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一种带压缩制冷增效的无泵有机朗肯循环发电系统

阅读：520发布：2021-03-03

IPRDB可以提供一种带压缩制冷增效的无泵有机朗肯循环发电系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种带压缩制冷增效的无泵有机朗肯循环发电系统，包括相互连接以形成有机朗肯循环和蒸气压缩制冷循环的超音速汽液两相流喷射泵、蒸发器、膨胀机、蒸发冷凝器、膨胀降压装置、冷却器、节流阀、压缩机以及发电机。本发明采用超音速汽液两相流喷射泵代替常规系统中的工质泵，并借助蒸发冷凝器将有机朗肯循环与蒸气压缩制冷循环耦合，利用制冷循环所生产的制冷量为有机朗肯循环提供冷却负荷，降低膨胀机出口乏气的冷凝温度，同时采用膨胀降压装置回收利用蒸气压缩制冷循环回路中高压液态工质的压力能，并降低制冷循环侧节流过程的不可逆损失。，下面是一种带压缩制冷增效的无泵有机朗肯循环发电系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种带压缩制冷增效的无泵有机朗肯循环发电系统，其特征在于，包括有机朗肯循环和蒸气压缩制冷循环，其通过超音速汽液两相流喷射泵(1)和蒸发冷凝器(4)耦合；

所述有机朗肯循环包括超音速汽液两相流喷射泵(1)、蒸发器(2)、膨胀机(3)、蒸发冷凝器(4)和发电机(9)；

超音速汽液两相流喷射泵(1)的出口(1c)与蒸发器(2)的冷剂液进口(2a)相连，蒸发器(2)的冷剂蒸气出口(2b)与膨胀机(3)的蒸气进口(3a)相连，膨胀机(3)的乏气出口(3b)与蒸发冷凝器(4)高温侧的冷剂进口(4a)相连，蒸发冷凝器(4)高温侧的冷剂出口(4b)与超音速汽液两相流喷射泵(1)的引射流体进口(1b)相连；

所述蒸气压缩制冷循环包括超音速汽液两相流喷射泵(1)、膨胀降压装置、冷却器(6)、节流阀(7)、蒸发冷凝器(4)和压缩机(8)；

超音速汽液两相流喷射泵(1)的出口(1c)还通过膨胀降压装置与冷却器(6)的冷剂进口(6a)相连，冷却器(6)的冷剂出口(6b)与节流阀(7)的进口(7a)相连，节流阀(7)的出口(7b)与蒸发冷凝器(4)低温侧的冷剂进口(4c)相连，蒸发冷凝器(4)低温侧的冷剂出口(4d)与压缩机(8)的进口(8a)相连，压缩机(8)的出口(8b)与超音速汽液两相流喷射泵(1)的工作流体进口(1a)相连；

膨胀机(3)、压缩机(8)和发电机(9)采用同轴安装。

2.根据权利要求1所述的带压缩制冷增效的无泵有机朗肯循环发电系统，其特征在于，所述膨胀降压装置为与发电机(9)同轴安装的全流膨胀机(5)，所述冷却器(6)为冷凝器，超音速汽液两相流喷射泵(1)的出口(1c)与全流膨胀机(5)的进口(5a)相连，全流膨胀机(5)的出口(5b)与冷却器(6)的冷剂进口(6a)相连。

3.根据权利要求1所述的带压缩制冷增效的无泵有机朗肯循环发电系统，其特征在于，所述膨胀降压装置为涡流管(10)，所述膨胀机(3)采用补气式膨胀机，所述冷却器(6)为液冷器，超音速汽液两相流喷射泵(1)的出口(1c)与涡流管(10)的进口(10a)相连，涡流管(10)的过热蒸气出口(10b)与膨胀机(3)的补气进口(3c)相连，涡流管(10)的过冷液体出口(10c)与冷却器(6)的冷剂进口(6a)相连。

说明书全文

一种带压缩制冷增效的无泵有机朗肯循环发电系统

技术领域

[0001] 本发明涉及低品位热能利用技术领域，具体涉及一种带压缩制冷增效的无泵有机朗肯循环发电系统。

背景技术

[0002] 随着能源供应形势的日趋紧张，低品位热发电技术受到了越来越多的关注，其中尤以有机朗肯循环最受重视。与传统火力发电厂不同，低品位热能驱动的有机朗肯循环发电系统效率相对偏低，其中系统生产的电能有很大部分被工质泵所消耗，尤其是中小型有机朗肯循环发电系统，由于工质流量一般较小，工质泵的效率低、耗电占比更大。同时，工质泵一般需要用电驱动，使得常规的有机朗肯循环发电系统均需要配备启动电源。因此将常规的有机朗肯循环中的工质泵移除并寻求其替代装置，以提高系统的净输出功并实现自启动，是当前ORC(有机朗肯循环)研究的一个热点问题。

[0003] 发明专利(ZL201410131588.4)公开了一种多级重力驱动动力循环系统，包括第一级重力驱动动力循环单元和第二级重力驱动动力循环单元，虽然该系统实现了无泵运行，但重力驱动动力循环单元对系统紧凑性影响很大，且不同工质对于高度差要求相差较大，不利于系统组装以及布局规划。

[0004] 文献(路会同、江龙、王丽伟等.低温余热驱动的无泵有机朗肯循环瞬时稳态发电性能.化工学报，2017，DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20170405)提出了一种无泵有机朗肯循环系统，其主要包括两个换热器、膨胀机、发电机和四通阀，该系统虽然成功地移除了工质泵，但两个换热器交替作为蒸发器与冷凝器使用需要借助四通阀控制工质的流向来实现切换，控制繁琐，且受热惰性影响很大，系统效率较低。

[0005] 发明专利(201410331353.X)公开了一种无泵式有机朗肯发电循环方法和装置，利用锅炉产生的高温高压工质蒸气对液体工质进行加压，液体工质靠重力进入锅炉，实现了从低压的冷凝器向高压的锅炉输送流体，但该方案同样存在需要通过控制阀频繁切换来实现调节工质流向的问题。

[0006] 此外，在热源参数一定的情况下，工质在膨胀机中的最大做功能力很大程度上取决于膨胀机出口的背压，这一压力又取决于冷凝温度。常规的ORC发电系统常采用自然水或空气作为冷却介质，受且环境温度的影响，这些自然冷却介质难以将有机朗肯循环发电系统的冷凝温度降至环境温度以下。因此，借助其它合理的技术手段，降低有机朗肯循环发电系统的冷凝温度也是有机朗肯循环研究的一个重要方向。

发明内容

[0007] 为了解决上述问题，本发明提供一种带压缩制冷增效的无泵有机朗肯循环发电系统，采用超音速汽液两相流喷射泵代替常规系统中的工质泵，并借助蒸发冷凝器将有机朗肯循环与蒸气压缩制冷循环耦合，利用制冷循环所生产的制冷量为有机朗肯循环提供冷却负荷，有效地降低膨胀机的出口压力，从而大幅提高系统的热效率。

[0008] 为实现上述目的，本发明的技术方案是：

[0009] 一种带压缩制冷增效的无泵有机朗肯循环发电系统，包括有机朗肯循环和蒸气压缩制冷循环，其通过超音速汽液两相流喷射泵和蒸发冷凝器耦合；

[0010] 所述有机朗肯循环包括超音速汽液两相流喷射泵、蒸发器、膨胀机、蒸发冷凝器和发电机；

[0011] 超音速汽液两相流喷射泵的出口与蒸发器的冷剂液进口相连，蒸发器的冷剂蒸气出口与膨胀机的蒸气进口相连，膨胀机的乏气出口与蒸发冷凝器高温侧的冷剂进口相连，蒸发冷凝器高温侧的冷剂出口与超音速汽液两相流喷射泵的引射流体进口相连；

[0012] 所述蒸气压缩制冷循环包括超音速汽液两相流喷射泵、膨胀降压装置、冷却器、节流阀、蒸发冷凝器和压缩机；

[0013] 超音速汽液两相流喷射泵的出口还通过膨胀降压装置与冷却器的冷剂进口相连，冷却器的冷剂出口与节流阀的进口相连，节流阀的出口与蒸发冷凝器低温侧的冷剂进口相连，蒸发冷凝器低温侧的冷剂出口与压缩机的进口相连，压缩机的出口与超音速汽液两相流喷射泵的工作流体进口相连；

[0014] 膨胀机、压缩机和发电机采用同轴安装。

[0015] 超音速汽液两相流喷射泵，利用从压缩机出来的高压过热工质蒸气经过超音速喷嘴后形成超音速射流，从蒸发冷凝器高温侧出来的低压过冷液态工质在蒸气的引射下进入变截面混合腔中，在其中两股流体直接接触后形成超音速汽液两相流，在流动受阻的情况下产生凝结激波，实现压力突变，得到远远超过进口蒸气压力且温度居中的高压过冷液态工质，其实质是利用蒸气凝结释放的热量中的部分可用能转化为机械功以提高液态工质的压力。

[0016] 蒸发冷凝器既是蒸气压缩制冷循环(低温侧)的蒸发器，也是有机朗肯循环(高温侧)的冷凝器，其主要作用是实现利用蒸气压缩制冷循环生产的制冷量为有机朗肯循环提供冷却负荷，可以有效地降低膨胀机出口乏气的冷凝温度，从而增大有机朗肯循环侧膨胀机的进出口压差，提高膨胀机的输出功率，进而提高系统的热效率。

[0017] 优选地，所述膨胀降压装置为与发电机同轴安装的全流膨胀机，所述冷却器为冷凝器，超音速汽液两相流喷射泵的出口与全流膨胀机的进口相连，全流膨胀机的出口与冷却器的冷剂进口相连。

[0018] 全流膨胀机进一步充分利用超音速汽液两相流喷射泵出口制冷循环回路中的高压过冷液态工质的压力能进行发电，同时降低蒸气压缩制冷循环侧节流过程的不可逆损失。

[0019] 优选地，所述膨胀降压装置为涡流管，所述膨胀机采用补气式膨胀机，所述冷却器为液冷器，超音速汽液两相流喷射泵的出口与涡流管的进口相连，涡流管的过热蒸气出口与膨胀机的补气进口相连，涡流管的过冷液体出口与冷却器的冷剂进口相连。

[0020] 涡流管采用逆流型结构，利用其能量分离效应，超音速汽液两相流喷射泵出口制冷循环回路中的高压过冷液态工质从涡流管进口进入后，通过膨胀降压，部分制冷剂汽化，产生汽液两相混合物，在其中高速旋转流动，分离出的过热蒸气进入补气式膨胀机做功发电，同时降低蒸气压缩制冷循环侧节流过程的不可逆损失。

[0021] 优选地，所述蒸发器、冷却器和蒸发冷凝器可以采用管壳式、降膜式或板式换热器，也可以是其它形式的换热器，其传热管可以是普通管也可以是强化管。

[0022] 优选地，所述膨胀机可以采用透平膨胀机、螺杆膨胀机或涡旋膨胀机，也可以是其它形式的膨胀机。

[0023] 优选地，所述全流膨胀机可以采用全流螺杆膨胀机，也可以是其它形式的适宜高压过冷液体膨胀做功的膨胀机。

[0024] 优选地，所述发电机可以采用同步发电机，也可以采用异步发电机。

[0025] 优选地，所述系统各部件之间的连接方式为金属管道连接。

[0026] 优选地，所述系统的循环工质采用环境友好的低沸点有机物，如氢氯氟烃(如R123和R141b等)、氢氟烃(如R134a和R245fa等)、氟烯烃(如R1233zd(E)和R1234yf等)和碳氢化合物(如R290和R600a等)，也可以采用低沸点无机物如自然工质NH3、CO2和N2O等。

[0027] 本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

[0028] (1)本发明采用超音速汽液两相流喷射泵代替了常规系统中的工质泵，其不但解决了偏远的无电地区有机朗肯循环系统的启动问题，另外还担负回热器的作用，回收了压缩机出口过热蒸气的热能，更加充分地利用了低品位能源。

[0029] (2)本发明通过超音速汽液两相流喷射泵以及蒸发冷凝器将有机朗肯循环与蒸气压缩制冷循环耦合，利用制冷循环的制冷量为有机朗肯循环提供冷却负荷，有效地降低了膨胀机乏气的冷凝温度，从而提高系统的热效率。

[0030] (3)本发明引入全流膨胀机，进一步充分利用超音速汽液两相流喷射泵出口制冷循环回路中高压过冷液态工质的压力能进行发电，同时可以有效地降低蒸气压缩制冷循环侧节流过程的不可逆损失。

[0031] (4)本发明利用涡流管将超音速汽液两相流喷射泵出口制冷循环回路中的高压过冷液态工质进行分离，产生的过热蒸气进入补气式膨胀机做功发电，同时可以有效地降低蒸气压缩制冷循环侧节流过程的不可逆损失。

[0032] (5)本发明针对不同的运行工况，尤其是变热源工况，可以通过调节超音速汽液两相流喷射泵出口两路工质的分流比来实现最优运行，从而使得系统高效运行调节的操作范围更宽。

附图说明

[0033] 图1是本发明实施例一的带压缩制冷增效的无泵有机朗肯循环发电系统的流程示意图。

[0034] 图2是本发明实施例二的带压缩制冷增效的无泵有机朗肯循环发电系统的流程示意图。

具体实施方式

[0035] 下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

[0036] 实施例1：

[0037] 图1是本发明的一种实施方式的流程示意图，本实施例的一种带压缩制冷增效的无泵有机朗肯循环发电系统，包括超音速汽液两相流喷射泵1、蒸发器2、膨胀机3、蒸发冷凝器4、全流膨胀机5、冷却器6、节流阀7、压缩机8以及发电机9，其中膨胀机3采用常规膨胀机，冷却器6为常规冷凝器。超音速汽液两相流喷射泵1的出口1c分为两路，一路冷剂液与蒸发器2的冷剂液进口2a相连，蒸发器2的冷剂蒸气出口2b与膨胀机3的蒸气进口3a相连，膨胀机3的乏气出口3b与蒸发冷凝器4高温侧冷剂进口的4a相连，蒸发冷凝器4高温侧的冷剂出口
4b与超音速汽液两相流喷射泵1的引射流体进口1b相连；另一路冷剂液与全流膨胀机5的进口5a相连，全流膨胀机5的出口5b与冷却器6的冷剂进口6a相连，冷却器6的冷剂出口6b与节流阀7的进口7a相连，节流阀7的出口7b与蒸发冷凝器4低温侧的冷剂进口4c相连，蒸发冷凝器4低温侧的冷剂出口4d与压缩机8的进口8a相连，压缩机8的出口8b与超音速汽液两相流喷射泵1的工作流体进口1a相连。膨胀机3通过联轴器与压缩机8、发电机9以及全流膨胀机5同轴连接。

[0038] 下面以R1233zd(E)作为循环工质为例，对本实施例的一种带压缩制冷增效的无泵有机朗肯循环发电系统工作原理进行阐述：

[0039] 从超音速汽液两相流喷射泵1流出的高压液态R1233zd(E)分为两路，一路液态R1233zd(E)进入蒸发器2中，被外部低品位热源加热至饱和蒸气或过热蒸气后进入膨胀机3，R1233zd(E)蒸气在膨胀机3中膨胀做功带动与其通过联轴器相连的压缩机8和发电机9运转，做功后的乏气从高温侧进入蒸发冷凝器4；另一路液态R1233zd(E)进入全流膨胀机5，在其中膨胀做功带动发电机9运转发电，膨胀至冷凝压力后进入冷却器6，在其中被外部冷却介质如自然水或空气冷却成液态工质，随后液态R1233zd(E)经节流阀7节流降压至蒸发压力后从低温侧进入蒸发冷凝器4，在其中吸热蒸发，产生制冷量将蒸发冷凝器4中高温侧来自膨胀机3的R1233zd(E)乏气冷却成饱和液态或过冷液态工质，蒸发冷凝器4的低温侧R1233zd(E)变为饱和蒸气后被压缩机8吸入，压缩机8出口的过热R1233zd(E)蒸气由工作流体进口1a进入超音速汽液两相流喷射泵1中，经过超音速喷嘴后形成超音速射流，蒸发冷凝器4高温侧的低压液态R1233zd(E)在蒸气的引射作用下经引射流体进口1b进入超音速汽液两相流喷射泵1的变截面混合腔中，在其中两股流体直接接触后形成超音速汽液两相流，在流动受阻的情况下产生凝结激波，实现压力突变，得到一股压力比蒸发器2中的蒸发压力稍高的过冷液态R1233zd(E)后，从超音速汽液两相流喷射泵1的出口流出，重新分成两路分别进入蒸发器2和全流膨胀机5中，形成系统循环。

[0040] 实施例2：

[0041] 图2是本发明的另一种实施方式的流程示意图，本实施例为一种涡流管型带压缩制冷增效的无泵有机朗肯循环发电系统，包括超音速汽液两相流喷射泵1、蒸发器2、膨胀机3、蒸发冷凝器4、涡流管10、冷却器6、节流阀7、压缩机8以及发电机9，其中膨胀机3采用补气式膨胀机，冷却器6为液冷器。超音速汽液两相流喷射泵1的出口1c分为两路，一路冷剂液与蒸发器2的冷剂液进口2a相连，蒸发器2的冷剂蒸气出口2b与膨胀机3的主蒸气进口3a相连；
另一路冷剂液与涡流管10的进口10a相连，涡流管10的过热蒸气出口10b与膨胀机3的补气进口3c相连，涡流管10的过冷液体出口10c与冷却器6的冷剂进口6a相连，冷却器6的冷剂出口6b与节流阀7的进口7a相连，节流阀7的出口7b与蒸发冷凝器4低温侧的冷剂进口4c相连，蒸发冷凝器4低温侧的冷剂出口4d与压缩机8的进口8a相连，压缩机8的出口8b与超音速汽液两相流喷射泵1的工作流体进口1a相连；膨胀机3的乏气出口3b与蒸发冷凝器4高温侧的冷剂进口4a相连，蒸发冷凝器4高温侧的冷剂出口4b与超音速汽液两相流喷射泵1的引射流体进口1b相连。膨胀机3通过联轴器与压缩机8和发电机9同轴连接。

[0042] 下面同样以R1233zd(E)作为循环工质为例，对本实施例的一种涡流管型带压缩制冷增效的无泵有机朗肯循环发电系统工作原理进行阐述：

[0043] 从超音速汽液两相流喷射泵1流出的高压液态R1233zd(E)分为两路，一路液态R1233zd(E)进入蒸发器2中被外部低品位热源加热至饱和蒸气或过热蒸气后从主蒸气进口3a进入膨胀机3；另一路液态R1233zd(E)进入涡流管10，经膨胀降压，低沸点的R1233zd(E)汽化，生成气液两相混合物，在其中经过高速旋转流动，分离出过热蒸气和过冷液体，从涡流管10中分离出的R1233zd(E)过热蒸气由补气进口3c进入膨胀机3；R1233zd(E)蒸气在膨胀机3中膨胀做功带动与其通过联轴器相连的压缩机8和发电机9运转，做功后的乏气从高温侧进入蒸发冷凝器4；从涡流管10中分离出的R1233zd(E)过冷液体进入冷却器6，在其中被外部冷却介质如自然水或空气进一步冷却成具有高过冷度的液态工质，随后液态R1233zd(E)经节流阀7节流降压至蒸发压力后从低温侧进入蒸发冷凝器4，在其中吸热蒸发，产生制冷量将蒸发冷凝器4中高温侧来自膨胀机3的R1233zd(E)乏气冷却成饱和液态或过冷液态工质，蒸发冷凝器4低温侧的R1233zd(E)变为饱和蒸气后被压缩机8吸入，压缩机8出口的R1233zd(E)过热蒸气由工作流体进口1a进入超音速汽液两相流喷射泵1中，经过超音速喷嘴后形成超音速射流，蒸发冷凝器4高温侧的低压液态R1233zd(E)在蒸气的引射作用下经引射流体进口1b进入超音速汽液两相流喷射泵1的变截面混合腔中，在其中两股流体直接接触后形成超音速汽液两相流，在流动受阻的情况下产生凝结激波，实现压力突变，得到一股压力比蒸发器2中的蒸发压力稍高的过冷液态R1233zd(E)后，从超音速汽液两相流喷射泵1的出口1c流出，重新分成两路分别进入蒸发器2和涡流管10中，形成系统循环。

[0044] 上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

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