CN109386331A - 一种有机朗肯循环发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种有机朗肯循环发电装置，包括预热器、降膜式蒸发器、气液分离器、膨胀机、发电机、回热器、冷凝器、储液器、和工质泵构成的有机朗肯循环发电装置；降膜式蒸发器包括热源流体入口、热源流体出口、有机工质入口、有机工质出口、带喷淋装置的三级均匀分液组件、管束一、集分液装置、管束二、有机工质蒸气回路、壳体等组成。本发明通过采用预热器和降膜式蒸发器，提高了蒸发温度，使蒸发温度更接近热源流体的温度，与现有技术相比，由于降膜式蒸发器采用膜态蒸发换热，使得有机工质蒸发温度可以有效提高2℃左右，在冷凝温度不变的条件下，能提高理论ORC效率2％以上，装置发电量提高2％左右，此外，系统设计也可以得到优化。
Description
技术领域
本发明涉及有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，ORC)发电技术领域，具体涉及一种有机朗肯循环发电装置。
背景技术
能源短缺、环境污染已发展为世界范围的问题，节能减排、降低能耗、提高能源的综合利用率，是解决能源问题的根本途径。如何合理高效利用工业余热、地热能、太阳能、生物质能及海洋能，已成为节能减排工作的重要内容。在工业余热、地热能、太阳能、生物质能及海洋能中，其中的品位较低的低温能源占了其中很大一部分，目前国际上对于利用300℃以下甚至更低的低温热能，一般采用的方法是有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，ORC)发电技术。有机朗肯循环是以低沸点有机物为工质的朗肯循环，其工作原理如图3所示；有机工质在蒸发器12中蒸发，从热源1(工业余热、地热能、太阳能、生物质能及海洋能)中吸收热量，生成具有一定压力和温度的蒸气，经过气液分离器3后，确保蒸气不带液进入膨胀机4膨胀做功，从而带动发电机5发电，从透平排出的降压降温后的蒸气先经过回热器6预冷，再在冷凝器7中向冷源冷却水放热，凝结成液态，进入到储液器8，最后再通过工质泵9加压后重新回到蒸发器12，如此不断地循环，从而实现利用较低温度热能发电的目的。
目前一般的有机朗肯循环发电装置采用的蒸发器大多是干式蒸发器或板式蒸发器，但因需要较大传热温差，蒸发温度难以提高；也有能够使传热温差变得更小的满液式蒸发器，但满液式蒸发器的两个最大缺点就是有机工质充注量大和回油困难，回油问题使得普通的工质系统需要专门的油路的技术改造才能使用满液式蒸发器，有机工质充注量大和专门的油路设计使得满液式蒸发器的成本优势不明显。
与干式蒸发器或板式蒸发器相比，降膜式蒸发器采用膜态蒸发换热，使得有机工质蒸发温度可以有效提高2℃左右，在冷凝温度不变的条件下，能提高理论ORC效率2％以上，装置发电量提高2％左右。
发明内容
本发明的目的是提高传统有机朗肯循环发电装置的效率及净发电量。
为实现上述目的，本发明提供了一种有机朗肯循环发电装置。
一种有机朗肯循环发电装置，包括预热器、降膜式蒸发器、气液分离器、膨胀机、发电机、回热器、冷凝器、储液器和工质泵，其中热源分别与预热器热源流入口和降膜式蒸发器的第一热源流入口相连，预热器的热源流出口与降膜式蒸发器的第二热源流入口相连，降膜式蒸发器的热源流出口与气液分离器相连，气液分离器与膨胀机相连，膨胀机带动发电机发电，同时，膨胀机与回热气第一端相连，回热器第二端、第三端分别与预热器和冷凝器相连，冷凝器另一端与储液器相连，储液器通过工质泵与回热器相连，冷凝器与冷源链接；
其中，所述降膜式蒸发器包括:热源流体入口、热源流体出口、有机工质入口、有机工质出口、带喷淋装置的三级均匀分液组件、第一管束、集分液装置、第二管束、有机工质蒸气回路、壳体；所述降膜式蒸发器内，从顶部向下依次安装有带喷淋装置的三级均匀分液组件、第一管束、集分液装置、第二管束；
其中，所述带喷淋装置的三级均匀分液组件包含了喷淋头阵列和三级孔板，第一级孔板孔距和孔直径为第二级的孔板孔距的3-5倍，第三级孔板孔直径为2-8mm，孔间距也为2-8mm。
一种有机朗肯循环发电装置，其中所述预热器为壳管式换热器、套管式换热器或板式换热器。
一种有机朗肯循环发电装置，其中所述第一管束和第二管束为铜管胀接亲水铝翅片和/或不锈钢管胀接亲水铝翅片，且呈叉排排列。
一种有机朗肯循环发电装置，所述降膜式蒸发器壳体内设有蒸气挡板，使得有机工质蒸气能顺着有机工质蒸气回路有效流到有机工质出口离开降膜式蒸发器。
一种有机朗肯循环发电装置，所述预热器和降膜式蒸发器串联。其中热源流体先经过降膜式蒸发器，再从降膜式蒸发器出口流至预热器，最后离开预热器；有机工质流体与热源流体方向为逆向，从工质泵出口过来的具有较大过冷度的有机工质流体在预热器中与热源流体换热，温度加热至接近饱和温度，再进入降膜式蒸发器在蒸发压力下，最大效率进行蒸发。
一种有机朗肯循环发电装置，所述预热器为壳管式换热器、套管式换热器或板式换热器。预热器的结构和流道有机工质侧设计均按纯显热换热设计，换热效果更好，成本更低。
本发明的有益技术效果是：采用了预热器和降膜式蒸发器替代了传统的干式蒸发器、板式蒸发器或满液式蒸发器，提高了蒸发温度，使蒸发温度更接近热源流体的温度，最高可使蒸发温度仅比热源流体出口温度低0.5℃，与采用干式蒸发器、板式蒸发器或满液式蒸发器相比，由于降膜式蒸发器采用膜态蒸发换热，使得有机工质蒸发温度可以有效提高2℃左右，在冷凝温度不变的条件下，能提高理论ORC效率2％以上，装置发电量提高2％左右，此外采用预热器和降膜式蒸发器的方式，优化了系统设计，大大减少有机工质的充注量，换热效率的提高减少了蒸发器的体积，使得热源侧的换热器成本最优，缩短投资回收期。
附图说明
图1为本发明有机朗肯循环原理流程示意图；
图2为本发明降膜式蒸发器剖面示意图；
图3为传统有机朗肯循环原理流程图。
图中序号：热源1、降膜式蒸发器2、气液分离器3、膨胀机4、发电机5、回热器6、冷凝器7、储液器8、工质泵9、预热器10、冷源(空气)11、蒸发器12、有机工质入口21、有机工质出口22、带喷淋装置的三级均匀分液组件23、第一管束24、集分液装置25、第二管束26、有机工质蒸气回路27、壳体28。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
参见图1，一种高效有机朗肯循环发电装置，包括蒸发器2、气液分离器3、膨胀机4、发电机5、回热器6、蒸发式冷凝器组件7、储液器8、工质泵9和预热器10。
本发明的工作原理如下：有机工质从热源1(工业余热、地热能、太阳能、生物质能及海洋能)中吸收热量在降膜式蒸发器2中蒸发，生成具有一定压力和温度的蒸气，经过气液分离器3后，确保蒸气不带液进入膨胀机4膨胀做功，从而带动发电机5发电，从透平排出的降压降温后的蒸气先经过回热器6预冷，再在冷凝器7中通过水分蒸发将有机工质热量带入到冷源(空气)11，进入到储液器8，最后再通过工质泵9加压后进入预热器10与从热源1初步预热为近饱和状态，重新回到蒸发器2，如此不断地循环，从而实现利用较低温度热能发电的目的。
参见图2，降膜式蒸发器由有机工质入口21、有机工质出口22、带喷淋装置的三级均匀分液组件23、管束一24、集分液装置25、管束二26、有机工质蒸气回路27、壳体28以及热源流体入口和出口等组成。经过预热器10预热后的近饱和状态的有机工质液体从有机工质入口21进入带喷淋装置的三级均匀分液组件23中，通过喷淋头和三级均布的分液孔，将有机工质液体均匀的喷淋到外套亲水铝翅片的管束一24上，接近饱和状态的有机工质液体在外套亲水铝翅片的换热管外表面形成液膜，并吸收管内热源流体的热量蒸发变成饱和蒸气，未蒸发的有机工质液体由集分液装置25收集并再次均匀分配并喷淋到外套亲水铝翅片的管束二26上，确保蒸发器内所有管束的换热效果达到最优，蒸发的有机工质蒸气通过有机工质蒸气回路27可有效避免带液，并通过有机工质出口22离开降膜式蒸发器进入到气液分离器3及膨胀机4中，保证正常循环的进行。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种有机朗肯循环发电装置，其特征在于，包括预热器、降膜式蒸发器、气液分离器、膨胀机、发电机、回热器、冷凝器、储液器和工质泵，其中热源分别与预热器热源流入口和降膜式蒸发器的第一热源流入口相连，预热器的热源流出口与降膜式蒸发器的第二热源流入口相连，降膜式蒸发器的热源流出口与气液分离器相连，气液分离器与膨胀机相连，膨胀机带动发电机发电，同时，膨胀机与回热器第一端相连，回热器第二端、第三端分别与预热器和冷凝器相连，冷凝器另一端与储液器相连，储液器通过工质泵与回热器相连，冷凝器与冷源链接；
其中，所述降膜式蒸发器包括:热源流体入口、热源流体出口、有机工质入口、有机工质出口、带喷淋装置的三级均匀分液组件、第一管束、集分液装置、第二管束、有机工质蒸气回路、壳体；所述降膜式蒸发器内，从顶部向下依次安装有带喷淋装置的三级均匀分液组件、第一管束、集分液装置、第二管束；
其中，所述的带喷淋装置的三级均匀分液组件包含了喷淋头阵列和三级孔板，第一级孔板孔距和孔直径为第二级的孔板孔距的3-5倍，第三级孔板孔直径为2-8mm，孔间距也为2-8mm。
2.如权利要求1所述的高效有机朗肯循环发电装置，其特征在于所述预热器为壳管式换热器、套管式换热器或板式换热器。
3.如权利要求1所述的高效有机朗肯循环发电装置，其特征在于所述第一管束和第二管束为铜管胀接亲水铝翅片和/或不锈钢管胀接亲水铝翅片，且呈叉排排列。
4.如权利要求1所述的高效有机朗肯循环发电装置，其特征在于降膜式蒸发器壳体内设有蒸气挡板，使得有机工质蒸气能顺着有机工质蒸气回路有效流到有机工质出口离开降膜式蒸发器。
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