CN102312688B

CN102312688B - 一种利用低温余热回收的发电装置

Info

Publication number: CN102312688B
Application number: CN201110279109.XA
Authority: CN
Inventors: 简弃非; 邱小亮; 邓宏杰
Original assignee: GUANGZHOU SAIWELL THERMAL EQUIPMENT CO Ltd; South China University of Technology SCUT
Current assignee: GUANGZHOU SAIWELL THERMAL EQUIPMENT CO Ltd; South China University of Technology SCUT
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2031-09-20
Also published as: CN102312688A

Abstract

本发明公开了一种利用低温余热回收的发电装置，包括热转换器、透平、冷凝器、储液器、第一工质泵、回热器和第二工质泵；热转换器通过出液管连接透平，透平与冷凝器连接，透平输出轴与发电机连接，带动发电机发电；热交换器为下大上小的锥形空腔结构，包括不锈钢外壳、排气管道和保温材料；内壁涂有保温材料的不锈钢外壳形成上顶面是半圆形的锥形空腔，锥形空腔上部半圆形的直径和下底面的直径长度比为1∶2～3；热交换器的不锈钢外壳内壁的上半部为波纹结构。热交换器内设置锥形的空心结构使通过热交换器加热的工质变成过热蒸汽，用于驱动透平带动发电机工作。本发明适合于机场、车站、商场等场所的中央空调余热需要排放的地方。

Description

一种利用低温余热回收的发电装置

技术领域

本发明涉及一种发电的生产设备，具体涉及一种利用低温余热回收的发电装置。通过热转换器加热使工质达变为过热蒸汽，特别适用于大型中央空调机组余热回收以及印染厂污水中低温废热回收。

背景技术

据统计，全球现在被排弃的能量约占总用能量的74%，从能量品位看约占2/3甚至更多是低温余热。现有低温余热回收装置，大部分是单纯的热回收，只有小部分是余热回收发电装置。就是这一小部分余热回收发电装置，也大部分集中在像水泥、钢铁行业这种传统的高耗能行业。虽然低温余热的动力回收比单纯的热回收复杂的多，难度也高，但是随着世界能源的短缺，进行低温发电技术研究是必然趋势。这样就不让大量低温废热排入环境，既节约了能源，有保护了环境。

中国发明专利200510032362.X公开了一种利用中央空调余热加工热水的方法，该方法包括如下步骤：(1)在中央空调冷凝器高温区2处加装一隔水器，隔水器包容高温区50％～100％的冷凝管并形成独立封闭的换热区间；(2)将隔水器输出端管接热水箱输入端，热水箱输出端管接隔水器输入端，使热水箱内盛水由隔水器输入端进入冷凝器高温区经冷凝管散发之余热加热后，再由隔水器输出端返回热水箱形成循环水加热。由于发明专利200510032362.X存在改动原空调机组冷凝器和加装设备后易造成发电工质泄露的缺陷，所以此发明专利所涉及的设备不宜作为发电装置。再例如：中国实用新型专利200520063267.1公开了一种印染废水余热回收装置，该装置在印染机热水池的溢水口的废水经过废水过滤池过滤，然后送到热交换器，把热量传给从入水口来的清水，温度上升的清水进入热水池减少了蒸汽的消耗。由于带有余热的废水跟发电工质的流量不是相等的，采用的常规板式换热器会使板两侧流体流速不相等，容易使换热器变形，所以也不宜采用此实用新型公布的余热回收装置来进行发电。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高效、稳定、可靠的低温余热回收发电装置，解决现有设备难以有效回收的低温余热形成的巨大能源浪费和严重的热污染，而将废热进行动力回收，提高能量利用的灵活性。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种利用低温余热回收的发电装置，包括热转换器、透平、冷凝器、储液器、第一工质泵、回热器和第二工质泵；热转换器通过出液管连接透平，透平与冷凝器连接，冷凝器与储液器连接，储液器通过并联管路与回热器连接，并联管道的支路一设有阀门，并联管路的支路二设有阀门和第一工质泵；回热器通过第二工质泵与热转换器连接；透平还与回热器连接，热转换器还与冷凝器连接，透平输出轴与发电机连接，带动发电机发电；

所述热转换器为下大上小的锥形空腔结构，包括不锈钢外壳、排气管道和保温材料；内壁涂有保温材料的不锈钢外壳形成上顶面是半圆形的锥形空腔，锥形空腔上部半圆形的直径和下底面的直径长度比为1：（2～3）；空心结构上顶面和下底面密封；在锥形空腔上部半圆形上设有发电工质出口，发电工质出口为下端开口大，上端开口小的喇叭状，开口朝下；喇叭状的设计增大了与气流的接触面积，更容易使液滴附着到壁面上，促进了发电工质的气化；有利于发电工质的气液分离，避免液体通过发电工质出口进入透平，影响发电和透平的性能；热转换器的下底面开有发电工质进口，排气管直接穿过锥形空腔中心；热转换器的不锈钢外壳内壁的上半部为波纹结构，波纹状的不锈钢外壳内壁增大了气流与壁面的接触面积，更容易使液滴附着到壁面上，促进了发电工质液滴的气化。

为进一步实现本发明目的，所述锥形空腔的容量优选为4～6升。

所述排气管外表面优选涂有导热材料。

所述导热材料优选为导热硅质。

所述锥形空腔上部半圆形的直径和下底面的直径长度比优选为1：2。

本发明相对于现有技术具有如下优点和有益效果：

本发明通过热转换器内设置锥形的空心结构，并且将空心结构的容量控制在4～6升的范围，热转换器空心结构上顶面的直径和下底面的直径比例为1：2～3，使通过热转换器加热的工质变为蒸汽，热转换器内壁上半部分波纹状的设计、上表面半圆形的设计和蒸汽出口端喇叭状的设计都是为了使气液分离，避免液体进入透平，影响发电和透平的性能。本发明对于中央空调机组、钢铁厂等地方的以往难以回收的低温废热进行动力回收，提高了能量利用的灵活性。安装在中央空调机组上时，还可有效地促进压缩机排气管的散热，降低了压缩机的排气口温度，降低了压缩机的排气压力，使压缩机工作在正常工作状态(排气温度、压力保持最佳工况)，达到中央空调压缩机节能降耗的效果（冷凝温度降低1℃，空调电耗降低4％）。本发明装置是一种节能而又实用的加热低温余热回收发电装置。

附图说明

图1为低温余热回收发电装置的结构示意图。

图2为图1中热转换器的结构示意图。

图3是图2的A处的局部放大图。

图4是图2的B处的局部放大图。

图5为央空调余热回收装置结构示意图。

图6为带有控制装置的中央空调余热回收装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述，但是本发明要求保护的范围并不局限于具体实施方式表述的范围。

如图1所示，一种利用低温余热回收的发电装置，包括热转换器1、透平2、冷凝器3、储液器4、第一工质泵5、回热器6和第二工质泵7；热转换器1通过出液管连接透平2，透平2与冷凝器3连接，冷凝器3与储液器4连接，储液器4通过并联管路与回热器6连接，并联管道的支路一设有阀门，并联管路的支路二设有阀门和第一工质泵5；回热器6通过第二工质泵7与热转换器1连接；透平2还与回热器6连接，热转换器1还与冷凝器3连接，透平2输出轴与发电机连接，带动发电机发电。安装回热器6可提高工质温度，保证工质在热转换器1中能充分气化。

如图2‐4所示，热转换器1为下大上小的锥形空腔结构，包括不锈钢外壳17、涂有导热硅质的排气管道18和保温材料19；内壁涂有保温材料19的不锈钢外壳17形成上顶面是半圆形的锥形空腔，锥形空腔上部半圆形的直径和下底面的直径长度比为1：（2～3）；空心结构上顶面和下底面密封，锥形空腔的容量优选控制在4～6升的范围；在锥形空腔上部半圆形上设有发电工质出口25，发电工质出口25为下端开口大，上端开口小的喇叭状，开口朝下；热转换器的下底面开有发电工质进口24，涂有导热硅质的排气管18直接穿过锥形空腔中心；热转换器的不锈钢外壳17内壁的上半部为波纹结构；不锈钢外壳17内壁的波纹结构以及发电工质出口25的喇叭状结构设计有利于发电工质的气液分离，避免液体通过发电工质出口25进入透平2，影响发电和透平的性能。携带小液滴的气流在流经波纹状结构时，波纹状的不锈钢外壳17内壁增大了气流与壁面的接触面积，更容易使液滴附着到壁面上，促进了发电工质液滴的气化；夹带液滴的气流在流经波纹结构时，因为波纹结构存在一定的弧度，使气体沿着弧状壁面流动改变了气体的流动速度，使液滴被甩到壁面上，使液滴沿壁面流下；气流沿壁面流动，改变了气流方向与重力的之间的夹角，也能使液滴受重力影响落下来，实现气液分离。经过一级级波纹状结构的作用，大部分的液滴已被分离，这时气流到达热转换器顶部，半圆状的顶部与波纹状结构的作用是相同的。气流向下回流进入喇叭状的开口，这时气流中含的液滴已经非常少，喇叭状的设计增大了与气流的接触面积，更容易使液滴附着到壁面上，也促进了发电工质的气化。这时进入管道的气流已基本上不含液滴，即使仍含有少量，由于管道内压力低于热转换器的压力，也能使它们充分气化。

如图1所示，热转换器1空心结构的容量控制在4～6升的范围，热转换器空心结构上部半圆形的直径和下底面的直径比例为1：2～3；空心结构上下部密封，中心管道制冷剂进口22通过排气管与压缩机8连接，来自中央空调蒸发器制冷剂经压缩机8泵入排气管，在热转换器1内与空腔内的工质进行热交换，从制冷剂出口23出去成为进入冷凝器9的制冷剂，流入冷凝器9。因为热转换器工质出口温度与流量成反比关系，所以热转换器上面的直径和下面的直径比例为1：2－3，以便满足热量的要求。为降低接触热阻，在排气管18外表面涂上良好的导热材料(如导热硅质)。如图2所示，工质从下底面的进口进入从上底面的出口离开热转换器，工质与排气管道内的高温制冷剂形成逆流。工质在该热转换器中持续不断的流动，被来自压缩机排气管制冷剂的热量加热。保温材料可选用聚氯乙烯保温材料，热转换器1选用不锈钢换热器。工质采用R245、R134A，在压力控制下，沸点控制在60‐70℃。

热转换器空心结构上部半圆形的直径和下底面的直径比例为1：2～3，其原因是根据如下公式：

Q_吸=C×M×△t

=C×ρ×L×S×v×△t

=C×ρ×L×π×r²×v×△t

上式中符号的意义如下：

△t——工质的进出口温差，℃；

C——工质的比热，kJ/kg·℃；

ρ——工质的密度，kg/m³；

L——热转换器的长度，m；

S——热转换器中空心结构横截面的截面积，m²；

r——热转换器中空心结构横截面的半径，m；

v——工质的流速，m/s；

M——工质的质量流量，kg/s；

当热转换器中空心结构在最下端和最上端时，其横截面的半径r=1单位长度变为1/2单位长度，根据热平衡方程Q_吸恒定，即热转换器中空心结构最上端的Q_上吸与最下端的Q_下 _吸相等，Q_吸=C×ρ×L×π×r²×△t，由于热转换器中空心结构横截面的半径r在最上端为最下端的1/2，那么△t增长4倍，即对于锥形的热转换器理论上工质温可升高4倍以上，因此热转换器中工质的温升足以达到沸点。

从热转换器1出来的工质蒸汽，通过管道进入透平2，工质蒸汽使透平2带动发电机发电，做功后的蒸汽一部分进入冷凝器3冷凝变为液体，另一部分进入回热器6，冷凝器3中的液体工质进入储液器4，第一工质泵5把液体工质从储液器带到回热器6与从透平2出来的高温蒸汽混合变为高温液体，第二工质泵7把液体工质带到热转换器1。液体工质与排气管道18中气体进行热交换。

实施例：利用低温余热回收的发电装置在中央空调机组余热回收中的应用

如图5所示，一种设有低温余热回收发电的装置的中央空调机，包括热转换器1、透平2、冷凝器3、储液器4、工质泵5、回热器6和工质泵7；还包括压缩机8、冷凝器9、蒸发器12、节流阀13、冷冻泵11、空调末端装置10、冷却塔15和冷却泵14。空调末端装置10和旁通阀并联，两并联端中的一端直接接入蒸发器12，另一端通过冷冻泵11接入蒸发器12，构成冷冻水循环系统。冷却塔15的一端直接连接冷凝器9，另一端通过冷却泵14连接冷凝器9，构成冷却水循环系统。热转换器1安装在中央空调的压缩机8与冷凝器9之间，其中压缩机8的高压端接中央空调蒸发器12，压缩机8的低压端通过热转换器1连接冷凝器9，节流阀13两端分别与冷凝器9和蒸发器12连接；工质管道通过阀门与热转换器1下端连接，出液管连接在热转换器1上端，并与透平2连接，透平2通过阀门与冷凝器3连接，透平2的输出轴与发电机连接。冷凝器3通过阀门与储液器4连接，储液器4与回热器6。回热器6通过第二工质泵7与热转换器1的发电工质进口24连接，透平2的回热流体出口与回热器6的进口连接。安装回热器的目的是为了提高工质温度保证工质在热转换器1中能充分气化。热转换器1下底面的发电工质进口24通过管道与第二工质泵7相连，热转换器1上底面的发电工质出口25通过管道与透平2相连。

如图6所示，带有控制装置的中央空调余热回收装置包括可编程控制器PLC；蒸发器4的制冷剂流通管的进出口上分别设有第一温度传感器K1和第二温度传感器K2，冷凝器9的制冷剂流经管的进出口分别设有第三温度传感器K3和第四温度传感器K4；热转换器1和透平2之间的管道上设有第五温度传感器K5；旁通阀两端分别设有第一压力传感器L1和第二压力传感器L2；第一温度传感器K1、第二温度传感器K2、第三温度传感器K3、第四温度传感器K4、第五温度传感器K5、第一压力传感器L1和第二压力传感器L2分别与可编程控制器PLC连接，可编程控制器PLC分别与电源Power和可触摸屏O连接；可编程控制器PLC还分别通过第一变频器S1、第二变频器S2和第三变频器S3分别与冷冻泵6、冷却泵14和冷却塔15。第一温度传感器K1、第二温度传感器K2、第三温度传感器K3、第四温度传感器K4和第五温度传感器K5采集温度信息送往可编程控制器PLC进行分析处理运算，第一压力传感器L1和第二压力传感器L2采集压力信息，送往可编程控制器PLC进行分析处理运算，可编程控制器PLC输出的变频控制指令分别经第一变频器S1、第二变频器S2来调控冷冻泵11和冷却泵14的运行频率，可编程控制器PLC输出的变频控制指令经第三变频器S3控制冷却塔15风机的转速，使冷却塔15处于最佳工况，达到节能之目的。PLC的主要目的是通过调节冷冻泵11、冷却泵14和冷却塔风机的转速来节能。

本发明的中央空调余热回收发电的装置既可安在现有中央空调中，也可安在待装的中央空调中，对已经安装使用的现有中央空调，在不改变原有中央空调硬件和控制系统参数的条件下，加装一套中央空调余热回收发电的装置及控制系统即可。对于计划新安装的中央空调，可以在安装中央空调机组的同时安装中央空调余热回收发电的装置及控制系统。

对于安装了中央空调的地方，在条件许可的情况下，可以安装余热回收发电装置，以便满足这些场合的用电需要。现在的机场、车站、商场等地方均安装使用了中央空调，这些地方的中央空调机组制冷量一般在300～1000冷吨，甚至更大的制冷量（1冷吨=3.517Kw），其排放的废热等于制冷量与压缩机发热量之和，该废热如果排放到空间，会对周围环境造成热污染，导致周围环境温度升高，引起冷凝器的散热效果下降，使冷凝温度升高，则引起压缩机的排气温度及压力升高，使空调系统的制冷量减少，同时能耗增加。中央空调压缩机在正常运转时排气管表面的温度（即排气管温度，排气管温度通常比气缸排气温度低10～40℃，正常状态下气缸排气温度在150℃以内，）为110℃～120℃。如果压缩机排气管温度不超过120℃，即为正常工作状态，压缩机排气管温度超过120℃，系统会报警、停机，此时需要维修。而在压缩机排气管与冷凝器之间的排气管上加装余热回收热转换器后，可有效地促进压缩机排气管的散热，降低了压缩机的排气口温度，同时降低了压缩机的排气压力，使压缩机工作在正常工作状态(排气温度、压力保持最佳工况)，达到中央空调压缩机节能降耗的效果（冷凝温度降低1℃，空调电耗降低4％）。

通过自动控制系统的调节使中央空调处于稳定的工况下，中央空调能够稳定排出热量。由于热转换器的结构和稳定的热量，低温余热回收发电装置可以实现高效、稳定、可靠的发电。由于本发明改进了热转换器的结构，在不改变原有中央空调硬件和控制系统参数的条件下，就可以进行余热回收发电。

Claims

1.一种利用低温余热回收的发电装置，其特征在于：包括热转换器、透平、冷凝器、储液器、第一工质泵、回热器和第二工质泵；热转换器通过出液管连接透平，透平与冷凝器连接，冷凝器与储液器连接，储液器通过并联管路与回热器连接，并联管道的支路一设有阀门，并联管路的支路二设有阀门和第一工质泵；回热器通过第二工质泵与热转换器连接；透平还与回热器连接，热转换器还与冷凝器连接，透平输出轴与发电机连接，带动发电机发电；

所述热转换器为下大上小的锥形空腔结构，包括不锈钢外壳、排气管道和保温材料；内壁涂有保温材料的不锈钢外壳形成上顶面是半圆形的锥形空腔，锥形空腔上部半圆形的直径和下底面的直径长度比为1：（2～3）；空心结构上顶面和下底面密封；在锥形空腔上部半圆形上设有发电工质出口，发电工质出口为下端开口大，上端开口小的喇叭状，开口朝下；喇叭状的设计增大了与气流的接触面积，更容易使液滴附着到壁面上，促进了发电工质的气化；有利于发电工质的气液分离，避免液体通过发电工质出口进入透平，影响发电和透平的性能；热转换器的下底面开有发电工质进口，排气管直接穿过锥形空腔中心；热转换器的不锈钢外壳内壁的上半部为波纹结构，波纹状的不锈钢外壳内壁增大了气流与壁面的接触面积，更容易使液滴附着到壁面上，促进了发电工质液滴的气化；

所述排气管外表面涂有导热材料；

所述锥形空腔的容量为4～6升。

2.根据权利要求1所述的利用低温余热回收的发电装置，其特征在于：所述导热材料为导热硅质。

3.根据权利要求1所述的利用低温余热回收的发电装置，其特征在于：所述锥形空腔上部半圆形的直径和下底面的直径长度比为1：2。