本发明涉及有机工质回收的技术领域，更具体地，涉及一种高效智能的有机工质回收系统。
背景技术
伴随着全球性的能源危机以及环境的不断恶化，节能、环保以及新能源的开发利用已成为未来发展的必然趋势。有机朗肯循环作为一种中低温热源发电的关键技术，近年来备受关注。有机朗肯循环对比传统的朗肯循环，其采用有机化合物代替水作为循环工质，由于有机工质具有沸点低、相变潜热大等特点，有机朗肯循环在中低温热源发电上具有极大的优势。有机工质是有机朗肯循环实现热功转换的媒介，是有机朗肯循环的血液，大多数有机工质属于温室气体且价格昂贵，然而，大部分有机朗肯循环系统在检修或更换工质时，无法对有机工质进行高效、彻底地回收，大量有机工质被排放至大气中，一方面将引发温室效应等一系列环境问题，另一方面将极大地增加系统的运行成本。
目前，关于有机朗肯循环工质回收的研究较少。申请号为201310237968.1以及申请号为201110129510.5公开了有机朗肯循环工质回收的相关方案，然而存在诸多不足之处：1、均需要通过运行原系统以回收有机工质，当原系统发生故障或者无法运行时，将无法对有机工质进行回收；2、在储液罐上设置冷凝盘管，利用系统与储液罐之间的压差使工质持续地在储液罐中冷凝，由于冷凝温度的限制，在工质冷凝到一定程度后系统与储液罐之间的压差变无法推动工质继续进行冷凝回收，故工质回收率不高；3、无法将有机工质中溶解的润滑油进行分离，导致回收的有机工质纯度较低，影响工质的下一次使用；4、所涉及的工质回收系统与原有机朗肯循环系统为一体化设计，只能应用于特定的有机朗肯循环系统，降低了工质回收系统的灵活性和普适性。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高效智能的有机工质回收系统，能够提高有机工质的回收率，提高回收的有机工质的纯度，且能够降低工质回收过程的能源损耗。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种高效智能的有机工质回收系统，包括有机朗肯循环系统、液态工质回收系统、气态工质回收系统以及热泵系统：
所述有机朗肯循环系统包括顺次串联连接的膨胀机、冷凝器、储液罐、工质泵以及蒸发器，所述有机朗肯循环系统中循环流动有工质，所述工质中溶解有膨胀机的润滑油；
所述液态工质回收系统包括顺次串联连接的储液罐、溶液泵、蒸发冷凝器、油气分离器、冷凝蒸发器以及工质回收罐，所述工质回收罐的入口处连接有真空泵；
所述气态工质回收系统包括顺次串联连接的储液罐、压缩机、油气分离器、冷凝蒸发器以及工质回收罐，所述工质回收罐的入口处连接有真空泵；
所述热泵系统包括热泵压缩机、蒸发冷凝器、冷凝蒸发器以及节流阀，所述热泵压缩机的进口连接冷凝蒸发器的出口，热泵压缩机的出口连接蒸发冷凝器的入口，蒸发冷凝器的出口与节流阀的进口相连，节流阀的出口与冷凝蒸发器的入口连接。
本发明的高效智能的有机工质回收系统，利用溶液泵和压缩机对系统中的液态工质和气态工质分别进行回收，能大幅提高有机工质的回收率，工质回收较为彻底；对回收的有机工质进行油气分离，将有机工质中溶解的润滑油进行分离，提高有机工质的纯度；采用热泵系统对待回收有机工质进行冷凝后储存于工质罐中，并且将工质冷凝热用于加热溶液泵出口的液态待回收工质，合理地利用了有机工质的冷凝热和蒸发热，降低工质回收过程中的能源损耗。
进一步地，所述溶液泵的入口与储液罐的充注口连通，出口与蒸发冷凝器的入口连接；蒸发冷凝器的进出口分别连接溶液泵的出口及油气分离器的进口；所述油气分离器的进口连接蒸发冷凝器和压缩机的出口，所述油气分离器的出口与冷凝蒸发器的入口连接。液态工质回收通道上的溶液泵的入口与储液罐的充注口连通，出口与蒸发冷凝器的入口连接，并通过继电器控制其通断电，用于回收原系统中的液态有机工质。
进一步地，所述压缩机的进出口分别与储液罐的充注口及油气分离器的入口连接，所述冷凝蒸发器的进口与油气分离器的出口连接，所述冷凝蒸发器的出口与工质收集罐的入口相连接；所述真空泵与工质收集罐的入口处连接。压缩机的进出口分别与储液罐的充注口及油气分离器的入口连接，用于回收原系统中的气态有机工质。
进一步地，所述热泵压缩机的出口连接有辅助冷凝器，所述辅助冷凝器的出口与节流阀的进口相连，所述辅助冷凝器的进出口分别与蒸发冷凝器的进出口相连。辅助冷凝器及其入口处的流量调节阀设置在蒸发冷凝器的旁通通道上，用于将热泵系统中多余的热量释放至大气中，维持热泵系统的能量平衡。
进一步地，所述热泵压缩机安装有用于控制热泵压缩机转速的第一变频器，所述辅助冷凝器安装有用于控制风冷辅助冷凝器风机转速的第二变频器。第一变频器用于控制热泵压缩机的转速，第二变频器用于控制辅助冷凝器风机转速，进而控制热泵系统中的工质流量，最终控制各换热器中的换热量。
进一步地，还包括连接于控制器输出端的阀门控制系统，所述阀门控制系统包括第一电动截止阀、第二电动截止阀、第三电动截止阀、第四电动截止阀以及第五电动截止阀，所述第一电动截止阀设于蒸发冷凝器与油气分离器之间的通路上，所述第二电动截止阀设于压缩机与油气分离器之间的通路上，所述第三电动截止阀设于储液罐和压缩机之间的通路上，所述第四电动截止阀设于储液罐和溶液泵之间的通路上，所述第五电动截止阀蒸发冷凝器和辅助冷凝器之间的通路上。在液态工质回收时，控制第一电动截止阀、第四电动截止阀、第五电动截止阀以及溶液泵通电开启，第二电动截止阀、第三电动截止阀以及压缩机断电关闭；在气态工质回收时，控制第一电动截止阀、第四电动截止阀、第五电动截止阀以及溶液泵断电关闭，第二电动截止阀、第三电动截止阀以及压缩机通电开启。
进一步地，所述阀门控制系统还包括流量调节阀，所述流量调节阀设于辅助冷凝器的入口处。流量调节阀的设置控制进入辅助冷凝器中的工质流量，进而确保热泵系统的能量平衡。
进一步地，还包括连接于控制器输入端的数据采集系统，所述数据采集系统包括数据采集仪以及与数据采集仪电连接的光电液位感应器、压力传感器以及温度传感器，所述光电液位感应器安装于储液罐上，所述压力传感器、温度传感器分别设于油气分离器的入口及冷凝蒸发器的出口。设置在冷凝蒸发器出口的压力和温度传感器用于采集冷凝蒸发器出口处待回收工质的温度值和压力值，通过refprop确定此时工质的过冷度是否偏离预设过冷度，以此作为变频器的控制依据；设置在油气分离器入口的压力和温度传感器用于采集油气分离器入口处回收工质的温度值和压力值，通过refprop确定此时工质过热度是否偏离预设过热度，以此作为流量调节阀的控制依据；安装在储液罐上的光电液位感应器用于实时监测储液罐中的液位是否低于预设最低液位，并且以此作为气态工质回收模式的切换依据。
进一步地，所述光电液位感应器设置在储液罐预设的最低液位处，所述光电液位感应器包括配合设置的红外发射板以及接收板。本发明的最低液位一般取储液罐的最低端截面，当油位低于/超过光电油位感应器的安装位置时，红外发射器的发射光直的穿透介质将发生改变，导致光的路径发生变化，这种变化将产生电信号，并将电信号传输至数据采集器，作为液态工质回收模式及气态工质回收模式的切换依据。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明采用溶液泵和压缩机分别对液态有机工质和气态工质进行回收，提高了工质的回收率，最大化地减少系统中工质的残余量；
（2）本发明采用油气分离器对有机工质进行油分离，将有机工质中溶解的润滑油进行分离回收，有效地提高有机工质的纯度；
（3）本发明利用热泵系统将有机工质回收过程中释放的冷凝热，用于加热溶液泵出口处的液态有机工质，保证其进入油气分离器之前具有一定的过热度，有效降低工质回收系统的能源消耗；
（4）本发明的有机工质回收系统独立于工质循环系统，可应用于不同的有机朗肯系统及制冷热泵系统中，具有较高的灵活性和普适性。
附图说明
图1为本发明的高效智能的有机工质回收系统的结构示意图。
图2为本发明的高效智能的液态工质回收系统的结构示意图。
图3为本发明的高效智能的气态工质回收系统的结构示意图。
图4为本发明的有机工质回收系统的控制策略图。
附图中：1-膨胀机；2-热泵压缩机；3-节流阀；41-第一变频器；42-第二变频器；5-辅助冷凝器；6-蒸发冷凝器；7-溶液泵；8-冷凝器；9-储液罐；10-光电液位感应器；11-压缩机；12-工质泵；13-油气分离器；14-冷凝蒸发器；15-工质收集罐；16-蒸发器；17-真空泵；18-数据采集系统；19-控制系统；20-第一电动截止阀；21-第二电动截止阀；22-第三电动截止阀；23-第四电动截止阀；24-第五电动截止阀；25-流量调节阀。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例
如图1至图4所示为本发明的高效智能的有机工质回收系统的第一实施例，包括有机朗肯循环系统、工质回收系统、数据采集系统18及控制系统19：
如图1所示，有机朗肯循环系统包括顺次串联连接的膨胀机1、冷凝器8、储液罐9、工质泵12以及蒸发器16，有机朗肯循环系统中循环流动有工质，工质中溶解有膨胀机1的润滑油；当系统因检修或替换有机工质而停机时，部分液态有机工质储存在储液罐9和工质泵12等系统低压部件，其余工质则以气态的形式分布在有机朗肯循环系统中，并且液态和气态工质中溶解有膨胀机1的润滑油；
如图2所示，液态工质回收系统包括顺次串联连接的储液罐9、溶液泵7、蒸发冷凝器6、油气分离器13、冷凝蒸发器14以及工质回收罐15，工质回收罐15的入口处连接有真空泵17；溶液泵7设置在液态工质回收通道，用于回收液态工质；而压缩机11设置在气态工质回收通道，用于回收气态工质；油气分离器13设置在压缩机及蒸发冷凝器6的出口处，用于将气态有机工质中溶解的润滑油分离出来，得到纯度较高的工质；真空泵17设置在工质收集罐15的入口处，用于排出系统中的不凝性气体等杂质。其中，储液罐9的工质充注口与工质回收系统的回收口通过针阀连接，即工质回收系统独立于原有机朗肯循环系统设计，更具普适性。其中，液态工质回收通道上的溶液泵7的入口与储液罐9的充注口连通，出口与蒸发冷凝器6的入口连接，并通过继电器控制其通断电，用于回收原系统中的液态有机工质；蒸发冷凝器6的进出口分别连接溶液泵7的出口及油气分离器13的进口，蒸发冷凝器6中一侧的流体是从溶液泵7流出的待回收工质，另一侧的流体则是热泵系统的循环工质；油气分离器13的进口连接蒸发冷凝器6和压缩机11的出口，油气分离器13的出口与冷凝蒸发器14的入口连接，利用气态工质与液态润滑油之间的密度差，通过改变流动方向、滤网拦截或者离心力等将气态工质与液态润滑油分离开，得到高纯度的有机工质。
具体地，当光电液位感应器10检测到储液罐9中液态工质的液位超过预设最低液位（预设最低液位一般取储液罐9出液管的最低端截面），切换至液态工质回收模式。此时，控制系统19控制第一电动截止阀20、第四电动截止阀23、第五电动截止阀24以及溶液泵7通电开启，第二电动截止阀21、第三电动截止阀22和压缩机11断电关闭。待回收的液态有机工质经储液罐9的充注口进入溶液泵7中，溶液泵7为工质提供流动功，接着，液态工质进入蒸发冷凝器6，吸收热泵高温工质的热量后成为过热蒸汽并控制气具有一定的预设过热度（保证工质在进入油气分离器13时为气态工质，便于润滑油的分离，过热度过低无法保证进入油气分离器13的工质为过热状态，过热度过高将造成能源的浪费，一般取预设过热度为5℃），溶解有润滑油的过热蒸汽工质进入油气分离器13，将润滑油分离出来后继续进入冷凝蒸发器14，气态工质在冷凝蒸发器14中完全冷凝为液态工质并使过冷度维持在预设过冷度附近（将有机工质进行液化后储存将减小工质收集罐15的体积，并且有利于后续工质的重新充注，一般取预设过热度为5℃）。最终，液态有机工质流入工质收集罐15进行储存。
如图3所示，气态工质回收系统包括顺次串联连接的储液罐9、压缩机11、油气分离器13、冷凝蒸发器14以及工质回收罐15，工质回收罐15的入口处连接有真空泵17。其中，压缩机11的进出口分别与储液罐9的充注口及油气分离器13的入口连接，用于回收原系统中的气态有机工质；冷凝蒸发器14的进口与油气分离器13的出口连接，出口与工质收集罐15的入口相连接，冷凝蒸发器器14中一侧的流体是从油气分离器13中流出的待回收工质，另一侧的流体则是热泵系统的循环工质；真空泵17与工质收集罐15的入口处连接，用于在有机工质回收前排除系统的不凝性气体等杂质。
具体地，当光电液位感应器10检测到储液罐9中液态工质的液位低于预设最低液位时，切换至气态工质回收模式：控制系统19控制第一电动截止阀20、第四电动截止阀23、第五电动截止阀24以及溶液泵7断电关闭，第二电动截止阀21、第三电动截止阀22和压缩机通电开启。待回收的气态有机工质经储液罐9的充注口进入压缩机中，压缩机将气态工质升压后直接输送至油气分离器13，溶解有润滑油的过热工质进入油气分离器13，将润滑油分离出来后继续进入冷凝蒸发器14，气态工质在冷凝蒸发器14中完全冷凝为液态工质并使过冷度维持在预设过冷度附近。最终，液态有机工质流入工质收集罐15进行储存。
如图1所示，热泵系统包括热泵压缩机2、蒸发冷凝器6、冷凝蒸发器14以及节流阀3，热泵压缩机2的进口连接冷凝蒸发器14的出口，热泵压缩机2的出口连接蒸发冷凝器6的入口，蒸发冷凝器6的出口与节流阀3的进口相连，节流阀3的出口与冷凝蒸发器14的入口连接。其中，热泵压缩机2安装有用于控制热泵压缩机2转速的第一变频器41；热泵压缩机2的出口连接有辅助冷凝器5，辅助冷凝器5安装有用于控制风冷辅助冷凝器5风机转速的第二变频器42，辅助冷凝器5的出口与节流阀3的进口相连，辅助冷凝器5的进出口分别与蒸发冷凝器6的进出口相连，形成旁通回路，控制进入蒸发冷凝器6中的工质流量，进而确保热泵系统的能量平衡；热泵压缩机2与变频器4相连接，通过控制热泵压缩机2的频率进而调控热泵系统的工质流量，实现冷凝蒸发器14中换热量的控制；辅助冷凝器5及其入口处的流量调节阀25设置在蒸发冷凝器6的旁通通道上，用于将热泵系统中多余的热量释放至大气中，维持热泵系统的能量平衡；本实施例中，蒸发冷凝器6中的热流体为热泵系统的循环工质，冷流体为溶液泵7流出的液态工质；冷凝蒸发器14中的冷流体为热泵系统的循环工质，热流体为油气分离器13流出的气态工质。
本实施例中的蒸发冷凝器6和设置有变频器4的辅助冷凝器5共同构成热泵系统的冷凝器，冷凝蒸发器14作为热泵系统的蒸发器。待回收的有机工质在蒸发冷凝器6和冷凝蒸发器14中的换热过程为逆过程，即蒸发冷凝器6中的换热量q1等于冷凝蒸发器14中的换热量q2。对于热泵系统，从能量守恒角度看，蒸发器的吸热量q2与热泵压缩机2的输入功w的总和等于冷凝器的放热量q1（q2+w=q1），而本发明提出的系统中蒸发冷凝器6中的换热量q1等于冷凝蒸发器14中的换热量q2，故还需另一个辅助冷凝器5将热泵压缩机2的产热量w散发掉，保证热泵系统的能量平衡。
本实施例在实施时，系统中设置了油气分离器13，用于将有机工质中溶解的润滑油进行分离，提高工质的回收纯度；热泵系统通过回收油气分离器13出口处气态待回收工质的冷凝热，用于加热溶液泵7出口处的液态待回收工质，合理地利用工质在状态转变时的冷凝热和蒸发热；此外，油气分离器13设置在压缩机及蒸发冷凝器6的出口处，用于将气态有机工质中溶解的润滑油分离出来，得到纯度较高的工质；真空泵17设置在工质收集罐15的入口处，用于排除系统中的不凝性气体等杂质。本实施例通过液态工质回收通道及气态工质回收通道对系统中的有机工质进行高效彻底地回收；利用热泵系统实现有机工质在回收过程中的状态转变，为溶液泵7出口处的液态有机工质提供蒸发热、为油气分离器13出口处的气态有机工质提供冷凝热；设置了数据采集器及控制器，控制器以数据采集器所反馈的信息作为控制依据，通过控制各阀门及设备的状态，实现有机工质回收系统的智能化及高效化运行。
另外，液态工质回收系统还包括连接于控制器输入端的数据采集系统18，数据采集系统18包括数据采集仪以及与数据采集仪连接的光电液位感应器10、压力传感器以及温度传感器，光电液位感应器10安装于储液罐9上，压力传感器、温度传感器分别设于油气分离器13的入口及冷凝蒸发器14的出口。设置在冷凝蒸发器14出口的压力和温度传感器用于采集冷凝蒸发器14出口处待回收工质的温度值和压力值，通过refprop确定此时工质的过冷度是否偏离预设过冷度，以此作为变频器4的控制依据；设置在油气分离器13入口的压力和温度传感器用于采集油气分离器13入口处回收工质的温度值和压力值，通过refprop确定此时工质过热度是否偏离预设过热度，以此作为流量调节阀25的控制依据；安装在储液罐9上的光电液位感应器10用于实时监测储液罐9中的液位是否低于预设最低液位，并且以此作为气态工质回收模式的切换依据。
如图4所示为本发明的高效智能的有机工质回收系统的控制策略图，本发明的具体实施方式如下：
设置在储液罐9上的光电液位感应器10实时检测储液罐9的液位，若储液罐9的液位高于预设最低液位，则回收系统切换为液态工质回收模式，数据采集系统18采集油气分离器13入口处待回收工质的温度和压力值并将信号传送至控制器，控制器接收来自数据采集仪的信号，通过查询refprop中有机工质的物性参数并进行计算得出此时待回收工质的过热度，若油气分离器13入口过热度偏离预设过热度，则调整流量调节阀25的开度，控制进入蒸发冷凝器6的热泵工质流量，随后将调节结果返回至上一步；同时，数据采集系统18通过采集冷凝蒸发器14出口处的温度、压力值并将信号传送至控制器，控制器接收来自数据采集仪的信号，通过查询refprop中有机工质的物性参数并进行计算得出此时待回收工质的过冷度，若冷凝蒸发器14出口过冷度偏离预设过冷度，则调节热泵压缩机2的变频器4，控制热泵系统工质流量，将调节结果返回至上一步。假如冷凝蒸发器14出口过冷度和油气分离器13入口过热度均维持在预设值，则返回到输入端。随后，光电液位感应器10实时检测储液罐9的液位，若储液罐9的液位高于预设最低液位，则回收系统继续维持液态工质回收模式，若储液罐9的液位低于预设最低液位，则回收系统切换为气态工质回收模式，数据采集系统18通过采集冷凝蒸发器14出口处的温度、压力值并将信号传送至控制器，控制器接收来自数据采集仪的信号，通过查询refprop中有机工质的物性参数并进行计算得出此时待回收工质的过冷度，若冷凝蒸发器14出口过冷度偏离预设过冷度，则调节热泵压缩机2的变频器4，控制热泵系统工质流量，将调节结果返回至上一步；若冷凝蒸发器14出口过冷度维持在预设值，则调节辅助冷凝器5的第二变频器42，控制蒸发冷凝器6的换热量。接着，数据采集系统18采集油气分离器13入口及冷凝蒸发器14出口的压力值，若系统绝对压力小于1kpa，则认为系统工质回收完全，结束工质回收系统的回收工作。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。