CN111734509A - 一种减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统及控制方法，在本系统的工作过程中，电子控制单元通过温度传感器与流量传感器分别监测热源温度及流量，从而控制电控三通阀的连通状态、空气加热器的功率、气泵的转速以及工质泵的转速，使加热空气与热源有效混合换热后再进入有机朗肯循环系统进行发电。本发明可有效地减缓热源波动对有机朗肯循环带来的负面影响，使有机朗肯循环系统能够安全高效地回收波动性余热。同时采用级联相变储热蒸发器及工质预热方法，能够进一步提高余热能量利用率。

Description

一种减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统及控制方法

技术领域

本发明涉及余热回收及相变储热领域，尤其涉及一种减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统及控制方法。

背景技术

结构简单、效率高且适应性强的有机朗肯循环系统是余热发电领域应用中重要技术之一。而广泛余热都具有波动性的特点，包括热源波动及流量波动，较大的热源波动严重影响到有机朗肯循环系统安全高效地运行。因此，如何有效地减小热源波动影响对有机朗肯循环系统的进一步推广应用至关重要。

在传统的余热回收系统中，通常采用设置旁通阀或储热罐的方法来降低热源波动的影响。传统减小热源波动的方法存在占用空间体积大且克服热源波动效果有限而造成余热系统效率偏低等问题。

因此，在已知余热热源温度和流量波动范围的情况下，包括波动热源的平均温度和平均流量及温度上下限和流量上下限，本发明提出了一种新型的减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统及控制方法。通过研究结果表明，热源温度波动影响较流量波动占主要影响，并且随热源平均流量的增大，温度波动的影响愈加明显。基于此现象，本发明利用热空气与热源混合并结合相变储热型蒸发器的方式，针对热源不同的温度波动与流量波动状况，实施不同的控制方法，能够减缓热源波动影响的同时保证了能量利用率，从而使有机朗肯循环系统能够安全且高效地运行。

发明内容

本发明针对余热热源波动影响有机朗肯循环系统的安全及效率的问题，提出了一种减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统及控制方法。此系统可有效减缓余热波动包括流量波动和温度波动，使有机朗肯循环在稳定状态下工作并高效率地输出有效功。

一种减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统包括空气加热器、气泵、第一温度传感器、第一流量传感器、热源、第二温度传感器、第二流量传感器、电控三通阀、电子控制单元、相变储热蒸发器、膨胀机、发电机、冷凝器、工质泵、蒸发器、储液罐、气液分离装置；

热源通过热源流道与相变储热蒸发器热源流道入口连接，热源流道上设置有电控三通阀，气泵、空气加热器与、电控三通阀的一个入口依次顺次连接，电控三通阀设置于空气加热器流道与热源流道的交界处，相变储热蒸发器工质流道出口与气液分离装置入口连接；第一流量传感器和第一温度传感器布置于空气加热器与电控三通阀之间，监测空气加热器输出空气的流量和温度，电控三通阀控制是否将热空气与热源混合。第二流量传感器和第二温度传感器布置于热源和电控三通阀之间，监测热源流体的流量和温度，相变储热蒸发器接收来自空气加热器的热空气与来自热源的流体，并将流体的热量传递给工质，根据热源情况进行储热或放热。相变储热蒸发器工质流道出口与气液分离装置相连，气液分离装置起到膨胀机的保护作用，完成气液分离后，液态工质流向蒸发器，利用液体余热为蒸发器工质预热，气态工质流向膨胀机，在膨胀机内做功带动发电机发电。气态工质完成做功后经冷凝器冷凝并进入储液罐，储液罐中的液态工质可通过工质泵进入蒸发器，在蒸发器中预热的工质可通过蒸发器工质流道出口进入相变储热蒸发器，进而完成有机朗肯循环整个过程。

所述的控制单元根据第一温度传感器、第一流量传感器、第二温度传感器和第二流量传感器的信号，控制电控三通阀连通情况、工质泵转速、气泵转速和空气加热器功率，维持系统正常运行。

在本发明的一个实施例中，所述的相变储热蒸发器为三层环形套管结构，三层环形套管从内到外依次为工质流道、相变材料、热源流道。

在本发明的一个实施例中，相变材料套管内的相变材料采用级联布置，所述相变材料沿轴线方向包括若干段；沿热源流道的流动方向，每段相变材料的相变温度逐渐降低。

在本发明的一个实施例中，所述的相变材料沿轴线方向包括三段；三段相变材料的长度相等。

在本发明的一个实施例中，靠近热源流道入口的相变材料一的相变温度低于热源流道入口平均温度，高于热源入口最低温度5-10K。

在本发明的一个实施例中，紧邻相变材料一的相变材料二的相变温度低于相变材料一相变温度的20％-25％，靠近热源流道出口的相变材料三的相变温度低于相变材料二相变温度的8％-12％。

在本发明的一个实施例中，所述的相变储热蒸发器内，热源流道的流动方向与工质流道的流动方向相反。

所述的空气加热器的所需电能可由有机朗肯循环系统的发电提供。

所述的余热较优的回收温度范围在373.15K-723.15K，其热源可来自发动机废气、太阳能集热器及工厂余热等余热领域。

所述的减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统的控制方法是：

热源输入时第二温度传感器和第二流量传感器监测热源的温度波动和流量波动，并将信号传递给控制单元，控制单元通过控制与空气加热器相连的气泵转速来控制空气加热器的输出空气流量，使进入相变储热蒸发器的热源较为稳定。与空气混合后的热源进入相变储热蒸发器，与相变材料换热，多余热量储存在相变材料中，从而维持热源流体的温度稳定。当热源波动较大时，控制单元通过控制空气加热器的功率及气泵转速来控制其输出空气的温度与流量，同时与相变储热蒸发器协同工作，以减小热源的波动情况。并且控制单元也需根据四个传感器的信号来控制工质泵的转速，决定进入相变储热蒸发器的工质流量。

本发明的优点在于：

1.本余热回收系统可以有效减缓热源波动对有机朗肯循环带来的影响，由于热源流量波动较温度波动来说影响小，利用波动热源与空气充分换热及结合相变储热换热器的方法来减缓波动，使有机朗肯循环可以安全高效地运行。

2.本余热回收系统方法简单可行且应用场景广泛，例如余热可来自发动机废气、太阳能集热器及工厂余热等。

3.本余热回收系统在减缓余热波动的同时采用级联相变储热换热器及工质预热方法，能够进一步提高余热能量利用率并提升余热回收系统整体效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统示意图。

图2为减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统控制方法示意图。

图3为级联相变储热换热器示意图。

图4为不同条件下温度波动和流量波动对蒸发压力影响示意图。

图5为减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统结果示例图。

工况说明：

图4中条件1为热源温度600K，热源流量0.44kg/s；条件2为热源温度525K，热源流量0.73kg/s；条件3为热源温度450K，热源流量2.36kg/s。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述，但不作为对本发明的限定。

如图1和2所示，一种减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统主要包括热源1、第二流量传感器2、第二温度传感器3、第一流量传感器4、第一温度传感器5、气泵6、空气加热器7、电子控制单元8、电控三通阀9、相变储热蒸发器10、气液分离装置11、膨胀机12、发电机13、冷凝器14、储液罐15、工质泵16、蒸发器17、热源出口18。

所述的第二流量传感器2和第二温度传感器3布置于热源1和电控三通阀9之间的流道上；所述的第一流量传感器4和第一温度传感器5布置于空气加热器7和电控三通阀9之间的流道上；热源流体与来自空气加热器的热空气经电控三通阀9混合后从相变储热蒸发器10的热源流道入口进入相变储热蒸发器10，蒸发器17的工质流道出口与相变储热蒸发器10的工质流道入口连接。相变储热蒸发器10的工质流道出口与气液分离装置11的入口连接，被加热的工质在气液分离装置11中完成气液分离，其中液体工质通过气液分离装置的液体出口进入蒸发器17，利用液态工质的余热为蒸发器17中的工质预热,气体工质从气液分离装置11的气体出口离开并通过膨胀机12入口进入膨胀机12，并进行做功带动发电机13发电。随后气体工质从膨胀机12出口进入冷凝器14进行冷凝。冷凝后的液态工质进入储液罐15储存，在需要时通过工质泵16将储液罐中储存的液态工质输入蒸发器17。蒸发器17中多余的液态工质也可通过蒸发器工质下端出口通入储液罐15中储存。电子控制单元8根据第一流量传感器4、第一温度传感器5、第二流量传感器2和第二流量传感器3的信号来控制空气加热器7的功率、气泵6的转速、工质泵16的转速和电控三通阀9的连通情况，确保余热回收系统的稳定运行。

如图3所示，在本发明的一个实施例中，所述的相变储热蒸发器为三层环形套管结构，三层环形套管从内到外依次为工质流道、相变材料、热源流道。

在本发明的一个实施例中，相变材料套管内的相变材料采用级联布置，所述相变材料沿轴线方向包括若干段；沿热源流道的流动方向，每段相变材料的相变温度逐渐降低。

在本发明的一个实施例中，所述的相变材料沿轴线方向包括三段；三段相变材料的长度相等。

在本发明的一个实施例中，靠近热源流道入口的相变材料一的相变温度低于热源流道入口平均温度，高于热源入口最低温度5-10K。

在本发明的一个实施例中，紧邻相变材料一的相变材料二的相变温度低于相变材料一相变温度的20％-25％，靠近热源流道出口的相变材料三的相变温度低于相变材料二相变温度的8％-12％。

在本发明的一个实施例中，所述的相变储热蒸发器内，热源流道的流动方向与工质流道的流动方向相反。

本发明还公开了一种所述减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统的控制方法：

在系统工作时，通过第二流量传感器2和第二温度传感器3判断热源流量波动和温度波动的程度。其中，热源波动程度的大小由阈值来判定，超过阈值则认为热源波动较大，低于阈值则认为热源波动较小，阈值的大小为相变储热蒸发器10中工质出口过热度的波动百分比x＝30％所对应的热源波动状态

其受热源温度及流量均值、波动幅值与波动频率的影响。当热源波动低于阈值时，仅由相变储热蒸发器10发挥作用，电子控制单元8控制电控三通阀9关闭、空气加热器7与气泵6不工作。

当热源波动超过阈值且温度波动作用明显时，则通过电子控制单元8开启电控三通阀9打开空气流道，控制气泵6的转速以调整气体的流量同时控制空气加热器7的功率对空气进行加热来减缓混合流体的温度波动。具体为当热源高于平均温度时，通入空气的温度保持环境温度300K，通过气泵6调控通入空气流量。

当热源低于平均温度时，调整空气加热器7功率使通入空气的温度为热源平均温度，同时调控通入空气流量。第一流量传感器4与第一温度传感器5的大小作为反馈信号传至电子控制单元8，电子控制单元8使具有一定流量和温度的空气与目标热源流体进行混合，将热源的波动控制在低于阈值的范围内达到减缓波动影响的目的。空气与热源流体混合后再通过相变储热蒸发器10达到二次减缓波动的作用。其中，本发明的平均温度是按现运行模式下得到的余热热源波动特性的温度波动范围评估而获得的，通过前期的预测分析得到的。

当热源波动超过阈值且流量作用明显时，通过第二流量传感器2的大小经控制单元8判断，通过控制气泵6转速加大通入空气的流量以提高热源流量的谷值，同时通入空气的温度控制为与热源平均温度一致。

当热源波动超过阈值且温度与流量作用均较大时，依旧通过电子控制单元8控制气泵6的转速及空气加热器7的功率，对通入空气进行相应的温度与流量的调控并开启电控三通阀9打开空气流道，使具有一定流量和温度的空气与热源流体混合以减缓温度波动的影响。随后混合流体通过相变储热蒸发器10与相变材料进行换热，达到再次减缓波动的效果。

如图4所示为在三种不同的热源平均温度与平均流量条件下，温度波动与流量波动对工质出口蒸发压力的作用影响程度。根据图4结果可看出温度的波动影响始终高于流量的波动影响，并且随着热源平均温度的降低，温度的波动影响愈加明显，且在条件1下温度与流量的影响差异是最大的。同时还可看出随着热源平均流量的增加，流量的波动影响降低。

如图5(1)所示为余热热源波动的一种情况说明，主要体现在温度波动的影响超过阈值的情况；如图5(2)所示为按照本发明的实施方式对通入空气相应的温度与流量的调控；如图5(3)所示为热源与通入气体后混合流体的波动情况，可以看到温度的波动影响明显被削弱，而流量产生了较小的波动；如图5(4)所示利用气体混合以及结合梯级相变材料的方式可有效降低过热度的波动程度，并与常规的有机朗肯循环系统比较，其过热度的波动幅度降低了15K，减缓波动效果提升了72％。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统，其特征在于包括空气加热器、气泵、第一温度传感器、第一流量传感器、热源、第二温度传感器、第二流量传感器、电控三通阀、电子控制单元、相变储热蒸发器、膨胀机、发电机、冷凝器、工质泵、蒸发器、储液罐及气液分离装置；

热源通过热源流道与相变储热蒸发器热源流道入口连接，热源流道上设置有电控三通阀，气泵、空气加热器、电控三通阀的一个入口顺次连接，，相变储热蒸发器工质流道出口与气液分离装置入口连接，气液分离装置气体出口、膨胀机、冷凝器、储液罐、工质泵和蒸发器工质流道入口顺次连接，膨胀机与发电机相连可带动发电机发电，蒸发器工质流道出口与相变储热蒸发器工质流道入口连接；气液分离装置液体出口与蒸发器上端入口相连，蒸发器下端出口与储液罐相连；

电子控制单元分别与电控三通阀、工质泵、空气加热器和气泵连接；第一温度传感器、第一流量传感器设置在连接空气加热器与电控三通阀的管路上，第二温度传感器、第二流量传感器设置在热源与电控三通阀之间。

2.根据权利要求1所述的减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统，其特征在于所述的相变储热蒸发器为三层环形套管结构，三层环形套管从内到外依次为热源流道、相变材料、工质流道。

3.根据权利要求2所述的减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统，其特征在于相变材料套管内的相变材料采用级联布置，所述相变材料沿轴线方向包括若干段；沿热源流道的流动方向，每段相变材料的相变温度逐渐降低。

4.根据权利要求3所述的减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统，其特征在于所述的相变材料沿轴线方向包括三段；三段相变材料的长度相等。

5.根据权利要求3所述的减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统，其特征在于靠近热源流道入口的相变材料一的相变温度低于热源波动范围的平均温度，高于热源波动范围的下限温度5-10K。

6.根据权利要求4所述的减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统，其特征在于紧邻相变材料一的相变材料二的相变温度低于相变材料一相变温度的20％-25％，靠近热源流道出口的相变材料三的相变温度低于相变材料二相变温度的8％-12％。

7.根据权利要求4所述的减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统，其特征在于所述的相变储热蒸发器内，热源流道的流动方向与工质流道的流动方向相反。

8.一种如权利要求1所述的减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统的控制方法，其特征在于步骤如下：

系统工作过程中，电子控制单元根据第二温度传感器、第二流量传感器采集的热源温度、流量信号，控制电控三通阀的连通状态；在此基础上，电子控制单元根据第一温度传感器、第一流量传感器采集的空气加热器输出空气的流量和温度信号，控制气泵的转速及空气加热器的加热功率，使被加热空气与热源能够进行充分混合并减缓热源波动；

热源与热空气混合后，混合流体与相变储热蒸发器中的相变材料进行换热；当波动热源通过相变材料时，相变材料吸热后熔化，热源的多余热量将储存在相变材料中，与此同时，通过控制一定流量的有机朗肯循环中的循环工质与相变储热蒸发器中的相变材料换热进行相变蒸发，随之在膨胀机中进行膨胀做功发电；经相变储热蒸发器中的相变材料换热后的热源通过热源流道出口18通向外界。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于：

当热源波动超过设定阈值且温度波动作用明显时，通过电子控制单元开启电控三通阀打开空气流道，控制气泵的转速以调整气体的流量的同时控制空气加热器7的功率对预热空气进行相应加热来减缓混合流体的温度波动；随后混合流体通过相变储热蒸发器与相变材料进行换热，达到再次减缓波动的效果；

当热源波动超过阈值且流量作用明显时，通过第二流量传感器的大小经控制单元判断，通过控制气泵转速加大通入空气的流量以提高热源流量的谷值，同时通入空气的温度控制为与热源平均温度一致；随后混合流体通过相变储热蒸发器与相变材料进行换热，达到再次减缓波动的效果；

当热源波动超过阈值且温度与流量作用均较大时，通过电子控制单元控制气泵的转速及空气加热器的功率，对通入空气进行相应的温度与流量的调控并开启电控三通阀打开空气流道，使具有一定流量和温度的空气与热源流体混合以减缓温度波动的影响；随后混合流体通过相变储热蒸发器与相变材料进行换热，达到再次减缓波动的效果。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于：所述的当热源波动超过设定阈值且温度波动作用明显时，通过电子控制单元开启电控三通阀打开空气流道，具体为：

当热源高于平均温度时，通入空气的温度保持环境温度，通过气泵调控通入空气流量；当热源低于平均温度时，调整空气加热器功率使通入空气的温度为热源平均温度，同时调控通入空气流量；第一流量传感器与第一温度传感器的大小作为反馈信号传至电子控制单元，电子控制单元使具有一定流量和温度的空气与目标热源流体进行混合，将热源的波动控制在低于阈值的范围内达到减缓波动影响的目的；空气与热源流体混合后再通过相变储热蒸发器达到二次减缓波动的作用。

Images