CN104481619A - 能实现热能高效利用的郎肯循环发电*** - Google Patents

能实现热能高效利用的郎肯循环发电*** Download PDF

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Abstract

本发明属于能源应用领域，主要涉及一种能实现热能高效利用的郎肯循环发电***。该***是一种带有逆卡诺循环子***的郎肯循环发电***，即在郎肯循环的工作介质泵与蒸汽发生器之间加装有回热器，并将其通过回热介质及管道与回热器、压缩机、膨胀阀、冷凝器一起构成一个逆卡诺循环***，其功能是通过回热介质将目前郎肯循环中被冷凝器的冷却介质带走、并且排放掉的、大量的***吸收的热能，重新输送回给郎肯循环的工作介质，进而极大地提高热电转换率。

Description

能实现热能高效利用的郎肯循环发电***
技术领域
 本发明涉及一种带有逆卡诺循环子***的郎肯循环发电***，属于能源应用领域，尤其涉及新能源应用领域。
背景技术
150 ℃ 以下的低温热能广泛存在于自然界和工业生产过程中，如太阳能、生物质能、地热能，以及水泥厂、热力发电厂和化工厂的工业余热，若能充分加以利用 ，则是对能源的巨大节约，因此，安全、可靠、高效地利用这部分热能的意义重大。与传统的水蒸气朗肯循环发电***相比，采用低沸点有机介质的有机物朗肯循环（ORC）发电***的发电效率高、环境友好、结构简单及可靠性高，已成为回收利用低温热能的最佳选择．朗肯循环螺杆膨胀发电机技术因此被列入《国家新兴战略性产业发展纲要》中的“节能环保产业9大待突破关键核心技术”之一的国家重点技术攻关课题。天津大学、上海交通大学、北京工业大学、郑州大学等院校和科研机构的专家学者也开展了大量的研究，采用郎肯循环发电技术的发电机组国内现在已有多家企业生产，主要应用工业生产中余热回收领域。
目前虽然郎肯循环发电技术应用趋势看好，但其热能利用率和热能转换成电能的热电转换率过低的问题仍然存在，目前从各家生产企业公布的数据来看，虽然等熵效率较高但循环热效率较低，热电转换率一般在5%-18%左右，应用在余热回收领域尚可接受，但应用在太阳能发电、生物质能发电、海洋能发电、地热能发电等领域、特别是电热储能等领域，过低的热电转换率是难以被人接受的。
为提高郎肯循环热效率（即膨胀机做功与郎肯循环***吸收热能的比值），特别是低温热能有机郎肯循环发电应用领域，已有许多专家学者如昆明理工大学黄辉涛、王华，北京工业大学马重芳、吴玉庭、朱江，天津大学马一太、张于峰、李新国、张津、胡亮光，郑州大学马新灵等等做过多年的研究。在工作介质方面研究过几十种，包括从单一工质到多元工质、从有机工质到无机工质，膨胀机研究从单螺杆机、双螺杆机再到透平机、涡旋机等等，同时在循环***各节点的工况参数、***优化及***设备方面也进行了大量的研究和试验，从实践的结果来看，郎肯循环热效率一般不超过百分之二十。
天津大学张津对理想郎肯循环中不同工质的分子结构、分子熵和循环热效率之间联系进行了深入研究（详见其发表的论文《用于低温热能回收的有机郎肯循环工质的设计》），从其研究的结果来看，有个别工质可以达到30%，但使用成本很高，目前生产的几十种有机工质的循环热效率都不到15%。
郎肯循环的循环热效率不高，但并不代表采用郎肯循环技术的设备其热能的利用率就不高。
图1是目前正在应用的典型的低温有机郎肯循环及其发电原理示意图，通过示意图和现实中应用情况看，循环***中工质经蒸发器从***外所吸收的热能，经膨胀机做功后剩余的热能有很大一部分被冷凝器中的冷却介质（上图中冷却水）带走，并没有被有效的利用。
郑州大学马新灵采用R245fa做工质，对郎肯循环***、透平膨胀动力机以及采用透平机的郎肯循环发电***做过长期的研究（详见《中国电机工程学报》第34卷第14期2014年5月15日《有机朗肯循环低品位热能发电***向心透平的设计与性能研究》，和《郑州大学学报（工学版）》第32卷第4期2011年7月《有机郎肯循环的热力学分析》），从其所公布的数据进行的分析可以看出，郎肯循环过程中***所吸收的热能竟有高达90%以上被循环***中冷凝器的冷却介质（见图1中冷却水）带走、并且排放掉了。
***外所吸收的热能并没有被有效的利用是造成郎肯循环***热能的有效利用率过低的主要原因，也使得该项技术在除余热回收领域以外的其他领域，如可再生能源、新能源发电等领域难以推广。
发明内容
发明目的
本发明涉及一种能实现热能高效利用的郎肯循环发电***，其目的是为了提高热能的有效利用率和热电转换率，进而促使这项低温热能发电技术能够更好的在太阳能发电、生物质能发电、海洋能发电、地热能发电等可再生能源领域、特别是电热储能等领域得到更广泛的应用。
技术方案
一种能实现热能高效利用的郎肯循环发电***，其特征在于：该***是带有逆卡诺循环子***的郎肯循环发电***，主要由蒸汽发生器、膨胀动力机、发电机、冷凝器、工作介质泵、回热器、工作介质和工作介质管道共同构成；蒸汽发生器与工作介质泵之间安装有回热器，蒸汽发生器连接膨胀动力机，膨胀动力机连接冷凝器，冷凝器连接工作介质泵，工作介质泵连接回热器，回热器连接蒸汽发生器；逆卡诺循环子***由回热器、膨胀阀、压缩机、储液罐、冷凝器、回热介质和回热介质管道共同构成。
逆卡诺循环子***中回热介质的流道连接是：回热器连接储液罐、储液罐连接膨胀阀、膨胀阀连接冷凝器、冷凝器连接压缩机、压缩机连接回热器。
***外热源通过载热介质经过蒸汽发生器中的载热介质流道，给蒸汽发生器中的工作介质加热。
蒸汽发生器与回热器之间设有预热器。
***外热源通过载热介质先后经过蒸汽发生器和预热器中的载热介质流道，给蒸汽发生器和预热器中的工作介质加热。
工作介质和回热介质是无机介质或低沸点有机介质。
膨胀动力机连接发电机。
冷凝器和回热器均采用双流道换热器，一条为工作介质流道，另一条为回热介质流道。
优点及效果
本发明是一种能实现热能高效利用的郎肯循环发电***，具有以下优点：
本发明以提高热能的有效利用为目标，提出了一种带有逆卡诺循环子***的郎肯循环发电***，与现有的郎肯循环发电技术相比，其热能利用率和热电转换率可获得极大的提高，进而促使这项低温热能发电技术能够更好的在太阳能发电、生物质能发电、海洋能发电、地热能发电等可再生能源领域、特别是电热储能等领域得到更广泛的应用。
附图说明
图1是是目前正在应用的典型的低温有机郎肯循环及其发电原理示意图；
图2是本发明一种结构示意图；
图3是本发明另一种结构示意图。
附图标记说明：
1. 蒸汽发生器；2. 膨胀动力机；3. 发电机；4. 冷凝器；5. 工作介质泵；6. 回热器；7. 预热器；8. 节流或膨胀阀；9. 压缩机；10. 储液罐；11. 工作介质；12. 回热介质；13. 载热介质。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
本发明是一种能实现热能高效利用的郎肯循环发电***，其特征在于：该***是带有逆卡诺循环子***的郎肯循环发电***，主要由蒸汽发生器1、膨胀动力机2、发电机3、冷凝器4、工作介质泵5、回热器6、工作介质11和工作介质管道共同构成；蒸汽发生器1与工作介质泵5之间安装有回热器6，郎肯循环中的工作介质11的流道连接如下：蒸汽发生器1连接膨胀动力机2，膨胀动力机2连接冷凝器4，冷凝器4连接工作介质泵5，工作介质泵5连接回热器6，回热器6连接蒸汽发生器1；逆卡诺循环子***由回热器6、膨胀阀8、压缩机9、储液罐10、冷凝器4、回热介质12和回热介质管道共同构成，逆卡诺循环子***的作用是通过回热介质12将目前应用的郎肯循环发电***中，被冷凝器4的冷却介质带走、并且排放掉的大量的、从***外吸收的热能，重新输送回给郎肯循环的工作介质。
逆卡诺循环子***中回热介质12的流道连接关系如下：回热器6连接储液罐10、储液罐10连接膨胀阀8、膨胀阀8连接冷凝器4、冷凝器4连接压缩机9、压缩机9连接回热器6。
如图2中所示，***外热源通过载热介质13经过蒸汽发生器1中的载热介质流道，给蒸汽发生器1中的工作介质11加热。
根据具体工况，郎肯循环中的预热器可以安装，也可以不安装。
如图3中所示，在蒸汽发生器1与回热器6之间还可以设置预热器7。
此时，***外热源通过载热介质13先后经过蒸汽发生器1和预热器7中的载热介质流道，给蒸汽发生器1和预热器7中的工作介质11加热。
***中的工作介质11和回热介质12可以是无机介质，也可以是低沸点有机介质。
膨胀动力机2连接发电机3，可作为发电***使用，膨胀动力机2不连接发电机3时可做为动力***使用。
冷凝器4和回热器6均采用双流道换热器，一条为工作介质流道，另一条为回热介质流道。
本发明还可以通过调整压缩机9的出力以及载热介质13的温度、流速来调整控制发电机的运行工况。
本发明的工作过程如下：
不设置预热器时，***外热源通过载热介质13经过蒸汽发生器1中的载热介质流道，给蒸汽发生器1中的工作介质11加热，工作介质11受热蒸发形成饱和蒸汽后进入胀动力机2做功进而带动发电机发电，做功后的工作介质11在冷凝器4中被吸收、冷却、冷凝，再先后被工作介质泵5泵送到回热器6和蒸汽发生器1进入一次循环。
设置预热器时，***外热源通过载热介质13先经过蒸汽发生器1再经过预热器7中的载热介质流道，给蒸汽发生器1和预热器7中的工作介质11加热，工作介质11受热蒸发形成饱和蒸汽后进入（胀动力机2做功进而带动发电机发电，做功后的工作介质11在冷凝器4中被吸收、冷却、冷凝，再先后被工作介质泵5泵送到回热器6、预热器7和蒸汽发生器1进入一次循环。
逆卡诺循环（即热泵）子***的作用是通过回热介质12，一方面作为冷却剂在冷凝器中蒸发，吸收冷凝器4中工作介质11的热量，并对其进行冷却和冷凝，另一方面吸收热量后蒸发的回热介质12经过压缩机9压缩后变成高温、高压介质流被送到回热器6中，去加热回热器6中的工作介质11。这样就可以将目前郎肯循环发电***、特别是低温有机郎肯循环及其发电***中被冷凝器的冷却介质带走、并且排放掉了的大量的、从***外吸收的热能，重新又输送回给工作介质进行下一次循环。

Claims (8)

1.一种能实现热能高效利用的郎肯循环发电***，其特征在于：该***是带有逆卡诺循环子***的郎肯循环发电***，主要由蒸汽发生器（1）、膨胀动力机（2）、发电机（3）、冷凝器（4）、工作介质泵（5）、回热器（6）、工作介质（11）和工作介质管道共同构成；蒸汽发生器（1）与工作介质泵（5）之间安装有回热器（6），蒸汽发生器（1）连接膨胀动力机（2），膨胀动力机（2）连接冷凝器（4），冷凝器（4）连接工作介质泵（5），工作介质泵（5）连接回热器（6），回热器（6）连接蒸汽发生器（1）；逆卡诺循环子***由回热器（6）、膨胀阀（8）、压缩机（9）、储液罐（10）、冷凝器（4）、回热介质（12）和回热介质管道共同构成。
2. 根据权利要求1所述的能实现热能高效利用的郎肯循环发电***，其特征在于：逆卡诺循环子***中回热介质（12）的流道连接是：回热器（6）连接储液罐（10）、储液罐（10）连接膨胀阀（8）、膨胀阀（8）连接冷凝器（4）、冷凝器（4）连接压缩机（9）、压缩机（9）连接回热器（6）。
3. 根据权利要求1或2所述的能实现热能高效利用的郎肯循环发电***，其特征在于：***外热源通过载热介质（13）经过蒸汽发生器（1）中的载热介质流道，给蒸汽发生器（1）中的工作介质（11）加热。
4. 根据权利要求1或2所述的能实现热能高效利用的郎肯循环发电***，其特征在于：蒸汽发生器（1）与回热器（6）之间设有预热器（7）。
5. 根据权利要求4所述的能实现热能高效利用的郎肯循环发电***，其特征在于：***外热源通过载热介质（13）先后经过蒸汽发生器（1）和预热器（7）中的载热介质流道，给蒸汽发生器（1）和预热器（7）中的工作介质（11）加热。
6. 根据权利要求1或2所述的能实现热能高效利用的郎肯循环发电***，其特征在于：工作介质（11）和回热介质（12）是无机介质或低沸点有机介质。
7. 根据权利要求1或2所述的能实现热能高效利用的郎肯循环发电***，其特征在于：膨胀动力机（2）连接发电机（3）。
8. 根据权利要求1或2所述的能实现热能高效利用的郎肯循环发电***，其特征在于：冷凝器（4）和回热器（6）均采用双流道换热器，一条为工作介质流道，另一条为回热介质流道。
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