CN107882603A - 构造冷源能量回收系统、热力发动机系统及能量回收方法 - Google Patents
构造冷源能量回收系统、热力发动机系统及能量回收方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107882603A CN107882603A CN201711317835.XA CN201711317835A CN107882603A CN 107882603 A CN107882603 A CN 107882603A CN 201711317835 A CN201711317835 A CN 201711317835A CN 107882603 A CN107882603 A CN 107882603A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- temperature
- steam
- fluid reservoir
- low
- heat
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 14
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 68
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims abstract description 32
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims abstract description 25
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 31
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 22
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims description 10
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims description 8
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 8
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 claims description 6
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 5
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 3
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 claims description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 34
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 17
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 12
- 239000003570 air Substances 0.000 description 11
- 230000008859 change Effects 0.000 description 8
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 6
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 5
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 5
- 230000004087 circulation Effects 0.000 description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 4
- 239000013535 sea water Substances 0.000 description 4
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 3
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000012080 ambient air Substances 0.000 description 2
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008450 motivation Effects 0.000 description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 2
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 description 2
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 2
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 2
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 2
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 2
- 108010022579 ATP dependent 26S protease Proteins 0.000 description 1
- -1 R410A Substances 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 238000004378 air conditioning Methods 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 description 1
- 239000010842 industrial wastewater Substances 0.000 description 1
- OOYGSFOGFJDDHP-KMCOLRRFSA-N kanamycin A sulfate Chemical group OS(O)(=O)=O.O[C@@H]1[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](CN)O[C@@H]1O[C@H]1[C@H](O)[C@@H](O[C@@H]2[C@@H]([C@@H](N)[C@H](O)[C@@H](CO)O2)O)[C@H](N)C[C@@H]1N OOYGSFOGFJDDHP-KMCOLRRFSA-N 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 1
- 231100000252 nontoxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000003000 nontoxic effect Effects 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 238000010025 steaming Methods 0.000 description 1
- 239000004575 stone Substances 0.000 description 1
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 1
- 230000005619 thermoelectricity Effects 0.000 description 1
- 230000032258 transport Effects 0.000 description 1
- 238000000108 ultra-filtration Methods 0.000 description 1
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 description 1
- 238000009941 weaving Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
- F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
- F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
- F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
本发明公开了一种构造冷源能量回收系统以及采用该构造冷源能量回收系统的热力发动机系统，属工程热力学领域。所述构造冷源能量回收系统包括：回热器、蒸汽喷射器和保温储液罐。所述热力发动机系统包括：蒸发器，汽轮机，回热器，加压泵，蒸汽喷射器和保温储液罐。本发明还公开了利用所述热力发动机系统进行热功转换的方法。在采用构造低温冷源T2以后，即使用环境温度T1作为高温热源，所得到的卡诺效率远高于现有一切采用化石能源的热机效率，与传统热力发动机系统相比，本发明提供的热力发动机系统可在不需要外部冷源对乏汽进行冷却的情况下可实现连续、稳定的热功转换。
Description
技术领域
本发明涉及一种构造冷源能量回收系统、采用该构造冷源能量回收系统的热力发动机系统及能量回收方法。属工程热力学领域。
背景技术
根据热力学第二定律，在相同的高、低温热源温度T1与T2之间工作的一切循环中，以卡诺循环的热效率为最高，称为卡诺定理。卡诺循环具有极为重要的理论和实际意义。虽然，完全按照卡诺循环工作的装置是难以实现的，但是卡诺循环却为提高各种循环热效率指明了方向和给出了极限值。
卡诺循环是热力学热机循环的最根本的基础，卡诺循环的效率公式η＝1-T2/T1，是卡诺循环的核心，从公式可以看出：卡诺循环的效率只与两个热源的热力学温度有关，如果高温热源的温度T1愈高，低温热源的温度T2愈低，则卡诺循环的效率愈高。因为不能获得T1→∞的高温热源或T2＝0K(-273℃)的低温热源，所以，卡诺循环的效率必定小于1。
从卡诺循环的效率公式中会看到出：如果高温热源的温度T1等于低温热源的温度T2，效率为零，即为不能从单一热源转换作功的理论基础；当前的热力机械都以环境温度为低温热源T2，而环境的温度无法改变，因此现有的研究均是通过提高高温热源T1的温度，如使用化石燃料进行加热以提高T1的温度，从而提高卡诺循环效率。
在卡诺循环的效率公式中，采用的是开尔文温标，其最低值为绝对零度(-273℃)。如果将环境温度作为高温热源T1，人为制造一个低温热源T2且低温热源T2的温度越低，根据卡诺循环效率公式可知，系统效率就越高，也就能大大提高能源的利用效率。
朗肯循环是对卡诺循环的具体实际应用，当前被普遍应用于火力发电、余热发电领域。现有的朗肯循环如图1所示：低温液态工质从储液罐15中抽出经加压泵14输送到热交换器16，经外部热源加热，将液态工质变为高温高压的汽体，进入膨胀机2并驱动膨胀机旋转，推动发电机发电作功，膨胀机排出的乏汽(低温低压汽体)经冷凝器13，向空气或其他冷却介质将其汽化热中的潜热散发掉，使未作功的乏汽变为液体，完成一个循环。其中冷凝器与环境(空气或冷却水)组成外部冷源系统,如果没有外部冷源系统，该系统就不能工作。
所以本领域的问题关键点在于：
1、若不吸收掉乏汽的汽化热，乏汽就无法变为液体，就不能实现连续的热工循环，这是热力发动机工作的根本基础；
2、现代热工学都以环境温度为低温热源，采用高于环境温度的高温热源向热力发动机提供动力，这就导致现代热工学中只能燃烧各种燃料，如煤、天然气等来获得高温热源。
假设高温热源温度T1为80摄氏度，低温热源环境温度T2为30℃，则系统效率只有10％左右，而90％的未利用能量将经过冷凝器散发掉，也要求冷凝器和蒸发器的体积都非常庞大才能实现，造成成本增高，效率还很低。
发明内容
针对现有朗肯循环体系存在的上述热效率低的问题，本发明提出了一种采用构造冷源的方式以降低T2温度，从而大幅度提高热力发动机系统热效率的技术。实现了在较小外功输入的条件下，利用环境热源或其他热源作为T1进行热能动力转换，使得在没有外部冷源的情况下，实现了热功转换并大大提高了热功转换的效率。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种构造冷源能量回收系统，包括回热器3、蒸汽喷射器5和保温储液罐6。所述构造冷源能量回收系统包含上述构造，但不限于上述构造，只要是能将汽轮机乏汽回收利用的产品、系统、设备都是属于本发明的范围。
所述构造冷源能量回收系统还包括加压泵4。
所述回热器3共有两对通路，一对通路为工质流出保温储液罐6的通路，通过加压泵4与保温储液罐6的工质出口61连通，使工质流出回热器；另一对通路为工质回收回保温储液罐6的通路，与蒸汽喷射器5的中压出口53连通，工质在流过回热器3后流回保温储液罐6；所述蒸汽喷射器5共有三个端口，其低压进口52与保温储液罐6的排汽通道63连通，另一端为工质入口；所述保温储液罐6的端口数量大于等于3个，其中一个端口与乏汽出口连通。
本发明的第二个目的是，提供一种利用上述构造冷源能量回收系统的热力发动机系统，包括：蒸发器1，汽轮机2和构造冷源能量回收系统。所述构造冷源能量回收系统可以将汽轮机做功后产生的乏汽在不经过外部冷凝处理的情况下，直接由构造冷源能量回收系统回收利用。所述热力发动机系统在不需要外部冷源的情况下实现热功转换。
所述保温储液罐6内储有低温工质，在保温储液罐上设有工质出口61、回液通道62、排汽通道63；工质出口61与加压泵4相连，加压泵4与回热器3相连，回热器与蒸发器1连通，蒸发器分别与汽轮机2和蒸汽喷射器5的高压进口51连通，汽轮机与回液通道62连通，排汽通道63与蒸汽喷射器5的低压进口52连通，蒸汽喷射器的中压出口53与回热器3相连。
所述热力发动机系统的保温储液罐6还包括汽瓶安全阀出口。
所述热力发动机系统的蒸汽喷射器5可根据负荷需要对压力流量可调节，需要大功率时可多台并联使用，其蒸汽可以来自蒸发器，也可从多级汽轮机中，抽出部分中低压力汽体使用。
所述热力发动机系统的低温部份必须进行保温处理或装在冷箱里。
所述蒸发器1可由任何形式的单个或多个蒸发器串联、并联组成。以不同梯度接收不同形式的外部热源，根据外部热源的不同情况，可以采用不同的热交换器，热源边可以是汽体，也可以是液体，热交换器可以是锅炉，也可以是燃烧器或蒸发器，可以是高温，也可以是低温，只要外部热源的温度高于回热器3工质出口的汽体温度即可。
所述热力发动机系统的汽轮机2包含任何一种将热能转为机械能的装置，可以直接输出机械能，也可通过发电机输出电能。
汽轮机可以采用单级，也可采用多级，可采用多次再热式，还可以采用复叠式或任何一种热功转换装置；与汽轮机相连的可以是发电机，用于发电和/或制冷；也可用于拖动其他需要拖动的机械传动装置，功率范围可以从零点几毫瓦到吉瓦级，用作汽车、轮船等交通工具的动力。
本发明的第三个目的是，提供了一种上述热力发动机系统的能量回收方法，具体步骤为：
(1)首先启动加压泵4，将保温储液罐6中的工质抽出并加压到规定压力P1，工质流经回热器3流向蒸发器1的低温端1A，外部热源流入蒸发器1热源端1B，并与蒸发器1中的低温工质进行热交换，进入蒸发器1的低温端1A的工质被热源端1B流过的外部热源加热蒸发，同时温度升高；
(2)在蒸发器1低温端1A出口处获得温度为T1、压力为P1的高压工质汽体，一部分高压工质汽体流入蒸汽喷射器5，为蒸汽喷射器5提供动力并使蒸汽喷射器开始工作；另一部分高压工质汽体进入汽轮机2做功后，汽轮机排出的乏汽通过回液通道进入保温储液罐6；
(3)进入保温储液罐6的乏汽在储液罐中自动汽液分离，汽体由蒸汽喷射器5的低压进口52处形成的负压抽走，在蒸汽喷射器5中与来自蒸发器1的高压工质汽体混合后，从混合器中压出口53流出并进入回热器3，在回热器3中，与从储液罐6中被加压泵4抽出进入回热器3中的工质进行热交换，被降温后流回储液罐6中，从而实现了完整循环。
在传统热力发动机系统中，需要外部冷源对乏汽余热进行降温处理并排放，无法回收循环利用。
在工质的整个循环过程中，工质始终处于密封环境。
所述工质优先选用无毒、不易爆炸、安全的物质，结合具体应用温度范围、经济性等各项指标综合比较和选择，优选液氮、液态空气、R410A、二氧化碳、氢、氦等。
本发明通过构造低温冷源以回收热力发动机乏汽能量的技术路线是：
(1)利用蒸汽喷射器对汽轮机乏汽出口和保温储液罐排汽通道口抽真空使汽轮机乏汽出口获得负压为汽轮机创造工作条件，同时使保温储液罐内工质温度降到设定的目标温度，为汽轮机创造一个稳定的低温温度值并提高汽轮机的循环效率；
(2)利用蒸汽喷射器，将来自保温储液罐内的低温低压汽体和来自蒸发器的高温高压的汽体混合以后，得到中温中压的汽体，然后将此中温中压的汽体输送到回热器，对回热器中即将送到蒸发器的液态工质进行预热，从而实现发动机乏汽能量的回收，并扩大了发动机的工作温度范围使利用环境热源或低温热源的目标得以实现。
采用构造冷源回收乏汽能量方法以后的卡诺循环效率计算：
设某系统工质采用液氮，在储液罐中构造的低温冷源T2温度为63K，针对不同的热源温度T1，根据卡诺循环公式计算理论效率如下：
100摄氏度时，T1＝100+273＝373K，则η＝1-T2/T1＝1-63/373＝0.8310；
38摄氏度时，T1＝38+273＝311K，则η＝1-T2/T1＝1-63/311＝0.7974；
0摄氏度时，T1＝0+273＝273K，则η＝1-T2/T1＝1-63/273＝0.7692；
-30摄氏度时，T1＝-30+273＝243K，则η＝1-T2/T1＝1-63/243＝0.7407；
根据上述计算结果可得到如下结论：
第一，采用构造低温冷源T2以后，即使用环境温度T1作为高温热源，所得到的卡诺效率都远高于现有一切采用化石能源的热机效率；
第二，效率提高以后蒸发器、回热器(冷凝器)，体积和重量都大为减少，成本显著降低。
第三，采用构造低温冷源T2的热力发动机是个封闭系统，进入多少能量，必须全部转化作功，同时需要加强保温功能，否则系统效率可能超过百分之百，但也会干扰系统运行。
附图说明
图1为传统朗肯循环示意图；
图2为本发明采用构造冷源能量回收系统的热力发动机系统结构示意图。
图3为本发明实施例二采用构造冷源能量回收系统的热力发动机系统结构示意图。
图4为本发明实施例三构造冷源能量回收系统制冷发动机系统结构示意图。
其中附图标识为：
蒸发器1，低温端1A，热源端1B，汽轮机2，回热器3，加压泵4，蒸汽喷射器5，高压进口51，低压进口52，中压出口53，保温储液罐6，工质出口61、回液通道62、排汽通道63，阀门7，蒸发器8，低温端8A，热源端8B，冷凝器13，加压泵14，储液罐15，热交换器16。
具体实施方式
实施例一
工质采用液氮。
如图1所示，传统朗肯循环中，需要有外部冷源对汽轮机中做功后排放出来的乏汽进行降温处理，然后再向大气排放。本发明中，去掉了传统朗肯循环中的乏汽用外部冷源降温的步骤，改为构造一个系统内部可循环的冷源系统，如图2所示，即图2中由保温储液罐6、蒸汽喷射器5、加压泵4和回热器3组成构造冷源能量回收系统。
利用上述构造成能量回收冷源系统组装成一套热力发动机系统，该热力发动机系统结构为：保温储液罐6内储有低温工质——液氮，在保温储液罐上设有工质出口61、回液通道62、排汽通道63；工质出口61与加压泵4相连，加压泵4与回热器3相连，回热器与蒸发器1相连，蒸发器分别与汽轮机2和蒸汽喷射器5的高压进口51相连，汽轮机与回液通道62相连，排汽通道63与蒸汽喷射器5的低压进口52相连，蒸汽喷射器的中压出口53与回热器3相连。
在运行该热力发动机系统进行热功转换时，首先启动加压泵4，将液氮加压到规定压力P1＝4mpa，工质流经回热器3流向蒸发器1的低温端1A，外部热源流入蒸发器1热源端1B对蒸发器1低温端1A中的工质进行热交换加热，进入蒸发器1的低温端1A的工质被热源端1B流过的外部热源加热蒸发，同时温度升高到接近外部热源温度。本实施例中，高低温热传递采用本领域常用的逆流式热交换器，在本发明中，将其称为蒸发器，其特点是低温边出口端的与高温边进口端的距离最近。热源端将热量传导到低温端，温度会有损失的，温差就表示了温度损失的多少，其大小是由材料、结构，工质状态、性质等很多因素决定的，一般温差控制在2℃到10℃，温差越小越好，但成本也越高。本实施例选择工程上常用的中间值5℃作为传热温差。于是在蒸发器低温端出口处获得温度为T1、压力为P1的高压氮汽，该压力为蒸汽喷射器5提供了动力并使之开始工作。由于本实施例工质工作在超临界状态，温度和压力各自独立，所以从液氮被加热变为氮汽时的压力不会发生变化。
蒸汽喷射器5又称为蒸汽喷射热泵，广泛应用于电力、化工、纺织、食品、造纸、石油、热电等以蒸汽作为动力的工业领域中，主要用来提高低压蒸汽压力、温度，即利用较高压力和温度的蒸汽在喷射器中形成负压吸进低压力、低温度的蒸汽，进行混合后获得中间某一压力的蒸汽和温度。如：提升供热蒸汽参数、回收高温凝结水的闪蒸汽等，从而达到显著的节能效果。它共有三个端口，高压进口、低压进口和混合器出口。高压进口中进入工质蒸汽后，就会在低压进口造成负压，通过调节控制高压进口蒸汽流量参数，可使与低压进口通过保温储液罐间接连接的汽轮机出口形成负压，形成作功条件，众所周知，汽轮机两端运行的条件为具备高低压差和高低温差。本实施例中，蒸发器1的低温端1A中经过热交换后的温度为T1＝38℃、压力P1＝4mpa的高压氮汽分作两部分，一部分焓值为h1，单位质量为1的汽体流入汽轮机2，进行膨胀推动汽轮机作功，对外输出机械能或通过发电机发出电能，另一部分流入蒸汽喷射器5高压口作为工作蒸汽。两条蒸汽回路上可分别加上阀门，根据负荷的变化对流入汽轮机和蒸汽喷射器的汽体流量进行调节。流入蒸汽喷射器5的蒸汽流量通过检测蒸汽喷射器5低压进口52处的压力进行闭环调节，本实施例中设定蒸汽喷射器5低压进口52处的压力为30kpa。
在传统汽轮机发电系统中，汽轮机排出的乏汽热量需要经过与环境温度相等的冷凝水吸收后再经过冷却塔热交换后排入大气。在本实施例中，汽轮机排出的乏汽，即经过降温降压后的工质进入保温储液罐6，由于有部分汽体液化，因此在保温储液罐中自动汽液分离，汽体由蒸汽喷射器5的低压进口52处形成的负压抽走，并在蒸汽喷射器5中与来自蒸发器1的汽体混合后，从混合器中压出口53流出并进入回热器3，在回热器3中，与从储液罐6中被加压泵4抽出进入回热器3中的液氮进行热交换，被降温后流回储液罐6中，从而实现了完整循环。
在工质的整个循环过程中，工质始终处于密封环境。同时，通过回热器3进入蒸发器1中的高压液氮也在回热器3中与返回保温储液罐的工质进行热交换，从而得以第一次升温蒸发。
在本实施例中，以H表示蒸汽喷射器回路中的焓值，h表示汽轮机回路中的焓值。
蒸汽喷射器5的低压进口52处的压力一直控制为30kpa，因此，与低压进口52连通的保温储液罐6中的温度被控制为零下204℃，从而保证保温储液罐6中的液氮温度稳定，为汽轮机提供一个稳定的低温冷源温度。保温储液罐6中的冷源温度t2＝-204℃，即T2＝69K。而保温储液罐6与汽轮机2乏汽出口连通，因此乏汽温度也为零下204℃(在一个封闭的系统中如果液体受到的压力低于该种液体的沸点，液体就会不断蒸发，同时液体的温度不断下降，最后达到该液体所受压力对应的温度)。
根据前面所述可知汽轮机两端的参数为：
高温热源温度t1＝38℃，即T1＝311K；
低温冷源温度t2＝-204℃，即T2＝69K；
则卡诺循环效率η为：
η＝1-T2/T1＝1-69/311＝0.7781
由于汽轮机乏汽潜热都被构造冷源回收循环利用了，所以卡诺循环与朗肯循环之间的效率差就不重要了，本行业的技术人员都能进行处理。
以上卡诺循环效率表示汽轮机进口蒸汽h1中有77.81％转化作功，剩余的蒸汽潜热占进口蒸汽h1的百分比为：1-0.7781＝0.2219。
剩余的蒸汽潜热被蒸汽喷射器低压进口端引走，本文均采用了工程上的标幺值法。
通过查阅氮的焓熵图和物性表(参见：2005ASHRAE Handbook Fundamentals.作者:ASHRAE，出版社:ASHRAE，ISBN:1-931862-70-2)，可知：t1＝38℃时，对应的蒸汽焓值h1为322kj/kg，其0.2219部分乏汽的焓值h2为：
h2＝h1*0.2219＝322*0.2219＝71kj/kg
h2和从蒸发器1流入蒸汽喷射器5中的高压蒸汽在蒸汽喷射器中混合，蒸汽喷射器中，38℃的高压蒸汽H1焓值为322kj/kg，两者在蒸汽喷射器中混合后的单位蒸汽总热值则为：322+71＝393kj。
H1的单位质量流量为1kg，h1的质量流量也为1kg；
所以单位蒸汽焓值则为：
H2＝(H1+h2)/2＝(322+71)/2＝196.5kj/kg，
通过查阅氮物性表，可得196.5kj/kg对应的蒸汽温度为190K。该温度比汽轮机出口处的69K提高了121K，大的温差完全保证了回热器3热源边(热源边是指从蒸汽喷射器的混合器出口53出来后进入加热器3中的氮汽)将乏汽的余热转移到工质边(工质边指从被加压泵4从储液罐6中泵入加热器3中的液氮)。
在回热器3中被加热的工质H2焓值为196.5kj/kg，进入蒸发器1再被加温到38℃，焓值增加为322kj/kg，由于是两倍的工质，增加的热能Q为：
Q＝(322-196.5)*2＝251kj，
汽轮机进口蒸汽焓值h1减去出口蒸汽焓值h2就是汽轮机所做的功W：
W＝h1-h2＝322-71＝251kw
由此可知：蒸发器1从外部获得的热能等于汽轮机对外输出的功率。
实施例二
与实施例一相同之处不再赘述，不同之处在于：增加了第二个蒸发器8和阀门7，结构如图3所示。
当阀门7打开时，蒸发器8被短路不工作，此时系统的结构和功能与实施例一相同。当需要加大发电量时，关闭阀门7，让工质先从蒸发器8低温端8A流过，蒸发器8热源端8B为海水。根据发电量需求，调节阀门7的开度，或是调节海水的流速，都可调节发电量。蒸发器8利用海水作为外部热源先与工质进行热交换，从而提升工质温度；之后工质进入蒸发器1，再在蒸发器1中与核电站排出的T0＝43℃废水作为热源进行热交换，再次对工质升温，最终在蒸发器1低温端出口处获得温度为t1＝38℃、压力P1为4mpa的高压氮汽，该压力为蒸汽喷射器5提供了动力并使之开始工作。之后工作方式与实施例一相同，不再赘述。
实施例三
制冷发电机系统，其结构与实施例二结构相同之处不再赘述，不同之处在于，蒸发器1和8上方分别安装有一风扇，将蒸发器8置于冷冻库中，蒸发器1和系统其他部件全部位于冷冻库外的环境中。结构如图4所示。
本实施例所提供的制冷发电机系统可用于冷冻库、冷藏库、集装箱冷冻车、集装箱冷藏车、也可以是办公室或家庭制冷(如空调)等等一切需要制冷的场合和对象。
本实施例中以冷冻库进行说明，蒸发器8安装在冷冻库中，蒸发器8上方安装有风扇，对冷冻库中的空气进行循环，蒸发器8中的工质在密闭管道中通过与外界环境空气进行热交换，被升温后送到蒸发器1中，再次与外界环境空气进行热交换，被升温后分别送到蒸汽喷射器5和汽轮机2，在汽轮机2中做功带动发电机运行，启动整个系统的循环发电。
在本实施例中，制冷发电机系统通过蒸发器将冷冻库中环境空气中的热量吸收从而使冷冻库冷却，达到制冷的目的。发电机的能量来源于从冷冻库吸收的热量。但由于冷冻库的负荷是变化的，环境温度也是变化的，因此制冷量随时处于动态变化之中，为了保证发电机能输出平稳的工作电压和足够的功率，以满足外部其他负荷对电源的稳定性需要，设置了两台蒸发器，第二台蒸发器的作用是为了保证不论冷冻库提供的热量怎么变化、是否制冷，都还有一个能与之变化适应的稳定的热源，从而保证制冷发电机系统始终能够保持稳定、连续的输出。
冷冻库需要冷冻温度为-18℃，采用的工质为R410A，构造冷源温度为-73℃，环境温度为20℃。
冷冻库初始温度为0℃，冷冻库外的环境温为20℃；阀门7和阀门9关闭，蒸发器8、1投入工作。系统启动时，首先启动加压泵4，对液态工质R401A加压，加压后的压力P1＝1.5mpa(此时R410A工作在临界状态以下，工质蒸发压力由温度决定，当环境温度为20℃时，蒸发温度为10℃，蒸汽过热度取5℃时，对应压力P1＝1.5mpa)，工质流经回热器3流向蒸发器8的低温端8A，蒸发器8热源边的风扇在冷库内循环，环境空气作为热源流入蒸发器8热源端8B对蒸发器8低温端中的工质进行热交换加热，本例中，环境空气没有在管道中流通，而是以包围工质管道的方式存在；蒸发器8内部流过的工质被加压到环境温度对应的工质压力1.5mpa，本系统中工质工作在临界温度以内，温度不同，压力不同。工质流分别在蒸发器8、1的低温端内被升温蒸发，选择蒸发器与环境温度的温差为5℃，于是在蒸发器1的出口端获得温度为15℃、压力为1.5mpa的高压R410A工质蒸汽，该压力为蒸汽喷射器5提供了动力使之开始工作，随即在蒸汽喷射器低压进口造成负压，通过控制高压进口蒸汽参数，使与低压进口相连的保温储液罐6的蒸汽压力为30kpa，根据蒸汽压力和液体温度的关系，并查询制冷剂R410A的物性表可知，这时保温储液罐中的R410A温度为零下73℃，通过维持保温储液罐的蒸汽压力为30kpa，稳定提供零下73℃的冷源。
汽轮机两端运行的条件是高低压差高低温差，工质R410A蒸汽流进入汽轮机，开始作功，热能转变为机械能再通过发电机对外输出电能。汽轮机排出的乏汽进入保温储液罐，在储液罐中进行汽液分离，气体被蒸汽喷射器抽走。蒸汽喷射器将高低压口进来的气体混合以后，排放到回热器3中，与被加压后进入回热器3中的工质液体进行热交换，冷却后从回热器3流回到保温储液罐，从而实现了完整循环。
蒸发器1的出口端获得温度为15℃，则蒸汽喷射器高压进口温度为：273+15＝288K；保温储液罐中的R410A温度为零下73℃，则蒸汽喷射器低压进口温度为：273-73＝200K，则混合后的蒸汽喷射器中压出口的温度为：
T混＝(T2+T1)/2＝(288+200)/2＝244K，
换算为摄氏温度，为：
T混＝244-273＝-29℃。
如果忽略回热器3热、冷源边之间的温差，回热器3工质边出口与蒸发器8低温端进口温度相等，为-29℃，因此冷冻库中蒸发器1的热源边温度不断下降，最后达到-18℃时，根据冻库温度目标值与实际值的差距自动闭环调节调节阀门7流过的工质流量，控制冷冻库温度稳定在-18℃。同时在冷冻库中所能提供的热量越来越少时，根据发动机目标负荷值与实际值的差距自动闭环调节调节阀门9的开度和101的风扇速度使蒸发器1获得更多的冷库外的其他热源，补充冷冻库减少的热量，使之保持稳定的输出功率。
在回热器3中被加热的工质H2焓值为356kj/kg，分别再进入蒸发器8和蒸发器1后，最终被加温到15℃，焓值增加到424kj/kg，由于是两倍的工质，增加的热能Q为：
Q＝(424-356)*2＝136kj，
汽轮机进口蒸汽焓值h1减去出口蒸汽焓值h2就是汽轮机所做的功W：
W＝h1-h2＝424-293＝131kw。
蒸发器从外部获得的热能等于汽轮机对外输出的功率。说明当单位制冷量为131kw时，发电机单位输出功率也为131kw。
采用传统逆卡诺循环时，冷冻库制冷量为131kw时，按照1：3的制冷效率需要电网提供43kw的电功率消耗，而卡诺循环不仅节约了这43kw，还能够另外提供131kw以上的发电功率回馈电网，特别是在不需要制冷时，利用外部热源，全年都会获得丰富的电能回馈电网，其功率大小仅由用电量的大小决定。
在实施例一的基础上，增加一些零部件就可构成制冷发电机，可实现冷、电联产。具体应用时，还可根据需要进行增减，增加蒸发器8和阀门7，当阀门7开通时蒸发器8不起作用，此时功能如实施例一，系统只起发电作用；需要制冷时关闭阀门7，让工质从蒸发器8主回路中流动，蒸发器8加热边中流动防冻液，根据不同的用途，采用不同的工质可以得到温度从10℃到-120℃的防冻液，用于空调制冷，冷库，速冻加工。调节阀门7的开度，或是调节防冻液的流速，都可调节制冷量。
蒸发器1是为了保证不论是否制冷，都能获得一定的热能来保证汽轮机的工作，根据不同热源情况，如空气、普通水源、海水或地热温水、工业废水、高温废汽，可采用不同的热交换器。
Claims (10)
1.一种构造冷源能量回收系统，其特征在于：包括回热器(3)、蒸汽喷射器(5)和保温储液罐(6)。
2.如权利要求1所述的一种构造冷源能量回收系统，其特征在于：所述回热器(3)共有两对通路，一对通路为工质流出保温储液罐(6)的通路，通过加压泵(4)与保温储液罐的工质出口(61)连通，使工质流出回热器；另一对通路为工质回收回保温储液罐的通路，与蒸汽喷射器(5)的中压出口(53)连通，工质在流过回热器后流回保温储液罐；所述蒸汽喷射器(5)共有三个端口，其低压进口(52)与保温储液罐的排汽通道(63)连通，另一端为工质入口；所述保温储液罐的端口数量大于等于3个，其中一个端口与乏汽出口连通。
3.一种热力发动机系统，包括：蒸发器(1)，汽轮机(2)，加压泵(4)，其特征在于：还包括构造冷源能量回收系统。
4.如权利要求3所述的一种热力发动机系统，其特征在于：所述构造冷源能量回收系统包括回热器(3)、蒸汽喷射器(5)和保温储液罐(6)；所述热力发动机系统在不需要外部冷源的情况下实现热功转换。
5.如权利要求3或4所述的一种热力发动机系统，其特征在于：所述保温储液罐(6)内储有低温工质，在保温储液罐上设有出液通道(61)、回液通道(62)、排气通道(63)；出液通道(61)与加压泵(4)相连，加压泵(4)与回热器(3)相连，回热器与蒸发器(1)相连，蒸发器分别与汽轮机(2)和蒸汽喷射器(5)的高压进口(51)相连，汽轮机与回液通道(62)相连，排气通道(63)与蒸汽喷射器(5)的低压进口(52)相连，蒸汽喷射器的中压出口(53)与回热器(3)相连。
6.如权利要求3或4所述的一种热力发动机系统，其特征在于：所述蒸发器(1)可由任何形式的单个或多个蒸发器串联、并联组成。
7.如权利要求3或4所述的一种热力发动机系统，其特征在于：所述汽轮机(2)包含任何一种将热能转为机械能的装置。
8.一种热力发动机系统的能量回收方法，其特征在于：通过汽轮机(2)做功后排出的乏汽余热，由构造冷源能量回收系统进行回收和循环利用。
9.如权利要求8所述的一种热力发动机系统的能量回收方法，其特征在于：所述构造冷源能量回收系统包括回热器(3)、蒸汽喷射器(5)和保温储液罐(6)。
10.如权利要求8或9所述的一种热力发动机系统的能量回收方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)、首先启动加压泵(4)，将储液罐(6)中的工质抽出并加压到规定压力P1，工质流经回热器3流向蒸发器(1)的低温端(1A)，外部热源流入蒸发器热源端(1B)对蒸发器进行加热，进入蒸发器的低温端(1A)的工质被热源端(1B)流过的外部热源加热蒸发，同时温度升高；
(2)、在蒸发器低温端(1A)出口处获得温度为T1、压力为P1的高压工质气体，一部分高压工质气体流入蒸汽喷射器(5)，该压力为蒸汽喷射器提供动力并使蒸汽喷射器开始工作；另一部分高压工质气体进入汽轮机(2)做功后，汽轮机排出的乏汽进入储液罐(6)；
(3)、进入储液罐(6)的乏汽在储液罐中自动汽液分离，汽体由蒸汽喷射器(5)的低压进口(52)处形成的负压抽走，在蒸汽喷射器中与来自蒸发器的高压工质气体混合后，从混合器中压出口(53)流出并进入回热器，在回热器中，与从储液罐中被加压泵抽出进入回热器中的工质进行热交换，被降温后流回储液罐中，从而实现了完整循环。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711317835.XA CN107882603A (zh) | 2017-12-12 | 2017-12-12 | 构造冷源能量回收系统、热力发动机系统及能量回收方法 |
| PCT/CN2018/117583 WO2019114536A1 (zh) | 2017-12-12 | 2018-11-27 | 构造冷源能量回收系统、热力发动机系统及能量回收方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711317835.XA CN107882603A (zh) | 2017-12-12 | 2017-12-12 | 构造冷源能量回收系统、热力发动机系统及能量回收方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107882603A true CN107882603A (zh) | 2018-04-06 |
Family
ID=61773875
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201711317835.XA Pending CN107882603A (zh) | 2017-12-12 | 2017-12-12 | 构造冷源能量回收系统、热力发动机系统及能量回收方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107882603A (zh) |
| WO (1) | WO2019114536A1 (zh) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109612168A (zh) * | 2018-11-16 | 2019-04-12 | 广东工业大学 | 一种射流式有机朗肯循环系统 |
| CN109763870A (zh) * | 2019-03-20 | 2019-05-17 | 潘彦伯 | 一种低参数热回收系统 |
| WO2019114536A1 (zh) * | 2017-12-12 | 2019-06-20 | 吴加林 | 构造冷源能量回收系统、热力发动机系统及能量回收方法 |
| CN110030041A (zh) * | 2019-04-16 | 2019-07-19 | 天津大学 | 采用喷射泵和分离器提高中低温热源发电能力的系统 |
| JP2019183811A (ja) * | 2018-04-17 | 2019-10-24 | 株式会社東芝 | 発電装置および発電方法 |
| WO2024066841A1 (zh) * | 2022-09-30 | 2024-04-04 | 李文辉 | 密封式尾汽回收汽动系统 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101187509A (zh) * | 2007-12-06 | 2008-05-28 | 上海交通大学 | 整体式喷射型低温余热发电制冷装置 |
| CN202732013U (zh) * | 2012-08-15 | 2013-02-13 | 昆明理工大学 | 一种中低温热能驱动紧凑式有机朗肯循环发电系统 |
| CN103775148A (zh) * | 2012-10-22 | 2014-05-07 | 张玉良 | 自冷式热力做功方法 |
| CN105402926A (zh) * | 2015-10-21 | 2016-03-16 | 西安交通大学 | 一种冷电联供系统及基于该系统的制冷、发电及冷电联供方法 |
| CN207701188U (zh) * | 2017-12-12 | 2018-08-07 | 吴加林 | 构造冷源能量回收系统及热力发动机系统 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008143542A1 (fr) * | 2007-05-18 | 2008-11-27 | Igor Isaakovich Samkhan | Procédé et dispositif de transformation d'énergie thermique en électricité, en une chaleur à potentiel plus élevé ou en froid |
| CN104153834B (zh) * | 2014-07-15 | 2015-08-19 | 天津大学 | 一种基于卡琳娜循环的发电、供冷联合系统 |
| CN107882603A (zh) * | 2017-12-12 | 2018-04-06 | 吴加林 | 构造冷源能量回收系统、热力发动机系统及能量回收方法 |
-
2017
- 2017-12-12 CN CN201711317835.XA patent/CN107882603A/zh active Pending
-
2018
- 2018-11-27 WO PCT/CN2018/117583 patent/WO2019114536A1/zh active Application Filing
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101187509A (zh) * | 2007-12-06 | 2008-05-28 | 上海交通大学 | 整体式喷射型低温余热发电制冷装置 |
| CN202732013U (zh) * | 2012-08-15 | 2013-02-13 | 昆明理工大学 | 一种中低温热能驱动紧凑式有机朗肯循环发电系统 |
| CN103775148A (zh) * | 2012-10-22 | 2014-05-07 | 张玉良 | 自冷式热力做功方法 |
| CN105402926A (zh) * | 2015-10-21 | 2016-03-16 | 西安交通大学 | 一种冷电联供系统及基于该系统的制冷、发电及冷电联供方法 |
| CN207701188U (zh) * | 2017-12-12 | 2018-08-07 | 吴加林 | 构造冷源能量回收系统及热力发动机系统 |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2019114536A1 (zh) * | 2017-12-12 | 2019-06-20 | 吴加林 | 构造冷源能量回收系统、热力发动机系统及能量回收方法 |
| JP2019183811A (ja) * | 2018-04-17 | 2019-10-24 | 株式会社東芝 | 発電装置および発電方法 |
| JP6997667B2 (ja) | 2018-04-17 | 2022-01-17 | 株式会社東芝 | 発電装置および発電方法 |
| CN109612168A (zh) * | 2018-11-16 | 2019-04-12 | 广东工业大学 | 一种射流式有机朗肯循环系统 |
| CN109612168B (zh) * | 2018-11-16 | 2024-04-23 | 广东工业大学 | 一种射流式有机朗肯循环系统 |
| CN109763870A (zh) * | 2019-03-20 | 2019-05-17 | 潘彦伯 | 一种低参数热回收系统 |
| CN110030041A (zh) * | 2019-04-16 | 2019-07-19 | 天津大学 | 采用喷射泵和分离器提高中低温热源发电能力的系统 |
| WO2024066841A1 (zh) * | 2022-09-30 | 2024-04-04 | 李文辉 | 密封式尾汽回收汽动系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2019114536A1 (zh) | 2019-06-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10965191B2 (en) | Thermodynamic system for storing/producing electrical energy | |
| CN107882603A (zh) | 构造冷源能量回收系统、热力发动机系统及能量回收方法 | |
| US4813242A (en) | Efficient heater and air conditioner | |
| EA014465B1 (ru) | Система теплового двигателя | |
| CN109723510A (zh) | 无泵式恒定功率输出的有机朗肯循环发电方法和装置 | |
| CN103528262B (zh) | 一种非能动式有机物工质喷射制冷方法 | |
| CN107939548A (zh) | 新型内燃机余热利用冷热电联供系统及其工作方法 | |
| CN207701188U (zh) | 构造冷源能量回收系统及热力发动机系统 | |
| CN106285808B (zh) | 一种液化天然气冷能综合利用系统及方法 | |
| CN105756736A (zh) | 低温热源透平机发电装置及基于该装置的有机双循环方法 | |
| Du et al. | Feasibility of small-scale cold energy storage (CES) through carbon dioxide based Rankine cycle | |
| CN105972673B (zh) | 一种中继能源站型大温差供热系统及方法 | |
| CN101397983B (zh) | 工质相变焓差海水温差动力机 | |
| CN103277937B (zh) | 多用途热泵 | |
| CN206016979U (zh) | 海水冷却、混合冷源的高效燃机进气冷却装置 | |
| US10712050B2 (en) | Multi-stage heat engine | |
| CN107702429A (zh) | 液态空气储能系统能效提升装置及方法 | |
| CN210977771U (zh) | 一种基于海洋温差能的冷电联产循环系统 | |
| CN209539413U (zh) | 一种低参数热回收系统 | |
| CN208040471U (zh) | 加热式制冷发电循环系统 | |
| CN207112767U (zh) | 节能型冷热双效蒸汽发生器 | |
| CN106907936B (zh) | 多次制冷制热输出的燃气系统 | |
| Du et al. | Optimization of cold storage efficiency in a Rankine‐cycle‐based cold energy storage system | |
| CN106150700B (zh) | 海水冷却、混合冷源的高效燃机进气冷却装置 | |
| CN109763870A (zh) | 一种低参数热回收系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20180406 |