CN107605557B - 一种有机朗肯循环发电*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种有机朗肯循环发电***，在蒸发装置中设有通过第一循环管道连接的第一换热器和第二换热器，且第一循环管道中装有含有第一液态金属和第一有机工质的第一双流体工质；同时，在冷凝装置设有通过第二循环管道连接的第三换热器和第四换热器，且第二循环管道内装有含有第二液态金属和第二有机工质的第二双流体工质。由于两种双流体工质中液态金属的高导热率，可以快速扩散热量，提高了热源介质的放热效率、冷源介质的吸热效率，以及有机朗肯循环管道中有机工质的吸热和放热效率，同时利用双流体工质中含有的有机工质相变潜热，能储存更多的热量，实现更高效的热量的传递及换热器两侧工质更好的热匹配，从而在整体上提高了发电***效率。
Description
技术领域
本发明涉及低品位热能利用技术领域，更具体地，涉及一种有机朗肯循环发电***。
背景技术
低品位热能利用是解决能源问题的一个重要途径，低品位热能包括工业低温余热以及新能源领域的地热能、太阳能、生物质能等。对低品位热能的利用，不仅能够提高能源利用率，促进节能减排，还能优化能源供给结构，具有重要的现实意义。
有机朗肯循环发电***(Organic Rankine Cycle Power Generation，称为ORCPG)是一种已经证实的可将低品位热能转化为电能的发电***，该***通过蒸发装置使用低品位热能加热有机工质，产生有机工质蒸气，有机工质蒸气的高压驱动膨胀机做功，实现热能到机械能的转变，并带动发电机，产生电能，蒸气状态的有机工质进入冷凝装置冷却为液体，并通过工质泵再次进入蒸发装置开始新的循环。
目前，有机朗肯循环发电***采用的是低品位热能的热源介质在蒸发装置中直接与有机工质实现热交换，然而低品位热能的热源介质的类型是多种多样的，大多数低品位热能的热源介质降温后并不发生相变，属于显热放热，而有机工质吸热后变成蒸气，要经历相变，存在相变潜热，使得蒸发装置中不同位置的换热温差变化很大，不利于传热，***的热传递的效率下降。
发明内容
为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明提供一种有机朗肯循环发电***。
根据本发明的一个方面，提供一种有机朗肯循环发电***，包括：蒸发装置；蒸发装置包括第一换热器、第二换热器、第一驱动泵和第一循环管道；第一换热器通过第一循环管道与第二换热器连接，第一换热器还与有机朗肯循环管道连接，第二换热器还与热源介质管道连接，有机朗肯循环管道内装有有机工质，热源介质管道用于向第二换热器充入和排出热源介质；第一驱动泵设置在第一循环管道的内部，第一循环管道内装有第一双流体工质，第一驱动泵驱动第一双流体工质在第一换热器与第二换热器之间循环流动，第一双流体工质中包括第一液态金属。
其中，第一双流体工质中还包括第一有机工质，第一有机工质的沸点高于有机工质的临界温度，且第一有机工质的沸点低于热源介质进入蒸发装置时的温度。
其中，在第一换热器中有机工质与第一双流体工质的相对流向采用逆流；在第二换热器中第一双流体工质与热源介质的相对流向采用逆流。
其中，有机朗肯循环发电***还包括冷凝装置；冷凝装置包括第三换热器、第四换热器、第二驱动泵和第二循环管道；第三换热器通过第二循环管道与第四换热器连接，第三换热器还与有机朗肯循环管道连接，第四换热器还与冷源介质管道连接，冷源介质管道用于向第四换热器充入和排出冷源介质；第二驱动泵设置在第二循环管道的内部，第二循环管道内装有第二双流体工质，第二驱动泵驱动第二双流体工质在第三换热器与第四换热器之间循环流动，第二双流体工质中包括第二液态金属。
其中，第二双流体工质中还包括第二有机工质，第二有机工质的沸点低于有机工质的冷凝温度，且第二有机工质的沸点高于冷源介质进入冷凝装置时的温度。
其中，在第三换热器中有机工质与第二双流体工质的相对流向采用逆流；在第四换热器中第二双流体工质与冷源介质的相对流向采用逆流。
其中，有机朗肯循环管道、第一循环管道和第二循环管道的水力直径为10nm～10cm。
其中，第一循环管道设有可封闭的第一开口，第一开口用于填充第一双流体工质；第二循环管道设有可封闭的第二开口，第二开口用于填充第二双流体工质。
其中，第一驱动泵和第二驱动泵为电磁泵、机械泵或电润湿泵。
本发明提供的一种有机朗肯循环发电***，通过在蒸发装置中设有第一换热器和第二换热器，第一换热器和第二换热器之间通过第一循环管道连接，第一循环管道中装有含有液态金属的第一双流体工质，第一双流体工质通过第一驱动泵在第一循环管道中循环流动，第一双流体工质中还包含有第一有机工质；同时，在冷凝装置设有第三换热器和第四换热器、第三换热器和第四换热器之间通过第二循环管道连接，第二循环管道内装有含有液态金属的第二双流体工质，第二双流体工质通过第二驱动泵在二循环管道中循环流动，第二双流体工质中还包含有第二有机工质。由于两种双流体工质中液态金属的高导热率，可以快速扩散热量，提高了热源介质的放热效率，冷源介质的吸热效率，以及有机朗肯循环管道中有机工质的吸热和放热效率，同时利用两种双流体工质中分别含有的第一有机工质和第二有机工质的相变潜热，能储存更多的热量，实现更高效的热量的传递及各换热器两侧工质更好的热匹配，从而在整体上提高了发电***效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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他的附图。
图1为根据本发明实施例的有机朗肯循环发电***的示意图；
附图标记：
1-蒸发装置； 2-有机朗肯循环管道；
3-膨胀机； 4-发电机；
5-冷凝装置； 6-工质泵；
11-第一换热器； 12-第二换热器；
13-第一驱动泵； 14-第二循环管道；
15-热源介质管道； 51-第三换热器；
52-第四换热器； 53-第二驱动泵；
54-第三循环管道； 55-冷源介质管道。
具体实施方式
为使本发明的目的、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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的一个实施例中，参考图1，提供一种有机朗肯循环发电***，包括：蒸发装置1；蒸发装置1包括第一换热器11、第二换热器12、第一驱动泵13和第一循环管道14；第一换热器11通过第一循环管道14与第二换热器12连接，第一换热器11还与有机朗肯循环管道2连接，第二换热器12还与热源介质管道15连接，有机朗肯循环管道2内装有有机工质，热源介质管道15用于向第二换热器12充入和排出热源介质；第一驱动泵13设置在第一循环管道14的内部，第一循环管道14内装有第一双流体工质，第一驱动泵13驱动第一双流体工质在第一换热器11与第二换热器12之间循环流动，第一双流体工质中包括第一液态金属。
具体的，目前，有机朗肯循环发电系的蒸发装置中通常只有一个换热器，热源介质与有机工质直接在该换热器中实现热交换，但是由于有机工质会有一个从液态到气态的相变过程，有机工质在该换热器中不同位置的换热温差变化很大，不利于传热，影响了热传递的效率。
本实施例中，蒸发装置1中使用了两个换热器，即第一换热器11和第二换热器12，连接第一换热器11和第二换热器12的第一循环管道14中装有第一双流体工质，第一双流体工质中包括第一液态金属；蒸发装置1在工作时，蒸发装置1中的第一驱动泵13驱动第一双流体工质在第一换热器11与第二换热器12之间循环流动，同时，热源介质通过热源介质管道15进入第二换热器12，在第二换热器12中将热量传递给第一双流体工质，由于第一双流体工质中包括第一液态金属，具有高导热率，可以快速扩散热量，提高了热源介质的放热效率；第一双流体工质吸收热源介质的热量后经第一驱动泵13驱动，通过第一循环管道14流入第一换热器11，有机工质通过有机朗肯循环管道2流入到第一换热器11，有机工质在第一换热器11中吸收第一双流体工质的热量后成为蒸气，也由于第一双流体工质中液态金属的高导热率，第一双流体工质中的热量可充分传递至有机工质，提高了有机工质的吸热效率；有机工质的高压蒸气驱动膨胀机3做功，实现热能到机械能的转变，并带动发电机4，产生电能，蒸气状态的有机工质进入冷凝装置5冷却为液体，并通过工质泵6驱动再次进入蒸发装置1开始新的循环。
其中，第一换热器和第二换热器为有肋片或无肋片的管式换热器。
本实施例通过在蒸发装置中设有第一换热器和第二换热器，第一换热器和第二换热器之间通过第一循环管道连接，且第一循环管道中装入含有液态金属的第一双流体工质，第一双流体工质通过第一驱动泵在一循环管道中循环流动，热源介质在第二换热器中将热量传递给第一双流体工质时，由于第一双流体工质中液态金属的高导热率，可以快速扩散热量，能提高了热源介质的放热效率，同时，第一双流体工质在第一换热器中将热量传递给有机工质时，也由于第一双流体工质中液态金属的高导热率，第一双流体工质中的热量可充分传递至有机工质，提高了有机工质的吸热效率，从而在整体上提高了发电***的热传递效率。
基于以上实施例，第一双流体工质中还包括第一有机工质，第一有机工质的沸点高于有机工质的临界温度，且第一有机工质的沸点低于热源介质进入蒸发装置时的温度。
具体的，第一双流体工质中还包括第一有机工质，在热源介质将热量传递至第一双流体工质时，由于第一有机工质的沸点低于热源介质进入蒸发装置时的温度，部分第一有机工质会从液态变化成气态，发生了相变，由于相变潜热，可吸收更多的热量；而在第一双流体工质将热量传递至有机工质时，由于第一有机工质的沸点高于有机工质的临界温度，在有机工质完全变成气态之前，第一有机工质可利用相变潜热存储的热量持续给有机工质传热，在热量释放完毕后降温变回液态；因此，在第一双流体工质的循环流动过程中，通过合理设计和选择第一双流体工质中的第一有机工质的沸点，可利用第一有机工质的相变潜热，储存更多的热量，实现更高效的热量的传递。
例如，热源介质进入蒸发装置的温度为150℃，则第一双流体工质中的第一有机工质可选用沸点为125.62℃的正辛烷，而有机工质可选用临界温度为113.26℃的1,1-二氟乙烷(R152a)；又如热源介质进入蒸发装置的温度为200℃，则第一双流体工质中的第一有机工质可选用沸点为174.12℃的正葵烷，而有机工质可选用临界温度为151.98℃的正丁烷(R600)；同样的，热源介质进入蒸发装置的温度为250℃，则第一双流体工质中的第一有机工质可选用沸点为216.15℃的正十二烷或沸点为210.9℃的十甲基环五硅氧烷(D5)，而有机工质可选用临界温度为192.85℃的1-氟丁烷；热源介质进入蒸发装置的温度为300℃，则第一双流体工质中的第一有机工质可选用沸点为244.96℃的十二甲基环己硅氧烷(D6)或沸点为260.75℃的十四甲基六硅氧烷(MD4M)，而有机工质可选用临界温度为194.85℃的二氟丙烷(R272fa)。
本实施例通过在第一双流体工质中选择并加入适当沸点的第一有机工质，利用第一有机工质的相变潜热，使第一双流体工质在吸热过程中能吸收更多的热量，在放热过程中能释放更多的热量，从而实现更高效的热量的传递。
基于以上实施例，在第一换热器中有机工质与第一双流体工质的相对流向采用逆流；在第二换热器中第一双流体工质与热源介质的相对流向采用逆流。
具体的，换热器中流体的相对流向一般有顺流和逆流两种。顺流的方式，使入口处两流体的温差最大，并沿流体流动的方向温差逐渐减小，至出口处温差为最小；逆流的方式，两种流体相对运动的速度较快，可实现均匀传热。在完成同样传热量的条件下，采用逆流的方式可使平均温差增大，换热器的传热面积减小；若传热面积不变，采用逆流时可使加热或冷却流体的消耗量降低。本实施例中第一换热器中有机工质与第一双流体工质的相对流向和第二换热器中第一双流体工质与热源介质的相对流向优选逆流的方式，但不排除选用其它的方式。
基于以上实施例，参考图1，该有机朗肯循环发电***还包括冷凝装置5；冷凝装置5包括第三换热器51、第四换热器52、第二驱动泵53和第二循环管道54；第三换热器51通过第二循环管道54与第四换热器52连接，第三换热器51还与有机朗肯循环管道2连接，第四换热器52还与冷源介质管道55连接，冷源介质管道55用于向第四换热器52充入和排出冷源介质；第二驱动泵53设置在第二循环管道54的内部，第二循环管道54内装有第二双流体工质，第二驱动泵53驱动第二双流体工质在第三换热器51与第四换热器52之间循环流动，第二双流体工质中包括第二液态金属。
具体的，冷凝装置5中使用了两个换热器，即第三换热器51和第四换热器52，连接第三换热器51和第四换热器52的第二循环管道54中装有第二双流体工质，第二双流体工质中包括第二液态金属；冷凝装置5在工作时，有机朗肯循环管道2内高温蒸气状态的有机工质进入第三换热器51，第二驱动泵53驱动第二双流体工质流入第三换热器51，第二双流体工质在第三换热器51中吸收高温蒸气状态的有机工质的热量，并使蒸气状态的有机工质变回液态，并通过工质泵6驱动进入蒸发装置1；由于第二双流体工质中液态金属的高导热率，使第二双流体工质可以快速的扩散热量，提高了第二双流体工质的吸热效率；第二驱动泵53驱动第二双流体工质在第三换热器51与第四换热器52之间循环流动，同时，冷源介质通过冷源介质管道55进入第四换热器52，第二双流体工质与冷源介质在第四换热器52中实现热传递，由于第二双流体工质中包括第二液态金属，具有高导热率，可快速的扩散热量，提高了第二双流体工质的放热效率；从而整体上提高了冷凝装置对有机工质的冷却效率。
其中，第三换热器和第四换热器为有肋片或无肋片的管式换热器。
本实施例通过在冷凝装置中设有第三换热器和第四换热器，第三换热器和第四换热器之间通过第二循环管道连接，且第二循环管道中装入含有液态金属的第二双流体工质，第二双流体工质通过第二驱动泵在二循环管道中循环流动，第二双流体工质在第三换热器中吸收蒸气状态的有机工质的热量时，由于第二双流体工质中液态金属的高导热率，第二双流体工质可以快速的扩散热量，提高了第二双流体工质的吸热效率；同时，冷源介质在第四换热器中吸收第二双流体工质的热量时，由于第二双流体工质中液态金属的高导热率，可快速的扩散热量，提高了第二双流体工质的放热效率，从而整体上提高了冷凝装置的冷却效率。
基于以上实施例，第二双流体工质中还包括第二有机工质，第二有机工质的沸点低于有机工质的冷凝温度，且第二有机工质的沸点高于冷源介质进入冷凝装置时的温度。
具体的，第二双流体工质中还包括第二有机工质，在蒸气状态的有机工质将热量传递至第二双流体工质时，由于第二有机工质的沸点低于有机工质的冷凝温度，部分第二有机工质会从液态变化成气态，发生了相变，由于相变潜热，可吸收更多的热量；而在第二双流体工质将热量传递至冷源介质时，由于第二有机工质的沸点高于冷源介质进入冷凝装置时的温度，第二有机工质可利用相变潜热存储的热量持续给冷源介质传热，在热量释放完毕后降温变回液态；因此，在第二双流体工质的循环流动过程中，通过合理设计和选择第二双流体工质中的第二有机工质的沸点，可利用第二有机工质的相变潜热，储存更多的热量，实现更高效的热量的传递，从而实现更好的冷却效果。
例如，有机工质的冷凝温度为30℃，而冷源介质可选用水，进入冷凝装置时的温度为10℃，则第二双流体工质中的第二有机工质选用沸点为15.14℃的五氟丙烷(R245fa)；又如第有机工质的冷凝温度为25℃，而冷源介质可选用制冷剂，进入冷凝装置时的温度为0℃，则第二双流体工质中的第二有机工质可选用沸点为9.5℃的新戊烷。
本实施例通过在第二双流体工质中选择并加入适当沸点的第二有机工质，利用第二有机工质的相变潜热，使第二双流体工质在吸热过程中能吸收更多的热量，在放热过程中能释放更多的热量，从而实现更好的冷却效果。
基于以上实施例，在第三换热器中有机工质与第二双流体工质的相对流向采用逆流；在第四换热器中第二双流体工质与冷源介质的相对流向采用逆流。
具体的，由于在完成同样传热量的条件下，采用逆流的方式可使平均温差增大，换热器的传热面积减小；若传热面积不变，采用逆流时可使加热或冷却流体的消耗量降低。本实施例中第三换热器中第一有机工质与第二双流体工质的相对流向和第四换热器中第二双流体工质与冷源介质的相对流向优选逆流的方式，但不排除选用其它的方式。
基于以上实施例，有机朗肯循环管道、第一循环管道和第二循环管道的水力直径为10nm～10cm。
具体的，第一循环管道、第二循环管道和第三循环管道的横截面形状为圆形、矩形、正方形或三角形，每个管道长度可根据使用的需求选择，其范围为10厘米至100米，其水力直径为10nm至10cm。
基于以上实施例，第一循环管道设有可封闭的第一开口，第一开口用于填充第一双流体工质；第二循环管道设有可封闭的第二开口，第二开口用于填充第二双流体工质。
具体的，各循环管道与驱动泵或换热器连接时，在一端设有开口，以便将熔化后的液态金属及低沸点的有机工质从开口注入循环***中，待整个循环管道的流体填充好后，将上述开口封闭时，即形成内部管道为密闭的高效循环管道。
基于以上实施例，第一驱动泵和第二驱动泵为电磁泵、机械泵或电润湿泵。
具体的，第一双流体工质和第二双流体工质中包含液态金属，第一驱动泵和第二驱动泵可选用无运动部件的电磁泵，以降低功耗，也可以选用机械泵或电润湿泵。
基于以上实施例，第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器以及第一循环管道、第二循环管道和第三循环管道的材质可选用金、银、不锈钢、金刚石、石墨、铜、钛或陶瓷；第一双流体工质和第二双流体工质中的液态金属可选用镓、镓铟合金、镓铟锡合金或铋铟锡合金中的一种或几种。
最后说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种有机朗肯循环发电***，其特征在于，包括：蒸发装置；
所述蒸发装置包括第一换热器、第二换热器、第一驱动泵和第一循环管道；
所述第一换热器通过所述第一循环管道与所述第二换热器连接，所述第一换热器还与有机朗肯循环管道连接，所述第二换热器还与热源介质管道连接，所述有机朗肯循环管道内装有有机工质，所述热源介质管道用于向所述第二换热器充入和排出热源介质；
所述第一驱动泵设置在所述第一循环管道的内部，所述第一循环管道内装有第一双流体工质，所述第一驱动泵驱动所述第一双流体工质在所述第一换热器与所述第二换热器之间循环流动，所述第一双流体工质中包括第一液态金属。
2.根据权利要求1所述的有机朗肯循环发电***，其特征在于，所述第一双流体工质中还包括第一有机工质，所述第一有机工质的沸点高于所述有机工质的临界温度，且所述第一有机工质的沸点低于所述热源介质进入所述蒸发装置时的温度。
3.根据权利要求1所述的有机朗肯循环发电***，其特征在于，在所述第一换热器中所述有机工质与所述第一双流体工质的相对流向采用逆流；在所述第二换热器中所述第一双流体工质与所述热源介质的相对流向采用逆流。
4.根据权利要求1所述的有机朗肯循环发电***，其特征在于，还包括冷凝装置；
所述冷凝装置包括第三换热器、第四换热器、第二驱动泵和第二循环管道；
所述第三换热器通过所述第二循环管道与所述第四换热器连接，所述第三换热器还与所述有机朗肯循环管道连接，所述第四换热器还与冷源介质管道连接，所述冷源介质管道用于向所述第四换热器充入和排出冷源介质；
所述第二驱动泵设置在所述第二循环管道的内部，所述第二循环管道内装有第二双流体工质，所述第二驱动泵驱动所述第二双流体工质在所述第三换热器与所述第四换热器之间循环流动，所述第二双流体工质中包括第二液态金属。
5.根据权利要求4所述的有机朗肯循环发电***，其特征在于，所述第二双流体工质中还包括第二有机工质，所述第二有机工质的沸点低于所述有机工质的冷凝温度，且所述第二有机工质的沸点高于所述冷源介质进入所述冷凝装置时的温度。
6.根据权利要求4所述的有机朗肯循环发电***，其特征在于，在所述第三换热器中所述有机工质与所述第二双流体工质的相对流向采用逆流；在所述第四换热器中所述第二双流体工质与所述冷源介质的相对流向采用逆流。
7.根据权利要求4所述的有机朗肯循环发电***，其特征在于，所述有机朗肯循环管道、所述第一循环管道和所述第二循环管道的水力直径为10nm～10cm。
8.根据权利要求4所述的有机朗肯循环发电***，其特征在于，所述第一循环管道设有可封闭的第一开口，所述第一开口用于填充所述第一双流体工质；所述第二循环管道设有可封闭的第二开口，所述第二开口用于填充所述第二双流体工质。
9.根据权利要求4所述的有机朗肯循环发电***，其特征在于，所述第一驱动泵和所述第二驱动泵为电磁泵、机械泵或电润湿泵。
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