專利名稱：：自復(fù)疊式太陽(yáng)能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于太陽(yáng)能熱發(fā)電設(shè)備，具體涉及到自復(fù)疊式太陽(yáng)能低溫朗肯循環(huán)的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：太陽(yáng)能低溫朗循環(huán)系統(tǒng)可利用常規(guī)的太陽(yáng)能集熱器、換熱器、工質(zhì)泵、小型膨脹機(jī)或汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等設(shè)備，來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能至機(jī)械能或電能的轉(zhuǎn)換。當(dāng)前太陽(yáng)能低溫朗肯循環(huán)技術(shù)的方向發(fā)展在于提高系統(tǒng)的效率，降低系統(tǒng)的成本。因此目前針對(duì)低溫太陽(yáng)能朗肯循環(huán)的研究主要集中在朗肯循環(huán)適用工質(zhì)的選擇和循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)上，目前投入使用的太陽(yáng)能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)主要是采用純工質(zhì)的單級(jí)朗肯循環(huán)系統(tǒng)。工質(zhì)經(jīng)過(guò)一次膨脹后直接進(jìn)入冷凝器(風(fēng)冷或水冷)冷凝，大量的冷凝熱被直接排入環(huán)境，系統(tǒng)的熱效率較低。同時(shí)由于工質(zhì)的熱量來(lái)自太陽(yáng)能輻射，被排放的、未加利用的冷凝熱實(shí)際上增加了系統(tǒng)太陽(yáng)能集熱器的使用面積，這就增加了系統(tǒng)的成本，降低了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。因此為進(jìn)一歩提高朗肯循環(huán)效率，需要充分利用集熱器的熱量，本發(fā)明從系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面提出了一種新方法。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種自復(fù)疊式太陽(yáng)能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)，使太陽(yáng)能集熱器的熱量得到充分利用，達(dá)到提高朗肯循環(huán)系統(tǒng)熱效率，降低太陽(yáng)能集熱器使用面積，提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的目的。以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理進(jìn)行說(shuō)明。自復(fù)疊式太陽(yáng)能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)，具有太陽(yáng)能集熱器、氣液分離器、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、外部熱交換器、冷凝器、工質(zhì)泵等，其具體連接如圖l所示。二元非共沸工質(zhì)(非共沸工質(zhì)，是由兩種或多種工質(zhì)按照一定比例混合而成，其液相和氣相中具有不同的組成成分，并且在一定壓力下冷凝或蒸發(fā)時(shí)，冷凝溫度和蒸發(fā)溫度都要發(fā)生變化)在太陽(yáng)能集熱器中受熱蒸發(fā)為高溫高壓氣液混合工質(zhì)，然后進(jìn)入氣液分離器中進(jìn)行分離，高溫高壓氣態(tài)工質(zhì)進(jìn)入第一級(jí)汽輪機(jī)中做功發(fā)電。做完功后的乏氣在外部熱交換器中與來(lái)自氣液分離器中的液體工質(zhì)進(jìn)行熱交換(如圖2中的1—2—3-1—4—1)，即低壓乏氣將氣液分離器中分離出的液態(tài)工質(zhì)進(jìn)行加熱。獲得熱量后的高溫高壓氣態(tài)工質(zhì)進(jìn)入第二級(jí)汽輪機(jī)中做功發(fā)電，從而二元非共沸工質(zhì)在系統(tǒng)中進(jìn)行了兩次膨脹做功(如圖2中的2—4—3-2—5—6—1)。從第二級(jí)汽輪機(jī)出來(lái)的乏氣在冷凝器中被冷凝為液態(tài)，通過(guò)工質(zhì)泵與外部熱交教器出來(lái)的氣液兩相工質(zhì)匯合，進(jìn)入太陽(yáng)能集熱器重新循環(huán)。根據(jù)所選擇的循環(huán)工質(zhì)性質(zhì)，第一級(jí)或第二級(jí)汽輪機(jī)也可以用膨脹機(jī)代替。圖1本發(fā)明結(jié)構(gòu)原理及設(shè)備連接示意圖。其中在外部換熱器中a進(jìn)b出；c進(jìn)d出。圖2本發(fā)明的循環(huán)工質(zhì)流程圖。具體實(shí)施例方式以下通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。本發(fā)明所說(shuō)的低溫朗肯循環(huán)是指工質(zhì)蒸發(fā)溫度在15(TC以下的朗肯循環(huán)。太陽(yáng)能集熱器1工質(zhì)側(cè)出口接于氣液分離器2，第一級(jí)汽輪機(jī)3-1的工質(zhì)入口端接于氣液分離器2的上部。第一級(jí)汽輪機(jī)3-1的工質(zhì)出口端接于外部熱交換器4的低壓乏氣換熱入口側(cè)，外部熱交換器4的低壓乏氣換熱出口側(cè)通過(guò)工質(zhì)管路接于工質(zhì)泵6與太陽(yáng)能集熱器1之間。氣液分離器2出液端接于外部熱交換器4的高壓液體換熱入口側(cè)，外部熱交換器4的高壓液體換熱出口接于第二級(jí)汽輪機(jī)3-2的工質(zhì)入口端，第二級(jí)汽輪機(jī)3-2的工質(zhì)出口端由管路接至冷凝器5的工質(zhì)側(cè)進(jìn)口，冷凝器5的工質(zhì)側(cè)出口接至工質(zhì)泵6(如圖l)。第一級(jí)或第二級(jí)汽輪機(jī)各自均帶有發(fā)電機(jī)7。對(duì)于本實(shí)施例而言，循環(huán)工質(zhì)是由R290(丙烷)和R245fa組成的二元非共沸工質(zhì)，組元工質(zhì)的特性參數(shù)如表1。表l.組元工質(zhì)的特性參數(shù)組分分子量(g/mo1)正常沸點(diǎn)(°C)臨界溫度(°C)臨界壓力〔MPa)R290(丙垸)44.096-42.0996.684.2471R245fa134.05014.90154.053.6400二元混合非共沸工質(zhì)在集熱器l中吸收太陽(yáng)的輻射能量形成高溫高壓的氣液兩相工質(zhì)，進(jìn)入氣液分離器2進(jìn)行工質(zhì)的氣相和液相分離。分離出來(lái)的氣相工質(zhì)進(jìn)入第一級(jí)汽輪機(jī)3-l中膨脹做功。從第一級(jí)汽輪機(jī)3-l排出的低壓乏氣首先進(jìn)入外部換熱器4，同來(lái)自氣液分離器的高壓液態(tài)工質(zhì)換熱，乏氣的溫度得到降低，成為氣液兩相工質(zhì)；而高壓液態(tài)工質(zhì)經(jīng)過(guò)換熱后溫度得到提升，進(jìn)入第二級(jí)汽輪機(jī)3-2膨脹做功，從第二級(jí)汽輪機(jī)3-2出來(lái)的乏氣排入冷凝器5，乏氣經(jīng)過(guò)冷凝后的工質(zhì)成為液體，進(jìn)一步同外部換熱器4出來(lái)的氣液兩相工質(zhì)匯合，進(jìn)入太陽(yáng)能集熱器1從而完成一個(gè)循環(huán)。自復(fù)疊式太陽(yáng)能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行工況取為系統(tǒng)平均蒸發(fā)溫度為9(TC，平均冷凝溫度(環(huán)境溫度)為30"C;汽輪機(jī)內(nèi)的膨脹過(guò)程為等熵膨脹；工質(zhì)在工質(zhì)泵內(nèi)的壓縮過(guò)程視為等熵壓縮；工質(zhì)在外部換熱器中的換熱過(guò)程無(wú)熱量損失。根據(jù)循環(huán)計(jì)算，上述系統(tǒng)循環(huán)實(shí)施例的有關(guān)參數(shù)和循環(huán)性能指標(biāo)如下表2所示。設(shè)定在相同的蒸發(fā)和冷凝溫度下，集熱器吸熱量為453.2Kw時(shí)，若采用R290純工質(zhì)做單級(jí)朗肯循環(huán)，其循環(huán)效率為8.16%;若用R245fa純工質(zhì)做單級(jí)朗肯循環(huán)，其循環(huán)效率為11.89%;而采用自復(fù)疊式朗肯循環(huán)技術(shù)后，利用二元非共沸工質(zhì)的特性，系統(tǒng)循環(huán)效率為13.86%，此時(shí)集熱器吸熱量?jī)H為226.6Kw，相當(dāng)于單級(jí)(純工質(zhì))朗肯循環(huán)吸熱量的1/2,這就意味著集熱器的面積可以減少一半，從而可以使系統(tǒng)的成本減低。本發(fā)明具有以下幾點(diǎn)有益效果(1)充分利用非共沸工質(zhì)在相變時(shí)的特性，使集熱器的熱量得到有效利用，從而減少集熱器的使用面積，降低系統(tǒng)成本；(2)采用外部換熱器，可實(shí)現(xiàn)相鄰兩級(jí)朗肯循環(huán)的工質(zhì)換熱，實(shí)現(xiàn)了乏氣熱量的梯級(jí)利用；(3)本系統(tǒng)可在常規(guī)的低溫太陽(yáng)能系統(tǒng)上進(jìn)行改造，而不需投入過(guò)多的成本；(4)選擇非共沸工質(zhì)，可以簡(jiǎn)化汽輪或膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展汽輪機(jī)的適用范圍。表2.實(shí)施例循環(huán)性能參數(shù)<table>complextableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>權(quán)利要求1.自復(fù)疊式太陽(yáng)能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)，具有太陽(yáng)能集熱器、氣液分離器、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、外部熱交換器、冷凝器、工質(zhì)泵，其特征是太陽(yáng)能集熱器(1)工質(zhì)側(cè)出口接于氣液分離器(2)，第一級(jí)汽輪機(jī)(3-1)的工質(zhì)入口端接于氣液分離器(2)的上部，第一級(jí)汽輪機(jī)(3-1)的工質(zhì)出口端接于外部熱交換器(4)的低壓乏氣換熱入口側(cè)，外部熱交換器(4)的低壓乏氣換熱出口側(cè)通過(guò)工質(zhì)管路接于工質(zhì)泵(6)與太陽(yáng)能集熱器(1)之間，氣液分離器(2)出液端接于外部熱交換器(4)的高壓液體氣換熱入口側(cè)，外部熱交換器(4)的高壓液體氣換熱出口接于第二級(jí)汽輪機(jī)(3-2)的工質(zhì)入口端，第二級(jí)汽輪機(jī)(3-2)的工質(zhì)出口端由管路接至冷凝器(5)的工質(zhì)側(cè)進(jìn)口，冷凝器(5)的工質(zhì)側(cè)出口接至工質(zhì)泵(6)。2.按照權(quán)利要求1所述的自復(fù)疊式太陽(yáng)能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)，其特征是所述第一級(jí)或第二級(jí)汽輪機(jī)各自均帶有發(fā)電機(jī)(7)。3.按照權(quán)利要求1或2所述的自復(fù)疊式太陽(yáng)能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)，其特征是所述的第一級(jí)或第二級(jí)汽輪機(jī)也可以是膨脹機(jī)。4.按照權(quán)利要求1所述的自復(fù)疊式太陽(yáng)能低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)，其特征是所述工質(zhì)是二元混合非共沸制冷工質(zhì)。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種自復(fù)疊式太陽(yáng)能低溫朗肯循環(huán)的系統(tǒng)。利用非共沸二元工質(zhì)在相變時(shí)的特性分別在兩級(jí)汽輪機(jī)中膨脹做功。太陽(yáng)能集熱器接于氣液分離器，第一級(jí)汽輪機(jī)接于氣液分離器的上部，其出口端接于外部熱交換器的低壓入口側(cè)，低壓出口側(cè)接于工質(zhì)泵與太陽(yáng)能集熱器之間。氣液分離器出液端接于外部熱交換器的高壓入口側(cè)，高壓出口側(cè)接于第二級(jí)汽輪機(jī)入口，汽輪機(jī)出口端接至冷凝器，冷凝器接至工質(zhì)泵。汽輪機(jī)各自均帶有發(fā)電機(jī)。根據(jù)所選工質(zhì)的性質(zhì)，汽輪機(jī)也可以用膨脹機(jī)代替。同常規(guī)的低溫朗肯循環(huán)相比具有循環(huán)效率高的特點(diǎn)，系統(tǒng)中沒(méi)有額外增加工質(zhì)循環(huán)泵和換熱設(shè)備，而且可以節(jié)省低溫級(jí)朗肯循環(huán)系統(tǒng)中太陽(yáng)能集熱器的面積，降低系統(tǒng)成本。文檔編號(hào)F01K25/06GK101344075SQ20081005413公開(kāi)日2009年1月14日申請(qǐng)日期2008年8月15日優(yōu)先權(quán)日2008年8月15日發(fā)明者王建立,王曉東,力趙申請(qǐng)人:天津大學(xué)