CN105259205A - 中低品位热源有机朗肯循环蒸发器传热性能综合测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中低品位热源有机朗肯循环蒸发器传热性能综合测试系统，该系统的构成包括有机朗肯循环发电系统、润滑油浓度控制系统、蒸发沸腾测试段以及ORC冷热源。本发明的优点是；可以有效的控制和测量润滑油的浓度，从而实现在润滑油不同浓度下有机工质混合物蒸发沸腾传热性能的各种测试；可以充分利用板壳蒸发器的沸腾传热特性，从而使其既保持结构紧凑、换热系数高、承压高的特点，又增强了其应用于中低温热源工况下ORC系统的效能；可以冷源共用，有效地降低了实验成本和占地面积。

Description

中低品位热源有机朗肯循环蒸发器传热性能综合测试系统

技术领域

本发明涉及一种测试系统，更具体地说，本发明涉及一种用于检测中低品位热源有机朗肯循环蒸发器传热性能的综合测试系统。

背景技术

目前，已经证实，有机朗肯循环(ORC)技术是一种非常有潜力且适合中低温余热回收和可再生能源发电的技术，而对于ORC设备系统来说，其组成部分中的蒸发器、冷凝器等传热设备的传热系数，在技术经济性评价和优化中占据着较为重要的位置。

在早期的ORC设备投资计算中，蒸发器、冷凝器等换热设备的传热系数被粗略地取为定值。但近几年来，多数学者发现，ORC工况下，传热设备的传热系数会随着换热器类型和运行工况的变化有较大的波动，特别是有润滑油侵入传热设备或使用不同类型的换热器时，这种现象尤为明显。就ORC设备投资而言，目前换热设备的投资占到了系统总投资的较大比例。显然，换热系数的可靠性对ORC系统的经济性评价至关重要。然而，由于目前仍然缺乏ORC工况下单相和两相传热关联式，故在ORC系统评价的过程中，往往采用类似工况下的换热关联式，并因此忽视了ORC运行过程中由于高温有机工质蒸汽的携带作用，膨胀机中的润滑油会不可避免地进入ORC系统的冷凝器和蒸发器，进而对ORC系统的传热性能产生不良影响。另外，板壳换热器具有结构紧凑、换热系数高、承压高的特点，但其沸腾传热特性的研究尚不成熟，从而阻碍了板壳换热器在中低品位热源ORC系统上的应用。

因此，掌握中低温热源工况下ORC蒸发器的蒸发沸腾和压降特性，校核和开发适合ORC蒸发工况和对应有机工质的传热经验方程式和压降经验关联式，特别是增强结构紧凑的板壳换热器的传热性能及有机工质润滑油的传热特性，对ORC的市场推广特别重要。

发明内容

本发明的目的就是针对以上现有技术所存在的问题，提供一种中低品位热源有机朗肯循环蒸发器传热性能综合测试系统，从而避免或减少在ORC运行过程中由于高温有机工质蒸汽的携带作用对ORC系统传热性能的不良影响。

本发明的技术方案是：

一种中低品位热源有机朗肯循环蒸发器传热性能综合测试系统，包括有机朗肯循环发电系统、润滑油浓度控制系统、蒸发沸腾测试段以及ORC冷热源；

所述的有机朗肯循环发电系统，包括储液器，所述的储液器通过第一工质泵连接第一流量计，所述的第一流量计连接板壳蒸发测试段并通过所述的板壳蒸发测试段连接第一混合器后分支两路：一路通过第一阀门连接冷凝器，再通过第二阀门进入所述储液器；另一路直接进入膨胀机并通过所述的膨胀机连接第一油分，所述第一油分分出的工质管路连接冷凝器，再通过第二阀门连接储液器，所述第一油分分出的润滑油管路连接第一储油器并通过第一油泵进入膨胀机；

所述的润滑油浓度控制系统，包括储液器，所述的储液器通过第二阀门和第三流量计连接第二混合器，所述的第二混合器顺序连接第二工质泵以及单管蒸发测试段并通过所述的单管蒸发测试段分支两路：一路通过第三阀门连接第二油分，另一路通过第四阀门连接第一混合器并通过所述的第一混合器连接膨胀机；所述第二油分分出的工质管路通过第一混合器连接膨胀机；所述第二油分分出的润滑油管路连接第二储油器，所述的第二储油器顺序连接第二油泵、第二流量计和截止阀并通过所述的截止阀连接第二混合器；

所述的蒸发沸腾测试段包括单管蒸发测试段和板壳式蒸发测试段：所述的单管蒸发测试段由单管预热段、单管蒸发段和单管过热段组成；所述的板壳式蒸发测试段由板壳预热段、板壳蒸发段、板壳过热段组成；

所述的ORC冷热源包括ORC外部热源和ORC外部冷源：所述的ORC外部热源由燃油锅炉、电加热锅炉或者直流电热丝提供；所述的ORC外部冷源由冷却塔或恒温水浴提供；

所述板壳换热器的板壳预热段和板壳蒸发段之间设置有第一视液镜；

所述有机工质测试件的单管预热段和单管蒸发段之间设置有第二视液镜。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

(1)可以有效的控制和测量润滑油的浓度，从而实现在润滑油不同浓度下有机工质混合物蒸发沸腾传热性能的各种测试；

(2)可以充分利用板壳蒸发器的沸腾传热特性，从而使其既保持结构紧凑、换热系数高、承压高的特点，又增强了其应用于中低温热源工况下ORC系统的效能；

(3)可以冷源共用，有效地降低了实验成本和占地面积。

附图说明

附图是本发明的系统结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明更容易被清楚理解，下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作以详细说明。

参照附图，本发明的中低品位热源有机朗肯循环蒸发器传热性能测试系统，由有机朗肯循环发电系统、润滑油浓度控制系统、蒸发沸腾测试段以及ORC冷、热源构成，其中：

所述的有机朗肯循环发电系统，包括储液器1、第一工质泵2、第一流量计3、热源7、第一混合器8、膨胀机9和第一油分10，还包括包含有板壳预热段4、板壳蒸发段5和板壳过热段6的板壳蒸发测试段；该系统的构成情况是；所述的储液器1连接第一工质泵2并通过第一工质泵2连接第一流量计3，所述的第一流量计3顺序连接由热源7供热的板壳蒸发测试段的板壳预热段4、板壳蒸发段5以及板壳过热段6，所述的板壳蒸发测试段通过其板壳过热段6连接第一混合器8后分支两路：一路通过第一阀门32连接由冷源12供冷的冷凝器11，再通过第二阀门13进入储液器1，从而构成有机工质的循环回路；另一路直接进入膨胀机9并通过所述的膨胀机9连接第一油分10，所述第一油分10分出的工质连接冷凝器11，再通过第二阀门13连接储液器1参与有机工质的循环利用，所述第一油分10分出的润滑油连接第一储油器26，通过第一油泵27进入膨胀机9，从而构成润滑油的循环回路；为便于了解板壳蒸发测试段中工质的状态，本发明在所述的板壳预热段4和板壳蒸发段5之间设置了第一视液镜28；

所述的润滑油浓度控制系统包括储液器1、第二油分19、第二油泵18、第二流量计17、截止阀16、第二混合器15、第二工质泵21以及包含有单管预热段22、单管蒸发段23和单管过热段24的单管蒸发测试段；该系统的构成情况是：所述的储液器1通过第二阀门13和第三流量计14连接第二混合器15，并通过第二混合器15顺序连接第二工质泵21以及由DC热源31供热的单管蒸发测试段的单管预热段22、单管蒸发段23和单管过热段24，所述的单管蒸发测试段通过其单管过热段24分支两路：一路通过第三阀门25连接第二油分19，另一路通过第四阀门20连接第一混合器8并通过所述的第一混合器8连接膨胀机9参与有机工质的循环利用；所述第二油分19分出的工质连接第一混合器8并通过所述的第一混合器8连接膨胀机9参与有机工质的循环利用；所述第二油分19分出的润滑油连接第二储油器30，所述的第二储油器30通过第二油泵18连接第二流量计17，并通过第二流量计17连接截止阀16，在通过截止阀16连接第二混合器15，从而构成润滑油的循环回路；为便于了解单管蒸发测试段中工质的状态，本发明在所述的单管预热段22和单管蒸发段23之间设置了第二视液镜29；

所述的蒸发沸腾测试段，包括单管蒸发测试段和板壳式蒸发测试段：所述的单管蒸发测试段由顺序连接的单管预热段22、单管蒸发段23和单管过热段24组成；所述的板壳式蒸发测试段由顺序连接的板壳预热段4、板壳蒸发段5、板壳过热段6组成；

所述的ORC冷热源包括ORC外部热源和ORC外部冷源，所述的ORC外部热源视系统需要的大小由燃油锅炉、电加热锅炉或者直流电热丝提供，所述的ORC外部冷源视系统需要的大小由冷却塔或恒温水浴提供。

本发明的特点是：

(1)针对润滑油对单管蒸发测试段沸腾传热性能的影响，特别是对不同浓度的润滑油与有机工质混合物、不同干度下有机工质的蒸发沸腾传热性能的影响所进行的研究，该研究开发了中低温ORC蒸发工况下润滑油与有机工质混合物单管蒸发沸腾传热性能的试验系统和测试方法；

(2)利用板壳换热器空间紧凑、换热系数高、承压高且结构紧凑、板型多样的特点，开发了ORC蒸发工况板壳换热器蒸发沸腾传热性能试验系统和测试方法为进一步研究、校核和开发适用于ORC蒸发工况的板壳换热器的传热和压降关联式及高效板壳换热器提供了必要条件；

(3)针对ORC试验台搭建过程中的空间布局和流程分配，从节省空间、节约成本的角度出发，通过阀门的有效切换，实现ORC蒸发工况润滑油-有机工质单管蒸发沸腾传热性能试验系统、ORC蒸发工况板壳换热器蒸发沸腾传热性能试验系统和ORC系统性能测试系统的高度匹配，并实现冷源的共用。

本发明通过系统中各个阀门的开启或关闭的不同情况，同时实现润滑油与有机工质混合物沸腾传热和压降单管试验、ORC系统性能测试实验和ORC板壳蒸发器沸腾传热和压降板壳换热器试验，而且冷源共用于实现不同目的测试试验，有效地节省了系统空间和系统成本，能够在保证实验精度的条件下，实现试验系统功能的最大化。

请看下面的实施例：

实施例1.ORC蒸发工况纯工质单管蒸发沸腾传热性能试验：

此时，第二阀门13开启，第三阀门25和膨胀机9均关闭。所述储液罐1中的纯液态有机工质在第二工质泵21的驱动下，通过第三流量计14进入第二混合器15，进而第二工质泵21将纯液态有机工质泵入单管蒸发测试段的单管预热段22，被DC热源28加热到单管蒸发测试段要求的入口干度和温度时，进入单管蒸发段23进行传热系数和压降的测量，然后经单管过热段24完全加热为气体，再经第四阀门20直接进入第一混合器8并通过第一阀门32直接进入冷凝器11冷却，再进入所述的储液罐1，进行有机工质的循环利用。

实施例2.ORC蒸发工况润滑油-有机工质单管蒸发沸腾传热性能试验：

此时，第二阀门13开启，第四阀门20关闭。所述储液罐1中的纯液态有机工质在第二工质泵21的驱动下进入第三流量计14，同时开启第二油泵18，驱动第二储油器30内的润滑油进入第二混合器15与其内的纯液态有机工质进行混合，分别调节第二油泵18和第二工质泵21，待其混合结果达到测试的润滑油浓度时(通过质量流量计计算混合物的含油浓度)，由所述的第二工质泵21将有机工质和润滑油的混合物泵入单管蒸发测试段的单管预热段22，被DC热源31加热到单管蒸发测试段要求的入口干度和温度时，进入单管蒸发段23进行传热系数和压降的测量，然后经单管过热段24进入第三阀门25并通过该阀门进入第二油分19，分离出来的润滑油进入第二储油器30，实现润滑油的循环利用，分离出来的有机工质则绕过所述的膨胀机9通过第一阀门32直接进入冷凝器11冷却，然后进入储液罐1，进行有机工质的循环利用。

实施例3.ORC蒸发工况板壳换热器蒸发沸腾传热性能试验：

此时，第二阀门13和膨胀机9均关闭。所述储液罐1中的纯液态有机工质在第一工质泵2的驱动下，通过第一流量计3进入板壳蒸发测试段的板壳预热段4，被热源7加热到板壳蒸发测试段的入口干度和温度时，进入板壳蒸发段5进行传热系数和压降的测量，然后经板壳过热段6进入第一混合器8并通过第一阀门32直接进入冷凝器11冷却，再进入储液罐1，进行有机工质的循环利用。

实施例4.ORC系统性能测试：

此时，第一阀门32和第二阀门13均关闭。所述储液罐1中的纯液态有机工质在第一工质泵2的驱动下，通过第一流量计3进入板壳蒸发测试段的板壳预热段4，被热源7加热到板壳蒸发测试段的入口干度和温度时，进入板壳蒸发段5进行传热系数和压降的测量，然后经板壳过热段6进入第一混合器8，并通过所述的第一混合器8进入所述的膨胀机9，有机工质在膨胀机9内做功后进入冷凝器11冷却，然后再进入储液罐1，进行有机工质的循环利用。

本发明的中低品位热源有机朗肯循环蒸发器传热性能综合测试系统，具有以下优点：

(1)可以一台多用，实现多种研究目的ORC性能测试研究，即：ORC蒸发工况润滑油-有机工质单管蒸发沸腾传热性能试验、ORC蒸发工况板壳蒸发沸腾传热性能试验和ORC系统性能测试；

(2)可以实现不同试验目的冷源共用，结构灵活紧凑，节约实验成本；

(3)可以灵活的调节有机工质中润滑油的浓度，模拟ORC实际运行过程中的有机工质对膨胀机中润滑油的携带，获得更好的试验效果。

以上参照附图和实施例对本发明的技术方案进行了示意性描述，该描述没有限制性。本领域的技术人员应能理解，在实际应用中，本发明中各个技术特征的设置方式均可能发生某些变化，而其他人员在其启示下也可能做出相似设计。特别需要指出的是：只要不脱离本发明的设计宗旨，所有显而易见的细节变化或相似设计，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种中低品位热源有机朗肯循环蒸发器传热性能综合测试系统，包括有机朗肯循环发电系统、润滑油浓度控制系统、蒸发沸腾测试段以及ORC冷热源，其特征在于：

所述的有机朗肯循环发电系统，包括储液器，所述的储液器通过第一工质泵连接第一流量计，所述的第一流量计连接板壳蒸发测试段并通过所述的板壳蒸发测试段连接第一混合器后分支两路：一路通过第一阀门连接冷凝器，再通过第二阀门进入所述储液器；另一路直接进入膨胀机并通过所述的膨胀机连接第一油分，所述第一油分分出的工质管路连接冷凝器，再通过第二阀门连接储液器，所述第一油分分出的润滑油管路连接第一储油器并通过第一油泵进入膨胀机；

所述的润滑油浓度控制系统，包括储液器，所述的储液器通过第二阀门和第三流量计连接第二混合器，所述的第二混合器顺序连接第二工质泵以及单管蒸发测试段并通过所述的单管蒸发测试段分支两路：一路通过第三阀门连接第二油分，另一路通过第四阀门连接第一混合器并通过所述的第一混合器连接膨胀机；所述第二油分分出的工质管路通过第一混合器连接膨胀机；所述第二油分分出的润滑油管路连接第二储油器，所述的第二储油器顺序连接第二油泵、第二流量计和截止阀并通过所述的截止阀连接第二混合器；

所述的蒸发沸腾测试段包括单管蒸发测试段和板壳式蒸发测试段：所述的单管蒸发测试段由单管预热段、单管蒸发段和单管过热段组成；所述的板壳式蒸发测试段由板壳预热段、板壳蒸发段、板壳过热段组成；

所述的ORC冷热源包括ORC外部热源和ORC外部冷源。

2.根据权利要求1所述的中低品位热源有机朗肯循环蒸发器传热性能综合测试系统，其特征在于：所述板壳换热器的板壳预热段和板壳蒸发段之间设置有第一视液镜。

3.根据权利要求1所述的中低品位热源有机朗肯循环蒸发器传热性能综合测试系统，其特征在于：所述有机工质测试件的单管预热段和单管蒸发段之间设置有第二视液镜。

4.根据权利要求1所述的中低品位热源有机朗肯循环蒸发器传热性能综合测试系统，其特征在于：所述的ORC外部热源由燃油锅炉、电加热锅炉或者直流电热丝提供。

5.根据权利要求1所述的中低品位热源有机朗肯循环蒸发器传热性能综合测试系统，其特征在于：所述的ORC外部冷源由冷却塔或恒温水浴提供。