一种采用流体工质材料的朗肯循环系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种朗肯循环系统，特别是关于一种采用流体工质材料的朗肯循 环系统。
【背景技术】
[0002] 朗肯循环系统目前在国内余热发电领域应用较为成熟，被广泛应用于热力学循环 发电系统中，为我国节能减排事业做出了重要贡献。如图1所示，热力学循环发电系统中使 用的单级朗肯循环系统，其流体工质经预热器（图中为标出）预热后进入蒸发器1，在蒸发 器1内吸热蒸发成为气体，随后经第一汽轮机2对外做功，从第一汽轮机2出来的流体工质 首先进入预热器，在预热器中对将要进入蒸发器1的流体工质进行预热，温度降低的流体 工质在冷凝器3中进一步冷凝到饱和态，冷凝器3将流体工质在冷凝器3中放出的热量输 出进行利用。冷凝到饱和态的流体工质再经压栗4压缩，最后进入蒸发器1，完成一次循环 过程。单级朗肯循环系统虽然完成了对动力的循环利用，但流体工质的传热损失较大，且对 热量利用不充分。
[0003] 朗肯循环系统中流体工质材料对循环热效率具有很大的影响，现有的流体工质选 取方法主要有以下两种：（1)在已有的流体工质中进行选择筛取，此种方法简单成熟，但选 择范围较窄，很难选出各方面性能较好的流体工质。（2)将两个或多个化合物进行混合形成 混合流体工质，此种方法可以克服单个化合物存在的问题，如对其易燃性、容量大等缺点可 根据需要进行调整。但就已有的混合流体工质而言，应用于某些条件下尤其是超低温条件 发电过程的流体工质研究仍不成熟，且化合物本身一些热力学性质，如可燃性等，仍然需要 进一步研究改进。
【发明内容】
[0004] 针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种流体工质性能合适，对热量利用充 分，循环热效率高的采用流体工质材料的朗肯循环系统，具有便捷，高效，节约成本的优点。
[0005] 为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：一种采用流体工质材料的朗肯 循环系统，其特征在于：所述朗肯循环系统包括蒸发器、第一汽轮机、冷凝器和压力栗，所述 蒸发器出口依次经所述第一汽轮机和冷凝器连接所述压力栗进口，所述压力栗出口连接所 述蒸发器入口；所述朗肯循环系统为回热朗肯循环系统时，在所述蒸发器和所述第一汽轮 机之间还设置有回热装置；所述回热装置的第一进口连接所述第一汽轮机的出口，所述回 热装置的第一出口连接所述冷凝器入口，所述回热装置第二进口连接所述压力栗的出口， 所述回热装置的第二出口连接所述蒸发器入口；所述朗肯循环系统为再热朗肯循环系统 时，在所述第一汽轮机与所述冷凝器之间设置有再热器和第二汽轮机；所述第一汽轮机出 口连接所述再热器进口，所述再热器出口连接所述第二汽轮机进口，所述第二汽轮机出口 连接所述冷凝器入口；所述朗肯循环系统为朗肯-布雷顿两级联合循环系统时，在所述第 一汽轮机与所述冷凝器之间设置有回热锅炉、膨胀机、冷却器和压缩机；所述第一汽轮机出 口连接所述回热锅炉的第一进口，所述回热锅炉的第一出口依次连接所述膨胀机、冷却器 和压缩机的进口，所述压缩机的出口连接所述回热锅炉的第二进口；所述回热锅炉的第二 出口连接所述冷凝器入口。
[0006] 本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本实用新型由于采用根 据热发电循环系统的边界条件和所需流体工质材料在相应边界条件下的热物性参数范围， 利用数学随机组合法对安全性贡献值高且污染性贡献值小的基团进行组合替换，合成满足 发电循环系统要求的化合物流体工质，可有效地改善化合物流体工质的热物性，针对热发 电循环系统选择出最优热物性的化合物流体工质，进而提高整个热发电循环系统的循环热 效率。2、本实用新型由于采用回热装置，使得冷凝到饱和态的流体工质在返回蒸发器之前 在回热装置中吸收来自第一汽轮机的流体工质释放的热量，提高了热量的有效利用率，减 少了循环过程中的热能损失。3、本实用新型由于采用再热装置和第二汽轮机，使得流体工 质在第一汽轮机中做功后回到再热器中再次加热，进入第二汽轮机二次做功，使得循环系 统在不改变循环蒸发温度的条件下增加了循环输出功。4、本实用新型由于采用朗肯-布雷 顿两级联合循环系统，使得流体工质在膨胀机中二次做功，有效利用了系统中的热量，减少 了能量的浪费。综上所述，本实用新型可以广泛应用于热发电循环系统中。
【附图说明】
[0007] 图1是现有技术中的单级朗肯循环系统示意图；
[0008] 图2是本实用新型的回热朗肯循环系统示意图；
[0009] 图3是本实用新型的再热朗肯循环系统示意图；
[0010] 图4是本实用新型的朗肯-布雷顿两级联合循环系统示意图。
【具体实施方式】
[0011] 本实用新型不同于常规的通过比较不同工质热力学循环系统的热效率来选择工 质。而是从提高热力学循环效率的机理出发，通过改善流体工质的热物性，或者针对循环系 统选择最优热物性的流体工质，来提高循环效率。下面结合附图和实施例对本实用新型进 行详细的描述。
[0012] 本实用新型提供一种朗肯循环系统流体工质材料构建方法，包括以下步骤：
[0013] 1)基于热发电循环原理及化合物热物性原理，选择出对流体工质安全性贡献值高 且污染性贡献值小的基团建立基团数据库。其中，安全性贡献值高指基团中不含有对环境 造成危害的F、Cl、S元素，以C02的GWP值和0DP值为标准，污染性贡献值小指基团对GWP(温 室效应系数）的贡献值小于〇)2的GWP值及对0DP(臭氧层破坏系数）的贡献值小于C0 2的 0DP值。基团数据库中筛选出的基团所构建的流体化合物满足天然碳氢化合物的特点。
[0014] 2)确定热发电循环系统的边界条件和所需流体工质材料在相应边界条件下的热 物性参数范围，其中，边界条件包括热源温度范围、循环最高压力和膨胀机压比，热物性包 括导热性、比热容、粘度、蒸发焓、闪点，以C02各项热物性参数值为标准，从基团数据库中筛 选出各类基团，选择出的基团构建的化合物各项热物性参数值在相应边界条件下优于或等 于co2各项热物性参数值，利用数学随机组合法对基团进行组合替换，形成化合物流体工 质。
[0015] 其中，采用模拟退火算法从基团数据库中筛选基团。
[0016] 3)确定热发电循环系统的目标函数为f=min(cp/ΔH)或f=max(λ/Cp)或f= min(η/λ)或f=max(F/cp)，其中，min表示最小值，max表示最大值，ΔΗ为化合物流体 工质的蒸发焓，cp为化合物流体工质比热容，λ为化合物流体工质的导热系数，η为化合 物流体工质的粘度值，F为化合物流体工质的闪点。
[0017] 4)计算步骤2)中形成的化合物流体工质在临界温度下的热物性参数，从形成的 化合物流体工质中选择出满足热发电循环系统目标函数的化合物流体工质。
[0018] 5)对步骤4)中选择出的化合物流体工质进行化学合成可行性验证，可行性即化 合物能否通过物理反应或化学反应合成。将通过化学合成可行性验证的化合物流体工质应 用于热发电循环系统工程。
[0019] 实施例1
[0020] 如图1所示，单级朗肯循环系统包括蒸发器1、第一汽轮机2、冷凝器3、压力栗4， 其工作过程为：流体工质在蒸发器1内吸热蒸发成为气体后，经第一汽轮机2对外做功，从 第一汽轮机2出来的流体工质进入冷凝器3中进一步冷凝到饱和态，冷凝器3将流体工质 在冷凝器3中放出的热量输出进行利用。冷凝到饱和态的流体工质再经压力栗4压缩后返 回蒸发器1，完成一次循环过程。
[0021] 单级朗肯循环系统的流体工质材料的构建方法包括以下步骤：
[0022] 1)基于热发电循环原理及化合物热物性原理，选择出对流体工质安全性贡献值高 且污染性贡献值小的基团建立基团数据库，如表1所示。基团数据库中排除掉了含F、C1、 S元素的基团，重点考虑C元素和Η元素的基团；使得基团数据库中筛选出的基团所构建的 流体化合物满足天然碳氢化合物的特点。
[0023]表1用于工质流体构建的基团信息
[0024]
[0025] 2)确定单级朗肯循环系统的边界条件和所需流体工质材料在相应边界条件下 的热物性参数范围，其中热源温度范围为300K-500K、循环最高压力为6MPa、膨胀机压比 为5.0。采用模拟退火算法从基团数据库中选择出基团-NH2, -0-，-0H，-CH3,Br-，1-， >C0, -C00H，-C00-，-NH，-CN，-N02，利用数学随机组合法对基团进行组合替换，形成化合物 流体工质。
[0026] 3)确定单级朗肯循环系统的目标函数为f=min(cp/AH)。
[0027] 4)计算步骤2)中形成的化合物流体工质在临界温度下的热物性参数，从中选择 出满足单级朗肯循环系统目标函数的ΝΗ3Η20、0130)013和CH30H前三种化合物流体工质，其 循环热效率及热物性参数如表2所示。
[0028] 表2NH3H20、CH3C0CH3和CH30H的循环热效率及热物性参数
[0029]
[0030] 5)对选择出的ΝΗ3Η20、0130)013和CH30H前三种化合物流体工质进行化学合成可 行性验证，将通过化学合成可行性验证的化合物流体工质应用于单级朗肯循环系统工程。
[0031] 如图2所示，本实用新型还提供一种采用上述流体工质材料构建方法构建流体工 质材料的回热朗肯循环系统，其包括蒸发器1、第一汽轮机2、冷凝器3、压力栗4和回热装置 5。蒸发器1的出口经第一汽轮机2连接回热装置5的第一进口，回热装置5的第一出口依 次连接冷凝器3和压力栗4的进口，压力栗4的出口连接回热装置5的第二进口，回热装置 5的第二出口连接蒸发器1的入口。
[0032]回热朗肯循环系统的工作过程为：流体工质在蒸发器1内吸热蒸发成为气体后， 经第一汽轮机2对外做功，从第一汽轮机2出来的流体工质进入回热装置进一步释放热量 后，进入冷凝器3中进一步冷凝到饱和态，冷凝器3将流体工质在冷凝器3中放出的热量输 出进行利用。冷凝到饱和态的流体工质再经压力栗4压缩后返回至回热装置5,在回热装置 5中吸收来自第一汽轮机2的流体工质释放的热量，随