CN101344075B - 自复叠式太阳能低温朗肯循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自复叠式太阳能低温朗肯循环的系统。利用非共沸二元工质在相变时的特性分别在两级汽轮机中膨胀做功。太阳能集热器接于气液分离器，第一级汽轮机接于气液分离器的上部，其出口端接于外部热交换器的低压入口侧，低压出口侧接于工质泵与太阳能集热器之间。气液分离器出液端接于外部热交换器的高压入口侧，高压出口侧接于第二级汽轮机入口，汽轮机出口端接至冷凝器，冷凝器接至工质泵。汽轮机各自均带有发电机。根据所选工质的性质，汽轮机也可以用膨胀机代替。同常规的低温朗肯循环相比具有循环效率高的特点，系统中没有额外增加工质循环泵和换热设备，而且可以节省低温级朗肯循环系统中太阳能集热器的面积，降低系统成本。

Description

自复叠式太阳能低温朗肯循环系统

技术领域

本发明属于太阳能热发电设备，具体涉及到自复叠式太阳能低温朗肯循环的系统。

背景技术

太阳能低温朗循环系统可利用常规的太阳能集热器、换热器、工质泵、小型膨胀机或汽轮机、发电机等设备，来实现太阳能至机械能或电能的转换。当前太阳能低温朗肯循环技术的方向发展在于提高系统的效率，降低系统的成本。因此目前针对低温太阳能朗肯循环的研究主要集中在朗肯循环适用工质的选择和循环系统的优化设计上，目前投入使用的太阳能低温朗肯循环系统主要是采用纯工质的单级朗肯循环系统。工质经过一次膨胀后直接进入冷凝器(风冷或水冷)冷凝，大量的冷凝热被直接排入环境，系统的热效率较低。同时由于工质的热量来自太阳能辐射，被排放的、未加利用的冷凝热实际上增加了系统太阳能集热器的使用面积，这就增加了系统的成本，降低了系统的经济性。因此为进一步提高朗肯循环效率，需要充分利用集热器的热量，本发明从系统优化设计方面提出了一种新方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种自复叠式太阳能低温朗肯循环系统，使太阳能集热器的热量得到充分利用，达到提高朗肯循环系统热效率，降低太阳能集热器使用面积，提高系统经济性的目的。

以下结合附图对本发明的原理进行说明。自复叠式太阳能低温朗肯循环系统，具有太阳能集热器、气液分离器、汽轮机、发电机、外部热交换器、冷凝器、工质泵等，其具体连接如图1所示。二元非共沸工质(非共沸工质，是由两种或多种工质按照一定比例混合而成，其液相和气相中具有不同的组成成分，并且在一定压力下冷凝或蒸发时，冷凝温度和蒸发温度都要发生变化)在太阳能集热器中受热蒸发为高温高压气液混合工质，然后进入气液分离器中进行分离，高温高压气态工质进入第一级汽轮机中做功发电。做完功后的乏气在外部热交换器中与来自气液分离器中的液体工质进行热交换(如图2中的1→2→3-1→4→1)，即低压乏气将气液分离器中分离出的液态工质进行加热。获得热量后的高温高压气态工质进入第二级汽轮机中做功发电，从而二元非共沸工质在系统中进行了两次膨胀做功(如图2中的2→4→3-2→5→6→1)。从第二级汽轮机出来的乏气在冷凝器中被冷凝为液态，通过工质泵与外部热交换器出来的气液两相工质汇合，进入太阳能集热器重新循环。根据所选择的循环工质性质，第一级或第二级汽轮机也可以用膨胀机代替。

附图说明

图1本发明结构原理及设备连接示意图。其中在外部换热器中a进b出；c进d出。

图2本发明的循环工质流程图。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明作进一步的说明。本发明所说的低温朗肯循环是指：工质蒸发温度在150℃以下的朗肯循环。

太阳能集热器1工质侧出口接于气液分离器2，第一级汽轮机3-1的工质入口端接于气液分离器2的上部。第一级汽轮机3-1的工质出口端接于外部热交换器4的低压乏气换热入口侧，外部热交换器4的低压乏气换热出口侧通过工质管路接于工质泵6与太阳能集热器1之间。气液分离器2出液端接于外部热交换器4的高压液体换热入口侧，外部热交换器4的高压液体换热出口接于第二级汽轮机3-2的工质入口端，第二级汽轮机3-2的工质出口端由管路接至冷凝器5的工质侧进口，冷凝器5的工质侧出口接至工质泵6(如图1)。第一级或第二级汽轮机各自均带有发电机7。

对于本实施例而言，循环工质是由R290(丙烷)和R245fa组成的二元非共沸工质，组元工质的特性参数如表1。

表1.组元工质的特性参数

二元混合非共沸工质在集热器1中吸收太阳的辐射能量形成高温高压的气液两相工质，进入气液分离器2进行工质的气相和液相分离。分离出来的气相工质进入第一级汽轮机3-1中膨胀做功。从第一级汽轮机3-1排出的低压乏气首先进入外部换热器4，同来自气液分离器的高压液态工质换热，乏气的温度得到降低，成为气液两相工质；而高压液态工质经过换热后温度得到提升，进入第二级汽轮机3-2膨胀做功，从第二级汽轮机3-2出来的乏气排入冷凝器5，乏气经过冷凝后的工质成为液体，进一步同外部换热器4出来的气液两相工质汇合，进入太阳能集热器1从而完成一个循环。

自复叠式太阳能低温朗肯循环系统的运行工况取为：系统平均蒸发温度为90℃，平均冷凝温度(环境温度)为30℃；汽轮机内的膨胀过程为等熵膨胀；工质在工质泵内的压缩过程视为等熵压缩；工质在外部换热器中的换热过程无热量损失。根据循环计算，上述系统循环实施例的有关参数和循环性能指标如下表2所示。

设定在相同的蒸发和冷凝温度下，集热器吸热量为453.2Kw时，若采用R290纯工质做单级朗肯循环，其循环效率为8.16％；若用R245fa纯工质做单级朗肯循环，其循环效率为11.89％；而采用自复叠式朗肯循环技术后，利用二元非共沸工质的特性，系统循环效率为13.86％，此时集热器吸热量仅为226.6Kw，相当于单级(纯工质)朗肯循环吸热量的1/2，这就意味着集热器的面积可以减少一半，从而可以使系统的成本减低。

本发明具有以下几点有益效果：

(1)充分利用非共沸工质在相变时的特性，使集热器的热量得到有效利用，从而减少集热器的使用面积，降低系统成本；(2)采用外部换热器，可实现相邻两级朗肯循环的工质换热，实现了乏气热量的梯级利用；(3)本系统可在常规的低温太阳能系统上进行改造，而不需投入过多的成本；(4)选择非共沸工质，可以简化汽轮或膨胀机的结构，扩展汽轮机的适用范围。

表2.实施例循环性能参数

名称	循环参数
		循环工质	R290/R245fa
系统工质总流量(kg/s)	2.0
		流经第一级汽轮机工质流量(kg/s)	1.1
流经第二级汽轮机工质流量(kg/s)	0.9
		第一、二级汽轮机进口压力(MPa)	1.7
第一级汽轮机(3-1)乏气压力(MPa)	1.5
		第二级汽轮机(3-2)乏气压力(MPa)	0.42
集热器(1)入口工质温度(℃)	75.89
		第一级汽轮机(3-1)入口蒸气温度(℃)	133.0
第一级汽轮机(3-1)出口乏气温度(℃)	128.8
		气液分离器(2)出口液体的温度(℃)	79.64
第二级汽轮机(3-2)入口蒸气温度(℃)	117
		第二级汽轮机(3-2)出口乏气温度(℃)	74.23
冷凝器(5)出口温度(℃)	12.08
		集热器吸收太阳能热量(kW)	226.6
第一级汽轮机做功(kW)	3.41
		第二级汽轮机做功(kW)	28.8
工质泵耗功(kW)	0.81
		循环输出净功(kW)	31.4
系统朗肯循环效率	13.86％

Claims (3)

1.自复叠式太阳能低温朗肯循环系统，具有太阳能集热器、气液分离器、汽轮机、发电机、外部热交换器、冷凝器、工质泵，其特征是太阳能集热器(1)工质侧出口接于气液分离器(2)，第一级汽轮机(3-1)的工质入口端接于气液分离器(2)的上部，第一级汽轮机(3-1)的工质出口端接于外部热交换器(4)的低压乏气换热入口侧，外部热交换器(4)的低压乏气换热出口侧通过工质管路接于工质泵(6)与太阳能集热器(1)之间，气液分离器(2)出液端接于外部热交换器(4)的高压液体气换热入口侧，外部热交换器(4)的高压液体气换热出口接于第二级汽轮机(3-2)的工质入口端，第二级汽轮机(3-2)的工质出口端由管路接至冷凝器(5)的工质侧进口，冷凝器(5)的工质侧出口接至工质泵(6)，所述工质是二元混合非共沸制冷工质。

2.按照权利要求1所述的自复叠式太阳能低温朗肯循环系统，其特征是所述第一级或第二级汽轮机各自均带有发电机(7)。

3.按照权利要求1或2所述的自复叠式太阳能低温朗肯循环系统，其特征是所述的第一级或第二级汽轮机也可以是膨胀机。

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