝器、第二冷凝器、储液罐、泵，所述所述冷端出口的流体进入所述第二冷凝器冷凝，所述热端出口的流体进入流经所述换热器后进入所述第二冷凝器冷凝，经过所述第二冷凝器冷凝后的流体进入所述储液罐，流出所述膨胀机的流体进入所述第一冷凝器冷凝，经过所述第一冷凝器冷凝后的流体进入所述储液罐，所述储液罐内的液体经泵加压后进入所述发生器。
11.进一步，系统工质选用干工质。选用干工质可以达到避免部分设备内工质工况变化引起的气液相变，如避免涡流管13喷嘴和膨胀机16内工质的降压液化，进而避免设备的液击问题。
12.进一步，所述干工质为r245fa或r365mfc。
13.进一步，所述膨胀机进出口设置温度、压力监控元件，以所述膨胀机进出口处工质过热度为调节依据控制所述阀件的相对开度。膨胀机进出口设置温度监控元件，比如温度压力元件，以确保工质所处状态，使膨胀机16进出口处的工质均处于过热状态。
14.进一步，涡流管冷流比选择0.7～0.8。
15.进一步，所述高压端的横截面积与所述低压端的横截面积的比值为1:2～1:3。
16.进一步，并联设置多个增压机组件。
附图说明
17.图1是常见的朗肯循环系统示意图。
18.图2是本发明一种热驱动朗肯循环系统示意图。
19.图3是本发明另一种热驱动朗肯循环系统示意图。
20.图4是本文中所述干工质的t-s图示意图。
具体实施方式
21.图2示意了一种热驱动朗肯循环系统，包括发生器11、增压机组件12、涡流管13、换热器14、第一冷凝器15、膨胀机16、第二冷凝器17、储液罐18、泵19、阀件10以及连接各组成部分的管道等。
22.发生器11内存在两相饱和工质，发生器11以低品位能源为热源对两相饱和加热，产生饱和蒸汽。
23.增压机组件12包括增压机121、阀控系统120，阀控系统120包括第一控制阀122、第二控制阀123、第三控制阀124、第四控制阀125。
24.增压机121包括机体1210、活塞1213、弹簧1216。机体1210开设低压腔1211、高压腔1212。活塞1213分割低压腔1211、高压腔1212。活塞1213包括低压端1214、高压端1215，低压端1214的横截面积与低压腔1211的横截面积相适应，高压端1215的横截面积与高压腔1212的横截面积相适应。低压端1214的横截面积大于高压端1215的横截面积，低压端1214的横截面积与高压端1215的横截面积的比值可以根据设计工况在设计时决定，设备生产中，一般以2:1～3.1之间进行设计。弹簧1216一端与活塞抵接，另一端与机体1210抵接，因此随着活塞的移动，弹簧1216产生压缩或拉伸状态的变化。弹簧1216可以在一定条件下使高压腔1212的体积增大。
25.涡流管13包括高压气源入口131、冷端出口132、热端出口133。
26.发生器11产生的高温、高压蒸汽一部分通过管路连接流入涡流管13的高压气源入口131，一部分通过管路连接流入增压机121的低压腔1211，一部分通过管路连接流入增压机121的高压腔1212。
27.阀件10设置于发生器11与涡流管13高压气源入口131之间的管路上，控制发生器11流入高压气源入口131的流体流量。控制阀件10的开度，从而保证第三控制阀124后管路内工质压力大于阀件10后工质压力，以确保由增压机低压腔1211流出的工质可顺利流入涡流管13高压气源入口131内。发生器11与涡流管13高压气源入口131之间设置管路是为了调节控制涡流管13的工作流量，使得热端出口133的流量可以匹配换热器14的热量需求。
28.第一控制阀122设置于发生器11与低压腔1211之间的管路上，控制发生器11流入低压腔1211的流体流量。第二控制阀123设置于发生器11与高压腔1212之间的管路上，控制发生器11流入高压腔1212的流体流量。
29.第三控制阀124设置于涡流管13与低压腔1211之间的管路上，控制由低压腔1211流入涡流管13的流体流量。第四控制阀125设置于换热器14与高压腔1212之间的管路上，控制由高压腔1212流入换热器14的流量。
30.定义由高压腔1212流出的流体为工作流体。
31.流出涡流管13的冷端出口132的流体称为冷流体，冷流体进入第二冷凝器17冷凝。流出涡流管13的热端出口133的流体称为高温流体，高温流体进入换热器14加热换热器14内的工作流体，然后流出换热器14，进入第二冷凝器17冷凝。经过第二冷凝器17冷凝后的流体进入储液罐18。冷流体以及经过换热器14的高温流体可以先混合后进入第二冷凝器17，也可以各自分别进入第二冷凝器17。热端出口133可以设置热端调节阀1331，控制冷端出口132、热端出口133的流体的流体的状态。
32.涡流管冷流比选择0.7～0.8具有较好的效果，可实现一定工况下冷热工质温度分
离大于100℃。
33.流出换热器14的工作流体处于高温高压状态，进入膨胀机16，实现对外做功。膨胀机16进出口设置温度监控元件，比如温度压力元件，以确保工质所处状态，使膨胀机16进出口处的工质均处于过热状态，过热度根据工质的具体性质设置，以工质r245fa为例，过热度不低于5℃。同时，以膨胀机16进出口处工质过热度为调节依据控制阀件10的相对开度。
34.流出膨胀机16的工作流体进入第一冷凝器15冷凝，冷凝后的工作流体进入储液罐18。
35.储液罐18内的液体经泵19加压进入发生器11。
36.系统工质选用干工质，如r245fa、r365mfc等，可以达到避免部分设备内工质工况变化引起的气液相变，如避免涡流管13喷嘴和膨胀机16内工质的降压液化，进而避免设备的液击问题。本文中，干工质是指温熵图饱和蒸汽线的斜率的倒数为正(ζ＝ds/dt》0)，其t-s图如图4所示。
37.图1所示实施例的具体原理如下：
38.在增压机高压排气行程中，第一控制阀122、第四控制阀125开启，第二控制阀123、第三控制阀124关闭，低压工质由发生器流入增压机机体低压腔1211内，高压工质由增压机机体高压腔1212流出。
39.当增压机机体高压腔1212与增压机机体低压腔1211内工质压力相等时，继续通过控制第一控制阀122开度控制由发生器11流入增压机机体低压腔1211的工质流量，并关闭第二控制阀123。由于低压端活塞1214的横截面积大于高压端活塞1215的横截面积，致使增压机活塞组件在增压机机体高压腔1212与增压机机体低压腔1211内工质对活塞作用力差的驱动下而运动，进而实现对增压机机体高压腔1212内工质的升压处理。此时，增压机活塞组件的运动使弹簧1216拉伸或压缩状态发生响应变化(图1所示的实施例弹簧处于拉伸状态，在另外实施例中也可以设置为压缩状态)。
40.在增压机高压进气行程中，第一控制阀122、第四控制阀125关闭，第二控制阀123、第三控制阀124开启，增压机机体低压腔1211内工质流向涡流管高压气源入口131，增压机机体低压腔1211内工质压力降低。由发生器11流出的饱和工质流进增压机机体高压腔1212内，对腔体内工质进行补充。此外，弹簧1216为增压机活塞组件的运动提供部分动力。
41.系统运转中，第一控制阀122、第二控制阀123、第三控制阀124、第四控制阀125、阀件10的控制策略需根据实际工况进行确定。
42.应当说明，本文中，阀件10、第一控制阀122、第二控制阀123、第三控制阀124、第四控制阀125可以根据实际需要选择，主要选择开度可调节阀和启闭可控状态的阀，以满足工质流量、压力等工况调节需求。
43.图1所示的实施例，当选用工质r245fa，热源温度为70摄氏度，发生器发生压力为609.33kpa，经过增压机(增压比设计为1:3)后压力为1,827.99kpa，通过涡流温度分离后的热流体加热为125摄氏度，经膨胀机膨胀到178kpa并带动膨胀机做功(发电)。
44.在图1所示实施例中，增压机组件12的数量为1，运行具有间断性。为了弥补自增压机运行的间断性，保证发电机组运行的连续性，在另外的实施例中，可以并联设置多个增压机组件12，如图3即为增压机组件12数量为2的实施例(并联支路设置有控制阀21、22)。图3所示实施例中，当工质选用r365mfc，热源温度为80℃，发生器发生压力为351.81kpa，经过
增压机(增压比设计为1:3)后的压力为1055.43kpa，膨胀至70kpa并带动膨胀机做功(发电)。
45.应当说明，本文中的“高温”、“高压”、“低温”、“低压”均是根据在系统中的相对大小确定，并不表示特定的温度范围或压强范围，比如，对气体进行了加热，那么加热前低温、加热后为高温。

技术特征：
1.一种热驱动朗肯循环系统，其特征在于，包括发生器、增压机组件、涡流管、换热器、膨胀机、阀件，所述发生器存在两相饱和工质，所述发生器以使用低品位能源对液相工质加热，产生饱和蒸汽，所述增压机组件包括增压机、阀控系统，所述增压机包括机体、活塞、弹簧，所述机体开设低压腔、高压腔，所述活塞隔绝所述低压腔、所述高压腔，所述活塞包括低压端、高压端，所述低压端的横截面积与所述低压腔的横截面积相适应，所述高压端的横截面积与所述高压腔的横截面积相适应，所述低压端的横截面积大于所述高压端的横截面积从而所述低压腔与所述高压腔的压强相等时，所述活塞会压缩所述高压腔内的流体，所述弹簧一端与所述活塞抵接，另一端与所述机体抵接，所述弹簧可以在一定条件下驱动所述活塞运动使所述高压腔的体积增大，所述阀控系统可以控制所述发生器产生的饱和蒸汽进入所述低压腔或高压腔，也可以控制所述低压腔或所述高压腔内的流体流出，所述涡流管包括高压气源入口、冷端出口、热端出口，流出所述低压腔的流体进入所述高压气源入口，定义从所述高压腔流出的流体为工作流体，从所述热端出口流出的流体进入所述换热器加热工作流体，使工作流体处于高温高压状态，流出所述换热器的工作流体进而进入所述膨胀机对外做功，流出所述冷端出口的流体以及流出所述膨胀机的流体经处理后流回所述发生器，所述阀件控制所述发生器产生的高温、高压蒸汽进入所述高压气源入口的流量。2.根据权利要求1所述的热驱动朗肯循环系统，其特征在于，所述阀控系统包括第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀，所述第一控制阀设置于所述发生器与所述低压腔之间的管路上，控制所述发生器流入所述低压腔的流体流量，所述第二控制阀设置于所述发生器与所述高压腔之间的管路上，控制所述发生器流入所述高压腔的流体流量，所述第三控制阀设置于所述涡流管与所述低压腔之间的管路上，控制由所述低压腔流入所述涡流管的流体流量，所述第四控制阀设置于所述换热器与所述高压腔之间的管路上，控制由所述高压腔流入所述换热器的流量；所述阀件设置于发生器与所述高压气源入口之间的管路上。3.根据权利要求2所述的热驱动朗肯循环系统，其特征在于，包括第一冷凝器、第二冷凝器、储液罐、泵，所述所述冷端出口的流体进入所述第二冷凝器冷凝，所述热端出口的流体进入流经所述换热器后进入所述第二冷凝器冷凝，经过所述第二冷凝器冷凝后的流体进入所述储液罐，流出所述膨胀机的流体进入所述第一冷凝器冷凝，经过所述第一冷凝器冷凝后的流体进入所述储液罐，所述储液罐内的液体经泵加压后进入所述发生器。4.根据权利要求1-3任一项所述的热驱动朗肯循环系统，其特征在于，系统工质选用干工质。5.根据权利要求4所述的热驱动朗肯循环系统，其特征在于，所述干工质为r245fa或r365mfc。6.根据权利要求4所述的热驱动朗肯循环系统，其特征在于，所述膨胀机进出口设置温度、压力监控元件，以所述膨胀机进出口处工质过热度为调节依据控制所述阀件的相对开度。7.根据权利要求1-3任一项所述的热驱动朗肯循环系统，其特征在于，涡流管冷流比选择0.7～0.8。8.根据权利要求1-3任一项所述的热驱动朗肯循环系统，其特征在于，所述高压端的横截面积与所述低压端的横截面积的比值为1:2～1:3。
9.根据权利要求1-3任一项所述的热驱动朗肯循环系统，其特征在于，并联设置多个增压机组件。

技术总结
一种热驱动朗肯循环系统，通过设置增压机组件、涡流管，在不输入外部能源的情形下，仅利用低品位热能即可实现流体压力和温度的提升，从而获得高温高压流体，带动膨胀机对外做功，实现100℃以下的低品位热能的有效利用，同时，阀件控制发生器与高压气源入口之间的流量，可以匹配换热器所需的热量。以匹配换热器所需的热量。以匹配换热器所需的热量。


技术研发人员：黎念 李庆普 陈光明 徐象国 周静怡 高能 高志华
受保护的技术使用者：浙江大学宁波“五位一体”校区教育发展中心
技术研发日：2023.03.07
技术公布日：2023/7/4