一种工质充注量动态可调的有机朗肯循环系统

摘要

本发明涉及一种工质充注量动态可调的有机朗肯循环系统，包括通过工质管路以串联方式安装并构成闭环工质回路的工质泵、蒸发器、膨胀机和冷凝器，其特征在于，在工质泵和蒸发器之间的工质管路上还接入工质储罐，该工质储罐内安置有体积可变的水包，所述水包还通过管路依次连接水泵和储水罐。与现有技术相比，本发明通过调节工质储罐与有机朗肯循环系统中相应管段的压力差即可实现工质的实时充入或放出，调节方便易于实现，成本低，充放量动态可调等。

权利要求

1.一种工质充注量动态可调的有机朗肯循环系统，包括通过工质管路以串联方式安装并构成闭环工质回路的工质泵、蒸发器、膨胀机和冷凝器，其特征在于，在工质泵和蒸发器之间的工质管路上还接入工质储罐，该工质储罐内安置有体积可变的水包，所述水包还通过管路依次连接水泵和储水罐；

工质泵和蒸发器之间的工质管路上安装有带可分离接头的工质充放控制阀，所述可分离接头还连通从工质储罐进出口引出的工质充放管路；

所述的闭环工质回路中，蒸发器的出口位置还设有第一温度传感器和第一压力传感器，冷凝器的出口位置也设有第二温度传感器和第二压力传感器；

所述的工质储罐上还设有第三温度传感器和第三压力传感器；

所述的有机朗肯循环系统还包括控制系统，该控制系统分为第一部分、第二部分和第三部分，其中，第一部分连接并控制所述膨胀机、工质泵和水泵，第二部分接受从第一温度传感器、第一压力传感器、第二温度传感器、第二压力传感器、第三温度传感器和第三压力传感器采集并反馈传输的数据，第三部分带有可视化窗口，并用于使第一部分和第二部分监控调节的数据可视化显示。

2.根据权利要求1所述的一种工质充注量动态可调的有机朗肯循环系统，其特征在于，所述的工质储罐的进出口处还设有电磁阀，该电磁阀通过接头连接所述第三部分，并由第三部分控制其开闭。

3.根据权利要求1所述的一种工质充注量动态可调的有机朗肯循环系统，其特征在于，所述的工质储罐上还设有安全阀。

说明书

一种工质充注量动态可调的有机朗肯循环系统

技术领域

[0001] 本发明涉及以低品位余热为热源的动力循环，尤其是涉及一种工质充注量动态可调的有机朗肯循环系统。

背景技术

[0002] 随着能源需求的增长和环保要求的提高，中低温热源尤其是工业余热的利用越来越受到重视。工业余热广泛来源于各种工业炉窑、热能动力装置、热能利用设备及各种有反应热产生的生产过程中。根据热能的温度对口、梯级利用的原则，一些高耗能行业中存在着大量的中低温余热没有得到充分利用，相应的利用技术也还不够成熟，急需大力发展。

[0003] 有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，ORC)是利用中低温热源的重要技术之一，可有效应用于地热能、中低温太阳能集热、工业余热、内燃机排气余热及生物质能等领域。从技术创新的角度来看，由于ORC系统往往采用低沸点的有机工质代替水/水蒸汽作热力系统的循环工质，可以显著降低余热的最终排出温度，充分回收和利用余热资源中的中低品位热能，将其转化为高品位的机械功。这样不仅可以变废为宝，大幅度减少工业企业向外部发电厂的购电量；同时还能有效缓解因废气余热直接排放入大气所造成的热污染问题。

[0004] 非设计工况下的系统运行特性是当下针对ORC系统研究的热点。工质充注量的多寡对蒸发器、冷凝器的性能，乃至对整个系统性能的影响都会很明显。此外，由于ORC系统的工质回路是一个封闭的循环，工质的在线补充与抽取往往难以实施且成本较高，因此动态调节工质充注量的手段和策略十分不完善。

发明内容

[0005] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种工质充注量动态可调的有机朗肯循环系统。

[0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

[0007] 一种工质充注量动态可调的有机朗肯循环系统，包括通过工质管路以串联方式安装并构成闭环工质回路的工质泵、蒸发器、膨胀机和冷凝器，在工质泵和蒸发器之间的工质管路上还接入工质储罐，该工质储罐内安置有体积可变的水包，所述水包还通过管路依次连接水泵和储水罐。

[0008] 作为优选的实施方案，工质泵和蒸发器之间的工质管路上安装有带可分离接头的工质充放控制阀，所述可分离接头还连通从工质储罐进出口引出的工质充放管路。

[0009] 作为优选的实施方案，所述的闭环工质回路中，蒸发器的出口位置还设有第一温度传感器和第一压力传感器，冷凝器的出口位置也设有第二温度传感器和第二压力传感器；

[0010] 所述的工质储罐上还设有第三温度传感器和第三压力传感器。

[0011] 作为上述优选的实施方案的更优选，所述的有机朗肯循环系统还包括控制系统，该控制系统分为第一部分、第二部分和第三部分，其中，第一部分连接并控制所述膨胀机、工质泵和水泵，第二部分接受从第一温度传感器、第一压力传感器、第二温度传感器、第二压力传感器、第三温度传感器和第三压力传感器采集并反馈传输的数据，第三部分带有可视化窗口，并用于使第一部分和第二部分监控调节的数据可视化显示。

[0012] 作为更优选的实施方案的进一步优选，所述的工质储罐的进出口处还设有电磁阀，该电磁阀通过接头连接所述第三部分，并由第三部分控制其开闭。

[0013] 作为优选的实施方案，所述的工质储罐上还设有安全阀。

[0014] 本发明设置了工质储罐，并通过一条工质充放管路与闭环工质回路中工质泵下游、蒸发器上游的高压管路相联通，其限定一定的总存储容积，通过工质储罐内与闭环工质回路的压力差将有机工质推注入工质闭环回路中或从回路中提取回工质储罐内。工质充放管路上装有电磁阀，当电磁阀处于打开位置时，工质可以通过该工质充放管路流动，当电磁阀于关闭位置时，工质在该工质充放管路中的流动被阻止。此外，所述工质充注量动态可调的有机朗肯循环(ORC)系统还包括控制器，在具体实施过程中，控制器与管路中的各阀门相关联，用于将其定位于打开位置或关闭位置。

[0015] 本发明中有机朗肯循环系统中工质的充注与抽取过程，通过调节工质储罐与相应管段的压力差来实现。在具体实施过程中，当水泵将储水罐中的水抽吸入工质储罐的水包内时，水包的体积增大而水包的外工质体积减小，工质储罐内的平衡压力随之上升。当水泵将水包内存储的水抽吸至储水罐内时，水包的体积减小而水包外的工质体积扩大，工质储罐内的平衡压力随之下降。

[0016] 与现有技术相比，本发明通过设置工质储罐，并利用工质储罐内体积可变的弹性水包可以灵活的调节工质储罐内的压力大小，同时配合控制器实时监控整个系统中设置的各个阀门与传感器，从而灵活的调节工质储罐与闭环工质回路中的压差，实现闭环工质回路中的工质充放量动态可调。

附图说明

[0017] 图1为本发明的工质充注量动态可调的有机朗肯循环系统；

[0018] 图中，10-有机朗肯循环系统，11-蒸发器，12-膨胀机，13-冷凝器，14-工质泵，15a-工质储罐，15b-水包，16-水泵，17-储水罐，21、22-高压工质管路，23、24-低压工质管路，25a-第一可分离接头，25b-第二可分离接头，25c-工质充放控制阀，31-第二温度传感器，
31a-第二温度表盘，32-第二压力传感器，32a-第二压力表盘，33-第一温度传感器，33a-第一温度表盘，34-第一压力传感器，34a-第一压力表盘，35-第三温度传感器，35a-第三温度表盘，36-第三压力传感器，36a-第三压力表盘，37a-第一部分，37b-第二部分，37c-第三部分，41-控制管线，42a-第三可分离接头，42b-第四可分离接头，43、44-工质充放管路，45、
46、47-水管线，51-电磁阀，52、53-流量控制阀，54-安全阀。

具体实施方式

[0019] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

[0020] 实施例1

[0021] 如图1所示的一种工质充注量动态可调的有机朗肯循环(ORC)系统10包括由蒸发器11，膨胀机12，冷凝器13，工质泵14，以及由高压工质管路21、22，低压工质管路23、24所组成的闭环有机工质回路。液态工质从工质泵14出口，通过高压工质管路21，进入蒸发器11中充分吸收低温热源热量而汽化。高温高压的工质蒸汽通过高压工质管路22进入膨胀机12膨胀输出机械功。膨胀后的工质随后通过高压工质管路23进入冷凝器13冷凝，并通过高压工质管路24回到工质泵14中完成循环。

[0022] 高压工质管路21上安装有相同的带第一可分离接头25a的工质充放控制阀25c，作为充放工质的流量控制装置。当流量控制阀52、53打开，水泵16正向运行时，水从储水罐17中充入水包15b内(水包15b、水泵16和储水罐17通过水管线45、46、47依次串联起来)，导致工质储罐15a内的压力开始上升。待工质储罐15a内压力上升至目标值时，水泵16停止工作，流量控制阀52、53关闭，充水过程中断，罐内压力停止上升。电磁阀51打开，第一可分离接头25a与第二可分离接头25b随即联通，使工质充放控制阀25c打开，工质充放管路44与高压工质管路21联通，系统开始充入工质；充入工质的过程中，工质储罐15a内的工质通过工质充放管路43，44进入到系统中。待充入足量工质后，第一可分离接头25a与第二可分离接头25b断开，使工质充放控制阀25c关闭，工质充放管路44与高压工质管路21断开，电磁阀51关闭，系统充入工质的过程结束。

[0023] 当流量控制阀52、53打开，水泵16反向运行时，水从工质储罐15a的水包15b中被抽出，回到储水罐17中，导致工质储罐15a内的压力开始下降。待罐内压力下降至目标值时，水泵16停止工作，流量控制阀52、53关闭，抽水过程中断，罐内压力停止下降。电磁阀51打开，第一可分离接头25a与第二可分离接头25b随即联通，使工质充放控制阀25c打开，工质充放管路44与高压工质管路21联通，系统开始放出工质；放出工质的过程中，工质储罐15a内的工质通过工质充放管路44，43进入到工质储罐15a中。待放出足量工质后，第一可分离接头25a与第二可分离接头25b断开，使工质充放控制阀25c关闭，工质充放管路44与高压工质管路21断开，电磁阀51关闭，系统放出工质的过程结束。

[0024] 系统设置有可编程的控制器，控制器的第一部分37a与膨胀机12、工质泵14和水泵16相连，作为两泵的电源并控制其转速。为了实时监控蒸发器11出口的工质过热度和冷凝器13出口的工质过冷度，蒸发器11的出口处设置有第一温度传感器31和第一压力传感器
32，测量值可从相应第一温度表盘31a和第一压力表盘32a上直接读取。冷凝器13出口处设置有第二温度传感器33和第二压力传感器34，测量值可从相应第二温度表盘33a和第二压力表盘34a上直接读取。同时，工质储罐15a上设置有第三压力传感器35和第三温度传感器
36，测量值可从相应第三温度表盘35a和第三压力表盘36a上读取。此外，工质储罐15a上还设有安全阀54，当罐内压力过高时安全阀54即打开泄压。上述个传感器所采集的数据均传输至控制器的第二部分37b中，用于分析系统内工质的状态和充注量的变化情况。所有需要监控和调节的数据可在控制器的第三部分37c的可视化窗口中显示，同时此部分控制器还通过第三可分离接头42a、第四可分离接头42b、控制管线41与工质罐15a入口处的电磁阀51相连接，为其输送电力并控制其开闭，用于控制工质罐15a与工质充放管路43、44的联通或断开。

[0025] 上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。