CN105401988A - 利用涡流管的高效热力循环系统 - Google Patents

Abstract

利用涡流管的高效热力循环系统，主要由工质泵、热交换器、膨胀机和涡流管分流冷却单元组成。涡流管分流冷却单元由若干涡流管组合而成，涡流管分离出的液态工质直接进入工质泵进口，气态工质进入热交换器与循环系统高压侧的低温工质换热，温度降低后的工质再次进入涡流管分流冷却，液态工质进入工质泵进口，气态工质再次进入热交换器与循环系统高压侧的低温工质换热。经过多级涡流管分流冷却和多次与低温工质换热，绝大部分工质以液态形式进入工质泵进口，仅有极少部分工质未被液化，两者比例合适，将两者合并可以保证工质泵进口处所有工质为液态。本发明使用液体工质泵对工质增压，泵的耗功减小，而且循环系统中热量回收利用，热效率高。

Description

利用涡流管的高效热力循环系统

技术领域

本发明涉及热量循环利用技术和涡流管冷却技术领域，具体涉及一种利用涡流管的高效热力循环系统。

背景技术

利用涡流管的高效热力循环系统，是基于朗肯循环的热力循环系统。朗肯循环是指以水蒸气作为工质的一种理想循环过程，主要包括等熵压缩、等压加热、等熵膨胀、以及一个等压冷凝过程，主要用于蒸汽装置动力循环。目前，国内外研究开发的朗肯循环热力系统，包括有机朗肯循环和超临界朗肯循环。有机朗肯循环是以低沸点有机物为工质的朗肯循环，超临界朗肯循环是以超临界流体为工质的朗肯循环，这两种热力循环目前主要应用在低温余热发电循环系统中。在现有的基于朗肯循环的热力循环系统中，存在的问题是在循环工质冷却过程中，系统的热量向外界散失，造成能源浪费，或者在循环工质压缩过程中，使用压气机，消耗的压缩功大，这些情况都降低了热力循环热效率。

涡流管是一种没有运动部件，结构非常简单的能量分离装置，它是由喷嘴、涡流室、分离孔板和冷热两端管组成，只需输入一定压力的压缩空气，通过涡流管内部能量转换，一端产生冷空气，一端产生热空气。利用涡流管冷却，不消耗外功，高温热量可以回收利用，不向外界散失，可以达到工质的液化温度，减小压缩功。而且涡流管具有很多优点，如性能安全可靠、温度可调整、安装拆卸维护方便、结构紧凑、质量轻、价格便宜、无转动部件、可连续长时间工作、寿命长等。

发明内容

本发明提供了一种利用涡流管的高效热力循环系统，以解决现有技术存在的工质在冷却过程热量散失、压缩过程压缩功大、热力循环效率低的问题，采用涡流管冷却的方法，不消耗外功，高温热量可以回收利用，不向外界散失热量，可以实现膨胀做功后的气态工质的冷却液化，使用液体工质泵，减小压缩功，提高了系统的循环热效率。

本发明是基于朗肯循环的热力循环系统，主要由工质泵、热交换器、膨胀机和涡流管分流冷却单元组成，工质泵出口通过热交换器与膨胀机相连，膨胀机和工质泵之间设置冷却单元，解决其技术问题所采用的技术方案是冷却单元为涡流管分流冷却单元，涡流管分流冷却单元由若干涡流管组合而成，涡流管分流冷却单元分离的低温液态工质进入工质泵的进口，涡流管分流冷却单元分离的高温气态工质进入若干个热交换器与循环系统高压侧的低温工质进行换热，换热后温度降低的工质也进入工质泵的进口，使工质泵进口处气态工质与液态工质的热量比例合适，实现工质泵进口处工质全部液化。

上述涡流管分流冷却单元包括多级涡流管组合，涡流管低温端出口达到液体状态的工质直接进入工质泵进口，高温端出口工质再进入下一级涡流管继续分流或者进入热交换器与循环系统高压侧的低温工质进行换热降温，温度降低后的工质再次进入涡流管分流冷却，低温端出口液化的工质进入工质泵进口，高温端出口的工质再次进入热交换器与循环系统高压侧的低温工质换热，经过多级涡流管分流冷却和多次与低温工质换热，绝大部分工质达到液化温度以液态形式进入工质泵进口，仅有极少部分工质未被液化，将未被液化的极少部分工质并入工质泵进口处，工质泵进口处气态工质与液态工质的热量比例合适，使工质泵进口处所有工质为液态。

本发明系统工作原理：工质以液态形式进入工质泵，低温低压的液态工质经过工质泵增压变为低温高压的工质，经工质泵增压后的高压工质连续经过多个热交换器，吸收热量温度升高，热交换器的热量分别为来自膨胀机做功后工质的热量和涡流管分流冷却单元分流后高温端出口工质的热量，最后经过热交换器吸收外界热源的热量，例如高温烟气、废气余热或者太阳能等，从而形成高温高压的工质，达到过热蒸汽或者超临界流体的状态，经过膨胀机膨胀做功，做功后的气态工质与循环系统高压侧低温的工质进行换热，然后再进入涡流管分流冷却单元在其中分流冷却，经过多级涡流管的分流，液化的低温工质回到工质泵进口，高温工质经过热交换器降温，再经涡流管分流冷却，再换热，经过多级涡流管，高温工质的流量越来越少，携带的热量也越来越少，最后仅剩微量气态工质的时候并入工质泵进口，工质泵进口处气态工质与液态工质的热量比例合适，使工质泵进口处所有工质为液态，完成一次热力循环。

本发明通过涡流管分流冷却单元对膨胀做功后的气态工质进行分流冷却，将气态工质变为液态，减小工质泵的压缩功，而且高温工质携带的热量可以回收利用，没有热量散失，提高了热力循环系统净效率。该热力循环系统是一个封闭式的系统，整个循环过程除了设备的散热，没有热量排放到外界，不产生污染，仅有工质泵耗功，并可吸收清洁能源（太阳能、空气能等）或者工业废气的热量，不破坏环境，循环效率高，节能高效。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。

图1是本发明系统的工作原理示意图；

图2是本发明系统涡流管的结构示意图。

图中1工质泵、2热交换器一、3膨胀机、4热交换器二、5第一级涡流管、6第二级涡流管、7第三级涡流管、8第四级涡流管、9第五级涡流管、10热交换器三、11热交换器四、12喷嘴、13低温端管、14高温端管、15涡流室、16分离孔板、17调节阀。

具体实施方式

如图1和图2所示，一种利用涡流管的高效热力循环系统，主要由工质泵1、热交换器一2和膨胀机3组成，工质泵1出口通过热交换器一2与膨胀机3相连，膨胀机3和工质泵1之间设置冷却单元，冷却单元为涡流管分流冷却单元，涡流管分流冷却单元包括五级涡流管组合，涡流管是一种结构非常简单的能量分离装置，它是由喷嘴12、涡流室15、分离孔板16、低温端管13、高温端管14和调节阀17组成，第一级涡流管5和第三级涡流管7分离的低温液态工质进入工质泵1的进口，第二级涡流管6和第三级涡流管7分离的高温气态工质通过两个热交换器三10与循环系统高压侧低温工质换热后进入第四级涡流管8，第四级涡流管8和第五级涡流管9分离的低温液态工质进入工质泵1的进口，第五级涡流管9分离的高温气态工质通过热交换器四11与工质泵1出口低温工质换热后进入工质泵1的进口。

本发明系统工作原理：工质以液态形式进入工质泵1，低温低压的工质经过工质泵1变为低温高压的工质，经工质泵增压后的高压工质先后经过热交换器四11、热交换器三10和热交换器二4，吸收热量温度升高，热交换器四11的热量来自第五级涡流管9分流后高温端出口工质的热量，热交换器三10的热量来自第二级涡流管6和第三级涡流管7分流后高温端出口工质的热量，热交换器二4的热量来自膨胀机做功后工质的热量，最后经过热交换器一2吸收外界热源的热量，例如高温烟气、废气余热或者太阳能等，从而形成高温高压的工质，达到过热蒸汽或者超临界流体的状态，再经过膨胀机膨胀做功，压力和温度降低后的气态工质经过热交换器二4与循环系统高压侧的低温工质换热后温度再次降低，然后进入第一级涡流管5进行分流冷却，第一级涡流管5低温端出口的液态工质进入工质泵1进口，第一级涡流管5高温端出口的工质进入第二级涡流管6，第二级涡流管6低温端出口的工质没有达到液化温度，进入第三级涡流管7继续分流，第二级涡流管6和第三级涡流管7高温端出口的工质经两个热交换器三10降温，再进入第四级涡流管8和第五级涡流管9分流冷却，第四级涡流管8和第五级涡流管9低温端出口的液态工质进入工质泵1进口，第五级涡流管9高温端出口的工质进入热交换器四11与工质泵1出口的低温工质进行换热，经过多级涡流管，高温工质流量越来越少，携带的热量也越来越少，最后仅剩微量气态工质的时候并入工质泵进口，工质泵进口处气态工质与液态工质的热量比例合适，使工质泵进口处所有工质为液态，完成一次热力循环。

本具体实施方式中采用了五级涡流管的多级组合，但是不同的工质、不同的工作压力和温度，使用不同数量的涡流管、涡流管使用不同的组合方式才能达到最优的效果。根据涡流管的实际性能，通过灵活多级组合，调整工质泵进口处气态工质与液态工质的比例，能够使工质全部液化进入工质泵进口，实现热力循环。

Claims (2)

1.一种利用涡流管的高效热力循环系统，是基于朗肯循环的热力循环系统，主要由工质泵、热交换器、膨胀机和涡流管分流冷却单元组成，工质泵出口通过热交换器与膨胀机相连，膨胀机和工质泵之间设置冷却单元，其特征是冷却单元为涡流管分流冷却单元，涡流管分流冷却单元由若干涡流管组合而成，涡流管分流冷却单元分离的低温液态工质进入工质泵的进口，涡流管分流冷却单元分离的高温气态工质进入若干个热交换器与循环系统高压侧的低温工质进行换热，换热后温度降低的工质也进入工质泵的进口，使工质泵进口处气态工质与液态工质的热量比例合适，实现工质泵进口处工质全部液化。

2.根据权利要求1所述的利用涡流管的高效热力循环系统，其特征是涡流管分流冷却单元包括多级涡流管组合，涡流管低温端出口达到液体状态的工质直接进入工质泵进口，高温端出口工质再进入下一级涡流管继续分流或者进入热交换器与循环系统高压侧的低温工质进行换热降温，温度降低后的工质再次进入涡流管分流冷却，低温端出口液化的工质进入工质泵进口，高温端出口的工质再次进入热交换器与循环系统高压侧的低温工质换热，经过多级涡流管分流冷却和多次与低温工质换热，绝大部分工质达到液化温度以液态形式进入工质泵进口，仅有极少部分工质未被液化，将未被液化的极少部分工质并入工质泵进口处，工质泵进口处气态工质与液态工质的热量比例合适，使工质泵进口处所有工质为液态。