CN207999297U - 一种采用降膜式蒸发器的新型有机朗肯循环发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种采用降膜式蒸发器的新型有机朗肯循环发电系统，所述系统包括预热器、降膜式蒸发器、气液分离器、膨胀机、发电机、回热器、储液器、工质泵和冷凝处理装置，所述冷凝处理装置包括冷凝器、抽水泵和水体净化设备，所述抽水泵、水体净化设备和冷凝器通过循环管道依次连接，所述预热器与降膜式蒸发器串联连接并且均与热源连接，通过本实用新型的技术方案，可以解决现有技术中采用降膜式蒸发器的有机朗肯循环发电系统导致的整体换热效果较差，蒸发器换热面积大，成本高的问题，以及采用冷却塔对工质体冷却时出现的冷却效果差，功耗、水耗大的问题。

Description

一种采用降膜式蒸发器的新型有机朗肯循环发电系统

技术领域

本实用新型涉及发低温发电技术领域，特别是指一种采用降膜式蒸发器的新型有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，ORC)发电系统。

背景技术

能源短缺、环境污染已发展为世界范围的问题，节能减排、降低能耗、提高能源的综合利用率，是解决能源问题的根本途径。

有机朗肯循环是以低沸点有机物为工质的朗肯循环，现有技术中采用降膜式蒸发器的有机朗肯循环发电系统，由于工质泵出口的有机工质流体为具有几十K过冷度的液体，直接进入降膜式蒸发器蒸发的话，会导致部分换热管为全显热交换，部分换热管均处于降膜式蒸发状态，整体换热效果较差，导致降膜式蒸发器换热面积需要大大增加。

另外，在现有技术中，循环系统一般采用冷却塔对工质体冷却，然冷却水温度受空气湿球温度的影响，一般冷却塔湿球逼近温度大于4℃，则冷却水进入冷凝器的温度至少高于空气湿球温度4℃，如果，冷凝器冷却水设计温升为8℃，再考虑冷凝器的换热温差3℃，则有机工质的冷凝温度至少要高于空气湿球温度15℃。另外，一般传统有机朗肯循环系统冷却水循环量大，且冷却塔放置由于现场原因离冷凝器较远，冷却水泵扬程高，冷却水泵的功耗较大，同时，耗水率约为冷却水循环量的1.5％。

实用新型内容

本实用新型的目的是解决现有技术中采用降膜式蒸发器的有机朗肯循环发电系统导致的整体换热效果较差，蒸发器换热面积大，成本高的问题，以及采用冷却塔对工质体冷却时出现的冷却效果差，功耗、水耗大的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种采用降膜式蒸发器的新型有机朗肯循环发电系统，所述系统包括预热器、降膜式蒸发器、气液分离器、膨胀机、发电机、回热器、储液器、工质泵和冷凝处理装置，所述冷凝处理装置包括冷凝器、抽水泵和水体净化设备，所述抽水泵、水体净化设备和冷凝器通过循环管道依次连接；所述降膜式蒸发器包括热源流体入口、热源流体出口、有机工质入口、有机工质出口、分液组件、换热管束、壳体；所述预热器包括热源流体入口、热源流体出口、有机工质入口、有机工质出口；所述降膜式蒸发器的热源流体出口与所述预热器的热源流体入口连接，所述降膜式蒸发器的有机工质入口与所述预热器的有机工质出口连接，所述降膜式蒸发器的热源流体入口和所述预热器的热源流体出口分别连接热源；所述降膜式蒸发器的有机工质出口通过管路依次连接气液分离器、膨胀机、回热器、冷凝器、储液器和工质泵，所述工质泵出口端通过所述回热器连接所述预热器的有机工质入口；所述发电机与所述膨胀机连接。

进一步地，所述水体净化设备包括有水体软化单元。

进一步地，所述水体净化设备还包括有水体过滤单元。

进一步地，所述水体净化设备还包括了自动反冲洗模块，所述自动反冲洗模块包括有压差检测器、控制器、驱动马达和传动轴。

进一步地，所述冷凝器采用壳管式换热器、套管式换热器或板式换热器。

进一步地，所述壳管式换热器、套管式换热器或板式换热器的换热管管材为铜、铝或耐腐蚀合金。

进一步地，当所述冷凝器采用壳管式换热器或套管式换热器时，换热器的换热管设置为圆管状或椭圆管状，所述换热管内设有内螺纹或内肋片，所述换热管外设有外螺纹、外肋片或外套翅片。

进一步地，所述预热器采用壳管式换热器、套管式换热器或板式换热器。

进一步地，所述壳管式换热器、套管式换热器或板式换热器的换热管管材为铜、铝或耐腐蚀合金。

进一步地，所述换热管束材质为铜、铝或或耐腐蚀合金；所述换热管束内设有内螺纹或内肋片，所述换热管束外设有外螺纹，外肋片或外套翅片；所述换热管束设有多组；所述换热管束的管排为叉排和/或顺排；所述降膜式蒸发器的壳体内设置气体流道。

上述技术方案的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

本实用新型的一个技术方案中，采用了预热器和降膜式蒸发器替代了传统的干式蒸发器或满液式蒸发器，提高了系统的蒸发温度，使蒸发温度更接近热源流体的温度，可使蒸发温度仅比热源流体出口温度低0.5℃，与采用干式蒸发器或板式蒸发器相比，由于降膜式蒸发器采用膜态蒸发换热，使得有机工质蒸发温度可以有效提高2℃左右，在冷凝温度不变的条件下，能提高理论ORC效率2％以上，系统发电量提高2％左右，此外采用预热器和降膜式蒸发器的方式，优化了系统设计，大大减少有机工质的充注量，换热效率的提高减少了蒸发器的体积，使得热源侧的换热器成本最优，缩短投资回收期。

另外，本实用新型的一个技术方案中，采用了冷凝处理装置，即由冷凝器、抽水泵和水体净化设备组成的冷凝处理装置，替代了传统的有机朗肯循环发电系统中冷凝器、冷却水循环泵和冷却塔，用于实现工质流体的冷凝，减少了冷却塔风机的功耗，提高了发电效率，降低了耗水量，由于没有冷却塔，也减少了发电系统的占地面积；本实用新型实施例充分利用了地下水资源的特点，其中包括地下水的温度全年比较平均、稳定，地表以下5～10米的地层温度不随室外大气温度的变化而变化,常年维持在15～17℃，降低了冷凝温度，并且全年可以维持系统稳定的发电工况，提高了系统全年运行的可靠性，从而很大程度上避免了背景技术中所描述的技术问题，同时，本实用新型实施例不仅使地下水资源的开采利用率提高了，又使地下水资源的社会经济价值得到进一步提升，并且本实用新型实施例中吸收了有机工质放出热量的地下水，水温提高5-8℃，还可以继续完成农田灌溉或者进入城市自来水处理厂等，并不会造成水资源的浪费即污染。

附图说明

图1为本实用新型一种采用降膜式蒸发器的新型有机朗肯循环发电系统的结构实施例示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，本实用新型实施例提供了一种采用降膜式蒸发器的新型有机朗肯循环发电系统，所述系统包括预热器11、降膜式蒸发器12、气液分离器13、膨胀机14、发电机15、回热器16、储液器17、工质泵18和冷凝处理装置19，所述冷凝处理装置19包括冷凝器191、抽水泵192和水体净化设备193，所述抽水泵192、水体净化设备193和冷凝器191通过循环管道依次连接；所述降膜式蒸发器12包括热源流体入口、热源流体出口、有机工质入口、有机工质出口、分液组件、换热管束、壳体；所述预热器11包括热源流体入口、热源流体出口、有机工质入口、有机工质出口；所述降膜式蒸发器12的热源流体出口与所述预热器11的热源流体入口连接，所述降膜式蒸发器12的有机工质入口与所述预热器11的有机工质出口连接，所述降膜式蒸发器12的热源流体入口和所述预热器11的热源流体出口分别连接热源；所述降膜式蒸发器12的有机工质出口通过管路依次连接气液分离器13、膨胀机14、回热器16、冷凝器191、储液器17和工质泵18，所述工质泵18出口端通过所述回热器16连接所述预热器11的有机工质入口；所述发电机15与所述膨胀机14连接。

在本实施例中，有机朗肯循环发电系统的工作原理如下：

低沸点的有机工质液体进入降膜式蒸发器12中，喷淋到用于流走热源流体的管束外表面，所述热源流体包括但不限于工业余热、地热能、太阳能、生物质能及海洋能，有机工质液体通过热源流体获取热能，生成具有一定压力和温度的蒸气，所述蒸气经过气液分离器13后，以使蒸气在不含液体的状态下进入膨胀机14中进行膨胀做功，使膨胀机14带动发电机15发电，排出的降压降温后的蒸气先经过回热器16预冷，然后会再进入冷凝处理装置19中的冷凝器191，冷凝处理装置19利用抽水泵192将地下水源抽入冷凝器191，通过水源以进一步带走有机工质(蒸气和/或液体)的热量，进而使有机工质体进一步冷凝，冷凝后的有机工质进入到储液器17，最终通过工质泵18加压后进入预热器11中，有机工质在所述预热器11中利用热源流体进行初步预热至近饱和状态，后再次重新回到降膜式蒸发器12，如此不断地循环，从而实现利用较低温度热能发电的目的。需要说明的是，本实用新型实施例中，热源流体走管程，有机工质走壳程，有机工质液体通过分液组件均匀喷淋到换热管束表面，形成液膜并蒸发；

本实用新型实施例采用了预热器11和降膜式蒸发器12替代了传统的干式蒸发器或满液式蒸发器，提高了系统的蒸发温度，使蒸发温度更接近热源流体的温度，可使蒸发温度仅比热源流体出口温度低0.5℃，解决了现有技术中单采用降膜式蒸发器的有机朗肯循环发电系统中出现的直接进入降膜式蒸发器蒸发的话，会导致部分换热管为全显热交换，部分换热管均处于降膜式蒸发状态，整体换热效果较差的问题。另外，与采用干式蒸发器或板式蒸发器相比，由于降膜式蒸发器12采用膜态蒸发换热，使得有机工质蒸发温度可以有效提高2℃左右，在冷凝温度不变的条件下，能提高理论ORC效率2％以上，系统发电量提高2％左右，此外采用预热器11和降膜式蒸发器12的方式，优化了系统设计，大大减少有机工质的充注量，换热效率的提高减少了蒸发器的体积，使得热源侧的换热器成本最优，缩短投资回收期。

本实用新型实施例采用了冷凝处理装置19，即由冷凝器191、抽水泵192和水体净化设备193组成的冷凝处理装置19，替代了传统的有机朗肯循环发电系统中冷凝器、冷却水循环泵和冷却塔，用于实现工质流体的冷凝，减少了冷却塔风机的功耗，提高了发电效率，降低了耗水量，由于没有冷却塔，也减少了发电系统的占地面积；本实用新型实施例充分利用了地下水资源的特点，其中包括地下水的温度全年比较平均、稳定，地表以下5～10米的地层温度不随室外大气温度的变化而变化,常年维持在15～17℃，降低了冷凝温度，并且全年可以维持系统稳定的发电工况，提高了系统全年运行的可靠性，从而很大程度上避免了背景技术中所描述的技术问题，同时，本实用新型实施例不仅使地下水资源的开采利用率提高了，又使地下水资源的社会经济价值得到进一步提升，并且本实用新型实施例中吸收了有机工质放出热量的地下水，水温提高5-8℃，还可以继续完成农田灌溉或者进入城市自来水处理厂等，并不会造成水资源的浪费即污染。

本实用新型实施例中，所述的地下水源的范围是广泛的，包括但不限于地下河流、地下湖泊、地上水库、湖泊底部的低温水等。考虑的地下水源的水质和水体杂物的存在，会导致损害冷凝器191的情况的发生，进而影响整个发电系统的寿命与稳定性，因此在冷凝处理装置19中添加了水体净化设备193。其中水体净化设备193进一步包括了水体软化单元，通过水体软化单元对抽入的地下水源的水质进行软化，防止在冷凝器191中形成水垢，避免降低换热效果甚至堵塞换热器。进一步地，所述水体净化设备193还包括有水体过滤单元，用于过滤掉地下水中杂质固体颗粒，防止损伤冷凝器191换热管表面，导致冷凝效果降低或堵塞的问题。进一步地，所述水体净化设备193还包括了自动反冲洗模块，所述自动反冲洗模块包括有压差检测器、控制器、驱动马达和传动轴。自动反冲洗主要理由压差检测器检测循环管道的进出口压力差与设定阈值的关系，自动启动反冲洗，减少设备的维护成本。自动反冲洗的公知公用技术较为成熟，故不再赘述。

进一步地，在本实用新型实施例中，所述冷凝器191和所述预热器11可以采用壳管式换热器、套管式换热器或板式换热器，所述壳管式换热器、套管式换热器或板式换热器的换热管管材为铜、铝或耐腐蚀合金。所述预热器11在有机工质侧的结构和流道设计按纯显热换热设计，会有更好得换热效果，成本也会更低。

进一步地，当所述冷凝器191采用壳管式换热器或套管式换热器时，换热器的换热管设置为圆管状或椭圆管状，所述换热管内设有内螺纹或内肋片，所述换热管外设有外螺纹、外肋片或外套翅片。

换热管设为圆管状或椭圆管状，并在其外表面外螺纹、外肋片或外套翅片，在其内表面设置内螺纹或内肋片目的均为进一步强化换热效率，提高整个系统的效能。

进一步地，所述降膜式蒸发器12的换热管束材质为铜、铝或或耐腐蚀合金；所述换热管束内设有内螺纹或内肋片，所述换热管束外设有外螺纹，外肋片或外套翅片；所述换热管束设有多组；所述换热管束的管排为叉排和/或顺排；所述降膜式蒸发器的壳体内设置气体流道。

通过上述方案，可以较大程度的加强降膜式蒸发器12的换热效果。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种采用降膜式蒸发器的新型有机朗肯循环发电系统，其特征在于，所述系统包括预热器、降膜式蒸发器、气液分离器、膨胀机、发电机、回热器、储液器、工质泵和冷凝处理装置，所述冷凝处理装置包括冷凝器、抽水泵和水体净化设备，所述抽水泵、水体净化设备和冷凝器通过循环管道依次连接；所述降膜式蒸发器包括热源流体入口、热源流体出口、有机工质入口、有机工质出口、分液组件、换热管束、壳体；所述预热器包括热源流体入口、热源流体出口、有机工质入口、有机工质出口；所述降膜式蒸发器的热源流体出口与所述预热器的热源流体入口连接，所述降膜式蒸发器的有机工质入口与所述预热器的有机工质出口连接，所述降膜式蒸发器的热源流体入口和所述预热器的热源流体出口分别连接热源；所述降膜式蒸发器的有机工质出口通过管路依次连接气液分离器、膨胀机、回热器、冷凝器、储液器和工质泵，所述工质泵出口端通过所述回热器连接所述预热器的有机工质入口；所述发电机与所述膨胀机连接。

2.根据权利要求1所述的采用降膜式蒸发器的新型有机朗肯循环发电系统，其特征在于，所述水体净化设备包括有水体软化单元。

3.根据权利要求2所述的采用降膜式蒸发器的新型有机朗肯循环发电系统，其特征在于，所述水体净化设备还包括有水体过滤单元。

4.根据权利要求3所述的采用降膜式蒸发器的新型有机朗肯循环发电系统，其特征在于，所述水体净化设备还包括了自动反冲洗模块，所述自动反冲洗模块包括有压差检测器、控制器、驱动马达和传动轴。

5.根据权利要求1所述的采用降膜式蒸发器的新型有机朗肯循环发电系统，其特征在于，所述冷凝器采用壳管式换热器、套管式换热器或板式换热器。

6.根据权利要求5所述的采用降膜式蒸发器的新型有机朗肯循环发电系统，其特征在于，所述壳管式换热器、套管式换热器或板式换热器的换热管管材为铜、铝或耐腐蚀合金。

7.根据权利要求5所述的采用降膜式蒸发器的新型有机朗肯循环发电系统，其特征在于，当所述冷凝器采用壳管式换热器或套管式换热器时，换热器的换热管设置为圆管状或椭圆管状，所述换热管内设有内螺纹或内肋片，所述换热管外设有外螺纹、外肋片或外套翅片。

8.根据权利要求1所述的采用降膜式蒸发器的新型有机朗肯循环发电系统，其特征在于，所述预热器采用壳管式换热器、套管式换热器或板式换热器。

9.根据权利要求8所述的采用降膜式蒸发器的新型有机朗肯循环发电系统，其特征在于，所述壳管式换热器、套管式换热器或板式换热器的换热管管材为铜、铝或耐腐蚀合金。

10.根据权利要求1所述的采用降膜式蒸发器的新型有机朗肯循环发电系统，其特征在于，所述换热管束材质为铜、铝或或耐腐蚀合金；所述换热管束内设有内螺纹或内肋片，所述换热管束外设有外螺纹，外肋片或外套翅片；所述换热管束设有多组；所述换热管束的管排为叉排和/或顺排；所述降膜式蒸发器的壳体内设置气体流道。