CN104265385B - 采用二次流机构提高非共沸工质朗肯循环效率的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用二次流机构提高非共沸工质朗肯循环效率的装置，包括蒸汽发生器，膨胀机，发电机，冷凝器，储液器，工质泵，预热器，控制机构。本装置针对非共沸混合工质在蒸发换热过程中产生的传热恶化问题，将高压侧工质流体的加热分成预热器和蒸发器两个部分，预热器采用阻力损失小换热系数高的板式换热器，用于消除工质的过冷；蒸发器采用优化设计的二次流机构，引入扰动和混合作用，克服非共沸工质附加的传热传质阻力，提高循环效率。该装置广泛应用于中低温热能的高效利用方面，可将中低温热能高效地转变为机械能和电能，推动可再生能源的余热利用。

Description

采用二次流机构提高非共沸工质朗肯循环效率的装置

技术领域

本发明涉及中低温热能的高效利用领域，具体涉及一种采用二次流机构提高非共沸工质朗肯循环效率的装置。

背景技术

随着可再生能源的日益紧缺，新能源的开发及利用日益重要，利用中低温的太阳能、地热能、生物质能及工业生产过程中的余热废热作为驱动热能的有机朗肯循环发电是解决这一问题的有效方式之一。但目前，国内外研究的有机朗肯循环系统的实际发电效率还不是很高，其能量损失主要来自膨胀机和换热器。对于某一固定的膨胀机，它的不可逆损失除了取决于其制造技术本身，主要受循环膨胀比的制约，而膨胀比的变化范围有限，所以可行的减少系统可用能损失的方法是减小换热器中的不可逆损失。

在实际的有机朗肯循环中，为了减小换热器的不可逆损失，可以采用具有变温相变特性的非共沸混合工质，利用其在相变过程中的温度滑移特性来匹配热流体的温度变化，尽可能地逼近洛伦兹循环，减少换热过程中由于平均传热温差大造成的不可逆损失，进而提高循环系统的热力性能。

非共沸混合工质在有机朗肯循环中的应用可以提高其循环效率，但在蒸汽发生器中，由于混合工质的沸点不同，受热时液膜表面处低沸点工质易先蒸发，使其组分比例发生变化。一方面，由于液膜表面处的低沸点组分小于液膜主流中的值而形成浓度边界层，构成了传质热阻。另一方面，由于液膜表面处高沸点组分的比例增加，导致气液界面的温度升高，使液膜表面和气体层之间存在温差，从而传入的热量将有一部分消耗于气体层的显热而产生额外的传热热阻。因此，非共沸混合工质在蒸发换热过程中会由于传质传热阻力增加而出现传热恶化的现象。同理，在冷凝器中，混合工质在壁面处放热时高沸点工质易先冷凝，并形成液体边界层薄膜，阻碍低沸点气体的冷凝，造成界面处传质传热阻力增加而产生传热恶化现象。此外，两器中不可逆损失的产生主要来自蒸汽发生器。因此，为了减少非共沸混合工质在温度滑移过程中产生的传热恶化现象、提高换热器的换热效率以及控制流动阻力的增加，通过对换热器特别是蒸汽发生器特定功能的选择，并对有机朗肯循环装置的优化具有十分重要的实际意义。本发明的目的在于提供一种优化设计的非共沸工质朗肯循环装置，采用二次流机构优化设计的蒸汽发生器，引入扰动和混合作用，可以克服非共沸混合工质在蒸发换热过程中由低沸点工质先蒸发形成的气体边界层而产生的额外传质传热热阻，减小传热恶化现象的影响，从而有效地提高循环的效率。

发明内容

针对现有技术采用非共沸混合工质的有机朗肯循环系统中，其换热器特别是蒸汽发生器内混合工质传热恶化的现象，本发明提出了一种采用二次流机构提高非共沸工质朗肯循环效率的装置，其能够强化传热，减小在蒸发过程中由于温度滑移导致组分浓度分布不均匀而产生的传热恶化影响，提高蒸汽发生器的传热效率。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明采用二次流机构提高非共沸工质朗肯循环效率的装置包括蒸汽发生器，膨胀机，发电机，冷凝器，储液器，工质泵，该装置还包括预热器以及控制机构，所述蒸汽发生器包括工质通道和载热流通道，所述工质通道设置为使工质能够产生二次流的二次流机构；所述的蒸汽发生器的工质出口与所述膨胀机入口连接；所述膨胀机第一出口与所述发电机入口连接，所述膨胀机第二出口与所述冷凝器的工质入口连接；所述冷凝器的工质出口与所述储液器入口连接；所述冷凝器设置有冷却水入口和冷却水出口；所述储液器出口与所述工质泵入口连接，所述工质泵出口与所述预热器的工质入口连接；所述预热器的工质出口与所述蒸汽发生器的工质入口连接，且所述预热器的载热流入口通过三通阀与所述蒸汽发生器的载热流出口连接，所述预热器的载热流入口与三通阀的第一出口连接，三通阀入口与所述蒸汽发生器的载热流出口连接；所述三通阀的第二出口与所述预热器的载热流出口连接；所述蒸汽发生器还设置有载热流入口；在所述预热器的工质出口处设置有温度传感器和压力传感器，所述控制机构的第一接口和第二接口分别与所述的温度传感器和压力传感器连接，且控制机构的第三接口与所述三通阀的执行接口连接，所述控制机构通过预热器的工质出口的温度和压力调节三通阀第一出口的开度，使进入蒸汽发生器的非共沸混合工质达到泡点温度。

所述的蒸汽发生器、膨胀机、冷凝器、储液器、工质泵和预热器形成混合工质子循环。

所述的蒸汽发生器、三通阀、预热器以及热源形成热源子循环。

所述的冷凝器设置有冷却水入口和冷却水出口；所述冷凝器和冷却塔形成冷却水子循环。

所述的二次流机构蒸汽发生器为单螺旋管、螺旋套管、螺旋折流板或者进口设有旋流器的螺旋槽管。所述的二次流机构采用弯曲通道对流体产生离心作用力,从而使流体产生偏离主流的二次流。所述的单螺旋管换热器和螺旋套管换热器的混合工质的流道截面是圆形或是椭圆形。

所述的非共沸混合工质为两组分、三组分和四组分中的任一种，且为在蒸发压力下，所述工质的滑移温度与蒸汽发生器内载热流的温差相匹配。

对所述的二次流机构蒸汽发生器进行保温，保温材料为岩棉或者玻璃棉。

所述的预热器为板式换热器。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

1)、本发明采用的具有二次流机构蒸汽发生器，可以增强非共沸混合工质的扰动，打破壁面处流体因沸点不同而产生的气液分层现象，克服边界层的传质传热阻力，增强壁面流体与核心流体间的混合，减小在蒸发过程中由于温度滑移而产生的传热恶化影响，可以实现换热系数增加的幅度超过阻力系数，提高蒸汽发生器的传热效率，提高有机朗肯循环效率。

2)、本发明中预热器为换热效率高阻力损失小的板式换热器，提高混合工质进入蒸汽发生器时的温度，减小蒸汽发生器内的平均传热温差，降低由传热温差带来的不可逆损失；同时，通过控制机构对预热器的制冷剂出口通道7-b上的温度和压力的采集和控制，确保制冷剂进入蒸汽发生器时的温度为该压力下的泡点温度，既避免过冷制冷剂液体在板式换热器中提前蒸发，又避免单相混合工质在蒸汽发生器中流动，减少由二次流而带来的能量损失。

3)、本发明选用的非共沸混合工质在恒定的压力下蒸发或冷凝，其蒸发温度是逐渐升高的，冷凝温度是逐渐降低的，因此可以降低膨胀机的膨胀比，提高膨胀机的等熵效率及其运行的安全性。

4)、本发明选用的具有二次流机构蒸汽发生器的工质进出口采用焊接的方式进行连接，可以有效减少非共沸混合工质的泄漏，降低由制冷剂泄漏而导致的比例失调，保证系统性能的稳定性。

5)、本发明对蒸汽发生器采取的保温措施，可以减少高温流体向周围环境的散热，提高换热器的换热效率，并保持工作环境的舒适性。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明单螺旋管型换热器的结构示意图；

图3为本发明螺旋折流板型换热器的结构示意图；

图4为本发明螺旋套管式型换热器的结构示意图；

图5为本发明螺旋板式型换热器的结构示意图；

图6为本发明在进口处设置有旋流器的螺旋槽管型换热器的结构示意图。

图中：1、蒸汽发生器，2、膨胀机，3、发电机，4、冷凝器，5、储液器，6、工质泵，7、预热器，8、三通阀，9、控制机构。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施方式对本发明进行详细说明。

本循环装置中蒸汽发生器1采用单螺旋管型换热器，非共沸混合工质选择两组分的，且制冷剂的成分比R152a:R245fa为0.3:0.7。

如图1，2所示，本发明为采用二次流机构提高非共沸工质朗肯循环效率的装置，包括蒸汽发生器1，本实施例采用单螺旋管蒸汽发生器，膨胀机2，发电机3，冷凝器4，储液器5，工质泵6，预热器7，三通阀8，控制机构9；所述的单螺旋管蒸汽发生器的制冷剂出口1-d与所述膨胀机的入口2-a连接；所述膨胀机的第一出口2-c与所述发电机的入口3-a连接，所述膨胀机的第二出口2-b与所述冷凝器的制冷剂入口4-a连接；所述冷凝器的制冷剂出口4-b与所述储液器的入口5-a连接；所述储液器的出口5-b与所述工质泵的入口6-a连接，所述工质泵的出口6-b与所述预热器的制冷剂入口7-a连接；所述预热器的制冷剂出口7-b与所述单螺旋管蒸汽发生器的制冷剂入口1-c连接，且所述预热器的载热流入口7-c通过三通阀8与所述单螺旋管蒸汽发生器的载热流出口1-b连接，所述预热器的载热流入口7-c与三通阀的第一出口8-b连接，三通阀的入口8-a与所述单螺旋管蒸汽发生器的载热流出口1-b连接；所述三通阀的第二出口8-c与所述预热器的载热流出口7-d连接；所述单螺旋管蒸汽发生器还设置有载热流入口1-a；在所述预热器的制冷剂出口7-b处设置有温度传感器和压力传感器，所述控制机构的第一接口9-a和第二接口9-b分别与所述的温度传感器和压力传感器连接，且控制机构的第三接口9-c与所述三通阀的执行接口8-d连接。

所述的单螺旋管蒸汽发生器、膨胀机2，冷凝器4，储液器5，工质泵6和预热器7形成了混合工质子循环；所述的单螺旋管蒸汽发生器、三通阀8、预热器7以及热源形成了热源子循环；所述的冷凝器4设置有冷却水入口和冷却水出口；所述冷凝器4和冷却塔形成了冷却水子循环；单螺旋管蒸汽发生器的摩擦系数的增加幅度小于换热系数的增加幅度。

在所述单螺旋管蒸汽发生器中，混合工质R152a和R245fa的混合物在螺旋管内流动，载热流在螺旋管外的壳间流动。混合工质R152a和R245fa在螺旋管内流动时会受到离心力作用，使其从螺旋管内侧流向外侧壁面，造成内侧压力下降，在压差作用下混合工质从上部和下部壁面流回内侧而形成二次流。这种二次流与沿管轴向的主流复合成螺旋式前进运动，增强混合工质R152a和R245fa的气液扰动和混合，克服壁面处主要由低沸点制冷剂R152a蒸发形成的气体附面层的传质传热阻力，减小其传热恶化的影响，提高混合工质R152a和R245fa气液分布的均匀性，促进高沸点液体制冷剂R245fa的蒸发，强化了混合工质与载热流之间的换热，且换热系数增加的幅度超过阻力系数，从而提高蒸汽发生器的换热效率。所述控制机构9通过预热器7的制冷剂出口7-b的温度和压力调节三通阀8的第一出口8-b的开度，当检测到的温度小于该压力下对应的泡点温度时，由控制机构9自动调增三通阀8的第一出口8-b的开度，增大该通道载热流的流量，增大预热器7内的换热量，从而提高混合工质R152a和R245fa进入单螺旋管蒸汽发生器1时的温度，避免过冷状态的R152a和R245fa在单螺旋管蒸汽发生器中流动，减少传热温差，减少由二次流而带来的能量损失，提高循环效率；当检测到的温度大于该压力下对应的泡点温度时，由控制机构9自动调减三通阀的第一出口8-b的开度，减小该通道载热流的流量，减小预热器7内的换热量，从而降低混合工质R152a和R245fa进入单螺旋管蒸汽发生器时的温度，避免R152a和R245fa在预热器7中提前蒸发，提高循环效率。因此，通过调节三通阀8的第一出口8-b的开度，控制载热流进入预热器7的流量，实现对该处混合工质R152a和R245fa温度和压力的控制，确保其进入单螺旋管蒸汽发生器时的温度为该压力下对应的泡点温度，从而提高整个系统的循环效率。

如图3所示，所述蒸汽发生器1采用螺旋折流板型换热器，同理，载热流在中心圆管内流动，非共沸混合工质在螺旋折流板壳间流动形成二次流，提高换热效率。

如图4所示，所述蒸汽发生器1采用螺旋套管式换热器，同理，载热流在管程内流动，非共沸混合工质在壳程内流动，两种流体在螺旋流动过程中均形成二次流，提高换热效率。

如图5所示，所述的蒸汽发生器1采用螺旋板式换热器，同理，载热流从螺旋板外缘入口进中心出口出，非共沸混合工质从螺旋板中心入口进外缘出口出，两种流体螺旋板的夹层空间里流动均形成二次流，提高换热效率。

如图6所示，所述的蒸汽发生器1采用在进口处设置有旋流器的螺旋槽管换热器，同理，载热流在管壳间流动，非共沸混合工质在螺旋槽管内流动形成二次流，提高换热效率。

Claims (6)

1.采用二次流机构提高非共沸工质朗肯循环效率的装置，该装置包括蒸汽发生器(1)、膨胀机(2)、发电机(3)、冷凝器(4)、储液器(5)、工质泵(6)；其特征在于，该装置还包括预热器(7)、控制机构(9)，所述蒸汽发生器(1)包括工质通道和载热流通道，所述工质通道设置为使工质能够产生二次流的二次流机构；所述蒸汽发生器的工质出口(1-d)与所述膨胀机的入口(2-a)连接；所述膨胀机第一出口(2-c)与所述发电机入口(3-a)连接，所述膨胀机第二出口(2-b)与所述冷凝器的工质入口(4-a)连接；所述冷凝器的工质出口(4-b)与所述储液器入口(5-a)连接；所述冷凝器(4)设置有冷却水入口(4-c)和冷却水出口(4-d)；所述储液器出口(5-b)与所述工质泵入口(6-a)连接，所述工质泵出口(6-b)与所述预热器的工质入口(7-a)连接；所述预热器的工质出口(7-b)与蒸汽发生器的工质入口(1-c)连接，且所述预热器的载热流入口(7-c)通过三通阀(8)与所述蒸汽发生器的载热流出口(1-b)连接，所述预热器的载热流入口(7-c)与三通阀的第一出口(8-b)连接，三通阀入口(8-a)与所述蒸汽发生器的载热流出口(1-b)连接；所述三通阀的第二出口(8-c)与所述预热器的载热流出口(7-d)连接；所述蒸汽发生器(1)还设置有载热流入口(1-a)；在所述预热器的工质出口(7-b)处设置有温度传感器和压力传感器，所述控制机构的第一接口(9-a)和第二接口(9-b)分别与所述的温度传感器和压力传感器连接，且控制机构的第三接口(9-c)与所述三通阀的执行接口(8-d)连接，所述控制机构(9)通过预热器的工质出口(7-b)的温度和压力调节三通阀的第一出口(8-b)的开度，使进入蒸汽发生器(1)的非共沸混合工质达到泡点温度。

2.根据权利要求1所述的采用二次流机构提高非共沸工质朗肯循环效率的装置，其特征在于，所述的二次流机构的结构为单螺旋管、螺旋套管、螺旋折流板或者在进口处设置有旋流器的螺旋槽管。

3.根据权利要求2所述的采用二次流机构提高非共沸工质朗肯循环效率的装置，其特征在于，所述的单螺旋管和螺旋套管截面是圆形或椭圆形。

4.根据权利要求1所述的采用二次流机构提高非共沸工质朗肯循环效率的装置，其特征在于，所述的非共沸混合工质为两组分、三组分和四组分中的任一种，且为在蒸发压力下，所述工质的滑移温度与蒸汽发生器(1)内载热流的温差相匹配。

5.根据权利要求1所述的采用二次流机构提高非共沸工质朗肯循环效率的装置，其特征在于，对所述蒸汽发生器(1)进行保温，保温材料为岩棉或者玻璃棉。

6.根据权利要求1所述的采用二次流机构提高非共沸工质朗肯循环效率的装置，其特征在于，所述的预热器(7)为板式换热器。