CN209145650U - 一种速度式膨胀机及有机朗肯循环发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种速度式膨胀机及有机朗肯循环发电系统，属于有机朗肯循环发电技术领域。所述速度式膨胀机包括：内缸体设置在外缸体内，内缸体沿其径向设置有N个蒸汽导管，N个蒸汽导管与内缸体连通，N≥2；蒸汽导管的远离内缸体的端部设置有喷嘴，喷嘴的开口方向与内缸体的切向相一致；内缸体的第一端与第二蒸汽管道的第一端连通，内缸体的第二端与传动轴的第一端连接；第二蒸汽管道的第二端可转动式地穿过外缸体与第一蒸汽管道连通，传动轴的第二端可转动式地的穿过外缸体。本实用新型速度式膨胀机及有机朗肯循环发电系统提高了膨胀机的效率。

Description

一种速度式膨胀机及有机朗肯循环发电系统

技术领域

本实用新型涉及有机朗肯循环发电技术领域，特别涉及一种速度式膨胀机及有机朗肯循环发电系统。

背景技术

有机朗肯循环发电系统与普通蒸汽朗肯循环系统比较类似，其主要区别是有机朗肯循环系统以低沸点和低临界点有机物为工作介质，可以高效利用100℃-350℃之间的低品位热能，如太阳能、地热能和中低温余热等；因此，有机朗肯循环对于可再生能源具有非常高的利用率。

有机朗肯循环系统主要由加热器、膨胀机、冷凝器和工质泵四部分组成，低温低压的液态有机工质经工质泵的压缩进入加热器中吸热，从加热器中流出的高温高压气态或超临界状态有机工质进入膨胀机膨胀做功，带动发电机发电或者直接拖动其他机械。经膨胀做功后，有机工质蒸汽的温度和压力降低，在冷凝器中被冷凝为液态，随后进入工质泵开始下一个循环。

在有机朗肯循环系统中，膨胀机是将热能转化为机械功的关键部件。目前，用于有机朗肯循环的膨胀机可以分为速度式膨胀机和体积式膨胀机两大类。但是，容积式膨胀机具有磨损大、泄露严重等问题，因此效率较低；而速度式膨胀机具有稳定性好、转速较高、体积小和效率较高的优点，因此目前的有机朗肯循环系统中多选用速度式膨胀机为做功部件。

在现有技术中，速度式膨胀机的有机工质蒸汽的音速较低，在速度式膨胀机的涡轮中很容易达到超音速，产生激波。而在速度式膨胀机涡轮中，气体的流动能量损失大，对膨胀机效率的影响严重。

实用新型内容

本实用新型提供一种速度式膨胀机及有机朗肯循环发电系统，解决了或部分解决了现有技术中在速度式膨胀机涡轮中，气体的流动能量损失大，对膨胀机效率的影响严重的技术问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种速度式膨胀机包括：外缸体、内缸体、第一蒸汽管道、第二蒸汽管道及传动轴；所述内缸体设置在所述外缸体内，所述内缸体沿其径向设置有N个蒸汽导管，N个所述蒸汽导管与所述内缸体连通，N≥2；所述蒸汽导管的远离所述内缸体的端部设置有喷嘴，所述喷嘴的开口方向与所述内缸体的切向相一致；所述内缸体的第一端与所述第二蒸汽管道的第一端连通，所述内缸体的第二端与所述传动轴的第一端连接；所述第二蒸汽管道的第二端可转动式地穿过所述外缸体，所述第二蒸汽管道与所述第一蒸汽管道连通，所述传动轴的第二端可转动式地的穿过所述外缸体。

进一步地，所述外缸体包括：壳体及两个支撑板；两个所述支撑板设置在所述壳体内，所述内缸体设置在两个所述支撑板之间。

进一步地，每个所述支撑板上均设置有轴承；所述第二蒸汽管道的第二端依次穿过所述轴承及所述壳体与所述第一蒸汽管道连通；所述传动轴的第二端依次穿过所述轴承及所述壳体。

进一步地，所述传动轴和所述壳体之间设置有第一动密封件。

进一步地，所述第一蒸汽管道穿过所述壳体，并设置在所述支撑板与壳体的内壁之间；所述第二蒸汽管道的第二端设置在所述第一蒸汽管道内。

进一步地，所述第一蒸汽管道和所述壳体之间设置有静密封件；所述第二蒸汽管道的第二端与所述第一蒸汽管道之间设置有第二动密封件。

进一步地，所述壳体的顶部设置有导气管，所述导气管与所述壳体连通，所述导气管设置在两个所述支撑板之间；所述壳体的底部设置有导液管，所述导液管与所述壳体连通，所述导液管设置在两个所述支撑板之间。

进一步地，所述喷嘴为拉莫尔喷嘴。

进一步地，N个所述蒸汽导管均匀间隔设置在所述内缸体上。

本申请还提供一种有机朗肯循环发电系统，所述有机朗肯循环发电系统包括速度式膨胀机。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

由于第二蒸汽管道的第二端可转动式地穿过外缸体与第一蒸汽管道连通，内缸体的第一端与第二蒸汽管道的第一端连通，所以，外界高温高压气态有机工质由第一蒸汽管道、第二蒸汽管道进入到内缸体内，由于内缸体设置在外缸体内，内缸体沿其径向设置有N个蒸汽导管，N个蒸汽导管与内缸体连通，N≥2，蒸汽导管的远离内缸体的端部设置有喷嘴，喷嘴的开口方向与内缸体的切向相一致，所以，外界高温高压气态有机工质由喷嘴沿内缸体的切向高速喷出，产生反作用推力，推动内缸体进行旋转，由于内缸体的第二端与传动轴的第一端连接，传动轴的第二端可转动式地的穿过外缸体，所以，内缸体可带动传动轴转动，转动轴进行旋转带动外界设备动作，提高了膨胀机的效率。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的速度式膨胀机的结构示意图。

具体实施方式

参见图1，本实用新型实施例提供的一种速度式膨胀机包括：外缸体1、内缸体2、第一蒸汽管道3、第二蒸汽管道4及传动轴5。

内缸体2设置在外缸体1内，内缸体2沿其径向设置有N个蒸汽导管6，N个蒸汽导管6与内缸体2连通，N≥2。

蒸汽导管6的远离内缸体2的端部设置有喷嘴7，喷嘴7的开口方向与内缸体2的切向相一致。

内缸体2的第一端与第二蒸汽管道4的第一端连通，内缸体2的第二端与传动轴5的第一端连接。

第二蒸汽管道4的第二端可转动式地穿过外缸体1，第二蒸汽管道4与第一蒸汽管道3连通，传动轴5的第二端可转动式地的穿过外缸体1。

本申请具体实施方式由于第二蒸汽管道4的第二端可转动式地穿过外缸体1与第一蒸汽管道3连通，内缸体2的第一端与第二蒸汽管道4的第一端连通，所以，外界高温高压气态有机工质由第一蒸汽管道3、第二蒸汽管道4进入到内缸体2内，由于内缸体2设置在外缸体1内，内缸体2沿其径向设置有N个蒸汽导管5，N个蒸汽导管6与内缸体2连通，N≥2，蒸汽导管6的远离内缸体2的端部设置有喷嘴7，喷嘴7的开口方向与内缸体2的切向相一致，所以，外界高温高压气态有机工质由喷嘴7沿内缸体2的切向高速喷出，产生反作用推力，推动内缸体2进行旋转，由于内缸体2的第二端与传动轴5的第一端连接，传动轴5的第二端可转动式地的穿过外缸体1，所以，内缸体2可带动传动轴5转动，转动轴5进行旋转带动外界设备动作，提高了膨胀机的效率。

详细介绍外缸体1的结构。

外缸体1为分半式结构，分半式结构通过法兰连接，便于拆卸，便于内缸体2的安装。

外缸体1包括：壳体1-1及两个支撑板1-2。

两个支撑板1-2固定设置在壳体1-1内。具体地，在本实施方式中，两个支撑板1-2可通过焊接固定设置在壳体1-1内，在其它实施方式中，两个支撑板1-2可通过其它方式如螺栓等固定设置在壳体1-1内。内缸体2设置在两个支撑板1-2之间。

每个支撑板上均固定设置有轴承。支撑板1-2上固定设置有轴承1-3。具体地，在本实施方式中，支撑板1-2上可通过焊接固定设置有轴承1-3，在其它实施方式中，支撑板1-2上可通过其它方式如螺钉等固定设置有轴承1-3。

第二蒸汽管道4的第二端依次穿过轴承1-3及壳体1-1与第一蒸汽管道3连通；传动轴5的第二端依次穿过轴承1-3及壳体1-1与外界设备连接。

传动轴5和壳体1-1之间设置有第一动密封件8，保证密封性。

第一蒸汽管道3穿过壳体1-1，并设置在支撑板1-2与壳体1-1的内壁之间；第二蒸汽管道4的第二端设置在第一蒸汽管道3内。

第一蒸汽管道3和壳体1-1之间设置有静密封件9；第二蒸汽管道4的第二端与第一蒸汽管道3之间设置有第二动密封件10，保证密封性。

壳体1-1的顶部设置有导气管11，导气管11与壳体1-1连通，导气管11设置在两个支撑板1-2之间，通过导气管11将外界高温高压气态有机工质中的气体排出。

壳体1-1的底部设置有导液管12，导液管12与壳体1-1连通，导液管12设置在两个支撑板1-2之间，通过导液管12将外界高温高压气态有机工质中的液体排出。

喷嘴7为拉莫尔喷嘴，改变外界高温高压气态有机工质的流速，保证内缸体2的转速。

喷嘴7还可以为收缩喷嘴，改变外界高温高压气态有机工质的流，保证内缸体2的转速。收缩喷嘴值适用于喷嘴出口速度是亚音速的情况下。

N个蒸汽导管6均匀间隔设置在内缸体2上，保证内缸体2的转动平衡。

本发明还提出一种机朗肯循环发电系统，该机朗肯循环发电系统采用了所述速度式膨胀机，该速度式膨胀机的具体结构参照上述实施例，由于本速度式膨胀机采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

为了更清楚地介绍本实用新型实施例，下面从本实用新型实施例的使用方法上予以介绍。

高温高压气态有机工质从第一蒸汽管道3中进入第二蒸汽管道4中，第一蒸汽管道3和第二蒸汽管道4之间通过第二动密封件10进行密封。第二蒸汽管道4与内缸体2通过端部法兰连通，高温高压气态有机工质进入内缸体2。随后高温高压气态有机工质经过蒸汽导管6从喷嘴7中沿切向高速喷出，产生反作用推力，推动内缸体2转动。传动轴5在与内缸体2也通过法兰连接，并且在内缸体2的带动下进行旋转带动发电机或者拖动其他机械。通过内缸体2带动传动轴5转动，没有在转子中的流动损失，提高了膨胀机的效率。

同时，根据有机工质的分类，有机工质可以分为干工质、湿工质和等熵工质，湿工质在膨胀过程中可能出现液化，因此会对涡轮转子叶片产生比较大的冲蚀，因此现有技术中的速度式膨胀机的涡轮不能应用于使用湿工质的有机朗肯循环系统。而本申请通过内缸体2带动转轴5转动，没有转子，避免了湿工质对膨胀机转子叶片的冲蚀问题，应用范围广。

以使用硅油(六甲基二硅氮烷)为工质的超临界有机朗肯循环系统为例，假设内缸体2压力3MPa，内缸体2内气体温度为300℃，喷嘴7出口压力为0.05MPa，工质质量流量为1kg/s，蒸汽导管6压力损失为0.2MPa，喷嘴7数量为4个，每个喷嘴7等熵效率均为0.85。根据上述参数可知，流经每个喷嘴7的工质质量流量为0.25kg/s，喷嘴7进口压力为2.8MPa，喷嘴7进口总焓比焓值为529.55kJ/kg(相对于喷嘴7出口速度，喷嘴7进口速度非常小，本例中可忽略不计),喷嘴7进口总熵比熵值为

1.1018kJ/(kg·K)。假设工质在喷嘴7中等熵膨胀，根据上述条件可得喷嘴7出口静焓比焓值为432.02kJ/kg，则等熵比焓降为97.644kJ/kg。另外，假设喷嘴7的等熵效率为0.85，则喷嘴7中实际的比焓降为82.997kJ/kg，每个喷嘴7的输出功率为20.749kW，整个膨胀机的输出功率为82.997kW。因此，提高了膨胀机的效率。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照实例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种速度式膨胀机，其特征在于，包括：外缸体、内缸体、第一蒸汽管道、第二蒸汽管道及传动轴；

所述内缸体设置在所述外缸体内，所述内缸体沿其径向设置有N个蒸汽导管，N个所述蒸汽导管与所述内缸体连通，N≥2；

所述蒸汽导管的远离所述内缸体的端部设置有喷嘴，所述喷嘴的开口方向与所述内缸体的切向相一致；

所述内缸体的第一端与所述第二蒸汽管道的第一端连通，所述内缸体的第二端与所述传动轴的第一端连接；

所述第二蒸汽管道的第二端可转动式地穿过所述外缸体，所述第二蒸汽管道与所述第一蒸汽管道连通，所述传动轴的第二端可转动式地的穿过所述外缸体。

2.根据权利要求1所述的速度式膨胀机，其特征在于，所述外缸体包括：壳体及两个支撑板；

两个所述支撑板设置在所述壳体内，所述内缸体设置在两个所述支撑板之间。

3.根据权利要求2所述的速度式膨胀机，其特征在于，

每个所述支撑板上均设置有轴承；

所述第二蒸汽管道的第二端依次穿过所述轴承及所述壳体，并与所述第一蒸汽管道连通；

所述传动轴的第二端依次穿过所述轴承及所述壳体。

4.根据权利要求2所述的速度式膨胀机，其特征在于：

所述传动轴和所述壳体之间设置有第一动密封件。

5.根据权利要求2所述的速度式膨胀机，其特征在于：

所述第一蒸汽管道穿过所述壳体，并设置在所述支撑板与壳体的内壁之间；

所述第二蒸汽管道的第二端设置在所述第一蒸汽管道内。

6.根据权利要求4所述的速度式膨胀机，其特征在于：

所述第一蒸汽管道和所述壳体之间设置有静密封件；

所述第二蒸汽管道的第二端与所述第一蒸汽管道之间设置有第二动密封件。

7.根据权利要求2所述的速度式膨胀机，其特征在于：

所述壳体的顶部设置有导气管，所述导气管与所述壳体连通，所述导气管设置在两个所述支撑板之间；

所述壳体的底部设置有导液管，所述导液管与所述壳体连通，所述导液管设置在两个所述支撑板之间。

8.根据权利要求1所述的速度式膨胀机，其特征在于：

所述喷嘴为拉莫尔喷嘴。

9.根据权利要求1所述的速度式膨胀机，其特征在于：

N个所述蒸汽导管均匀间隔设置在所述内缸体上。

10.一种有机朗肯循环发电系统，其特征在于，包括如权利要求1-9任意一项所述的速度式膨胀机。