CN111927589A - 基于无泵引射增压技术的朗肯循环系统及循环方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及朗肯循环领域，尤其是一种基于无泵引射增压技术的朗肯循环系统及循环方法。包括发生器、膨胀机和冷凝器，还包括储液罐和增压模块，发生器、膨胀机、冷凝器、储液罐和增压模块依次连接，形成闭环的循环系统，增压模块的出液口与发生器的进液口连接，发生器的出气口与膨胀机的进气口连接，膨胀机的出气口与冷凝器的进气口连接，冷凝器的出液口与储液罐的进液口连接，储液罐的出液口与分别与两增压模块连接，两增压模块的出液口分别与发生器的进液口连接。其可以利用广泛存在的低品位热能如海洋温差能，烟气余热、地热能等，驱动有机朗肯工质输出功，并且不需要使用电力驱动泵，成本低，效率高。

Description

基于无泵引射增压技术的朗肯循环系统及循环方法

技术领域

本发明涉及朗肯循环领域，尤其是一种基于无泵引射增压技术的朗肯循环系统及循环方法。

背景技术

随着世界经济的发展以及能耗的增加，能源与环境问题目前已经成为全世界所共同关注的热点问题，而低品位热能来源广泛，太阳能、海洋能、企业生产过程中产生的低品位废热、甚至是烟气排放的热量等，却难以被利用。

通常对于低品位温差资源，使用朗肯循环或者吸收式循环可转化为功或冷量等其他所需资源。朗肯循环和吸收式循环通常使用氨、R40、R134等作为工质，该类工质常常具有破坏大气层、有毒、导致全球变暖等缺陷。同时，此类循环除管件、换热器等部件外，还包含有泵等旋转部件，旋转部件存在密封问题，极易出现介质泄露。而为实现旋转部件可靠密封所需成本巨大，另外该部件在工作过程中耗费大量的电力，由此造成的效率损失非常巨大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种基于无泵引射增压技术的朗肯循环系统及循环方法，其可以利用广泛存在的低品位热能如海洋温差能，烟气余热、地热能等，驱动有机朗肯工质输出功，并且不需要使用电力驱动泵，成本低，效率高。

本发明的技术方案是：一种基于无泵引射增压技术的朗肯循环系统，包括发生器、膨胀机和冷凝器，还包括储液罐和增压模块，发生器、膨胀机、冷凝器、储液罐和增压模块依次连接，形成闭环的循环系统，增压模块的出液口与发生器的进液口连接，发生器的出气口与膨胀机的进气口连接，膨胀机的出气口与冷凝器的进气口连接，冷凝器的出液口与储液罐的进液口连接，储液罐的出液口与分别与两增压模块连接，两增压模块的出液口分别与发生器的进液口连接；

所述增压模块包括引射器、相变换热器和数个电磁阀，相变换热器上设有冷源入口、冷源出口、热源入口和热源出口，冷源入口处设有电磁阀Ⅷ，冷源出口处设有电磁阀Ⅴ，热源入口处设有电磁阀Ⅶ，热源出口处设有电磁阀Ⅵ，相变换热器的出气口与引射器的引射气体入口的连接管路上设有电磁阀Ⅱ，储液罐的出液口与相变换热器的进气口的连接管路上设有电磁阀Ⅳ，储液罐的出液口与引射器的被引射液体入口的连接管路上设有电磁阀Ⅲ，引射器的出液口与发生器的进液口的连接管路上设有电磁阀Ⅰ。

本发明中，包括至少一个增压模块，当设置数个增压模块时，各模块之间呈并联设置。既可以使用一个增压模块间断运行，也可以使用两个及两个以上的增压模块并联运行。

本发明还包括一种上述循环系统的循环方法，该方法包括以下步骤：

S1.对低压制冷剂工质进行增压；

S1.1充液：利用冷源对相变换热器进行冷却，使相变换热器的温度小于冷凝器出液口处的温度，工质在不同温度下对应的压力不同，使相变换热器压力小于储液罐，储液罐内的低压制冷剂工质在压差作用下自动流入相变换热器内；

S1.2引射：利用热源对相变换热器进行加热，相变换热器内的液态制冷剂工质吸热变为气态工质，相变换热器出口处的温度高于发生器的温度，相变换热器与发生器之间存在压差，在压差作用下，相变换热器内的高压气态制冷剂工质进入引射器内，在引射器内产生低压区，低压区压力小于储液罐压力，引射器的将储液罐内的低压液态制冷剂工质吸入引射器内，与高压气态制冷剂工质混合后呈气液混合态，并流入发生器内。

S2.液态制冷剂工质输送到发生器内进行加热，并流入过热器，经过过热后产生过热蒸汽，过热蒸汽流向膨胀机，产生功/电，膨胀机出口被冷却的乏汽流向冷凝器，经过冷凝后成为液态制冷剂流向储液罐保存，并循环S1中的冲压和引射，从而实现制冷剂工质的循环。

在上述循环过程中，既可以在发生器、冷凝器与相变换热器之间利用热源温度的不同实现其温差，也可以在发生器、冷凝器、相变换热器之间利用相同的热源但换热器换热系数不同而导致的出口温度不同实现其温差，温差产生压差，在压差作用下实现流体输送。

在步骤S1.1中，电磁阀Ⅰ、电磁阀Ⅱ、电磁阀Ⅲ、电磁阀Ⅵ、电磁阀Ⅶ均为关闭状态；电磁阀Ⅳ、电磁阀Ⅴ、电磁阀Ⅷ均为开启状态，冷源进入相变换热器内，通过电磁阀Ⅷ进入相变换热器的冷源温度低于冷凝器内的冷源温度，相变换热器内的压力较冷凝器内的压力更低，储液罐与相变换热器之间的压差要大于储液罐与冷凝器之间的压差，储液罐内的液体被吸引至相变换热器中。

在步骤S1.2中，电磁阀Ⅳ、电磁阀Ⅴ、电磁阀Ⅷ均为关闭状态；电磁阀Ⅰ、电磁阀Ⅱ、电磁阀Ⅲ、电磁阀Ⅵ、电磁阀Ⅶ均为开启状态，热源进入相变换热器内，相变换热器中的低压液态工质吸热后变为高压气态工质，进入电磁阀Ⅶ的热源温度高于发生器的热源温度，相变换热器内的压力较发生器内的压力更高，相变换热器与发生器之间存在压差，由相变换热器产生的高压气态工质由电磁阀Ⅱ进入引射器内，储液罐内的低压液态工质通过电磁阀Ⅲ被吸至引射器内。

本发明的有益效果是：

(1)利用低品位能实现热工转换，不借助外界能量输入即可完成转换；

(2)不使用泵，密封性好工质不泄露；

(3)由于没有使用泵，该系统可长期布置在海面以下的海洋温差能转换平台中，噪音小，抗腐蚀性能好；

(4)由于利用温差引起压差继而产生推动功，故该设备布置灵活，增压模块可布置在比储液罐高的位置。

(5)由于使用多增压模块并联，故该系统可利用控制系统实现系统的连续运行；

(6)该结构特别适用于温差较小的动力系统中，热电效率较高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是增压模块的结构示意图。

图中：1发生器；2过热器；3膨胀机；4冷凝器；5储液罐；6增压模块Ⅰ；7增压模块Ⅱ；8电磁阀Ⅰ；9引射器；10电磁阀Ⅱ；11相变换热器；12电磁阀Ⅲ；13电磁阀Ⅳ；14电磁阀Ⅴ；15电磁阀Ⅵ；16电磁阀Ⅶ；17电磁阀Ⅷ。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

如图1所示，本发明包括如图1所示的基于无泵引射增压技术的朗肯循环系统，包括发生器1、膨胀机3、冷凝器4、储液罐5和增压模块，发生器1、膨胀机3、冷凝器4、储液罐5和增压模块依次连接，形成一个闭环的循环系统，本实施例包含两个并联的增压模块Ⅰ6和增压模块Ⅱ7，增压模块Ⅰ6和增压模块Ⅱ7之间呈并联设置。增压模块Ⅰ6和增压模块Ⅱ7的出液口均与发生器1的进液口连接，发生器1的出气口与膨胀机3的进气口连接，膨胀机3的出气口与冷凝器4的进气口连接，冷凝器4的出液口与储液罐5的进液口连接，储液罐5的出液口与分别与两增压模块连接，两增压模块的出液口分别与发生器的进液口连接。本实施例中，发生器1与膨胀机3之间设有过热器2，发生器1的出气口与过热器2的进气口连接，过热器2的出气口与膨胀机3的进气口连接。

由增压模块流入发生器1的制冷剂工质以液态为主、并伴有少量气体，发生器1内的热源对制冷剂工质进行加热，加热后的制冷剂工质以气态为主，并伴有少量液体。发生器1流出的高压蒸汽进入过热器2，过热器2内的热源对工质进一步加热后，制冷剂工质完全气态，并流向膨胀机3。膨胀机3为旋转部件，外部连接发电机等动力设备，高压气态工质进入膨胀机3后，带动叶轮旋转，叶轮旋转带动发电机旋转，产生电力，做功后的气态循环工质由高压状态变为低压状态，流向冷凝器4。冷凝器4内的冷源对制冷剂工质进行冷凝降温，制冷剂工质由气态转变为完全液态，并流向储液罐5。储液罐5内的液态制冷剂工质为低压状态。增压模块将储液罐5内的液态制冷剂工质进行增压并输送发生器1。

如图2所示，本发明的增压模块包括引射器9、相变换热器11和多个电磁阀，相变换热器11上设有冷源入口、冷源出口、热源入口和热源出口，其冷源入口处设有电磁阀Ⅷ17，冷源出口处设有电磁阀Ⅴ14，热源入口处设有电磁阀Ⅶ16，热源出口处设有电磁阀Ⅵ15。相变换热器11的出气口与引射器9的引射气体入口连接，其连接管路上设有电磁阀Ⅱ10；储液罐5的出液口与相变换热器11的进气口连接，其连接管路上设有电磁阀Ⅳ13；储液罐5的出液口同时与引射器9的被引射液体入口连接，其连接管路上设有电磁阀Ⅲ12；引射器9的出液口与发生器1的进液口连接，其连接管路上设有电磁阀Ⅰ8。利用电磁阀控制制冷剂工质、以及热源/冷源流入流出，实现关闭、充液、引射工作模式的切换。

由于增压模块实际上是间歇式工作，不同工质对应的引射/充液时间也不尽相同，这主要受气体与液体体积比、不同温度下的制冷剂饱和压力、管径比决定，要实现整个系统的连续工作，理论上需要至少两个增压模块来输送液体。因此本实施例采用两个增压模块。

增压模块Ⅰ6和增压模块Ⅱ7处于关闭模式时，电磁阀Ⅰ8、电磁阀Ⅱ10、电磁阀Ⅲ12、电磁阀Ⅳ13、电磁阀Ⅴ14、电磁阀Ⅵ15、电磁阀Ⅶ16、电磁阀Ⅷ17均为关闭状态，此时制冷剂工质无法从储液罐5流向增压模块，也无法从增压模块流向发生器1。

当增压模块Ⅰ6和/或增压模块Ⅱ7处于充液模式时，电磁阀Ⅰ5、电磁阀Ⅱ10、电磁阀Ⅲ12、电磁阀Ⅵ15、电磁阀Ⅶ16均为关闭状态；电磁阀Ⅳ13、电磁阀Ⅴ14、电磁阀Ⅷ17均为开启状态，此时冷源进入相变换热器11内，通过电磁阀Ⅷ17进入相变换热器11的冷源温度低于冷凝器4内的冷源温度，由于温差产生压差，相变换热器11内的压力较冷凝器4内的压力更低，即储液罐与相变换热器之间的压差要大于储液罐与冷凝器之间的压差，因此储液罐5内的液体被吸引至相变换热器11中。

当增压模块Ⅰ6和/或增压模块Ⅱ7处于引射模式时，电磁阀Ⅳ13、电磁阀Ⅴ14、电磁阀Ⅷ17均为关闭状态；电磁阀Ⅰ8、电磁阀Ⅱ10、电磁阀Ⅲ12、电磁阀Ⅵ15、电磁阀Ⅶ15均为开启状态，此时热源进入相变换热器11中。热源对相变换热器11中的液体进行加热，低压液态工质吸热后变为高压气态工质，同时进入电磁阀Ⅶ10的热源温度高于发生器1的热源温度，由于温差产生压差，相变换热器11内的压力较发生器1内的压力更高，相变换热器11与发生器1之间存在压差，由相变换热器11产生的高压气态工质由电磁阀Ⅱ10进入引射器9内。引射器利用高压流体体积变化将被引射侧低压流体输送至次高压出口，引射器包括喷嘴、接受室、混合室和扩压室，高压气态工质以较高的速度从喷嘴进入接受室，形成射流，产生卷吸流动。由于气体流动处于高速而出现一个负压区，储液罐5内的低压液态工质通过电磁阀Ⅲ12被吸至引射器内，并与经电磁阀Ⅱ流入的高压气体工质混合，并经电磁阀Ⅰ8流向发生器。

本发明利用引射器进行气液引射，效果较好，结合相变换热器实现连续的流体从低压侧向高压侧输运，既实现了循环的平稳运行，又无需外界输入功，效果良好，且引射侧高压流体与低压流体混合后，热能可用于减小发生器所需热能，效果良好。

本实施例中，增压模块Ⅰ6和增压模块Ⅱ7由充液模式切换至引射模式可先进入关闭模式，再开启电磁阀Ⅵ15、电磁阀Ⅶ16，对相变换热器进行预热，以使系统运行更稳定，防止倒灌。

所述增压模块Ⅰ6和增压模块Ⅱ7由切换引射模式至充液模式可先进入关闭模式，再开启电磁阀Ⅴ14、电磁阀Ⅷ17，对相变换热器11进行预冷，以使系统运行更稳定，防止倒灌。

本发明中，该系统包括但不限于两个增压模块，既可以使用一个增压模块间断运行，也可以使用两个及两个以上的增压模块并联运行。

该系统所采用的循环工质包括但不限于有机朗肯工质如R113,R134A,R22,氨等，亦包含共沸和非共沸混合物。

该系统中采用的冷热源包括但不限于地热能、海洋温差能、空气热能、工业废热等。

本发明还包括一种上述循环系统的循环方法，该方法包括以下步骤：

第一步，对低压制冷剂工质进行增压。该步骤包括充液和引射两个步骤。

首先，通过冷源对相变换热器进行冷却，使相变换热器的温度小于冷凝器出液口处的温度，工质在不同温度下对应的压力不同，使相变换热器压力的小于储液罐的压力，储液罐内的低压制冷剂工质在压差作用下自动流入相变换热器内；

其次，利用热源对相变换热器进行加热，相变换热器内的液态制冷剂工质吸热变为气态工质，相变换热器出口处的温度高于发生器的温度，相变换热器与发生器之间存在压差，在压差作用下，相变换热器内的高压气态制冷剂工质进入引射器内，在引射器内产生低压区，低压区压力小于储液罐压力，引射器将储液罐内的低压液态制冷剂工质吸入引射器内，与高压气态制冷剂工质混合后呈气液混合态，并流入发生器内。

第二步，液态制冷剂工质输送到发生器内进行加热，并流入过热器，经过过热后产生过热蒸汽，过热蒸汽流向膨胀机，产生功/电，膨胀机出口被冷却的乏汽流向冷凝器，经过冷凝后成为液态制冷剂流向储液罐保存，并循环第一步中的冲压和引射，从而实现制冷剂工质的循环。

在上述循环过程中，既可以在发生器、冷凝器与相变换热器之间利用热源温度的不同实现其温差，也可以在发生器、冷凝器、相变换热器之间利用相同的热源但换热器换热系数不同而导致的出口温度不同实现其温差，温差产生压差，在压差作用下实现流体输送。

以上对本发明所提供的基于无泵引射增压技术的朗肯循环系统及循环方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种基于无泵引射增压技术的朗肯循环系统，包括发生器(1)、膨胀机(3)和冷凝器(4)，其特征在于：还包括储液罐(5)和增压模块，发生器(1)、膨胀机(3)、冷凝器(4)、储液罐(5)和增压模块依次连接，形成闭环的循环系统，增压模块的出液口与发生器(1)的进液口连接，发生器(1)的出气口与膨胀机(3)的进气口连接，膨胀机(3)的出气口与冷凝器(4)的进气口连接，冷凝器(4)的出液口与储液罐(5)的进液口连接，储液罐(5)的出液口与分别与两增压模块连接，两增压模块的出液口分别与发生器的进液口连接；

所述增压模块包括引射器(9)、相变换热器(11)和数个电磁阀，相变换热器(11)上设有冷源入口、冷源出口、热源入口和热源出口，冷源入口处设有电磁阀Ⅷ(17)，冷源出口处设有电磁阀Ⅴ(14)，热源入口处设有电磁阀Ⅶ(16)，热源出口处设有电磁阀Ⅵ(15)，相变换热器(11)的出气口与引射器(9)的引射气体入口的连接管路上设有电磁阀Ⅱ(10)，储液罐(5)的出液口与相变换热器(11)的进气口的连接管路上设有电磁阀Ⅳ(13)，储液罐(5)的出液口与引射器(9)的被引射液体入口的连接管路上设有电磁阀Ⅲ(12)，引射器(9)的出液口与发生器(1)的进液口的连接管路上设有电磁阀Ⅰ(8)。

2.根据权利要求1所述的基于无泵引射增压技术的朗肯循环系统，其特征在于：包括至少一个增压模块，当设置数个增压模块时，各模块之间呈并联设置。

3.一种权利要求1-2任一权利要求所述基于无泵引射增压技术的朗肯循环系统的循环方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

S1.对低压制冷剂工质进行增压；

S1.1充液：利用冷源对相变换热器进行冷却，使相变换热器的温度小于冷凝器出液口处的温度，工质在不同温度下对应的压力不同，使相变换热器压力的小于储液罐的压力，储液罐内的低压制冷剂工质在压差作用下自动流入相变换热器内；

S1.2引射：利用热源对相变换热器进行加热，相变换热器内的液态制冷剂工质吸热变为气态工质，相变换热器出口处的温度高于发生器的温度，相变换热器与发生器之间存在压差，在压差作用下，相变换热器内的高压气态制冷剂工质进入引射器内，在引射器内产生低压区，低压区压力小于储液罐压力，引射器将储液罐内的低压液态制冷剂工质吸入引射器内，与高压气态制冷剂工质混合后呈气液混合态，并流入发生器内。

S2.液态制冷剂工质输送到发生器内进行加热，并流入过热器，经过过热后产生过热蒸汽，过热蒸汽流向膨胀机，产生功/电，膨胀机出口被冷却的乏汽流向冷凝器，经过冷凝后成为液态制冷剂流向储液罐保存，并循环S1中的冲压和引射，从而实现制冷剂工质的循环。

4.根据权利要求3所述的基于无泵引射增压技术的朗肯循环方法，其特征在于：在发生器、冷凝器与相变换热器之间利用热源温度的不同实现其温差，温差产生压差，在压差作用下实现流体输送。

5.根据权利要求3所述的基于无泵引射增压技术的朗肯循环方法，其特征在于：在步骤S1.1中，电磁阀Ⅰ、电磁阀Ⅱ、电磁阀Ⅲ、电磁阀Ⅵ、电磁阀Ⅶ均为关闭状态；电磁阀Ⅳ、电磁阀Ⅴ、电磁阀Ⅷ均为开启状态，冷源进入相变换热器内，通过电磁阀Ⅷ进入相变换热器的冷源温度低于冷凝器内的冷源温度，相变换热器内的压力较冷凝器内的压力更低，储液罐与相变换热器之间的压差要大于储液罐与冷凝器之间的压差，储液罐内的液体被吸引至相变换热器中。

6.根据权利要求3所述的基于无泵引射增压技术的朗肯循环方法，其特征在于：在步骤S1.2中，电磁阀Ⅳ、电磁阀Ⅴ、电磁阀Ⅷ均为关闭状态；电磁阀Ⅰ、电磁阀Ⅱ、电磁阀Ⅲ、电磁阀Ⅵ、电磁阀Ⅶ均为开启状态，热源进入相变换热器内，相变换热器中的低压液态工质吸热后变为高压气态工质，进入电磁阀Ⅶ的热源温度高于发生器的热源温度，相变换热器内的压力较发生器内的压力更高，相变换热器与发生器之间存在压差，由相变换热器产生的高压气态工质由电磁阀Ⅱ进入引射器内，储液罐内的低压液态工质通过电磁阀Ⅲ被吸至引射器内。

7.根据权利要求3所述的基于无泵引射增压技术的朗肯循环方法，其特征在于：在发生器、冷凝器、相变换热器之间利用相同的热源但换热器换热系数不同而导致的出口温度不同实现其温差，温差产生压差，在压差作用下实现流体输送。

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