CN111535889B - 一种低品质余热高效利用系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低品质余热高效利用系统，包括余热回收系统和循环系统；余热回收系统包括蒸发器、余热进气管、余热出气管和过滤装置；循环系统包括有机工质管路、储气罐、冷凝器、储液罐、凝液泵、补液泵、分流控制阀、罗茨动力机、储气罐传感器组、进气口传感器组、出气口传感器组和补液流量计。本系统以低品质余热气体作为热源，采用有机工质作为循环工质，余热回收系统使液态有机工质吸收余热气体中的热量，转换成气态，有机工质蒸气进入罗茨动力机推动罗茨动力机做功，将热能转化成机械能，之后有机工质蒸气经过冷凝器冷凝为液态，继续循环使用。本系统实现了对低品质余热的回收再利用，结构简单，能源利用率高，热转换效率高。

Description

一种低品质余热高效利用系统
技术领域
本发明涉及工业余热利用领域，具体是一种低品质余热高效利用系统。
背景技术
工业余热是工业生产中分布面最广、应用潜力最大的一种常规可回收能源。在工业生产中，存在着大量的余热资源，包括烟气、蒸汽和热水等，这些资源分布广泛，普遍存在于钢铁、石油、有色金属、化工、轻工、建材等行业。余热资源的产生是由于工业生产过程中消耗煤炭、石油以及各种可燃气排放的资源，属于二次能源。
在当前的工业生产过程中，有大量的工业余热能源以气体形式散发到环境中，产生了巨大的资源浪费，如果能对这些热能资源加以回收利用，对国家未来的发展具有重大意义。目前的余热回收装置采用水蒸气作为工质回收低品质余热，换热效率较低，而且使用水蒸气还需要考虑腐蚀问题。另外，低品质余热中包含烟气等含有较多粉尘或颗粒物的混合气体，在换热过程中，这些气体容易沉积在换热器管道中，长久会造成管道阻塞问题，而且维修维护不便。申请号201611085197.9的文献公开了一种低品质余热回收发电装置，采用热管蒸汽发生器，管道往返较多，制造难度大，且管道容易破裂，抗氧化、耐高温性能较差；且罗茨动力机采用的是单进气口进气，易造成气体做功不平稳的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种低品质余热高效利用系统。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种低品质余热高效利用系统，其特征在于该系统包括余热回收系统和循环系统；
所述余热回收系统包括蒸发器、余热进气管、余热出气管和过滤装置；所述余热进气管的一端为余热进气口，另一端与蒸发器的进气口连接；余热进气管上设置有过滤装置、截止阀和电动阀；余热出气管的一端为余热出气口，另一端与蒸发器的出气口连接；余热出气管上设置有截止阀；
所述循环系统包括有机工质管路、储气罐、冷凝器、储液罐、凝液泵、补液泵、分流控制阀、罗茨动力机、储气罐传感器组、进气口传感器组、出气口传感器组和补液流量计；蒸发器的有机工质出口通过有机工质管路连接储气罐的入口，两者之间的此段有机工质管路上设置有储气罐传感器组；储气罐出口处的有机工质管路上设置有分流控制阀；分流控制阀后方的有机工质管路分为三路，其中两路连接罗茨动力机的进气口且此两路上均设置有电动阀和进气口传感器组，另一路连接到冷凝器的进气口且此一路上设置有电动阀；罗茨动力机的出气口通过有机工质管路连接冷凝器的进气口，两者之间的此段有机工质管路上设置有出气口传感器组；冷凝器的出口通过有机工质管路与蒸发器的有机工质入口连接，两者之间的此段有机工质管路上设置有截止阀且按有机工质流向依次设置有凝液泵、储液罐、补液泵和补液流量计。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
(1)本系统以低品质余热气体(温度在100-160℃之间的烟气液混合气体以及饱和蒸气)作为热源，采用有机工质作为循环工质，余热回收系统使液态有机工质吸收余热气体中的热量，转换成气态，有机工质蒸气进入罗茨动力机推动罗茨动力机做功，将热能转化成机械能，之后有机工质蒸气经过冷凝器冷凝为液态，继续循环使用。本系统实现了对低品质余热的回收再利用，结构简单，能源利用率高，热转换效率高。
(2)本系统在余热进气口处设置有具有过滤和吸附功能的过滤装置，可以去除余热气体中的颗粒物和粉尘等容易阻塞管道的物质，解决了气源中的杂质易堵塞管道的问题。
(3)蒸发器采用板式蒸发器，不易破裂，抗氧化耐高温。
(4)采用低沸点有机工质，在进行热交换时可以得到更多的热量，提高了换热效率。同时实现了液态有机工质和气态有机工质之间的循环转化，换热效率高，而且不需要考虑腐蚀问题，降低了装置结构的复杂性。
(5)罗茨动力机选用的是三叶扭叶式罗茨动力机，相比于两叶直叶式罗茨动力机，三叶扭叶式罗茨动力机易加工、面积利用系数高、啮合重合度高，运行更加平稳，并且容积效率可以提高约8％。
(6)罗茨动力机的左右两侧对称开有两个进气口，从两侧同时进气可以使进气更加平稳，更平稳地推动罗茨动力机转动，罗茨动力机工作更加稳定。
(7)循环系统中将有机工质蒸气分成三路，两路进入罗茨动力机，另一路直接连接冷凝器用于分流，通过控制这一路的电动阀的开闭程度，对罗茨动力机的进气量进行调节，以保证罗茨动力机两端具有合适的压力差，确保罗茨动力机能够平稳做功。
(8)罗茨动力机的动力输出端增加了变速器，变速器由测控系统进行控制，可以根据需要手动或自动调整输出轴的转速。罗茨动力机输出的机械能可用于发电或者作为某些机械的动力等。
(9)蒸发器的有机工质入口处安装有流量计、罗茨动力机的进气口和出气口均安装有传感器、储气罐进口处安装有传感器，这些传感器用于检测相应位置的参数，然后调整相关阀门的开闭程度，保证罗茨动力机平稳工作。
(10)实验发现，在同等转速下，改进后的双进气三叶扭叶式罗茨动力机相较于单进气两叶直叶式罗茨动力机，输出功率约为改进前的1.5倍，容积效率提高约8％，最高总效率比改进前提高了约4％。
附图说明
图1是本发明的系统整体结构示意图；
图2是本发明的过滤装置的结构示意图；
图3是本发明的罗茨动力机的结构示意图；
图中：1、蒸发器；2、余热进气管；3、余热出气管；4、过滤装置；5、有机工质管路；6、储气罐；7、冷凝器；8、地下水箱；9、储液罐；10、冷水泵；11、凝液泵；12、补液泵；13、分流控制阀；14、罗茨动力机；15、储气罐传感器组；16、进气口传感器组；17、出气口传感器组；18、补液流量计；19、变速器；4.1、过滤网；4.2、活性炭层；14.1、左侧进气口；14.2、右侧进气口；14.3、出气口；14.4、输出轴；14.5、转子；14.6、机壳。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。
本发明提供了一种低品质余热高效利用系统(简称系统，参见图1-3)，其特征在于该系统包括余热回收系统和循环系统；
所述余热回收系统包括蒸发器1、余热进气管2、余热出气管3和过滤装置4；所述余热进气管2的一端为余热进气口，用于低品质余热气体的进入，另一端与蒸发器1的进气口连接；余热进气管2上设置有过滤装置4、截止阀和电动阀，过滤装置4位于最靠近余热进气口的位置；余热出气管3的一端为余热出气口，用于换热后的低品质余热气体的排出，另一端与蒸发器1的出气口连接；余热出气管3上设置有截止阀；
所述循环系统包括有机工质管路5、储气罐6、冷凝器7、储液罐9、凝液泵11、补液泵12、分流控制阀13、罗茨动力机14、储气罐传感器组15、进气口传感器组组16、出气口传感器组17和补液流量计18；
蒸发器1的有机工质出口通过有机工质管路5连接储气罐6的入口，两者之间的此段有机工质管路5上设置有储气罐传感器组15；储气罐6出口处的有机工质管路5上设置有分流控制阀13；分流控制阀13后方的有机工质管路5分为三路，其中两路连接罗茨动力机14的进气口且此两路上均设置有电动阀和进气口传感器组16，另一路连接到冷凝器7的进气口且此一路上设置有电动阀；罗茨动力机14的出气口14.3通过有机工质管路5连接冷凝器7的进气口，两者之间的此段有机工质管路5上设置有出气口传感器组17；冷凝器7的出口通过有机工质管路5与蒸发器1的有机工质入口连接，两者之间的此段有机工质管路5上设置有截止阀且按有机工质流向依次设置有凝液泵11、储液罐9、补液泵12和补液流量计18。
优选地，所述蒸发器1采用板式蒸发器。
优选地，所述过滤装置4内部依次设置有过滤网4.1和活性炭层4.2，可以过滤烟气中的颗粒物和粉尘；过滤网4.1更靠近余热进气口，用于过滤大颗粒物；活性炭层4.2用于吸附小颗粒物(例如粉尘)，实现多层级过滤。
优选地，所述储气罐传感器组15、进气口传感器组16和出气口传感器组17均包括压力计、温度计和流量计，分别用于检测相应管路的压力、温度和流量；蒸发器1与储气罐6之间的有机工质管路5上按气体流向依次设置有压力计、温度计和流量计，用于检测进入储气罐6的有机工质蒸气的压力、温度和流量；连接罗茨动力机14的进气口的两路有机工质管路5上按气体流向均依次设置有电动阀、压力计、温度计和流量计，用于检测罗茨动力机14的进气口处的有机工质蒸气的压力、温度和流量；罗茨动力机14与冷凝器7之间的有机工质管路5上按气体流向依次设置有压力计、温度计和流量计，用于检测罗茨动力机14的出气口处的有机工质蒸气的压力、温度和流量。
优选地，冷凝器7与蒸发器1之间的有机工质管路5上按有机工质流向依次设置有凝液泵11、截止阀、储液罐9、补液泵12和补液流量计18；按有机工质流向补液流量计18设置在补液泵12后方且位于补液泵12和蒸发器1之间。
优选地，所述罗茨动力机14可采用三叶扭叶式罗茨动力机，包括机壳14.6、转子14.5和输出轴14.4；所述转子14.5通过输出轴14.4可转动地安装于机壳14.6内部；输出轴14.4用于输出动力，与变速器19相连；所述机壳14.6的左右两侧对称开有左侧进气口14.1和右侧进气口14.2，分别与分流控制阀13后方的有机工质管路5中的两路连接，从两侧同时进气可以使进气更加平稳，罗茨动力机工作更加稳定；左侧进气口14.1和右侧进气口14.2与输出轴14.4共平面；所述机壳14.6的下部开有出气口14.3，通过有机工质管路5连接冷凝器7的进气口；所述转子14.5采用一对啮合的三叶扭叶转子。有机工质蒸气通过左侧进气口14.1和右侧进气口14.2同时进入罗茨动力机14的容腔内，蒸气压力推动转子14.5膨胀做功，转子14.5啮合旋转过程中带动输出轴14.4旋转做功，将热能转化为机械能，再经由输出轴14.4输出，蒸气由出气口14.3流出。本实施例中罗茨动力机14的容腔体积22.7L，做工压力0.2Mpa，配合发电机额定转速500r/min，蒸发器1出口压力1Mpa，只需出气量达到2.3m3/min，装置体积减小，对工质需求量减少，经济实用。
优选地，所述循环系统还包括变速器19，可采用无级变速器；罗茨动力机14的动力输出与变速器19相连。变速器19可以根据输出的需要调整输出轴的转速。
优选地，所述循环系统还包括地下水箱8和冷水泵10；冷凝器7的冷凝水入口和冷凝水出口通过管道回路与地下水箱8连接，回路上设置有冷水泵10，其中冷凝水入口和地下水箱8之间的管道上以及冷凝水出口和地下水箱8之间的管道上均设置有截止阀。
截止阀用于直接控制管路的通断，电动阀用于控制管路中的流量。
本系统可通过罗茨动力机14连接变速器19分别外接发电系统、生产线传送系统或机床；外接发电系统时，变速器19的动力输出直接连接发电系统的发电机，可以通过变速器19调节发电机的转速。外接生产线传送系统时，本系统直接为流水线传送带提供动力，速度可调，可以满足不同生产线的需要。作为机床动力时，变速器19的动力输出可以代替机床的电动机作为动力源。
本发明的工作原理和工作流程是：
系统工作时，余热气体通过余热进气口进入余热进气管2，通过过滤装置4将烟气中的颗粒物和粉尘过滤掉，经过过滤后的余热气体进入到蒸发器1中进行热交换，然后由余热出气管3的余热出气口排出；
液态有机工质存放在储液罐9中，补液泵12将储液罐9中的液态有机工质抽出并送入蒸发器1中进行换热，补液流量计18测量补液泵12向蒸发器1输送的液态有机工质的量即补液量；经过蒸发器1的换热后，液态有机工质变为有机工质蒸气，经过储气罐传感器组15进行温度、压力和流量参数检测后进入储气罐6中；之后，储气罐6中的有机工质蒸气经过分流控制阀13后，一部分经过两路分别从罗茨动力机14的左侧进气口14.1和右侧进气口14.2平稳进入罗茨动力机14中后再进入冷凝器7，另一部分直接进入冷凝器7中；罗茨动力机14的出气口和进气口处分别安装有进气口传感器组16和出气口传感器组17，用于检测罗茨动力机14的进气口和出气口的压力、温度和流量参数，并根据测得的参数调整直接进入冷凝器7这一路的电动阀的开闭程度，对进气量进行调节，以保证罗茨动力机14两端具有合适的压力差，确保罗茨动力机14能够平稳做功；有机工质蒸气经过冷凝器7后冷却成液态，再由凝液泵11将液态有机工质送入储液罐9中准备继续循环；冷水泵10带动水循环，将地下水箱8中的冷凝水抽出送入冷凝器7中，冷凝水将有机工质蒸气冷却成液态后再排回地下水箱8中。
优选地，当补液流量计18测得的补液量达到设定值时，测控系统关闭补液泵12，以防止液态有机工质过多导致其无法在蒸发器1中全部变成蒸气；当补液量不足时重新开启补液泵12，如此循环；
优选地，初始状态下储气罐6的进气口处于关闭状态，液态有机工质进入蒸发器1换热后，测控系统检测换热后的有机工质蒸气的温度、压力和流量参数是否达到可以推动罗茨动力机14平稳做功的要求，若不满足要求则继续等待并检测，若满足要求则打开储气罐6的进气口，导入有机工质蒸气，导入后关闭储气罐6的进气口，等待下一次换热完成；
优选地，当罗茨动力机14的进气口和出气口的压力差与设定值偏离时，测控系统会根据偏离的大小调整直接连接冷凝器7这一路的电动阀的开闭程度，直到满足要求，以此来保证罗茨动力机14稳定运转做功；当压力差大于设定值时，增大直接连接冷凝器7这一路的电动阀的开度，反之减小开度。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (10)

1.一种低品质余热高效利用系统，其特征在于该系统包括余热回收系统和循环系统；
所述余热回收系统包括蒸发器、余热进气管、余热出气管和过滤装置；所述余热进气管的一端为余热进气口，另一端与蒸发器的进气口连接；余热进气管上设置有过滤装置、截止阀和电动阀；余热出气管的一端为余热出气口，另一端与蒸发器的出气口连接；余热出气管上设置有截止阀；
所述循环系统包括有机工质管路、储气罐、冷凝器、储液罐、凝液泵、补液泵、分流控制阀、罗茨动力机、储气罐传感器组、进气口传感器组、出气口传感器组和补液流量计；蒸发器的有机工质出口通过有机工质管路连接储气罐的入口，两者之间的此段有机工质管路上设置有储气罐传感器组；储气罐出口处的有机工质管路上设置有分流控制阀；分流控制阀后方的有机工质管路分为三路，其中两路连接罗茨动力机的进气口且此两路上均设置有电动阀和进气口传感器组，另一路连接到冷凝器的进气口且此一路上设置有电动阀；罗茨动力机的出气口通过有机工质管路连接冷凝器的进气口，两者之间的此段有机工质管路上设置有出气口传感器组；冷凝器的出口通过有机工质管路与蒸发器的有机工质入口连接，两者之间的此段有机工质管路上设置有截止阀且按有机工质流向依次设置有凝液泵、储液罐、补液泵和补液流量计；
储气罐中的有机工质蒸气经过分流控制阀后，一部分经过两路分别从罗茨动力机的左侧进气口和右侧进气口平稳进入罗茨动力机中后再进入冷凝器，另一部分直接进入冷凝器中；罗茨动力机的出气口和进气口处分别安装有进气口传感器组和出气口传感器组，用于检测罗茨动力机的进气口和出气口的压力、温度和流量参数，并根据测得的参数调整直接进入冷凝器这一路的电动阀的开闭程度，对进气量进行调节，以保证罗茨动力机两端具有合适的压力差，确保罗茨动力机能够平稳做功。
2.根据权利要求1所述的低品质余热高效利用系统，其特征在于所述蒸发器采用板式蒸发器。
3.根据权利要求1所述的低品质余热高效利用系统，其特征在于过滤装置位于最靠近余热进气口的位置。
4.根据权利要求1或3所述的低品质余热高效利用系统，其特征在于所述过滤装置内部依次设置有过滤网和活性炭层；过滤网更靠近余热进气口。
5.根据权利要求1所述的低品质余热高效利用系统，其特征在于所述储气罐传感器组、进气口传感器组和出气口传感器组均包括压力计、温度计和流量计；蒸发器与储气罐之间的有机工质管路上按气体流向依次设置有压力计、温度计和流量计；连接罗茨动力机的进气口的两路有机工质管路上按气体流向均依次设置有电动阀、压力计、温度计和流量计；罗茨动力机与冷凝器之间的有机工质管路上按气体流向依次设置有压力计、温度计和流量计。
6.根据权利要求1所述的低品质余热高效利用系统，其特征在于冷凝器与蒸发器之间的有机工质管路上按有机工质流向依次设置有凝液泵、截止阀、储液罐、补液泵和补液流量计。
7.根据权利要求1所述的低品质余热高效利用系统，其特征在于所述循环系统还包括地下水箱和冷水泵；冷凝器的冷凝水入口和冷凝水出口通过管道回路与地下水箱连接，回路上设置有冷水泵。
8.根据权利要求7所述的低品质余热高效利用系统，其特征在于冷凝器的冷凝水入口和地下水箱之间的管道上以及冷凝器的冷凝水出口和地下水箱之间的管道上均设置有截止阀。
9.根据权利要求1所述的低品质余热高效利用系统，其特征在于所述罗茨动力机包括机壳、转子和输出轴；所述转子通过输出轴可转动地安装于机壳内部；所述机壳的左右两侧对称开有左侧进气口和右侧进气口，分别与分流控制阀后方的有机工质管路中的两路连接；所述机壳的下部开有出气口，通过有机工质管路连接冷凝器的进气口。
10.根据权利要求1或9所述的低品质余热高效利用系统，其特征在于所述循环系统还包括变速器；罗茨动力机的输出轴与变速器相连。
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