一種利用低溫餘熱回收的發電裝置的製作方法

2023-09-22 19:36:45 2

專利名稱：一種利用低溫餘熱回收的發電裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種發電的生產設備，具體涉及一種利用低溫餘熱回收的發電裝置。 通過熱交換器加熱使工質達變為過熱蒸汽，特別適用於大型中央空調機組餘熱回收以及印染廠汙水中低溫廢熱回收。
背景技術：
據統計，全球現在被排棄的能量約佔總用能量的74%，從能量品位看約佔2/3甚至更多是低溫餘熱。現有低溫餘熱回收裝置，大部分是單純的熱回收，只有小部分是餘熱回收發電裝置。就是這一小部分餘熱回收發電裝置，也大部分集中在像水泥、鋼鐵行業這種傳統的高耗能行業。雖然低溫餘熱的動力回收比單純的熱回收複雜的多，難度也高，但是隨著世界能源的短缺，進行低溫發電技術研究是必然趨勢。這樣就不讓大量低溫廢熱排入環境， 既節約了能源，有保護了環境。中國發明專利200510032362. X公開了一種利用中央空調餘熱加工熱水的方法， 該方法包括如下步驟(1)在中央空調冷凝器高溫區2處加裝一隔水器，隔水器包容高溫區50% 100%的冷凝管並形成獨立封閉的換熱區間；(2)將隔水器輸出端管接熱水箱輸入端，熱水箱輸出端管接隔水器輸入端，使熱水箱內盛水由隔水器輸入端進入冷凝器高溫區經冷凝管散發之餘熱加熱後，再由隔水器輸出端返回熱水箱形成循環水加熱。由於發明專利200510032362. X存在改動原空調機組冷凝器和加裝設備後易造成發電工質洩露的缺陷，所以此發明專利所涉及的設備不宜作為發電裝置。再例如中國實用新型專利 200520063267. 1公開了一種印染廢水餘熱回收裝置，該裝置在印染機熱水池的溢水口的廢水經過廢水過濾池過濾，然後送到熱交換器，把熱量傳給從入水口來的清水，溫度上升的清水進入熱水池減少了蒸汽的消耗。由於帶有餘熱的廢水跟發電工質的流量不是相等的，採用的常規板式換熱器會使板兩側流體流速不相等，容易使換熱器變形，所以也不宜採用此實用新型公布的餘熱回收裝置來進行發電。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種高效、穩定、可靠的低溫餘熱回收發電裝置，解決現有設備難以有效回收的低溫餘熱形成的巨大能源浪費和嚴重的熱汙染，而將廢熱進行動力回收，提高能量利用的靈活性。本發明的目的通過如下技術方案實現一種利用低溫餘熱回收的發電裝置，包括熱轉換器、透平、冷凝器、儲液器、第一工質泵、回熱器和第二工質泵；熱轉換器通過出液管連接透平，透平與冷凝器連接，冷凝器與儲液器連接，儲液器通過並聯管路與回熱器連接，並聯管道的支路一設有閥門，並聯管路的支路二設有閥門和第一工質泵；回熱器通過第二工質泵與熱轉換器連接；透平還與回熱器連接，熱轉換器還與冷凝器連接，透平輸出軸與發電機連接，帶動發電機發電；所述熱交換器為下大上小的錐形空腔結構，包括不鏽鋼外殼、排氣管道和保溫材料；內壁塗有保溫材料的不鏽鋼外殼形成上頂面是半圓形的錐形空腔，錐形空腔上部半圓形的直徑和下底面的直徑長度比為1 2 3;空心結構上頂面和下底面密封；在錐形空腔上部半圓形上設有發電工質出口，發電工質出口為下端開口大，上端開口小的喇叭狀，開口朝下；換熱器的下底面開有發電工質進口，排氣管直接穿過錐形空腔中心；熱交換器的不鏽鋼外殼內壁的上半部為波紋結構。為進一步實現本發明目的，所述錐形空腔的容量優選為4 6升。所述排氣管外表面優選塗有導熱材料。所述導熱材料優選為導熱矽質。所述錐形空腔上部半圓形的直徑和下底面的直徑長度比優選為1 2。本發明相對於現有技術具有如下優點和有益效果本發明通過熱轉換器內設置錐形的空心結構，並且將空心結構的容量控制在4 6升的範圍，熱交換器空心結構上頂面的直徑和下底面的直徑比例為1 2 3，使通過熱交換器加熱的工質變為蒸汽，熱交換器內壁上半部分波紋狀的設計、上表面半圓形的設計和蒸汽出口端喇叭狀的設計都是為了使氣液分離，避免液體進入透平，影響發電和透平的性能。本發明對於中央空調機組、鋼鐵廠等地方的以往難以回收的低溫廢熱進行動力回收， 提高了能量利用的靈活性。安裝在中央空調機組上時，還可有效地促進壓縮機排氣管的散熱，降低了壓縮機的排氣口溫度，降低了壓縮機的排氣壓力，使壓縮機工作在正常工作狀態(排氣溫度、壓力保持最佳工況)，達到中央空調壓縮機節能降耗的效果(冷凝溫度降低 1V，空調電耗降低4 % )。本發明裝置是一種節能而又實用的加熱低溫餘熱回收發電裝置。


圖1為低溫餘熱回收發電裝置的結構示意圖。圖2為圖1中熱交換器的結構示意圖。圖3是圖2的A處的局部放大圖。圖4是圖2的B處的局部放大圖。圖5為央空調餘熱回收裝置結構示意圖。圖6為帶有控制裝置的中央空調餘熱回收裝置結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發明作進一步的描述，但是本發明要求保護的範圍並不局限於具體實施方式
表述的範圍。如圖1所示，一種利用低溫餘熱回收的發電裝置，包括熱轉換器1、透平2、冷凝器 3、儲液器4、第一工質泵5、回熱器6和第二工質泵7 ；熱轉換器1通過出液管連接透平2，透平2與冷凝器3連接，冷凝器3與儲液器4連接，儲液器4通過並聯管路與回熱器6連接， 並聯管道的支路一設有閥門，並聯管路的支路二設有閥門和第一工質泵5 ；回熱器6通過第二工質泵7與熱轉換器1連接；透平2還與回熱器6連接，熱轉換器1還與冷凝器3連接， 透平2輸出軸與發電機連接，帶動發電機發電。安裝回熱器6可提高工質溫度，保證工質在熱交換器1中能充分氣化。如圖2-4所示，熱交換器1為下大上小的錐形空腔結構，包括不鏽鋼外殼17、塗有導熱矽質的排氣管道18和保溫材料19 ；內壁塗有保溫材料19的不鏽鋼外殼17形成上頂面是半圓形的錐形空腔，錐形空腔上部半圓形的直徑和下底面的直徑長度比為1 2 3; 空心結構上頂面和下底面密封，錐形空腔的容量優選控制在4 6升的範圍；在錐形空腔上部半圓形上設有發電工質出口 25，發電工質出口 25為下端開口大，上端開口小的喇叭狀， 開口朝下；換熱器的下底面開有發電工質進口 24，塗有導熱矽質的排氣管18直接穿過錐形空腔中心；熱交換器的不鏽鋼外殼17內壁的上半部為波紋結構；不鏽鋼外殼17內壁的波紋結構以及發電工質出口 25的喇叭狀結構設計有利於發電工質的氣液分離，避免液體通過發電工質出口 25進入透平2，影響發電和透平的性能。攜帶小液滴的氣流在流經波紋狀結構時，波紋狀的不鏽鋼外殼17內壁增大了氣流與壁面的接觸面積，更容易使液滴附著到壁面上，促進了發電工質液滴的氣化；夾帶液滴的氣流在流經波紋結構時，因為波紋結構存在一定的弧度，使氣體沿著弧狀壁面流動改變了氣體的流動速度，使液滴被甩到壁面上，使液滴沿壁面流下；氣流沿壁面流動，改變了氣流方向與重力的之間的夾角，也能使液滴受重力影響落下來，實現氣液分離。經過一級級波紋狀結構的作用，大部分的液滴已被分離，這時氣流到達換熱器頂部，半圓狀的頂部與波紋狀結構的作用是相同的。氣流向下回流進入喇叭狀的開口，這時氣流中含的液滴已經非常少，喇叭狀的設計增大了與氣流的接觸面積， 更容易使液滴附著到壁面上，也促進了發電工質的氣化。這時進入管道的氣流已基本上不含液滴，即使仍含有少量，由於管道內壓力低於換熱器的壓力，也能使它們充分氣化。如圖1所示，熱交換器1空心結構的容量控制在4 6升的範圍，熱交換器空心結構上部半圓形的直徑和下底面的直徑比例為1 2 3;空心結構上下部密封，中心管道製冷劑進口 22通過排氣管與壓縮機8連接，來自中央空調蒸發器製冷劑經壓縮機8泵入排氣管，在熱轉換器1內與空腔內的工質進行熱交換，從製冷劑出口 23出去成為進入冷凝器 9的製冷劑，流入冷凝器9。因為熱交換器工質出口溫度與流量成反比關係，所以熱交換器上面的直徑和下面的直徑比例為1 2-3，以便滿足熱量的要求。為降低接觸熱阻，在排氣管18外表面塗上良好的導熱材料(如導熱矽質)。如圖2所示，工質從下底面的進口進入從上底面的出口離開換熱器，工質與排氣管道內的高溫製冷劑形成逆流。工質在該換熱器中持續不斷的流動，被來自壓縮機排氣管制冷劑的熱量加熱。保溫材料可選用聚氯乙烯保溫材料，熱轉換器1選用不鏽鋼換熱器。工質採用R245、R134A，在壓力控制下，沸點控制在 60-70 O。熱交換器空心結構上部半圓形的直徑和下底面的直徑比例為1 2 3，其原因是根據如下公式Q吸=CXMX At= CX P XLXSXvX At=CX P XLX π Xr2 XvXAt上式中符號的意義如下At——質的進出口溫差，°C ；C——工二質的比熱，kj/kg · °C ；ρ——工質的密度，kg/m3 ；L——熱交換器的長度，m ；S——熱交換器中空心結構橫截面的截面積，m2 ；
r——熱交換器中空心結構橫截面的半徑，m ；ν——質的流速，m/s;M——質的質量流量，kg/s ；當熱交換器中空心結構在最下端和最上端時，其橫截面的半徑r = 1單位長度變為1/2單位長度，根據熱平衡方程Q s恆定，即熱交換器中空心結構最上端的與最下端的Q下吸相等，Q = CX P XLX π Xr2X At，由於熱交換器中空心結構橫截面的半徑r在最上端為最下端的1/2，那麼At增長4倍，即對於錐形的換熱器理論上工質溫可升高4倍以上，因此換熱器中工質的溫升足以達到沸點。從熱交換器1出來的工質蒸汽，通過管道進入透平2，工質蒸汽使透平2帶動發電機發電，做功後的蒸汽一部分進入冷凝器3冷凝變為液體，另一部分進入回熱器6，冷凝器3 中的液體工質進入儲液器4，第一工質泵5把液體工質從儲液器帶到回熱器6與從透平2出來的高溫蒸汽混合變為高溫液體，第二工質泵7把液體工質帶到熱交換器1。液體工質與排氣管道18中氣體進行熱交換。實施例利用低溫餘熱回收的發電裝置在中央空調機組餘熱回收中的應用如圖5所示，一種設有低溫餘熱回收發電的裝置的中央空調機，包括熱轉換器1、 透平2、冷凝器3、儲液器4、工質泵5、回熱器6和工質泵7 ；還包括壓縮機8、冷凝器9、蒸發器12、節流閥13、冷凍泵11、空調末端裝置10、冷卻塔15和冷卻泵14。空調末端裝置10和旁通閥並聯，兩並聯端中的一端直接接入蒸發器12，另一端通過冷凍泵11接入蒸發器12， 構成冷凍水循環系統。冷卻塔15的一端直接連接冷凝器9，另一端通過冷卻泵14連接冷凝器9，構成冷卻水循環系統。熱轉換器1安裝在中央空調的壓縮機8與冷凝器9之間，其中壓縮機8的高壓端接中央空調蒸發器12，壓縮機8的低壓端通過熱轉換器1連接冷凝器9， 節流閥13兩端分別與冷凝器9和蒸發器12連接；工質管道通過閥門與熱轉換器1下端連接，出液管連接在熱轉換器1上端，並與透平2連接，透平2通過閥門與冷凝器3連接，透平 2的輸出軸與發電機連接。冷凝器3通過閥門與儲液器4連接，儲液器4與回熱器6。回熱器6通過第二工質泵7與熱交換器1的發電工質進口 24連接，透平2的回熱流體出口與回熱器6的進口連接。安裝回熱器的目的是為了提高工質溫度保證工質在熱交換器1中能充分氣化。熱交換器1下底面的發電工質進口 24通過管道與第二工質泵7相連，熱交換器1 上底面的發電工質出口 25通過管道與透平2相連。如圖6所示，帶有控制裝置的中央空調餘熱回收裝置包括可編程控制器PLC;蒸發器4的製冷劑流通管的進出口上分別設有第一溫度傳感器Kl和第二溫度傳感器K2，冷凝器9的製冷劑流經管的進出口分別設有第三溫度傳感器K3和第四溫度傳感器K4 ；熱交換器1和透平2之間的管道上設有第五溫度傳感器K5 ；旁通閥兩端分別設有第一壓力傳感器 Ll和第二壓力傳感器L2 ；第一溫度傳感器K1、第二溫度傳感器K2、第三溫度傳感器K3、第四溫度傳感器K4、第五溫度傳感器K5、第一壓力傳感器Ll和第二壓力傳感器L2分別與可編程控制器PLC連接，可編程控制器PLC分別與電源Power和可觸控螢幕0連接；可編程控制器PLC還分別通過第一變頻器Si、第二變頻器S2和第三變頻器S3分別與冷凍泵6、冷卻泵 14和冷卻塔15。第一溫度傳感器K1、第二溫度傳感器K2、第三溫度傳感器K3、第四溫度傳感器K4和第五溫度傳感器K5採集溫度信息送往可編程控制器PLC進行分析處理運算，第一壓力傳感器Ll和第二壓力傳感器L2採集壓力信息，送往可編程控制器PLC進行分析處理運算，可編程控制器PLC輸出的變頻控制指令分別經第一變頻器Si、第二變頻器S2來調控冷凍泵11和冷卻泵14的運行頻率，可編程控制器PLC輸出的變頻控制指令經第三變頻器S3控制冷卻塔15風機的轉速，使冷卻塔15處於最佳工況，達到節能之目的。PLC的主要目的是通過調節冷凍泵11、冷卻泵14和冷卻塔風機的轉速來節能。本發明的中央空調餘熱回收發電的裝置既可安在現有中央空調中，也可安在待裝的中央空調中，對已經安裝使用的現有中央空調，在不改變原有中央空調硬體和控制系統參數的條件下，加裝一套中央空調餘熱回收發電的裝置及控制系統即可。對於計劃新安裝的中央空調，可以在安裝中央空調機組的同時安裝中央空調餘熱回收發電的裝置及控制系統。對於安裝了中央空調的地方，在條件許可的情況下，可以安裝餘熱回收發電裝置， 以便滿足這些場合的用電需要。現在的機場、車站、商場等地方均安裝使用了中央空調， 這些地方的中央空調機組製冷量一般在300 1000冷噸，甚至更大的製冷量(1冷噸= 3. 517Kw)，其排放的廢熱等於製冷量與壓縮機發熱量之和，該廢熱如果排放到空間，會對周圍環境造成熱汙染，導致周圍環境溫度升高，引起冷凝器的散熱效果下降，使冷凝溫度升高，則引起壓縮機的排氣溫度及壓力升高，使空調系統的製冷量減少，同時能耗增加。中央空調壓縮機在正常運轉時排氣管表面的溫度(即排氣管溫度，排氣管溫度通常比氣缸排氣溫度低10 40°C，正常狀態下氣缸排氣溫度在150°C以內，)為110°C 120°C。如果壓縮機排氣管溫度不超過120°C，即為正常工作狀態，壓縮機排氣管溫度超過120°C，系統會報警、停機，此時需要維修。而在壓縮機排氣管與冷凝器之間的排氣管上加裝餘熱回收換熱器後，可有效地促進壓縮機排氣管的散熱，降低了壓縮機的排氣口溫度，同時降低了壓縮機的排氣壓力，使壓縮機工作在正常工作狀態(排氣溫度、壓力保持最佳工況)，達到中央空調壓縮機節能降耗的效果(冷凝溫度降低1°C，空調電耗降低4% )。通過自動控制系統的調節使中央空調處於穩定的工況下，中央空調能夠穩定排出熱量。由於熱交換器的結構和穩定的熱量，低溫餘熱回收發電裝置可以實現高效、穩定、可靠的發電。由於本發明改進了熱交換器的結構，在不改變原有中央空調硬體和控制系統參數的條件下，就可以進行餘熱回收發電。
權利要求
1.一種利用低溫餘熱回收的發電裝置，其特徵在於包括熱轉換器、透平、冷凝器、儲液器、第一工質泵、回熱器和第二工質泵；熱轉換器通過出液管連接透平，透平與冷凝器連接，冷凝器與儲液器連接，儲液器通過並聯管路與回熱器連接，並聯管道的支路一設有閥門，並聯管路的支路二設有閥門和第一工質泵；回熱器通過第二工質泵與熱轉換器連接； 透平還與回熱器連接，熱轉換器還與冷凝器連接，透平輸出軸與發電機連接，帶動發電機發電；所述熱交換器為下大上小的錐形空腔結構，包括不鏽鋼外殼、排氣管道和保溫材料；內壁塗有保溫材料的不鏽鋼外殼形成上頂面是半圓形的錐形空腔，錐形空腔上部半圓形的直徑和下底面的直徑長度比為1 2 3;空心結構上頂面和下底面密封；在錐形空腔上部半圓形上設有發電工質出口，發電工質出口為下端開口大，上端開口小的喇叭狀，開口朝下； 換熱器的下底面開有發電工質進口，排氣管直接穿過錐形空腔中心；熱交換器的不鏽鋼外殼內壁的上半部為波紋結構。
2.根據權利要求1所述的利用低溫餘熱回收的發電裝置，其特徵在於所述錐形空腔的容量為4 6升。
3.根據權利要求1所述的利用低溫餘熱回收的發電裝置，其特徵在於所述排氣管外表面塗有導熱材料。
4.根據權利要求3所述的利用低溫餘熱回收的發電裝置，其特徵在於所述導熱材料為導熱矽質。
5.根據權利要求1所述的利用低溫餘熱回收的發電裝置，其特徵在於所述錐形空腔上部半圓形的直徑和下底面的直徑長度比為1 2。
全文摘要
本發明公開了一種利用低溫餘熱回收的發電裝置，包括熱轉換器、透平、冷凝器、儲液器、第一工質泵、回熱器和第二工質泵；熱轉換器通過出液管連接透平，透平與冷凝器連接，透平輸出軸與發電機連接，帶動發電機發電；熱交換器為下大上小的錐形空腔結構，包括不鏽鋼外殼、排氣管道和保溫材料；內壁塗有保溫材料的不鏽鋼外殼形成上頂面是半圓形的錐形空腔，錐形空腔上部半圓形的直徑和下底面的直徑長度比為1∶2～3；熱交換器的不鏽鋼外殼內壁的上半部為波紋結構。熱交換器內設置錐形的空心結構使通過熱交換器加熱的工質變成過熱蒸汽，用於驅動透平帶動發電機工作。本發明適合於機場、車站、商場等場所的中央空調餘熱需要排放的地方。
文檔編號F01K27/02GK102312688SQ201110279109
公開日2012年1月11日 申請日期2011年9月20日 優先權日2011年9月20日
發明者簡棄非, 鄧宏傑, 邱小亮 申請人:華南理工大學, 廣州賽唯熱工設備有限公司