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CN108119201B - 一种含相变储能装置的有机朗肯循环系统 - Google Patents

一种含相变储能装置的有机朗肯循环系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种含相变储能装置的有机朗肯循环系统，包含预热器、蒸发器、过热器、相变储热设备、热功转换设备、负载、预冷器、冷凝器、过冷器、相变蓄冷设备、工质泵等；其中，预热器、蒸发器、过热器组成回路A1，预冷器、冷凝器、过冷器组成回路A2，预热器、相变储热设备、过热器组成回路B1，预冷器、相变蓄冷设备、过冷器组成回路B2。通过在回路进出口安装的电动三通阀，实现在不同工况下不同回路之间的切换。本发明可有效应用于低品位热源回收与新能源利用相关交叉领域，实现循环工质与相变储能装置的等温换热，有效提高了系统的㶲效率。通过将不同换热过程分解在不同换热器中完成，可以有效减少循环工质在换热器中的流动阻力。

Description

一种含相变储能装置的有机朗肯循环系统
技术领域
本发明涉及一种含相变储能装置的有机朗肯循环系统，是对传统有机朗肯循环系统的性能改进，属于低品位热源的回收与新能源利用交叉领域。
背景技术
有机朗肯循环是一种有效回收低品位热源的技术，正受到越来越多的关注。换热器是有机朗肯循环系统中的重要部件，循环工质在换热器中与外部热源和冷源进行热量交换。在传统有机朗肯循环系统中，工质在换热器中进行预热、蒸发、过热或者预冷、冷凝、过冷，热源或冷源在换热器中温度连续下降或者上升，其中在蒸发或冷凝过程中，工质温度保持不变，传热介质之间传热温差大，㶲损大，㶲效率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含相变储能装置的有机朗肯循环系统，以有效回收低品位热源，提高系统的㶲效率。
为了达到上述目的，本发明的技术方案在于提供一种含相变储能装置的有机朗肯循环系统，其中：
利用第一三通阀的切换，使热源经由回路A1的过热器、蒸发器、预热器送至热源出口，或经由回路B1的过热器、相变储热设备、预热器送至热源出口；
利用第二三通阀的切换，使工质泵输出的工质经由回路A1的预热器、蒸发器、过热器，或回路B1的预热器、相变储热设备、过热器送至热功转换设备；热功转换设备与负载连接；
利用第三三通阀的切换，使热功转换设备流出的工质，经由回路A2的预冷器、冷凝器、过冷器送至工质泵，或经由回路B2的预冷器、相变蓄冷设备、过冷器送至工质泵；
利用第四三通阀的切换，使冷源通过回路A2的过冷器、冷凝器、预冷器送至冷源出口，或通过回路B2的过冷器、相变蓄冷设备、预冷器送至冷源出口。
优选地，工质在以下的任意一种回路组合中进行循环：回路A1到回路A2；回路A1到回路B2；回路B1到回路A2；回路B1到回路B2。
优选地，相变储热设备中储存一定热量时，通过第一三通阀与第二三通阀的配合切换，使回路B1保持通路，回路A1保持断路，循环工质在蒸发阶段吸收相变储热设备的热量，实现等温换热；
相变储热设备中储存热量低于设定值时，通过第一三通阀与第二三通阀的配合切换，使回路A1保持通路，回路B1保持断路，有机朗肯循环保持正常运行；
相变蓄冷设备中储存一定冷量时，通过第三三通阀与第四三通阀的配合切换，使回路B2保持通路，回路A2保持断路，循环工质在冷凝阶段吸收相变蓄冷设备中的冷量，实现等温换热；
相变蓄冷设备中储存冷量低于设定值时，通过第三三通阀与第四三通阀的配合切换，使回路A2保持通路，回路B2保持断路，有机朗肯循环保持正常运行。
优选地，工质的循环回路含有回路B1时，热源只在过热器、预热器中与循环的工质进行热量交换，循环的工质还与相变储热设备进行热量交换；
工质的循环回路含有回路B2时，冷源只在过冷器、预冷器中与循环的工质进行热量交换，循环的工质还与相变蓄冷设备进行热量交换。
优选地，循环的工质进入热功转换设备之前处于过热状态；
循环的工质进入工质泵之前处于过冷状态。
优选地，相变储热设备与光热系统、或工业废热系统、或地热系统进行匹配，进行热量存储；相变蓄冷设备与吸收式制冷机、或地源热泵进行匹配，进行冷量存储。
优选地，循环所用的有机工质是R245fa。
优选地，所述负载是发电机、或压缩机。
优选地，所述热功转换设备是涡旋膨胀机、或单螺杆膨胀机、或径流式膨胀机、或轴流式膨胀机。
优选地，所述工质泵是容积式工质泵。
有机朗肯循环是一种有效回收低品位热源的方式，传统有机朗肯循环系统中不含相变储热和相变蓄冷设备，工质在加热与冷却过程中，换热器设备中存在较大㶲损失。
本发明中的相变储热设备和相变蓄冷设备作为新能源接入有机朗肯循环系统的接口，实现了循环工质与相变储能装置的等温换热，有效提高了系统的㶲效率。通过将不同换热过程分解在不同换热器中完成，可以有效减少循环工质在换热器中的流动阻力。
通过将不同换热过程分解在不同换热器中完成，并为蒸发器和冷凝器分别并联相变储热设备和相变蓄冷设备，一方面可以减少工质在流动中因比体积变化而导致的流动阻力的增加，另一方面可以有效减少蒸发或冷凝过程中工质与热源或冷源之间的温度差，实现等温换热，减少㶲损，提高㶲效率。本发明可有效应用于低品位热源回收与新能源利用相关交叉领域。
附图说明
图1是本发明所述含相变储能装置的有机朗肯循环系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做出进一步说明。
如图1所示，本发明提供的一种含相变储能装置的有机朗肯循环系统，包含：预热器1、蒸发器2、过热器3、相变储热设备4、热功转换设备5、负载6、预冷器7、冷凝器8、过冷器9、相变蓄冷设备10、工质泵11、电动三通阀12~15等主要设备。
其中，回路A1包含预热器1、蒸发器2、过热器3；回路A2包含预冷器7、冷凝器8、过冷器9；回路B1包含预热器1、相变储热设备4、过热器3；回路B2包含预冷器7、相变蓄冷设备10、过冷器9。
一些示例中，相变储热设备4可以与光热、工业废热、地热系统进行匹配，进行热量存储。相变蓄冷设备10可以与吸收式制冷机、地源热泵进行匹配，进行冷量存储。系统循环所使用的有机工质可以是R245fa。负载6可以是发电机、压缩机等相关旋转机械。热功转换设备5可以是涡旋膨胀机、单螺杆膨胀机、径流式膨胀机、轴流式膨胀机。工质泵11选择容积式工质泵。
通过在回路A1，B1，A2，B2的进出口安装电动三通阀12~15，实现在不同工况下不同回路之间的切换。其中，电动三通阀12的输入端连接热源入口，两输出端分别连接回路A1、B1的过热器3入口；回路A1、B1的预热器1的出口分别连接热源出口。电动三通阀15的输入端连接冷源入口，两输出端分别连接回路A2、B2的过冷器9；回路A2、B2的预冷器7的出口分别连接冷源出口。
回路A1、B1的过热器3的出口分别连接热功转换设备5；热功转换设备5与负载6连接，还与电动三通阀14的输入端连接。电动三通阀14的两输出端分别连接回路A2、B2的预冷器7入口。回路A2、B2的过冷器9出口分别连接工质泵11入口。工质泵11出口连接电动三通阀13的输入端，电动三通阀13的两输出端分别连接回路A1、B1的预热器1入口。
当相变储热设备4中储存一定热量时，调节电动三通阀12、13，使回路B1保持通路，回路A1保持断路，循环工质在蒸发阶段吸收相变储热设备4的热量，实现等温换热；当相变储热设备4中储存热量低于一定值时，调节电动三通阀12、13，使回路A1保持通路，回路B1保持断路，有机朗肯循环保持正常运行。
当相变蓄冷设备10中储存一定冷量时，调节电动三通阀14、15，使回路B2保持通路，回路A2保持断路，循环工质在冷凝阶段吸收相变蓄冷设备10中的冷量，实现等温换热。当相变蓄冷设备10中储存冷量低于一定值时，调节电动三通阀14、15，使回路A2保持通路，回路B2保持断路，有机朗肯循环保持正常运行。
循环工质进入热功转换设备5之前处于过热状态。循环工质进入工质泵11之前处于过冷状态。有机工质在含有B1的回路中循环时，热源只在过热器3、预热器1中与循环工质进行热量交换。有机工质在含有B2的回路中循环时，冷源只在过冷器9、预冷器7中与循环工质进行热量交换。有机工质在含有B1或者B2的回路中循环时，循环工质将与相变储热设备4或者相变蓄冷设备10进行热量交换。
工质可以在回路A1—A2，A1—B2，B1—A2，B1—B2四种组合中的其中一种进行循环，当循环回路中包含相变储热设备4或相变蓄冷设备10时，换热器的㶲损将下降，㶲效率将被提高。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种含相变储能装置的有机朗肯循环系统，其特征在于，
利用第一三通阀的切换，使热源经由回路A1的过热器、蒸发器、预热器送至热源出口，或经由回路B1的过热器、相变储热设备、预热器送至热源出口；
利用第二三通阀的切换，使工质泵输出的工质经由回路A1的预热器、蒸发器、过热器，或回路B1的预热器、相变储热设备、过热器送至热功转换设备；热功转换设备与负载连接；
利用第三三通阀的切换，使热功转换设备流出的工质，经由回路A2的预冷器、冷凝器、过冷器送至工质泵，或经由回路B2的预冷器、相变蓄冷设备、过冷器送至工质泵；
利用第四三通阀的切换，使冷源通过回路A2的过冷器、冷凝器、预冷器送至冷源出口，或通过回路B2的过冷器、相变蓄冷设备、预冷器送至冷源出口；
其中，相变储热设备中储存一定热量时，通过第一三通阀与第二三通阀的配合切换，使回路B1保持通路，回路A1保持断路，循环工质在蒸发阶段吸收相变储热设备的热量，实现等温换热；
相变储热设备中储存热量低于设定值时，通过第一三通阀与第二三通阀的配合切换，使回路A1保持通路，回路B1保持断路，有机朗肯循环保持正常运行；
相变蓄冷设备中储存一定冷量时，通过第三三通阀与第四三通阀的配合切换，使回路B2保持通路，回路A2保持断路，循环工质在冷凝阶段吸收相变蓄冷设备中的冷量，实现等温换热；
相变蓄冷设备中储存冷量低于设定值时，通过第三三通阀与第四三通阀的配合切换，使回路A2保持通路，回路B2保持断路，有机朗肯循环保持正常运行。
2.如权利要求1所述含相变储能装置的有机朗肯循环系统，其特征在于，
工质在以下的任意一种回路组合中进行循环：回路A1到回路A2；回路A1到回路B2；回路B1到回路A2；回路B1到回路B2。
3.如权利要求1或2所述含相变储能装置的有机朗肯循环系统，其特征在于，
工质的循环回路含有回路B1时，热源只在过热器、预热器中与循环的工质进行热量交换，循环的工质还与相变储热设备进行热量交换；
工质的循环回路含有回路B2时，冷源只在过冷器、预冷器中与循环的工质进行热量交换，循环的工质还与相变蓄冷设备进行热量交换。
4.如权利要求1所述含相变储能装置的有机朗肯循环系统，其特征在于，
循环的工质进入热功转换设备之前处于过热状态；
循环的工质进入工质泵之前处于过冷状态。
5.如权利要求1所述含相变储能装置的有机朗肯循环系统，其特征在于，
相变储热设备与光热系统、或工业废热系统、或地热系统进行匹配，进行热量存储；
相变蓄冷设备与吸收式制冷机、或地源热泵进行匹配，进行冷量存储。
6.如权利要求1所述含相变储能装置的有机朗肯循环系统，其特征在于，
循环所用的有机工质是R245fa。
7.如权利要求1所述含相变储能装置的有机朗肯循环系统，其特征在于，
所述负载是发电机、或压缩机。
8.如权利要求1所述含相变储能装置的有机朗肯循环系统，其特征在于，
所述热功转换设备是涡旋膨胀机、或单螺杆膨胀机、或径流式膨胀机、或轴流式膨胀机。
9.如权利要求1所述含相变储能装置的有机朗肯循环系统，其特征在于，
所述工质泵是容积式工质泵。
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