CN104794966A - 一种有机朗肯循环系统实验装置 - Google Patents

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任星
雷恒敏
李树元
钱冬杰
沈凯
霍官平
聂少将
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Abstract

本发明提供一种有机朗肯循环系统实验装置，该有机朗肯循环系统实验装置是以有机物为循环工质，吸收热源的热量，生成的高温高压气体工质通过机械膨胀做功、从而带动发电机发电；所述实验装置包括管路依次连接的加压装置、加热装置、发电装置和冷却装置。本发明提供的有机朗肯循环系统实验装置小巧、可移动、方便拆装，发明人采用小型涡旋膨胀机，同时对管路连接进行改进，对相关参数设定进行优化，可用于教学实验，填补了国内ORC系统教学实验及实训的空白。

Description

一种有机朗肯循环系统实验装置
技术领域
本发明涉及一种教学实验装置，尤其涉及一种有机朗肯循环系统实验装置。
背景技术
目前我国能源形势严峻的根本原因在于用能效率低下。我国每吨标准煤的产出效率仅相当于日本的10.3％、美国的28.6％。我国工业用能中近60-65％的能源转化为余热资源，其中温度低于350℃以下的低温余热，约占余热总量的60％，目前国内外采用有机朗肯循环余热发电技术对其进行有效的回收利用。
有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，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，生成具有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。中国专利CN103195520A公开了一种串级式有机朗肯循环系统及其发电方法，所述系统包括两组或两组以上有机朗肯循环单元；各有机朗肯循环单元均包括冷凝器、液体泵、蒸发器、膨胀机、发电机、冷凝器、液体泵、蒸发器、膨胀机依次连接，形成一个循环，膨胀机带动发电机发电。
在国内外有关有机朗肯循环系统的教学研究中，总体分为三大类：1、针对不同热源的特性，提出有机朗肯循环系统，比较与其它余热回收方式的不同以及进行经济性分析；2、选择不同的循环工质进行热力学分析；3、有机朗肯循环零部件设计与优化。第3部分的研究目前更侧重于零部件建模与实验验证，有关实物的介绍比较少，同时教学研究也一直存在理论脱离实际的情况，学生只知道ORC循环的理论知识，目前还没有适合的教学实验装置给学生做相应的实验。
发明内容
本发明是为了克服现有技术的缺陷和不足而进行的，目的在于提供一种可用于教学实验的有机朗肯循环系统实验装置。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
本发明提供一种有机朗肯循环系统实验装置，其特征在于，
该有机朗肯循环系统实验装置是以有机物为循环工质，吸收热源的热量，生成的高温高压气体工质通过机械膨胀做功、从而带动发电机发电；
所述实验装置包括管路依次连接的加压装置、加热装置、发电装置和冷却装置；其中，
所述加压装置是将液体有机物工质加压、输送至热源处；
所述加热装置是将经过所述加压装置的有机物工质与热源进行热交换，将低温液体有机物工质加热成高温高压气体工质；
所述发电装置是将所述高温高压气体工质通过膨胀机进行膨胀做功，以使膨胀机带动发电机发电；
所述冷却装置是将膨胀后的气体工质冷却成低温低压液体工质。
在本发明所涉及的有机朗肯循环系统实验装置的一个优选实施方案中，所述加压装置包括储存和加压液体有机物工质的工质储液罐和工质增压泵；所述工质增压泵可以为柱塞泵、高压隔膜泵等。
进一步地，所述工质储液罐和所述工质增压泵之间设置一干燥过滤器，用于干燥装置中的水蒸气。
进一步地，所述工质储液罐上设置有用于观测液位的液位计。
进一步地，所述热源的温度优选为70℃-400℃，更优选为70℃-350℃，例如70℃-100℃，循环介质优选为水或气体。
在本发明所涉及的有机朗肯循环系统实验装置的一个优选实施方案中，所述加热装置包括一蒸发器，所述有机物工质与所述热源在该蒸发器中进行热交换；所述蒸发器可使用板式换热器、管壳式换热器等。
进一步地，所述蒸发器和所述膨胀机之间还设置有视镜，用于检测蒸发器出口工质的状态。
在本发明所涉及的有机朗肯循环系统实验装置的一个优选实施方案中，所述膨胀机可以是叶轮膨胀机、涡旋膨胀机、螺杆膨胀机等，更优选为涡旋膨胀机。
在本发明所涉及的有机朗肯循环系统实验装置的一个优选实施方案中，所述冷却装置包括一冷凝器，所述冷凝器可使用板式换热器、管壳式换热器等；所述冷却装置的出口与所述加压装置的进口连接，形成回路，以使所述冷却装置冷却的低温低压液体工质循环使用；更优选地，所述冷却装置的出口与所述工质储液罐连接，所述冷却装置冷却的低温低压液体工质储存在储液罐中实现循环使用。
在本发明所涉及的有机朗肯循环系统实验装置的一个优选实施方案中，所述加压装置和所述加热装置之间、所述发电装置和所述冷却装置之间还设置有单向阀，以防止液体回流。
在本发明所涉及的有机朗肯循环系统实验装置的一个优选实施方案中，在所述管路上设置有流量计、测温计、测压计。
在本发明所涉及的有机朗肯循环系统实验装置的一个优选实施方案中，所述有机物工质包括卤代烃(CFCs)、氢氯氟烃(HCFCs)、氢氟烃(HFCs)、烷烃(HCs)，例如：R600、R600a、R245fa、R236fa、R236ca、R601、R601a、RC318、R227ca，均具有无毒、安全、环保的特性。
本发明与现有技术相比，有如下有益效果：
1)本发明提供的有机朗肯循环系统实验装置小巧、可移动、方便拆装，发明人采用小型涡旋膨胀机，同时对管路连接进行改进，对相关参数设定进行优化，可用于教学实验，填补了国内ORC系统教学实验及实训的空白；
2)有助于学生理论结合实际学习ORC循环，有助于学习动力工程测控技术、工程热力学、热力系统及设备、热力发电系统等；
3)本发明提供的有机朗肯循环系统实验装置可以做以下实验：ORC循环性能分析；热源流体入口温度对热回收效率的影响；流量对热回收效率的影响；蒸发压力对热回收效率的影响等。
附图说明
图1是本发明所涉及的有机朗肯循环系统实验装置的在实施例中的原理图；
图2是本发明所涉及的有机朗肯循环系统实验装置的在实施例中的立体结构图。
图中：
100.有机朗肯循环系统实验装置；
1.加压装置；11.工质储液罐；12.工质增压泵；
2.加热装置；21.蒸发器；22.热水泵；23.热水箱；
3.发电装置；31.膨胀机；32.膨胀阀；33.视镜；34.24v蓄电池；
4.冷却装置；41.冷凝器；42.冷却水进口；
A1、A2：单向阀；
B1、B2：流量计。
具体实施方式
以下参照附图对本发明所涉及的有机朗肯循环系统实验装置做详细说明。
图1是本发明所涉及的有机朗肯循环系统实验装置的在实施例中的原理图。
如图1所示，有机朗肯循环系统实验装置100包括管路依次连接的加压装置1、加热装置2、发电装置3和冷却装置4。
所述加压装置1是将液体有机物工质加压至热源处，即将储存在工质储液罐11中的液体有机物工质经过工质增压泵12加压至热源处；所述工质增压泵12可以为柱塞泵、高压隔膜泵等。
本发明所涉及的有机物工质包括卤代烃(CFCs)、氢氯氟烃(HCFCs)、氢氟烃(HFCs)、烷烃(HCs)，例如：R600、R600a、R245fa、R236fa、R236ca、R601、R601a、RC318、R227ca，本实施例采用R245fa作为有机物工质。
本发明所涉及的热源的温度优选为70℃-400℃，更优选为70℃-350℃，本实施例以70℃-100℃的热水为热源，储存在热水箱23中，经热水泵22打入所述加热装置2的蒸发器21中。
所述加热装置2是将经过所述加压装置1的有机物工质与热源进行热交换，将低温液体有机物工质加热成高温高压气体工质；所述加热装置2包括一蒸发器21，所述有机物工质与所述热源在该蒸发器21中进行热交换；所述蒸发器21可使用板式换热器、管壳式换热器等。
在蒸发器21中加热的高温高压气体工质流入所述发电装置3的膨胀机31中，进行膨胀做功，以使膨胀机31带动发电机发电，在本实施例中，发电的电量储存在24v蓄电池34中。
所述蒸发器21和所述膨胀机31之间还设置有视镜33，用于检测蒸发器出口工质的状态；所述膨胀机31可以是叶轮膨胀机、涡旋膨胀机等，更优选为涡旋压缩机改装而成；所述膨胀机31通过膨胀阀32控制其功率。
从膨胀机31膨胀的气体工质在所述冷却装置4中冷却成低温低压液体工质；所述冷却装置4包括一冷凝器41，所述冷凝器41可使用板式换热器、管壳式换热器等；冷凝器41的冷凝介质为冷却水，冷却水从冷却水进口42进入冷凝器41中。
所述冷却装置4的出口与所述加压装置1的进口连接，形成回路，以使所述冷却装置4冷却的低温低压液体工质循环使用；在本实施例中，更优选地，所述冷却装置4的出口与所述工质储液罐11连接，所述冷却装置4冷却的低温低压液体工质储存在储液罐11中实现循环使用。
为防止液体回流，在所述加压装置1和所述加热装置2之间、所述发电装置3和所述冷却装置4之间分别设置有单向阀A1、A2。
在上述管路的相应位置上还设置有流量计B1、B2，测温计T1～T6，测压计P3～P6。
图2是本发明所涉及的有机朗肯循环系统实验装置的在实施例中的立体结构图。
如图2所示，液体有机物工质R245fa从工质储液罐中经过工质增压泵12加压至以70℃-100℃的热水为循环热源的蒸发器21中，所述有机物工质与所述热源在该蒸发器21中进行热交换；在蒸发器21中加热的高温高压气体工质流入膨胀机31中，进行膨胀做功，以使膨胀机31带动发电机发电；从膨胀机31膨胀的气体工质在冷凝器41中冷却成低温低压液体工质，冷凝器41的出口与所述工质储液罐11连接，所述冷凝器41冷却的低温低压液体工质储存在储液罐11中实现循环使用。
本发明提供的有机朗肯循环系统实验装置小巧、可移动、方便拆装，发明人采用小型涡旋膨胀机，同时对管路连接进行改进，对相关参数设定进行优化，可用于教学实验，填补了国内ORC系统教学实验及实训的空白。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种有机朗肯循环系统实验装置，其特征在于，
该有机朗肯循环系统实验装置是以有机物为循环工质，吸收热源的热量，生成的高温高压气体工质通过机械膨胀做功、从而带动发电机发电，
所述实验装置包括管路依次连接的加压装置、加热装置、发电装置和冷却装置，
其中，所述加压装置是将液体有机物工质加压、输送至热源处；
所述加热装置是将经过所述加压装置的有机物工质与热源进行热交换，将低温液体有机物工质加热成高温高压气体工质；
所述发电装置是将所述高温高压气体工质通过膨胀机进行膨胀做功，以使膨胀机带动发电机发电；
所述冷却装置是将膨胀后的气体工质冷却成低温低压液体工质。
2.根据权利要求1所述的有机朗肯循环系统实验装置，其特征在于：
其中，所述加压装置包括储存和加压液体有机物工质的工质储液罐和工质增压泵。
3.根据权利要求2所述的有机朗肯循环系统实验装置，其特征在于：
其中，所述工质储液罐和所述工质增压泵之间设置一干燥过滤器。
4.根据权利要求1所述的有机朗肯循环系统实验装置，其特征在于
其中，所述热源的温度为70℃-400℃。
5.根据权利要求1所述的有机朗肯循环系统实验装置，其特征在于：
其中，所述加热装置包括一蒸发器，所述有机物工质与所述热源在该蒸发器中进行热交换。
6.根据权利要求5所述的有机朗肯循环系统实验装置，其特征在于：
其中，所述蒸发器和所述膨胀机之间设置有视镜。
7.根据权利要求1所述的有机朗肯循环系统实验装置，其特征在于：
其中，所述膨胀机是涡旋膨胀机。
8.根据权利要求1所述的有机朗肯循环系统实验装置，其特征在于：
其中，所述冷却装置包括一冷凝器，所述冷却装置的出口与所述加压装置的进口连接，形成回路，以使所述冷却装置冷却的低温低压液体工质循环使用。
9.根据权利要求1所述的有机朗肯循环系统实验装置，其特征在于：
其中，所述加压装置和所述加热装置之间、所述发电装置和所述冷却装置之间设置有单向阀。
10.根据权利要求1所述的有机朗肯循环系统实验装置，其特征在于：
其中，在所述管路上设置有流量计、测温计、测压计。
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