[发明专利]用纵向涡克服非共沸工质传热恶化的有机朗肯循环装置

说明书

技术领域

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

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。

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。

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

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。

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。

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。

所述冷凝器、低温热源，冷却水泵形成冷却水循环回路。

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。

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。

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。

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。

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。

所述的高温热源采用低品位热能或者常规能源。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：