CN102635416A

CN102635416A - 一种带喷射器的低品位热驱动朗肯发电装置

Info

Publication number: CN102635416A
Application number: CN2012101129330A
Authority: CN
Inventors: 何一坚; 朱祖文; 陈光明; 松鹏
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-04-17
Filing date: 2012-04-17
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2032-04-17
Also published as: CN102635416B

Abstract

本发明公开了一种带喷射器的低品位热驱动朗肯发电装置，包括发生器、膨胀机、发电机、喷射器、吸收器、循环泵以及溶液热交换器。循环泵把在吸收器里完成吸收过程的工作流体经溶液热交换器的低温侧输运到发生器；而溶液热交换器的高温侧的吸收溶液被冷却后进入喷射器；进入发生器的工作流体被输入的热源加热产生高压工作蒸汽；高压工作蒸汽进入膨胀机，膨胀做功；膨胀后的工作蒸汽进入喷射器被喷射器的工作流体引射；最后，进入吸收器完成吸收过程。本发明中膨胀机膨胀过程可以做更多的机械功，使得热转换效率更高；并且，循环泵输运吸收后溶液到发生器的过程所消耗的机械功显著降低，整个装置的净发电效率得到了极大的提高。

Description

一种带喷射器的低品位热驱动朗肯发电装置

技术领域

本发明涉及一种低品位热驱动发电装置，具体涉及一种带喷射器的低品位热驱动朗肯发电装置。

背景技术

在工业生产过程中往往伴随大量的废热、余热排放，温度低于230℃的低品位热广泛而大量地存在，例如燃气轮机、冶金行业、水泥行业、石化行业、食品加工行业排出海量的低品位余热。对于这些余热，传统技术难以利用而且经济性极差，因此，往往都是直接向环境排放，这一方面造成能源利用率低，同时也对环境造成了热污染。

把低品位热转换为电能是一种极具潜力的应用途径。目前，已有研究人员研究应用朗肯循环利用低品位余热发电的装置，应用低品位余热的朗肯发电装置的研究主要关注于对工质的改进，目前国际上通常采用水作为动力循环的工质，造成中低温余热朗肯循环的效率极低。

发达国家如日本、以色列近年来投入大量的精力研究采用有机朗肯循环(ORC)发电技术来来高效回收低品位余热。例如利用氟利昂等有机物作为工质以比较充分地利用温度比较低的低品位热，或者利用二氧化碳为工质充分利用液化天然气所具有的低品位热。通过这些新技术的研究开发，朗肯发电装置在低品位热利用方面的性能有了一些改善。但是，目前的朗肯发电技术中热能的转换效率与人们的期待仍然有很大的距离。据初步计算，利用四氟乙烷(R134a)为工质的朗肯发电装置，在冷凝温度35℃条件下，利用100℃低品位热，整个装置发电效率约为6～10％；利用二氧化碳(R744)为工质利用液化天然气低温热的朗肯发电装置，整个装置发电效率约为6～12％。从中可以看出，由于朗肯发电装置效率比较低，其利用废热等低品位热的经济性比较差。提高热转换效率，是提高朗肯发电装置经济性的根本途径，这对于利用低品位热的朗肯发电技术的发展具有非常重要的意义。

现有的朗肯发电装置通常用循环泵直接把工作流体从冷凝器输送到发生器，这样膨胀机出口蒸汽的压力受冷凝温度的影响很大，限制了膨胀机的做功、发电能力以及热能的转换效率。如实用新型专利申请(申请号为201120277193.7)公开了一种余热发电装置，由蒸发器、冷凝器、溶液泵、膨胀机、旁通阀、安全阀、冷却水出口、冷却水进口、热源出口、热源进口、冷却塔、冷却泵、调节阀、发电机组成，其结够紧凑，操作方便，但结构较复杂，且溶液泵直接把工作流体从冷凝器输送到蒸发器，以致热转换的效率不高。

如果能够在相同的环境温度下，降低膨胀机出口蒸汽的压力就可以增加膨胀机的做功，进而提高朗肯发电装置的热转换效率。这对于克服当前朗肯装置利用低品位热发电效率低、经济性差的缺点具有极其重大的意义。不仅可以极大推动利用低品位热发电的技术水平与应用规模，在节能减排上具有很大潜力与意义。

发明内容

针对现有技术中利用低品位热的不足，本发明提出了一种带喷射器的低品位热驱动朗肯发电装置，可以通过循环环路的吸收溶液以及喷射器的引射作用有效的降低膨胀机出口工作蒸汽的压力，极大地提高热能的转换效率，提高膨胀机做功，也可以显著地减少循环泵输运工作流体所需要消耗的机械功，使整个发电装置的净发电效率得到显著提高。

一种带喷射器的低品位热驱动朗肯发电装置，由发生器、膨胀机、发电机、喷射器、吸收器、循环泵以及溶液热交换器组成；

所述的发生器设有发生器蒸汽出口、发生器溶液入口、发生器溶液出口、以及与驱动热源连通的驱动热源进、出口；

所述的喷射器设有引射流体入口、混合液出口和工作流体入口；

所述的发生器蒸汽出口与膨胀机蒸汽入口相连；膨胀机蒸汽出口与喷射器引射流体入口相连；喷射器混合液出口与吸收器入口相连；吸收器出口与循环泵入口相连；循环泵出口与溶液换热器低温侧通道入口相连；溶液换热器低温侧通道出口与发生器溶液入口相连；发生器溶液出口与溶液热交换器高温侧通道入口相连；溶液热交换器高温侧通道出口与喷射器工作流体入口相连。

所述发电装置的各部件之间的连接方式为管道连接。

所述吸收器内部设有冷却盘管，该冷却盘管的进、出口与冷却介质源连通；所述冷却盘管中充注的冷却介质为水、空气等。

所述的带喷射器的低品位热驱动朗肯发电装置工作流程如下：循环泵把在吸收器里完成吸收过程的工作流体经溶液热交换器的低温侧输运到发生器；此时，完成吸收过程的工作流体在溶液热交换器里被来自发生器的高温、高压的吸收溶液预热，而高温、高压的吸收溶液被冷却之后进入喷射器的工作流体入口由压力能驱动引射引射流体；进入发生器的完成吸收过程的工作流体被驱动热源输入的热能加热产生高压工作蒸汽；所述高压工作蒸汽进入膨胀机，膨胀、降压做功；膨胀后的低压工作蒸汽进入喷射器的引射流体入口而被喷射器的工作流体引射；最后，进入吸收器后完成吸收过程。至此，带喷射器的低品位热驱动朗肯发电装置完成了整个工作的循环。

所述带喷射器的低品位热驱动朗肯发电装置，其工作流体为一种低沸点物质与一种高沸点物质的混合物，其中，高沸点物质可以吸收低沸点物质，高沸点物质主要作为吸收溶液，低沸点物质主要作为工作蒸汽。

所述的低沸点和高沸点为相对概念，低沸点物质的沸点要低于驱动热源的温度，高沸点物质的沸点要高于驱动热源的温度。

工作流体为低沸点物质与可以吸收它们的高沸点物质的混合物，例如二氟乙烷(R152a)与二甲基甲酰胺(DMF)的混合物；

二氟一氯乙烷(R142b)、三氟二氯乙烷(R123)、五氟乙烷(R125)、三氟甲烷(R23)、R410A中的一者与二甲基甲酰胺(DMF)的混合物；

二氟乙烷(R152a)与四甘醇二甲醚(DME)的混合物；

二氟一氯乙烷(R142b)、三氟二氯乙烷(R123)、五氟乙烷(R125)、三氟甲烷(R23)、R410A中的一者与四甘醇二甲醚(DME)的混合物；

二氟乙烷(R152a)与二乙基甲酰胺(DMA)的混合物；

二氟一氯乙烷(R142b)、三氟二氯乙烷(R123)、五氟乙烷(R125)、三氟甲烷(R23)、R410A中的一者与二乙基甲酰胺(DMA)的混合物。

其中吸收溶液主要为高沸点物质，例如二甲基甲酰胺(DMF)、四甘醇二甲醚(DME)、二乙基甲酰胺(DMA)等；工作蒸汽主要为低沸点物质，例如二氟乙烷(R152a)、二氟一氯乙烷(R142b)、三氟二氯乙烷(R123)、五氟乙烷(R125)、三氟甲烷(R23)、R410A等。

目前，大气层中的臭氧层遭到严重破坏，且温室效应日益严重，因此本发明中的工作流体优选自然工质二氧化碳，氨等，一些不破坏臭氧层的有机物如2，3，3，3-四氟丙烯(HFO-1234yf)、四氟乙烷(R134a)、丙烷(R290)、二氟甲烷(R32)等也成为重点选择对象。故作为优选，本发明的工作流体为二氧化碳(R744)与丙酮的混合物，其中吸收溶液主要为丙酮，工作蒸汽主要为二氧化碳；

作为另一种优选方式，工作流体为氨(R717)与水的混合物，其中吸收溶液主要为水，工作蒸汽主要为氨；

作为另一种优选方式，工作流体为2，3，3，3-四氟丙烯(HFO-1234yf)、四氟乙烷(R134a)、丙烷(R290)、二氟甲烷(R32)中的一者与二甲基甲酰胺(DMF)的混合物，其中吸收溶液主要为二甲基甲酰胺，工作蒸汽主要为四氟乙烷或者丙烷；

作为另一种优选方式，工作流体为为2，3，3，3-四氟丙烯(HFO-1234yf)、四氟乙烷(R134a)、丙烷(R290)、二氟甲烷(R32)中的一者与四甘醇二甲醚(DME)的混合物，其中吸收溶液主要为四甘醇二甲醚，工作蒸汽主要为四氟乙烷或者丙烷；

作为另一种优选方式，工作流体为2，3，3，3-四氟丙烯(HFO-1234yf)、四氟乙烷(R134a)、丙烷(R290)、二氟甲烷(R32)中的一者与二乙基甲酰胺(DMA)的混合物，其中吸收溶液主要为二乙基甲酰胺，工作蒸汽主要为四氟乙烷或者丙烷。

本发明的朗肯发电装置，引入了喷射器，从而降低膨胀机蒸汽出口的工作蒸汽的压力，增加膨胀机的做功，进而提高朗肯发电装置的热转换效率。低品位热驱动朗肯发电装置的效率可以达到约为理想循环的20～30％，并且能充分利用了温度很低的低品位热，发电效率高，具有更好的经济性。具体而言，本发明具有以下一些优点：(1)低品位热转换效率高，预计可以比现有技术提高15～30％；(2)可以有效利用温度极低的低品位热，能够有效利用约50℃的低品位热发电；(3)循环泵输运工作流体消耗的机械功可以减少20～40％；(4)整个发电装置的净发电效率可以提高30～70％，经济性更好；(5)整个装置结构比较简单，有利于稳定运行，降低建造费及维护费。

附图说明

图1为本发明带喷射器的低品位热驱动朗肯发电装置的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明一种带喷射器的低品位热驱动朗肯发电装置，采用二氧化碳(R744常压下沸点为-78.5℃)与丙酮(常压下沸点为56.5℃)的混合物为工作流体。由发生器1、膨胀机2、发电机(图中未标示)、喷射器3、吸收器4、循环泵5以及溶液热交换器6组成，发生器1设有发生器蒸汽出口、发生器溶液入口、发生器溶液出口、以及与驱动热源连通的驱动热源进、出口，喷射器3设有引射流体入口、混合液出口和工作流体入口，吸收器4内部设有冷却盘管，该冷却盘管的进、出口与冷却介质源连通，冷却盘管内充注的冷却介质为水。

发生器1蒸汽出口与膨胀机2蒸汽入口相连；膨胀机2蒸汽出口与喷射器3引射流体入口相连；喷射器3混合液出口与吸收器4入口相连；吸收器4出口与循环泵5入口相连；循环泵5出口与溶液换热器6低温侧通道入口相连；溶液换热器6低温侧通道出口与发生器1溶液入口相连；发生器1溶液出口与溶液热交换器6高温侧通道入口相连；溶液热交换器6高温侧通道出口与喷射器3工作流体入口相连。

工作流程如下：循环泵5把在吸收器4里完成吸收过程的吸收后溶液经溶液热交换器6的低温侧输运到发生器1；此时，吸收后溶液在溶液热交换器6里被来自发生器1的高温、高压的吸收溶液预热，而高温、高压的吸收溶液被冷却之后进入喷射器3的工作流体入口由压力能驱动引射引射流体；进入发生器1的吸收后溶液被输入的热源加热产生高压工作蒸汽；高压工作蒸汽进入膨胀机2，膨胀、降压带动发电机做功；膨胀后的工作蒸汽进入喷射器3的引射流体入口而被喷射器3的工作流体引射；最后，进入吸收器4后完成吸收过程。至此，带喷射器的低品位热驱动朗肯发电装置完成了整个工作的循环。

本实施例利用约50℃的低品位热，热转换效率可以提高约15～35％，循环泵消耗的机械功可减少约20～40％，装置的净发电效率最大可提高约30～70％。

实施例2

采用氨(R717常压下沸点为-33.5℃)与水(常压下沸点为100℃)的混合物为工作流体，发电装置的结构、各部件连接方式及工作过程与实施例1相同。

本实施例利用约120℃的低品位热，热转换效率可以提高约20～30％，循环泵消耗的机械功可减少约10～25％，装置的净发电效率最大可提高约25～55％。

实施例3

采用四氟乙烷(R134a常压下沸点为-26℃)与四甘醇二甲醚(DME常压下的沸点为275.3℃)的混合物为工作流体，发电装置的结构、各部件连接方式及工作过程与实施例1相同。

本实施例利用约60℃的低品位热，热转换效率可以提高约20～35％，循环泵消耗的机械功可减少约20～40％，装置的净发电效率最大可提高约30～70％。

实施例4

采用2，3，3，3-四氟丙烯(HFO-1234yf常压下沸点为-28.2℃)与二乙基甲酰胺(DMA常压下的沸点为178℃)的混合物为工作流体，发电装置的结构、各部件连接方式及工作过程与实施例1相同。

本实施例利用约60℃的低品位热，热转换效率可以提高约15～35％，循环泵消耗的机械功可减少约20～35％，装置的净发电效率最大可提高约30～60％。

实施例5

采用丙烷(R290常压下的沸点为-42.04℃)与二甲基甲酰胺(DMF常压下的沸点为152.8℃)的混合物为工作流体，发电装置的结构、各部件连接方式及工作过程与实施例1相同。

本实施例利用约50℃的低品位热，热转换效率可以提高约15～30％，循环泵消耗的机械功可减少约25～40％，装置的净发电效率最大可提高约25～65％。

Claims

1.一种带喷射器的低品位热驱动朗肯发电装置，其特征在于，由发生器、膨胀机、发电机、喷射器、吸收器、循环泵以及溶液热交换器组成；

所述的喷射器设有引射流体入口、混合流体出口和工作流体入口；

所述的发生器蒸汽出口与膨胀机蒸汽入口相连；膨胀机蒸汽出口与喷射器引射流体入口相连；喷射器混合流体出口与吸收器入口相连；吸收器出口与循环泵入口相连；循环泵出口与溶液换热器低温侧通道入口相连；溶液换热器低温侧通道出口与发生器溶液入口相连；发生器溶液出口与溶液热交换器高温侧通道入口相连；溶液热交换器高温侧通道出口与喷射器工作流体入口相连。

2.如权利要求1所述的带喷射器的低品位热驱动朗肯发电装置，其特征在于，所述的各部件之间的连接方式为管道连接。

3.如权利要求1所述的带喷射器的低品位热驱动朗肯发电装置，其特征在于，所述吸收器内部设有冷却盘管，该冷却盘管的进、出口与冷却介质源连通。

4.如权利要求1所述的带喷射器的低品位热驱动朗肯发电装置，其特征在于，所述发电装置的工作流体为一种低沸点物质与一种高沸点物质的混合物，所述低沸点物质的沸点低于驱动热源的温度，高沸点物质的沸点高于驱动热源的温度。

5.如权利要求4所述的带喷射器的低品位热驱动朗肯发电装置，其特征在于，所述的工作流体为二氧化碳与丙酮的混合物。

6.如权利要求4所述的带喷射器的低品位热驱动朗肯发电装置，其特征在于，所述的工作流体为氨与水的混合物。

7.如权利要求4所述的带喷射器的低品位热驱动朗肯发电装置，其特征在于，所述的工作流体为2，3，3，3-四氟丙烯、四氟乙烷、丙烷、二氟甲烷中的一者与二甲基甲酰胺的混合物。

8.如权利要求4所述的带喷射器的低品位热驱动朗肯发电装置，其特征在于，所述的工作流体为2，3，3，3-四氟丙烯、四氟乙烷、丙烷、二氟甲烷中的一者与四甘醇二甲醚的混合物。

9.如权利要求4所述的带喷射器的低品位热驱动朗肯发电装置，其特征在于，所述的工作流体为2，3，3，3-四氟丙烯、四氟乙烷、丙烷、二氟甲烷中的一者与二乙基甲酰胺的混合物。