CN109162779A - 一种有机朗肯循环发电系统 - Google Patents

Abstract

根据本发明的有机朗肯循环发电系统，包括蒸发器、球形滚珠膨胀机、冷凝器、工质泵、发电机。球形滚珠膨胀机包括同心设置的球体、球壳以及两个滚珠，球体的外表面设有球体T形凸环和球体矩形凸环交替连接组成的整体球体凸环，球壳的内表面设有一条内凹的球壳T形凹环和一条内凹的球壳环槽，球壳上分别开设有连通外部与球壳环槽的进气通道和排气通道，球壳T形凹环与球体凸环相嵌在一起，球体T形凸环经过进气通道时,阻断进气通道连通外部与球壳环槽，球体矩形凸环经过进气通道时,使得进气通道连通外部与球壳环槽。本发明中的球形滚珠膨胀机通过采用球体凸环来实现进气阀的功能，节省了进气阀，降低了制造成本，具有整机结构紧凑的优点。

Description

一种有机朗肯循环发电系统

技术领域

本发明属于低温余热利用技术领域，具体涉及一种有机朗肯循环发电系统。

背景技术

有机朗肯循环采用低沸点有机工质，将工业余热、地热、太阳能和生物质能等中低温余热转化为高品位的电能，在中低温余热利用方面有巨大的应用潜力。目前对于有机朗肯循环的研究集中在有机工质的研究、有机朗肯循环的优化以及有机朗肯循环用膨胀机的研发等方面。膨胀机是有机朗肯循环的关键部件，对其系统性能有重要影响。结构上，膨胀机可分为两类：一类为向心透平式、轴流透平式等速度型膨胀机另一类为涡旋式、活塞式、螺杆式、旋片式等容积型膨胀机。速度型膨胀机是通过工质速度的变化来传递能量，常见于高转速和大流量的场所；容积型膨胀机则是通过工质体积变化引起压力变化，实现能量转化。

利用有机朗肯循环系统回收低品位能的功率输出大概在1-50kW的范围内，一般采用容积型膨胀机。现有的膨胀机大多成本高、体积大而且由于结构设计不完善，导致应用在中低温热源的条件下，效率偏低。目前国内仍缺乏适合应用在有机朗肯循环系统的高效率膨胀机，这方面的研究仍然停留在理论和实验阶段，未能进行大规模的商业生产。因此，开发新型的适用于有机朗肯循环系统的高效膨胀机具有重要意义。

发明内容

本发明为了解决上述问题，目的之一是提供了运用球形滚珠膨胀机的有机朗肯循环中低温地热发电系统。

本发明提供了一种有机朗肯循环发电系统，具有这样的特征，包括蒸发器，用于收集地下水的余热；以及通过管路顺次连通的具有输出轴的球形滚珠膨胀机、冷凝器、工质泵，发电机具有旋转轴，与输出轴连接，旋转轴由球形滚珠膨胀机带动旋转而发电，其中，球形滚珠膨胀机具有：同心的球体、球壳以及两个滚珠，球体的外径略小于球壳的内径，球体可以在球壳内转动，球体的外表面设有一条凸起的球体凸环和两条内凹的球体弧槽，球体凸环由两个球体T形凸环和两个球体矩形凸环交替连接组成整体凸环，两条球体弧槽对称地设置在球体的两端，分别与球体T形凸环呈90°夹角相交，球体T形凸环在两个相交处各开有一凸环缺口，球体弧槽的横截面为半圆形，球壳的内表面设有一条内凹的球壳T形凹环和一条内凹的球壳环槽，球壳环槽与球壳T形凹环以40°-50°夹角相交，形成两个球壳环槽和球壳T形凹环之间相通的球壳槽交汇处，球壳环槽的横截面与球体弧槽的横截面形状与尺寸均相同，在球体上设有两根球体轴，球体轴与球体T形凸环垂直，球体绕球体轴旋转，在球壳上设有轴孔，轴孔的轴线与球壳T形凹环垂直，球体轴穿过轴孔与发电机连接，球体弧槽和球壳环槽之间有两个弧环槽交汇处，每个弧环槽交汇处均设有一个滚珠，滚珠的半径与球体弧槽的横截面半径一致，位于球壳槽交汇处的两侧的球壳上分别开设有进气通道和排气通道，排气通道连通外部与球壳环槽，进气通道连通外部与球壳环槽且与球壳T形凹环相连通，球壳T形凹环与球体凸环相嵌在一起，球体T形凸环经过进气通道时,阻断进气通道连通外部与球壳环槽，球体矩形凸环经过进气通道时,使得进气通道连通外部与球壳环槽。

在本发明提供的有机朗肯循环发电系统中，还可以具有这样的特征：其中，凸环缺口与T形突出部分交替分布，球壳T形凹环的横截面的尺寸与T形凸环的横截面的尺寸相同。

另外，在本发明提供的有机朗肯循环发电系统中，还可以具有这样的特征：其中，球壳环槽与球壳T形凹环之间的夹角为45°。

另外，在本发明提供的有机朗肯循环发电系统中，还可以具有这样的特征：其中，凸环缺口的宽度大于球体弧槽的半圆形横截面的直径。

另外，在本发明提供的有机朗肯循环发电系统中，还可以具有这样的特征：其中，球壳由两个关于球壳T形凹环中心对称的部件对接构成。

另外，在本发明提供的有机朗肯循环发电系统中，还可以具有这样的特征：其中，球体弧槽的底部设置有一条细槽。

另外，在本发明提供的有机朗肯循环发电系统中，还可以具有这样的特征：其中，球体凸环由两个球体T形凸环和两个球体矩形凸环交替连接组成整体凸环，球体T形凸环和球体矩形凸环对应于球心的弧度均为90°。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的有机朗肯循环发电系统，因为使用球形滚珠膨胀机带动发电机发电，球形滚珠膨胀机中的球壳T形凹环与球体凸环相嵌在一起时，当球体T形凸环经过进气通道时，球体T形凸环阻断了进气通道连通外部与球壳环槽，当球体矩形凸环经过进气通道时，进气通道此时连通外部与球壳环槽。

所以，本发明有机朗肯循环发电系统中的球形滚珠膨胀机通过采用球体凸环来实现进气阀的功能，不但节省了进气阀的设置，降低了制造成本，而且具有整机零件数量少、余隙容积小、结构紧凑、摩擦损耗小、运动平衡性好等优点，使其更适用于有机朗肯循环系统中。

附图说明

图1是本发明的实施例中有机朗肯循环发电系统原理示意图；

图2是本发明的实施例中球体的正视示意图；

图3是图1所示球体的侧视示意图；

图4是图1所示球体的三维示意图；

图5是本发明的实施例中球壳的正面剖视示意图；

图6是图5所示球壳的B-B位置侧面剖视示意图；

图7是图5所示球壳的三维示意图；

图8是图5所示球壳内三维示意图；

图9是本发明的实施例中球形滚珠膨胀机的的正面剖视示意图；

图10是图9的C-C位置的剖视示意图；

图11是图10的四分之一放大示意图；

图12是本发明新型球形滚珠膨胀机的三维示意图；

图13是本发明球形滚珠膨胀机的进气过程示意图；

图14是本发明球形滚珠膨胀机的进气结束阶段的示意图；

图15是球体从图14位置继续转动的示意图；

图16是滚珠处于球壳槽交汇处的位置的示意图。

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的球形滚珠膨胀机作具体阐述。

实施例

如图1所示，有机朗肯循环发电系统，包括发电机200、球形滚珠膨胀机100、冷凝器20、工质泵30、蒸发器40、第一水泵50以及第二水泵51。

蒸发器40，用于收集地下水的余热。

球形滚珠膨胀机100具有输出轴。

球形滚珠膨胀机100、冷凝器20、工质泵30、蒸发器40通过管路顺次连通。

发电机200具有旋转轴，与球形滚珠膨胀机100的输出轴连接，旋转轴由球形滚珠膨胀机100带动旋转而发电。

第一水泵50与冷凝器20相连通，用于冷却水的循环。

第二水泵51与蒸发器40相连通，用于地下水的引入和循环。

如图2-16所示，球形滚珠膨胀机100包括球体轴1、球体2、球体弧槽3、T形凸环4、矩形凸环5、轴孔6、球壳7、球壳T形凹环8、球壳环槽9、进气口10、滚珠11、凸环缺口12、球壳槽交汇处13、排气口14。

球体2与球壳7同心，球体2的外径略小于球壳7的内径使球体2可以在球壳7内转动。

如图2-图4所示，球体2的外表面设有两条对称的球体弧槽3和与球体弧槽3垂直相交的球体凸环，球体凸环为两个球体T形凸环4与两个球体矩形凸环5形状交替的整体凸环。球体T形凸环4对应于球心的弧度为60-130°，球体矩形凸环5对应于球心的弧度为50-90°，实施例中，球体T形凸环4对应于球心的弧度为90°，球体矩形凸环5对应于球心的弧度为90°。

球体弧槽3的横截面为半圆形。球体T形凸环4与两个球体弧槽3相交处各开有一凸环缺口12，凸环缺口12与T形突出部分交替分布。

如图5-图8所示，球壳7的内表面设有一条与膨胀机球体凸环配合的360°的球壳T形凹环8和一条360°的球壳环槽9，球壳T形凹环8与球壳环槽9以40°-50°夹角相交,实施例中相交成45°，相交处形成两个球壳T形凹环8和球壳环槽9之间相通的球壳槽交汇处13。在每个球壳槽交汇处13的两侧，均分别设有进气口10和排气口14(为避开球体T形凸环4，排气口14需要在球壳7上设弯曲通道，为简化视图，方便说明工作原理，此处未画出排气口14，排气口14另见图11)，进气口10与排气口14均与球壳环槽9相通。其中，球壳T形凹环8的横截面尺寸与球体T形凸环4的截面尺寸相匹配，球壳T形凹环8与球体凸环相嵌在一起，球体2可沿相嵌的环道在球壳7内回转。球壳环槽9的横截面为与球体弧槽3的横截面相同尺寸的半圆形。

在球体2上设有两根球体轴1，球体轴1与球体凸环垂直，球体2绕球体轴1旋转，在球壳7上设有轴孔6，轴孔6与球壳T形凹环8垂直，球体轴1穿过轴孔6与发电机200连接，球体2绕球体轴1旋转输出机械功。

球体弧槽3和球壳环槽9之间有两个弧环槽交汇处，每个弧环槽交汇处均设有一个滚珠11，滚珠11的半径与球体弧槽3的横截面半径一致，这样滚珠11的一半在球体弧槽3内，另一半在球壳环槽7内。凸环缺口12的宽度略大于滚珠11的直径，以便于球体弧槽3中的滚珠11从凸环缺口12处通过。球壳槽交汇处13的宽度略大于滚珠11的直径，也可以让球体凸环通过。

其中，为装配方便，球壳7可以由两个关于球壳T形凹环8中心对称的部件对接构成。

由于滚珠11在球体弧槽3内的往复运动可能会造成球体弧槽3内的气体的有害压缩或膨胀，进一步地可以在球体弧槽3的底部开一条细槽(图中未示出)，让球体弧槽3内的滚珠11两侧气体导通。

滚珠11在如图9所示的球体弧槽3的左止点位置时，处于球壳环槽9的一端进气口和另一端排气口的中间位置，球壳槽交汇处13被矩形凸环5占据。

如图10所示的剖面是沿着球壳环槽9剖开，与图9所示的剖面相垂直；此图中，滚珠11的位置与图9相同，滚珠11移动前方排气，后方进气。

如图11所示，球壳7上分别开设有进气通道16和排气通道17，排气通道17连通排气口14与球壳环槽9，进气通道16连通进气口10与球壳环槽9且与球壳T形凹环8相连通。

球壳T形凹环8与球体凸环相嵌在一起，球体T形凸环4经过进气通道16时，阻断进气通道16连通进气口10与球壳环槽9，球体矩形凸环5经过进气通道16时，使得进气通道16连通进气口10与球壳环槽9。

如图12所示，矩形凸环5的左侧，球壳环槽9(气缸)随着一个滚珠11前进在排气；矩形凸环5的右侧，滚珠11推动球体2旋转一定角度，球体2转动至矩形凸环5部分经过进气口10，进气口10与球壳环槽9(气缸)导通，开始进气。

球体2从图12中位置继续旋转一定角度至图13中位置，矩形凸环5的左侧持续排气，右侧持续进气。

如图13所示，球体2继续旋转，球形滚珠11向球体弧槽3右侧运动，在球壳环槽9(气缸)中，滚珠11前方排气，后方持续进气。

球体2从图13中位置继续旋转一定角度至图14中位置，T形凸环4经过进气口10，挡住进气口10，停止进气；T形凸环4、球壳环槽9、滚珠11和球体2表面共同组成封闭空间(亦即气缸)，已进入封闭空间的高压气体开始膨胀；排气口14始终与球壳环槽9(气缸)导通，持续不间断排气。

如图14所示，球体2旋转至T形凸环4部分经过进气口10的位置，T形凸环4遮挡进气口10，停止进气，T形凸环4、球壳环槽9、滚珠11和球体2表面组成封闭空间(亦即气缸)，已进入封闭空间的高压气体开始膨胀，排气口14绕过T形凸环4设置(未标出)，始终与外界导通，持续不间断排气。同时，另一侧呈180°对称分布的滚珠11也到达相应的位置，图14中可见另一滚珠。

球体2从图14中位置继续旋转一定角度至图15中位置，T形凸环4继续挡住进气口10，T形凸环4右侧的气缸内气体进一步膨胀；T形凸环的左侧，滚珠运行前方排气持续进行，滚珠运行后方气体在膨胀。

如图15所示，T形凸环4部分继续挡住进气口10，气缸内气体进一步膨胀，图中滚珠运行的前方排气持续进行。

球体2从图15继续旋转一定角度后，T形凸环4将会完全通过进气口10，封闭空间内气体也已达到排气压力，同时滚珠11到达球体弧槽3右止点位置，另一个滚珠11与它呈180°，即将到达图12位置，球体2亦旋转过180°。

图16是球体转动过程中，滚珠恰好处于球壳槽交汇处的位置，如图16所示，滚珠11位于球体弧槽3的中间，凸环缺口12恰好转动到球体弧槽3中间位置，凸环缺口12与球体弧槽3形成“球壳槽交汇处13”，滚珠11穿过球壳槽交汇处13，继续向另一侧运动。

球体2在旋转至图16位置时，滚珠11的位置处于球体弧槽3的中间位置，也即处于凸环缺口12的位置；凸环缺口12到达球壳槽交汇处13位置，滚珠11可以通过球壳槽交汇处13，向球体弧槽3的另一侧运动。

如上，从图12-图15，展示了球体2在球壳7内旋转180°后，两个滚珠11分别实现一次进气、膨胀、排气过程。在这个过程中，滚珠11在球体弧槽3内从左止点到达右止点，同时在球壳环槽9内旋转180°。由于结构的对称性，球体2继续旋转180°后的结果与前述情形基本相同，只是滚珠11在球体弧槽3内从右止点回到左止点，同时在球壳环槽9内继续旋转180°回到图12所示原点。球体2在球壳7内旋转一周360°后，膨胀机实现2次进气、膨胀、排气过程。

球形滚珠膨胀机的工作方法如下：

步骤1，气体从进气口进入并膨胀、推动球形滚珠运动，使其在球体弧槽和球壳环槽的共同约束下，带动球体转动；

步骤2，随球体转动的球体凸环会周期性地隔断进气口(T形部分经过时隔断进气口，矩形部分经过时，进气口导通进气)，设计球形滚珠刚经过进气口时，进气口导通、开始进气并推动滚珠运动(球壳槽交汇处被球体凸环隔断)；

步骤3，在进入一定量的气体之后，球体凸环T形部分运转到进气口处，隔断进气口，停止进气；已进入球壳环槽的气体开始膨胀、继续推动滚珠运动；

步骤4，当滚珠行至排气口位置时，气体压力正好达到气体排气压力，气体膨胀结束。接着滚珠到达球壳槽交汇处，同时，球体凸环缺口也到达球壳槽交汇处，滚珠通过球体凸环缺口，然后球体凸环将球壳槽交汇处再次隔断，原滚珠后方膨胀结束的气体在另一个转子推动下通过排气口排出；

步骤5，两个球形滚珠带动球体旋转一圈，其在球壳环槽中，各产生2次进气、膨胀、排气过程；

步骤6，对于球形滚珠膨胀机整体共产生4次进气、膨胀、排气过程；

步骤7，重复上述步骤1-6，球形滚珠转子在球壳环槽内作回转运动，在球体弧槽内作往复运动，一直持续不断地进行进气、膨胀和排气的过程。

有机朗肯循环发电系统运行原理：

有机工质经由工质泵30升压为高压液态工质，进入蒸发器40预热及蒸发吸收地热余热，成为高温高压气态工质，气体从球形滚珠膨胀机100进气口进入并膨胀、推动球形滚珠运动，使其在球体弧槽和球壳环槽的共同约束下，带动球体转动，球形滚珠膨胀机100的球体轴连接发电机200，在球形滚珠膨胀机100转动时带动发电机200发电。从球形滚珠膨胀机100排气口排出的高温低压气态工质，在管道和冷凝器20内冷却冷凝为液态工质，再进入工质泵40，开始下一次有机朗肯循环。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的有机朗肯循环发电系统，因为使用球形滚珠膨胀机带动发电机发电，球形滚珠膨胀机中的球壳T形凹环与球体凸环相嵌在一起时，当球体T形凸环经过进气通道时，球体T形凸环阻断了进气通道连通外部与球壳环槽，当球体矩形凸环经过进气通道时，进气通道此时连通外部与球壳环槽。

所以，本实施例有机朗肯循环发电系统中的球形滚珠膨胀机通过采用球体凸环来实现进气阀的功能，不但节省了进气阀的设置，降低了制造成本，而且具有整机零件数量少、余隙容积小、结构紧凑、摩擦损耗小、运动平衡性好的优点。

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 (7)

1.一种有机朗肯循环发电系统，利用地下水的余热回收进行发电，其特征在于，包括：

蒸发器，用于收集所述地下水的余热；以及

通过管路顺次连通的具有输出轴的球形滚珠膨胀机、冷凝器、工质泵，

发电机，具有旋转轴，与所述输出轴连接，所述旋转轴由所述球形滚珠膨胀机带动旋转而发电，

其中，所述球形滚珠膨胀机具有：

同心的球体、球壳以及两个滚珠，

所述球体的外径略小于所述球壳的内径，所述球体可以在球壳内转动，

所述球体的外表面设有一条凸起的球体凸环和两条内凹的球体弧槽，所述球体凸环由两个球体T形凸环和两个球体矩形凸环交替连接组成整体凸环，所述两条球体弧槽对称地设置在所述球体的两端，分别与所述球体T形凸环呈90°夹角相交，所述球体T形凸环在两个相交处各开有一凸环缺口，所述球体弧槽的横截面为半圆形，

所述球壳的内表面设有一条内凹的球壳T形凹环和一条内凹的球壳环槽，所述球壳环槽与所述球壳T形凹环以40°-50°夹角相交，形成两个球壳环槽和球壳T形凹环之间相通的球壳槽交汇处，所述球壳环槽的横截面与所述球体弧槽的横截面形状与尺寸均相同，

在所述球体上设有两根球体轴，所述球体轴与所述球体T形凸环垂直，球体绕所述球体轴旋转，在所述球壳上设有轴孔，所述轴孔的轴线与所述球壳T形凹环垂直，所述球体轴穿过所述轴孔与所述发电机连接，

所述球体弧槽和球壳环槽之间有两个弧环槽交汇处，每个所述弧环槽交汇处均设有一个滚珠，所述滚珠的半径与所述球体弧槽的横截面半径一致，

位于所述球壳槽交汇处的两侧的所述球壳上分别开设有进气通道和排气通道，所述排气通道连通外部与所述球壳环槽，所述进气通道连通外部与所述球壳环槽且与所述球壳T形凹环相连通，

所述球壳T形凹环与所述球体凸环相嵌在一起，所述球体T形凸环经过所述进气通道时,阻断所述进气通道连通外部与所述球壳环槽，所述球体矩形凸环经过所述进气通道时,使得所述进气通道连通外部与所述球壳环槽。

2.根据权利要求1所述的有机朗肯循环发电系统，其特征在于：

其中，所述凸环缺口与T形突出部分交替分布，所述球壳T形凹环的横截面的尺寸与所述T形凸环的横截面的尺寸相同。

3.根据权利要求1所述的有机朗肯循环发电系统，其特征在于：

其中，所述球壳环槽与所述球壳T形凹环之间的夹角为45°。

4.根据权利要求1所述的有机朗肯循环发电系统，其特征在于：

其中，所述凸环缺口的宽度大于所述球体弧槽的半圆形横截面的直径。

5.根据权利要求1所述的有机朗肯循环发电系统，其特征在于：

其中，所述球壳由两个关于所述球壳T形凹环中心对称的部件对接构成。

6.根据权利要求1所述的有机朗肯循环发电系统，其特征在于：

其中，所述球体弧槽的底部设置有一条细槽。

7.根据权利要求1所述的有机朗肯循环发电系统，其特征在于：

其中，所述球体凸环由两个球体T形凸环和两个球体矩形凸环交替连接组成整体凸环，所述球体T形凸环和所述球体矩形凸环对应于球心的弧度均为90°。