CN109612168B - 一种射流式有机朗肯循环系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种射流式有机朗肯循环系统，包括射流泵，第一蒸发器，流体发电机组，第一冷凝器、气液分离器和加压泵；射流泵的流体出口通过第一蒸发器与流体发电机组的流体入口连接；射流泵的引射流体入口与气液分离器的气体出口连接；射流泵的工作流体入口通过加压泵与气液分离器的液体出口连接；气液分离器的流体入口通过第一冷凝器与流体发电机组的流体出口连接。本系统采用射流泵和气液分离器，能实现非共沸混合工质的组分调节，不仅可实现与冷热源更好的温度匹配，另外射流泵可获得更高的出口压力，进一步提高系统循环效率。

Description

一种射流式有机朗肯循环系统

技术领域

本申请涉及有机朗肯循环发电技术领域，尤其涉及一种射流式有机朗肯循环系统。

背景技术

随着能源消耗快速增长、能源短缺以及环境污染的问题日益严重迫使人们寻求新的能源方案。可再生能源的开发和低品位能源的回收利用越来越受到重视，成为解决能源危机的重要途径。在众多途径中，有机朗肯循环(ORC)以其结构简单、温度适应范围大、占用资源少、机组容量可以灵活配置等优点受到广泛关注，被认为是最具有应用前景的热工转化技术。

工质在ORC系统中实现能量输送与转换，因此工质对整个系统的效率和结构起决定性作用。传统ORC系统采用纯工质，其蒸发和冷凝过程温度基本不变，难以很好地与冷/热源温度匹配。采用非共沸混合工质在一定程度上可以改善与冷/热源温度匹配的问题，但是非共沸混合工质的传热系数比纯工质低，在相同的传热量下需要增加换热面积，限制了非共沸混合工质在ORC系统的有效推广。

因此，如何设计一种ORC系统，使得在解决与冷/热源温度的匹配问题的同时对能源更加有效的利用，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本申请的目的在于提供一种射流式有机朗肯循环系统，使得在实现与冷/热源温度更好匹配的同时，对能源更加有效的利用。

有鉴于此，本申请提供了一种射流式有机朗肯循环系统，包括射流泵，第一蒸发器，流体发电机组，第一冷凝器、气液分离器和加压泵；

所述射流泵的流体出口通过所述第一蒸发器与所述流体发电机组的流体入口连接；

所述射流泵的引射流体入口与所述气液分离器的气体出口连接；

所述射流泵的工作流体入口通过所述加压泵与所述气液分离器的液体出口连接；

所述气液分离器的流体入口通过所述第一冷凝器与所述流体发电机组的流体出口连接。

优选的，

还包括第二蒸发器；

所述第二蒸发器的流体入口与所述加压泵的流体出口连接；

所述第二蒸发器的流体出口与所述射流泵的工作流体入口连接。

优选的，

还包括第二冷凝器；

所述第二冷凝器的流体入口与所述气液分离器的气体出口连接；

所述第二冷凝器的流体出口与所述射流泵的引射流体入口连接。

优选的，

还包括控制模块；

所述控制模块，用于控制所述气液分离器的气体出口和/或液体出口的通道大小。

优选的，

所述控制模块具体包括第一控制阀和第二控制阀；

所述第一控制阀设置于所述气液分离器的气体出口通道中；

所述第二控制阀设置于所述气液分离器的液体出口通道中。

优选的，

还包括调节阀，

所述调节阀设置于所述第一冷凝器的冷源流通通道中。

优选的，

所述流体发电机组具体包括透平机和电机。

优选的，

所述透平机具体为：叶轮机、汽轮机、涡轮机、燃气轮机或膨胀机。

与现有技术相比，本申请实施例的优点在于：

本申请实施例中，提供了一种射流式有机朗肯循环系统，包括射流泵，第一蒸发器，流体发电机组，第一冷凝器、气液分离器和加压泵；加压泵、射流泵、第一蒸发器、流体发电机组、第一冷凝器、气液分离器依次连接；气液分离器的气体出口与射流泵的引射流体入口连接，气液分离器的液体出口与加压泵的流体入口连接。

与现有技术相比，本申请所提供的系统具有以下特点：其一、利用气液分离器对非共沸混合工质的进行组分分离，实现与冷/热源温度更好匹配，改善非共沸工质的传热系数；其二、利用射流泵的升压特性和引射特性获得更大的升压比，即发电机组入口气体压力更高，从而实现温度的梯级利用。

因此，本申请所提供的射流式有机朗肯循环系统利用非共沸混合工质经气液分离器形成的不同组分的工质结合喷射泵的升压特性和引射特性获得比工作压力更高的液体，使得在实现与冷/热源温度更好匹配的同时，对能源更加有效的利用，达到了非共沸混合工质可以在ORC系统得到有效推广的有益效果，具有学术价值和应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例所提供的一种射流式有机朗肯循环系统的结构示意图；

图2为本申请实施例所提供的一种射流式有机朗肯循环系统的射流泵的结构示意图。

标号：射流泵的工作流体入口s1；射流泵的引射流体入口s2；射流泵的流体出口s3；喷嘴喉部e1；混合室e2；混合室喉部e3；扩压室e4；第一通道1；第二通道2；第三通道3；第四通道4；第五通道5；第六通道6；第七通道7；第八通道8；第九通道9；第二蒸发器101；射流泵102；第一蒸发器103；透平机104；电机105；第一冷凝器106；气液分离器107；第二冷凝器108；加压泵109；第二热源801；第一热源802；第一冷源803；第二冷源804。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

请参阅图1，图1为本申请实施例所提供的一种射流式有机朗肯循环系统的结构示意图。

本申请实施例提供了一种射流式有机朗肯循环系统，包括包括射流泵102，第一蒸发器103，流体发电机组，第一冷凝器106、气液分离器107和加压泵109；

射流泵102的流体出口与第一蒸发器103的流体入口连接；第一蒸发器103的流体出口与流体发电机组的流体入口连接；流体发电机组的流体出口与第一冷凝器106的流体入口连接；第一冷凝器106的流体出口与气液分离器107的流体入口连接。即射流泵102喷射出的工质的流经方向为：射流泵102的流体出口→第一蒸发器103→流体发电机组→第一冷凝器106→气液分离器107。

经过第一冷凝器106冷凝后的非共沸工质中，高沸点的组分经过冷凝后在气液分离器107中处于液态，而低沸点的组分在气液分离器107的中仍旧呈现气态。

气液分离器107的液体出口与加压泵109的流体入口连接；加压泵109的流体出口与射流泵102的工作流体入口连接，气液分离器107中液态的高沸点组分通过加压泵109的加压进入射流泵102中充当工作流体。气液分离器107的气体体出口与射流泵102的引射流体入口连接，气液分离器107中气态的低沸点组分进入射流泵102中充当引射流体。

可以理解的是，射流泵102中工作流体和引射流体可以为成分相同但比例不同的非共沸混合物工质，具有更好的匹配冷/热源温度的特性，且流体出口的压力比工作流体进口的压力更高。

本申请实施例所提供的一种射流式有机朗肯循环(ORC)系统的射流泵102中，高沸点工质作为工作流体，低沸点工质作为引射流体，在出口获得比工作流体压力更高的流体。气液分离器107将非共沸工质中的高、低沸点工质进行气液分离，使其实现非共沸工质与冷/热源温度更好的匹配，减小传热温差，减小系统的火用损失。相比于已有的技术，本申请所提供ORC系统引入了射流泵，工作流体和引射流体在射流泵混合室内形成激波，速度显著减小，压力显著增加，在膨胀机入口获得更高的入口压力，提高了系统输出功；采用气液分离器107能实现非共沸混合工质的分离，为混合工质与冷热源温度的更好匹配提供了条件。此外根据需求(例如地域、工作环境、工作用途)不同，系统还可以选用不同的非共沸工质来满足不同的热冷/源需求，以达到系统的最佳状态，实现能源的充分利用。

进一步的，本申请所提供的射流式有机朗肯循环系统还可以包括第二蒸发器101。

第二蒸发器101位于加压泵109和射流泵102之间，具体为：第二蒸发器101的流体入口与加压泵109的流体出口连接；第二蒸发器101的流体出口与射流泵102的工作流体入口连接。

第二蒸发器101与第二热源801进行换热，用于加热气液分离器107流出的高沸点液态工质，提高其利用率。

另外，本申请所提供的射流式有机朗肯循环系统还可以包括第二冷凝器108。

第二冷凝器108位于射流泵102和气液分离器107之间，具体为：第二冷凝器108的流体入口与气液分离器107的气体出口连接；第二冷凝器108的流体出口与射流泵102的引射流体入口连接。

第二冷凝器108与第二冷源804进行换热，用于冷凝气液分离器107流出的低沸点液态工质，提高其利用率。

第一蒸发器103与第一热源802进行换热用于加热第一蒸发器103中的工质；第二蒸发器101与第二热源801进行换热用于加热第二蒸发器101中的工质；第一冷凝器106与第一冷源803进行换热用于冷凝第一冷凝器106中的工质；第二冷凝器108与第二冷源804进行换热用于冷凝第二冷凝器108中的工质。

该系统中所用工质为非共沸混合工质，非共沸工质的变温特性可较好的匹配冷/热源流体的温度变化，能增加ORC的净功和改善循环效率。利用非共沸工质的组分可调性还可以进一步减小平均换热温差和提高循环效率。在ORC系统中加入第二冷凝器和气液分离器，同时通过设置第二蒸发器换热形成能源的梯级利用。气液分离器出口的高沸点组分被加压泵抽吸进入第二蒸发器，在第二蒸发器出口的作为工作流体用于引射辅回路的工质；气液分离器出口的低沸点组分工质进入第二冷凝器被冷凝，第二冷凝器出口的低沸点组分工质作为引射流体进入射流泵。高沸点组分和低沸点组分在射流泵内部直接接触换热，发生质量交换、动量交换和能量交换，同时由于激波现象的存在，最终在射流泵出口形成高于工作流体压力的流体。

请参考图2，图2为本申请实施例所提供的一种射流式有机朗肯循环系统的射流泵的结构示意图。

本申请实施例所提供的系统工作过程为：经第二蒸发器加热获得的高温高压气体作为工作流体进入射流泵的工作流体入口s1，经第二冷凝器冷凝获得的低温低压液体作为引射进入射流泵的引射流体入口s2；工作流体在喷嘴喉部e1达到音速，随后以亚音速排出，此时压力低于引射流体；工作流体和引射流体在混合室e2内混合，发生质量、热量、能量交换的复杂混合过程，最终形成一股流体，在射流泵的混合室喉部e3产生凝结激波，压力明显增加速度急剧减小，随后流体进入扩压室e4压力进一步升高同时速度减小，最终以高于工作流体的压力于射流泵的流体出口s3排出，用于膨胀机的做功。射流泵的工作原理是利用高温气体冷凝释放热量中的部分可用能转化为势能以提高流体的压力，根本特点是不消耗机械工，把出口流体的压力提高至高于工作流体的压力。

请参考图1。

进一步的，还可以包括控制模块；控制模块用于控制气液分离器107的气体出口和/或液体出口的通道大小。具体的，控制模块具体包括第一控制阀和第二控制阀；第一控制阀设置于气液分离器107的气体出口所在的第四通道4中；第二控制阀设置于气液分离器107的液体出口所在的第五通道5中。

可以理解的是，增设控制模块对气液分离器107的调节，可以实现对射流泵102中工质组分比例的调节，例如，将第一控制阀阀口调调大，可以增大低沸点组分在射流泵102中的占比。对控制阀的调节的其他规律应当为本领域技术人员所熟知的技术，此处不再进行赘述，总之，通过设置控制模块来对高、低沸点组分的比例进行调节，均属于本申请所要保护的内容。

进一步的，还可以包括调节阀，调节阀设置于第一冷凝器106的冷源流通通道中，具体为，设置于第一冷凝器106和第一冷源803的连接处，用于调节冷源流量速度，从而对非共沸混合工质中高、低沸点工质重新分类。例如，当控制调节阀，使得第一冷凝器106的冷源流量速度降低，其冷凝效果也降低，从而使得原本属于高沸点工质的一部分工质由于达不到冷凝温度而仍旧处于气态，此时，这类工质将归类为低沸点工质。

进一步的，流体发电机组具体可以由透平机104和电机105组成。其中，透平机根据系统的工作环境或用途具体可以为叶轮机、汽轮机、涡轮机、燃气轮机或膨胀机。

综上所述，本申请所提供的射流式有机朗肯循环系统具有以下优点：(1)工质组分可调，与冷/热源温度变化的更好匹配；(2)射流泵的喷射比更大，从而实现流体发电机组的输出功的增加；(3)能量的梯级利用。

应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种射流式有机朗肯循环系统，其特征在于，

包括射流泵，第一蒸发器，流体发电机组，第一冷凝器、气液分离器、加压泵、调节阀和控制模块；

所述射流泵的流体出口通过所述第一蒸发器与所述流体发电机组的流体入口连接；

所述射流泵的引射流体入口与所述气液分离器的气体出口连接，具体地：所述气液分离器中气态的低沸点组分进入所述射流泵中充当所述引射流体；

所述射流泵的工作流体入口通过所述加压泵与所述气液分离器的液体出口连接，具体地：所述气液分离器中液态的高沸点组分通过所述加压泵进入所述射流泵中充当所述工作流体；

所述射流泵流体出口的压力高于所述射流泵的工作流体入口的压力；

所述气液分离器的流体入口通过所述第一冷凝器与所述流体发电机组的流体出口连接；

所述调节阀设置于所述第一冷凝器的冷源流通通道中，用于调节冷源流量速度，具体用于对所述非共沸混合工质中所述高、低沸点工质分类；

所述控制模块，用于控制所述气液分离器的气体出口和/或液体出口的通道大小，具体用于调节高、低沸点组分的比例；

所述控制模块具体包括第一控制阀和第二控制阀；

所述第一控制阀设置于所述气液分离器的气体出口通道中；

所述第二控制阀设置于所述气液分离器的液体出口通道中。

2.根据权利要求1所述的射流式有机朗肯循环系统，其特征在于，

还包括第二蒸发器；

所述第二蒸发器的流体入口与所述加压泵的流体出口连接；

所述第二蒸发器的流体出口与所述射流泵的工作流体入口连接。

3.根据权利要求1或2所述的射流式有机朗肯循环系统，其特征在于，

还包括第二冷凝器；

所述第二冷凝器的流体入口与所述气液分离器的气体出口连接；

所述第二冷凝器的流体出口与所述射流泵的引射流体入口连接。

4.根据权利要求1所述的射流式有机朗肯循环系统，其特征在于，

所述流体发电机组具体包括透平机和电机。

5.根据权利要求4所述的射流式有机朗肯循环系统，其特征在于，

所述透平机具体为：叶轮机、汽轮机、涡轮机、燃气轮机或膨胀机。