CN106194298A - 一种气‑液喷射式orc系统 - Google Patents

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Abstract

本发明所提供的一种气‑液喷射式ORC系统，在传统ORC系统中加入气‑液喷射器，并将循环分为主回路和辅回路，通过一级蒸发器和二级蒸发器形成梯级换热。主回路液态工质经过工质泵进入一级蒸发器转化为高温高压气态工质，通过气‑液喷射器的升压特性和引射特性，将主回路的高温高压气态工质和辅回路的低温液态工质引入气‑液喷射器，在气‑液喷射器内进一步提升流体压力，进入第二蒸发器蒸发后进入透平机做功，最后进入冷凝器完成整个循环。气‑液喷射式ORC系统解决了小型ORC系统效率不高的问题，不仅在不产生额外功耗的情况下将工质泵功耗降低，而且还增加了透平机入口压力，提高了透平机的输出功，从而提高了系统的效率。

Description

一种气-液喷射式ORC系统
技术领域
本发明属于有机朗肯循环发电技术领域，特别涉及一种不仅具有减小工质泵的耗功，而且具有增加输出功的气-液喷射器的ORC系统，特别适用于小型ORC系统。
背景技术
随着能源需求的增长、能源的短缺以及环境污染问题的日益严重，可再生能源的开发和低品位能源的回收利用越来越受到重视，成为解决能源危机的重要途径，对减少环境污染有重要意义。在众多可再生能源利用和低品位能源回收的途径中，有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，简称ORC)是以低沸点有机物为工质的朗肯循环，主要由换热器(锅炉、蒸发器等)、透平机、冷凝器和工质泵四大部件组成。ORC发电技术因其结构简单、温度适应范围大、占用资源少、机组容量可以灵活配置等优点被广泛关注，被认为是最具有应用前景的热功转化技术。由于可再生能源和低品位能源具有热流密度低、分散性强的特点，全世界超过90％的可利用废热仅适用于10～250kw的系统规模；另外，家庭用户端也仅仅需要千瓦级到几十千瓦级的电能，因此，小型化是ORC系统的发展趋势。但是，目前ORC系统的小型化发展遇到的最大问题是：系统效率低。
作为ORC系统的动力源，工质泵是实现工质加压和冷凝器与蒸发器之间输送的关键部件。目前商业化的小功率泵效率在15～25％之间，造成工质泵的耗功大。在透平机输出功少、系统效率不高的小型ORC系统中，工质泵耗功对系统效率的影响变得举足轻重。如考虑工质泵的耗功，ORC系统的最大效率可降低一半左右，甚至可能为负，透平机的输出功小于工质泵的耗功，出现“入不敷出”的情况。工质泵的效率低是小型ORC系统效率的主要制约
因此，ORC的小型化发展必须要解决工质泵耗功大，系统效率低的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种气-液喷射式ORC系统，该ORC系统形成了梯级换热、能源梯级利用联合系统，从而使工质泵功耗降低，输出功增大，系统效率提高。
为解决上述技术问题，本发明提供一种气-液喷射式ORC系统，包括冷凝器、工质泵、一级蒸发器和气-液喷射器；其中，
在主回路中，所述一级蒸发器的工质出口与所述气-液喷射器的高压气体入口连接，所述冷凝器的工质出口与所述工质泵的入口连接，所述工质泵的出口与所述一级蒸发器的工质入口连接；
在辅回路中，所述气-液喷射器的低温液体入口与所述冷凝器的工质出口连接。
优选地，在上述气-液喷射式ORC系统中，所述气-液喷射器的液体出口(S3)还连接有二级蒸发器的工质入口。
优选地，在上述气-液喷射式ORC系统中，所述二级蒸发器的工质出口与所述冷凝器的工质入口之间还连接有透平机。
优选地，在上述气-液喷射式ORC系统中，所述透平机为汽轮机、液轮机、涡轮机、烟气轮机或膨胀机。
优选地，在上述气-液喷射式ORC系统中，进入所述气-液喷射器的低温液体入口的所述液体工质为R717、R718、R744或有机工质之中的一种或多种组合工质。
优选地，在上述气-液喷射式ORC系统中，所述气-液喷射器包括气体喷嘴、液体喷嘴、混合室和扩散室，其中，所述气体喷嘴为渐缩渐扩喷嘴，所述液体喷嘴套设在所述气体喷嘴上，所述气体喷嘴的出口和所述液体喷嘴的出口与所述混合室的一端相通，所述混合室的另一端连接所述扩散室，所述混合室为渐缩管或等截面管，所述扩散室为渐扩管。
相对于背景技术，本发明所提供的一种气-液喷射式ORC系统，在传统ORC系统中加入气-液喷射器，并将循环分为主回路和辅回路，通过一级蒸发器和二级蒸发器形成梯级换热。主回路液态工质经过工质泵进入一级蒸发器转化为高温高压气态工质，通过气-液喷射器的升压特性和引射特性，将主回路的高温高压气态工质和辅回路的低温液态工质引入气-液喷射器，在气-液喷射器内部进行混合换热，气液接触后冷凝释放潜热，并产生冷凝激波，从而流体压力进一步提升，此压力可高于从一级蒸发器出来的气体压力。气-液喷射式ORC系统中气-液喷射器的引射特性在辅回路中代替了工质泵作功，在不产生额外功耗的情况下将工质泵功耗降低，气-液喷射器的升压特性提升了作功前的压力、增加了输出功，提高了系统的效率，解决了小型ORC系统效率不高的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明气-液喷射式ORC系统示意图；
图2为本发明气-液喷射器结构和内部流动图。
上图1-2中：
冷凝器1、工质泵2、一级蒸发器3、气-液喷射器4、二级蒸发器5、透平机6、发电机7、高压气体入口S1、低温液体入口S2、液体出口S3、气体喷嘴411、液体喷嘴412、混合室42、扩散室43、冷源801、一级热源802、二级热源803。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种气-液喷射式ORC系统，该ORC系统形成了梯级换热、能源梯级利用联合系统，从而使工质泵功耗降低，输出功增加，系统效率提高。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明提供的技术方案，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1和图2。本发明所提供的一种气-液喷射式ORC系统，包括冷凝器1、工质泵2、一级蒸发器3和气-液喷射器4。其中，系统内部工质流通包括主回路和辅回路，其连接关系为：
主回路：一级蒸发器3的工质出口与气-液喷射器4的高压气体入口S1连接，冷凝器1的工质出口与工质泵2的入口连接，工质泵2的出口与一级蒸发器3的工质入口连接。
辅回路：气-液喷射器4的低温液体入口S2与冷凝器1的工质出口连接。
冷凝器1和一级蒸发器3内部的冷凝和蒸发可分别采用冷源801和一级热源802。一级热源802从一级蒸发器3的高温热源入口和高温热源出口流通，用于加热一级蒸发器3内的工质。冷源801从冷凝器1的冷源入口和冷源出口流通，用于冷却冷凝器1内的工质。其中，进入气-液喷射器的低温液体入口的液体工质为使用广泛的中低温环保制冷剂，它具有良好的综合性能，可以为R717、R718、R744或有机工质之中的一种或多种组合工质，具体包括R134a、R142b、R123、R152a、R1234yf、R1234ze、R318、R718、R744、R500、R502或R410A等工质，可以选用其中的一种作为液体工质，也可以选用其中两种或两种以上的上述工质混合后的组合工质作为液体工质。
相对于背景技术，本发明所提供的一种气-液喷射式ORC系统，将气-液喷射器和能源梯级利用系统应用于有机朗肯循环之中，通过能源梯级利用将循环分为主回路和辅回路，通过主回路和辅回路形成梯级换热。主回路的工质通过气-液喷射器4转化为高动能和低压力气体，辅回路的工质通过气-液喷射器4转为较高压力液体，并利用气-液喷射器的升压特性和引射特性，用高温高压气体来引射低温低压液体，从而在不消耗机械功的前提下将辅回路的液态工质引入气-液喷射器中，使辅回路的低温低压液态工质和主回路的高温高压气态工质进行混合，通过气-液喷射器内部直接接触进行传热传质及冷凝过程后，产生了凝结激波，在扩散室中压力继续恢复。通过复杂的能量交换将高温蒸气中的部分潜热转化为势能，此时出口工质的压力高于一级蒸发器出来的气体压力，从而使工质泵功耗降低，透平机的入口压力和输出功增大，系统效率提高。
气-液喷射器4的液体出口S3还连接有二级蒸发器5的工质入口。加入二级蒸发器5在其内部的蒸发可采用二级热源803。二级热源803从二级蒸发器5的高温热源入口和高温热源出口流通，用于二级蒸发器5内的工质。
二级蒸发器5的工质出口与冷凝器1的工质入口之间还连接有透平机6，透平机6可以为汽轮机、液轮机、涡轮机、烟气轮机或膨胀机等。透平机6连接有发电机7用于发电。
在一种具体实施例中，喷射器-液轮机有机朗肯循环系统。使用气-液喷射器后，如果气-液喷射器液体出口S3处液体的压力能够达到较高值，且气-液喷射器引射系数较大，这时可以将循环系统的组成结构进行调整，此时，二级蒸发器5可以不使用，透平机6不采用汽轮机作为能量输出部件，而是用液轮机作为能量输出的部件，从气-液喷射器出来的液体直接进入透平机6，形成喷射器-液轮机有机朗肯循环系统。液轮机利用液态工质在入口与出口处的势能和压能差来推动叶轮的转动，从而将这些能量转化为转子旋转的机械能输出给系统外部。在操作和运行方面，液轮机发电组启动运行快，容易调节，运行相对平稳，具有更快的并网调节能力。可运用于一些交通不便、电力需求紧张但是用量不大的地区作为小型低品位热能利用设备。
气-液喷射器4是一种以高温高压气态工质作为动力源的特殊的射流泵。在一种具体实施例中，参照图2，气-液喷射器结构可具体为包括气体喷嘴411、液体喷嘴412、混合室42和扩散室43。其中，气体喷嘴411为渐缩渐扩喷嘴，液体喷嘴412套设在气体喷嘴411上，气体喷嘴411的出口和液体喷嘴412的出口与混合室42的一端相通，混合室42的另一端连接扩散室43，混合室42为渐缩管或等截面管，扩散室43为渐扩管。
气体喷嘴411可以将通入的高温高压气态工质加速后成为超音速气流，与通入液体喷嘴412的低温液体工质混合形成超音速气液两相流，到达混合室42喉部后产生凝结激波，压力突变，在扩散室中压力继进一步提高，得到压力高于气态工质、更高压力液体工质，达到升压的目的。其实质就是将高温高压气态工质凝结所释放的潜热转化为势能以提高工质的压力。
在本发明的气-液喷射式ORC系统中内部工质的流动过程和状态具体如下：
主回路：一级热源802加热一级蒸发器3，从一级蒸发器3出来的高温高压气态工质经过高压气体入口S1被气-液喷射器4吸入气体喷嘴411进行膨胀，将部分焓转化为动能，在液体出口S3处达到超音速，从而具备高动能和低压力。
辅回路：从冷凝器1出来的部分低温液体作为引射流体被气-液喷射器4吸入。
在气-液喷射器4中，辅回路的低温液体在液体喷嘴412外侧均匀分布后，高温高压气体和低温液体这两股流体在混合室42中混合，进行复杂的传热传质过程，包括质量交换(气液直接接触凝结)、动量交换(两股流体速度差)和能量交换(两股流体温度差)。在混合室42后半段逐渐形成均匀气液两相流，而且气液接触凝结释放潜热后产生凝结激波，引起压力突升并最终冷凝为单相液体，进入扩散室43，压力进一步提升。
从气-液喷射器4的液体出口S3得到的更高压力的液体进入二级蒸发器5吸热蒸发，再进入透平机6做功后，进行下一循环。
以上对本发明所提供的一种气-液喷射式ORC系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种气-液喷射式ORC系统，其特征在于，包括冷凝器(1)、工质泵(2)、一级蒸发器(3)和气-液喷射器(4)；其中，
在主回路中，所述一级蒸发器(3)的工质出口与所述气-液喷射器(4)的高压气体入口(S1)连接，所述冷凝器(1)的工质出口与所述工质泵(2)的入口连接，所述工质泵(2)的出口与所述一级蒸发器(3)的工质入口连接；
在辅回路中，所述气-液喷射器(4)的低温液体入口(S2)与所述冷凝器(1)的工质出口连接。
2.根据权利要求1所述的气-液喷射式ORC系统，其特征在于，所述气-液喷射器(4)的液体出口(S3)还连接有二级蒸发器(5)的工质入口。
3.根据权利要求2所述的气-液喷射式ORC系统，其特征在于，所述二级蒸发器(5)的工质出口与所述冷凝器(1)的工质入口之间还连接有透平机(6)。
4.根据权利要求3所述的气-液喷射式ORC系统，其特征在于，所述透平机(6)为汽轮机、液轮机、涡轮机、烟气轮机或膨胀机。
5.根据权利要求1所述的气-液喷射式ORC系统，其特征在于，进入所述气-液喷射器(4)的低温液体入口(S2)的所述液体工质为R717、R718、R744或有机工质之中的一种或多种组合工质。
6.根据权利要求1所述的气-液喷射式ORC系统，其特征在于，所述气-液喷射器(4)包括气体喷嘴(411)、液体喷嘴(412)、混合室(42)和扩散室(43)，其中，所述气体喷嘴(411)为渐缩渐扩喷嘴，所述液体喷嘴(412)套设在所述气体喷嘴(411)上，所述气体喷嘴(411)的出口和所述液体喷嘴(412)的出口与所述混合室(42)的一端相通，所述混合室(42)的另一端连接所述扩散室(43)，所述混合室(42)为渐缩管或等截面管，所述扩散室(43)为渐扩管。
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