CN107503813A - 利用低品位热能驱动的重力型无泵有机工质发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用低品位热能驱动的重力型无泵有机工质发电装置，包括蒸发器、双冷凝器、膨胀机、发电机、十个水阀、四个制冷剂阀；往蒸发器和第一冷凝器中充入一定量的制冷剂，蒸发器和冷凝器内部的换热管，用于流通热水或冷却水。两个冷凝器必须高于蒸发器。水阀改变热水流向使蒸发器、第一冷凝器和第二冷凝器在加热过程中被相同温度的热源加热，第一冷凝器或第二冷凝器和蒸发器的压力相同，第一和第二冷凝器的位置高于蒸发器，液态制冷剂从被加热的冷凝器流入到蒸发器，保证蒸发器能够源源不断地产生高温高压的制冷剂蒸汽推动膨胀机旋转带动发电机发电，可以保证***能够连续地输出电量，省去高压工质泵，提高***的运行效率。

Description

利用低品位热能驱动的重力型无泵有机工质发电装置

技术领域

本发明涉及发电设备技术领域，特别涉及一种利用低品位热能驱动的重力型无泵有机工质发电装置。

背景技术

有机朗肯循环(ORC)作为一种将中低品位的热能转化为电能的技术，引起了广泛的研究。图1所示的是现有的常规有机工质发电装置，由蒸发器、冷凝器、膨胀机和工质泵等组成。有机朗肯循环在应用中低品位的热能发电的过程中，尤其是小型有机朗肯循环存在一个瓶颈问题即高压工质泵消耗的电能，由于高压工质泵出口的压力必须不小于蒸发压力，以有机工质制冷剂R245fa为例，当蒸发温度为100℃，蒸发压力为1.26MPa，同时泵入口压力为0.18MPa，高压工质泵需要将制冷剂液体从0.18MPa增压到1.26MPa，而高压工质泵的效率通常比较低，因此该过程消耗的电能相对于小型有机朗肯循环的发电量是不容忽视的，造成了***的净发电效率低。

针对该问题，授权号为ZL 2014 1 0680177.0的专利“一种利用低品位热能驱动的有机工质发电装置”提出了一套无泵有机朗肯循环***，如图2所示，***由两个相同的换热器，两个四通水阀、一个四通制冷剂阀门、涡旋式膨胀机及发电机等组成，通过切换阀门实现热源和冷源交替加热换热器，实现工质的循环流动，代替工质泵的作用，但是实验结果显示膨胀机输出的轴功不稳定不连续，应用起来比较困难，附图2中，换热器1-A2-A1为高温高压有机工质管道；换热器1-A6-工质泵-热源-A4-换热器1为热水循环供热管道；换热器2-A6-工质泵-冷却塔-A4-换热器2为冷却水循环管道；A3-A2-A7为膨胀机排气管道。

当热源加热换热器1时冷源冷却换热器2时是这种情况；当热源加热换热器2，冷源冷却换热器1时，又是另外一种情况，详见授权号ZL201410680177.0的专利“一种利用低品位热能驱动的有机工质发电装置”。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种利用低品位热能驱动的重力型无泵有机工质发电装置。

为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：

一种利用低品位热能驱动的重力型无泵有机工质发电装置，包括：蒸发器、双冷凝器、膨胀机、发电机、十个水阀、四个制冷剂阀，所述双冷凝器包括第一冷凝器和第二冷凝器，四个制冷剂阀包括第一制冷剂阀、第二制冷剂阀、第三制冷剂阀、第四制冷剂阀；

其中，所述蒸发器通过第一制冷剂阀与第一冷凝器连接；蒸发器通过第二制冷剂阀与第二冷凝器连接；膨胀机的进口与蒸发器连接；膨胀机的出口通过第三制冷剂阀与第一冷凝器连接；膨胀机的出口通过第四制冷剂阀与第二冷凝器连接；通过切换不同的制冷剂阀，使膨胀机的排气在不同的时间段流向第一冷凝器或第二冷凝器；所述蒸发器和所述双冷凝器中充入制冷剂，所述蒸发器和冷凝器内部设置一组螺旋状的换热管，用于流通热水或冷却水，而热水和冷却水分别通过热源和冷源提供；

通过十个水阀改变热水流向，蒸发器、第一冷凝器和第二冷凝器在加热过程中被相同温度的热源加热，使得第一冷凝器或第二冷凝器和蒸发器的压力相同，而所述第一冷凝器和所述第二冷凝器的位置高于所述蒸发器，液态制冷剂从被加热的所述第一冷凝器和所述第二冷凝器流入到所述蒸发器，保证蒸发器不断产生高温高压的制冷剂蒸汽推动所述膨胀机旋转带动所述发电机发电。

上述技术方案中，十个水阀包括第一水阀到第十水阀，发器内的螺旋换热管通过第三和第四水阀连接热源；第一冷凝器的螺旋换热管通过第一和第五水阀连接热源；第一冷凝器的螺旋换热管通过第七和第九水阀连接冷源；第二冷凝器的螺旋换热管通过第二和第六水阀连接热源；第二冷凝器的螺旋换热管通过第八和第十水阀连接冷源；热源的出水口与第一、第二和第三水阀连接，回水口与第四、第五和第六水阀连接；冷却塔的出水口与第七和第八水阀连接，回水口与第九和第十水阀连接；

上述技术方案中，在热水管路布置一个锅炉水泵；在冷却水管路上布置一个冷却塔水泵。

上述技术方案中，所述膨胀机为涡旋式膨胀机。

上述技术方案中，所述蒸发器以及所述第一冷凝器分别设置有充注口，补充有机工质。

上述技术方案中，所述有机工质包括制冷剂R245fa。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明可以保证***能够连续地输出电量，省去高压工质泵，提高***的运行效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是现有的有机朗肯循环结构示意图；

图2是现有的一套无泵有机朗肯循环示意图；

图3是本发明的发电装置的结构示意图；

图4是本发明的发明装置的运行策略图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

图3是本发明的发电装置的结构示意图；如图3所示，本发明的一种利用低品位热能驱动的重力型无泵有机工质发电装置，包括：蒸发器、双冷凝器、膨胀机、发电机、十个水阀、四个制冷剂阀，所述双冷凝器包括第一冷凝器和第二冷凝器，四个制冷剂阀包括第一制冷剂阀、第二制冷剂阀、第三制冷剂阀、第四制冷剂阀；

本发明的具体的各个部件的连接关系如下：蒸发器通过第一制冷剂阀与第一冷凝器连接；蒸发器通过第二制冷剂阀与第二冷凝器连接；膨胀机的进口与蒸发器连接；膨胀机的出口通过第三制冷剂阀与第一冷凝器连接；膨胀机的出口通过第四制冷剂阀与第二冷凝器连接；通过切换不同的制冷剂阀，使膨胀机的排气在不同的时间段流向第一冷凝器或第二冷凝器；所述蒸发器和所述双冷凝器中充入制冷剂，所述蒸发器和冷凝器内部设置一组螺旋状的换热管，用于流通热水或冷却水，而热水和冷却水分别通过热源和冷源提供。

通过十个水阀改变热水流向，蒸发器、第一冷凝器和第二冷凝器在加热过程中被相同温度的热源加热，使得第一冷凝器或第二冷凝器和蒸发器的压力相同，而所述第一冷凝器和所述第二冷凝器的位置高于所述蒸发器，液态制冷剂从被加热的所述第一冷凝器和所述第二冷凝器流入到所述蒸发器，保证蒸发器不断产生高温高压的制冷剂蒸汽推动所述膨胀机旋转带动所述发电机发电。

十个水阀包括第一水阀到第十水阀，发器内的螺旋换热管通过第三和第四水阀连接热源；第一冷凝器的螺旋换热管通过第一和第五水阀连接热源；第一冷凝器的螺旋换热管通过第七和第九水阀连接冷源；第二冷凝器的螺旋换热管通过第二和第六水阀连接热源；第二冷凝器的螺旋换热管通过第八和第十水阀连接冷源；热源的出水口与第一、第二和第三水阀连接，回水口与第四、第五和第六水阀连接；冷却塔的出水口与第七和第八水阀连接，回水口与第九和第十水阀连接；

在热水管路布置一个锅炉水泵；在冷却水管路上布置一个冷却塔水泵。本发明中第三和第四水阀始终是处于打开状态，这样保证蒸发器始终是处于被加热状态，第一和第二制冷剂阀是单向阀，具体流动方向如图3所示，图3中，B6-B3-冷却塔-B2-V7-B1-第一冷凝器的管道为冷水管道；热源-B11-V3-蒸发器-V4-B12的管道为热水管道；热源-B11-V2-B7-第二冷凝器-B8-V6-B12的管道为热水管道；B9-RV2-B10和B15-B14为高压制冷剂管道；B13-B5-RV3-B4为低压制冷剂管道。

热源以及冷源的出口处分别设置有水泵。膨胀机为涡旋式膨胀机，涡旋式膨胀机与发电机通过皮带相连接。蒸发器以及所述第一冷凝器、第二冷凝器分别设置有充注口，补充有机工质。

本发明的的工作原理如下：在运行之前，通第一制冷剂充注口和第二制冷剂充注口分别向蒸发器和第一冷凝器中注入换热所需的有机工质，一般为制冷剂R245fa等，本发明对此不做限制，同时第三和第四水阀始终保持打开状态，热源始终加热蒸发器。在***部件的布置位置上，第一和第二冷凝器的位置必须高于蒸发器的位置。

第一步：热源加热第二冷凝器，冷源冷却第一冷凝器。此时打开第二、第六、第七、第九水阀和第三制冷剂阀门。蒸发器产生的高温高压的制冷剂蒸汽流入膨胀机推动膨胀机旋转做功，膨胀机排气流入到第一冷凝器，冷凝为饱和液体。由于蒸发器和第二冷凝器同时被相同温度的热源加热，同时第二冷凝器的位置高于蒸发器的位置，因此液态制冷剂会从第二冷凝器流入到蒸发器。当这里没有液态制冷剂从第二冷凝器流入蒸发器时，关闭第二和第六水阀，打开第八和第十水阀打开。冷却水开始冷却第二冷凝器。

第二步：热源加热第一冷凝器。当膨胀机的轴功开始剧烈下降时，关闭第七、第九水阀和第三制冷剂阀门，打开第一、第五和第四制冷剂阀门。此时蒸发器产生的高温高压制冷剂蒸汽流入膨胀机推动膨胀机旋转做功，膨胀机排气流入到第二冷凝器。由于蒸发器和第一冷凝器同时被热源加热，同时第一冷凝器的位置高于蒸发器的位置，则液态制冷剂从第一冷凝器流入到蒸发器。当这里没有液态制冷剂从第一冷凝器流入蒸发器时，关闭第一和第五水阀，打开第七和第九水阀。冷却水开始冷却第一冷凝器。

最后，热源加热第二冷凝器。当膨胀机输出的轴功开始剧烈地下降时，关闭第八、第十水阀和第四制冷剂阀门，打开第二、第六水阀和第三制冷剂阀门。接下来的工作过程是与第一步的工作过程类似，此时膨胀机的排气流入到第一冷凝器，液态制冷剂从第二冷凝器流入到蒸发器。

本发明的发电装置***详细的运行策略如图4所示，蒸发器一直处于被加热的状态，第一冷凝器和第二冷凝器在一个周期内处于被加热和被冷却的不断交换过程中。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种利用低品位热能驱动的重力型无泵有机工质发电装置，其特征在于，包括：蒸发器、双冷凝器、膨胀机、发电机、十个水阀、四个制冷剂阀，所述双冷凝器包括第一冷凝器和第二冷凝器，四个制冷剂阀包括第一制冷剂阀、第二制冷剂阀、第三制冷剂阀、第四制冷剂阀；

其中，所述蒸发器通过第一制冷剂阀与第一冷凝器连接；蒸发器通过第二制冷剂阀与第二冷凝器连接；膨胀机的进口与蒸发器连接；膨胀机的出口通过第三制冷剂阀与第一冷凝器连接；膨胀机的出口通过第四制冷剂阀与第二冷凝器连接；通过切换不同的制冷剂阀，使膨胀机的排气在不同的时间段流向第一冷凝器或第二冷凝器；所述蒸发器和所述双冷凝器中充入制冷剂，所述蒸发器和冷凝器内部设置一组螺旋状的换热管，用于流通热水或冷却水，而热水和冷却水分别通过热源和冷源提供；

通过十个水阀改变热水流向，蒸发器、第一冷凝器和第二冷凝器在加热过程中被相同温度的热源加热，使得第一冷凝器或第二冷凝器和蒸发器的压力相同，而所述第一冷凝器和所述第二冷凝器的位置高于所述蒸发器，液态制冷剂从被加热的所述第一冷凝器和所述第二冷凝器流入到所述蒸发器，保证蒸发器不断产生高温高压的制冷剂蒸汽推动所述膨胀机旋转带动所述发电机发电。

2.根据权利要求1所述的利用低品位热能驱动的重力型无泵有机工质发电装置，其特征在于，十个水阀包括第一水阀到第十水阀，发器内的螺旋换热管通过第三和第四水阀连接热源；第一冷凝器的螺旋换热管通过第一和第五水阀连接热源；第一冷凝器的螺旋换热管通过第七和第九水阀连接冷源；第二冷凝器的螺旋换热管通过第二和第六水阀连接热源；第二冷凝器的螺旋换热管通过第八和第十水阀连接冷源；热源的出水口与第一、第二和第三水阀连接，回水口与第四、第五和第六水阀连接；冷却塔的出水口与第七和第八水阀连接，回水口与第九和第十水阀连接。

3.根据权利要求1所述的利用低品位热能驱动的重力型无泵有机工质发电装置，其特征在于，在热水管路布置一个锅炉水泵；在冷却水管路上布置一个冷却塔水泵。

4.根据权利要求1所述的利用低品位热能驱动的重力型无泵有机工质发电装置，其特征在于，所述膨胀机为涡旋式膨胀机。

5.根据权利要求1所述的利用低品位热能驱动的有机工质发电装置，其特征在于，所述蒸发器以及所述第一冷凝器分别设置有充注口，补充有机工质。

6.根据权利要求5所述的利用低品位热能驱动的重力型无泵有机工质发电装置，其特征在于，所述有机工质包括制冷剂R245fa。