CN108087037B - 一种闭式双螺杆膨胀机发电装置 - Google Patents

一种闭式双螺杆膨胀机发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种闭式双螺杆膨胀机发电装置，由换热器(1)、第一阀(2)、具有大膨胀比的双螺杆膨胀机(3)、一对同步齿轮(4)、第一联轴器(5)、发电机(6)、第二阀(7)、冷凝器(8)、第三阀(9)、凸轮转子泵(10)、第二联轴器(11)、第三联轴器(12)和第四阀(13)组成；采用氨水混合物作为循环工质；采用凸轮转子泵(10)进行增压输送；采用具有大膨胀比的双螺杆膨胀机(3)进行膨胀做功，螺杆转子具有齿间容积从入口高压端到出口低压端逐渐增大的特点；采用具有大膨胀比的双螺杆膨胀机(3)、凸轮转子泵(10)和发电机(6)同轴串联；整个发电装置力矩均匀，结构紧凑，适用广泛，热能利用率高。

Description

一种闭式双螺杆膨胀机发电装置
技术领域
本发明涉及一种用于热能的闭式发电装置，特别是涉及一种采用双螺杆膨胀机和凸轮泵的闭式发电装置。
背景技术
双螺杆膨胀机作为原动机，因其效率高、适用于气液两相工质和自洁能力好的优点被广泛应用于热能发电循环装置；根据工质与环境隔绝与否，循环装置分为开式循环装置和闭式循环装置；闭式循环装置是指以某种低沸点物质为循环工质，在封闭回路中进行特定热力过程的装置，设备发电效率高，不易腐蚀，使用寿命长。
中国专利，公布号CN206129323U，公开了一种用于低温余热回收系统的双螺杆膨胀机；该装置的双螺杆膨胀机的特点为：双螺杆膨胀机的螺杆转子等螺距，并且沿轴向位置各截面的端面型线不变，面积利用系数不变，齿间容积变化不够大，膨胀比小。
在闭式循环装置中，通过控制循环工质的相变提高能量的转化率；将一定比例的气液两相循环工质完全膨胀至气相，最大程度的将循环工质的热能转化为螺杆转子的机械能；但是实现上述循环需要具有大膨胀比的膨胀机，因此研究具有大膨胀比的双螺杆膨胀机并实现闭式循环具有重要的意义。
发明内容
为了提高热能利用率，本发明提出一种闭式双螺杆膨胀机发电装置；采用氨水混合物为循环介质；采用凸轮转子泵(10)对全液相氨水混合物增压输送，凸轮转子泵(10)具有无困液现象和力矩分布均匀的特点；采用换热器(1)与热源进行热交换，全液相氨水混合物变为气液两相氨水混合物；采用具有大膨胀比的双螺杆膨胀机(3)将一定比例的气液两相氨水混合物膨胀至全气相氨水混合物，螺杆转子具有变螺距和锥形的特点，齿间容积从入口高压端到出口低压端逐渐增大；采用冷凝器(8)将全气相氨水混合物冷凝成全液相氨水混合物；采用具有大膨胀比的双螺杆膨胀机(3)，凸轮转子泵(10)和发电机(6)同轴串联。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种闭式双螺杆膨胀机发电装置，由换热器(1)、第一阀(2)、具有大膨胀比的双螺杆膨胀机(3)、一对同步齿轮(4)、第一联轴器(5)、发电机(6)、第二阀(7)、冷凝器(8)、第三阀(9)、凸轮转子泵(10)、第二联轴器(11)、第三联轴器(12)和第四阀(13)组成；循环工质初始为全液相氨水混合物，经凸轮转子泵(10)增压后，进入换热器(1)与热源进行热交换，循环工质温度升高，全液相氨水混合物变为气液两相氨水混合物，通过设定氨和水的比例改变循环工质沸点，控制气液两相氨水混合物的气液体积比在合适的范围内；吸热后的气液两相氨水混合物进入具有大膨胀比的双螺杆膨胀机(3)进行膨胀做功，循环工质温度降低，变为全气相氨水混合物；膨胀后的全气相氨水混合物进入冷凝器(8)，在冷凝器(8)内循环工质被冷凝成全液相氨水混合物，再由凸轮转子泵(10)增压后，进入换热器(1)与热源进行热交换，完成一个周期的工作循环；通过第二阀(7)和第三阀(9)控制冷凝器(8)中的压力；工作过程中，具有大膨胀比的双螺杆膨胀机(3)带动凸轮转子泵(10)和发电机(6)一起转动，进行发电。
所述的一种闭式双螺杆膨胀机发电装置，具有大膨胀比的双螺杆膨胀机(3)由右旋锥形螺杆转子(301)和左旋锥形螺杆转子(302)组成，右旋锥形螺杆转子(301)从入口高压端到出口低压端螺距逐渐增大、齿顶圆半径R1随轴向位置线性增大、齿根圆半径R3随轴向位置同比例线性减小，R1+R3数值不变；左旋锥形螺杆转子(302)和右旋锥形螺杆转子(301)能够实现完全啮合。
所述的一种闭式双螺杆膨胀机发电装置，凸轮转子泵(10)由第一凸轮转子(1001)和第二凸轮转子(1002)组成；第一凸轮转子(1001)的轮廓型线不存在不光滑连接点；以第一凸轮转子(1001)的回转中心点O建立直角坐标系，第一凸轮转子(1001)的轮廓型线关于x轴和y轴都对称，第一凸轮转子(1001)的1/4轮廓型线由4段首尾光滑连接的曲线组成，依次为：齿顶圆弧AB、圆弧BC、摆线的等距曲线CD、齿根圆弧DE；第一凸轮转子(1001)的轮廓型线与第二凸轮转子(1002)的轮廓型线完全相同；凸轮转子泵(10)在两转子作同步异向双回转运动中不存在容积逐渐减小的封闭工作腔，避免了困液现象的出现，力矩分布均匀；凸轮转子泵(10)的第一凸轮转子(1001)和第二凸轮转子(1002)的中心距和具有大膨胀比的双螺杆膨胀机(3)的右旋锥形螺杆转子(301)和左旋锥形螺杆转子(302)的中心距相同。
所述的一种闭式双螺杆膨胀机发电装置，凸轮转子泵(10)的第一凸轮转子(1001)与具有大膨胀比的双螺杆膨胀机(3)的右旋锥形螺杆转子(301)通过第二联轴器(11)相连，轴心中心线重合；凸轮转子泵(10)的第二凸轮转子(1002)与具有大膨胀比的双螺杆膨胀机(3)的左旋锥形螺杆转子(302)通过第三联轴器(12)相连，轴心中心线重合；具有大膨胀比的双螺杆膨胀机(3)的右旋锥形螺杆转子(301)和左旋锥形螺杆转子(302)与一对同步齿轮(4)相连；具有大膨胀比的双螺杆膨胀机(3)的右旋锥形螺杆转子(301)与发电机(6)通过第一联轴器(5)相连，轴心中心线重合。
本发明的有益效果是：
①所提出的一种闭式双螺杆膨胀机发电装置，通过氨水混合物在闭式循环系统中的相变，最大程度的吸收和转化热能，提高热能利用率。
②通过设定氨和水的比例改变循环工质沸点，控制气液两相氨水混合物的气液体积比在合适的范围内，实现具有大膨胀比的双螺杆膨胀机(3)中氨水混合物由气液两相到全气相的转变，热能利用率高，适用温度范围广。
③采用具有大膨胀比的双螺杆膨胀机(3)，齿间容积从入口高压端到出口低压端逐渐增大，吸气端高压侧齿间容积最小，排气端低压侧齿间容积最大，能够实现大膨胀比，进而提高了本装置的热能利用率。
④凸轮转子泵(10)的凸轮转子轮廓型线不存在不光滑连接点，在全液相氨水混合物的增压输送过程中，凸轮转子泵(10)不存在逐渐减小的封闭工作腔容积，不会出现困液现象，力矩分布均匀。
⑤将具有大膨胀比的双螺杆膨胀机(3)，凸轮转子泵(10)和发电机(6)同轴串联，整个发电装置具有结构紧凑、干式无油、发电循环效率高和运转平稳的优点。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1为一种闭式双螺杆膨胀机发电装置示意图。
图2为具有大膨胀比的双螺杆膨胀机(3)的螺杆转子示意图。
图3为凸轮转子泵(10)的凸轮转子的轮廓型线示意图。
图中：1—换热器；2—第一阀；3—具有大膨胀比的双螺杆膨胀机；4—一对同步齿轮；5—第一联轴器；6—发电机；7—第二阀；8—冷凝器；9—第三阀；10—凸轮转子泵；11—第二联轴器；12—第三联轴器；13—第四阀；301—具有大膨胀比的双螺杆膨胀机的右旋锥形螺杆转子；302—具有大膨胀比的双螺杆膨胀机的左旋锥形螺杆转子；1001—凸轮泵的第一凸轮转子；1002—凸轮泵的第二凸轮转子。
具体实施方式
如图1所示的一种闭式双螺杆膨胀机发电装置示意图，发电装置由换热器(1)、第一阀(2)、具有大膨胀比的双螺杆膨胀机(3)、一对同步齿轮(4)、第一联轴器(5)、发电机(6)、第二阀(7)、冷凝器(8)、第三阀(9)、凸轮转子泵(10)、第二联轴器(11)、第三联轴器(12)和第四阀(13)组成；循环工质初始为全液相氨水混合物，经凸轮转子泵(10)增压后，进入换热器(1)与热源进行热交换，循环工质温度升高，全液相氨水混合物变为气液两相氨水混合物，通过设定氨和水的比例改变循环工质沸点，控制气液两相氨水混合物的气液体积比在合适的范围内；吸热后的气液两相氨水混合物进入具有大膨胀比的双螺杆膨胀机(3)进行膨胀做功，循环工质温度降低，变为全气相氨水混合物；膨胀后的全气相氨水混合物进入冷凝器(8)，在冷凝器(8)内循环工质被冷凝成全液相氨水混合物，再由凸轮转子泵(10)增压后，进入换热器(1)与热源进行热交换，完成一个周期的工作循环；通过第二阀(7)和第三阀(9)控制冷凝器(8)中的压力；工作过程中，具有大膨胀比的双螺杆膨胀机(3)带动凸轮转子泵(10)和发电机(6)一起转动，进行发电。
规定螺杆转子旋向从低压侧指向高压侧遵循右手螺旋法则的是右旋，反之螺杆转子旋向是左旋。凸轮转子泵(10)的第一凸轮转子(1001)与具有大膨胀比的双螺杆膨胀机(3)的右旋锥形螺杆转子(301)通过第二联轴器(11)相连，轴心中心线重合；凸轮转子泵(10)的第二凸轮转子(1002)与具有大膨胀比的双螺杆膨胀机(3)的左旋锥形螺杆转子(302)通过第三联轴器(12)相连，轴心中心线重合；具有大膨胀比的双螺杆膨胀机(3)的右旋锥形螺杆转子(301)和左旋锥形螺杆转子(302)与一对同步齿轮(4)相连；具有大膨胀比的双螺杆膨胀机(3)的右旋锥形螺杆转子(301)与发电机(6)通过第一联轴器(5)相连，轴心中心线重合。
如图2所示的具有大膨胀比的双螺杆膨胀机(3)的螺杆转子示意图，具有大膨胀比的双螺杆膨胀机(3)由右旋锥形螺杆转子(301)和左旋锥形螺杆转子(302)组成，右旋锥形螺杆转子(301)从入口高压端到出口低压端螺距逐渐增大、齿顶圆半径R1随轴向位置线性增大、齿根圆半径R3随轴向位置同比例线性减小，R1+R3数值不变；左旋锥形螺杆转子(302)和右旋锥形螺杆转子(301)能够实现完全啮合。
如图3所示的凸轮转子泵(10)的凸轮转子的轮廓型线示意图，凸轮转子泵(10)由第一凸轮转子(1001)和第二凸轮转子(1002)组成；第一凸轮转子(1001)的轮廓型线不存在不光滑连接点；以第一凸轮转子(1001)的回转中心点O建立直角坐标系，第一凸轮转子(1001)的轮廓型线关于x轴和y轴都对称，第一凸轮转子(1001)的1/4轮廓型线由4段首尾光滑连接的曲线组成，依次为：齿顶圆弧AB、圆弧BC、摆线的等距曲线CD、齿根圆弧DE；第一凸轮转子(1001)的轮廓型线与第二凸轮转子(1002)的轮廓型线完全相同；凸轮转子泵(10)在两转子作同步异向双回转运动中不存在容积逐渐减小的封闭工作腔，避免了困液现象的出现；凸轮转子泵(10)的第一凸轮转子(1001)和第二凸轮转子(1002)的中心距和具有大膨胀比的双螺杆膨胀机(3)的右旋锥形螺杆转子(301)和左旋锥形螺杆转子(302)的中心距相同。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (1)

1.一种闭式双螺杆膨胀机发电装置，由换热器(1)、第一阀(2)、具有大膨胀比的双螺杆膨胀机(3)、一对同步齿轮(4)、第一联轴器(5)、发电机(6)、第二阀(7)、冷凝器(8)、第三阀(9)、凸轮转子泵(10)、第二联轴器(11)、第三联轴器(12)和第四阀(13)组成；其特征是：循环工质初始为全液相氨水混合物，经凸轮转子泵(10)增压后，进入换热器(1)与热源进行热交换，循环工质温度升高，全液相氨水混合物变为气液两相氨水混合物，通过设定氨和水的比例改变循环工质沸点，控制循环工质的气液比在合适的范围内；吸热后的气液两相氨水混合物进入具有大膨胀比的双螺杆膨胀机(3)进行膨胀做功，循环工质温度降低，变为全气相氨水混合物；膨胀后的全气相氨水混合物进入冷凝器(8)，在冷凝器(8)内循环工质被冷凝成全液相氨水混合物，再由凸轮转子泵(10)增压后，进入换热器(1)与热源进行热交换，完成一个周期的工作循环；通过第二阀(7)和第三阀(9)控制冷凝器(8)中的压力；工作过程中，具有大膨胀比的双螺杆膨胀机(3)带动凸轮转子泵(10)和发电机(6)一起转动，进行发电；
所述具有大膨胀比的双螺杆膨胀机(3)由右旋锥形螺杆转子(301)和左旋锥形螺杆转子(302)组成，右旋锥形螺杆转子(301)从入口高压端到出口低压端螺距逐渐增大，齿顶圆半径R1随轴向位置线性增大，齿根圆半径R3随轴向位置同比例线性减小，R1+R3数值不变；左旋锥形螺杆转子(302)和右旋锥形螺杆转子(301)能够实现完全啮合；
所述凸轮转子泵(10)由第一凸轮转子(1001)和第二凸轮转子(1002)组成；第一凸轮转子(1001)的轮廓型线不存在不光滑连接点；以第一凸轮转子(1001)的回转中心点O建立直角坐标系，第一凸轮转子(1001)的轮廓型线关于x轴和y轴都对称，第一凸轮转子(1001)的1/4轮廓型线由4段首尾光滑连接的曲线组成，依次为：齿顶圆弧AB、圆弧BC、摆线的等距曲线CD、齿根圆弧DE；第一凸轮转子(1001)的轮廓型线与第二凸轮转子(1002)的轮廓型线完全相同；凸轮转子泵(10)在两转子作同步异向双回转运动中不存在容积逐渐减小的封闭工作腔，避免了困液现象的出现；凸轮转子泵(10)的第一凸轮转子(1001)和第二凸轮转子(1002)的中心距和具有大膨胀比的双螺杆膨胀机(3)的右旋锥形螺杆转子(301)和左旋锥形螺杆转子(302)的中心距相同；
所述凸轮转子泵(10)的第一凸轮转子(1001)与具有大膨胀比的双螺杆膨胀机(3)的右旋锥形螺杆转子(301)通过第二联轴器(11)相连，轴心中心线重合；凸轮转子泵(10)的第二凸轮转子(1002)与具有大膨胀比的双螺杆膨胀机(3)的左旋锥形螺杆转子(302)通过第三联轴器(12)相连，轴心中心线重合；具有大膨胀比的双螺杆膨胀机(3)的右旋锥形螺杆转子(301)和左旋锥形螺杆转子(302)与一对同步齿轮(4)相连；具有大膨胀比的双螺杆膨胀机(3)的右旋锥形螺杆转子(301)与发电机(6)通过第一联轴器(5)相连，轴心中心线重合。
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