CN209011894U - 带有喷射器的变组分多压蒸发非共沸工质朗肯循环系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种带有喷射器的变组分多压蒸发非共沸工质朗肯循环系统，包括膨胀机循环泵、蒸发器、冷凝器气液喷射器，所述膨胀机的工作流体出口连接所述气液喷射器的工作流体入口，所述膨胀机的乏汽出口与所述冷凝器连接，所述冷凝器的中部通过管道与所述气液喷射器的低压引射流体入口连接，所述冷凝器通过循环泵与蒸发器的混合工质入口连接，所述蒸发器的混合工质出口与膨胀机的入口连接；所述气液喷射器的高沸点高压力的液体出口与所述蒸发器的混合工质入口连接。本系统结构简单，工作效率高，而且节能环保。

Description

带有喷射器的变组分多压蒸发非共沸工质朗肯循环系统

技术领域

本实用新型涉及发电设备技术领域，具体一种可提高热力性能的带有喷射器的变组分多压蒸发非共沸工质朗肯循环系统。

背景技术

我国《“十三五”节能环保产业发展规划》明确指出，加强有机朗肯循环发电的研究和发展。有机朗肯循环(ORC)是利用太阳能、地热、工业余热等低温位可再生能源和中低温余热进行热能-电能转换的技术。与朗肯循环，卡琳娜循环和热电转换相比，有机朗肯循环由于具有压力适宜，成本较低，回收效率较高等特点，成为目前研究的热点。但目前也面临的主要问题是初投资成本高，效率低，成为其当前大规模应用的主要障碍。因此，目前迫切需要解决效率低下，初投资本高的问题。

为改善有机朗肯循环效率低下的问题，现有技术主要从工质和循环上进行研究。非共沸工质在相变过程中具有温度滑移现象，能够很好的与冷热源温度曲线进行匹配，可有效的降低系统的不可逆损失，提高了系统的效率。与纯工质相比，虽然改善了工质与冷热源匹配，但是不可逆损失依然很大，尤其是蒸发过程，而传统单压循环改善潜力有限。传统单压蒸发有机朗肯循环在换热蒸发的过程中，由于仍然具有过大的传热温差，造成了蒸发端过大的传热损，从而影响系统的热力性能。多压蒸发非共沸有机朗肯循环由于能够梯级利用废热，工质相变热力过程线能更好的与热源热力过程线匹配，从而能够显著提高循环系统的热力性能。同时由于热源的多样性，释热曲线随热源种类、温位而异，如不同蒸发等级非共沸工质的组分和流量可调，则可以进一步改善换热过程匹配性能，降低换热过程不可逆损失。另外，有机朗肯循环系统在实际运行中，其热力学性能还受周围环境的影响，在某些地区，比如北京，其夏天和冬天的温差接近30℃。因此系统往往是偏离设计工况运行。如何应对工况发生变化所造成的系统性能恶化的问题，提出合理的设计方法与运行策略，成为目前亟需解决的问题。而传统的ORC为避免工质的泄露，其系统只能按照夏天的工况进行设计，那么在其它季节，其热力性能是受到限制的。现有的非共沸有机朗肯循环虽然可以通过调整流量以适应冷源参数变化，但是其受限于换热设备的设计参数，变工况调节柔性差，调节范围有限。

实用新型内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提出一种带有喷射器的变组分多压蒸发非共沸有机朗肯循环(ORC)系统，使混合工质有效地与热源进行匹配，缩小了变相过程中的传热温差、提高其吸热能力，可显著提高系统循环效率。同时，冷凝器亦能调节分液之后的工质组分，能有效地提高系统对冷源波动的适应性，提高系统性能。

本实用新型解决其技术问题所采用技术方案为：带有喷射器的变组分多压蒸发非共沸机沸有机朗肯循环系统，包括膨胀机Ⅲ、循环泵、蒸发器、冷凝器Ⅶ和气液喷射器Ⅴ，所述膨胀机Ⅲ的工作流体出口连接所述气液喷射器Ⅴ的工作流体入口，所述膨胀机Ⅲ的乏汽出口与所述冷凝器Ⅶ连接，所述冷凝器Ⅶ的中部通过管道与所述气液喷射器Ⅴ的低压引射流体入口连接，所述冷凝器Ⅶ通过循环泵与蒸发器的混合工质入口连接，所述蒸发器的混合工质出口与膨胀机Ⅲ的入口连接；所述气液喷射器Ⅴ的高沸点高压力的液体出口与所述蒸发器的混合工质入口连接。

其中，所述气液喷射器Ⅴ包括主通道，所述主通道的前端设有工作流体入口，所述主通道的前端侧壁处内设有所述引射流体入口，所述主通道末端设有所述气液流体出口；所述主通道内设有连通的气液混合室和气液扩散室，所述气液混合室的前侧连通所述工作流体入口和引射流体入口，所述气液扩散室呈向后渐渐扩大的喇叭状，所述气液扩散室的末端设有所述气液流体出口。

进一步的，所述气液喷射器Ⅴ的气液流体出口端还连接有气液分离器Ⅵ。

进一步的，所述蒸发器包括第一蒸发器Ⅰ和第二蒸发器Ⅱ，所述循环泵包括第一泵Ⅸ和第二泵Ⅹ，所述气液喷射器Ⅴ的气液流体出口通过所述第一泵Ⅸ与所述第一蒸发器的高压蒸发器混合工质入口连接，所述第一蒸发器Ⅰ的高压蒸发器混合工质出口与所述膨胀机Ⅲ连接。所述冷凝器Ⅶ的另一个出口通过所述第二泵Ⅹ与所述第二蒸发器Ⅱ的低压蒸发器混合工质入口连接，所述第二蒸发器Ⅱ的高压蒸发器混合工质出口与所述膨胀机Ⅲ连接。

所述第一蒸发器Ⅰ和第二蒸发器Ⅱ之间连接有外源换热通道。所述外源换热通道由设置在第一蒸发器Ⅰ上的废热源进口和废热源高压蒸发器出口，设置第二蒸发器Ⅱ废热源低压蒸发器入口和废热源低压蒸发器出口组成，所述废热源高压蒸发器出口与废热源低压蒸发器入口连接，用外源废热作为换热介质，有效的节约能源。

所述引射流体入口还设有气体喷嘴，所述气体喷嘴呈开口减小的漏斗状。

所述冷凝器Ⅶ与所述气液喷射器Ⅴ之间设置流量阀Ⅻ。

本实用新型的有益效果是：系统结构简单，使用方便，与传统的抽气回热系统相比，该系统利用气液喷射器能减少从膨胀机抽取的气体，使得更多的气体能完全膨胀发电，将能进一步提高发电量，具有工作效率更高的优点；同时，利用气液喷射器升压特性，还能减少系统中泵的泵功，具有更加节能的优点，这对提高小型ORC发电系统的发电性能具有重大的作用；再者，冷凝器对组分进行调控之后，能有效地提高系统对冷源波动的适应性；除此之外，系统能通过冷凝器与气液喷射器共同调控混合工质的组分，改善蒸发端工质与热源温度曲线的匹配，增强ORC系统对热源波动的适应性，有效提高系统性能；因此，系统对ORC流程的设计与性能的提高提供了一定的理论指导和参考价值。

附图说明

图1为本实用新型带有喷射器的变组分多压蒸发非共沸工质朗肯循环系统的结构框图；

图2为本实用新型的气液喷射器的结构示意图。

其中，Ⅰ为第一蒸发器；Ⅱ为第二蒸发器；Ⅲ为膨胀机；Ⅳ为发电机；Ⅴ为气液喷射器；Ⅵ为气液分离器；Ⅶ为冷凝器；Ⅸ为第一泵；Ⅹ为第二泵；Ⅻ为流量阀；a为废热源进口；b为废热源高压蒸发器出口；c为废热源低压蒸发器入口；d为废热源低压蒸发器出口；1为高压蒸发器混合工质入口；2为高压蒸发器混合工质出口；3为膨胀机工作流体出口；4为高沸点高压力的液体出口；5为喷射器低压引射流体入口；6为低沸点高压力的液体出口；7为膨胀机乏汽出口；8为低沸点液体泵进口； 9为低压蒸发器混合工质入口；10为高压蒸发器混合工质出口； 201为工作流体入口；202为气体喷嘴；203为引射流体入口； 204为气液混合室；205为气液扩散室；206为气液流体出口。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行进一步的说明。其中，图中箭头标示方向为介质流动方向,文中关于气液喷射器的描述，以图2作为参考标准。

如图1所示，带有喷射器的变组分多压蒸发非共沸机沸有机朗肯循环系统，如图1所示，其包括膨胀机Ⅲ、循环泵、蒸发器、冷凝器Ⅶ和气液喷射器Ⅴ，所述膨胀机Ⅲ的工作流体出口3连接所述气液喷射器Ⅴ的工作流体入口，所述膨胀机Ⅲ的乏汽出口7与所述冷凝器Ⅶ连接，所述冷凝器Ⅶ的中部通过管道与所述气液喷射器Ⅴ的低压引射流体入口5连接，所述冷凝器Ⅶ通过循环泵与蒸发器的混合工质入口连接，所述蒸发器的混合工质出口与膨胀机Ⅲ的入口连接；所述气液喷射器Ⅴ的高沸点高压力的液体出口4经气液分离器Ⅵ与所述蒸发器的混合工质入口连接，上述各部件形成循环系统。膨胀机Ⅲ的功率输出端连接发电机Ⅳ，用于发电。

所述冷凝器Ⅶ的入口与所述膨胀机Ⅲ的乏汽出口连接，所述冷凝器Ⅶ设有两个出口，冷凝器Ⅶ在冷凝气体过程中，将部分的液体分离出来，通过其中一个出口与所述气液喷射器Ⅴ的所述引射流体入口203连接，所述冷凝器Ⅶ与所述气液喷射器Ⅴ之间设置流量阀Ⅻ，另一个出口与所述循环泵连接。所述冷凝器Ⅶ将20-35％的液体分离出来。其中，在冷凝器Ⅶ不同部位抽出的液体，将能获得不同组分的引射流体。所述冷凝器Ⅶ为分液冷凝器。

进一步的，所述蒸发器包括第一蒸发器Ⅰ和第二蒸发器Ⅱ，所述循环泵包括第一泵Ⅸ和第二泵Ⅹ，所述气液喷射器Ⅴ的气液流体出口通过所述第一泵Ⅸ与所述第一蒸发器Ⅰ的高压蒸发器混合工质入口1连接，所述第一蒸发器Ⅰ的高压蒸发器混合工质出口2与所述膨胀机Ⅲ连接。所述冷凝器Ⅶ的另一个出口通过所述第二泵Ⅹ与所述第二蒸发器Ⅱ的低压蒸发器混合工质入口9连接，所述第二蒸发器Ⅱ的高压蒸发器混合工质出口10 与所述膨胀机Ⅲ连接。所述气液喷射器Ⅴ另一个出口的工质液体经过第二(低压)泵Ⅹ加压后被输送到第二(低压)蒸发器Ⅱ进行吸热蒸发,蒸发后的高温高压气体通过高压蒸发器混合工质出口10，推动膨胀机Ⅲ对外做工，推动发电机Ⅳ进行发电，从而完成低沸点工质的做功循环；气液喷射器Ⅴ的气液流体出口206输出具有较高沸点，较高温度和较高压力的液体，其经过第一泵Ⅸ进行加压输送到第一(高压)蒸发器Ⅰ进行吸热蒸发，高温高压的蒸汽通过高压蒸发器混合工质出口2进入膨胀机Ⅲ，推动膨胀机Ⅲ对外做工，推动发电机Ⅳ进行发电，从而完成高沸点工质的做功循环。第一蒸发器Ⅰ与和第二蒸发器Ⅱ中的工质组分不同，第一蒸发器Ⅰ是具有较高沸点的工质，第二蒸发器Ⅱ是具有较低沸点的工质。第一蒸发器Ⅰ与第二蒸发器Ⅱ共用一个热源，这样将对热源进行梯级利用，工质和热源温度曲线将能得到更好的匹配。

进一步的，第一蒸发器Ⅰ与第二蒸发器Ⅱ中的工质组分不同，第一蒸发器Ⅰ是具有较高沸点的工质，第二蒸发器Ⅱ是具有较低沸点的工质。第一蒸发器Ⅰ与第二蒸发器Ⅱ共用一个热源，这样将对热源进行梯级利用，工质和热源温度曲线将能得到更好的匹配。其中，所述第一蒸发器Ⅰ和第二蒸发器Ⅱ之间连接有外源换热通道。所述外源换热通道由设置在第一蒸发器Ⅰ上的废热源进口a和废热源高压蒸发器出口b，设置第二蒸发器Ⅱ废热源低压蒸发器入口c和废热源低压蒸发器出口d组成，所述废热源高压蒸发器出口b与废热源低压蒸发器入口c连接。

工作流体为高压气体，引射流体为低压流体，根据气液喷射器的引射特性和升压特性，改变气液喷射器Ⅴ的工作流体与引射流体的流量比，将能获得较高沸点、较高压力与较高温度的液体。

本实用新型中，气液喷射器Ⅴ起着提升液体压力，液体温度，组分调控的作用，其具体结构如图2所示；所述气液喷射器Ⅴ是一种利用高温高压气态工质为动力源的特殊射流泵，其内部结构主要包括主通道，所述主通道的前端设有所述工作流体入口201，所述引射流体入口201处内还设有气体喷嘴202，所述气体喷嘴202呈开口减小的漏斗状；所述主通道的前端侧壁处设有所述引射流体入口203，所述主通道内设有连通的气液混合室204和气液扩散室205，所述气液混合室204的前侧连通所述工作流体入口201和引射流体入口203，所述气液扩散室 205呈向后渐渐扩大的喇叭状(扩大1.1-2倍)，所述气液扩散室 205的末端设有所述气液流体出口206，所述引射流体入口还设有气体喷嘴，所述气体喷嘴呈开口减小的漏斗状。

其工作原理如下：工作流体来自膨胀机未完全膨胀做工的高压气体，其引射流体来之冷凝器Ⅶ中冷凝的低温低压流体；高温高压的蒸汽(工作流体)在工作流体入口201进入，通过气体喷嘴202的作用下加速成为超音速流体，与从引射流体入口203进入的低温低压液体混合后形成超音速气液两相流，并在气液混合室204的作用下产生凝结激波，压力发生突变，迫使两相流体升压，得到高压力的液体，最后通过气液扩散室205 的末端的气液流体出口206输出。气液喷射器Ⅴ的工作流体为高压气体，引射流体为低压流体，根据气液喷射器的引射特性和升压特性，改变气液喷射器Ⅴ的工作流体与引射流体的流量比，将能获得较高沸点、较高压力与较高温度的液体，通过调节不同的喷射比，将能调控工质组分。

与抽气回热相比，本实用新型利用气液喷射器Ⅴ能减少从膨胀机Ⅲ抽取的气体，使得更多的气体能完全膨胀发电，将能进一步提高发电量。同时，利用气液喷射器Ⅴ升压特性，还能减少泵Ⅸ的泵功，这对提高小型ORC发电系统的发电性能具有重大的作用。

以上所述者，仅为本新型的较佳实施例而已，当不能以此限定本新型实施的范围，即大凡依本新型申请专利范围及新型说明内容所作的简单等效变化与修饰，皆仍属本新型专利涵盖的范围内。

Claims (7)

1.带有喷射器的变组分多压蒸发非共沸工质朗肯循环系统，其特征在于，包括膨胀机、循环泵、蒸发器、冷凝器气液喷射器，所述膨胀机的工作流体出口连接所述气液喷射器的工作流体入口，所述膨胀机的乏汽出口与所述冷凝器连接，所述冷凝器的中部通过管道与所述气液喷射器的低压引射流体入口连接，所述冷凝器通过循环泵与蒸发器的混合工质入口连接，所述蒸发器的混合工质出口与膨胀机的入口连接；所述气液喷射器的高沸点高压力的液体出口与所述蒸发器的混合工质入口连接。

2.根据权利要求1所述的带有喷射器的变组分多压蒸发非共沸工质朗肯循环系统，其特征在于，所述气液喷射器包括主通道，所述主通道的前端设有工作流体入口，所述主通道的前端侧壁处设有所述引射流体入口，所述主通道末端设有所述气液流体出口。

3.根据权利要求2所述的带有喷射器的变组分多压蒸发非共沸工质朗肯循环系统，其特征在于，所述主通道内设有连通的气液混合室和气液扩散室，所述气液混合室的前侧连通所述工作流体入口和引射流体入口，所述气液扩散室呈向后渐渐扩大的喇叭状，所述气液扩散室的末端设有所述气液流体出口。

4.根据权利要求1所述的带有喷射器的变组分多压蒸发非共沸工质朗肯循环系统，其特征在于，所述气液喷射器的气液流体出口端还连接有气液分离器。

5.根据权利要求1-4任一所述的带有喷射器的变组分多压蒸发非共沸工质朗肯循环系统，其特征在于，所述蒸发器包括第一蒸发器和第二蒸发器，所述循环泵包括第一泵和第二泵，所述气液喷射器的气液流体出口通过所述第一泵与所述第一蒸发器的高压蒸发器混合工质入口连接，所述第一蒸发器的高压蒸发器混合工质出口与所述膨胀机连接；所述冷凝器的另一个出口通过所述第二泵与所述第二蒸发器的低压蒸发器混合工质入口连接，所述第二蒸发器的高压蒸发器混合工质出口与所述膨胀机连接。

6.根据权利要求5所述的带有喷射器的变组分多压蒸发非共沸工质朗肯循环系统，其特征在于，所述第一蒸发器和第二蒸发器之间连接有外源换热通道，所述外源换热通道由设置在第一蒸发器上的废热源进口和废热源高压蒸发器出口，设置第二蒸发器废热源低压蒸发器入口和废热源低压蒸发器出口组成，所述废热源高压蒸发器出口与废热源低压蒸发器入口连接。

7.根据权利要求6所述的带有喷射器的变组分多压蒸发非共沸工质朗肯循环系统，其特征在于，所述冷凝器与所述气液喷射器之间设置流量阀。