能實現(xiàn)熱能高效利用的郎肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于能源應用領域，主要涉及一種能實現(xiàn)熱能高效利用的郎肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種帶有逆卡諾循環(huán)子系統(tǒng)的郎肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，即在郎肯循環(huán)的工作介質泵與蒸汽發(fā)生器之間加裝有回熱器，并將其通過回熱介質及管道與回熱器、壓縮機、膨脹閥、冷凝器一起構成一個逆卡諾循環(huán)系統(tǒng)，其功能是通過回熱介質將目前郎肯循環(huán)中被冷凝器的冷卻介質帶走、并且排放掉的、大量的系統(tǒng)吸收的熱能，重新輸送回給郎肯循環(huán)的工作介質，進而極大地提高熱電轉換率。
【專利說明】能實現(xiàn)熱能高效利用的郎肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種帶有逆卡諾循環(huán)子系統(tǒng)的郎肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，屬于能源應用領域，尤其涉及新能源應用領域。

【背景技術】
[0002]150 V以下的低溫熱能廣泛存在于自然界和工業(yè)生產過程中，如太陽能、生物質能、地熱能，以及水泥廠、熱力發(fā)電廠和化工廠的工業(yè)余熱，若能充分加以利用，則是對能源的巨大節(jié)約，因此，安全、可靠、高效地利用這部分熱能的意義重大。與傳統(tǒng)的水蒸氣朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)相比，采用低沸點有機介質的有機物朗肯循環(huán)(ORC)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率高、環(huán)境友好、結構簡單及可靠性高，已成為回收利用低溫熱能的最佳選擇.朗肯循環(huán)螺桿膨脹發(fā)電機技術因此被列入《國家新興戰(zhàn)略性產業(yè)發(fā)展綱要》中的“節(jié)能環(huán)保產業(yè)9大待突破關鍵核心技術”之一的國家重點技術攻關課題。天津大學、上海交通大學、北京工業(yè)大學、鄭州大學等院校和科研機構的專家學者也開展了大量的研宄，采用郎肯循環(huán)發(fā)電技術的發(fā)電機組國內現(xiàn)在已有多家企業(yè)生產，主要應用工業(yè)生產中余熱回收領域。
[0003]目前雖然郎肯循環(huán)發(fā)電技術應用趨勢看好，但其熱能利用率和熱能轉換成電能的熱電轉換率過低的問題仍然存在，目前從各家生產企業(yè)公布的數(shù)據來看，雖然等熵效率較高但循環(huán)熱效率較低，熱電轉換率一般在5%-18%左右，應用在余熱回收領域尚可接受，但應用在太陽能發(fā)電、生物質能發(fā)電、海洋能發(fā)電、地熱能發(fā)電等領域、特別是電熱儲能等領域，過低的熱電轉換率是難以被人接受的。
[0004]為提高郎肯循環(huán)熱效率(即膨脹機做功與郎肯循環(huán)系統(tǒng)吸收熱能的比值)，特別是低溫熱能有機郎肯循環(huán)發(fā)電應用領域，已有許多專家學者如昆明理工大學黃輝濤、王華，北京工業(yè)大學馬重芳、吳玉庭、朱江，天津大學馬一太、張于峰、李新國、張津、胡亮光，鄭州大學馬新靈等等做過多年的研宄。在工作介質方面研宄過幾十種，包括從單一工質到多元工質、從有機工質到無機工質，膨脹機研宄從單螺桿機、雙螺桿機再到透平機、渦旋機等等，同時在循環(huán)系統(tǒng)各節(jié)點的工況參數(shù)、系統(tǒng)優(yōu)化及系統(tǒng)設備方面也進行了大量的研宄和試驗，從實踐的結果來看，郎肯循環(huán)熱效率一般不超過百分之二十。
[0005]天津大學張津對理想郎肯循環(huán)中不同工質的分子結構、分子熵和循環(huán)熱效率之間聯(lián)系進行了深入研宄(詳見其發(fā)表的論文《用于低溫熱能回收的有機郎肯循環(huán)工質的設計》)，從其研宄的結果來看，有個別工質可以達到30%，但使用成本很高，目前生產的幾十種有機工質的循環(huán)熱效率都不到15%。
[0006]郎肯循環(huán)的循環(huán)熱效率不高，但并不代表采用郎肯循環(huán)技術的設備其熱能的利用率就不高。
[0007]圖1是目前正在應用的典型的低溫有機郎肯循環(huán)及其發(fā)電原理示意圖，通過示意圖和現(xiàn)實中應用情況看，循環(huán)系統(tǒng)中工質經蒸發(fā)器從系統(tǒng)外所吸收的熱能，經膨脹機做功后剩余的熱能有很大一部分被冷凝器中的冷卻介質(上圖中冷卻水)帶走，并沒有被有效的利用。
[0008]鄭州大學馬新靈采用R245fa做工質，對郎肯循環(huán)系統(tǒng)、透平膨脹動力機以及采用透平機的郎肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)做過長期的研宄(詳見《中國電機工程學報》第34卷第14期
2014年5月15日《有機朗肯循環(huán)低品位熱能發(fā)電系統(tǒng)向心透平的設計與性能研宄》，和《鄭州大學學報(工學版)》第32卷第4期2011年7月《有機郎肯循環(huán)的熱力學分析》)，從其所公布的數(shù)據進行的分析可以看出，郎肯循環(huán)過程中系統(tǒng)所吸收的熱能竟有高達90%以上被循環(huán)系統(tǒng)中冷凝器的冷卻介質(見圖1中冷卻水)帶走、并且排放掉了。
[0009]系統(tǒng)外所吸收的熱能并沒有被有效的利用是造成郎肯循環(huán)系統(tǒng)熱能的有效利用率過低的主要原因，也使得該項技術在除余熱回收領域以外的其他領域，如可再生能源、新能源發(fā)電等領域難以推廣。


【發(fā)明內容】

[0010]發(fā)明目的
本發(fā)明涉及一種能實現(xiàn)熱能高效利用的郎肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其目的是為了提高熱能的有效利用率和熱電轉換率，進而促使這項低溫熱能發(fā)電技術能夠更好的在太陽能發(fā)電、生物質能發(fā)電、海洋能發(fā)電、地熱能發(fā)電等可再生能源領域、特別是電熱儲能等領域得到更廣泛的應用。
[0011]技術方案
一種能實現(xiàn)熱能高效利用的郎肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)是帶有逆卡諾循環(huán)子系統(tǒng)的郎肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，主要由蒸汽發(fā)生器、膨脹動力機、發(fā)電機、冷凝器、工作介質泵、回熱器、工作介質和工作介質管道共同構成；蒸汽發(fā)生器與工作介質泵之間安裝有回熱器，蒸汽發(fā)生器連接膨脹動力機，膨脹動力機連接冷凝器，冷凝器連接工作介質泵，工作介質泵連接回熱器，回熱器連接蒸汽發(fā)生器；逆卡諾循環(huán)子系統(tǒng)由回熱器、膨脹閥、壓縮機、儲液罐、冷凝器、回熱介質和回熱介質管道共同構成。
[0012]逆卡諾循環(huán)子系統(tǒng)中回熱介質的流道連接是:回熱器連接儲液罐、儲液罐連接膨脹閥、膨脹閥連接冷凝器、冷凝器連接壓縮機、壓縮機連接回熱器。
[0013]系統(tǒng)外熱源通過載熱介質經過蒸汽發(fā)生器中的載熱介質流道，給蒸汽發(fā)生器中的工作介質加熱。
[0014]蒸汽發(fā)生器與回熱器之間設有預熱器。
[0015]系統(tǒng)外熱源通過載熱介質先后經過蒸汽發(fā)生器和預熱器中的載熱介質流道，給蒸汽發(fā)生器和預熱器中的工作介質加熱。
[0016]工作介質和回熱介質是無機介質或低沸點有機介質。
[0017]膨脹動力機連接發(fā)電機。
[0018]冷凝器和回熱器均采用雙流道換熱器，一條為工作介質流道，另一條為回熱介質流道。
[0019]優(yōu)點及效果
本發(fā)明是一種能實現(xiàn)熱能高效利用的郎肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點:
本發(fā)明以提高熱能的有效利用為目標，提出了一種帶有逆卡諾循環(huán)子系統(tǒng)的郎肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，與現(xiàn)有的郎肯循環(huán)發(fā)電技術相比，其熱能利用率和熱電轉換率可獲得極大的提高，進而促使這項低溫熱能發(fā)電技術能夠更好的在太陽能發(fā)電、生物質能發(fā)電、海洋能發(fā)電、地熱能發(fā)電等可再生能源領域、特別是電熱儲能等領域得到更廣泛的應用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是是目前正在應用的典型的低溫有機郎肯循環(huán)及其發(fā)電原理示意圖；
圖2是本發(fā)明一種結構示意圖；
圖3是本發(fā)明另一種結構示意圖。
[0021]附圖標記說明:
1.蒸汽發(fā)生器；2.膨脹動力機；3.發(fā)電機；4.冷凝器；5.工作介質泵；6.回熱器；7.預熱器；8.節(jié)流或膨脹閥；9.壓縮機；10.儲液罐；11.工作介質；12.回熱介質；13.載熱介質。

【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖對本發(fā)明做進一步的說明:
本發(fā)明是一種能實現(xiàn)熱能高效利用的郎肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)是帶有逆卡諾循環(huán)子系統(tǒng)的郎肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，主要由蒸汽發(fā)生器1、膨脹動力機2、發(fā)電機3、冷凝器4、工作介質泵5、回熱器6、工作介質11和工作介質管道共同構成；蒸汽發(fā)生器I與工作介質泵5之間安裝有回熱器6，郎肯循環(huán)中的工作介質11的流道連接如下:蒸汽發(fā)生器I連接膨脹動力機2，膨脹動力機2連接冷凝器4，冷凝器4連接工作介質泵5，工作介質泵5連接回熱器6，回熱器6連接蒸汽發(fā)生器I ;逆卡諾循環(huán)子系統(tǒng)由回熱器6、膨脹閥8、壓縮機9、儲液罐10、冷凝器4、回熱介質12和回熱介質管道共同構成，逆卡諾循環(huán)子系統(tǒng)的作用是通過回熱介質12將目前應用的郎肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中，被冷凝器4的冷卻介質帶走、并且排放掉的大量的、從系統(tǒng)外吸收的熱能，重新輸送回給郎肯循環(huán)的工作介質。
[0023]逆卡諾循環(huán)子系統(tǒng)中回熱介質12的流道連接關系如下:回熱器6連接儲液罐10、儲液罐10連接膨脹閥8、膨脹閥8連接冷凝器4、冷凝器4連接壓縮機9、壓縮機9連接回熱器6ο
[0024]如圖2中所示，系統(tǒng)外熱源通過載熱介質13經過蒸汽發(fā)生器I中的載熱介質流道，給蒸汽發(fā)生器I中的工作介質11加熱。
[0025]根據具體工況，郎肯循環(huán)中的預熱器可以安裝，也可以不安裝。
[0026]如圖3中所示，在蒸汽發(fā)生器I與回熱器6之間還可以設置預熱器7。
[0027]此時，系統(tǒng)外熱源通過載熱介質13先后經過蒸汽發(fā)生器I和預熱器7中的載熱介質流道，給蒸汽發(fā)生器I和預熱器7中的工作介質11加熱。
[0028]系統(tǒng)中的工作介質11和回熱介質12可以是無機介質，也可以是低沸點有機介質。
[0029]膨脹動力機2連接發(fā)電機3，可作為發(fā)電系統(tǒng)使用，膨脹動力機2不連接發(fā)電機3時可做為動力系統(tǒng)使用。
[0030]冷凝器4和回熱器6均采用雙流道換熱器，一條為工作介質流道，另一條為回熱介質流道。
[0031]本發(fā)明還可以通過調整壓縮機9的出力以及載熱介質13的溫度、流速來調整控制發(fā)電機的運行工況。
[0032]本發(fā)明的工作過程如下: 不設置預熱器時，系統(tǒng)外熱源通過載熱介質13經過蒸汽發(fā)生器I中的載熱介質流道，給蒸汽發(fā)生器I中的工作介質11加熱，工作介質11受熱蒸發(fā)形成飽和蒸汽后進入脹動力機2做功進而帶動發(fā)電機發(fā)電，做功后的工作介質11在冷凝器4中被吸收、冷卻、冷凝，再先后被工作介質泵5泵送到回熱器6和蒸汽發(fā)生器I進入一次循環(huán)。
[0033]設置預熱器時，系統(tǒng)外熱源通過載熱介質13先經過蒸汽發(fā)生器I再經過預熱器7中的載熱介質流道，給蒸汽發(fā)生器I和預熱器7中的工作介質11加熱，工作介質11受熱蒸發(fā)形成飽和蒸汽后進入(脹動力機2做功進而帶動發(fā)電機發(fā)電，做功后的工作介質11在冷凝器4中被吸收、冷卻、冷凝，再先后被工作介質泵5泵送到回熱器6、預熱器7和蒸汽發(fā)生器I進入一次循環(huán)。
[0034]逆卡諾循環(huán)(即熱泵)子系統(tǒng)的作用是通過回熱介質12，一方面作為冷卻劑在冷凝器中蒸發(fā)，吸收冷凝器4中工作介質11的熱量，并對其進行冷卻和冷凝，另一方面吸收熱量后蒸發(fā)的回熱介質12經過壓縮機9壓縮后變成高溫、高壓介質流被送到回熱器6中，去加熱回熱器6中的工作介質11。這樣就可以將目前郎肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)、特別是低溫有機郎肯循環(huán)及其發(fā)電系統(tǒng)中被冷凝器的冷卻介質帶走、并且排放掉了的大量的、從系統(tǒng)外吸收的熱能，重新又輸送回給工作介質進行下一次循環(huán)。
【權利要求】
1.一種能實現(xiàn)熱能高效利用的郎肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)是帶有逆卡諾循環(huán)子系統(tǒng)的郎肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，主要由蒸汽發(fā)生器(I)、膨脹動力機(2)、發(fā)電機(3)、冷凝器(4)、工作介質泵(5)、回熱器(6)、工作介質(11)和工作介質管道共同構成；蒸汽發(fā)生器(I)與工作介質泵(5)之間安裝有回熱器(6)，蒸汽發(fā)生器(I)連接膨脹動力機(2)，膨脹動力機(2)連接冷凝器(4)，冷凝器(4)連接工作介質泵(5)，工作介質泵(5)連接回熱器(6)，回熱器(6)連接蒸汽發(fā)生器(I);逆卡諾循環(huán)子系統(tǒng)由回熱器(6)、膨脹閥(8)、壓縮機(9)、儲液罐(10)、冷凝器(4)、回熱介質(12)和回熱介質管道共同構成。
2.根據權利要求1所述的能實現(xiàn)熱能高效利用的郎肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:逆卡諾循環(huán)子系統(tǒng)中回熱介質(12)的流道連接是:回熱器(6)連接儲液罐(10)、儲液罐(10)連接膨脹閥(8 )、膨脹閥(8 )連接冷凝器(4 )、冷凝器(4 )連接壓縮機(9 )、壓縮機(9 )連接回熱器(6)。
3.根據權利要求1或2所述的能實現(xiàn)熱能高效利用的郎肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:系統(tǒng)外熱源通過載熱介質(13)經過蒸汽發(fā)生器(I)中的載熱介質流道，給蒸汽發(fā)生器(I)中的工作介質(11)加熱。
4.根據權利要求1或2所述的能實現(xiàn)熱能高效利用的郎肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:蒸汽發(fā)生器(I)與回熱器(6)之間設有預熱器(7)。
5.根據權利要求4所述的能實現(xiàn)熱能高效利用的郎肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:系統(tǒng)外熱源通過載熱介質(13)先后經過蒸汽發(fā)生器(I)和預熱器(7)中的載熱介質流道，給蒸汽發(fā)生器(I)和預熱器(7 )中的工作介質(11)加熱。
6.根據權利要求1或2所述的能實現(xiàn)熱能高效利用的郎肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:工作介質(11)和回熱介質(12)是無機介質或低沸點有機介質。
7.根據權利要求1或2所述的能實現(xiàn)熱能高效利用的郎肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:膨脹動力機(2)連接發(fā)電機(3)。
8.根據權利要求1或2所述的能實現(xiàn)熱能高效利用的郎肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:冷凝器(4)和回熱器(6)均采用雙流道換熱器，一條為工作介質流道，另一條為回熱介質流道。
【文檔編號】F01K25/10GK104481619SQ201410810621
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月24日 優(yōu)先權日:2014年12月24日
【發(fā)明者】廖濱 申請人:遼寧中聯(lián)能源科技有限公司