CN111749742A - 一种低品质余热回收利用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低品质余热回收利用系统，包括余热回收系统和循环系统；余热回收系统包括余热进气管路、热管蒸汽发生器和余热出气管路；循环系统包括储气罐传感器组、储气罐、进气口传感器组、拉瓦尔喷管、罗茨动力机、出气口传感器组、冷凝器液位计、冷凝器、凝补泵、补液箱和给液泵。本系统以低品质余热气体作为热源，余热回收系统使液态工质吸收余热气体中的热量，转换成气态，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高效回收再利用，结构简单，能源利用率高，热转换效率高。

Description

一种低品质余热回收利用系统

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回收利用系统。

背景技术

随着工业技术和经济的发展，不可再生资源的消耗加剧，能源问题越来越凸显。回收利用能源技术得到越来越多重视，且低品位能源的回收再利用技术可以大大降低高品位能源的消耗，降低能源成本。低品位热能种类很多，常见的有太阳热能、地热能、工业余热和海洋温差能。低品位热源一般温度低于200℃，比如工业余热，而在当前的工业生产过程中，存在很多工业余热能源，有大量的工业余热能源以气体形式散发到环境中，从环境保护角度看，这种现象加剧了环境污染，从能源利用效率角度看，这种现象浪费了能源，影响能源利用率。现有低于300℃的低品质余热蒸汽，绝大多数没有进行有效地回收和利用，若能将其回收利用，可有效解决目前短缺的能源问题，并有效保护环境。

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和单出气口。单出气管路会造成气体回流，基圆容积中的压强差变小，导致气体的做功变小，气体推动叶片转动的力变小，造成气体的利用率降低。气体的利用率降低会造成能源的浪费，能源的利用率降低。

发明内容

针对现有技术的不足，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回收利用系统。

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回收利用系统，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余热进气管路、热管蒸汽发生器和余热出气管路；余热进气管路的一端为余热进气口，余热进气管路上设置有电动阀和截止阀，另一端与热管蒸汽发生器的余热进气口连接；余热出气管路的一端为余热出气口，余热出气管路上设置有电动阀和截止阀，另一端与热管蒸汽发生器的余热出气口连接；

所述循环系统包括储气罐传感器组、储气罐、进气口传感器组、拉瓦尔喷管、罗茨动力机、出气口传感器组、冷凝器液位计、冷凝器、凝补泵、补液箱和给液泵；

热管蒸汽发生器的工质出口通过管路与储气罐的进气口连接，管路上设置有储气罐传感器组；储气罐的出气口连接三条管路，其中两条管路与拉瓦尔喷管的进气口相连，两条管路上均依次设置有电动阀和进气口传感器组；拉瓦尔喷管的出气口与罗茨动力机的进气口相连；冷凝器的进气口与储气罐出气口处的另一条管路相连，管路上设置有电动阀；冷凝器的进气口与罗茨动力机的出气口相连，管路上设置有出气口传感器组；冷凝器上设置有冷凝器液位计，用于检测冷凝器的液位变化；补液箱通过排液管路和给液管路与冷凝器相连，排液管路上设置有截止阀，给液管路上设置有截止阀和凝补泵；冷凝器的液态工质出口通过管路与热管蒸汽发生器的工质进口连接，管路上设置有流量计和给液泵。

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作为热源，余热回收系统使液态工质吸收余热气体中的热量，转换成气态，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高效回收再利用，结构简单，能源利用率高，热转换效率高。

(2)采用拉瓦尔喷管，一是通过控制喷管喉部的面积实现对气体的控制，确保气体压强维持在预定的压强；二是通过拉瓦尔喷管先收敛后扩张的几何结构使气体流速发生增加，气体的喷出产生推力。

(3)罗茨动力机选用三叶扭叶转子式罗茨动力机，较于直叶转子，本罗茨动力机的面积利用系数提高了11.74％，啮合重合度提高了28.9％，工作性能有效提高，发电性能随之提高。

(4)罗茨动力机的机壳左右两侧对称开有两个出气口，从两侧同时出气可以使出气更加平稳，更平稳更有力地推动罗茨动力机转动，减小噪声，罗茨动力机工作更加稳定。单进气口双出气口的设置减少气体回流现象，进出气口压强差变大。

(5)循环系统中将气体分成三路，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。

(6)储气罐进气处、罗茨动力机的进气口和出气口处均安装了传感器组，这些传感器组检测相应位置的气体参数，实时监测进出口数值，与入口处数值形成闭环控制，实时反馈给测控系统进行精准调节。通过这些参数来控制管路上相关阀门的开闭程度，以保证罗茨动力机的平稳运行。

(7)罗茨动力机的输出轴上设置有扭矩传感器，实时监测其扭矩和角速度。在动力输出轴端安装了变速器，变速器改变了发电机与蒸汽动力机直联的方式，减小了发电机因负载变化而对蒸汽动力机的冲击力，延长了使用寿命。

(8)设置有编码器，测量发电机产生的电能信号，检测发电机发电是否稳定，以此作为依据，调整系统中阀门的开关程度。

附图说明

图1是本发明的系统整体结构示意图；

图2是本发明的罗茨动力机的结构示意图；

图中，1、余热进气管路；2、热管蒸汽发生器；3、储气罐传感器组；4、储气罐；5、进气口传感器组；6、拉瓦尔喷管；7、罗茨动力机；8、扭矩传感器；9、编码器；10、发电机；11、变速器；12、出气口传感器组；13、冷凝器液位计；14、冷凝器；15、凝补泵；16、补液箱；17、凝结水泵；18、除氧器液位计；19、除氧器；20、给液泵；21、余热出气管路；7.1、进气口；7.2、转子；7.3、右侧出气口；7.4、转轴；7.5、左侧出气口；7.6、机壳。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。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回收利用系统(简称系统，参见图1-2)，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余热进气管路1、热管蒸汽发生器2和余热出气管路21；余热进气管路1的一端为余热进气口，用于余热气体的进入，余热进气管路1上设置有电动阀和截止阀，另一端与热管蒸汽发生器2的余热进气口连接，利用余热气体的热量将热管蒸汽发生器2中的液态工质气化为工质蒸气；余热出气管路21的一端为余热出气口，用于放热后的余热气体的排出，余热出气管路21上设置有电动阀和截止阀，另一端与热管蒸汽发生器2的余热出气口连接；

所述循环系统包括储气罐传感器组3、储气罐4、进气口传感器组5、拉瓦尔喷管6、罗茨动力机7、出气口传感器组12、冷凝器液位计13、冷凝器14、凝补泵15、补液箱16和给液泵20；

热管蒸汽发生器2的工质出口通过管路与储气罐4的进气口连接，管路上设置有储气罐传感器组3；储气罐4用来储存工质蒸气；储气罐4的出气口连接三条管路，其中两条管路与拉瓦尔喷管6的进气口相连，输入气体，两条管路上均依次设置有电动阀和进气口传感器组5；拉瓦尔喷管6用于维持气体的压强，增加气体的流速，产生更大的气体推力，拉瓦尔喷管6的出气口与罗茨动力机7的进气口7.1相连，输送气体，气体作用于罗茨动力机7内产生机械能；罗茨动力机7具有动力输出端(即输出轴7.4)，用于输出动力；冷凝器14的一个进气口与储气罐4出气口处的另一条管路相连，将储气罐4中多余的气体输送到冷凝器14中，管路上设置有电动阀，气体在冷凝器14中冷凝成液体；冷凝器14的另一个进气口与罗茨动力机7的出气口相连，做功结束的气体在冷凝器14中冷凝成液体，管路上设置有出气口传感器组12；冷凝器14上设置有冷凝器液位计13，用于检测冷凝器14的液位变化；补液箱16通过排液管路和给液管路与冷凝器14相连，排液管路上设置有截止阀，给液管路上设置有截止阀和凝补泵15；凝补泵15用于补液箱16对冷凝器14补液时，为液体提供动力；冷凝器14的液态工质出口通过管路与热管蒸汽发生器2的工质进口连接，管路上设置有流量计和给液泵20，流量计用来检测管路中液体的流量；给液泵20将冷凝器14内的液态工质提高压力后输送给热管蒸汽发生器2，以满足热管蒸汽发生器2的需要。

优选地，按照气体流向，余热进气管路1上依次设置有电动阀和截止阀，余热出气管路21上依次设置有截止阀和电动阀。

优选地，所述储气罐传感器组3、进气口传感器组5和出气口传感器组12均包括温度计、压力表和流量计，分别用于检测相应管路的温度、压力和流量；热管蒸汽发生器2与储气罐4之间的管路上按气体流向依次设置有温度计、压力表和流量计，用来检测热管蒸汽发生器2产生的气体的温度、压力和流量；储气罐4与拉瓦尔喷管6之间的两条管路上按气体流向分别依次设置有电动阀、温度计、压力表和流量计，用于检测罗茨动力机7进口气体的温度、压力和流量；罗茨动力机7和冷凝器14之间的管路上按气体流向依次设置有温度计、压力表和流量计，用来检测罗茨动力机7出口气体的温度、压力和流量。

优选地，给液管路上按照液体流向，凝补泵15位于截止阀后方。

优选地，冷凝器14与热管蒸汽发生器2之间的管路上按液体流向依次设置有流量计和给液泵20。

优选地，当循环工质采用水时，循环系统还包括凝结水泵17和除氧器19；凝结水泵17和除氧器19设置于冷凝器14和此管路上的流量计之间；按照液体流向，除氧器19设置于凝结水泵17的后方；除氧器19除去水中的氧气及其他气体，保证给水的品质；凝结水泵17的作用是把冷凝器14中的水打入除氧器19中，既维持冷凝器14中水位稳定又保证除氧器19中的水量；除氧器19上设置有除氧器液位计18，用于检测除氧器19的液位变化；给液泵20将除氧器19内具有一定温度且除过氧的水提高压力后输送给热管蒸汽发生器2，以满足热管蒸汽发生器2的需要。

截止阀用于控制管路的通断，电动阀用于控制管路中的流量。

优选地，所述罗茨动力机7可采用三叶扭叶转子式罗茨动力机，包括机壳7.6、转子7.2和输出轴7.4；转子7.2通过输出轴7.4可转动地安装于机壳7.6内部；输出轴7.4用于输出动力；机壳7.6的左右两侧对称开有左侧出气口7.5和右侧出气口7.3，两个出气口通过管路和三通阀与冷凝器14的一个进气口相连，从两侧同时出气，可以使出气更加平稳，减小噪声，罗茨动力机7工作更加稳定；左侧出气口7.5和右侧出气口7.3与输出轴7.4共平面；机壳7.6的上部开有进气口7.1，进气口7.1与拉瓦尔喷管6的出气口连接；转子7.2采用一对啮合的三叶扭叶转子。蒸汽通过进气口7.1进入罗茨动力机7的容腔内，蒸汽压力推动转子7.2膨胀做功，转子7.2啮合旋转过程中带动输出轴7.4旋转做功，将热能转化为机械能，再经由输出轴7.4输出，蒸汽同时从左侧出气口7.5和右侧出气口7.3排出。本实施例中罗茨动力机7的容腔体积22.7L，做功压力0.2Mpa，配合发电机额定转速500r/min。

优选地，所述循环系统还包括扭矩传感器8；罗茨动力机7的输出轴7.4上设置有扭矩传感器8，实时监测输出轴7.4的扭矩和角速度。

优选地，所述循环系统还包括变速器11，可采用无级变速器；罗茨动力机7的输出轴7.4与变速器11相连。变速器11可以根据输出的需要调整罗茨动力机7的输出轴7.4的转速。

本系统可通过罗茨动力机7的动力输出端连接变速器11分别外接发电系统或水泵；外接发电系统时，变速器11的动力输出连接发电机10，发电机10用于电能的产生，变速器11减少发电机10发电时对罗茨动力机7的冲击力，编码器9与发电机10相连，编码器9用于电能的监测，型号为TepS3806G-300BM-C526；外接水泵时，为工业各方面用水提供动力，变速器11可以提高供水效率。

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管路1进入到热管蒸汽发生器2中，在热管蒸汽发生器2中进行热交换，热交换完的余热气体通过余热出气管路21排出；

液态工质经过热管蒸汽发生器2热交换后气化为工质气体，经过储气罐传感器组3的测量后储存在储气罐4中；储气罐4中的一部分气体经由两条管路经过进气口传感器组5的测量后进入拉瓦尔喷管6，在拉瓦尔喷管6加速稳压之后进入罗茨动力机7中，气体作用于罗茨动力7产生机械能，在罗茨动力机7做完功的气体进入到冷凝器14中；储气罐4中的另一部分气体直接进入到冷凝器14中；气体在冷凝器14中冷凝成液态，冷凝器液位计13测量冷凝器14中的水量；再通过给液泵20将液态工质输送到热管蒸汽发生器2进行热交换，并通过流量计测量进入到热管蒸汽发生器2的液态工质的流量；在整个循环过程中，液态工质和气体会有损耗，为了保证系统的工质平衡，当冷凝器14中的液态工质较多时，通过排液管路将多余的液态工质排入补液箱16；当冷凝器14中的液态工质较少时，补液箱16中的液态工质在凝补泵15的作用下进入到冷凝器14，以此来弥补系统中的液态工质的损失。

本实施例中，当液态工质采用水时，水经过热管蒸汽发生器2热交换后气化为蒸汽，经过储气罐传感器组3的测量后储存在储气罐4中；储气罐4中的一部分蒸汽经由两条管路经过进气口传感器组5的测量后进入拉瓦尔喷管6，在拉瓦尔喷管6加速稳压之后进入罗茨动力机7中，蒸汽作用于罗茨动力7产生机械能，在罗茨动力机7做完功的蒸汽进入到冷凝器14中；储气罐4中的另一部分蒸汽直接进入到冷凝器14中；蒸汽在冷凝器14中冷凝成水，冷凝器液位计13测量冷凝器14中的水量；凝结水泵17将冷凝器14中的水输送到除氧器19中，除去水中的氧气及其他物质，除氧器液位计18测量除氧器19中的水的液位；再通过给液泵20将水输送到热管蒸汽发生器2进行热交换，并通过流量计测量进入到热管蒸汽发生器2的水的流量；在整个循环过程中，水和蒸汽会有损耗，为了保证系统的水平衡，当冷凝器14中的水较多时，通过排液管路将多余的水排入补液箱16；当冷凝器14的水较少时，补液箱16中的水在凝补泵15的作用下进入到冷凝器14，以此来弥补系统中的水的损失。

初始状态下储气罐4的进气口处于关闭状态，液态工质进入热管蒸汽发生器2换热后，测控系统检测换热后的气体的温度、压力和流量参数是否达到可以推动罗茨动力机7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4的进气口，导入气体，导入后关闭储气罐4的进气口，等待下一次换热完成；

优选地，当罗茨动力机7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储气罐4直接连接冷凝器14的这一管路上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7稳定运转做功；当压力差大于设定值时，增大储气罐4直接连接冷凝器14的这一管路上的电动阀的开度，反之减小开度。

优选地，外接发电系统时，当发电机10发电不稳定或者不满足要求时，测控系统会根据编码器9测量到的发电机10的电能状况参数控制储气罐4的出气口连接的三条管路上的电动阀的开闭程度，从而控制进入罗茨动力机7做功的气体的流量，直到发电机10稳定发电或发电满足要求，以此来保证罗茨动力机7稳定运转做功。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (9)

1.一种低品质余热回收利用系统，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余热进气管路、热管蒸汽发生器和余热出气管路；余热进气管路的一端为余热进气口，余热进气管路上设置有电动阀和截止阀，另一端与热管蒸汽发生器的余热进气口连接；余热出气管路的一端为余热出气口，余热出气管路上设置有电动阀和截止阀，另一端与热管蒸汽发生器的余热出气口连接；

所述循环系统包括储气罐传感器组、储气罐、进气口传感器组、拉瓦尔喷管、罗茨动力机、出气口传感器组、冷凝器液位计、冷凝器、凝补泵、补液箱和给液泵；

热管蒸汽发生器的工质出口通过管路与储气罐的进气口连接，管路上设置有储气罐传感器组；储气罐的出气口连接三条管路，其中两条管路与拉瓦尔喷管的进气口相连，两条管路上均依次设置有电动阀和进气口传感器组；拉瓦尔喷管的出气口与罗茨动力机的进气口相连；冷凝器的进气口与储气罐出气口处的另一条管路相连，管路上设置有电动阀；冷凝器的进气口与罗茨动力机的出气口相连，管路上设置有出气口传感器组；冷凝器上设置有冷凝器液位计，用于检测冷凝器的液位变化；补液箱通过排液管路和给液管路与冷凝器相连，排液管路上设置有截止阀，给液管路上设置有截止阀和凝补泵；冷凝器的液态工质出口通过管路与热管蒸汽发生器的工质进口连接，管路上设置有流量计和给液泵。

2.根据权利要求1所述的低品质余热回收利用系统，其特征在于按照气体流向，余热进气管路上依次设置有电动阀和截止阀，余热出气管路上依次设置有截止阀和电动阀。

3.根据权利要求1所述的低品质余热回收利用系统，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温度计、压力表和流量计；热管蒸汽发生器与储气罐之间的管路上按气体流向依次设置有温度计、压力表和流量计；储气罐与拉瓦尔喷管之间的两条管路上按气体流向分别依次设置有电动阀、温度计、压力表和流量计；罗茨动力机和冷凝器之间的管路上按气体流向依次设置有温度计、压力表和流量计。

4.根据权利要求1所述的低品质余热回收利用系统，其特征在于给液管路上按照液体流向，凝补泵位于截止阀后方。

5.根据权利要求1所述的低品质余热回收利用系统，其特征在于冷凝器与热管蒸汽发生器之间的管路上按液体流向依次设置有流量计和给液泵。

6.根据权利要求1所述的低品质余热回收利用系统，其特征在于当循环工质采用水时，循环系统还包括凝结水泵和除氧器；凝结水泵和除氧器设置于冷凝器和此管路上的流量计之间；按照液体流向，除氧器设置于凝结水泵的后方；除氧器上设置有除氧器液位计，用于检测除氧器的液位变化。

7.根据权利要求1所述的低品质余热回收利用系统，其特征在于所述罗茨动力机包括机壳、转子和输出轴；转子通过输出轴可转动地安装于机壳内部；输出轴用于输出动力；机壳的左右两侧对称开有左侧出气口和右侧出气口，两个出气口通过管路和三通阀与冷凝器的一个进气口相连；左侧出气口和右侧出气口与输出轴共平面；机壳的上部开有进气口，进气口与拉瓦尔喷管的出气口连接；转子采用一对啮合的三叶扭叶转子。

8.根据权利要求1或7所述的低品质余热回收利用系统，其特征在于所述循环系统还包括扭矩传感器；罗茨动力机的输出轴上设置有扭矩传感器，实时监测输出轴的扭矩和角速度。

9.根据权利要求1或7所述的低品质余热回收利用系统，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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