CN102383884A - 重力有机工质热功转换系统 - Google Patents

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刘朝
贺超
高虹
徐肖肖
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Abstract

本发明公开了一种重力有机工质热功转换系统，包括上升管、蒸发器、冷却器、下降管、叶轮设置在下降管内的涡轮机和转子与涡轮机动力输出轴传动配合的发电机，在下降管进口或者在下降管出口设置有液态工质收集器，液态工质收集器的设置位置高于蒸发器，液态工质收集器的出口处管道上设置有阀门；本重力有机工质热功转换系统，液态有机工质依靠自身重力进行做功和流动，从而构成无泵循环，系统本身能源消耗少，并可将低品位能源有效转化为高品位的电能，节能效果明显；本系统设置的液态工质收集器，将全部液态工质收集后再将液体工质释放，实现工质的断续循环做功，从而能有效克服上升管进气端的气压，使有机工质顺利实现循环流动。

Description

重力有机工质热功转换系统
技术领域
本发明涉及低品位能源利用技术领域，特别涉及到一种有机工质热功转换系统。
背景技术
在石油、化工、轻工、冶金、水泥、汽车等行业中存在着大量的中低温废热，数以万计的锅炉、窑炉、热风炉、冷凝设备每天将大量的中、低温烟气、废水排放到环境中，带走了大量的热能，不仅造成巨大的能源浪费，而且造成巨大量的环境热污染。对这些余热的回收利用,一方面可以提高对一次能源的利用效率,另一方面可以减轻余热对环境造成的热污染。另外，在我国还存在丰富的其他形式的低品位热源，如地热能、太阳能等。随着能源危机和环境问题的日益加剧，对这些低品位能源的利用已经逐渐引起了人们的重视。
以水为工质的常规朗肯循环在回收高温废热方面的技术相对较为成熟，但在进行低温热源发电时，传统的以水为工质的朗肯循环发电系统由于热源温度太低而性能不佳或难以实现；一些研究者对卡林纳循环在回收工业低温余热方面进行了研究，但这种动力循环系统较为复杂，要求的操作压力较高；有一些研究者对二氧化碳的跨临界动力循环在回收中低温余热方面进行了研究，这种循环要求操作压力极高，发电成本会很高；也有一些研究者利用半导体温差发电技术利用温度很低的热源，如海洋温差能，这种方式发电成本也较高；还有一些研究者对常规有机朗肯循环进行了研究。
有机朗肯循环与其他动力循环在利用低品位热源方面有一定的优势，如：该动力循环采用有机工质，其沸点低，可以利用温度较低的热源，产生较高的蒸发压力；系统的冷凝压力可以接近或稍高于环境压力，冷凝系统可以不必要使用真空抽汽系统；在有机工质中可以选取某些干流体或者等熵流体，不需要过热，乏汽易保持在干蒸汽状态，减少对膨胀机的腐蚀。因此，有机朗肯循环技术在利用低品位能源方面具有很好的前景。但是，常规的有机朗肯循环利用低品位热源进行发电时，热源温度较低，纯工质在蒸发过程中与热源温度变化不相匹配，导致不可逆损失较大，热效率与同温下卡诺循环热效率的差值较大；同时常规的有机朗肯循环采用泵作为循环的驱动力，而在进行小规模有机朗肯循环发电时，泵功要占总输出功一定的比例，泵功的消耗也会降低循环的热效率。
因此，针对以上的问题，需要一种有机工质热功转换系统，以对低品味热源热能进行高效转化利用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种重力有机工质热功转换系统，能够利用工业生产过程中的废热，地热等其他低品位能源，借助于热管的高效传热来减少工质蒸发过程的不可逆损失，依靠工质本身的重力做功和自回流入蒸发器，从而构成无泵循环，可以把低品位能源有效转化为高品位的电能，达到节能效果。
本发明重力有机工质热功转换系统，包括将气态有机工质导向高处的上升管、设置在上升管进口端的蒸发器、设置在上升管上段的冷却器、将液态有机工质从高处导向低处的下降管、叶轮设置在下降管内的涡轮机和转子与涡轮机动力输出轴传动配合的发电机，在下降管进口或者在下降管出口设置有液态工质收集器，液态工质收集器的设置位置高于蒸发器，液态工质收集器的出口处管道上设置有阀门。
进一步，所述下降管内设置有用于加快液态有机工质流速的渐缩喷嘴，所述渐缩喷嘴位于涡轮机叶轮的上方。
进一步，所述蒸发器内设置有蛇型翅片换热管。
进一步，所述冷却器内设置有蛇型翅片换热管。
本发明的有益效果：本发明重力有机工质热功转换系统，利用蒸发器吸收低品位热能来加热有机工质使其蒸发，有机工质蒸汽被导向高处并在冷却器作用下变回液态，从而使低品位热能转化为有机工质的重力势能，有机工质下流推动涡轮机做功，涡轮机驱动发电机做功将有机工质重力势能转化为电能，液态有机工质再在重力作用下流回蒸发器；本系统液态有机工质依靠自身重力进行做功和流动，从而构成无泵循环，系统本身能源消耗少，并可将低品位能源有效转化为高品位的电能，节能效果明显；本系统设置的液态工质收集器，将全部液态工质收集后再将液体工质释放，实现工质的断续循环做功，从而能有效克服上升管进气端的气压，使有机工质顺利实现循环流动。
 
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1为本发明重力有机工质热功转换系统一种实施方式结构示意图；图2为本发明重力有机工质热功转换系统另一种实施方式结构示意图。
具体实施方式
图1为本发明重力有机工质热功转换系统一种实施方式结构示意图；2为本发明重力有机工质热功转换系统另一种实施方式结构示意图。
实施例一、如图所示1，本实施例重力有机工质热功转换系统，包括将气态有机工质导向高处的上升管1、设置在上升管进口端的蒸发器2、设置在上升管上段的冷却器3、将液态有机工质从高处导向低处的下降管4、叶轮设置在下降管内的涡轮机5和转子与涡轮机动力输出轴传动配合的发电机6，在下降管出口设置有液态工质收集器7，液态工质收集器7的设置位置高于蒸发器2，液态工质收集器7的出口处管道上设置有阀门8。本发明重力有机工质热功转换系统，利用蒸发器2吸收低品位热能来加热有机工质使其蒸发，有机工质蒸汽被上升管1导向高处并在冷却器3作用下变回液态，从而使低品位热能转化为有机工质的重力势能，有机工质下流推动涡轮机5做功，涡轮机5驱动发电机6做功将有机工质重力势能转化为电能，液态有机工质再在重力作用下流回蒸发器；本系统液态有机工质依靠自身重力进行做功和流动，从而构成无泵循环，系统本身能源消耗少，并可将低品位能源有效转化为高品位的电能，节能效果明显；本系统设置的液态工质收集器7，将全部液态工质收集后再将液体工质释放，实现工质的断续循环做功，从而能有效克服上升管进气端的气压，使有机工质顺利实现循环流动。
作为对本实施方案的改进，所述下降管4内设置有用于加快液态有机工质流速的缩口形喷嘴9，所述缩口形喷嘴9位于涡轮机叶轮的上方；加速喷嘴流速可是有机工质重力势能更充分的转化为涡轮机的动能。
本实施例中，所述蒸发器2内设置有蛇型翅片换热管2a，蛇型翅片换热管2a的换热面积大，换热效率高，可高效的将低品位热能转化为有机工质内能。
本实施例中，所述冷却器3内设置有蛇型翅片换热管3a，蛇型翅片换热管2a的换热面积大，换热效率高，可快速的将气态有机工质冷凝为液态。
本实施例重力有机工质热功转换系统中的的有机工质为环境友好型工质，即有机物的ODP为0，GWP值较低，且工质的安全性，化学稳定性较好。
实施例二、如图2所示，本实施例与实施例一的区别为液态工质收集器7设置于下降管4的进口端，设置在进口端，可调节有机工质流量，从而能更有效的将有机工质重力势能转换为涡轮机动能，重力势能转化率更高。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种重力有机工质热功转换系统，其特征在于：包括将气态有机工质导向高处的上升管、设置在上升管进口端的蒸发器、设置在上升管上段的冷却器、将液态有机工质从高处导向低处的下降管、叶轮设置在下降管内的涡轮机和转子与涡轮机动力输出轴传动配合的发电机，在下降管进口或者在下降管出口设置有液态工质收集器，液态工质收集器的设置位置高于蒸发器，液态工质收集器的出口处管道上设置有阀门。
2.根据权利要求1所述的重力有机工质热功转换系统，其特征在于：所述下降管内设置有用于加快液态有机工质流速的渐缩喷嘴，所述渐缩喷嘴位于涡轮机叶轮的上方。
3.根据权利要求1所述的重力有机工质热功转换系统，其特征在于：所述蒸发器内设置有蛇型翅片换热管。
4.根据权利要求1所述的重力有机工质热功转换系统，其特征在于：所述冷却器内设置有蛇型翅片换热管。
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