CN102628431A - 用于有机朗肯循环发电系统的涡旋膨胀机的涡旋盘 - Google Patents

Abstract

用于有机朗肯循环发电系统的涡旋膨胀机的涡旋盘，有机朗肯循环中吸热后的高压蒸汽通过控制阀门(11、12)分别进入涡旋膨胀机(10)的左右两个吸气腔中，第一动涡旋盘(3)、第二动涡旋盘(9)与第一静涡旋盘(1)、第二静涡旋盘(11)互相配合，涡旋膨胀机的曲轴每旋转2π就形成四个吸气腔①、②、③和④，每个吸气腔的吸气容积都相同，分别在第一动涡旋盘(3)、第二动涡旋盘(9)、第一静涡旋盘(1)、第二静涡旋盘(11)上开设两条涡旋齿，两条涡旋齿相差180°，定义基圆半径为a，涡旋型线渐开角为Φ，型线采用等截面的圆渐开线形式。

Description

用于有机朗肯循环发电系统的涡旋膨胀机的涡旋盘

技术领域

本发明涉及涡旋膨胀机有机朗肯循环发电系统。 

背景技术

随着全球气候问题的日益严重和不可再生能源的日益短缺，节能、减排以及新能源的开发利用和如何提高现有能源的利用效率已经成为研究的热点。可再生能源(如太阳能、风能等)的开发利用目前已有很多成熟的应用(如太阳能热水器、太阳能电动自行车、太阳能公厕、风力发电等)。然而在工业的很多领域(如冶金、水泥、陶瓷、玻璃生产等)目前存在大量的低品位余热不能充分利用(其中温度在60～120℃之间的低温余热)而直接排放到自然环境中，使得能源利用效率低同时还影响环境。 

有机朗肯循环(organic rankine cycle，ORC)作为一种回收中低品位热能用于发电的技术，具有效率高、环境友好、结构简单等优点。有机朗肯循环即以有机物工质代替水作为朗肯循环工质的动力循环系统，特别适合于回收温度低于120℃的低品位热能，而且采用不同的有机物工质可回收不同温度范围的低品位热能。涡旋膨胀机是容积式膨胀机的一种，适合用于小流量、高膨胀比的场合，因此特别适用于中小型ORC循环系统，然而从以往的实验和文献报道显示，单涡圈涡旋膨胀机的发电效率较低，一般在10％以下。 

发明内容

本发明的目的是提高发电效率。 

本发明是用于有机朗肯循环发电系统的涡旋膨胀机的涡旋盘，太阳能板1将循环进入的热工质进行加热，加热后的热水流入集热器2，通过控制阀门3来调节热工质流量的大小，并通过流量泵4动力来实现热源工质的循环，有机朗肯循环中吸热后的高压蒸汽通过控制阀门11、12分别进入涡旋膨胀机10的 左右两个吸气腔中，第一动涡旋盘3、第二动涡旋盘9与第一静涡旋盘1、第二静涡旋盘11互相配合，涡旋膨胀机的曲轴每旋转2π就形成四个吸气腔①、②、③和④，每个吸气腔的吸气容积都相同，分别在第一动涡旋盘3、第二动涡旋盘9、第一静涡旋盘1、第二静涡旋盘11上开设两条涡旋齿，两条涡旋齿相差180°，定义基圆半径为a，涡旋型线渐开角为Φ，型线采用等截面的圆渐开线形式，则两条涡旋齿型线可表示为： 

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1=a[\cos \left(\mathrm{\φ}\right)+\mathrm{\φ}\sin \left(\mathrm{\φ}\right)]\\ y_1=a[\sin \left(\mathrm{\φ}\right)-\mathrm{\φ}\cos \left(\mathrm{\φ}\right)]\\ x_2=a[\cos (\mathrm{\φ}+\mathrm{\π})+\mathrm{\φ}\sin (\mathrm{\φ}+\mathrm{\π})]\\ y_2=a[\sin (\mathrm{\φ}+\mathrm{\π})-\mathrm{\φ}\cos (\mathrm{\φ}+\mathrm{\π})\end{array}\right.$

本发明的涡旋膨胀机的两头各装一个双涡圈涡旋盘，中间连结发电机，高压蒸汽分别从两端中间的两个进气口进入吸气腔，通过工质膨胀推动主轴旋转从而使发电机工作，温度和压力降低后的膨胀工质从排气孔排出，此过程连续进行从而使得主轴连续旋转实现持续发电。 

以上发电系统可以灵活应用到各种场合，由于涡旋膨胀机具有体积小、噪声低、高膨胀比的优点，同时结合双头双涡圈的大排气量，使得此系统具有结构简单、使用灵活、噪声低和发电效率高的特点，是中、小型发电系统、太阳能利用和工业余热回收的发展方向。 

附图说明

图1为本发明的有机朗肯循环发电系统示意图，图2为本发明的涡旋齿的型线生成原理图，图3为本发明的涡旋膨胀机动、静涡旋盘工作原理图，图4为本发明的涡旋膨胀机剖面结构图。 

具体实施方式

如图1所示，本发明的有机朗肯循环发电系统，太阳能板1加热循环进入的热工质，加热后的热水流入集热器2，通过控制阀门3来调节热工质流量的大小，并通过流量泵4的动力来实现热源工质的循环；热工质也可以是直接回收 工业中的低品位热能或地热能。热工质循环到蒸发器13时与朗肯循环中的高压液态的低沸点有机工质发生热交换，热工质温度下降，有机工质在蒸发器13中吸收热源热量后，成为高压蒸汽，换热完成后的热工质继续进行循环。有机朗肯循环中吸热后的高压蒸汽通过控制阀门11和12分别进入涡旋膨胀机10的左右两个吸气腔中，高压蒸汽在涡旋膨胀机中膨胀作功带动发电机9输出电力，自身变成低压蒸汽后通过膨胀机排气腔进入冷凝器8，在冷凝器8和副冷却器7中与冷却介质换热，从而凝结放热成为低压液体，最后经工质泵6加压成为高压液态后返回到蒸发器，再次与热工质进行热交换，从而继续新的循环。如图3所示，第一动涡旋盘3、第二动涡旋盘9与第一静涡旋盘1、第二静涡旋盘11互相配合，涡旋膨胀机的曲轴每旋转2π就形成四个吸气腔①、②、③和④，每个吸气腔的吸气容积都相同。如图2所示，分别在第一动涡旋盘3、第二动涡旋盘9、第一静涡旋盘1、第二静涡旋盘11上开设两条涡旋齿，两条涡旋齿相差180°，定义基圆半径为a，涡旋型线渐开角为Φ，型线采用等截面的圆渐开线形式，则涡旋齿型线可表示为： 

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1=a[\cos \left(\mathrm{\φ}\right)+\mathrm{\φ}\sin \left(\mathrm{\φ}\right)]\\ y_1=a[\sin \left(\mathrm{\φ}\right)-\mathrm{\φ}\cos \left(\mathrm{\φ}\right)]\\ x_2=a[\cos (\mathrm{\φ}+\mathrm{\π})+\mathrm{\φ}\sin (\mathrm{\φ}+\mathrm{\π})]\\ y_2=a[\sin (\mathrm{\φ}+\mathrm{\π})-\mathrm{\φ}\cos (\mathrm{\φ}+\mathrm{\π})\end{array}\right.$

如图3所示，动涡旋盘在高压气体的驱动下绕静涡旋盘按回转半径做无自转的平面运动，动、静涡旋盘之间在几个线接触处先后形成一系列月牙形容积腔。气体通过静涡旋盘中心的吸气口进入吸气腔，形成了图3a所示的月牙形吸气容积①，月牙形吸气容积在高压气体的驱动下向外侧推进，同时月牙形容积逐渐增大，逐步经过图3b、图3c、图3d、图3e、图3f从而实现气体的膨胀作功。在涡旋膨胀机中，曲轴每旋转2π就形成四个吸气腔-①、②、③和④，每个吸气腔的吸气容积都相同，相邻两个吸气腔封闭的时间间隔相差π/2。虽然每一转中形成四个吸气腔的膨胀过程和形成时间不同，但是四个吸气腔的压力变化过程完全相同，只是每两个相邻工作腔的压力变化在相位上相差π/2。 

如图4所示，第一动涡旋盘3、第二动涡旋盘9与第一静涡旋盘1、第二静涡旋盘11互相配合，动、静涡旋盘齿顶的密封条2、10、12、16实现润滑和密封的作用，第一动涡旋盘3、第二动涡旋盘9悬浮在支架体4、8和第一静涡旋盘1、第二静涡旋盘11之间，小曲拐5、7两侧分别嵌入在第一动涡旋盘3、第二动涡旋盘9和支架体4、8上，使得第一动涡旋盘3、第二动涡旋盘9在工作中只能公转平动，不能自转，这样动、静涡旋盘上的涡旋齿相互之间实现啮合，实现了气体的逐步膨胀。平衡铁13、15实现整个轴系的动平衡，两个双涡圈涡旋膨胀机连接在中间轴14的左右，发电机6通过卡扣的形式与膨胀机连接，左右两个涡旋膨胀机共同工作来实现发电。 

Claims (2)

1.用于有机朗肯循环发电系统的涡旋膨胀机的涡旋盘，太阳能板(1)将循环进入的热工质进行加热，加热后的热水流入集热器(2)，通过控制阀门(3)来调节热工质流量的大小，并通过流量泵(4)动力来实现热源工质的循环，有机朗肯循环中吸热后的高压蒸汽通过控制阀门(11、12)分别进入涡旋膨胀机(10)的左右两个吸气腔中，第一动涡旋盘(3)、第二动涡旋盘(9)与第一静涡旋盘(1)、第二静涡旋盘(11)互相配合，涡旋膨胀机的曲轴每旋转2π就形成四个吸气腔①、②、③和④，每个吸气腔的吸气容积都相同，其特征在于分别在第一动涡旋盘(3)、第二动涡旋盘(9)、第一静涡旋盘(1)、第二静涡旋盘(11)上开设两条涡旋齿，两条涡旋齿相差180°，定义基圆半径为a，涡旋型线渐开角为Φ，型线采用等截面的圆渐开线形式，则两条涡旋齿型线可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1=a[\cos \left(\mathrm{\φ}\right)+\mathrm{\φ}\sin \left(\mathrm{\φ}\right)]\\ y_1=a[\sin \left(\mathrm{\φ}\right)-\mathrm{\φ}\cos \left(\mathrm{\φ}\right)]\\ x_2=a[\cos (\mathrm{\φ}+\mathrm{\π})+\mathrm{\φ}\sin (\mathrm{\φ}+\mathrm{\π})]\\ y_2=a[\sin (\mathrm{\φ}+\mathrm{\π})-\mathrm{\φ}\cos (\mathrm{\φ}+\mathrm{\π})\end{array}\right..$

2.根据权利要求1所述的用于有机朗肯循环发电系统的涡旋膨胀机的涡旋盘，其特征在于相邻两个吸气腔封闭的时间间隔相差π/2。

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