[發明專利]雙級全流螺桿膨脹機有機朗肯循環系統

無效

• 申請號: 201310508750.5
• 申請日: 2013-10-24
• 公開（公告）號: CN103527268A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發明（設計）人: 李惟毅;趙力;王曉東;談西鋒;李帥
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: F01K7/02
• 分類號: F01K7/02;F01K23/02;F01K25/10;F01C13/00;F01D15/10
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 杜文茹

技術領域

本發明涉及一種有機朗肯熱力循環系統。特別是涉及一種基于全流螺桿膨脹機的雙級全流螺桿膨脹機有機朗肯循環系統。

背景技術

有機朗肯循環系統，是以低沸點有機物為工質熱力循環技術。其基本工作原理是有機工質在蒸發器中與熱源換熱，產生有機質蒸汽，進而推動膨脹機或汽輪機做功，并帶動發電機發電或輸出動力，乏氣在冷凝器中冷卻為液態，再由循環泵送入蒸發器，從而完成一個循環。由于低沸點有機工質的使用，這種動力系統對熱源的溫度、壓力等條件要求較低，因此適用于工業余熱回收，地熱、太陽能等可再生能源的中低溫熱利用等場合。

螺桿膨脹機是一種容積式膨脹機。它沒有氣閥、活塞等滑動部件，因此其工藝性好，工質流速大，可平穩地進行高速運轉，是一種良好的熱功轉換設備。與其他形式的膨脹機相比，螺桿膨脹機最大的特點在于其運行過程中內部工質可以是氣液兩相流，因此也可稱其為全流螺桿膨脹機。

目前已經出現螺桿膨脹機用于有機朗肯循環系統的文獻報道。這樣的系統中有機工質流體在螺桿膨脹機入口處可以為氣態、飽和液態甚至微過冷液態。目前，受技術水平限制，螺桿膨脹機的膨脹比通常為3-5，此時膨脹過程的等熵效率可達到75%左右。較小的膨脹比可使螺桿膨脹機單機體積控制在較小范圍內，可節省金屬材料，降低成本；但另一方面，較小的膨脹比使得膨脹機出口乏汽的排氣溫度、壓力較高，對于有機工質而言，此時乏汽往往還有一定的做功能力，如不能進一步利用，則會降低動力系統的整體效率。為解決這個問題，一種解決方案是如專利申請公開號為CN102619567A所公開的那樣，將工質乏汽引入再熱器，升溫后再進入另一臺螺桿膨脹機。但是，對一般情況而言，第一級螺桿膨脹機的出口工質乏汽處于過熱區或氣液兩相區，與過冷液態工質相比，其換熱能力降低，這就導致再熱器（本質上是蒸發器）的換熱面積很大，增加了系統的成本，嚴重影響系統的經濟效益。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，提供一種能夠在不增加系統蒸發器面積的情況下，使有機工質在總體膨脹做功過程中獲得較大的膨脹比，提高熱力循環系統總體的循環效率和經濟效益的雙級全流螺桿膨脹機有機朗肯循環系統。

本發明所采用的技術方案是：一種雙級全流螺桿膨脹機有機朗肯循環系統，包括有通過管道依次連接的冷凝器、工質泵、蒸發器和第一級螺桿膨脹機，所述的第一級螺桿膨脹機的出口通過管道連接氣液分離器的入口，所述氣液分離器具有液相出口和氣相出口，所述氣液分離器的液相出口和氣相出口均通過管道以及第二級膨脹機子系統連接氣液混合罐的入口，所述氣液混合罐的出口通過管道連接所述的冷凝器的入口。

所述的第二級膨脹機子系統包括有第二級螺桿膨脹機、減壓閥和第二級常規膨脹機，其中，所述的第二級螺桿膨脹機的入口通過管道連接所述氣液分離器的液相出口，所述第二級螺桿膨脹機的出口通過管道和設置在所述該管道上的減壓閥連接所述氣液混合罐的液相入口，所述第二級常規膨脹機的入口通過管道連接所述氣液分離器的氣相出口，所述第二級常規膨脹機的出口通過管道連接所述氣液混合罐的氣相入口。

所述的第二級常規膨脹機是任一類型的膨脹機，或是汽輪機。

所述的氣液分離器的空間布置位置高于所述第二級螺桿膨脹機的空間布置位置。

用于將高溫高壓有機工質的內能轉換為機械能的第一級螺桿膨脹機的輸出轉軸連接外部需求設備。

用于將中溫中壓氣態有機工質的內能轉換為機械能的第二級常規膨脹機的輸出轉軸連接外部需求設備。

用于將中溫中壓液態有機工質的內能轉換為機械能的第二級螺桿膨脹機的輸出轉軸連接外部需求設備。

本發明的雙級全流螺桿膨脹機有機朗肯循環系統，在不增加系統蒸發器面積的情況下，使有機工質在總體膨脹做功過程中獲得較大的膨脹比，提高熱力循環系統總體的循環效率和經濟效益。本發明的特點以及產生的有益效果如下：

（1）第二級膨脹機子系統的設立，可使第一級螺桿膨脹機排出乏汽進一步膨脹，可增大有機朗肯循環中膨脹過程的整體膨脹比。在同等熱源和換熱條件下，可提高有機朗肯循環系統的整體熱功轉換效率；

（2）氣液分離器的設立，將第二級膨脹子系統分為兩個通路，分別流入飽和液態工質及飽和氣態工質。由此，使用飽和氣態工質的第二級常規膨脹機可選用其他形式的膨脹機，可降低系統成本；

（3）氣液分離器與第二級螺桿膨脹機之間不設置工質輸送泵，而是通過空間布置位置高度差、利用重力增壓作用來保證液態工質的循環流動。由此，不僅可降低系統的自耗功、提高系統的總體效率，而且可降低系統成本，節約投資。