CN105156163A - 波动热源余热利用有机朗肯循环系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种波动热源余热利用有机朗肯循环系统，其包括换热器、热源流体输送管路、有机工质储液罐、有机工质循环泵、有机工质输送管路、膨胀机、发电机以及冷凝器。正常工作状态下，有机工质从有机工质储液罐中流出、经有机工质循环泵加压后经由有机工质输送管路进入换热器，同时波动热源流体经由热源流体输送管路进入换热器；在换热器中，热源流体与储热介质进行热交换，同时储热介质又与有机工质进行热交换，有机工质吸热升温并蒸发为气态有机工质；气态有机工质进入膨胀机内、驱动膨胀机做功从而驱动发电机输出电能；气态有机工质在驱动膨胀机做功后变为乏气进入冷凝器并冷却成液态有机工质，冷却成液态的有机工质输送到有机工质储液罐存储。
Description
技术领域
本发明涉及余热利用有机朗肯循环系统，尤其涉及一种波动热源余热利用有机朗肯循环系统。
背景技术
有机朗肯循环余热利用技术是一种高效的节能技术，通过有机朗肯循环对余热进行回收可以提高原动力系统总能利用效率、提高输出功率。而在一些余热热源波动的场合，如车用内燃机、航空内燃机等，热源的流量、温度随原能源利用系统工况变化有很明显的波动，这会影响有机朗肯循环系统的性能，甚至损坏部件。热源温度或流量波动时，若采用传统的有机朗肯循环系统对其进行能量回收，会使得在有机朗肯循环膨胀机入口前的有机工质热力学状态波动剧烈，这可能导致有机工质进入不饱和状态区，影响涡轮型膨胀机正常运行、缩短涡轮型膨胀机的寿命，也可能导致有机工质温度过高而发生不可逆的化学反应。
现有的余热利用有机朗肯循环系统应对余热热源波动的措施是采用合适的主动控制策略，通过控制有机朗肯循环中工质泵与膨胀机的转速以及关键阀门的开度进行调节，使系统始终运行在安全工况、高效工况。这是一种从主动控制角度提出的解决办法，并没有针对热源特性改变有机朗肯循环余热利用系统工况适应能力差的特性，所以仍然会引起有机朗肯循环工况的大幅波动，这对换热器设计与膨胀机的全工况设计提出了很高要求，同时对控制算法也提出很高的要求。
发明内容
鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种波动热源余热利用有机朗肯循环系统，其能改善系统本身对复杂工况的适应能力，进而使系统平稳运行，降低控制难度，提高系统性能。
本发明的另一目的在于提供一种波动热源余热利用有机朗肯循环系统，其对换热器与膨胀机的设计无过高的要求。
为了实现上述目的，本发明提供了一种波动热源余热利用有机朗肯循环系统，其包括：换热器，内设置有储热介质，具有热源流体入口、热源流体出口、有机工质入口以及有机工质出口；热源流体输送管路，连通热源流体输出端口和换热器的热源流体入口；有机工质储液罐，用于盛放液态有机工质；有机工质循环泵，一端连通于有机工质储液罐；有机工质输送管路，一端连通于有机工质循环泵而另一端连通于换热器的有机工质入口；膨胀机，具有连通于换热器的有机工质出口的输入端以及输出端；发电机，连接于膨胀机，并连通外部的供电或储能装置；以及冷凝器，一端连通于膨胀机的输出端而另一端连通于有机工质储液罐。其中，正常工作状态下，有机工质储液罐、有机工质循环泵、换热器的有机工质入口、换热器、换热器的有机工质出口、膨胀机以及冷凝器形成有机朗肯循环回路；有机工质从有机工质储液罐中流出、经有机工质循环泵加压后经由有机工质输送管路以及换热器的有机工质入口进入换热器中，同时从热源流体输出端口排出的热源流体经由热源流体输送管路以及热源流体入口进入换热器中；在换热器中，热源流体与储热介质进行热交换，热源流体放热降温，储热介质吸收热源流体放出的热，同时储热介质又与有机工质进行热交换，储热介质将所吸收的热放出给有机工质，有机工质吸热升温并蒸发为气态有机工质；随后气态有机工质经由换热器的有机工质出口以及膨胀机的输入端进入膨胀机内、驱动膨胀机做功从而驱动发电机向外部供电装置或储能装置输出电能；气态有机工质在驱动膨胀机做功后变为乏气进入冷凝器并冷却成液态有机工质、冷却成液态有机工质输送到有机工质储液罐存储。
本发明的有益效果如下：
在根据本发明所述的波动热源余热利用有机朗肯循环系统中，由于换热器内设置有储热介质，在换热器中同时进行热源流体与储热介质的热交换、储热介质与有机工质的热交换，这相当于增加了中间储热层，由此用间接热交换替代背景技术中的直接热交换，利用储热介质的储热特性，即使波动热源的工况产生大的波动，储热介质的储热建立了热源流体与有机工质之间的隔离和缓冲，使得有机工质的换热波动大大减低，从而使得有机朗肯循环回路工作相对稳定，有效改善波动热源余热利用有机朗肯循环系统本身对波动热源的适应能力，进而使波动热源余热利用有机朗肯循环系统平稳运行、降低控制难度、提高系统性能，进而对换热器与膨胀机的全工况设计无过高的要求；此外由于储热介质只是作为中间过渡，所以有机工质最终间接吸收的热源流体总热量始终保持相对恒定。
附图说明
图1是根据本发明的波动热源余热利用有机朗肯循环系统的示意图。
其中，附图标记说明如下：
E波动热源4有机工质循环泵
E1热源流体输出端口5有机工质输送管路
1换热器6膨胀机
12A热源流体入口61输入端
12B热源流体出口62输出端
13A有机工质入口7发电机
13B有机工质出口8冷凝器
2热源流体输送管路81风机
3有机工质储液罐9安全阀
具体实施方式
下面参照附图来详细说明根据本发明的波动热源余热利用有机朗肯循环系统。
参照图1，根据本发明的波动热源余热利用有机朗肯循环系统，包括换热器1、热源流体输送管路2、有机工质储液罐3、有机工质循环泵4、有机工质输送管路5、膨胀机6、发电机7以及冷凝器8。
换热器1内设置有储热介质11，具有热源流体入口12A、热源流体出口12B、有机工质入口13A以及有机工质出口13B。
热源流体输送管路2连通波动热源E的热源流体输出端口E1和换热器1的热源流体入口12A。
有机工质储液罐3用于盛放液态有机工质。
有机工质循环泵4的一端连通于有机工质储液罐3。
有机工质输送管路5的一端连通于有机工质循环泵4而另一端连通于换热器1的有机工质入口13A。
膨胀机6具有：输入端61，连通于换热器1的有机工质出口13B；以及输出端62。
发电机7连接于膨胀机6，并连通外部的供电或储能装置。
冷凝器8的一端连通于膨胀机6的输出端62而另一端连通于有机工质储液罐3。
其中，正常工作状态下，有机工质储液罐3、有机工质循环泵4、换热器1的有机工质入口13A、换热器1、换热器1的有机工质出口13B、膨胀机6以及冷凝器8形成有机朗肯循环回路；有机工质从有机工质储液罐3中流出、经有机工质循环泵4加压后经由有机工质输送管路5以及换热器1的有机工质入口13A进入换热器1中，从波动热源E的热源流体输出端口E1输出的热源流体经由热源流体输送管路2以及热源流体入口12A进入换热器1中；在换热器1中，热源流体与储热介质11进行热交换，热源流体放热降温，储热介质11吸收热源流体放出的热，同时储热介质11又与有机工质进行热交换，储热介质11将所吸收的热放出给有机工质，有机工质吸热升温并蒸发为气态有机工质；随后气态有机工质经由换热器1的有机工质出口13B以及膨胀机6的输入端61进入膨胀机6内、驱动膨胀机6做功从而驱动发电机7向外部供电装置或储能装置输出电能；气态有机工质在驱动膨胀机6做功后变为乏气进入冷凝器8并冷却成液态有机工质、冷却成液态有机工质输送到有机工质储液罐3存储。
在根据本发明所述的波动热源余热利用有机朗肯循环系统中，由于换热器1内设置有储热介质11，在换热器1中同时进行热源流体与储热介质11的热交换、储热介质11与有机工质的热交换，这相当于增加了中间储热层，由此用间接热交换替代背景技术中的直接热交换，利用储热介质11的储热特性，即使波动热源的工况产生大的波动，储热介质11的储热建立了热源流体与有机工质之间的隔离和缓冲，使得有机工质的换热波动大大减低，从而使得波动热源余热利用有机朗肯循环回路工作相对稳定，有效改善波动热源余热利用有机朗肯循环系统本身对波动热源的适应能力，进而使波动热源余热利用有机朗肯循环系统平稳运行、降低了控制难度、提高了系统性能，进而对换热器与膨胀机的全工况设计无过高的要求；此外由于储热介质11只是作为中间过渡，所以有机工质最终间接吸收的热源流体总热量始终保持相对恒定。
在根据本发明所述的波动热源余热利用有机朗肯循环系统中，在一实施例中，参照图1，冷凝器8采用风机81进行风冷，以实现有机朗肯循环回路中的乏气的冷凝。
在根据本发明所述的波动热源余热利用有机朗肯循环系统中，在一实施例中，参照图1，所述波动热源余热利用有机朗肯循环系统还可包括：安全阀9，一端连通于换热器1的有机工质出口13B而另一端连通于膨胀机6的输出端62。其中，系统的启动控制：当在换热器1的有机工质出口13B处的气态有机工质的温度等于或大于预设的启动温度时，有机工质循环泵4开始启动，安全阀9从开启状态变为关闭状态，从而使得波动热源余热利用有机朗肯循环系统处于正常工作状态下，有机朗肯循环回路工作，实现波动热源余热利用有机朗肯循环系统的启动。系统的运行控制：有机工质储液罐3、有机工质循环泵4、换热器1的有机工质入口13A、换热器1、换热器1的有机工质出口13B、安全阀9以及冷凝器8形成系统控制循环回路，波动热源余热利用有机朗肯循环系统启动后，如果在换热器1的有机工质出口13B处的气态有机工质的温度小于预设的启动温度时，则安全阀9从关闭状态变为开启状态，有机朗肯循环回路不工作，而系统控制循环回路工作，有机工质从有机工质储液罐3中流出、经有机工质循环泵4加压后经由有机工质输送管路5以及换热器1的有机工质入口13A进入换热器1中，从波动热源E的热源流体输出端口E1排出的热源流体经由热源流体输送管路2以及热源流体入口12A进入换热器1中；在换热器1中，热源流体与储热介质11进行热交换，热源流体放热降温，储热介质11吸收热源流体放出的热，同时储热介质11又与有机工质进行热交换，储热介质11将所吸收的热放出给有机工质，有机工质吸热升温并蒸发为气态有机工质；随后气态有机工质经由换热器1的有机工质出口13B以及安全阀9进入冷凝器8并冷却成液态有机工质、冷却成液态有机工质输送到有机工质储液罐3存储，系统控制循环回路一直工作直到换热器1的有机工质出口13B处的气态有机工质的温度等于或高于预设的启动温度后，安全阀9从开启状态变为关闭状态，由此系统控制循环回路切换到有机朗肯循环回路工作。系统的停止控制：当波动热源E停止工作时，先使安全阀9处于开启状态之后有机工质循环泵4关闭，随着气态有机工质的做功而能量耗尽，膨胀机6和发电机7停止，最终整个系统停止工作。应注意的是，预设的启动温度可依据波动热源余热利用有机朗肯循环系统的实际情况需要来确定。
在根据本发明所述的波动热源余热利用有机朗肯循环系统中，在一实施例中，冷凝器8采用风机81进行风冷，以实现有机朗肯循环回路中的乏气的冷凝和系统控制循环回路中的气态有机工质的冷凝。当然不限于此，也可以采用水冷。
在此需要说明的是，无论是有机朗肯循环回路工作还是系统控制循环回路工作，在换热器1中，热源流体与储热介质11的热交换和储热介质11与有机工质的热交换是同时进行的；换句话说，热源流体与储热介质11的热交换和储热介质11与有机工质的热交换是耦合的，所以储热介质11本身同时存在着吸热和放热，但是储热介质11的温度是否升高需要看实际耦合的效果。
在根据本发明所述的波动热源余热利用有机朗肯循环系统中，储热介质11可为潜热储热介质、显热储热介质或化学反应储热介质。
显热储热主要是利用蓄热材料的温度变化来储存热能，其蓄热密度小，温度波动较大。但这种蓄热材料易获得、工作寿命长、化学稳定性好，如石蜡、无机盐、金属等。在传热方面，可以采用直接接触式换热，因而结构简单，成本低。
潜热储热也称相变蓄热，其利用相变材料的相变潜热进行热能储存，具有蓄热密度高、温度波动小(储、放热过程近似等温)、过程易控制等特点。发生的相变过程有四种，常被利用的相变过程有固-液、固-固相变两种类型，而固-气和液-气相变虽然可以储存较多热量，但因气体占有的体积大、相变过程体积变化剧烈，使系统体积增大，设备复杂，所以一般不用于储热。固-液相变是通过相变材料的熔化过程进行热量储存，通过相变材料的凝固过程来放出热量。而固-固相变则是通过相变材料在发生相变时固体分子晶体结构有序-无序的转变而可逆地进行储、放热。
化学反应储热是利用可逆化学反应通过热能与化学热的转换储热，它在受热和受冷时可发生可逆反应，分别对外吸热或放热，这样就可把热能储存起来。其主要优点是蓄热量大，而且如果反应过程能用催化剂或反应物控制，可长期蓄存热量。
在根据本发明所述的波动热源余热利用有机朗肯循环系统中，优选的储热介质11为潜热储热介质。
在根据本发明所述的波动热源余热利用有机朗肯循环系统中，储热介质11将热源流体和有机工质之间隔离以及热源流体和有机工质分别与储热介质11之间的换热方式(接触、对流等)可以采用公知的技术来实现。
在根据本发明所述的波动热源余热利用有机朗肯循环系统中，在一实施例中，参照图1，在换热器1中已完成换热的热源流体从换热器1的热源流体出口12B向外部环境排出。当然不限于此，可以连通于另外的管路，进一步处理利用热源流体等；也可以视具体情况，在换热器1中已完成换热的热源流体经由换热器1的热源流体出口12B再进入波动热源E中，进行循环使用。
Claims (5)
1.一种波动热源余热利用有机朗肯循环系统，其特征在于，包括：
换热器(1)，内设置有储热介质(11)，具有热源流体入口(12A)、热源流体出口(12B)、有机工质入口(13A)以及有机工质出口(13B)；
热源流体输送管路(2)，连通波动热源(E)的热源流体输出端口(E1)和换热器(1)的热源流体入口(12A)；
有机工质储液罐(3)，用于盛放液态有机工质；
有机工质循环泵(4)，一端连通于有机工质储液罐(3)；
有机工质输送管路(5)，一端连通于有机工质循环泵(4)而另一端连通于换热器(1)的有机工质入口(13A)；
膨胀机(6)，具有：
输入端(61)，连通于换热器(1)的有机工质出口(13B)；以及
输出端(62)；
发电机(7)，连接于膨胀机(6)，并连通外部的供电或储能装置；以及
冷凝器(8)，一端连通于膨胀机(6)的输出端(62)而另一端连通于有机工质储液罐(3)；
其中，
正常工作状态下，有机工质储液罐(3)、有机工质循环泵(4)、换热器(1)的有机工质入口(13A)、换热器(1)、换热器(1)的有机工质出口(13B)、膨胀机(6)以及冷凝器(8)形成有机朗肯循环回路；有机工质从有机工质储液罐(3)中流出、经有机工质循环泵(4)加压后经由有机工质输送管路(5)以及换热器(1)的有机工质入口(13A)进入换热器(1)中，从波动热源(E)的热源流体输出端口(E1)排出的热源流体经由热源流体输送管路(2)以及热源流体入口(12A)进入换热器(1)中；在换热器(1)中，热源流体与储热介质(11)进行热交换，热源流体放热降温，储热介质(11)吸收热源流体放出的热，同时储热介质(11)又与有机工质进行热交换，储热介质(11)将所吸收的热放出给有机工质，有机工质吸热升温并蒸发为气态有机工质；随后气态有机工质经由换热器(1)的有机工质出口(13B)以及膨胀机(6)的输入端(61)进入膨胀机(6)内、驱动膨胀机(6)做功从而驱动发电机(7)向外部供电装置或储能装置输出电能；气态有机工质在驱动膨胀机(6)做功后变为乏气进入冷凝器(8)并冷却成液态有机工质、冷却成液态有机工质输送到有机工质储液罐(3)存储。
2.根据权利要求1所述的波动热源余热利用有机朗肯循环系统，其特征在于，还包括：
安全阀(9)，一端连通于换热器(1)的有机工质出口(13B)而另一端连通于膨胀机(6)的输出端(62)；
其中，
系统的启动控制：当在换热器(1)的有机工质出口(13B)处的气态有机工质的温度等于或大于预设的启动温度时，有机工质循环泵(4)开始启动，安全阀(9)从开启状态变为关闭状态，从而使得波动热源余热利用有机朗肯循环系统处于正常工作状态下，有机朗肯循环回路工作，实现波动热源余热利用有机朗肯循环系统的启动；
系统的运行控制：有机工质储液罐(3)、有机工质循环泵(4)、换热器(1)的有机工质入口(13A)、换热器(1)、换热器(1)的有机工质出口(13B)、安全阀(9)以及冷凝器(8)形成系统控制循环回路，波动热源余热利用有机朗肯循环系统启动后，如果在换热器(1)的有机工质出口(13B)处的气态有机工质的温度小于预设的启动温度时，则安全阀(9)从关闭状态变为开启状态，有机朗肯循环回路不工作，而系统控制循环回路工作，有机工质从有机工质储液罐(3)中流出、经有机工质循环泵(4)加压后经由有机工质输送管路(5)以及换热器(1)的有机工质入口(13A)进入换热器(1)中，从波动热源(E)的热源流体输出端口(E1)排出的热源流体经由热源流体输送管路(2)以及热源流体入口(12A)进入换热器(1)中；在换热器(1)中，热源流体与储热介质(11)进行热交换，热源流体放热降温，储热介质(11)吸收热源流体放出的热，同时储热介质(11)又与有机工质进行热交换，储热介质(11)将所吸收的热放出给有机工质，有机工质吸热升温并蒸发为气态有机工质；随后气态有机工质经由换热器(1)的有机工质出口(13B)以及安全阀(9)进入冷凝器(8)并冷却成液态有机工质、冷却成液态有机工质输送到有机工质储液罐(3)存储，系统控制循环回路一直工作直到换热器(1)的有机工质出口(13B)处的气态有机工质的温度等于或高于预设的启动温度后，安全阀(9)从开启状态变为关闭状态，由此系统控制循环回路切换到有机朗肯循环回路工作；
系统的停止控制：当波动热源(E)停止工作时，先使安全阀(9)处于开启状态之后有机工质循环泵(4)关闭，随着气态有机工质的做功而能量耗尽，膨胀机(6)和发电机(7)停止，最终整个系统停止工作。
3.根据权利要求1所述的波动热源余热利用有机朗肯循环系统，其特征在于，冷凝器(8)采用风机(81)进行风冷，以实现有机朗肯循环回路中的乏气的冷凝。
4.根据权利要求2所述的波动热源余热利用有机朗肯循环系统，其特征在于，冷凝器(8)采用风机(81)进行风冷，以实现有机朗肯循环回路中的乏气的冷凝和系统控制循环回路中的气态有机工质的冷凝。
5.根据权利要求1所述的波动热源余热利用有机朗肯循环系统，其特征在于，储热介质(11)为潜热储热介质、显热储热介质或化学反应储热介质。
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