利用工業(yè)余熱驅(qū)動(dòng)orc系統(tǒng)的相變蒸發(fā)器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種驅(qū)動(dòng)ORC系統(tǒng)的相變蒸發(fā)器，特別是涉及一種基于相變蓄熱技術(shù)利用工業(yè)余熱驅(qū)動(dòng)ORC系統(tǒng)的相變蒸發(fā)器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會(huì)的進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源的的需求量不斷增長(zhǎng)。一方面，傳統(tǒng)能源難以滿足急劇上升的能耗需求，另一方面能源的利用率偏低，大量的工業(yè)余熱被排放，不僅造成了能源的大量消耗，同時(shí)也對(duì)環(huán)境造成了很大的污染。
[0003]有機(jī)郎肯循環(huán)系統(tǒng)(ORC)，是指在傳統(tǒng)循環(huán)中工質(zhì)采用有機(jī)工質(zhì)，將低品位熱能轉(zhuǎn)化為電能。ORC系統(tǒng)由于所使用的工質(zhì)沸點(diǎn)較低，可以在低沸點(diǎn)下獲得較高的蒸汽壓力，推動(dòng)汽輪機(jī)做工，有助于提高能源的總利用率，解決能源的緊缺問(wèn)題。同時(shí)，ORC系統(tǒng)降低了C02、S02、N0x的排放，因此，有機(jī)郎肯循環(huán)可以作為余熱回收、節(jié)能減排的有效手段。
[0004]余熱資源，作為一種新型能源，具有極大的利用潛力，尤其是中低溫工業(yè)余熱儲(chǔ)量十分巨大，將工業(yè)余熱作為ORC循環(huán)的熱源，不僅能夠使能源的利用率得到極大的提高，同時(shí)也會(huì)減少污染物的排放，對(duì)節(jié)能減排具有巨大意義。
[0005]但是，利用余熱資源作為ORC循環(huán)的熱源存在著一些問(wèn)題，余熱資源的溫度波動(dòng)較大，難以保證ORC系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，此外余熱資源存在著間歇性，不能保證ORC系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行。這些問(wèn)題都會(huì)導(dǎo)致ORC系統(tǒng)的效率降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題而提供一種利用工業(yè)余熱驅(qū)動(dòng)ORC系統(tǒng)的相變蒸發(fā)器，采用該相變蒸發(fā)器利用余熱資源作為ORC循環(huán)的熱源驅(qū)動(dòng)ORC系統(tǒng)，能夠保證ORC系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定性運(yùn)行。
[0007]本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案是:一種利用工業(yè)余熱驅(qū)動(dòng)ORC系統(tǒng)的相變蒸發(fā)器，順著有機(jī)工質(zhì)流動(dòng)方向設(shè)有預(yù)熱段、蒸發(fā)段和過(guò)熱段，在所述預(yù)熱段、所述蒸發(fā)段和所述過(guò)熱段內(nèi)貫穿有采用逆流換熱的余熱側(cè)換熱管和工質(zhì)側(cè)換熱管，所述工質(zhì)側(cè)換熱管位于所述余熱側(cè)換熱管的上方；所述預(yù)熱段、所述蒸發(fā)段和所述過(guò)熱段采用絕熱隔板隔開(kāi)，在所述預(yù)熱段內(nèi)的所述余熱側(cè)換熱管和所述有機(jī)工質(zhì)側(cè)換熱管之間填充有與預(yù)熱段工質(zhì)溫度相匹配的相變材料I，在所述蒸發(fā)段內(nèi)的所述余熱側(cè)換熱管和所述有機(jī)工質(zhì)側(cè)換熱管之間填充有與蒸發(fā)段工質(zhì)溫度相匹配的相變材料II，在所述過(guò)熱段內(nèi)的所述余熱側(cè)換熱管和所述有機(jī)工質(zhì)側(cè)換熱管之間填充有與過(guò)熱段工質(zhì)溫度相匹配的相變材料III。
[0008]所述余熱側(cè)換熱管和所述有機(jī)工質(zhì)側(cè)換熱管均采用盤(pán)管，并且在所述盤(pán)管外加裝有肋片。
[0009]該相變蒸發(fā)器的外殼是采用絕熱材料制成的。
[0010]本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是:在余熱資源充足時(shí)，相變材料一方面作為傳熱介質(zhì)進(jìn)行余熱與有機(jī)工質(zhì)之間的換熱，同時(shí)相變材料也作為蓄熱介質(zhì)蓄存大量的熱量；在余熱資源匱乏時(shí)，相變材料蓄存的熱量能夠作為ORC系統(tǒng)的熱源。在相變蒸發(fā)器內(nèi)，換熱與蓄熱同時(shí)進(jìn)行。通過(guò)相變材料的加入，利用相變材料相變溫度恒定，潛熱大的特點(diǎn)，可以克服余熱熱源不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，為ORC系統(tǒng)提供相對(duì)穩(wěn)定持續(xù)的熱源。本發(fā)明能夠極大的克服余熱資源不穩(wěn)定以及間歇性的問(wèn)題，保證ORC系統(tǒng)持續(xù)、穩(wěn)定的運(yùn)行，極大的提高ORC系統(tǒng)的效率。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖2為應(yīng)用本發(fā)明的ORC系統(tǒng)工作原理圖。
[0013]圖中:1、相變蒸發(fā)器，1-1、預(yù)熱段，1-2、蒸發(fā)段，1-3、過(guò)熱段，1_4、余熱側(cè)換熱管，1-5、工質(zhì)側(cè)換熱管，1-6、絕熱隔板，1-7、相變材料I，1-8、相變材II，1-9、相變材料III，2、膨脹機(jī)，3、冷凝器，4、工質(zhì)栗，5、冷卻塔，6、循環(huán)水栗。
【具體實(shí)施方式】
[0014]為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的
【發(fā)明內(nèi)容】
、特點(diǎn)及功效，茲例舉以下實(shí)施例，并配合附圖詳細(xì)說(shuō)明如下:
[0015]請(qǐng)參閱圖1?圖2，一種利用工業(yè)余熱驅(qū)動(dòng)ORC系統(tǒng)的相變蒸發(fā)器，順著有機(jī)工質(zhì)流動(dòng)方向設(shè)有預(yù)熱段1-1、蒸發(fā)段1-2和過(guò)熱段1-3，在所述預(yù)熱段1-1、所述蒸發(fā)段1-2和所述過(guò)熱段1-3內(nèi)貫穿有采用逆流換熱的余熱側(cè)換熱管1-4和工質(zhì)側(cè)換熱管1-5，所述工質(zhì)側(cè)換熱管1-5位于所述余熱側(cè)換熱管1-4的上方；所述預(yù)熱段1-1、所述蒸發(fā)段1-2和所述過(guò)熱段1-3采用絕熱隔板1-6隔開(kāi)，在所述預(yù)熱段1-1內(nèi)的所述余熱側(cè)換熱管1-4和所述有機(jī)工質(zhì)側(cè)換熱管1-5之間填充有與預(yù)熱段工質(zhì)溫度相匹配的相變材料I 1-7，在所述蒸發(fā)段1-2內(nèi)的所述余熱側(cè)換熱管1-4和所述有機(jī)工質(zhì)側(cè)換熱管1-5之間填充有與蒸發(fā)段工質(zhì)溫度相匹配的相變材料II 1-8，在所述過(guò)熱段1-3內(nèi)的所述余熱側(cè)換熱管1-4和所述有機(jī)工質(zhì)側(cè)換熱管1-5之間填充有與過(guò)熱段工質(zhì)溫度相匹配的相變材料III 1-9。
[0016]在本實(shí)施例中，為了強(qiáng)化換熱，所述余熱側(cè)換熱管1-4和所述有機(jī)工質(zhì)側(cè)換熱管1-5均采用盤(pán)管，并且在所述盤(pán)管外加裝有肋片，管材采用高導(dǎo)熱系數(shù)的材料。為了盡可能保證熱量不散失，使余熱全部被有機(jī)工質(zhì)以及相變材料吸收。該相變蒸發(fā)器I的外殼是采用絕熱材料制成的。
[0017]請(qǐng)參閱圖1?圖2，應(yīng)用本發(fā)明的ORC系統(tǒng)的工作原理:余熱與有機(jī)工質(zhì)在相變蒸發(fā)器I內(nèi)部進(jìn)行換熱，有機(jī)工質(zhì)經(jīng)過(guò)預(yù)熱、蒸發(fā)和過(guò)熱過(guò)程成為高溫高壓氣體，進(jìn)入膨脹機(jī)2，推動(dòng)膨脹機(jī)2做工，將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，機(jī)械能再通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能。
[0018]經(jīng)過(guò)膨脹機(jī)2的工質(zhì)變?yōu)榈蜏氐蛪簹怏w，然后經(jīng)過(guò)冷凝器3，經(jīng)過(guò)遇冷、冷凝、過(guò)冷區(qū)段成為液態(tài)，再由工質(zhì)栗4循環(huán)至相變蒸發(fā)器I進(jìn)行下一次循環(huán)。整個(gè)冷卻過(guò)程采用循環(huán)水冷卻法，水通過(guò)冷卻塔5進(jìn)行冷卻，采用循環(huán)水栗6推動(dòng)冷卻水循環(huán)。相變蒸發(fā)器的大小根據(jù)ORC機(jī)組的大小來(lái)選擇。
[0019]本發(fā)明的工作原理:
[0020]余熱與有機(jī)工質(zhì)采用逆流換熱，順著有機(jī)工質(zhì)流動(dòng)方向，有機(jī)工質(zhì)溫度逐漸升高，根據(jù)有機(jī)工質(zhì)的狀態(tài)，將整個(gè)蒸發(fā)器分為預(yù)熱段、蒸發(fā)段、過(guò)熱段。在預(yù)熱段、蒸發(fā)段、過(guò)熱段分別填充相變材料1、相變材料II和相變材料III，相變材料I的相變溫度最低，相變材料III的相變溫度最高，相變材料II的相變溫度居中。不同的相變材料之間用絕熱隔板隔開(kāi)。相變材料的選擇要滿足系統(tǒng)的溫度要求，同時(shí)應(yīng)具有良好的穩(wěn)定性。三種相變材料的相變溫度依次增高，每種相變材料之間用絕熱隔板隔開(kāi)。每個(gè)區(qū)段內(nèi)相變材料的相變溫度都應(yīng)該與該區(qū)段工質(zhì)溫度要求相匹配，通過(guò)梯級(jí)相變換熱的手段，能夠提升換熱溫差，強(qiáng)化換熱，同時(shí)能夠盡可能保證每個(gè)區(qū)段有機(jī)工質(zhì)溫度的穩(wěn)定。對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有積極意義。同時(shí)，相變材料在傳熱的同時(shí)會(huì)蓄存大量的潛熱，在余熱匱乏時(shí)，能夠直接作為ORC的熱源。相變材料的加入能夠緩解余熱溫度波動(dòng)較大以及間歇性的問(wèn)題，始終提供一個(gè)溫度較為恒定的熱源。
[0021]工質(zhì)側(cè)換熱管1-5布置于相變蒸發(fā)器I的上部，余熱側(cè)換熱管1-4布置于相變蒸發(fā)器I的下部，在相變材料的熔化過(guò)程中，由于密度的變化，高溫液態(tài)相變材料由于密度較小，會(huì)在浮升力的作用下向上運(yùn)動(dòng)，高溫液態(tài)相變材料與工質(zhì)側(cè)換熱管換熱，放熱凝固后會(huì)向下沉積，下沉至余熱側(cè)換熱管時(shí)吸熱熔化再度上浮，形成動(dòng)態(tài)循環(huán)。
[0022]本發(fā)明在余熱資源充足情況下的工作模式:工業(yè)余熱通過(guò)余熱側(cè)換熱管1-4流入相變蒸發(fā)器1，有機(jī)工質(zhì)沿與余熱相反的方向通過(guò)工質(zhì)側(cè)換熱管1-5流入相變蒸發(fā)器I。相變蒸發(fā)器I內(nèi)的相變材料從余熱側(cè)換熱管1-4吸收熱量，逐漸熔化，高溫液態(tài)相變材料的密度要小于固態(tài)相變材料的密度，在浮升力的作用下，高溫液態(tài)相變材料會(huì)向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)液態(tài)相變材料與工質(zhì)側(cè)換熱管1-5接觸后，放熱凝固，由于密度增大，固態(tài)相變材料會(huì)向下沉積，當(dāng)與余熱側(cè)換熱管1-4接觸換熱后，再次吸熱熔化，向上運(yùn)動(dòng)，最終在相變蒸發(fā)器I內(nèi)部形成一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，余熱與有機(jī)工質(zhì)通過(guò)相變材料的相變過(guò)程進(jìn)行換熱。
[0023]本發(fā)明在余熱資源匱乏的情況下的工作模式:當(dāng)余熱資源匱乏時(shí)，沒(méi)有余熱流過(guò)余熱側(cè)換熱管1-4。但是，相變蒸發(fā)器I內(nèi)部的相變材料由于在余熱資源充足時(shí)蓄存了大量的潛熱，在這種情況下，相變材料可作為ORC循環(huán)的熱源，直接為工質(zhì)側(cè)換熱管1-5供熱，相變材料放熱，逐漸凝固。
[0024]盡管上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的【具體實(shí)施方式】，上述的【具體實(shí)施方式】?jī)H僅是示意性的，并不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可以作出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種利用工業(yè)余熱驅(qū)動(dòng)ORC系統(tǒng)的相變蒸發(fā)器，順著有機(jī)工質(zhì)流動(dòng)方向設(shè)有預(yù)熱段、蒸發(fā)段和過(guò)熱段，在所述預(yù)熱段、所述蒸發(fā)段和所述過(guò)熱段內(nèi)貫穿有采用逆流換熱的余熱側(cè)換熱管和工質(zhì)側(cè)換熱管，其特征在于，所述工質(zhì)側(cè)換熱管位于所述余熱側(cè)換熱管的上方；所述預(yù)熱段、所述蒸發(fā)段和所述過(guò)熱段采用絕熱隔板隔開(kāi)，在所述預(yù)熱段內(nèi)的所述余熱側(cè)換熱管和所述有機(jī)工質(zhì)側(cè)換熱管之間填充有與預(yù)熱段工質(zhì)溫度相匹配的相變材料I，在所述蒸發(fā)段內(nèi)的所述余熱側(cè)換熱管和所述有機(jī)工質(zhì)側(cè)換熱管之間填充有與蒸發(fā)段工質(zhì)溫度相匹配的相變材料II，在所述過(guò)熱段內(nèi)的所述余熱側(cè)換熱管和所述有機(jī)工質(zhì)側(cè)換熱管之間填充有與過(guò)熱段工質(zhì)溫度相匹配的相變材料III。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用工業(yè)余熱驅(qū)動(dòng)ORC系統(tǒng)的相變蒸發(fā)器，其特征在于，所述余熱側(cè)換熱管和所述有機(jī)工質(zhì)側(cè)換熱管均采用盤(pán)管，并且在所述盤(pán)管外加裝有肋片。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用工業(yè)余熱驅(qū)動(dòng)ORC系統(tǒng)的相變蒸發(fā)器，其特征在于，該相變蒸發(fā)器的外殼是采用絕熱材料制成的。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種利用工業(yè)余熱驅(qū)動(dòng)ORC系統(tǒng)的相變蒸發(fā)器，順著有機(jī)工質(zhì)流動(dòng)方向設(shè)有預(yù)熱段、蒸發(fā)段和過(guò)熱段，在預(yù)熱段、蒸發(fā)段和過(guò)熱段內(nèi)貫穿有采用逆流換熱的余熱側(cè)換熱管和工質(zhì)側(cè)換熱管，工質(zhì)側(cè)換熱管位于余熱側(cè)換熱管的上方；預(yù)熱段、蒸發(fā)段和過(guò)熱段采用絕熱隔板隔開(kāi)，在預(yù)熱段內(nèi)的余熱側(cè)換熱管和有機(jī)工質(zhì)側(cè)換熱管之間填充有與預(yù)熱段工質(zhì)溫度相匹配的相變材料Ⅰ，在蒸發(fā)段內(nèi)的余熱側(cè)換熱管和有機(jī)工質(zhì)側(cè)換熱管之間填充有與蒸發(fā)段工質(zhì)溫度相匹配的相變材料Ⅱ，在過(guò)熱段內(nèi)的余熱側(cè)換熱管和有機(jī)工質(zhì)側(cè)換熱管之間填充有與過(guò)熱段工質(zhì)溫度相匹配的相變材料Ⅲ。本發(fā)明能夠保證ORC系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定性運(yùn)行。
【IPC分類(lèi)】F01K25/08, F28D20/00, F28D15/02
【公開(kāi)號(hào)】CN105115330
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510548608
【發(fā)明人】趙軍, 趙棟, 安青松, 王永真
【申請(qǐng)人】天津大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年12月2日
【申請(qǐng)日】2015年8月31日