采用二次流機構(gòu)提高非共沸工質(zhì)朗肯循環(huán)效率的裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種采用二次流機構(gòu)提高非共沸工質(zhì)朗肯循環(huán)效率的裝置，包括蒸汽發(fā)生器，膨脹機，發(fā)電機，冷凝器，儲液器，工質(zhì)泵，預(yù)熱器，控制機構(gòu)。本裝置針對非共沸混合工質(zhì)在蒸發(fā)換熱過程中產(chǎn)生的傳熱惡化問題，將高壓側(cè)工質(zhì)流體的加熱分成預(yù)熱器和蒸發(fā)器兩個部分，預(yù)熱器采用阻力損失小換熱系數(shù)高的板式換熱器，用于消除工質(zhì)的過冷；蒸發(fā)器采用優(yōu)化設(shè)計的二次流機構(gòu)，引入擾動和混合作用，克服非共沸工質(zhì)附加的傳熱傳質(zhì)阻力，提高循環(huán)效率。該裝置廣泛應(yīng)用于中低溫熱能的高效利用方面，可將中低溫熱能高效地轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能和電能，推動可再生能源的余熱利用。
【專利說明】采用二次流機構(gòu)提高非共沸工質(zhì)朗肯循環(huán)效率的裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及中低溫熱能的高效利用領(lǐng)域，具體涉及一種采用二次流機構(gòu)提高非共沸工質(zhì)朗肯循環(huán)效率的裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著可再生能源的日益緊缺，新能源的開發(fā)及利用日益重要，利用中低溫的太陽能、地熱能、生物質(zhì)能及工業(yè)生產(chǎn)過程中的余熱廢熱作為驅(qū)動熱能的有機朗肯循環(huán)發(fā)電是解決這一問題的有效方式之一。但目前，國內(nèi)外研究的有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的實際發(fā)電效率還不是很高，其能量損失主要來自膨脹機和換熱器。對于某一固定的膨脹機，它的不可逆損失除了取決于其制造技術(shù)本身，主要受循環(huán)膨脹比的制約，而膨脹比的變化范圍有限，所以可行的減少系統(tǒng)可用能損失的方法是減小換熱器中的不可逆損失。
[0003]在實際的有機朗肯循環(huán)中，為了減小換熱器的不可逆損失，可以采用具有變溫相變特性的非共沸混合工質(zhì)，利用其在相變過程中的溫度滑移特性來匹配熱流體的溫度變化，盡可能地逼近洛倫茲循環(huán)，減少換熱過程中由于平均傳熱溫差大造成的不可逆損失，進而提聞循環(huán)系統(tǒng)的熱力性能。
[0004]非共沸混合工質(zhì)在有機朗肯循環(huán)中的應(yīng)用可以提高其循環(huán)效率，但在蒸汽發(fā)生器中，由于混合工質(zhì)的沸點不同，受熱時液膜表面處低沸點工質(zhì)易先蒸發(fā)，使其組分比例發(fā)生變化。一方面，由于液膜表面處的低沸點組分小于液膜主流中的值而形成濃度邊界層，構(gòu)成了傳質(zhì)熱阻。另一方面，由于液膜表面處高沸點組分的比例增加，導(dǎo)致氣液界面的溫度升高，使液膜表面和氣體層之間存在溫差，從而傳入的熱量將有一部分消耗于氣體層的顯熱而產(chǎn)生額外的傳熱熱阻。因此，非共沸混合工質(zhì)在蒸發(fā)換熱過程中會由于傳質(zhì)傳熱阻力增加而出現(xiàn)傳熱惡化的現(xiàn)象。同理，在冷凝器中，混合工質(zhì)在壁面處放熱時高沸點工質(zhì)易先冷凝，并形成液體邊界層薄膜，阻礙低沸點氣體的冷凝，造成界面處傳質(zhì)傳熱阻力增加而產(chǎn)生傳熱惡化現(xiàn)象。此外，兩器中不可逆損失的產(chǎn)生主要來自蒸汽發(fā)生器。因此，為了減少非共沸混合工質(zhì)在溫度滑移過程中產(chǎn)生的傳熱惡化現(xiàn)象、提高換熱器的換熱效率以及控制流動阻力的增加，通過對換熱器特別是蒸汽發(fā)生器特定功能的選擇，并對有機朗肯循環(huán)裝置的優(yōu)化具有十分重要的實際意義。本發(fā)明的目的在于提供一種優(yōu)化設(shè)計的非共沸工質(zhì)朗肯循環(huán)裝置，采用二次流機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的蒸汽發(fā)生器，引入擾動和混合作用，可以克服非共沸混合工質(zhì)在蒸發(fā)換熱過程中由低沸點工質(zhì)先蒸發(fā)形成的氣體邊界層而產(chǎn)生的額外傳質(zhì)傳熱熱阻，減小傳熱惡化現(xiàn)象的影響，從而有效地提聞循環(huán)的效率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)采用非共沸混合工質(zhì)的有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)中，其換熱器特別是蒸汽發(fā)生器內(nèi)混合工質(zhì)傳熱惡化的現(xiàn)象，本發(fā)明提出了一種采用二次流機構(gòu)提高非共沸工質(zhì)朗肯循環(huán)效率的裝置，其能夠強化傳熱，減小在蒸發(fā)過程中由于溫度滑移導(dǎo)致組分濃度分布不均勻而產(chǎn)生的傳熱惡化影響，提高蒸汽發(fā)生器的傳熱效率。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
本發(fā)明采用二次流機構(gòu)提高非共沸工質(zhì)朗肯循環(huán)效率的裝置包括蒸汽發(fā)生器，膨脹機，發(fā)電機，冷凝器，儲液器，工質(zhì)泵，該裝置還包括預(yù)熱器以及控制機構(gòu)，所述蒸汽發(fā)生器包括工質(zhì)通道和載熱流通道，所述工質(zhì)通道設(shè)置為使工質(zhì)能夠產(chǎn)生二次流的二次流機構(gòu)；所述的蒸汽發(fā)生器的工質(zhì)出口與所述膨脹機入口連接；所述膨脹機第一出口與所述發(fā)電機入口連接，所述膨脹機第二出口與所述冷凝器的工質(zhì)入口連接；所述冷凝器的工質(zhì)出口與所述儲液器入口連接；所述冷凝器設(shè)置有冷卻水入口和冷卻水出口 ；所述儲液器出口與所述工質(zhì)泵入口連接，所述工質(zhì)泵出口與所述預(yù)熱器的工質(zhì)入口連接；所述預(yù)熱器的工質(zhì)出口與所述蒸汽發(fā)生器的工質(zhì)入口連接，且所述預(yù)熱器的載熱流入口通過三通閥與所述蒸汽發(fā)生器的載熱流出口連接，所述預(yù)熱器的載熱流入口與三通閥的第一出口連接，三通閥入口與所述蒸汽發(fā)生器的載熱流出口連接；所述三通閥的第二出口與所述預(yù)熱器的載熱流出口連接；所述蒸汽發(fā)生器還設(shè)置有載熱流入口 ；在所述預(yù)熱器的工質(zhì)出口處設(shè)置有溫度傳感器和壓力傳感器，所述控制機構(gòu)的第一接口和第二接口分別與所述的溫度傳感器和壓力傳感器連接，且控制機構(gòu)的第三接口與所述三通閥的執(zhí)行接口連接，所述控制機構(gòu)通過預(yù)熱器的工質(zhì)出口的溫度和壓力調(diào)節(jié)三通閥第一出口的開度，使進入蒸汽發(fā)生器的非共沸混合工質(zhì)達到泡點溫度。
[0007]所述的蒸汽發(fā)生器、膨脹機、冷凝器、儲液器、工質(zhì)泵和預(yù)熱器形成混合工質(zhì)子循環(huán)。
[0008]所述的蒸汽發(fā)生器、三通閥、預(yù)熱器以及熱源形成熱源子循環(huán)。
[0009]所述的冷凝器設(shè)置有冷卻水入口和冷卻水出口 ；所述冷凝器和冷卻塔形成冷卻水子循環(huán)。
[0010]所述的二次流機構(gòu)蒸汽發(fā)生器為單螺旋管、螺旋套管、螺旋折流板、螺旋板、或者進口設(shè)有旋流器的螺旋槽管。所述的二次流機構(gòu)采用彎曲通道對流體產(chǎn)生離心作用力，從而使流體產(chǎn)生偏離主流的二次流。所述的單螺旋管換熱器和螺旋套管換熱器的混合工質(zhì)的流道截面是圓形或是橢圓形。
[0011]所述的非共沸混合工質(zhì)為兩組份、三組份和四組分中的任一種，且為在蒸發(fā)壓力下，所述工質(zhì)的滑移溫度與蒸汽發(fā)生器內(nèi)載熱流的溫差相匹配。
[0012]對所述的二次流機構(gòu)蒸汽發(fā)生器進行保溫，保溫材料為巖棉或者玻璃棉。
[0013]所述的預(yù)熱器為板式換熱器。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果是:
I)、本發(fā)明采用的具有二次流機構(gòu)蒸汽發(fā)生器，可以增強非共沸混合工質(zhì)的擾動，打破壁面處流體因沸點不同而產(chǎn)生的氣液分層現(xiàn)象，克服邊界層的傳質(zhì)傳熱阻力，增強壁面流體與核心流體間的混合，減小在蒸發(fā)過程中由于溫度滑移而產(chǎn)生的傳熱惡化影響，可以實現(xiàn)換熱系數(shù)增加的幅度超過阻力系數(shù)，提高蒸汽發(fā)生器的傳熱效率，提高有機朗肯循環(huán)效率。
[0015]2)、本發(fā)明中預(yù)熱器為換熱效率高阻力損失小的板式換熱器，提高混合工質(zhì)進入蒸汽發(fā)生器時的溫度，減小蒸汽發(fā)生器內(nèi)的平均傳熱溫差，降低由傳熱溫差帶來的不可逆損失；同時，通過控制機構(gòu)對預(yù)熱器的制冷劑出口通道7-b上的溫度和壓力的采集和控制，確保制冷劑進入蒸汽發(fā)生器時的溫度為該壓力下的泡點溫度，既避免過冷制冷劑液體在板式換熱器中提前蒸發(fā)，又避免單相混合工質(zhì)在蒸汽發(fā)生器中流動，減少由二次流而帶來的能量損失。
[0016]3)、本發(fā)明選用的非共沸混合工質(zhì)在恒定的壓力下蒸發(fā)或冷凝，其蒸發(fā)溫度是逐漸升高的，冷凝溫度是逐漸降低的，因此可以降低膨脹機的膨脹比，提高膨脹機的等熵效率及其運行的安全性。
[0017]4)、本發(fā)明選用的具有二次流機構(gòu)蒸汽發(fā)生器的工質(zhì)進出口采用焊接的方式進行連接，可以有效減少非共沸混合工質(zhì)的泄漏，降低由制冷劑泄漏而導(dǎo)致的比例失調(diào)，保證系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性。
[0018]5)、本發(fā)明對蒸汽發(fā)生器采取的保溫措施，可以減少高溫流體向周圍環(huán)境的散熱，提高換熱器的換熱效率，并保持工作環(huán)境的舒適性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明單螺旋管型換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明螺旋折流板型換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為本發(fā)明螺旋套管式型換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為本發(fā)明螺旋板式型換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6為本發(fā)明在進口處設(shè)置有旋流器的螺旋槽管型換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖中:1、蒸汽發(fā)生器，2、膨脹機，3、發(fā)電機，4、冷凝器，5、儲液器，6、工質(zhì)泵，7、預(yù)熱器，8、三通閥，9、控制機構(gòu)。

【具體實施方式】
[0021 ] 下面結(jié)合附圖，通過【具體實施方式】對本發(fā)明進行詳細說明。
[0022]本循環(huán)裝置中蒸汽發(fā)生器I采用單螺旋管型換熱器，非共沸混合工質(zhì)選擇兩組份的，且制冷劑的成分比R152a:R245fa % 0.3:0.10
[0023]如圖1，2所示，本發(fā)明為采用二次流機構(gòu)提高非共沸工質(zhì)朗肯循環(huán)效率的裝置，包括蒸汽發(fā)生器I，本實施例采用單螺旋管蒸汽發(fā)生器，膨脹機2，發(fā)電機3，冷凝器4，儲液器5，工質(zhì)泵6，預(yù)熱器7，三通閥8，控制機構(gòu)9 ;所述的單螺旋管蒸汽發(fā)生器的制冷劑出口Ι-d與所述膨脹機的入口 2-a連接；所述膨脹機的第一出口 2-c與所述發(fā)電機的入口 3-a連接，所述膨脹機的第二出口 2-b與所述冷凝器的制冷劑入口 4-a連接；所述冷凝器的制冷劑出口 4-b與所述儲液器的入口 5-a連接；所述儲液器的出口 5-b與所述工質(zhì)泵的入口6_a連接，所述工質(zhì)泵的出口 6-b與所述預(yù)熱器的制冷劑入口 7-a連接；所述預(yù)熱器的制冷劑出口 7-b與所述單螺旋管蒸汽發(fā)生器的制冷劑入口 Ι-c連接，且所述預(yù)熱器的載熱流入口 7-c通過三通閥8與所述單螺旋管蒸汽發(fā)生器的載熱流出口 Ι-b連接，所述預(yù)熱器的載熱流入口 7-c與三通閥的第一出口 8-b連接，三通閥的入口 8-a與所述單螺旋管蒸汽發(fā)生器的載熱流出口 l_b連接；所述三通閥的第二出口 8-c與所述預(yù)熱器的載熱流出口 7-d連接；所述單螺旋管蒸汽發(fā)生器還設(shè)置有載熱流入口 Ι-a;在所述預(yù)熱器的制冷劑出口 7-b處設(shè)置有溫度傳感器和壓力傳感器，所述控制機構(gòu)的第一接口 9-a和第二接口 9-b分別與所述的溫度傳感器和壓力傳感器連接，且控制機構(gòu)的第三接口 9-c與所述三通閥的執(zhí)行接口8-d連接。
[0024]所述的單螺旋管蒸汽發(fā)生器、膨脹機2，冷凝器4，儲液器5，工質(zhì)泵6和預(yù)熱器7形成了混合工質(zhì)子循環(huán)；所述的單螺旋管蒸汽發(fā)生器、三通閥8、預(yù)熱器7以及熱源形成了熱源子循環(huán)；所述的冷凝器4設(shè)置有冷卻水入口和冷卻水出口 ；所述冷凝器4和冷卻塔形成了冷卻水子循環(huán)；單螺旋管蒸汽發(fā)生器的摩擦系數(shù)的增加幅度小于換熱系數(shù)的增加幅度。
[0025]在所述單螺旋管蒸汽發(fā)生器中，混合工質(zhì)R152a和R245fa的混合物在螺旋管內(nèi)流動，載熱流在螺旋管外的殼間流動?；旌瞎べ|(zhì)R152a和R245fa在螺旋管內(nèi)流動時會受到離心力作用，使其從螺旋管內(nèi)側(cè)流向外側(cè)壁面，造成內(nèi)側(cè)壓力下降，在壓差作用下混合工質(zhì)從上部和下部壁面流回內(nèi)側(cè)而形成二次流。這種二次流與沿管軸向的主流復(fù)合成螺旋式前進運動，增強混合工質(zhì)R152a和R245fa的氣液擾動和混合，克服壁面處主要由低沸點制冷劑R152a蒸發(fā)形成的氣體附面層的傳質(zhì)傳熱阻力，減小其傳熱惡化的影響，提高混合工質(zhì)R152a和R245fa氣液分布的均勻性，促進高沸點液體制冷劑R245fa的蒸發(fā)，強化了混合工質(zhì)與載熱流之間的換熱，且換熱系數(shù)增加的幅度超過阻力系數(shù)，從而提高蒸汽發(fā)生器的換熱效率。所述控制機構(gòu)9通過預(yù)熱器7的制冷劑出口 7-b的溫度和壓力調(diào)節(jié)三通閥8的第一出口 8-b的開度，當檢測到的溫度小于該壓力下對應(yīng)的泡點溫度時，由控制機構(gòu)9自動調(diào)增三通閥8的第一出口 8-b的開度，增大該通道載熱流的流量，增大預(yù)熱器7內(nèi)的換熱量，從而提高混合工質(zhì)R152a和R245fa進入單螺旋管蒸汽發(fā)生器I時的溫度，避免過冷狀態(tài)的R152a和R245fa在單螺旋管蒸汽發(fā)生器中流動，減少傳熱溫差，減少由二次流而帶來的能量損失，提高循環(huán)效率；當檢測到的溫度大于該壓力下對應(yīng)的泡點溫度時，由控制機構(gòu)9自動調(diào)減三通閥的第一出口 8-b的開度，減小該通道載熱流的流量，減小預(yù)熱器7內(nèi)的換熱量，從而降低混合工質(zhì)R152a和R245fa進入單螺旋管蒸汽發(fā)生器時的溫度，避免R152a和R245fa在預(yù)熱器7中提前蒸發(fā)，提高循環(huán)效率。因此，通過調(diào)節(jié)三通閥8的第一出口 8_b的開度，控制載熱流進入預(yù)熱器7的流量，實現(xiàn)對該處混合工質(zhì)R152a和R245fa溫度和壓力的控制，確保其進入單螺旋管蒸汽發(fā)生器時的溫度為該壓力下對應(yīng)的泡點溫度，從而提高整個系統(tǒng)的循環(huán)效率。
[0026]如圖3所示，所述蒸汽發(fā)生器I采用螺旋折流板型換熱器，同理，載熱流在中心圓管內(nèi)流動，非共沸混合工質(zhì)在螺旋折流板殼間流動形成二次流，提高換熱效率。
[0027]如圖4所示，所述蒸汽發(fā)生器I采用螺旋套管式換熱器，同理，載熱流在管程內(nèi)流動，非共沸混合工質(zhì)在殼程內(nèi)流動，兩種流體在螺旋流動過程中均形成二次流，提高換熱效率。
[0028]如圖5所示，所述的蒸汽發(fā)生器I采用螺旋板式換熱器，同理，載熱流從螺旋板外緣入口進中心出口出，非共沸混合工質(zhì)從螺旋板中心入口進外緣出口出，兩種流體螺旋板的夾層空間里流動均形成二次流，提高換熱效率。
[0029]如圖6所示，所述的蒸汽發(fā)生器I采用在進口處設(shè)置有旋流器的螺旋槽管換熱器，同理，載熱流在管殼間流動，非共沸混合工質(zhì)在螺旋槽管內(nèi)流動形成二次流，提高換熱效率。
【權(quán)利要求】
1.采用二次流機構(gòu)提高非共沸工質(zhì)朗肯循環(huán)效率的裝置，該裝置包括蒸汽發(fā)生器(I)、膨脹機(2)、發(fā)電機(3)、冷凝器(4)、儲液器(5)、工質(zhì)泵(6);其特征在于，該裝置還包括預(yù)熱器(7 )、控制機構(gòu)(9 )，所述蒸汽發(fā)生器(I)包括工質(zhì)通道和載熱流通道，所述工質(zhì)通道設(shè)置為使工質(zhì)能夠產(chǎn)生二次流的二次流機構(gòu)；所述蒸汽發(fā)生器的工質(zhì)出口(ι-d)與所述膨脹機的入口(2-a)連接；所述膨脹機第一出口(2-c)與所述發(fā)電機入口(3-a)連接，所述膨脹機第二出口(2-b)與所述冷凝器的工質(zhì)入口(4-a)連接；所述冷凝器的工質(zhì)出口(4-b)與所述儲液器入口(5-a)連接；所述冷凝器(4)設(shè)置有冷卻水入口(4-c)和冷卻水出口(4-d);所述儲液器出口(5-b)與所述工質(zhì)泵入口(6-a)連接，所述工質(zhì)泵出口(6-b)與所述預(yù)熱器的工質(zhì)入口(7-a)連接；所述預(yù)熱器的工質(zhì)出口(7-b)與蒸汽發(fā)生器的工質(zhì)入口(Ι-c)連接，且所述預(yù)熱器的載熱流入口(7-c)通過三通閥(8)與所述蒸汽發(fā)生器的載熱流出口( Ι-b)連接，所述預(yù)熱器的載熱流入口(7-c)與三通閥的第一出口(8-b)連接，三通閥入口(8-a)與所述蒸汽發(fā)生器的載熱流出口( Ι-b)連接；所述三通閥的第二出口(8-c)與所述預(yù)熱器的載熱流出口(7-d)連接；所述蒸汽發(fā)生器(I)還設(shè)置有載熱流入口(Ι-a);在所述預(yù)熱器的工質(zhì)出口(7-b)處設(shè)置有溫度傳感器和壓力傳感器，所述控制機構(gòu)的第一接口(9-a)和第二接口(9-b)分別與所述的溫度傳感器和壓力傳感器連接，且控制機構(gòu)的第三接口( 9-c )與所述三通閥的執(zhí)行接口( 8-d)連接，所述控制機構(gòu)(9 )通過預(yù)熱器的工質(zhì)出口(7-b)的溫度和壓力調(diào)節(jié)三通閥的第一出口(8-b)的開度，使進入蒸汽發(fā)生器(I)的非共沸混合工質(zhì)達到泡點溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用二次流機構(gòu)提高非共沸工質(zhì)朗肯循環(huán)效率的裝置，其特征在于，所述的二次流機構(gòu)的結(jié)構(gòu)為單螺旋管、螺旋套管、螺旋折流板、螺旋板、或者在進口處設(shè)置有旋流器的螺旋槽管。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的采用二次流機構(gòu)提高非共沸工質(zhì)朗肯循環(huán)效率的裝置，其特征在于，所述的單螺旋管和螺旋套管截面是圓形或橢圓形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用二次流機構(gòu)提高非共沸工質(zhì)朗肯循環(huán)效率的裝置，其特征在于，所述的非共沸混合工質(zhì)為兩組份、三組份和四組分中的任一種，且為在蒸發(fā)壓力下，所述工質(zhì)的滑移溫度與蒸汽發(fā)生器(I)內(nèi)載熱流的溫差相匹配。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用二次流機構(gòu)提高非共沸工質(zhì)朗肯循環(huán)效率的裝置，其特征在于，對所述蒸汽發(fā)生器(I)進行保溫，保溫材料為巖棉或者玻璃棉。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用二次流機構(gòu)提高非共沸工質(zhì)朗肯循環(huán)效率的裝置，其特征在于，所述的預(yù)熱器(7)為板式換熱器。
【文檔編號】F01K27/00GK104265385SQ201410392755
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年8月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月12日
【發(fā)明者】陳九法, 劉玉蘭, 曹政 申請人:東南大學(xué)