CN105756731A - 一种可有效提升膨胀机效率的有机朗肯循环系统 - Google Patents

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黄磊
杨坤
范欢欢
倪健
何亚峰
杨厚太
曲继坤
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Abstract

本发明公开一种可有效提升膨胀机效率的有机朗肯循环系统，包括膨胀机、冷凝器、工质泵、蒸发器，所述蒸发器的出口端通过管路依次与膨胀机、冷凝器及工质泵连接，并通过工质泵返回连接至蒸发器的进口端，构成有机朗肯循环回路，该膨胀机包括膨胀机构、连接在膨胀机构末端的发电机；所述有机朗肯循环回路中还增设有喷液管路；膨胀机的发电机区域增设有用于和喷液管路连接的喷液冷却工艺接口。所述喷液管路上还设有喷液电磁阀，在膨胀机内部增设有发电机温度传感器；该有机朗肯循环系统还包括与温度传感器、喷液电磁阀电连接的控制系统。本发明通过使有机工质在膨胀机中的膨胀过程达到和等熵膨胀相近的效果，从而有效地提高了膨胀机效率。

Description

一种可有效提升膨胀机效率的有机朗肯循环系统
技术领域
本发明属于余热利用技术领域，具体涉及一种可有效提升膨胀机效率的有机朗肯循环系统。
背景技术
一般按余热载体的温度水平不同，将余热资源划分为三种：高温余热(500℃以上)、中温余热(200-500℃之间)和低温余热(200℃以下)，一般来说，如果热能的温度低于100℃，它将被看作低品位或是中等品位热能。对中低温余热的回收和利用具有重要的现实意义，若以传统的方式，即以水为工质的朗肯循环，用低品位热能汽轮机发电机组回收利用余热，因循环效率低，系统复杂，其经济效益非常有限。利用有机工质朗肯循环(OrganicRankineCycle,以下简称ORC)来利用中、低温余热发电或提供动力，既实现能源回收利用，又在相同输出条件下，减少二氧化碳等污染物的排放，有利于环境保护，当前受到人们极大的关注。同时，有机朗肯循环(ORC)在利用自然界中的品位低的能量，如太阳能、地热、海洋温差能等方面，也有许多应用实例。
有机朗肯循环(ORC)系统作为一项能够高效、环保地将低品位能源转化为高品位电能的技术，膨胀部件是ORC系统的关键所在。涡旋膨胀机是一种结构紧凑、价格低廉的膨胀机械，由于其潜在的优越性能使得许多研究者选择其作为小型ORC系统的膨胀部件。
现有技术中，全封闭涡旋永磁膨胀机(本发明中简称膨胀机)存在发电效率和热效率差的问题，发电效率差主要是由于小型涡旋膨胀机常用永磁发电机在热源变高或负载变低的过程中会产生更多的损耗和热量，使发电机工作温度升高并超过正常的使用温度范围造成的，长时间运转也会加速退磁现象。同时这部分损耗和热量也会跟随膨胀机排气进入ORC系统，增加了排气过热度和ORC系统冷凝器负荷，从而影响了膨胀机和ORC系统的热效率。目前还没有针对提高膨胀机效率的ORC系统开展相关研究。
发明内容
针对上述不足，本发明提供了一种可有效提升膨胀机效率的有机朗肯循环系统，该装置通过将工质泵出口的高压低温制冷剂部分旁通至膨胀机的喷液冷却工艺接口，这部分工质在进入发电机区域后会迅速降压和蒸发，冷却发电机并且混合排气降低膨胀机的出口过热度，使膨胀机达到和等熵膨胀过程相近的效果，最终可提高膨胀机的性能。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种可有效提升膨胀机效率的有机朗肯循环系统，包括膨胀机、冷凝器、工质泵、蒸发器，所述蒸发器的出口端通过管路依次与膨胀机、冷凝器及工质泵连接，并通过工质泵返回连接至蒸发器的进口端，构成有机朗肯循环回路，该膨胀机包括膨胀机构、连接在膨胀机构末端的发电机，发电机输出端用于连接发电负载；所述有机朗肯循环回路中在工质泵与蒸发器之间还增设有喷液管路；膨胀机的发电机区域增设有用于和喷液管路连接的喷液冷却工艺接口。
优选的，所述喷液管路上还设有喷液电磁阀，在膨胀机内部增设有用于反馈发电机温度信号的温度传感器；该有机朗肯循环系统还包括与温度传感器、喷液电磁阀电连接的控制系统。
进一步的，当发电机温度高于设定的喷液温度时，喷液电磁阀开启，喷液管路与膨胀机连通，开始朝发电机区域喷液冷却，发电机温度也随之下降；当发电机区域温度降到设定关闭温度后，喷液电磁阀关闭，停止喷液冷却。
进一步的，在喷液管路上还设有与喷液电磁阀顺次连接的电子膨胀阀；所述电子膨胀阀与控制系统电连接。
进一步的，当发电机温度高于设定的喷液温度时，系统控制喷液电磁阀开启并增加电子膨胀阀开度，喷液管路与膨胀机连通，开始朝发电机区域喷液冷却；随着温度传感器的信号变化系统控制调整电子膨胀阀的开度，将发电机温度稳定在设定值。
本发明的有益效果在于：
1)、本发明增设喷液管道后，通过将工质泵出口的高压低温制冷剂部分旁通至膨胀机的喷液冷却工艺接口，这部分工质在进入发电机区域后会迅速降压和蒸发，冷却发电机并且混合排气降低膨胀机的出口过热度，使有机工质的膨胀过程达到和等熵膨胀过程相近的效果，为提高膨胀机的性能提供有效的保证。
如果在喷液管道中增设电子膨胀阀，通过喷液管路引入经冷凝器冷凝并通过工质泵增压的高压低温制冷剂、经电子膨胀阀节流降压形成气液两相混合态低温工质再进入膨胀机腔体后会迅速蒸发和换热，将发电机由于损耗形成的热量带走，经喷液管路进入膨胀机的制冷剂会和正常经过蒸发器升压升温并且通过膨胀机膨胀机构做功并排出的制冷剂混合，降低这部分制冷剂由于非等熵膨胀形成的较大的过热度，混合后的制冷剂通过膨胀机排气管路进入冷凝器、工质泵进行冷却和升压，完成整个循环，可有效提升膨胀机的性能和可靠性。
2)、本发明在传统的ORC系统中增设喷液管路，利用喷液管路两端的巨大压差形成制冷剂闪蒸，移除发电机由于铁耗、铜耗等造成的生产热，降低发电机的温度，将发电机的工作温度维持在合理的范围内，避免产生更多的损耗。
3)、本发明在传统的ORC系统中增设喷液管路，利用喷液管路两端的巨大压差形成制冷剂闪蒸，降低膨胀机排气的过热度，移除由于膨胀机构运动和摩擦造成的生产热，迫使膨胀机工作过程向等熵方式转变，使膨胀机达到与等熵膨胀过程相近的效果，为提高膨胀机的性能提供有效的保证。
4)、本发明在传统的ORC系统中增设膨胀机发电机温度传感器用于反馈发电机温度，温度反馈信号、电磁阀动作信号和电子膨胀阀控制信号可以由ORC控制系统处理，也可以由膨胀机本身控制模块处理，可以实时监控发电机的温度变化，降低发电机的温度、排气的过热度和ORC系统冷凝器的负荷，从而有效地提升了膨胀机的性能，同时降低了对ORC系统热效率的影响。
5)、本发明电子膨胀阀配合喷液电磁阀的设置，使得当发电机温度高于设定的喷液温度时，系统控制喷液电磁阀开启并增加电子膨胀阀开度，喷液管路与膨胀机连通，开始朝发电机区域补充制冷剂冷却，发电机温度也随之下降，根据发电机温度传感器的信号反馈至控制系统，从而对电子膨胀阀的开度进行调整以调节喷液量使发电机温度稳定在设定值。避免了喷液电磁阀的来回开启关闭过程，只需通过对电子膨胀阀开度的实时反馈调整即可方便的将发电机的温度稳定在设定值。
6)、本发明增设的——连接ORC系统工质泵出口和膨胀机发电机喷液冷却工艺接口的一段喷液装置，通过闪蒸后的制冷剂并不参与膨胀机的膨胀做功过程，对膨胀机构的本身性能没有影响。通过喷液制冷剂回路的布置，可有效提升膨胀机的性能和可靠性；同时，由于近似等熵膨胀过程的实现，膨胀机排气温度也大幅降低。本发明对现有涡旋膨胀机的能效提升有着极大的可行性，具有重大的应用价值。
附图说明
图1、2为本发明的结构简示图。
图中标注符号的含义如下：
1-膨胀机11-膨胀机构12-发电机2-发电负载
3-冷凝器4-工质泵5-蒸发器6-喷液电磁阀
10-喷液管路7-电子膨胀阀8-喷液冷却工艺接口9-温度传感器
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为一种可有效提升膨胀机效率的有机朗肯循环系统，包括膨胀机1、冷凝器3、工质泵4、蒸发器5，所述蒸发器5的出口端通过管路依次与膨胀机1、冷凝器3及工质泵4连接，并通过工质泵4返回连接至蒸发器5的进口端，构成有机朗肯循环回路，该膨胀机1包括膨胀机构11、连接在膨胀机构11末端的发电机12，发电机12输出端用于连接发电负载2；所述有机朗肯循环回路中在工质泵4与蒸发器5之间还增设有喷液管路10；膨胀机1的发电机区域增设有用于和喷液管路10连接的喷液冷却工艺接口8。
所述喷液管路10上还设有喷液电磁阀6，在膨胀机1内部增设有用于反馈发电机12温度信号的温度传感器9；该有机朗肯循环系统还包括与温度传感器9、喷液电磁阀6电连接的控制系统。
当发电机12温度高于设定的喷液温度时，喷液电磁阀6开启，喷液管路10与膨胀机1连通，开始朝发电机区域喷液冷却，发电机12温度也随之下降；当发电机12区域温度降到设定关闭温度后，喷液电磁阀6关闭，停止喷液冷却。
作为另一种优选的实施方式：如图2所示，在喷液管路10上还设有与喷液电磁阀6顺次连接的电子膨胀阀7；所述电子膨胀阀7与控制系统电连接。
当发电机12温度高于设定的喷液温度时，系统控制喷液电磁阀6开启并增加电子膨胀阀7开度，喷液管路10与膨胀机1连通，开始朝发电机区域喷液冷却；随着温度传感器9的信号变化系统控制调整电子膨胀阀7的开度，将发电机温度稳定在设定值。
下面结合附图对本发明ORC系统将低品位能源转化为高品位电能的循环工艺过程作出如下的详细说明。
针对图1所示实施例，首先，当发电机12温度高于设定喷液温度时，控制系统控制喷液电磁阀6开启，此时喷液管路10与膨胀机1连通，开始喷液冷却，通过喷液管路10引入经冷凝器3冷凝并通过工质泵4增压的高压低温制冷剂自喷液冷却工艺接口8进入膨胀机1腔体后，由于剧烈的压差形成制冷剂闪蒸，将发电机12由于铁、铜等损耗形成的热量冷却，发电机温度也随之下降；
同时，被喷液的制冷剂和正常工作中经过蒸发器5升压升温并且通过膨胀机膨胀机构11做功并排出的制冷剂混合，降低这部分制冷剂由于非等熵膨胀形成的较大的过热度，混合后的制冷剂接着通过膨胀机1排气管路进入冷凝器3、工质泵4进行冷却和升压，完成整个循环；
在循环过程中，当发电机12温度降到设定关闭温度后，关闭喷液电磁阀6，停止喷液冷却。
针对图2所示实施例，首先，当发电机12温度高于设定喷液温度时，控制系统控制喷液电磁阀6开启，此时喷液管路10与膨胀机1连通，开始喷液冷却，通过喷液管路10引入经冷凝器3冷凝并通过工质泵4增压的高压低温制冷剂经电子膨胀阀7节流降压形成气液两相混合态低温工质后接入膨胀机的喷液冷却工艺接口8，待进入膨胀机1腔体后，这部分工质会迅速蒸发和换热，将发电机12由于铁、铜等损耗形成的热量冷却，发电机温度也随之下降；
同时，经喷液管路10进入膨胀机喷液冷却工艺接口8的制冷剂会和正常经过蒸发器5升压升温并通过膨胀机膨胀机构11做功并排出的制冷剂混合，降低这部分制冷剂由于非等熵膨胀形成的较大的过热度，混合后的制冷剂接着通过膨胀机1排气管路进入冷凝器3、工质泵4进行冷却和升压，完成整个循环；
在循环过程中喷液电磁阀6始终保持开启，开始喷液冷却发电机温度也随之下降之后，根据发电机温度传感器9的信号反馈至控制系统，系统控制对电子膨胀阀7的开度进行调整以调节喷液量使发电机温度稳定在设定值。

Claims (5)

1.一种可有效提升膨胀机效率的有机朗肯循环系统，包括膨胀机(1)、冷凝器(3)、工质泵(4)、蒸发器(5)，所述蒸发器(5)的出口端通过管路依次与膨胀机(1)、冷凝器(3)及工质泵(4)连接，并通过工质泵(4)返回连接至蒸发器(5)的进口端，构成有机朗肯循环回路，其特征在于：该膨胀机(1)包括膨胀机构(11)、连接在膨胀机构(11)末端的发电机(12)，发电机(12)输出端用于连接发电负载(2)；所述有机朗肯循环回路中在工质泵(4)与蒸发器(5)之间还增设有喷液管路(10)；膨胀机(1)的发电机区域增设有用于和喷液管路(10)连接的喷液冷却工艺接口(8)。
2.根据权利要求1所述的一种可有效提升膨胀机效率的有机朗肯循环系统，其特征在于：所述喷液管路(10)上还设有喷液电磁阀(6)，在膨胀机(1)内部增设有用于反馈发电机(12)温度信号的温度传感器(9)；该有机朗肯循环系统还包括与温度传感器(9)、喷液电磁阀(6)电连接的控制系统。
3.根据权利要求2所述的一种可有效提升膨胀机效率的有机朗肯循环系统，其特征在于：当发电机(12)温度高于设定的喷液温度时，喷液电磁阀(6)开启，喷液管路(10)与膨胀机(1)连通，开始朝发电机区域喷液冷却；当发电机(12)区域温度降到设定关闭温度后，喷液电磁阀(6)关闭，停止喷液冷却。
4.根据权利要求2所述的一种可有效提升膨胀机效率的有机朗肯循环系统，其特征在于：在喷液管路(10)上还设有与喷液电磁阀(6)顺次连接的电子膨胀阀(7)；所述电子膨胀阀(7)与控制系统电连接。
5.根据权利要求4所述的一种可有效提升膨胀机效率的有机朗肯循环系统，其特征在于：当发电机(12)温度高于设定的喷液温度时，系统控制喷液电磁阀(6)开启并增加电子膨胀阀(7)开度，喷液管路(10)与膨胀机(1)连通，开始朝发电机区域喷液冷却；随着温度传感器(9)的信号变化系统控制调整电子膨胀阀(7)的开度，将发电机温度稳定在设定值。
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