用纵向涡克服非共沸工质传热恶化的有机朗肯循环装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种用纵向涡克服非共沸工质传热恶化的有机朗肯循环装置。该装置包括纵向涡机构的蒸汽发生器，膨胀机，发电机，冷凝器，工质泵。采用太阳能等低品位热能作为高温热源，并采用非共沸混合工质，以减少换热器壁面两侧流体的平均传热温差，降低传热过程中由传热温差造成的不可逆损失。此外，针对有机朗肯循环中非共沸工质在蒸发换热过程中的传热恶化问题，换热流体在流经本装置的蒸汽发生器时，会在纵向涡发生器的作用下，产生纵向涡流，通过提升换热过程中流体温度场与速度场的协同性，以较小的阻力代价获取较大的传热效果提升。该装置可普遍适用于有机朗肯循环热机系统，提升系统效率，达到节能减排的目的。
【专利说明】用纵向涡克服非共沸工质传热恶化的有机朗肯循环装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及太阳能等低品位热能的应用，具体涉及一种用纵向涡克服非共沸工质传热恶化的有机朗肯循环装置。
【背景技术】
[0002]当今世界，资源匮乏、能源枯竭的形势越来越严峻，开发可再生能源日益重要，其中，利用中低温的太阳能、地热能、生物质能及工业生产过程中的余热废热作为驱动热能的有机朗肯循环发电，可有效缓解能源短缺的问题。但目前，国内外研究的有机朗肯循环系统的实际发电效率还不是很高，其能量损失主要来自膨胀机和换热器。对于某一固定的膨胀机，它的不可逆损失主要受循环膨胀比和制造技术本身的制约，而膨胀比的变化范围有限。因此减小换热器中的不可逆损失，是可行的减少系统可用能损失的方法。
[0003]为了减小换热器的不可逆损失，使有机朗肯循环尽可能地接近洛伦兹循环，可以在实际的有机朗肯循环中，采用具有变温相变特性的非共沸混合工质，利用其在相变过程中的温度滑移特性来匹配高温热源流体的温度变化，以减少换热过程中由于平均传热温差大造成的不可逆损失，进而提高循环系统的热力性能。
[0004]将多组分组成的非共沸混合工质应用于有机朗肯循环系统，可有效地匹配有机朗肯循环系统特性，通过减小传热温差提高循环效率。但是，非共沸混合工质由于由多组分组成，且在非共沸的前提下，各组分工质的沸点不同，当工质在换热器壁面处受热时，低沸点工质较易蒸发，在壁面上形成气体边界层，该边界层既造成了传质热阻，又导致气液界面的温度升高，使换热时有限的热量被消耗于气体层的显热而产生的传热热阻，从而阻碍高沸点工质的蒸发，出现传热恶化现象。因此，研究减弱非共沸工质在温度滑移过程中产生的传热恶化现象、提高换热器的换热效率并尽可能付出较少的阻力损失，对非共沸混合工质在有机朗肯循环中的有效应用有着深远的意义。本发明旨在提供一种优化设计的采用非共沸工质的有机朗肯循环装置，该装置采用具有纵向涡发生器的蒸汽发生器，减小非共沸工质在蒸汽发生器中换热时的传热恶化影响，以提高循环效率。
【发明内容】
[0005]针对现有技术采用非共沸混合工质的有机朗肯循环系统中，其换热器特别是蒸汽发生器内混合工质传热恶化的现象，本发明提出了一种用纵向涡克服非共沸工质传热恶化的有机朗肯循环装置，其能够使流体在蒸发换热过程中产生纵向涡，提升换热流体的速度场与温度场的场协同性，克服非共沸工质蒸发过程的传热恶化现象。
[0006]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是:
本发明采用纵向涡克服非共沸工质传热恶化的有机朗肯循环装置包括蒸汽发生器、膨胀机、发电机，冷凝器、工质泵；所述的蒸汽发生器包括工质通道和载热流通道，所述工质通道设置为使工质能够产生纵向漩涡的纵向涡发生器；所述的蒸汽发生器的工质出口与所述膨胀机的入口连接；所述膨胀机的第一出口与所述冷凝器的工质入口连接，所述膨胀机第二出口与所述发电机连接；所述冷凝器的工质出口与工质泵入口连接；所述冷凝器的冷却水出口与低温热源入口连接，所述低温热源的出口与冷却水泵入口连接，所述冷却水泵的出口与所述冷凝器的冷却水入口连接；所述工质泵出口与所述纵向涡式蒸汽发生器工质入口连接；所述纵向涡式蒸汽发生器热媒流体出口与所述高温热源入口连接；所述高温热源出口与所述热媒流体泵的入口连接，所述热媒流体泵的出口与所述纵向涡式蒸汽发生器热媒流体入口连接；
所述纵向涡式蒸汽发生器、膨胀机、冷凝器，工质泵形成有机工质循环回路。
[0007]所述高温热源，热媒流体泵，纵向涡式蒸汽发生器形成高温热源侧循环回路。
[0008]所述冷凝器、低温热源，冷却水泵形成冷却水循环回路。
[0009]所述纵向涡发生器结构为:所述工质通道设置为多个连续的交叉缩放椭圆型结构、所述交叉缩放椭圆型结构包括依次连接的第一椭圆直管段、第一过渡段、第二椭圆直管段、第二过渡段和第三椭圆直管段，其中，第一椭圆直管段和第三椭圆直管段的长轴和短轴分别与第二椭圆直管段的长轴和短轴垂直布置。
[0010]所述纵向涡发生器结构为:在所述工质通道内设置有多个三角翼、矩形翼、三角对翼或者矩形对翼，且上述多个三角翼、矩形翼、三角对翼或者矩形对翼以一段距离呈间隔设置。
[0011]对蒸汽发生器及冷凝器进行保温，保温材料为岩棉或者陶瓷纤维棉。
[0012]所述的非共沸混合工质为两组份、三组份和四组份中的任一种。
[0013]所述的非共沸混合工质的滑移温度与纵向涡式蒸汽发生器内热媒流体的温差相匹配。
[0014]所述的高温热源采用低品位热能或者常规能源。
[0015]与现有技术相比，本发明具有的有益效果是:
I)本发明采用的安装有纵向涡发生器的蒸汽发生器，可以增强非共沸混合工质的扰动，打破壁面处流体因沸点不同而产生的气液分层现象，减小边界层的传质传热阻力，提高流体速度场与温度场间的场协同性，以较小的阻力附加，较大地减少在蒸发过程中由于温度滑移导致组分浓度分布不均匀而产生的传热恶化影响，提高蒸汽发生器的传热效率。
[0016]2)本发明选用的非共沸混合工质在恒定的压力下蒸发或冷凝，其蒸发温度逐渐升高，冷凝温度逐渐降低，因此可以与有机朗肯循环的高、低温热源相匹配，减小循环的传热温差，降低有机朗肯循环中的不可逆损失，提升循环效率。
[0017]3)本发明中的高温热源可以采用太阳能、工业废热等低品位热能，实现节能减排的有益效果。
[0018]4)本发明对蒸汽发生器采取的保温措施，可以减少高温流体向周围环境的散热，提闻换热器的换热效率，实现节能减排。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明有机朗肯循环装置的结构示意图；
图2为本发明交叉缩放椭圆换热器的结构示意图；
图3为本发明三角翼纵向涡发生器的结构示意图；
图4为本发明矩形翼纵向涡发生器的结构示意图； 图5为本发明三角对翼纵向涡发生器的结构示意图；
图6为本发明矩形对翼纵向涡发生器的结构图示意图。
[0020]图中:1、蒸汽发生器，2、膨胀机，3、发电机，4、冷凝器，5、工质泵，6、高温热源，7、热媒流体泵，8、低温热源，9、冷却水泵。
【具体实施方式】
[0021 ] 下面结合附图，通过【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0022]如图1所示，本发明用纵向涡克服非共沸工质传热恶化的有机朗肯循环装置由三个循环回路构成，分别为有机工质循环回路，高温热源侧循环回路，冷却水循环回路。
[0023]所述有机工质循环回路由蒸汽发生器1，膨胀机2，冷凝器4，工质泵5组成；所述高温热源侧循环回路由高温热源6，热媒流体泵7，蒸汽发生器I构成；所述冷却水循环回路由低温热源8，冷却水泵9，冷凝器4构成。
[0024]高温热源的热煤水出口 6-b与热媒流体泵的入口 7-a相连，热媒流体泵的出口 7_b与蒸汽发生器的热煤水入口 Ι-c相连，蒸汽发生器的热煤水出口 Ι-d与高温热源的热煤水入口 6-a相连。
[0025]蒸汽发生器的工质出口 Ι-b与膨胀机的工质入口 2-a相连，膨胀机的第一出口 2_b与冷凝器的工质入口 4-a相连，同时所述膨胀机的第二出口与所述发电机3连接，冷凝器的工质出口 4-b与工质泵的入口 5-a相连，工质泵的出口 5-b与蒸汽发生器的工质入口 l_a相连。
[0026]冷凝器的冷却水出口 4-d与低温热源的冷却水入口 8_a相连，低温热源的冷却水出口 8-b与冷却水泵的入口 9-a相连，冷却水泵的出口 9-b与冷凝器的冷却水入口 4-c相连。
[0027]有机工质循环过程为:过热气体有机工质从蒸汽发生器的工质出口 l_b流出，进入膨胀机的入口 2-a，经过膨胀后，从膨胀机的第一出口 2-b流出，随后进入冷凝器的工质入口 4-a，冷凝成为液体工质，从冷凝器的工质出口 4-b流出，经过工质泵5升压，从蒸汽发生器的工质入口 l_a进入蒸汽发生器I进行发生过程。
[0028]热媒流体循环过程为:热媒流体从高温热源的出口 6-b流出，进入热媒流体泵7，经升压后，进入蒸汽发生器的热媒流体入口 1-c，在蒸汽发生器I中对有机工质加热，然后从蒸汽发生器的热媒流体出口 Ι-d流出，从高温热源的热媒流体入口 6-a回到高温热源6。
[0029]冷却水循环过程为:冷却水从低温热源的出口 8-b流出，进入冷却水泵9，经升压后，进入冷凝器的冷却水入口 4-c，在冷凝器4中从有机工质吸热，然后从冷凝器的冷却水出口 4-d流出，从低温热源的入口 8-a流回低温热源。
[0030]如图2所示，蒸汽发生器I采用交叉缩放椭圆换热器，其中，所述工质通道设置为多个连续的交叉缩放椭圆型结构，以一个交叉缩放椭圆型结构为例，包括依次连接的第一椭圆直管段Z1、第一过渡段Z2、第二椭圆直管段Z3、第二过渡段TA和第三椭圆直管段Z5，其中，第一椭圆直管段Zl和第三椭圆直管段Z5的长轴和短轴分别与第二椭圆直管段Z3的长轴和短轴垂直布置。非共沸工质进入交叉缩放椭圆换热器，在交叉缩放椭圆结构换热管中流动，载热流在换热管外的壳间流动。非共沸工质在交叉缩放椭圆结构换热管中流动时，会受到椭圆管道交叉缩放的作用，在管道中靠近管壁处形成纵向涡流，这种沿主流方向的纵向涡旋，可以有效地增强非共沸工质的扰动，提升换热流体的温度场与速度场的场协同性，从而提高蒸汽发生器的换热效率，且进一步提升整个循环的效率。
[0031]如图3所示，在蒸汽发生器I工质通道内安装三角形翼纵向涡发生器，非共沸工质在安装此纵向涡发生器的换热器管侧或板侧流动，在经过三角形翼后形成纵向涡流，纵向涡流持续一定距离后减弱，此时经过另一组三角形翼重新生成纵向涡，纵向涡发生器以此间隔布置在整个管段，以保持较高的换热效率。
[0032]如图4所示，在蒸汽发生器I工质通道内安装矩形翼纵向涡发生器，非共沸工质在安装此纵向涡发生器的换热器管侧或板侧流动，在经过矩形翼后形成纵向涡流，纵向涡流持续一定距离后减弱，此时经过另一组矩形翼重新生成纵向涡，纵向涡发生器以此间隔布置在整个管段，以保持较高的换热效率。
[0033]如图5所示，在蒸汽发生器I工质通道内安装三角对翼纵向涡发生器，非共沸工质在安装此纵向涡发生器的换热器管侧或板侧流动，在经过三角对翼后形成纵向涡流，纵向涡流持续一定距离后减弱，此时经过另一组三角对翼重新生成纵向涡，纵向涡发生器以此间隔布置在整个管段，以保持较高的换热效率。
[0034]如图6所示，在蒸汽发生器I工质通道内安装矩形对翼纵向涡发生器，非共沸工质在安装此纵向涡发生器的换热器管侧或板侧流动，在经过矩形对翼后形成纵向涡流，纵向涡流持续一定距离后减弱，此时经过另一组矩形对翼重新生成纵向涡，纵向涡发生器以此间隔布置在整个管段，以保持较高的换热效率。
【权利要求】
1.用纵向涡克服非共沸工质传热恶化的有机朗肯循环装置，该装置包括蒸汽发生器(I)、膨胀机(2)、发电机(3)，冷凝器(4)、工质泵(5);其特征在于，所述的蒸汽发生器(I)包括工质通道和载热流通道，所述工质通道设置为使工质能够产生纵向漩涡的纵向涡发生器；所述蒸汽发生器的工质出口( l_b)与所述膨胀机的入口(2-a)连接；所述膨胀机的第一出口(2-b)与所述冷凝器的工质入口(4-a)连接，同时所述膨胀机第二出口与所述发电机(3)连接；所述冷凝器的工质出口(4-b)与工质泵入口(5-a)连接；所述冷凝器(4)还设置有冷却水入口(4-c)和冷却水出口(4-d);所述工质泵出口(5-b)与蒸汽发生器工质入口(Ι-a)连接；所述蒸汽发生器(I)还设置有热媒流体入口(Ι-c)和热媒流体出口(1-d)。
2.如权利要求1所述的有机朗肯循环装置，其特征在于，所述纵向涡发生器结构为:所述工质通道设置为多个连续的交叉缩放椭圆型结构、所述交叉缩放椭圆型结构包括依次连接的第一椭圆直管段(Z1)、第一过渡段(Z2)、第二椭圆直管段(Z3)、第二过渡段(Z4)和第三椭圆直管段(Z5)，其中，第一椭圆直管段(Zl)和第三椭圆直管段(Z5)的长轴和短轴分别与第二椭圆直管段(Z3)的长轴和短轴垂直布置。
3.如权利要求1所述的有机朗肯循环装置，其特征在于，所述纵向涡发生器结构为:在所述工质通道内设置有多个三角翼、矩形翼、三角对翼或者矩形对翼，且上述多个三角翼、矩形翼、三角对翼或者矩形对翼以一段距离呈间隔设置。
4.如权利要求1所述的有机朗肯循环装置，其特征在于，该装置还包括高温热源(6)、热媒流体泵(7)、低温热源(8)和冷却水泵(9);所述蒸汽发生器的热媒流体出口(Ι-d)与高温热源入口(6-a)连接，所述高温热源出口(6-b)与所述热媒流体泵的入口(7-b)连接，所述热媒流体泵的出口(7-b)与所述蒸汽发生器的热媒流体入口(1-c)连接；所述冷凝器的冷却水出口(4-d)与低温热源入口(8-a)连接，所述低温热源的出口(8-b)与冷却水泵入口(9-a)连接，所述冷却水泵的出口(9-b)与所述冷凝器的冷却水入口(4-c)连接。
5.如权利要求1所述的有机朗肯循环装置，其特征在于，对蒸汽发生器(I)及冷凝器(4)进行保温，保温材料为岩棉或者陶瓷纤维棉。
6.如权利要求1所述的有机朗肯循环装置，其特征在于，所述的非共沸混合工质为两组份、三组份和四组份中的任一种。
7.如权利要求1所述的有机朗肯循环装置，其特征在于，所述的高温热源(6)采用低品位热能或者常规能源。
【文档编号】F01K27/00GK104265384SQ201410392867
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年8月12日 优先权日:2014年8月12日
【发明者】陈九法, 曹政, 刘玉兰 申请人:东南大学