CN106761988B - 一种单膨胀机实现热能梯级分时有机朗肯循环装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单膨胀机实现热能梯级分时有机朗肯循环装置及方法，有机朗肯循环系统包括依次连接的工质泵(1)、一号控制器(2)的B端、换热器(3)、二号控制器(10)、膨胀机(13)、储热器(9)、一号控制器(2)的C端构成的一个闭循环，和由换热器(3)的出端依次连接的四号控制器(8)、冷凝器(6)、冷凝循环泵(5)、三号控制器(4)、换热器(3)的进端构成的一个闭循环；所述的附属系统包括其它来源热量除热系统(11)、供热系统(12)、生活用水预热系统(7)；该装置也可根据需要设置多个不同温度储热器，以实现对热源的多次梯级利用；同时可将外部中低品位热源储存起来避免浪费；同时满足随时取热的需要。

Description

一种单膨胀机实现热能梯级分时有机朗肯循环装置及方法

技术领域

本发明涉及一种单膨胀机实现热能梯级分时有机朗肯循环装置，属于能源与环境技术领域。

背景技术

随着煤炭、石油、天然气等化石能源消耗的不断增加，以及由于能源消耗带来的环境负担(如二氧化碳排放等)，能源与环境问题已经成为全世界共同关注的重大问题。在此背景下，使用有机朗肯循环将低品位热量转换为电能引起来越多的关注。所谓有机朗肯循环，即在传统朗肯循环中采用有机工质(如R113，R123等)代替水作为工质推动膨胀机做功。

随着科学技术不断发展以及能源价格的不断攀升，将余热资源品位提高再利用的方式，特别是将工业过程中产生的低品位热能资源转换为方便、灵活的电能的回收方式受到广泛关注。有机朗肯循环系统以其良好的机动性及对于维护保养的要求比较低等优点，将其整合到能源系统发电，可以实现用低品位能源(废热)提供高品位能源(电能)，减轻电力负担，提高总的发电效率及发电量。在相同输出的条件下，减少了二氧化碳等污染物的排放，有利于环境保护。有机朗肯循环低温余热发电技术为有效解决大量低温余热资源回收问题提供了选择。

现实中有些能源供应受时间影响，一段时间内能提供较高品味热量，而一段时间无热能来源，如太阳能、有些工厂废热，这种情况下有机朗肯循环不能持续对外提供电能。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种单膨胀机实现热能梯级分时有机朗肯循环装置，可实现在热源受时间限制的情况下连续对外供电，同时满足其它用热及生活热水的需求。

技术方案：本发明具体采用以下技术方案解决技术问题：

本发明的一种单膨胀机实现热能梯级分时利用有机朗肯循环装置，包括有机朗肯循环系统和附属系统，有机朗肯循环系统包括依次连接的工质泵、一号控制器的B端、换热器、二号控制器、膨胀机、储热器、一号控制器的C端构成的一个闭循环，和由换热器的出端依次连接的四号控制器、冷凝器、冷凝循环泵、三号控制器、换热器的进端构成的一个闭循环；

所述的附属系统包括其它来源热量除热系统、供热系统、生活用水预热系统；其中，其它来源热量除热系统、供热系统的两端分别接储热器的两端，生活用水预热系统的两端分别接冷凝器的两端。

储热器为内装相变储热介质的大型容器，其内部根据需要设置一到三套换热管路，分别与有机朗肯循环系统、其他来源热量储热系统、供热系统连接。

本发明的单膨胀机实现热能梯级分时利用有机朗肯循环装置的循环方法为：当采用外部热源供热时，有机工质经工质泵升压后，输送到换热器中，与由k管路进i管路出的余热流换热后，进入膨胀机，驱动膨胀机做功后，进入储热器中放热后进入工质泵完成循环1；当不采用外部热源供热时，有机工质经工质泵升压后输送到储热器中吸热后，进入膨胀机驱动膨胀机做功后，进入换热器与由j管路进k管路出的冷凝工质换热进行防热后，进入工质泵完成循环2；其他系统包括其它来源热量储热系统、供热系统，夜间生活用水系统。

当采用外部热源供热使用循环1时，所述的一号控制器能实现其a管路与b管路联通，c管路与d管路联通，二号控制器的h管路与e管路联通，g管路与f管路联通，三号控制器i管路通路，j管路闭合，四号控制器k管路通路，l管路闭合。

当不采用外部热源供热使用循环2时，所述的一号控制器能实现其d管路与b管路联通，c管路与a管路联通，二号控制器g管路与e管路联通，h管路与f管路联通，三号控制器j管路通路，i管路闭合，四号控制器l管路通路，k管路闭合。

不采用外部热源供热采用循环2时，冷凝循环泵、冷凝器、换热器组成冷凝回路，冷凝回路通过冷凝器跟外界生活用水预热系统连接加热生活用水，可以用作为地暖、生活用水等的热源。

当存在外部其它低品位热源时，通过其他来源热量储热系统，直接将热量高品质部分通过换热储存在储热器中，剩下更低品位热量作为生活用热；当外界存在需要用与储热器中低品位热源相近温度热量时，可直接将储热器作为热源通过供热系统对外界供热，用于如吸收式、吸附式空调系统的热源。

有益效果：对于外界热源随时间变化的情况下，可用单膨胀机有机朗肯循环系统实现连续对外供电，且对能源梯级利用提高了效率，同时可作为热源对外界需热系统进行供热。

附图说明

图1为本发明的一种单膨胀机实现热能梯级分时利用的有机朗肯循环装置的结构示意图。

其中标号解释：1-工质泵，2-一号控制器，3-换热器，4-三号控制器，5-冷凝循环泵，6-冷凝器，7-生活用水预热系统，8-四号控制器，9-储热器，10-二号控制器，11-其它来源热量除热系统，12-供热系统，13-膨胀机。

具体实施方式

本发明的一种单膨胀机实现热能梯级分时利用有机朗肯循环装置，包括有机朗肯循环系统及附属系统。有机朗肯循环系统由依次连接并构成循环的工质泵、换热器、膨胀机、储热器以及冷凝回路系统。系统采用若干控制器以实现当采用外部热源供热时，系统发电加储热；无外部热源供热时，控制器切换回路，以实现用同一系统实现将白天储的热量用来发电及供其他用途。

当系统采用外部热源供热的循环1时，一号控制器切换为a管路与b管路联通，c管路与d管路联通，二号控制器切换为h管路与e管路联通，f管路与g管路联通，三号控制器切换为i管路联通，j管路闭合，四号控制器切换为k管路联通，l管路闭合，以实现工质经工质泵升压后经换热器吸热到膨胀机做功后，进入储热罐放热，再进入工质泵完成循环1。

当系统为无外部热源供热的循环2时，一号控制器切换为a管路与c管路联通，b管路与d管路联通，二号控制器切换为g管路与e管路联通，f管路与h管路联通，三号控制器切换为j管路联通，i管路闭合，四号控制器切换为l管路联通，k管路闭合，以实现工质经工质泵升压后经储热器吸热流到膨胀机做功后，进入换热器放热，再进入工质泵完成循环2。

系统为循环2工况时，可通过生活用水预热系统，采用换热方式，对换热器进行冷凝，同时对生活用水进行预热。

系统储热器可以作为热源对外部需要低品位热量的系统供热，如吸收式或吸附式空调系统。

当外界存在其它可用低品位热源时，可通过换热管路将热量存储在储热器中，以供后续使用。

当外界热源品味较高时，系统可同时设置几个不同温度下储热器，采用外部热源供热时有机朗肯循环系统工作于换热器与最高温储热器间，不采用外部热源供热时有机朗肯循环系统主次工作于最高温与次高温储存器间，以实现能量的梯级利用。

本发明中所述的外界热源为工业废热、太阳能或地热等低温余热资源，将低品位的余热转化为高品质的电能，实现了余热的高效利用，避免了因废热排放对环境造成的污染，满足了生活对热及电的需要。

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式进行描述。

一种单膨胀机实现热能梯级分时有机朗肯循环装置，其结构如图1所示，工质泵1，换热器3，膨胀机13，储热器9组成有机朗肯循环主循环回路，冷凝循环泵5，冷凝器6，换热器3组成冷凝回路。

一号控制器2有四个管路接口，其中两个接口a，b接工质泵两端，接口c接储热器，接口d接换热器；二号控制器10有四个管路接口，其中接口e接膨胀机入口端，接口f接膨胀机出口端，接口g接储热器另一端，接口h接换热器另一端；三号控制器4和四号控制控制器8分别有三个接口，其中主接口分别接换热器的两端，三号控制器的i接口和四号控制器的k接口分别接外部热流的管路组成一个循环回路，三号换热器的j接口接冷凝循环泵出口端，四号控制器l接口接冷凝器的一端组成冷凝回路。

生活用水预热系统7与冷凝器6进行换热，提供生活、地暖等用热水。

储热器9中根据需要可设置一到三个换热管路，其中一个换热管路分别于一号控制器的c接口二号控制器的g接口连接，第二个换热管路与外部其它可用热源系统连接，第三个换热管路与供热系统管路连接。

本发明所述的一种单膨胀机实现热能梯级分时利用有机朗肯循环装置的工作原理如下：

1)当采用外部热源供热时，一号控制器切换为a管路与b管路联通，c管路与d管路联通，二号控制器切换为h管路与e管路联通，f管路与g管路联通，三号控制器切换为i管路联通，j管路闭合，四号控制器切换为k管路联通，l管路闭合，以实现工质经工质泵升压后经换热器吸热到膨胀机做功后，进入储热器放热，再进入工质泵完成循环1。

2)当不采用外部热源时，一号控制器切换为a管路与c管路联通，b管路与d管路联通，二号控制器切换为g管路与e管路联通，f管路与h管路联通，三号控制器切换为j管路联通，i管路闭合，四号控制器切换为l管路联通，k管路闭合，以实现工质经工质泵升压后经储热器吸热流到膨胀机做功后，进入换热器放热，再进入工质泵完成晚上循环2。

3)晚上生活用水系统中生活用水通过与冷凝器(6)换热而获得生活用热水。

4)当外部有可用低品位热源时，可通过其它来源热量储存系统与储热器(9)中的换热管路联通进行换热，储存热量。

5)当外部需要与储热器内储热介质相近温度热源时，则通过供热系统与储热器9中的换热管路联通进行换热，对外部进行供热。

当外界热源品味较高时，系统可同时设置几个不同温度下储热器，当采用外部热源供热的循环1时有机朗肯循环系统工作于换热器与最高温储热器间，晚上有机朗肯循环系统依次工作于最高温与次高温储热器间，以实现能量的梯级利用。

Claims (7)

1.一种单膨胀机实现热能梯级分时利用有机朗肯循环装置，包括有机朗肯循环系统和附属系统，其特征在于：有机朗肯循环系统包括依次连接的工质泵(1)、一号控制器(2)的B端、换热器(3)、二号控制器(10)、膨胀机(13)、储热器(9)、一号控制器(2)的C端构成的一个闭循环，和由换热器(3)的出端依次连接的四号控制器(8)、冷凝器(6)、冷凝循环泵(5)、三号控制器(4)、换热器(3)的进端构成的一个闭循环；

所述的附属系统包括其它来源热量储热系统(11)、供热系统(12)、生活用水预热系统(7)；其中，其它来源热量储热系统(11)、供热系统(12)的两端分别接储热器(9)的两端，生活用水预热系统(7)的两端分别接冷凝器(6)的两端。

2.根据权利要求1所述的一种单膨胀机实现热能梯级分时利用有机朗肯循环装置，其特征在于，储热器(9)为内装相变储热介质的大型容器，其内部根据需要设置至少三套换热管路，分别与有机朗肯循环系统、其它来源热量储热系统、供热系统连接。

3.一种如权利要求1所述的单膨胀机实现热能梯级分时利用有机朗肯循环装置的循环方法，其特征在于，当采用外部热源供热时，有机工质经工质泵(1)升压后，输送到换热器(3)中，与由k管路进i管路出的余热流换热后，进入膨胀机(13)，驱动膨胀机做功后，进入储热器(9)中放热后进入工质泵(1)完成循环一；当不采用外部热源供热时，有机工质经工质泵(1)升压后输送到储热器(9)中吸热后，进入膨胀机(13)驱动膨胀机做功后，进入换热器(3)与由j管路进l管路出的冷凝工质换热进行放热后，进入工质泵(1)完成循环二。

4.根据权利要求3所述的单膨胀机实现热能梯级分时利用有机朗肯循环装置的循环方法，其特征在于，当采用外部热源供热使用循环一时，所述的一号控制器(2)能实现其a管路与b管路联通，c管路与d管路联通，二号控制器(10)的h管路与e管路联通，g管路与f管路联通，三号控制器(4)i管路通路，j管路闭合，四号控制器(8)k管路通路，l管路闭合。

5.根据权利要求3所述的单膨胀机实现热能梯级分时利用有机朗肯循环装置的循环方法，其特征在于，当不采用外部热源供热使用循环二时，所述的一号控制器(2)能实现其d管路与b管路联通，c管路与a管路联通，二号控制器(10)g管路与e管路联通，h管路与f管路联通，三号控制器(4)j管路通路，i管路闭合，四号控制器(8)l管路通路，k管路闭合。

6.根据权利要求3所述的单膨胀机实现热能梯级分时利用有机朗肯循环装置的循环方法，其特征在于，不采用外部热源供热采用循环二时，冷凝循环泵(5)、冷凝器(6)、换热器(3)组成冷凝回路，冷凝回路通过冷凝器(6)跟外界生活用水预热系统连接加热生活用水，用作生活用水的热源。

7.根据权利要求3所述的单膨胀机实现热能梯级分时利用有机朗肯循环装置的循环方法，其特征在于，当存在外部其它低品位热源时，通过其它来源热量储热系统(11)，直接将热量高品质部分通过换热储存在储热器(9)中，剩下更低品位热量作为生活用热；当外界存在需要用与储热器中低品位热源相近温度热量时，可直接将储热器(9)作为热源通过供热系统(12)对外界供热，用于吸收式、吸附式空调系统的热源。