CN110107370A - 一种有机闪蒸-朗肯循环余热回收系统 - Google Patents

一种有机闪蒸-朗肯循环余热回收系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种有机闪蒸‑朗肯循环余热回收系统，其包括高压级预热器，低压级蒸发器，节流阀，气液分离器，高压级透平，低压级透平，混合器，冷凝器，冷却水泵，冷却塔和工质泵，它们构成了有机闪蒸循环管路、有机朗肯循环管路和冷却水循环管路，有机朗肯循环将有机闪蒸循环闪蒸后的饱和液体的热能进行了回收利用，从而本发明能够有效减少有机闪蒸循环的损失，实现能量梯级利用，提升系统效率。

Description

一种有机闪蒸-朗肯循环余热回收系统
技术领域
本发明涉及能源利用技术领域，特别是涉及一种有机闪蒸-朗肯循环余热回收系统。
背景技术
中低温热源是指品位相对较低的热能，一般温度在350℃以下。这类热源种类繁多，总量巨大，主要包括太阳热能、各种工业废热、生活废热、地热、海洋温差等。以太阳能为例，我国陆地表面每年接受的太阳辐射能约为50×1018kJ，全国各地太阳年辐射总量高达335～837kJ/cm2·a，利用潜力巨大；另外，根据中投顾问发布的《2016-2020年中国地热能行业投资分析及前景预测报告》估计，在我国国土范围内仅地壳最外层10公里范围内，就拥有1254亿焦热量，相当于全世界现产煤炭总发热量的2000倍，可谓取之不尽，用之不竭。同时某些低品位热能的直接排放不仅仅是能源的极大浪费，也是环境热污染的主要因素，仅以工业废热为例，我国每年的能源使用量达到20亿吨标准煤，如果热利用按50％计算，相当于近10亿吨标准煤以废热形式排放到环境中，其中温度低于350℃的低温热源约占余热总量的60％，如果能将这部分热能进行有效利用，不仅能有效提高能源利用率，同时也能达到保护环境的目的。
虽然我国中低温热源资源十分丰富，但现目前能够高效利用低温热源的手段并不是很多。有机闪蒸作为一种利用中低温热源的有效手段，有着许多优点，其能有效的减少传热温差，进而减少系统的损失，同时还能增加对余热的利用率。但是传统的有机闪蒸循环在闪蒸后会将气液分离后的饱和液体直接截流，然后进入冷凝器放热，这样就会造成较大的截流损失，导致系统效率较低。因此研究新型中低温热能回收系统具有重要意义。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种有机闪蒸-朗肯循环余热回收系统，能够有效减少有机闪蒸循环的损失。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种有机闪蒸-朗肯循环余热回收系统，包括高压级预热器(1)，低压级蒸发器(2)，节流阀(3)，气液分离器(4)，高压级透平(5)，低压级透平(6)，混合器(7)，冷凝器(8)，冷却水泵(9)，冷却塔(10)和工质泵(11)；所述高压级预热器(1)的热流体出口与节流阀(3)的进口、节流阀(3)的出口与气液分离器(4)的进口、气液分离器(4)的饱和气体出口与高压级透平(5)的进口、高压级透平(5)的出口与混合器(7)的进口、混合器(7)的出口与冷凝器(8)的热流体进口、冷凝器(8)的热流体出口与工质泵(11)的进口、工质泵(11)的进口与高压级预热器(1)的冷流体进口通过管道相连接，以构成有机闪蒸循环管路；所述低压级蒸发器(2)的热流体出口与低压级透平(6)的进口、低压级透平(6)的出口与混合器(7)的进口、混合器(7)的出口与冷凝器(8)的热流体进口、冷凝器(8)的热流体出口与工质泵(11)的进口、工质泵(11)的进口与高压级预热器(1)的冷流体进口、高压级预热器(1)的热流体出口与节流阀(3)的进口、节流阀(3)的出口与气液分离器(4)的进口、气液分离器(4)的饱和液体出口与低压级蒸发器(2)的冷流体进口通过管道相连接，以构成有机朗肯循环管路；所述冷凝器(8)的热流体出口与冷却塔(10)上端的布水管、冷却塔(10)下端的出口与冷却水泵(9)的进口、冷却水泵(9)的出口与冷凝器(8)的冷流体进口通过管道相连接，以构成冷却水循环管路。
优选的，所述有机闪蒸循环管路和有机朗肯循环管路中的工质采用二氧化碳或者甲苯、R152a、R142b、R22、R123、R134a、R245fa、丙烷、R143a、R32、R23、戊烷、异戊烷、正戊烷、正己烷、丁烷和异丁烷中的一种或者多种的混合物。
优选的，所述工质采用R123；所述高压级透平(5)采用IT10螺杆式透平，净输出功率为10Kw；所述高压级预热器(1)的热流体出口处R123的压力为0.97MPa，温度为110℃，闪蒸压力为0.49MPa，换热器均采用管壳式换热器；所述工质泵(11)采用高压屏蔽泵。
优选的，所述冷却塔(10)的冷却水循环流量为20m3/h，所述冷却水循环管路采用的管道为无缝钢管。
优选的，所述有机闪蒸循环管路和有机朗肯循环管路在注入工质之前，对管道进行氮气吹扫和抽真空处理。
区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：
(1)不同于传统的有机闪蒸循环将闪蒸后的饱和液体直接截流然后进入冷凝器，本发明对饱和液进行重新加热后进入透平做功，避免了截流损失，提升了系统的热利用率。
(2)实现了能量的梯级利用，对于高品位热能采用有机闪蒸循环进行利用，而低品位的热能则采用有机朗肯循环进行回收，最大限度实现对余热的利用，实现节能减排。
(3)本发明能用于回收所有的余热资源，包括工业废气、废水、生物质热能、太阳能以及地热等各种形式的余热。
附图说明
图1是本发明实施例的有机闪蒸-朗肯循环余热回收系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
参阅图1，本发明实施例的有机闪蒸-朗肯循环余热回收系统包括高压级预热器1，低压级蒸发器2，节流阀3，气液分离器4，高压级透平5，低压级透平6，混合器7，冷凝器8，冷却水泵9，冷却塔10和工质泵11。
高压级预热器1的热流体出口与节流阀3的进口、节流阀3出口与气液分离器4的进口、气液分离器4的饱和气体出口与高压级透平5的进口、高压级透平5的出口与混合器7的进口、混合器7的出口与冷凝器8的热流体进口、冷凝器8的热流体出口与工质泵11的进口、工质泵11的进口与高压级预热器1的冷流体进口通过管道相连接，以构成有机闪蒸循环管路。
低压级蒸发器2的热流体出口与低压级透平6的进口、低压级透平6的出口与混合器7的进口、混合器7的出口与冷凝器8的热流体进口、冷凝器8的热流体出口与工质泵11的进口、工质泵11的进口与高压级预热器1的冷流体进口、高压级预热器1的热流体出口与节流阀3的进口、节流阀3的出口与气液分离器4的进口、气液分离器4的饱和液体出口与低压级蒸发器2的冷流体进口通过管道相连接，以构成有机朗肯循环管路。
冷凝器8的热流体出口与冷却塔10上端的布水管、冷却塔10下端的出口与冷却水泵9的进口、冷却水泵9的出口与冷凝器8的冷流体进口通过管道相连接，以构成冷却水循环管路。
本实施例中，有机闪蒸循环管路可以回收利用闪蒸器出口饱和液体的余热。
本发明的工作原理是：
有机闪蒸循环管路：工质在从高压级预热器1的冷流体进口进入，在高压级预热器1中吸收余热释放的热量，加热至饱和液体后从高压级预热器1的热流体出口出来，然后进入节流阀3进行截流，压力降低到闪蒸压力，变成气液两相态，接着进入气液分离器4，实现气液分离，饱和液体从气液分离器4底部的饱和液体出口流出，而饱和气体则从气液分离器4顶部的饱和气体出口流出，接着进入高压级透平5膨胀做功，输出电能，接着膨胀后的乏气从高压级透平5出口处出来，进入混合器7，跟从低压级透平6的出口出来的乏气混合后，进入冷凝器8的热流体进口，然后在冷凝器8中将热量释放给冷却水，冷凝成过冷液体后从冷凝器8的热流体出口出来，进入工质泵11的进口，在工质泵11中经过加压后重新进入高压级预热器1的冷流体进口进行加热，完成一个循环；
有机朗肯循环管路：从气液分离器4底部的饱和液体出口流出的经过闪蒸的饱和液体进入低压级蒸发器2的冷流体进口，在低压级蒸发器2吸收余热释放的热量后，蒸发气化，然后从低压级蒸发器2的热流体出口出来，然后进入低压级透平6膨胀做功，变成乏气从低压级透平6的出口出来，进入混合器7，与从高压级透平5的出口出来的乏气混合后，进入冷凝器8的热流体进口，然后在冷凝器8中将热量释放给冷却水，冷凝成过冷液体后从冷凝器8的热流体出口出来，进入工质泵11的进口，在工质泵11中经过加压后，进入高压级预热器1的冷流体进口进行加热，在高压级预热器1中吸收余热释放的热量，加热至饱和液体后从高压级预热器1的热流体出口出来，然后进入节流阀3进行截流，压力降低到闪蒸压力，变成气液两相态，接着进入气液分离器4，实现气液分离，饱和液体从气液分离器4底部的饱和液体出口流出，完成一个循环；
冷却水循环管路：从冷却塔10出来的冷却水经冷却水泵9输送至冷凝器8对工质进行冷凝，之后返回冷却塔10的布水管，经过冷却后进入塔底集水盘，完成一个循环。
在本实施例中，有机闪蒸循环管路和有机朗肯循环管路中的工质采用二氧化碳或者甲苯、R152a、R142b、R22、R123、R134a、R245fa、丙烷、R143a、R32、R23、戊烷、异戊烷、正戊烷、正己烷、丁烷和异丁烷中的一种或者多种的混合物。也就是说，工质为二氧化碳，或者为甲苯、R152a、R142b、R22、R123、R134a、R245fa、丙烷、R143a、R32、R23、戊烷、异戊烷、正戊烷、正己烷、丁烷和异丁烷中的一种，或者为二氧化碳或者甲苯、R152a、R142b、R22、R123、R134a、R245fa、丙烷、R143a、R32、R23、戊烷、异戊烷、正戊烷、正己烷、丁烷和异丁烷中的多种的混合物。
进一步的，在一个具体应用中，工质采用R123；高压级透平5采用IT10螺杆式透平，净输出功率为10Kw；高压级预热器1的热流体出口处R123的压力为0.97MPa，温度为110℃，闪蒸压力为0.49MPa，换热器均采用管壳式换热器；工质泵11采用高压屏蔽泵。在另一个具体应用中，工质为R123、R134a及自来水。
在本实施例中，冷却塔10的冷却水循环流量为20m3/h，所述冷却水循环管路采用的管道为无缝钢管。冷却塔10可以选用型号为LBCM-20的低温型冷却塔，冷却水泵9可以选用型号为12KQL50/100-1.1/2的泵。
为了提高可靠性，有机闪蒸循环管路和有机朗肯循环管路在注入工质之前，对管道进行氮气吹扫和抽真空处理。
通过上述方式，本发明实施例的有机闪蒸-朗肯循环余热回收系统利用有机朗肯循环将有机闪蒸循环闪蒸后的饱和液体的热能进行了回收利用，从而能够有效减少有机闪蒸循环的损失，实现能量梯级利用，提升系统效率。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种有机闪蒸-朗肯循环余热回收系统，其特征在于，包括高压级预热器(1)，低压级蒸发器(2)，节流阀(3)，气液分离器(4)，高压级透平(5)，低压级透平(6)，混合器(7)，冷凝器(8)，冷却水泵(9)，冷却塔(10)和工质泵(11)；
所述高压级预热器(1)的热流体出口与节流阀(3)的进口、节流阀(3)的出口与气液分离器(4)的进口、气液分离器(4)的饱和气体出口与高压级透平(5)的进口、高压级透平(5)的出口与混合器(7)的进口、混合器(7)的出口与冷凝器(8)的热流体进口、冷凝器(8)的热流体出口与工质泵(11)的进口、工质泵(11)的进口与高压级预热器(1)的冷流体进口通过管道相连接，以构成有机闪蒸循环管路；
所述低压级蒸发器(2)的热流体出口与低压级透平(6)的进口、低压级透平(6)的出口与混合器(7)的进口、混合器(7)的出口与冷凝器(8)的热流体进口、冷凝器(8)的热流体出口与工质泵(11)的进口、工质泵(11)的进口与高压级预热器(1)的冷流体进口、高压级预热器(1)的热流体出口与节流阀(3)的进口、节流阀(3)的出口与气液分离器(4)的进口、气液分离器(4)的饱和液体出口与低压级蒸发器(2)的冷流体进口通过管道相连接，以构成有机朗肯循环管路；
所述冷凝器(8)的热流体出口与冷却塔(10)上端的布水管、冷却塔(10)下端的出口与冷却水泵(9)的进口、冷却水泵(9)的出口与冷凝器(8)的冷流体进口通过管道相连接，以构成冷却水循环管路。
2.根据权利要求1所述的有机闪蒸-朗肯循环余热回收系统，其特征在于，所述有机闪蒸循环管路和有机朗肯循环管路中的工质采用二氧化碳或者甲苯、R152a、R142b、R22、R123、R134a、R245fa、丙烷、R143a、R32、R23、戊烷、异戊烷、正戊烷、正己烷、丁烷和异丁烷中的一种或者多种的混合物。
3.根据权利要求2所述的有机闪蒸-朗肯循环余热回收系统，其特征在于，所述工质采用R123；所述高压级透平(5)采用IT10螺杆式透平，净输出功率为10Kw；所述高压级预热器(1)的热流体出口处R123的压力为0.97MPa，温度为110℃，闪蒸压力为0.49MPa，换热器均采用管壳式换热器；所述工质泵(11)采用高压屏蔽泵。
4.根据权利要求3所述的有机闪蒸-朗肯循环余热回收系统，其特征在于，所述冷却塔(10)的冷却水循环流量为20m3/h，所述冷却水循环管路采用的管道为无缝钢管。
5.根据权利要求4所述的有机闪蒸-朗肯循环余热回收系统，其特征在于，所述有机闪蒸循环管路和有机朗肯循环管路在注入工质之前，对管道进行氮气吹扫和抽真空处理。
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