一種工質充注量動態可調的有機朗肯循環系統的製作方法

2023-06-05 03:19:21

本發明涉及以低品位餘熱為熱源的動力循環，尤其是涉及一種工質充注量動態可調的有機朗肯循環系統。

背景技術：

隨著能源需求的增長和環保要求的提高，中低溫熱源尤其是工業餘熱的利用越來越受到重視。工業餘熱廣泛來源於各種工業爐窯、熱能動力裝置、熱能利用設備及各種有反應熱產生的生產過程中。根據熱能的溫度對口、梯級利用的原則，一些高耗能行業中存在著大量的中低溫餘熱沒有得到充分利用，相應的利用技術也還不夠成熟，急需大力發展。

有機朗肯循環(organicrankinecycle，orc)是利用中低溫熱源的重要技術之一，可有效應用於地熱能、中低溫太陽能集熱、工業餘熱、內燃機排氣餘熱及生物質能等領域。從技術創新的角度來看，由於orc系統往往採用低沸點的有機工質代替水/水蒸汽作熱力系統的循環工質，可以顯著降低餘熱的最終排出溫度，充分回收和利用餘熱資源中的中低品位熱能，將其轉化為高品位的機械功。這樣不僅可以變廢為寶，大幅度減少工業企業向外部發電廠的購電量；同時還能有效緩解因廢氣餘熱直接排放入大氣所造成的熱汙染問題。

非設計工況下的系統運行特性是當下針對orc系統研究的熱點。工質充注量的多寡對蒸發器、冷凝器的性能，乃至對整個系統性能的影響都會很明顯。此外，由於orc系統的工質迴路是一個封閉的循環，工質的在線補充與抽取往往難以實施且成本較高，因此動態調節工質充注量的手段和策略十分不完善。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種工質充注量動態可調的有機朗肯循環系統。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種工質充注量動態可調的有機朗肯循環系統，包括通過工質管路以串聯方式安裝並構成閉環工質迴路的工質泵、蒸發器、膨脹機和冷凝器，在工質泵和蒸發器之間的工質管路上還接入工質儲罐，該工質儲罐內安置有體積可變的水包，所述水包還通過管路依次連接水泵和儲水罐。

作為優選的實施方案，工質泵和蒸發器之間的工質管路上安裝有帶可分離接頭的工質充放控制閥，所述可分離接頭還連通從工質儲罐進出口引出的工質充放管路。

作為優選的實施方案，所述的閉環工質迴路中，蒸發器的出口位置還設有第一溫度傳感器和第一壓力傳感器，冷凝器的出口位置也設有第二溫度傳感器和第二壓力傳感器；

所述的工質儲罐上還設有第三溫度傳感器和第三壓力傳感器。

作為上述優選的實施方案的更優選，所述的有機朗肯循環系統還包括控制系統，該控制系統分為第一部分、第二部分和第三部分，其中，第一部分連接並控制所述膨脹機、工質泵和水泵，第二部分接受從第一溫度傳感器、第一壓力傳感器、第二溫度傳感器、第二壓力傳感器、第三溫度傳感器和第三壓力傳感器採集並反饋傳輸的數據，第三部分帶有可視化窗口，並用於使第一部分和第二部分監控調節的數據可視化顯示。

作為更優選的實施方案的進一步優選，所述的工質儲罐的進出口處還設有電磁閥，該電磁閥通過接頭連接所述第三部分，並由第三部分控制其開閉。

作為優選的實施方案，所述的工質儲罐上還設有安全閥。

本發明設置了工質儲罐，並通過一條工質充放管路與閉環工質迴路中工質泵下遊、蒸發器上遊的高壓管路相聯通，其限定一定的總存儲容積，通過工質儲罐內與閉環工質迴路的壓力差將有機工質推注入工質閉環迴路中或從迴路中提取回工質儲罐內。工質充放管路上裝有電磁閥，當電磁閥處於打開位置時，工質可以通過該工質充放管路流動，當電磁閥於關閉位置時，工質在該工質充放管路中的流動被阻止。此外，所述工質充注量動態可調的有機朗肯循環(orc)系統還包括控制器，在具體實施過程中，控制器與管路中的各閥門相關聯，用於將其定位於打開位置或關閉位置。

本發明中有機朗肯循環系統中工質的充注與抽取過程，通過調節工質儲罐與相應管段的壓力差來實現。在具體實施過程中，當水泵將儲水罐中的水抽吸入工質儲罐的水包內時，水包的體積增大而水包的外工質體積減小，工質儲罐內的平衡壓力隨之上升。當水泵將水包內存儲的水抽吸至儲水罐內時，水包的體積減小而水包外的工質體積擴大，工質儲罐內的平衡壓力隨之下降。

與現有技術相比，本發明通過設置工質儲罐，並利用工質儲罐內體積可變的彈性水包可以靈活的調節工質儲罐內的壓力大小，同時配合控制器實時監控整個系統中設置的各個閥門與傳感器，從而靈活的調節工質儲罐與閉環工質迴路中的壓差，實現閉環工質迴路中的工質充放量動態可調。

附圖說明

圖1為本發明的工質充注量動態可調的有機朗肯循環系統；

圖中，10-有機朗肯循環系統，11-蒸發器，12-膨脹機，13-冷凝器，14-工質泵，15a-工質儲罐，15b-水包，16-水泵，17-儲水罐，21、22-高壓工質管路，23、24-低壓工質管路，25a-第一可分離接頭，25b-第二可分離接頭，25c-工質充放控制閥，31-第二溫度傳感器，31a-第二溫度錶盤，32-第二壓力傳感器，32a-第二壓力錶盤，33-第一溫度傳感器，33a-第一溫度錶盤，34-第一壓力傳感器，34a-第一壓力錶盤，35-第三溫度傳感器，35a-第三溫度錶盤，36-第三壓力傳感器，36a-第三壓力錶盤，37a-第一部分，37b-第二部分，37c-第三部分，41-控制管線，42a-第三可分離接頭，42b-第四可分離接頭，43、44-工質充放管路，45、46、47-水管線，51-電磁閥，52、53-流量控制閥，54-安全閥。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。

實施例1

如圖1所示的一種工質充注量動態可調的有機朗肯循環(orc)系統10包括由蒸發器11，膨脹機12，冷凝器13，工質泵14，以及由高壓工質管路21、22，低壓工質管路23、24所組成的閉環有機工質迴路。液態工質從工質泵14出口，通過高壓工質管路21，進入蒸發器11中充分吸收低溫熱源熱量而汽化。高溫高壓的工質蒸汽通過高壓工質管路22進入膨脹機12膨脹輸出機械功。膨脹後的工質隨後通過高壓工質管路23進入冷凝器13冷凝，並通過高壓工質管路24回到工質泵14中完成循環。

高壓工質管路21上安裝有相同的帶第一可分離接頭25a的工質充放控制閥25c，作為充放工質的流量控制裝置。當流量控制閥52、53打開，水泵16正向運行時，水從儲水罐17中充入水包15b內(水包15b、水泵16和儲水罐17通過水管線45、46、47依次串聯起來)，導致工質儲罐15a內的壓力開始上升。待工質儲罐15a內壓力上升至目標值時，水泵16停止工作，流量控制閥52、53關閉，充水過程中斷，罐內壓力停止上升。電磁閥51打開，第一可分離接頭25a與第二可分離接頭25b隨即聯通，使工質充放控制閥25c打開，工質充放管路44與高壓工質管路21聯通，系統開始充入工質；充入工質的過程中，工質儲罐15a內的工質通過工質充放管路43，44進入到系統中。待充入足量工質後，第一可分離接頭25a與第二可分離接頭25b斷開，使工質充放控制閥25c關閉，工質充放管路44與高壓工質管路21斷開，電磁閥51關閉，系統充入工質的過程結束。

當流量控制閥52、53打開，水泵16反向運行時，水從工質儲罐15a的水包15b中被抽出，回到儲水罐17中，導致工質儲罐15a內的壓力開始下降。待罐內壓力下降至目標值時，水泵16停止工作，流量控制閥52、53關閉，抽水過程中斷，罐內壓力停止下降。電磁閥51打開，第一可分離接頭25a與第二可分離接頭25b隨即聯通，使工質充放控制閥25c打開，工質充放管路44與高壓工質管路21聯通，系統開始放出工質；放出工質的過程中，工質儲罐15a內的工質通過工質充放管路44，43進入到工質儲罐15a中。待放出足量工質後，第一可分離接頭25a與第二可分離接頭25b斷開，使工質充放控制閥25c關閉，工質充放管路44與高壓工質管路21斷開，電磁閥51關閉，系統放出工質的過程結束。

系統設置有可編程的控制器，控制器的第一部分37a與膨脹機12、工質泵14和水泵16相連，作為兩泵的電源並控制其轉速。為了實時監控蒸發器11出口的工質過熱度和冷凝器13出口的工質過冷度，蒸發器11的出口處設置有第一溫度傳感器31和第一壓力傳感器32，測量值可從相應第一溫度錶盤31a和第一壓力錶盤32a上直接讀取。冷凝器13出口處設置有第二溫度傳感器33和第二壓力傳感器34，測量值可從相應第二溫度錶盤33a和第二壓力錶盤34a上直接讀取。同時，工質儲罐15a上設置有第三壓力傳感器35和第三溫度傳感器36，測量值可從相應第三溫度錶盤35a和第三壓力錶盤36a上讀取。此外，工質儲罐15a上還設有安全閥54，當罐內壓力過高時安全閥54即打開洩壓。上述個傳感器所採集的數據均傳輸至控制器的第二部分37b中，用於分析系統內工質的狀態和充注量的變化情況。所有需要監控和調節的數據可在控制器的第三部分37c的可視化窗口中顯示，同時此部分控制器還通過第三可分離接頭42a、第四可分離接頭42b、控制管線41與工質罐15a入口處的電磁閥51相連接，為其輸送電力並控制其開閉，用於控制工質罐15a與工質充放管路43、44的聯通或斷開。

上述的對實施例的描述是為便於該技術領域的普通技術人員能理解和使用發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，並把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限於上述實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，不脫離本發明範疇所做出的改進和修改都應該在本發明的保護範圍之內。