專利名稱：：自復疊式太陽能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明屬于太陽能熱發(fā)電設備，具體涉及到自復疊式太陽能低溫朗肯循環(huán)的系統(tǒng)。
背景技術：
：太陽能低溫朗循環(huán)系統(tǒng)可利用常規(guī)的太陽能集熱器、換熱器、工質(zhì)泵、小型膨脹機或汽輪機、發(fā)電機等設備，來實現(xiàn)太陽能至機械能或電能的轉換。當前太陽能低溫朗肯循環(huán)技術的方向發(fā)展在于提高系統(tǒng)的效率，降低系統(tǒng)的成本。因此目前針對低溫太陽能朗肯循環(huán)的研究主要集中在朗肯循環(huán)適用工質(zhì)的選擇和循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)化設計上，目前投入使用的太陽能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)主要是采用純工質(zhì)的單級朗肯循環(huán)系統(tǒng)。工質(zhì)經(jīng)過一次膨脹后直接進入冷凝器(風冷或水冷)冷凝，大量的冷凝熱被直接排入環(huán)境，系統(tǒng)的熱效率較低。同時由于工質(zhì)的熱量來自太陽能輻射，被排放的、未加利用的冷凝熱實際上增加了系統(tǒng)太陽能集熱器的使用面積，這就增加了系統(tǒng)的成本，降低了系統(tǒng)的經(jīng)濟性。因此為進一歩提高朗肯循環(huán)效率，需要充分利用集熱器的熱量，本發(fā)明從系統(tǒng)優(yōu)化設計方面提出了一種新方法。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種自復疊式太陽能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)，使太陽能集熱器的熱量得到充分利用，達到提高朗肯循環(huán)系統(tǒng)熱效率，降低太陽能集熱器使用面積，提高系統(tǒng)經(jīng)濟性的目的。以下結合附圖對本發(fā)明的原理進行說明。自復疊式太陽能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)，具有太陽能集熱器、氣液分離器、汽輪機、發(fā)電機、外部熱交換器、冷凝器、工質(zhì)泵等，其具體連接如圖l所示。二元非共沸工質(zhì)(非共沸工質(zhì)，是由兩種或多種工質(zhì)按照一定比例混合而成，其液相和氣相中具有不同的組成成分，并且在一定壓力下冷凝或蒸發(fā)時，冷凝溫度和蒸發(fā)溫度都要發(fā)生變化)在太陽能集熱器中受熱蒸發(fā)為高溫高壓氣液混合工質(zhì)，然后進入氣液分離器中進行分離，高溫高壓氣態(tài)工質(zhì)進入第一級汽輪機中做功發(fā)電。做完功后的乏氣在外部熱交換器中與來自氣液分離器中的液體工質(zhì)進行熱交換(如圖2中的1—2—3-1—4—1)，即低壓乏氣將氣液分離器中分離出的液態(tài)工質(zhì)進行加熱。獲得熱量后的高溫高壓氣態(tài)工質(zhì)進入第二級汽輪機中做功發(fā)電，從而二元非共沸工質(zhì)在系統(tǒng)中進行了兩次膨脹做功(如圖2中的2—4—3-2—5—6—1)。從第二級汽輪機出來的乏氣在冷凝器中被冷凝為液態(tài)，通過工質(zhì)泵與外部熱交教器出來的氣液兩相工質(zhì)匯合，進入太陽能集熱器重新循環(huán)。根據(jù)所選擇的循環(huán)工質(zhì)性質(zhì)，第一級或第二級汽輪機也可以用膨脹機代替。圖1本發(fā)明結構原理及設備連接示意圖。其中在外部換熱器中a進b出；c進d出。圖2本發(fā)明的循環(huán)工質(zhì)流程圖。具體實施例方式以下通過具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明。本發(fā)明所說的低溫朗肯循環(huán)是指工質(zhì)蒸發(fā)溫度在15(TC以下的朗肯循環(huán)。太陽能集熱器1工質(zhì)側出口接于氣液分離器2，第一級汽輪機3-1的工質(zhì)入口端接于氣液分離器2的上部。第一級汽輪機3-1的工質(zhì)出口端接于外部熱交換器4的低壓乏氣換熱入口側，外部熱交換器4的低壓乏氣換熱出口側通過工質(zhì)管路接于工質(zhì)泵6與太陽能集熱器1之間。氣液分離器2出液端接于外部熱交換器4的高壓液體換熱入口側，外部熱交換器4的高壓液體換熱出口接于第二級汽輪機3-2的工質(zhì)入口端，第二級汽輪機3-2的工質(zhì)出口端由管路接至冷凝器5的工質(zhì)側進口，冷凝器5的工質(zhì)側出口接至工質(zhì)泵6(如圖l)。第一級或第二級汽輪機各自均帶有發(fā)電機7。對于本實施例而言，循環(huán)工質(zhì)是由R290(丙烷)和R245fa組成的二元非共沸工質(zhì)，組元工質(zhì)的特性參數(shù)如表1。表l.組元工質(zhì)的特性參數(shù)組分分子量(g/mo1)正常沸點(°C)臨界溫度(°C)臨界壓力〔MPa)R290(丙垸)44.096-42.0996.684.2471R245fa134.05014.90154.053.6400二元混合非共沸工質(zhì)在集熱器l中吸收太陽的輻射能量形成高溫高壓的氣液兩相工質(zhì)，進入氣液分離器2進行工質(zhì)的氣相和液相分離。分離出來的氣相工質(zhì)進入第一級汽輪機3-l中膨脹做功。從第一級汽輪機3-l排出的低壓乏氣首先進入外部換熱器4，同來自氣液分離器的高壓液態(tài)工質(zhì)換熱，乏氣的溫度得到降低，成為氣液兩相工質(zhì)；而高壓液態(tài)工質(zhì)經(jīng)過換熱后溫度得到提升，進入第二級汽輪機3-2膨脹做功，從第二級汽輪機3-2出來的乏氣排入冷凝器5，乏氣經(jīng)過冷凝后的工質(zhì)成為液體，進一步同外部換熱器4出來的氣液兩相工質(zhì)匯合，進入太陽能集熱器1從而完成一個循環(huán)。自復疊式太陽能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)的運行工況取為系統(tǒng)平均蒸發(fā)溫度為9(TC，平均冷凝溫度(環(huán)境溫度)為30"C;汽輪機內(nèi)的膨脹過程為等熵膨脹；工質(zhì)在工質(zhì)泵內(nèi)的壓縮過程視為等熵壓縮；工質(zhì)在外部換熱器中的換熱過程無熱量損失。根據(jù)循環(huán)計算，上述系統(tǒng)循環(huán)實施例的有關參數(shù)和循環(huán)性能指標如下表2所示。設定在相同的蒸發(fā)和冷凝溫度下，集熱器吸熱量為453.2Kw時，若采用R290純工質(zhì)做單級朗肯循環(huán)，其循環(huán)效率為8.16%;若用R245fa純工質(zhì)做單級朗肯循環(huán)，其循環(huán)效率為11.89%;而采用自復疊式朗肯循環(huán)技術后，利用二元非共沸工質(zhì)的特性，系統(tǒng)循環(huán)效率為13.86%，此時集熱器吸熱量僅為226.6Kw，相當于單級(純工質(zhì))朗肯循環(huán)吸熱量的1/2,這就意味著集熱器的面積可以減少一半，從而可以使系統(tǒng)的成本減低。本發(fā)明具有以下幾點有益效果(1)充分利用非共沸工質(zhì)在相變時的特性，使集熱器的熱量得到有效利用，從而減少集熱器的使用面積，降低系統(tǒng)成本；(2)采用外部換熱器，可實現(xiàn)相鄰兩級朗肯循環(huán)的工質(zhì)換熱，實現(xiàn)了乏氣熱量的梯級利用；(3)本系統(tǒng)可在常規(guī)的低溫太陽能系統(tǒng)上進行改造，而不需投入過多的成本；(4)選擇非共沸工質(zhì)，可以簡化汽輪或膨脹機的結構，擴展汽輪機的適用范圍。表2.實施例循環(huán)性能參數(shù)<table>complextableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>權利要求1.自復疊式太陽能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)，具有太陽能集熱器、氣液分離器、汽輪機、發(fā)電機、外部熱交換器、冷凝器、工質(zhì)泵，其特征是太陽能集熱器(1)工質(zhì)側出口接于氣液分離器(2)，第一級汽輪機(3-1)的工質(zhì)入口端接于氣液分離器(2)的上部，第一級汽輪機(3-1)的工質(zhì)出口端接于外部熱交換器(4)的低壓乏氣換熱入口側，外部熱交換器(4)的低壓乏氣換熱出口側通過工質(zhì)管路接于工質(zhì)泵(6)與太陽能集熱器(1)之間，氣液分離器(2)出液端接于外部熱交換器(4)的高壓液體氣換熱入口側，外部熱交換器(4)的高壓液體氣換熱出口接于第二級汽輪機(3-2)的工質(zhì)入口端，第二級汽輪機(3-2)的工質(zhì)出口端由管路接至冷凝器(5)的工質(zhì)側進口，冷凝器(5)的工質(zhì)側出口接至工質(zhì)泵(6)。2.按照權利要求1所述的自復疊式太陽能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)，其特征是所述第一級或第二級汽輪機各自均帶有發(fā)電機(7)。3.按照權利要求1或2所述的自復疊式太陽能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)，其特征是所述的第一級或第二級汽輪機也可以是膨脹機。4.按照權利要求1所述的自復疊式太陽能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)，其特征是所述工質(zhì)是二元混合非共沸制冷工質(zhì)。全文摘要本發(fā)明公開了一種自復疊式太陽能低溫朗肯循環(huán)的系統(tǒng)。利用非共沸二元工質(zhì)在相變時的特性分別在兩級汽輪機中膨脹做功。太陽能集熱器接于氣液分離器，第一級汽輪機接于氣液分離器的上部，其出口端接于外部熱交換器的低壓入口側，低壓出口側接于工質(zhì)泵與太陽能集熱器之間。氣液分離器出液端接于外部熱交換器的高壓入口側，高壓出口側接于第二級汽輪機入口，汽輪機出口端接至冷凝器，冷凝器接至工質(zhì)泵。汽輪機各自均帶有發(fā)電機。根據(jù)所選工質(zhì)的性質(zhì)，汽輪機也可以用膨脹機代替。同常規(guī)的低溫朗肯循環(huán)相比具有循環(huán)效率高的特點，系統(tǒng)中沒有額外增加工質(zhì)循環(huán)泵和換熱設備，而且可以節(jié)省低溫級朗肯循環(huán)系統(tǒng)中太陽能集熱器的面積，降低系統(tǒng)成本。文檔編號F01K25/06GK101344075SQ20081005413公開日2009年1月14日申請日期2008年8月15日優(yōu)先權日2008年8月15日發(fā)明者王建立,王曉東,力趙申請人:天津大學