CN109026574A - 一种基于太阳能有机朗肯循环的空调驱动装置 - Google Patents

一种基于太阳能有机朗肯循环的空调驱动装置 Download PDF

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Abstract

一种基于太阳能有机朗肯循环的空调驱动装置，与空调压缩机连接并带动空调压缩机运行，其特征在于，包括：换热器，具有用于输送导热工质的第一管路和输送有机工质的第二管路；集热器，设置在第一管路上，用于将收集的太阳能转化为热能并对导热工质进行加热；存储有有机工质的相变储液罐，设置在第二管路上；以及设置在第二管路上的蒸发器和透平，其中，换热器将集热器加热后的导热工质与有机工质进行热量交换，交换后的有机工质进入相变储液罐中，蒸发器对来自相变储液罐的有机工质进行加热蒸发形成有机工质蒸汽，该有机工质蒸汽驱动透平运行，进而带动空调压缩机运行。

Description

一种基于太阳能有机朗肯循环的空调驱动装置
技术领域
本发明涉及一种基于太阳能有机朗肯循环的空调驱动装置。
背景技术
太阳能是一种取之不尽、清洁环保的可再生资源，据估算，投射到地球的太阳能，一年的能量相当于137万亿吨标准煤，大约是目前全球所需能量的的两万倍，太阳能资源遍及全球，可以分散地、区域性地开采，我国约有2/3的地区可以较好利用太阳能资源。
目前对太阳能的利用基本为以下两个方面：(1)太阳能热水器，利用真空管收集太阳能；(2)光伏发电，利用光电效应将太阳光中的光谱转化为电能，然而由于光伏发电效率低且成本高，光伏技术难以成为太阳能发电的主要技术。
有机朗肯循环(OrganicRankineCycle，ORC)可以将低品位热能(一般低于200℃，如太阳热能、工业余热等)转化为电能，主要应用于低温发电领域，以低沸点有机物为工质,如正丁烷、异丁烷、氯乙烷、氨、氟利昂等物质，火电厂采用的朗肯循环系统以水—水蒸汽作为工质，系统由锅炉、汽轮机、冷凝器和给水泵四组设备组成，水蒸气工质在热力设备中不断进行等压加热、绝热膨胀、等压放热、绝热压缩四个过程，使热能不断转化为机械能。
空调作为夏季制冷、冬季制热的必备设备，在夏冬两季耗电量非常大，尤其是在7、8月份的南方地区，电力负荷常常超标，而夏季太阳能十分充足，如何用太阳能代替电力直接为空调提供动力是急需解决的问题。
发明内容
本发明是为了解决上述太阳能无法直接为空调提供动力的问题，目的在于提供一种基于太阳能有机朗肯循环的空调驱动装置。
本发明提供的一种基于太阳能有机朗肯循环的空调驱动装置，其特征在于，包括：换热器，具有用于输送导热功质的第一管路和输送有机工质的第二管路；集热器，设置在第一管路上，用于将收集的太阳能转化为热能并对导热功质进行加热；存储有有机工质的相变储液罐，设置在第二管路上；以及设置在第二管路上的蒸发器和透平，其中，换热器将集热器加热后的导热功质与有机工质进行热量交换，交换后的有机工质进入相变储液罐中，蒸发器对来自相变储液罐的有机工质进行加热蒸发形成有机工质蒸汽，该有机工质蒸汽驱动透平运行，进而带动空调压缩机运行。
本发明提供的一种基于太阳能有机朗肯循环的空调驱动装置，还可以具有这样的特征：其中，第一工质泵设置在第一管路上，用于将换热后的导热功质泵回集热器中。
本发明提供的一种基于太阳能有机朗肯循环的空调驱动装置，还可以具有这样的特征：其中，补燃装置设置在第一管路上，位于集热器和换热器之间，用于对加热后的导热功质进一步地加热。
本发明提供的一种基于太阳能有机朗肯循环的空调驱动装置，还可以具有这样的特征：其中，补燃装置采用天然气或汽柴油作为燃料。
本发明提供的一种基于太阳能有机朗肯循环的空调驱动装置，还可以具有这样的特征：其中，第一阀门设置在第二管路上，位于蒸发器和透平之间，用于调节第二管路中有机工质蒸汽的流量。
本发明提供的一种基于太阳能有机朗肯循环的空调驱动装置，还可以具有这样的特征：其中，回热器和冷凝器设置在第二管路上，位于透平和相变储液罐之间，回热器用于对有机工质蒸汽进行降温，冷凝器用于将有机工质蒸汽冷凝回流。
本发明提供的一种基于太阳能有机朗肯循环的空调驱动装置，还可以具有这样的特征：其中，第二工质泵设置在第二管路上，位于回热器和换热器之间，用于对冷凝回流后的有机工质进行加压，泵入换热器。
本发明提供的一种基于太阳能有机朗肯循环的空调驱动装置，还可以具有这样的特征：其中，透平轴上设置有驱动切换装置，用于切换电机、风力机直接驱动空调压缩机。
本发明提供的空调系统其特征在于,包括：上述任意一项的基于太阳能有机朗肯循环的空调驱动装置驱动。
本发明提供的空调系统还可以具有这样的特征：其中，透平和空调压缩机进行匹配设计，使二者均在较高的工况点下工作。根据透平在不同转速下等熵效率随膨胀比的变化曲线确定最佳膨胀比，得到不同转速下的最高效率，空调压缩机工作时，透平的工作点位于最佳效率点附近，即透平的轴功和空调压缩机的功耗相匹配。
发明的作用与效果
由于本发明中的基于太阳能有机朗肯循环的空调驱动装置包括集热器，用于将收集的太阳能转化为热能，并对导热功质进行加热；换热器，用于加热后的导热功质和有机工质进行热量交换；相变储液罐，用于储存热量交换后的有机工质，实现有机工质的气液分离；蒸发器，用于对来自相变储液罐的有机工质进行加热蒸发，形成有机工质蒸汽，该有机工质蒸汽驱动透平运行，进而带动与透平相连的空调压缩机运行，因此，本发明中的基于太阳能有机朗肯循环的空调驱动装置将太阳能有机朗肯循环与空调压缩机结合起来，采用了低温有机朗肯循环发电方式，将其中的导热功质和有机工质进行循环利用，提高了能源的利用率，同时利用太阳能作为加热源，清洁环保，且装置结构简单，易于操作。
附图说明
图1为本发明的实施例中空调系统的结构示意图；
图2为本发明的实施例中透平在不同转速下等熵效率随膨胀比变化的曲线图；
图3为本发明的实施例中透平在不同转速下轴功随膨胀比变化的曲线图；
图4为空调压缩机在不同转速下效率随膨胀比变化的曲线图；
图5为空调压缩机在不同转速下功耗随膨胀比变化的曲线图；以及
图6为空调压缩机在不同转速的最优效率下功耗随膨胀比变化的曲线图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明提供的基于太阳能有机朗肯循环的空调驱动装置的组成、工作原理以及有益效果作具体阐述。
图1为本发明的实施例中空调系统的结构示意图。
如图1所示，本实施例中的空调系统包括：空调压缩机以及基于太阳能有机朗肯循环的空调驱动装置100。
基于太阳能有机朗肯循环的空调驱动装置100与空调压缩机连接，用于为空调压缩机的运行提供动力。
基于太阳能有机朗肯循环的空调驱动装置100包括集热器1、换热器2、补燃装置3、相变储液罐4、蒸发器5、透平6、回热器7、冷凝器8、第一工质泵9、第二工质泵10、第一阀门11、第二阀门12。
集热器1设置在第一管路上，用于收集太阳能并将其转化为热能，对导热功质进行加热。
换热器2与集热器1相连，具有用于输送导热功转换质的第一管路和输送有机工质的第二管路，加热后的导热功质和有机工质在换热器2中进行热量交换。
补燃装置3设置在第一管道上，位于集热器1和换热器2之间，用于对加热后的导热功质进一步地加热，其采用天然气或汽柴油作为燃料。
相变储液罐4设置在第二管路上，与换热器2相连，用于储存换热后的有机工质。
蒸发器5设置在第二管路上，与相变储液罐4相连，用于对来自相变储液罐4的有机工质进行加热蒸发，形成有机工质蒸汽。
透平6设置在第二管路上，与蒸发器5相连，用于实现热功转换，有机工质蒸汽膨胀做功驱动透平6运行，使热能转化为机械能，进而带动空调压缩机运行，具有透平轴61。
回热器7设置在第二管道上，位于在透平6和相变储液罐4之间，用于对做功后的有机工质蒸汽进行降温。
冷凝器8与回热器7相连，设置在第二管道上，位于相变储液罐4与回热器7之间，用于对来自回热器7的有机工质蒸汽进行冷凝回流处理。
第一工质泵9设置在第一管路上，位于集热器1和换热器2之间，用于将换热后的导热工质泵入集热器1中，驱动导热工质在第一管路中循环流动。
第二工质泵10设置在第二管路上，位于换热器2和冷凝器8之间，用于将冷凝回流的有机工质泵入换热器2中，使其在第二管路中循环流动。
第一阀门11设置在第二管路上，位于蒸发器5和透平6之间，用于调节输送至透平6的有机工质蒸汽的流量，进而控制透平6的输出功率。
第二阀门12设置在第二管路上，位于相变储液罐4和冷凝器8之间，用于对冷凝回流后进入相变储液罐4的有机工质的流量进行调节。
装置运行时，集热器1将收集的太阳能转化为热能，对导热功质进行加热，加热后的导热功质在第一工质泵9的加压作用下沿第一管路流动，进入补燃装置3中进一步地加热，之后进入换热器2中与有机工质进行热量交换，热交换后的导热工质在第一工质泵9的加压作用下被泵入集热器1中，在第一管路中循环流动，热交换后的有机工质进入相变储液罐4中，随后进入蒸发器5中进行加热蒸发，形成有机工质蒸汽，上述蒸汽沿第二管路流动，气体膨胀对透平6做功，实现热功转换，使热能转化为机械能，驱动透平6运行，进而带动空调压缩机运行，进入透平6的蒸汽流量可以由第一阀门11控制，做功后的有机工质蒸汽进入回热器7中，降温后的蒸汽进入冷凝器8中进行冷凝回流，冷凝后的有机工质在第二工质泵10的加压作用下分别流入换热器2与相变储液罐4中，第二阀门12对进入相变储液罐4中的有机工质的流量进行控制。
以下对本发明的实施例提供的空调系统的运行过程和原理做详细说明。
图2为本发明的实施例中透平在不同转速下等熵效率随膨胀比变化的曲线图。
如图2所示，在不同转速下，透平的等熵效率随膨胀比的增大先增大后减小，存在一个最佳的膨胀比，使得等熵效率最高，即存在一个最优工作点，且不同转速下，最高效率点不同，故在系统工作时，应使透平的工作点位于相应转速下的最佳效率点附近。
图3为本发明的实施例中透平在不同转速下轴功随膨胀比变化的曲线图。
如图3所示，在不同转速下，透平的轴功随膨胀比的增大而增大,二者呈线性变化关系。
图4为空调压缩机在不同转速下效率随膨胀比变化的曲线图。
如图4所示，在不同转速下，空调压缩机的效率随膨胀比的增大先增大后减小，存在一个最佳的膨胀比，使得效率最高，即存在一个最优工作点，且不同转速下，最高效率点不同，故在系统工作时，应使空调压缩机的工作点位于相应转速下的最佳效率点附近。
图5为空调压缩机在不同转速下功耗随膨胀比变化的曲线图。
如图5所示，在不同转速下，空调压缩机的功耗随膨胀比的增大而减小。
图6为空调压缩机在不同转速的最优效率下功耗随膨胀比变化的曲线图。
如图6所示，在不同转速的最优效率下，空调压缩机的功耗随膨胀比的增大而增大。
为了使透平和空调压缩机都能在效率较高的工作点下工作，需要对二者进行匹配设计，即在不同转速下，透平和空调压缩机都在相应转速下的各自的最佳效率点附近运行，对于已有的空调系统，空调压缩机的性能曲线图4、5、6已经由厂家提供，由于透平的输出功率应与空调压缩机的功耗相等，因此可以根据图6对有机朗肯循环中的透平性能确定要求，即在不同转速下，根据图6中空调压缩机的功耗，确定与图3中透平轴功相等的点，据此得出对应的膨胀比，又根据此膨胀比在图2中确定对应的点，若不同转速下该对应点均为最佳效率点，说明所选透平和空调压缩机性能匹配，若该对应点不在透平的最佳效率点附近，说明所选透平和空调压缩机性能不匹配，重复多次直至大多数不同转速下该对应点处于透平的最佳效率点附近，此时透平与空调压缩机匹配成功，获得最优性能的基于有机朗肯循环的空调驱动装置。
实施例的作用与效果
由于本发明的实施例中的基于太阳能有机朗肯循环的空调驱动装置包括集热器，用于将收集的太阳能转化为热能，并对导热功质进行加热；换热器，用于加热后的导热功质和有机工质进行热量交换；相变储液罐，用于储存热量交换后的有机工质，实现有机工质的气液分离；蒸发器，用于对来自相变储液罐的有机工质进行加热蒸发，形成有机工质蒸汽，该有机工质蒸汽驱动透平运行，进而带动与透平相连的空调压缩机运行。
因此，本发明中的基于太阳能有机朗肯循环的空调驱动装置将太阳能有机朗肯循环与空调压缩机结合起来，采用了低温有机朗肯循环发电方式，将其中的导热功质和有机工质进行循环利用，提高了能源的利用率，同时利用太阳能作为加热源，清洁环保，且装置结构简单，易于操作。
进一步地，蒸发器和透平之间设置有阀门，通过阀门控制有机工质蒸汽的流量，进而控制透平的输出功率，使透平和空调压缩机均能在最佳效率点附近运行，从而使装置能在最优状态下运行。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于太阳能有机朗肯循环的空调驱动装置，与空调压缩机连接并带动所述空调压缩机运行，其特征在于，包括：
换热器，具有用于输送导热工质的第一管路和输送所述有机工质的第二管路；
集热器，设置在所述第一管路上，用于将收集的太阳能转化为热能并对所述导热工质进行加热；
存储有所述有机工质的相变储液罐，设置在所述第二管路上；以及
设置在所述第二管路上的蒸发器和透平，
其中，所述换热器将所述集热器加热后的所述导热工质与所述有机工质进行热量交换，交换后的所述有机工质进入所述相变储液罐中，
所述蒸发器对来自所述相变储液罐的所述有机工质进行加热蒸发形成有机工质蒸汽，该有机工质蒸汽驱动透平运行，进而带动所述空调压缩机运行。
2.根据权利要求1所述的一种基于太阳能有机朗肯循环的空调驱动装置，其特征在于，还具有：
设置在所述第一管路上的第一工质泵，用于将换热后的所述所述导热工质泵回所述集热器中。
3.根据权利要求1所述的一种基于太阳能有机朗肯循环的空调驱动装置，其特征在于，还具有：
补燃装置，设置在所述第一管路上，位于所述集热器和所述换热器之间，用于对加热后的所述导热工质进一步地加热。
4.根据权利要3所述的一种基于太阳能有机朗肯循环的空调驱动装置，其特征在于：
其中，所述补燃装置采用天然气或汽柴油作为燃料。
5.根据权利要1所述的一种基于太阳能有机朗肯循环的空调驱动装置，其特征在于，还具有：
第一阀门，设置在所述第二管路上，位于所述蒸发器和所述透平之间，用于调节所述有机工质蒸汽的流量。
6.根据权利要求1所述的一种基于太阳能有机朗肯循环的空调驱动装置，其特征在于，还具有：
回热器和冷凝器，设置在所述第二管路上，位于所述透平和所述相变储液罐之间，
所述回热器用于对所述有机工质蒸汽进行降温，
所述冷凝器用于将所述有机工质蒸汽冷凝回流。
7.根据权利要求1所述的一种基于太阳能有机朗肯循环的空调驱动装置，其特征在于，还具有：
第二工质泵,设置在所述第二管路上，位于所述回热器和所述换热器之间，用于对冷凝回流后的所述有机工质进行加压，泵入所述换热器。
8.根据权利要求1所述的一种基于太阳能有机朗肯循环的空调驱动装置，其特征在于：
其中，所述透平轴上设置有驱动切换装置，用于切换电机、风力机直接驱动所述空调压缩机。
9.一种空调系统，其特征在于，包括上述权利要求1-8中任一项所述的基于太阳能有机朗肯循环的空调驱动装置。
10.根据权利要求9所述的一种空调系统，其特征在于：
其中，所述透平和所述空调压缩机进行匹配设计，使二者均在较高的工况点下工作。根据所述透平在不同转速下等熵效率随膨胀比的变化曲线确定最佳膨胀比，得到不同转速下的最高效率，所述空调压缩机工作时，所述透平的工作点位于最佳效率点附近，即所述透平的轴功和所述空调压缩机的功耗相匹配。
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Application publication date: 20181218