CN104763553A - 一种斯特林机回热器-有机朗肯循环系统及其使用方法 - Google Patents

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杨绪飞
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    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

本发明属于能源与动力技术领域，特别涉及一种斯特林机回热器-有机朗肯循环系统及其使用方法。本发明系统的工质储液罐、工质泵、斯特林机冷腔换热器、工质蒸发器、热功转换设备、斯特林机热腔换热器、工质冷凝器和工质储液罐顺次相连构成循环回路；所述斯特林机冷腔换热器和斯特林机热腔换热器分别与斯特林机相连；所述热功转换设备和斯特林机分别与对应的发电机相连。本发明充分结合当今现有的有机朗肯循环技术及斯特林机，将热功转换设备出口的乏汽通过斯特林机转化为高品质电能，并在此过程中将热量传递给工质泵出口的低温工质，充当系统回热器，提高整体系统的热效率，达到节能降耗的目的。

Description

一种斯特林机回热器-有机朗肯循环系统及其使用方法
技术领域
本发明属于能源与动力技术领域，特别涉及一种斯特林机回热器-有机朗肯循环系统及其使用方法。
背景技术
斯特林发动机是伦敦的牧师罗巴特·斯特林(Robert·Stirling)于1816年发明的，所以命名为“斯特林发动机”(Stirling engine)。斯特林发动机是独特的热机，因为他们实际上的效率几乎等于理论最大效率，称为卡诺循环效率。斯特林发动机是通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力的。这是一种外燃发动机，使燃料连续地燃烧，蒸发的膨胀氢气(或氦气)作为动力气体使活塞运动，膨胀气体在冷气室冷却，反复地进行这样的循环过程。斯特林机在推动活塞做功过程中同时伴有吸热放热过程。
有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，简称ORC)是以低沸点有机物为工质的朗肯循环，主要由余热锅炉(或换热器)、透平、冷凝器和工质泵四大部套组成。有机工质在换热器中从余热流中吸收热量，生成具一定压力和温度的蒸汽，蒸汽进入透平机械膨胀做功，从而带动发电机或拖动其它动力机械。从透平排出的蒸汽在凝汽器中向冷却水放热，凝结成液态，最后借助工质泵重新回到换热器，如此不断地循环下去。
有机朗肯循环是一种被认为能有效利用中低温热能的技术。尽管对有机朗肯循环的研究已有很多，但到目前为止，系统整体方面尚未得到全面优化，系统整体利用效率较低。
图1为传统的一种带回热器的有机朗肯循环系统。热功转换设备做功后排出的较高温度乏汽通过回热器将部能量传递给低温工质，回收系统部分能量。然而在此过程中，能源的总体品位降低。因此如何利用热力循环的热力学基本定律，借鉴现有的组织思路及创新方法，提出新的有机朗肯循环系统，对提高中低温热能的利用效率具有十分重要的意义。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种斯特林机回热器-有机朗肯循环系统及其使用方法，对现有系统进行改进，利用斯特林机既能带动发电机产生高品质电能，又能充当系统回热器的特点，将斯特林机替代传统回热器，从而实现有效提高整个热力循环发电系统的热效率的目的。
一种斯特林机回热器-有机朗肯循环系统，该系统的工质储液罐、工质泵、斯特林机冷腔换热器、工质蒸发器、热功转换设备、斯特林机热腔换热器、工质冷凝器和工质储液罐顺次相连构成循环回路；所述斯特林机冷腔换热器和斯特林机热腔换热器分别与斯特林机相连；所述热功转换设备和斯特林机分别与对应的发电机相连。
所述热功转换设备为透平机或膨胀机等其他形式的热功转换设备。
所述工质蒸发器设置一个或多个，多个工质蒸发器之间采用串联、并联或混联方式连接。
所述工质冷凝器设置一个或多个，多个工质冷凝器之间采用串联、并联或混联方式连接。
所述斯特林机热腔换热器和斯特林机冷腔换热器分别采用公知的成熟技术配套。
本发明中未说明的设备、管道、仪表、阀门、保温装置等分别采用公知的成熟技术进行配套。
一种斯特林机回热器-有机朗肯循环系统的使用方法，包括如下步骤：
储存于工质储液罐中的液态有机工质，经过工质泵送入斯特林机冷腔换热器吸收热量进行预热，再进入工质蒸发器后进一步吸收热量，产生的有机工质蒸汽进入热功转换设备做功，带动发电机发电，从热功转换设备排出的乏汽与斯特林机热腔换热器进行换热，加热斯特林机热腔内的气体，再进入工质冷凝器冷却形成液态有机工质回到工质储液罐中，从而形成有机朗肯循环回路。
斯特林机热腔内气体吸收热功转换设备排出乏汽的热量、斯特林机冷腔内气体放出热量到工质泵出口的低温工质，斯特林机腔体内气体循环往复对外做功，将热能转换为机械能，带动发电机发电，并在此过程中传递热量，充当系统回热器。
采用单一组分的有机工质或有机工质的混合物作为循环介质。
所述斯特林机采用空气、二氧化碳、氦气、氢气、氮气和氧气中的一种以上作为斯特林机循环介质。
本发明的有益效果为：
本发明充分结合当今现有的有机朗肯循环技术及斯特林机，将热功转换设备出口的乏汽通过斯特林机转化为高品质电能，并在此过程中将热量传递给工质泵出口的低温工质，充当系统回热器，提高整体系统的热效率，达到节能降耗的目的。
附图说明
图1为传统式带回热器的有机朗肯循环系统的结构示意图；
图2为本发明斯特林机回热器-有机朗肯循环系统的结构示意图；
图中标号：1-工质储液罐、2-工质泵、3-工质蒸发器、4-热功转换设备、5-发电机、6-工质冷凝器、7-传统回热器、70-斯特林机、70-1-斯特林机热腔换热器、70-2-斯特林机冷腔换热器。
具体实施方式
本发明提供了一种斯特林机回热器-有机朗肯循环系统及其使用方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图2所示，本发明提供了一种斯特林机回热器-有机朗肯循环系统，该系统的工质储液罐1、工质泵2、斯特林机冷腔换热器70-2、工质蒸发器3、热功转换设备4、斯特林机热腔换热器70-1、工质冷凝器6和工质储液罐1顺次相连构成循环回路；所述斯特林机冷腔换热器70-2和斯特林机热腔换热器70-1分别与斯特林机70相连；所述热功转换设备4和斯特林机70分别与对应的发电机5相连。
所述热功转换设备4为透平机或膨胀机等其他形式的热功转换设备。
所述工质蒸发器3设置一个或多个，多个工质蒸发器之间采用串联、并联或混联方式连接。
所述工质冷凝器6设置一个或多个，多个工质冷凝器之间采用串联、并联或混联方式连接。
所述斯特林机热腔换热器70-1和斯特林机冷腔换热器70-2分别采用公知的成熟技术配套。
本发明中未说明的设备、管道、仪表、阀门、保温装置等分别采用公知的成熟技术进行配套。
本发明一种斯特林机回热器-有机朗肯循环系统的使用方法为：储存于工质储液罐1的液态有机工质，经过工质泵2送入斯特林机冷腔换热器70-2吸收热量进行预热，再进入工质蒸发器3后进一步吸收热量，产生的有机工质蒸汽进入热功转换设备4做功，带动与热功转换设备4对应发电机5发电，从热功转换设备4排出的乏汽与斯特林机热腔换热器70-1进行换热，加热斯特林机热腔内的气体，再进入工质冷凝器6冷却形成液态有机工质回到工质储液罐1中，从而形成有机朗肯循环回路。斯特林机70热腔内气体吸收热功转换设备4排出乏汽的热量、斯特林机70冷腔内气体放出热量到工质泵2出口的低温工质，斯特林机70腔体内气体循环往复对外做功，将热能转换为机械能，带动与斯特林机70对应的发电机5发电，并在此过程中传递热量，充当系统回热器。
因此，本发明将有机朗肯循环与斯特林机结合起来，能够发挥各自的优势，形成一个新型有机朗肯循环系统，斯特林机既可发出高品质电能又可充当系统回热器，从而提高了整体系统的热效率，达到了节能降耗的目的。

Claims (8)

1.一种斯特林机回热器-有机朗肯循环系统，其特征在于，工质储液罐、工质泵、斯特林机冷腔换热器、工质蒸发器、热功转换设备、斯特林机热腔换热器、工质冷凝器和工质储液罐顺次相连构成循环回路；所述斯特林机冷腔换热器和斯特林机热腔换热器分别与斯特林机相连；所述热功转换设备和斯特林机分别与对应的发电机相连。
2.根据权利要求1所述的一种斯特林机回热器-有机朗肯循环系统，其特征在于，所述热功转换设备为透平机或膨胀机。
3.根据权利要求1所述的一种斯特林机回热器-有机朗肯循环系统，其特征在于，所述工质蒸发器设置一个或多个，多个工质蒸发器之间采用串联、并联或混联方式连接。
4.根据权利要求1所述的一种斯特林机回热器-有机朗肯循环系统，其特征在于，所述工质冷凝器设置一个或多个，多个工质冷凝器之间采用串联、并联或混联方式连接。
5.如权利要求1～4任意一项权利要求所述的一种斯特林机回热器-有机朗肯循环系统的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
储存于工质储液罐中的液态有机工质，经过工质泵送入斯特林机冷腔换热器吸收热量进行预热，再进入工质蒸发器后进一步吸收热量，产生的有机工质蒸汽进入热功转换设备做功，带动发电机发电，从热功转换设备排出的乏汽与斯特林机热腔换热器进行换热，加热斯特林机热腔内的气体，再进入工质冷凝器冷却形成液态有机工质回到工质储液罐中，从而形成有机朗肯循环回路。
6.根据权利要求5所述的一种斯特林机回热器-有机朗肯循环系统的使用方法，其特征在于，斯特林机热腔内气体吸收热功转换设备排出乏汽的热量、斯特林机冷腔内气体放出热量到工质泵出口的低温工质，斯特林机腔体内气体循环往复对外做功，将热能转换为机械能，带动发电机发电，并在此过程中传递热量，充当系统回热器。
7.根据权利要求5所述的一种斯特林机回热器-有机朗肯循环系统的使用方法，其特征在于，采用单一组分的有机工质或有机工质的混合物作为循环介质。
8.根据权利要求5所述的一种斯特林机回热器-有机朗肯循环系统的使用方法，其特征在于，所述斯特林机采用空气、二氧化碳、氦气、氢气、氮气和氧气中的一种以上作为斯特林机循环介质。
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