CN111677570A - 一种逼近三角循环的可行热力循环*** - Google Patents

一种逼近三角循环的可行热力循环*** Download PDF

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Abstract

本发明属于热力循环技术领域，公开了一种逼近三角循环的可行热力循环发电***，由工质泵、蒸发器、热功转换机械、辅助冷凝器、压缩机、主冷凝器和储液罐依次连接形成工质循环通路，发电机由热功转换机械带动以产生电能；工质在工质泵入口处为低压状态的饱和液体，在工质泵出口处压力应高于工质的临界压力，在热功转换机械出口处为过热状态且压力应小于在工质泵入口处的压力，在辅助冷凝器出口处仍为过热状态且温度应不高于在工质泵入口处的温度，在主冷凝器入口处压力应等于在工质泵入口处的压力。本发明通过在主冷凝器和热功转换机械之间布置一级或多级辅助冷凝器和压缩机，实现对理论三角循环的逼近，对变温热源的高效利用有重要的意义。

Description

一种逼近三角循环的可行热力循环***
技术领域
本发明属于热力循环技术领域，具体涉及一种逼近三角循环的可行热力循环***，利用该***可实现变温热源的高效利用。
背景技术
能源是人类社会发展的必需品，其中电能作为人类社会广泛使用的一种能源形式已经渗透到人类生活的方方面面。电能作为典型的二次能源，需要由其他形式的能源通过特定的技术手段转化，热力循环是其中应用最广的技术手段。近些年来随着全球能源消耗量的增加，常规的化石能源已经面临严重的短缺，于是人们将目光转向了地热、太阳能、工业余热等中低温热源。热量在这些中低温热源中大都以显热的形式存在，因此这些热源都是典型的变温热源。
对于变温热源的高效利用，学界在很早以前就一致认为三角循环是最优的循环形式。但学界最早提出的理论三角循环由一个近似沿着饱和液相线的吸热过程，一个从饱和液相开始的湿膨胀过程和一个两相区内等温冷凝过程组成，而湿膨胀过程是这种理论三角循环最大的技术难点。虽然工程界一直致力于开发这种能够高效实现湿膨胀的机械装置，但一直没能取得重大的技术突破，这就使得这种三角循环一直处在理论研究阶段。
公开号为CN108049924A的中国发明专利“一种三角循环和朗肯循环联合的余热回收***及其方法”中所涉及的三角循环仍是上述理论三角循环，并没有解决湿膨胀过程难以实现的技术问题。而公开号为CN201835878U的中国实用新型专利“三角闪蒸循环***”中所涉及的三角闪蒸循环虽然对上述理论三角循环进行了改进，但仍然存在湿膨胀过程，因此在现阶段仍无法实现工程化。而公开号为CN203783657U的中国实用新型专利“一种闭式三角循环高效发电设备”中所涉及的三角循环采用气态工质，利用分级压缩和中间冷却的方法实现上述三角循环中的等温冷却过程，虽然避免了湿膨胀过程，但由于存在多级压缩过程，增加了循环自身的耗功，使得实际循环效果并不理想。
发明内容
本发明要解决的是现有技术水平下理论三角循环无法工程化的技术问题，而提供一种逼近三角循环的可行热力循环***，实现对变温热源的高效利用。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：
一种逼近三角循环的可行热力循环发电***，包括工质泵、蒸发器、热功转换机械、发电机、辅助冷凝器、压缩机、主冷凝器和储液罐，所述工质泵、所述蒸发器、所述热功转换机械、所述辅助冷凝器、所述压缩机、所述主冷凝器和所述储液罐通过管路依次连接形成工质循环通路，所述发电机由所述热功转换机械带动以产生电能；
所述工质在所述工质泵入口处为低压状态的饱和液体，在所述工质泵出口处压力应高于所述工质的临界压力，在所述热功转换机械出口处为过热状态且压力应小于在所述工质泵入口处的压力，在所述辅助冷凝器出口处仍为过热状态且温度应不高于在所述工质泵入口处的温度，在所述主冷凝器入口处压力应等于在所述工质泵入口处的压力。
进一步地，所述辅助冷凝器和所述压缩机设置有至少一组，以所述辅助冷凝器连接所述压缩机的顺序成组设置；每组中所述辅助冷凝器出口处的工质应处于过热状态且温度应不高于所述工质泵入口处的工质温度；在非最后一组中，所述压缩机出口处的工质压力应不高于所述工质泵入口处的工质压力；在最后一组中，所述压缩机出口处的工质压力应等于所述工质泵入口处的工质压力。
进一步地，所述工质为干工质、湿工质或等熵工质。
进一步地，所述热功转换机械为汽轮机或膨胀机。
该***中，低压(冷凝压力)下的饱和液相工质经由工质泵增压至高于工质临界压力以后进入蒸发器，在蒸发器中受热后变成高温高压的超临界流体，而后进入热功转换机械中膨胀做功至出口压力低于冷凝压力，此过程中带动发电机产生电能。从热功转换机械中出来的过热工质流经辅助冷凝器进行冷却，然后进入压缩机中将压力提升至冷凝压力，之后进入主冷凝器被冷却至饱和液相状态，最后流入储液罐，至此完成一次循环。
本发明的有益效果是：
(一)本发明的一种逼近三角循环的可行热力循环***，可使工质不经历湿膨胀过程，而从超临界状态开始膨胀至过热状态，为工程上实现理论三角循环提供了一条在现有技术水平下可行的技术路线，从而促进了变温热源高效利用技术的工程化。
(二)本发明的一种逼近三角循环的可行热力循环***，以跨临界朗肯循环为基础，不采用气态工质，避免了因气态工质换热效果差而增加的额外换热面积，从而降低了***的初投资和尺寸。
(三)本发明的一种逼近三角循环的可行热力循环***，其涉及的等温过程由两相区内的等温冷凝和过热区内的冷凝-压缩-冷凝过程共同组成，减少了为实现等温冷凝而额外消耗的压缩机耗功。
附图说明
图1为实施例1所提供的一种逼近三角循环的可行热力循环***的结构示意图；
图2为三种循环的T-s图，其中(A)为跨临界朗肯循环，(B)为实施例1所提供循环，(C)为理论三角循环；
图3为实施例2所提供的一种逼近三角循环的可行热力循环***的结构示意图。
上述图中：1-工质泵；2-蒸发器；3-热功转换机械；4-发电机；5-辅助冷凝器；6-压缩机；7-主冷凝器；8-储液罐。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本专利作进一步的说明，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种逼近三角循环的可行热力循环发电***，避免了目前技术上难以实现的湿膨胀过程，为工程上实现理论三角循环提供了一条在现有技术水平下可行的技术路线，包括工质泵1、蒸发器2、热功转换机械3、发电机4、辅助冷凝器5、压缩机6、主冷凝器7和储液罐8。
工质泵1的出口连接蒸发器2的入口，蒸发器2的出口连接热功转换机械3的入口，热功转换机械3的出口连接辅助冷凝器5的入口，辅助冷凝器5的出口连接压缩机6的入口，压缩机6的出口连接主冷凝器7的入口，主冷凝器7的出口连接储液罐8的入口，储液罐8的出口连接工质泵1的入口；热功转换机械3带动发电机4运转以产生电能。其中，蒸发器2设置有用于加热工质的加热通道，辅助冷凝器5设置有用于冷却工质的冷却通道，主冷凝器均7设置有用于冷却工质的冷却通道。热功转换机械3优选为汽轮机或膨胀机。压缩机6的形式可以为活塞式、涡旋式、离心式、螺杆式、滑片式或轴流式。本***适用的工质范围较广，可以为干工质、湿工质或等熵工质。
如图2所示，本发明的逼近三角循环的可行热力循环发电***，在跨临界朗肯循环(T-s图见图2中(A))的基础上，通过在热工转化机械后设置辅助冷凝器5和压缩机6，使得工质的冷凝向等温过程逼近，从而使得其逼近理论三角循环(T-s图见图2中(C))。参见图2中(B)所示的循环T-s图，该***的工作原理如下：循环开始前，工质处于饱和液相状态的a点，此时工质的压力定义为冷凝压力，温度定义为冷凝温度。工质在工质泵1中增压至b点，此时工质的压力应高于其临界压力。而后工质进入蒸发器2中吸收热源流体的热量而升温至c点，此时工质处于超临界状态。此后，工质在热功转换机械3中膨胀做功至d点，此时工质处于过热气相状态，其压力低于冷凝压力，但温度高于冷凝温度。然后，工质进入辅助冷凝器5中被冷源流体冷却至e点，此时工质仍处于过热气相状态，其温度不高于冷凝温度。随后，工质进入压缩机6中升压至f点，此时工质处于过热气相状态，其压力等于冷凝压力。而后，工质进入主冷凝器7中继续被冷源流体冷却至饱和液相状态的a点。最后，工质流入储液罐8，完成一次循环。工质在热功转换机械3中将热能转换为机械能，带动发电机4产生电能，从而实现热能向电能的转化。
为了说明本发明所提供***的优势，以二氧化碳为循环工质，在相同的条件下比较了跨临界朗肯循环、带回热的跨临界朗肯循环以及本发明所提供***的效率，计算条件及主要结果见表1。可见，在相同的条件下，本发明所提供***在热效率上有一定的优势。此外，对于二氧化碳来说，超临界去和过热区的比热容差别较大，因此回热器中会出现流量不匹配现象，这也是目前超临界二氧化碳在应用中的重大难题。但在本发明所提供***中不涉及回热器，因此相对带回热的跨临界朗肯循环有进一步的优势。
表1
Figure BDA0002483217960000041
Figure BDA0002483217960000051
实施例2
如图3所示，本实施例提供了一种逼近三角循环的可行热力循环发电***，其与实施例1的区别在于包括多级辅助冷凝-压缩循环，即在原有辅助冷凝器5和压缩机6后再布置一组或者一组以上的辅助冷凝器5和压缩机6，其更适用于工质在热功转化机械出口处过热度较大的情况，通过设置多级冷凝-压缩，可以使工质在过热区中的冷却状态更加接近等温过程。
本实施例2的工作流程与实施例1的工作流程一致：多级辅助冷凝-压缩循环中，辅助冷凝器5出口处的工质同样应处于过热状态且温度应不高于工质泵1入口处的工质温度；在非最后一级辅助冷凝-压缩循环中，压缩机6出口处的工质压力应不高于工质泵1入口处的工质压力；在最后一级辅助冷凝-压缩循环中，压缩机6出口处的工质压力应等于工质泵1入口处的工质压力。
综上，本发明的热力循环***在跨临界朗肯循环的基础上，通过在主冷凝器7和热功转换机械3之间布置一级或多级辅助冷凝器5和压缩机6，使得过热区中工质的冷凝过程逼近等温过程，进而实现对理论三角循环的逼近。该***避免使用目前技术尚不成熟的液相膨胀机，是一种逼近三角循环的可行***，对变温热源的高效利用有重要的意义。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种逼近三角循环的可行热力循环发电***，其特征在于，包括工质泵、蒸发器、热功转换机械、发电机、辅助冷凝器、压缩机、主冷凝器和储液罐，所述工质泵、所述蒸发器、所述热功转换机械、所述辅助冷凝器、所述压缩机、所述主冷凝器和所述储液罐通过管路依次连接形成工质循环通路，所述发电机由所述热功转换机械带动以产生电能；
所述工质在所述工质泵入口处为低压状态的饱和液体，在所述工质泵出口处压力应高于所述工质的临界压力，在所述热功转换机械出口处为过热状态且压力应小于在所述工质泵入口处的压力，在所述辅助冷凝器出口处仍为过热状态且温度应不高于在所述工质泵入口处的温度，在所述主冷凝器入口处压力应等于在所述工质泵入口处的压力。
2.根据权利要求1所述的一种逼近三角循环的可行热力循环发电***，其特征在于，所述辅助冷凝器和所述压缩机设置有至少一组，以所述辅助冷凝器连接所述压缩机的顺序成组设置；每组中所述辅助冷凝器出口处的工质应处于过热状态且温度应不高于所述工质泵入口处的工质温度；在非最后一组中，所述压缩机出口处的工质压力应不高于所述工质泵入口处的工质压力；在最后一组中，所述压缩机出口处的工质压力应等于所述工质泵入口处的工质压力。
3.根据权利要求1所述的一种逼近三角循环的可行热力循环发电***，其特征在于，所述工质为干工质、湿工质或等熵工质。
4.根据权利要求1所述的一种逼近三角循环的可行热力循环发电***，其特征在于，所述热功转换机械为汽轮机或膨胀机。
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