[发明专利]一种可有效提升膨胀机效率的有机朗肯循环系统

说明书

技术领域

本发明属于余热利用技术领域，具体涉及一种可有效提升膨胀机效率的有机朗肯循环系统。

背景技术

一般按余热载体的温度水平不同，将余热资源划分为三种：高温余热(500℃以上)、中温余热(200-500℃之间)和低温余热(200℃以下)，一般来说，如果热能的温度低于100℃，它将被看作低品位或是中等品位热能。对中低温余热的回收和利用具有重要的现实意义，若以传统的方式，即以水为工质的朗肯循环，用低品位热能汽轮机发电机组回收利用余热，因循环效率低，系统复杂，其经济效益非常有限。利用有机工质朗肯循环(OrganicRankineCycle,以下简称ORC)来利用中、低温余热发电或提供动力，既实现能源回收利用，又在相同输出条件下，减少二氧化碳等污染物的排放，有利于环境保护，当前受到人们极大的关注。同时，有机朗肯循环(ORC)在利用自然界中的品位低的能量，如太阳能、地热、海洋温差能等方面，也有许多应用实例。

有机朗肯循环(ORC)系统作为一项能够高效、环保地将低品位能源转化为高品位电能的技术，膨胀部件是ORC系统的关键所在。涡旋膨胀机是一种结构紧凑、价格低廉的膨胀机械，由于其潜在的优越性能使得许多研究者选择其作为小型ORC系统的膨胀部件。

现有技术中，全封闭涡旋永磁膨胀机(本发明中简称膨胀机)存在发电效率和热效率差的问题，发电效率差主要是由于小型涡旋膨胀机常用永磁发电机在热源变高或负载变低的过程中会产生更多的损耗和热量，使发电机工作温度升高并超过正常的使用温度范围造成的，长时间运转也会加速退磁现象。同时这部分损耗和热量也会跟随膨胀机排气进入ORC系统，增加了排气过热度和ORC系统冷凝器负荷，从而影响了膨胀机和ORC系统的热效率。目前还没有针对提高膨胀机效率的ORC系统开展相关研究。

发明内容

针对上述不足，本发明提供了一种可有效提升膨胀机效率的有机朗肯循环系统，该装置通过将工质泵出口的高压低温制冷剂部分旁通至膨胀机的喷液冷却工艺接口，这部分工质在进入发电机区域后会迅速降压和蒸发，冷却发电机并且混合排气降低膨胀机的出口过热度，使膨胀机达到和等熵膨胀过程相近的效果，最终可提高膨胀机的性能。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种可有效提升膨胀机效率的有机朗肯循环系统，包括膨胀机、冷凝器、工质泵、蒸发器，所述蒸发器的出口端通过管路依次与膨胀机、冷凝器及工质泵连接，并通过工质泵返回连接至蒸发器的进口端，构成有机朗肯循环回路，该膨胀机包括膨胀机构、连接在膨胀机构末端的发电机，发电机输出端用于连接发电负载；所述有机朗肯循环回路中在工质泵与蒸发器之间还增设有喷液管路；膨胀机的发电机区域增设有用于和喷液管路连接的喷液冷却工艺接口。

优选的，所述喷液管路上还设有喷液电磁阀，在膨胀机内部增设有用于反馈发电机温度信号的温度传感器；该有机朗肯循环系统还包括与温度传感器、喷液电磁阀电连接的控制系统。

进一步的，当发电机温度高于设定的喷液温度时，喷液电磁阀开启，喷液管路与膨胀机连通，开始朝发电机区域喷液冷却，发电机温度也随之下降；当发电机区域温度降到设定关闭温度后，喷液电磁阀关闭，停止喷液冷却。

进一步的，在喷液管路上还设有与喷液电磁阀顺次连接的电子膨胀阀；所述电子膨胀阀与控制系统电连接。

进一步的，当发电机温度高于设定的喷液温度时，系统控制喷液电磁阀开启并增加电子膨胀阀开度，喷液管路与膨胀机连通，开始朝发电机区域喷液冷却；随着温度传感器的信号变化系统控制调整电子膨胀阀的开度，将发电机温度稳定在设定值。

本发明的有益效果在于：

1)、本发明增设喷液管道后，通过将工质泵出口的高压低温制冷剂部分旁通至膨胀机的喷液冷却工艺接口，这部分工质在进入发电机区域后会迅速降压和蒸发，冷却发电机并且混合排气降低膨胀机的出口过热度，使有机工质的膨胀过程达到和等熵膨胀过程相近的效果，为提高膨胀机的性能提供有效的保证。

如果在喷液管道中增设电子膨胀阀，通过喷液管路引入经冷凝器冷凝并通过工质泵增压的高压低温制冷剂、经电子膨胀阀节流降压形成气液两相混合态低温工质再进入膨胀机腔体后会迅速蒸发和换热，将发电机由于损耗形成的热量带走，经喷液管路进入膨胀机的制冷剂会和正常经过蒸发器升压升温并且通过膨胀机膨胀机构做功并排出的制冷剂混合，降低这部分制冷剂由于非等熵膨胀形成的较大的过热度，混合后的制冷剂通过膨胀机排气管路进入冷凝器、工质泵进行冷却和升压，完成整个循环，可有效提升膨胀机的性能和可靠性。