CN209539413U - 一种低参数热回收系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低参数热回收系统，包括用于发电或做功的主循环系统和用于获取并维持低温能源的辅助循环系统，通过控制主循环系统和辅助循环系统以使低温工质液与外部回收余热之间形成温差从而实现发电或做功；主循环系统包括依次连接的储液罐、工质泵、回热器、第一热交换器、汽轮机和发电机；辅助循环系统包括与回热器连接的第二热交换器，以及依次连接的汽轮机、储液罐、喷射热泵和回热器，所述第二热交换器还与喷射热泵连接，回热器与储液罐连接；所述第一热交换器和第二热交换器均连接有外部回收余热。本实用新型提供的主循环系统在辅助循环帮助下可在不需要外部冷源对乏汽进行冷却的情况下实现连续稳定的热功转换。

Description

一种低参数热回收系统

技术领域

本实用新型属于工程热力学技术领域，涉及一种低参数热回收系统，具体涉及一种利用余热、水温、空气等环境温度发电或做功的系统。

背景技术

根据热力学第二定律，在相同的高温热源温度和低温热源温度之间工作的一切循环中，以卡诺循环的热效率为最高，称为卡诺定理。卡诺循环是热力学热机循环的最根本基础，卡诺循环的效率公式η＝1-T₂/T₁，是卡诺循环的核心，从卡诺循环的效率公式中可以看出：卡诺循环的效率只与两个热源的热力学温度有关，如果高温热源的温度愈高，低温热源的温度愈低，则卡诺循环的效率愈高。因为不能获得T₁→∞的高温热源或T₂＝0K(-273℃)的低温热源，所以卡诺循环的效率必定小于1。如果高温热源的温度等于低温热源的温度，效率为零，即不能从单一热源转换做功的理论基础。当前的热力机械都以环境温度为低温热源，而环境温度无法改变，因此，现有的研究都是通过高温热源的温度，即使用化石燃料进行加热，以提高高温热源的温度，从而提高卡诺循环效率。

朗肯循环是对卡诺循环的具体应用，当前被广泛应用于火力发电、余热发电等领域。现有的朗肯循环结构示意图，如图1所示，低温液态工质从储液罐中抽出经加压泵输送到热交换器，推动发电机发电做功，汽轮机排出的低温低压气体经冷凝器将其汽化热中的潜热散发掉，使未做功的低温低压气体变为液体，完成一个循环。其中冷凝器与环境(空气或冷却介质)组成外部低温能源系统，如果没有外部低温能源维持系统，该系统就不能工作。因此，朗肯循环的问题关键在于：1、若不吸收掉乏汽的汽化热，乏汽就无法变为液体，就不能实现连续的热工循环，这是热力发动机工作的根本基础。2、现代热工学都以环境温度为低温热源，采用高于环境温度的高温热源向热力发动机提供动力，这是导致现代热工学中只能燃烧各种燃料，如煤、天然气、铀等来获得高温热源。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种低参数热回收系统，不仅可实现低品位余热回收的利用，还可大幅提高发电效率，同时在较小外功输入的条件下，利用环境热源作为高温高压热源进行热能动力转换，使得在没有外部冷源的情况下，实现热功转换并大大提高了热功转换的效率。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种低参数热回收系统，包括用于发电或做功的主循环系统和用于获取并维持低温能源的辅助循环系统，通过控制主循环系统和辅助循环系统的以使低温工质液与外部回收余热之间形成温差从而实现电力输出；

其中，所述主循环系统包括依次连接的装有工质液的储液罐、工质泵、回热器、第一热交换器、汽轮机和发电机；

所述辅助循环系统包括与回热器连接的第二热交换器，以及依次连接的汽轮机、储液罐、喷射热泵和回热器，所述第二热交换器还与喷射热泵连接，回热器与储液罐连接；

所述第一热交换器和第二热交换器均连接有外部回收余热。

进一步地，所述工质液包括液氮、液态空气、R410A制冷剂、液态二氧化碳、液态氢、液态氦中的一种。

进一步地，所述第一热交换器和第二热交换器均为逆流式热交换器。

本实用新型具有以下有益效果：

(1)通过设置用于获取并维持低温能量的辅助循环系统，克服传统的郎肯循环中需要外部冷源对汽轮机做功后排放出来的乏汽进行降温处的设备，能持续维持冷源，节约成本，提高工作效率；

(2)通过设置依次连接的汽轮机、储液罐、喷射热泵和回热器，实现将汽轮机的乏汽中气体进行气液分离，并对分离后的气体被喷射热泵负压吸收并与回热器内进行热交换，冷却后进入储液箱内，实现冷源维持；

(3)整个过程都可以在常温下进行，无需外部高温热源，节约能源。

附图说明

图1为现有技术朗肯循环示意图。

图2为本实用新型实施例1结构示意图。

图3为本实用新型实施例2结构示意图。

图4为本实用新型实施例3结构示意图。

图5为本实用新型实施例4结构示意图。

图中标记：1、第一热交换器；2、第二热交换器；3、汽轮机；4、发电机；5、喷射热泵；6、回热器；7、工质泵；8、储液罐；9、第三热交换器；10、第一阀门；11、第二阀门。

具体实施方式

实施例1

如图2所示，本实施例提供的低参数热回收系统包括第一热交换器1、第二热交换器2、汽轮机3、发电机4、喷射热泵5、回热器6、工质泵7和储液罐8。

所述储液罐8用于存储工质液，常见的工质液包括液氮、液态空气、R410A制冷剂、液态二氧化碳、液态氢、液态氦等，本实例优选选择液氮，所述液氮在常压下的温度为-196℃，1立方米的液氮可以膨胀至696立方米21℃的纯气态氮，所述储液罐8内的温度保持在-204℃，使液氮保持在液态的状态，其上设有一个排液通道81，一个气液混合通道82，一个排气通道83，一个进液通道。

所述工质泵7采用低温液体泵，便于液氮的传输，亦可以减少液氮在传输过程中的损失。

所述回热器6采用具有两队通路的回热器6，一对通路用于储液罐8的液氮流出，另一对通路用于液氮流回储液罐8。

所述第一热交换器1和第二热交换器2均采用逆流式热交换器，它包括两个入口Aa和两个出口Bb，一个入口A与对应的出口B用于运输液氮，一个入口a与对应的出口b用于运输外部回收余热。

所述汽轮机3为蒸汽透平发动机，在绝对温度在100℃以下、高温高压气体压力在4Mpa、出口乏汽压力为30kpa的中压汽轮机3。

所述喷射热泵5包括3个端口，一个为低压进口52，与储液罐8的排气通道83连接，一个为工作热气入口51，与第二热交换器2的出口2B连接，一个为混合出口端53，与回热器6的用于液氮流回储液罐8的一对通路连接。

所述储液罐8的排液通道81、工质泵7、回热器6、第一热交换器1、汽轮机3和发电机4依次连接，形成主循环系统，用于发电或做功；首先打开工质泵7，液氮被抽出储液罐8并加压的规定的压力，再流入回热器6中与喷射热泵5的混合出口端53输出的氮气进行热交换后在输送至第一热交换器1第低温入口1A，外部回收余热从高温入口1a流入第一热交换器1内，外部回收余热与液氮进行热交换，外部回收余热被降温后并从低温出口1b流出，液氮被加热成氮气(高温高压气体)，氮气再从高温出口1B流入到汽轮机3，汽轮机3上的叶片转动进而带动发电机4进行发电或做功。

所述汽轮机3、储液罐8、喷射热泵5和回热器6依次连接，喷射热泵5的工作热气入口51与第二热交换器2连接，回热器6还与储液罐8的进液通道83连接，汽轮机3中未做功的乏汽直接进入储液罐8中，进入储液罐8后，乏汽中的液体直接落入液氮中，气体在液体上方并被喷射热泵5中低压进口51处形成负压抽入喷射热泵5的混合室，喷射热泵5工作热气入口52连接第二热交换器2的高温出口2B，第二热交换器2输出的高压高温气体也进入混合室与乏汽进行混合形成中温中压的气体，该气体再通过喷射热泵5的混合出口端53输出回流器的用于液氮流回储液罐8的一对通路中，与工质泵7抽出的液氮进行热交换，将混合的中温中压气体降温为液态并回流至储液罐8内，再进入下一轮的轮回。因为本实施例所提供的液氮的环境始终处于密闭的环境中，并且各个设备之间相互独立，使得温度和压力也各自独立，所以液氮加热变成气体的压力不会发生任何改变。

在实际应用时，喷射热泵5的低压进口51处的压力一直控制为30kpa，因此，与低压进口连通的储液罐8中的温度为-204℃，从而保证储液罐8中的液氮温度稳定，为汽轮机3提供一个稳定的低温冷源温度。储液罐8中的冷源t2＝-204℃。而储液罐8与汽轮机3乏汽出口连通。在一个封闭的系统中，如果液体受到的压力低于该种液体的沸点，液体就会不断蒸发，同时液体的温度不断下降，最后达到该液体所受压力对应的温度。

将本实施例具体应用核电站循环冷却水中，即核电站循环冷却水作为外部回收余热，此技术不但彻底消除了热污染，出口温度为环境温度到0℃之间。核电站循环冷却水温度一般为35～40℃，本次选择为38℃。即第一交换器的高温入口a1的温度38℃，出口b1的水温设置为20℃，高温出口B1的氮气温度为15℃，其焓值为h1＝289.65kj/kg，而汽轮机3的透平出口的乏汽温度为-190.74℃，焓值为h2＝84.5kj/kg。根据卡诺循环效应η为0.7618。

从卡诺循环效率表示汽轮机3进口蒸汽h1中有76.18％转化做功，剩余的蒸汽潜热占进口蒸汽h1的百分比为：1-0.7618＝0.2382。而剩余的蒸汽潜热被喷射热泵5的低压进口端抽吸。

喷射热泵5的工作热气入口的温度15℃，其焓值为h1＝289.65kj/kg，与乏汽的-190.74℃，焓值为h2＝84.5kj/kg混合后两者的单位蒸汽总热值则为：289.65kj+84.5k/2＝187.08kj/kg，通过查阅氮物性表，可知187.08kj/kg对应的蒸汽温度为223k。

所述回热器6中被加热的液氮焓值为187.08kj/kg，进入第一热交换器1再被加温到15℃，焓值增加为289.65kj/kg。由于是两倍的工质，增加的热能Q为289.6-187.08/2＝205.14kj。

所述汽轮机3进口蒸汽焓值h1减去出口蒸汽焓值h2就是汽轮机3所做的功W＝h1-h2＝289.6-84.5＝205.15kw。

将汽轮机3的进口气量设置为50t/h，低温能源维持系统自耗电700kw；汽轮机3做功2710kw，发电机4额定功率2500kw，最大功率3000kw，处理核电站循环水余热污染200吨；输出电力1800kw，进而大大提高了能源的利用率。

实施例2

本实施例与实施例1的基本相同，辅助循环系统不改变，仅增加一个热交换器和两个阀门在主循环系统上，具体地，如图3所示，所述第一热交换器1后连接有第三热交换器9，并给第一热交换器1并联连接一个第一阀门10，第三热交换器9并联连接一个第二阀门11。

本实施例的外部回收余热采用环境热源，本实施例主循环系统采用两级热交换器将液氮和环境热源进行热交换，使得环境热源降温，液氮被加热成氮气，可使汽轮机3工作带动发动机发电，环境热源降温后再通过风扇吹到空气中进行降温，以实现制冷的效果。所述制冷效果是根据热交换器设置的低温出口温度决定的，根据不同的热源，所述热交换器可以采用不同的热交换器。本实施例的所提供的制冷系统可用于冷冻库、冷藏库、集装箱冷冻车、集装箱冷藏车、也可以是办公室或家庭制冷等一切需要制冷的场合或对象，适用于空间较小的场所。

实施例3

本实施例与实施例2基本相同，辅助循环系统不改变，仅增加相同数量热交换器和阀门在主循环系统上，其连接结构和第三热交换器9和第二阀门11相同，具体地如图4所示，增加N个热交换器，N＝1、2、3、……n(n为整数)，热交换器将房间热能带走，将热能集中后流入汽轮机3做功，带动发电机4发电，调节阀门的开度，或是低温工质的流速，都可调节制冷量。本实施案例所提供的冷电联产系统对各类楼宇、住宅小区、工业小区、大型企业、城市综合体等进行冷电联产。将楼宇、住宅小区、工业区、城市综合体、用电大户等作为节点，可将各个节点利用电力系统连接一片，使其连接成城市分布式能源网。

实施例4

本实施例与实施例1基本相同，本实施例将去掉第二热交换器2，将辅助循环系统中的喷射热泵5的工作热气入口与第一热交换器1的输高温出口端连接，具体地如图5所示，同时给第一热交换器1并联一个阀门。所述外部回收余热采用空气，当环境空气温度达到30度左右就需要使用空调制冷，本实施例主循环系统采用热交换器将液氮和空气进行热交换，使得空气降温，液氮被加热成氮气，可使汽轮机3工作带动发动机发电，空气降温后再通过风扇吹到空气中进行降温，以实现制冷的效果。本实施案例所提供的空气能发电系统可用于楼宇、住宅小区、工业小区、城市综合体、用电大户等一切需要发电或制冷的场合或对象。

以上所述仅是本实用新型优选的实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何基于本实用新型所提供的技术方案和实用新型构思进行的改造和替换都应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (3)

1.一种低参数热回收系统，其特征在于：包括用于发电或做功的主循环系统和用于获取并维持低温能源的辅助循环系统，通过控制主循环系统和辅助循环系统的以使低温工质液与外部回收余热之间形成温差从而实现电力输出；

其中，所述主循环系统包括依次连接的装有工质液的储液罐(8)、工质泵(7)、回热器(6)、第一热交换器(1)、汽轮机(3)和发电机(4)；

所述辅助循环系统包括与回热器(6)连接的第二热交换器(2)，以及依次连接的汽轮机(3)、储液罐(8)、喷射热泵(5)和回热器(6)，所述第二热交换器(2)还与喷射热泵(5)连接，回热器(6)与储液罐(8)连接；

所述第一热交换器(1)和第二热交换器(2)均连接有外部回收余热。

2.根据权利要求1所述的低参数热回收系统，其特征在于：所述工质液包括液氮、液态空气、R410A制冷剂、液态二氧化碳、液态氢、液态氦中的一种。

3.根据权利要求1所述的低参数热回收系统，其特征在于：所述第一热交换器(1)和第二热交换器(2)均为逆流式热交换器。