CN107100683B - 一种包括双热交换器的循环热泵发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种包括双热交换器的循环热泵发电系统，包括发电机（1）、汽轮机（2）、第二压缩机（5）、第一聚热交换器（8）、第二聚热交换器（18）、第一汽化蒸发器（21）、第二汽化蒸发器（22）、蓄压罐（13）、第一压缩机（15）、第二聚热器（16）、水热交换器（17）、贮藏罐（24）、冷凝罐（25）、第一聚热管（31）、冷却塔（34）和储蓄罐（37）。本发明可利用工业废热加热的水、太阳能热、地热能等通过汽轮机带动发电机运转来实现热泵发电。

Description

一种包括双热交换器的循环热泵发电系统

技术领域

本发明公开的一种包括双热交换器的发电系统，属于废热回收和绿色能源开发与利用技术领域。

背景技术

现有技术中，燃煤或核能发电，都是通过对水加热使之气化膨胀产生动压来推动汽轮机带动发电机运转所实现的发电。在取暖、制冷领域的热泵技术发展的很快，但通常由于热效率不高等原因，热泵发电系统常常效率不高，发电效率低下。同时由于能量转换必然存在损失，常规工业废热（包括废热气、废热水）利用系统在使用过程中会出现不同部件的能耗损失，尤其是在关键部件比如冷却塔、热交换器等组件上的效能就显得很重要，本发明还提出了一种新型的冷却塔结构应用于发电工质冷却。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种包括双热交换器的循环热泵发电系统，其目的：以通过使冷却塔、储蓄罐、管道泵、逆止阀、水热交换器、蓄压罐和气动马达或汽轮机以及发电机经过联通管路的连接所设计的发电系统设施，来实现利用工业废热加热的水、太阳能热、地热能等，使蒸发器内的低沸点液体气化膨胀产生的动压（蒸汽压力）通过气动马达或汽轮机带动发电机运转来发电的新型技术。

具体来说，本发明采用以下技术方案：

一种包括双热交换器的循环热泵发电系统，包括发电机、 汽轮机、第二压缩机、第一聚热交换器、第二聚热交换器、第一汽化蒸发器、第二汽化蒸发器、蓄压罐、第一压缩机、第二聚热器、水热交换器、贮藏罐、冷凝罐、第一聚热管、冷却塔和储蓄罐，其特征在于，其中，第二聚热器连接到第一压缩机入口端上，第一压缩机出口端经第一管路连通第二聚热交换器的上侧壁入口，第二聚热交换器的下侧壁出口经由第二管路连通在冷凝罐内设置的第一聚热器，通过第三管路将第一聚热器与第二聚热器连通；

通过第四管路连通汽轮机与第二压缩机，第二压缩机的下游端经第五管路连通第一聚热交换器的上侧壁入口，第一聚热交换器的下侧壁出口与多用途交换器连通，而后通过第六管路连通到冷凝罐上，第七管路连通冷凝罐与冷凝塔，冷凝塔下游端连通到储蓄罐上，储蓄罐下游端分为两个并列第九管路和第十一管路，其分别设置有第一高压泵、第一逆止阀及第二高压泵、第二逆止阀；第一聚热交换器内的第一汽化蒸发器通过第十管路连通到位于第二聚热交换器顶端的蓄压罐上，蓄压罐通过第十二管路连通到汽轮机实现对其做功带动发电机发电。

作为本发明的一个方面，其中，所述冷却塔结构如下，在其内部利用预埋在冷却塔墙体内的预埋螺栓和螺母固定有若干个分流缸托架，通过第二螺栓将横向焊接在球状分流缸底部的固定板固定在分流缸托架上面，利用第一螺栓使分流缸接口法兰与冷凝管法兰固定对接，则在上一个球状分流缸与下一个球状分流缸之间顺向交错的安装有若干个冷凝管。

采用上述技术方案后，取得如下有益效果：

1）提出一种新型的双热交换器的循环热泵发电系统，较为详细展示其结构细节，其部件之间紧密配合协同作用，通过两个不同循环回路之间的工质进行热交换获得热泵动力的工作原理，使其气化产生的压力推动汽轮机运转来获得动力，对于经由汽轮机使用后的热乏汽（废气等），使之经由水热交换器及冷凝罐或冷凝塔的热交换凝结成的液体继续使用，由此可以最大程度进行发电，增加发电系统的环境友好性，节约能源；

2）设计关键部件包括冷却塔等组件，其结构独特性增加了其应用上的效能，例如冷却塔构造既增大了冷却塔的有效冷却面积，而提升器冷却效率，同时又节省了建造空间，使得在有限空间内最大效度发挥冷却性能；

3）设计关键部件包括热交换器，其热交换管使接触工质面积的增大而提高了由工质导出热量的换热效率，相应降低了制作聚热器或热交换器的成本。

附图说明

附图1为本发明公开的一种双热交换器的循环热泵发电系统实施例；

附图2为本发明公开的热泵发电系统的冷却塔结构之一；

附图3为本发明公开的热泵发电系统的冷却塔结构之二；

附图4为本发明公开的热泵发电系统的热交换管结构之一；

附图5为本发明公开的热泵发电系统的热交换管结构之二；

附图6为本发明公开的热泵发电系统的热交换管结构之三。

附图标记：1-发电机； 2-气动马达或汽轮机； 3-第四管路； 4-第五管路；5-第二压缩机；6-第十二管路；7-安全阀排放气体管路；8-第一聚热交换器；9-第十管路；10-第三逆止阀；11-第一液面传感器；12-压力传感器；13-蓄压罐；14-第一管路；15-第一压缩机；16-第二聚热器；17-水热交换器；18-第二聚热交换器；19-第二管路；20-第二液面传感器；21-第一汽化蒸发器；22-第二汽化蒸发器；23-膨胀阀；24-贮藏罐；25-冷凝罐；26-第六管路；27-第二逆止阀；28-第九管路；29-第十一管路；30-第二高压泵；31-第一聚热管；32-第一逆止阀；33-第一高压泵；34 -冷却塔；35-第三管路；36-第八管路；37-储蓄罐；38-第七管路。

具体实施方式

参见图1所示，本发明的包括双热交换器的循环热泵发电系统实施例，该发电系统主要包括发电机1、 汽轮机2、第二压缩机5、第一聚热交换器8、第二聚热交换器18、第一汽化蒸发器21、第二汽化蒸发器22、蓄压罐13、第一压缩机15、第二聚热器16、水热交换器17、贮藏罐24、冷凝罐25、第一聚热管31、冷却塔34和储蓄罐37，

其中，第二聚热器16连接到第一压缩机15入口端上，第一压缩机15出口端经第一管路14连通第二聚热交换器18的上侧壁入口，第二聚热交换器18的下侧壁出口经由第二管路19连通在冷凝罐25内设置的第一聚热器31，通过第三管路35将第一聚热器31与第二聚热器16连通，即与构成一个完整的闭合循环回路，同时在第二管路19上沿流体流动路径依次设置有工质贮藏罐24和膨胀阀23，由此可利用聚集起来的各种形式热源的热能进行热交换；

通过第四管路3连通汽轮机2与第二压缩机5，第二压缩机5的下游端经第五管路4连通第一聚热交换器8的上侧壁入口，第一聚热交换器8的下侧壁出口与多用途交换器17连通，而后通过第六管路26连通到冷凝罐25上，第七管路38连通冷凝罐25与冷凝塔34，冷凝塔34下游端连通到储蓄罐37上，储蓄罐37下游端第八管路36分为两个并列支路（第九管路28和第十一管路29），两个并列支路分别设置有第一高压泵33、第一逆止阀32及第二高压泵30、第二逆止阀27，设置有第一高压泵33、第一逆止阀32的第九管路28连接到第一聚热交换器8的底端入口从而与其内设置的第一汽化蒸发器21连通，设置有第二高压泵30、第二逆止阀27的第十一管路29连接到第二聚热交换器18的底端入口从而与其内设置的第二汽化蒸发器22连通；第一聚热交换器8内的第一汽化蒸发器21通过第十管路9连通到位于第二聚热交换器18顶端一体设置的蓄压罐13上，蓄压罐13通过第十二管路6连通到汽轮机2实现对其做功带动发电机1发电，即构成一个完整的闭合循环回路，同时在第十二管路6上面设置有压力传感器12，以及在第四管路3与蓄压罐13之间连通的设置有安全阀排放气体管路7；

其中，上述循环之间的热交换是利用第二高压泵30、第二逆止阀27的逆向止流由储蓄罐37中抽出蒸汽压值高而易于气化又易于冷凝的流动性工质供给在第二聚热交换器18内设置的第二汽化蒸发器22而与第二聚热交换器18内聚集的热量进行热交换后，在第二汽化蒸发器22内被汽化的流动性工质而膨胀所产生的动压，经由第十二管路6输送给气动马达或汽轮机2带动发电机1运转进行发电。

与此同时，利用易于气化又易于冷凝的流动性工质经由第二聚热器16针对于太阳能热或地岩热或地表热或工业余热或空气热或水热或土壤热等这些热源吸热后，在第一压缩机15的作用下，经由第二聚热交换器18与第二汽化蒸发器22内的流动性工质进行热交换后，在第二聚热交换器18内被冷却的高压气态或液态工质，经由与贮藏罐24和膨胀阀23连通的第二管路19输送到第一聚热器31内经过散流降压与经由第六管路26输送到冷凝罐25内需要进一步冷凝的由气动马达或汽轮机2排放出来的热乏汽尾气进行热交换，从而使热乏汽尾气得到了冷凝经由第七管路38或冷凝塔34返回储蓄罐37内继续使用，同时使第一聚热器31内的气态工质在此热交换中获得了吸热后而增加了热量，随后，工质经由第二聚热器16继续吸取热量，而经由冷凝罐25热交换后的尾气，在此之前，经由第二压缩机5向第一聚热交换器8内注入时，工质经与在第一聚热交换器8内设置的第一汽化蒸发器21内的而经由第一高压泵33和第一逆止阀32的逆向止流由储蓄罐37中抽出的流动性工质进行了第一次热交换，以及经与在第六管路26上面设置的水热交换器17中的流动性工质进行了第二次热交换，最终经由冷凝罐25或再经由冷凝塔34完成的热量转移所凝结成的液体，即以利用易于气化又易于冷凝的流动性工质通过热源热泵系统吸取各种形式热源的热能和系统热能来蒸发蒸汽压值高而易于气化又易于冷凝的流动性工质进行发电。

此外，使通过汽轮机2带动发电机1运转发电后的热乏汽尾气通过系统热泵系统进行压缩聚热及热交换进一步用来汽化工质进行发电，并使发电后的尾气经由第一聚热交换器8的热交换来得到初步冷却，而使热乏汽尾气经由水热交换器17以及经由在热源热泵系统中设置的冷凝罐25，再经由冷凝塔34经过热交换被凝结成的液体，经由管路输送返回储蓄罐37内继续使用。

其中，涉及到的在保障发电机输出功率稳定性的控制方面，通过在第一汽化蒸发器21上面设置的第一液面传感器11测得的数据控制第一高压泵33的转速来保障供给第一汽化蒸发器21内的流动性工质数量的稳定，和通过在第二汽化蒸发器22上面设置的第二液面传感器20测得的数据控制第二高压泵30的转速来保障供给第二汽化蒸发器22内的流动性工质数量的稳定，以及通过在第十管路6上面设置的压力传感器12测得的数据来控制供给第一聚热交换器8内和第二聚热交换器18内热量的多少，来保障供给汽轮机2气压的稳定，从而来保障发电机1输出功率的稳定。

通过上述不同循环回路中的工质进行热交换而获得热泵动力的工作原理，基于此本发明的包括双热交换器的循环热泵发电系统或发电机组大大提高了发电利用效率，其中不同循环回路中的工质类型可以相同也可以不同。

参见图2-3，作为本发明重点方面之一，本发明的冷却塔34或类似于冷却塔34的设施，外形如烟囱或通风井，可设置在地面、水面、山顶、楼顶或随建筑物一体建造，在其内部利用预埋在冷却塔34墙体内的预埋螺栓25-5和螺母25-7固定有若干个分流缸托架25-1，通过第二螺栓25-6将横向焊接在球状分流缸25-2底部的固定板2-2固定在分流缸托架25-1上面，利用第一螺栓使分流缸接口法兰2-1与冷凝管法兰3-1固定对接，则在上一个球状分流缸与下一个球状分流缸之间顺向交错的安装有若干个冷凝管25-3，该冷凝管25-3是由若干个钢管3-2和若干个支撑固定板3-3所固定的若干个冷凝管翅片管3-4并使其两端穿过冷凝管法兰3-1经过焊接而制成。最下层或最上层的球状分流缸25-2通过分流缸外接管法兰联接管路，在上下球状分流缸25-2之间连通有联通管25-4，联通管25-4通过冷凝液体回流管路将冷凝液体汇集返回储蓄罐26，其作用是以冷却塔1向上抽取空气形成的气流来带走冷凝管25-3散发出来的热量，从而使冷凝管25-3内的气体得到冷凝后回流到储蓄罐内继续使用，这样的冷却塔构造既增大了冷却塔的有效冷却面积，而提升器冷却效率，同时又节省了建造空间，使得在有限空间内最大效度发挥冷却塔性能。

参见图4-6，作为本发明重点方面之一，现有技术中，用于制作聚热器或热交换器的热交换管，通常是将其外部制成翅片管的装配形式，但由于在其内部并没有增加与工质接触的导热面积。而本发明的蒸发器、聚热器、水热交换器中的热交换管可以设计为如下结构，热交换管通过挤出成型为铝制或铜制圆形热交换管或扁形热交换管，该圆形热交换管或扁形热交换管内部带有由内壁向中心延伸的若干内设导热片A，或在圆形热交换管内部设有内设导热片A以及其外部设有外设导热片B，内设导热片A与外设导热片B沿圆形热交换管周向均匀贯通分布且向中心延伸。此结构的热交换管使接触工质面积的增大而提高了由工质传递热量的热交换效率，相应降低了制造聚热器或热交换器的成本，大大弥补了现有技术的不足。

其中，所涉及到的可利用的热源包括工业废热加热的水，工业废热加热的空气或工业废热本身为工业废水或废蒸气。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种包括双热交换器的循环热泵发电系统，包括发电机(1)、汽轮机(2)、第二压缩机(5)、第一聚热交换器(8)、第二聚热交换器(18)、第一汽化蒸发器(21)、第二汽化蒸发器(22)、蓄压罐(13)、第一压缩机(15)、第二聚热器(16)、水热交换器(17)、贮藏罐(24)、冷凝罐(25)、第一聚热管(31)、冷却塔(34)和储蓄罐(37)，其特征在于，其中，第二聚热器(16)连接到第一压缩机(15)入口端上，第一压缩机(15)出口端经第一管路(14)连通第二聚热交换器(18)的上侧壁入口，第二聚热交换器(18)的下侧壁出口经由第二管路(19)连通在冷凝罐(25)内设置的第一聚热管(31)，通过第三管路(35)将第一聚热管(31)与第二聚热器(16)连通；

通过第四管路(3)连通汽轮机(2)与第二压缩机(5)，第二压缩机(5)的下游端经第五管路(4)连通第一聚热交换器(8)的上侧壁入口，第一聚热交换器(8)的下侧壁出口与多用途交换器(17)连通，而后通过第六管路(26)连通到冷凝罐(25)上，第七管路(38)连通冷凝罐(25)与冷凝塔(34)，冷凝塔(34)下游端连通到储蓄罐(37)上，储蓄罐(37)下游端分为两个并列第九管路(28)和第十一管路(29)，其分别设置有第一高压泵(33)、第一逆止阀(32)及第二高压泵(30)、第二逆止阀(27)；第一聚热交换器(8)内的第一汽化蒸发器(21)通过第十管路(9)连通到位于第二聚热交换器(18)顶端的蓄压罐(13)上，蓄压罐(13)通过第十二管路(6)连通到汽轮机(2)实现对其做功带动发电机(1)发电。

2.依据权利要求1所述的循环热泵发电系统，其特征在于，其中，所述冷却塔(34)结构如下，在其内部利用预埋在冷却塔(34)墙体内的预埋螺栓(25-5)和螺母(25-7)固定有若干个分流缸托架(25-1)，通过第二螺栓(25-6)将横向焊接在球状分流缸(25-2)底部的固定板(2-2)固定在分流缸托架(25-1)上面，利用第一螺栓使分流缸接口法兰(2-1)与冷凝管法兰(3-1)固定对接，则在上一个球状分流缸与下一个球状分流缸之间顺向交错的安装有若干个冷凝管(25-3)。

3.依据权利要求1所述的循环热泵发电系统，其特征在于，通过在第一汽化蒸发器(21)上面设置的第一液面传感器(11)测得的数据控制第一高压泵(33)的转速来保障供给第一汽化蒸发器(21)内的流动性工质数量的稳定，和通过在第二汽化蒸发器(22)上面设置的第二液面传感器(20)测得的数据控制第二高压泵(30)的转速来保障供给第二汽化蒸发器(22)内的流动性工质数量的稳定。