本發(fā)明屬于有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種不僅具有減小工質(zhì)泵的耗功，而且具有增加輸出功的氣-液噴射器的ORC系統(tǒng)，特別適用于小型ORC系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著能源需求的增長(zhǎng)、能源的短缺以及環(huán)境污染問(wèn)題的日益嚴(yán)重，可再生能源的開(kāi)發(fā)和低品位能源的回收利用越來(lái)越受到重視，成為解決能源危機(jī)的重要途徑，對(duì)減少環(huán)境污染有重要意義。在眾多可再生能源利用和低品位能源回收的途徑中，有機(jī)朗肯循環(huán)(Organic Rankine Cycle，簡(jiǎn)稱ORC)是以低沸點(diǎn)有機(jī)物為工質(zhì)的朗肯循環(huán)，主要由換熱器(鍋爐、蒸發(fā)器等)、透平機(jī)、冷凝器和工質(zhì)泵四大部件組成。ORC發(fā)電技術(shù)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、溫度適應(yīng)范圍大、占用資源少、機(jī)組容量可以靈活配置等優(yōu)點(diǎn)被廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是最具有應(yīng)用前景的熱功轉(zhuǎn)化技術(shù)。由于可再生能源和低品位能源具有熱流密度低、分散性強(qiáng)的特點(diǎn)，全世界超過(guò)90％的可利用廢熱僅適用于10～250kw的系統(tǒng)規(guī)模；另外，家庭用戶端也僅僅需要千瓦級(jí)到幾十千瓦級(jí)的電能，因此，小型化是ORC系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。但是，目前ORC系統(tǒng)的小型化發(fā)展遇到的最大問(wèn)題是：系統(tǒng)效率低。

作為ORC系統(tǒng)的動(dòng)力源，工質(zhì)泵是實(shí)現(xiàn)工質(zhì)加壓和冷凝器與蒸發(fā)器之間輸送的關(guān)鍵部件。目前商業(yè)化的小功率泵效率在15～25％之間，造成工質(zhì)泵的耗功大。在透平機(jī)輸出功少、系統(tǒng)效率不高的小型ORC系統(tǒng)中，工質(zhì)泵耗功對(duì)系統(tǒng)效率的影響變得舉足輕重。如考慮工質(zhì)泵的耗功，ORC系統(tǒng)的最大效率可降低一半左右，甚至可能為負(fù)，透平機(jī)的輸出功小于工質(zhì)泵的耗功，出現(xiàn)“入不敷出”的情況。工質(zhì)泵的效率低是小型ORC系統(tǒng)效率的主要制約

因此，ORC的小型化發(fā)展必須要解決工質(zhì)泵耗功大，系統(tǒng)效率低的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種氣-液噴射式ORC系統(tǒng)，該ORC系統(tǒng)形成了梯級(jí)換熱、能源梯級(jí)利用聯(lián)合系統(tǒng)，從而使工質(zhì)泵功耗降低，輸出功增大，系統(tǒng)效率提高。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種氣-液噴射式ORC系統(tǒng)，包括冷凝器、工質(zhì)泵、一級(jí)蒸發(fā)器和氣-液噴射器；其中，

在主回路中，所述一級(jí)蒸發(fā)器的工質(zhì)出口與所述氣-液噴射器的高壓氣體入口連接，所述冷凝器的工質(zhì)出口與所述工質(zhì)泵的入口連接，所述工質(zhì)泵的出口與所述一級(jí)蒸發(fā)器的工質(zhì)入口連接；

在輔回路中，所述氣-液噴射器的低溫液體入口與所述冷凝器的工質(zhì)出口連接。

優(yōu)選地，在上述氣-液噴射式ORC系統(tǒng)中，所述氣-液噴射器的液體出口(S3)還連接有二級(jí)蒸發(fā)器的工質(zhì)入口。

優(yōu)選地，在上述氣-液噴射式ORC系統(tǒng)中，所述二級(jí)蒸發(fā)器的工質(zhì)出口與所述冷凝器的工質(zhì)入口之間還連接有透平機(jī)。

優(yōu)選地，在上述氣-液噴射式ORC系統(tǒng)中，所述透平機(jī)為汽輪機(jī)、液輪機(jī)、渦輪機(jī)、煙氣輪機(jī)或膨脹機(jī)。

優(yōu)選地，在上述氣-液噴射式ORC系統(tǒng)中，進(jìn)入所述氣-液噴射器的低溫液體入口的所述液體工質(zhì)為R717、R718、R744或有機(jī)工質(zhì)之中的一種或多種組合工質(zhì)。

優(yōu)選地，在上述氣-液噴射式ORC系統(tǒng)中，所述氣-液噴射器包括氣體噴嘴、液體噴嘴、混合室和擴(kuò)散室，其中，所述氣體噴嘴為漸縮漸擴(kuò)噴嘴，所述液體噴嘴套設(shè)在所述氣體噴嘴上，所述氣體噴嘴的出口和所述液體噴嘴的出口與所述混合室的一端相通，所述混合室的另一端連接所述擴(kuò)散室，所述混合室為漸縮管或等截面管，所述擴(kuò)散室為漸擴(kuò)管。

相對(duì)于背景技術(shù)，本發(fā)明所提供的一種氣-液噴射式ORC系統(tǒng)，在傳統(tǒng)ORC系統(tǒng)中加入氣-液噴射器，并將循環(huán)分為主回路和輔回路，通過(guò)一級(jí)蒸發(fā)器和二級(jí)蒸發(fā)器形成梯級(jí)換熱。主回路液態(tài)工質(zhì)經(jīng)過(guò)工質(zhì)泵進(jìn)入一級(jí)蒸發(fā)器轉(zhuǎn)化為高溫高壓氣態(tài)工質(zhì)，通過(guò)氣-液噴射器的升壓特性和引射特性，將主回路的高溫高壓氣態(tài)工質(zhì)和輔回路的低溫液態(tài)工質(zhì)引入氣-液噴射器，在氣-液噴射器內(nèi)部進(jìn)行混合換熱，氣液接觸后冷凝釋放潛熱，并產(chǎn)生冷凝激波，從而流體壓力進(jìn)一步提升，此壓力可高于從一級(jí)蒸發(fā)器出來(lái)的氣體壓力。氣-液噴射式ORC系統(tǒng)中氣-液噴射器的引射特性在輔回路中代替了工質(zhì)泵作功，在不產(chǎn)生額外功耗的情況下將工質(zhì)泵功耗降低，氣-液噴射器的升壓特性提升了作功前的壓力、增加了輸出功，提高了系統(tǒng)的效率，解決了小型ORC系統(tǒng)效率不高的問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明氣-液噴射式ORC系統(tǒng)示意圖；

圖2為本發(fā)明氣-液噴射器結(jié)構(gòu)和內(nèi)部流動(dòng)圖。

上圖1-2中：

冷凝器1、工質(zhì)泵2、一級(jí)蒸發(fā)器3、氣-液噴射器4、二級(jí)蒸發(fā)器5、透平機(jī)6、發(fā)電機(jī)7、高壓氣體入口S1、低溫液體入口S2、液體出口S3、氣體噴嘴411、液體噴嘴412、混合室42、擴(kuò)散室43、冷源801、一級(jí)熱源802、二級(jí)熱源803。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的核心是提供一種氣-液噴射式ORC系統(tǒng)，該ORC系統(tǒng)形成了梯級(jí)換熱、能源梯級(jí)利用聯(lián)合系統(tǒng)，從而使工質(zhì)泵功耗降低，輸出功增加，系統(tǒng)效率提高。

為了使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明提供的技術(shù)方案，下面將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

請(qǐng)參考圖1和圖2。本發(fā)明所提供的一種氣-液噴射式ORC系統(tǒng)，包括冷凝器1、工質(zhì)泵2、一級(jí)蒸發(fā)器3和氣-液噴射器4。其中，系統(tǒng)內(nèi)部工質(zhì)流通包括主回路和輔回路，其連接關(guān)系為：

主回路：一級(jí)蒸發(fā)器3的工質(zhì)出口與氣-液噴射器4的高壓氣體入口S1連接，冷凝器1的工質(zhì)出口與工質(zhì)泵2的入口連接，工質(zhì)泵2的出口與一級(jí)蒸發(fā)器3的工質(zhì)入口連接。

輔回路：氣-液噴射器4的低溫液體入口S2與冷凝器1的工質(zhì)出口連接。

冷凝器1和一級(jí)蒸發(fā)器3內(nèi)部的冷凝和蒸發(fā)可分別采用冷源801和一級(jí)熱源802。一級(jí)熱源802從一級(jí)蒸發(fā)器3的高溫?zé)嵩慈肟诤透邷責(zé)嵩闯隹诹魍?，用于加熱一?jí)蒸發(fā)器3內(nèi)的工質(zhì)。冷源801從冷凝器1的冷源入口和冷源出口流通，用于冷卻冷凝器1內(nèi)的工質(zhì)。其中，進(jìn)入氣-液噴射器的低溫液體入口的液體工質(zhì)為使用廣泛的中低溫環(huán)保制冷劑，它具有良好的綜合性能，可以為R717、R718、R744或有機(jī)工質(zhì)之中的一種或多種組合工質(zhì)，具體包括R134a、R142b、R123、R152a、R1234yf、R1234ze、R318、R718、R744、R500、R502或R410A等工質(zhì)，可以選用其中的一種作為液體工質(zhì)，也可以選用其中兩種或兩種以上的上述工質(zhì)混合后的組合工質(zhì)作為液體工質(zhì)。

相對(duì)于背景技術(shù)，本發(fā)明所提供的一種氣-液噴射式ORC系統(tǒng)，將氣-液噴射器和能源梯級(jí)利用系統(tǒng)應(yīng)用于有機(jī)朗肯循環(huán)之中，通過(guò)能源梯級(jí)利用將循環(huán)分為主回路和輔回路，通過(guò)主回路和輔回路形成梯級(jí)換熱。主回路的工質(zhì)通過(guò)氣-液噴射器4轉(zhuǎn)化為高動(dòng)能和低壓力氣體，輔回路的工質(zhì)通過(guò)氣-液噴射器4轉(zhuǎn)為較高壓力液體，并利用氣-液噴射器的升壓特性和引射特性，用高溫高壓氣體來(lái)引射低溫低壓液體，從而在不消耗機(jī)械功的前提下將輔回路的液態(tài)工質(zhì)引入氣-液噴射器中，使輔回路的低溫低壓液態(tài)工質(zhì)和主回路的高溫高壓氣態(tài)工質(zhì)進(jìn)行混合，通過(guò)氣-液噴射器內(nèi)部直接接觸進(jìn)行傳熱傳質(zhì)及冷凝過(guò)程后，產(chǎn)生了凝結(jié)激波，在擴(kuò)散室中壓力繼續(xù)恢復(fù)。通過(guò)復(fù)雜的能量交換將高溫蒸氣中的部分潛熱轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，此時(shí)出口工質(zhì)的壓力高于一級(jí)蒸發(fā)器出來(lái)的氣體壓力，從而使工質(zhì)泵功耗降低，透平機(jī)的入口壓力和輸出功增大，系統(tǒng)效率提高。

氣-液噴射器4的液體出口S3還連接有二級(jí)蒸發(fā)器5的工質(zhì)入口。加入二級(jí)蒸發(fā)器5在其內(nèi)部的蒸發(fā)可采用二級(jí)熱源803。二級(jí)熱源803從二級(jí)蒸發(fā)器5的高溫?zé)嵩慈肟诤透邷責(zé)嵩闯隹诹魍ǎ糜诙?jí)蒸發(fā)器5內(nèi)的工質(zhì)。

二級(jí)蒸發(fā)器5的工質(zhì)出口與冷凝器1的工質(zhì)入口之間還連接有透平機(jī)6，透平機(jī)6可以為汽輪機(jī)、液輪機(jī)、渦輪機(jī)、煙氣輪機(jī)或膨脹機(jī)等。透平機(jī)6連接有發(fā)電機(jī)7用于發(fā)電。

在一種具體實(shí)施例中，噴射器-液輪機(jī)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)。使用氣-液噴射器后，如果氣-液噴射器液體出口S3處液體的壓力能夠達(dá)到較高值，且氣-液噴射器引射系數(shù)較大，這時(shí)可以將循環(huán)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，此時(shí)，二級(jí)蒸發(fā)器5可以不使用，透平機(jī)6不采用汽輪機(jī)作為能量輸出部件，而是用液輪機(jī)作為能量輸出的部件，從氣-液噴射器出來(lái)的液體直接進(jìn)入透平機(jī)6，形成噴射器-液輪機(jī)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)。液輪機(jī)利用液態(tài)工質(zhì)在入口與出口處的勢(shì)能和壓能差來(lái)推動(dòng)葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將這些能量轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能輸出給系統(tǒng)外部。在操作和運(yùn)行方面，液輪機(jī)發(fā)電組啟動(dòng)運(yùn)行快，容易調(diào)節(jié)，運(yùn)行相對(duì)平穩(wěn)，具有更快的并網(wǎng)調(diào)節(jié)能力?？蛇\(yùn)用于一些交通不便、電力需求緊張但是用量不大的地區(qū)作為小型低品位熱能利用設(shè)備。

氣-液噴射器4是一種以高溫高壓氣態(tài)工質(zhì)作為動(dòng)力源的特殊的射流泵。在一種具體實(shí)施例中，參照?qǐng)D2，氣-液噴射器結(jié)構(gòu)可具體為包括氣體噴嘴411、液體噴嘴412、混合室42和擴(kuò)散室43。其中，氣體噴嘴411為漸縮漸擴(kuò)噴嘴，液體噴嘴412套設(shè)在氣體噴嘴411上，氣體噴嘴411的出口和液體噴嘴412的出口與混合室42的一端相通，混合室42的另一端連接擴(kuò)散室43，混合室42為漸縮管或等截面管，擴(kuò)散室43為漸擴(kuò)管。

氣體噴嘴411可以將通入的高溫高壓氣態(tài)工質(zhì)加速后成為超音速氣流，與通入液體噴嘴412的低溫液體工質(zhì)混合形成超音速氣液兩相流，到達(dá)混合室42喉部后產(chǎn)生凝結(jié)激波，壓力突變，在擴(kuò)散室中壓力繼進(jìn)一步提高，得到壓力高于氣態(tài)工質(zhì)、更高壓力液體工質(zhì)，達(dá)到升壓的目的。其實(shí)質(zhì)就是將高溫高壓氣態(tài)工質(zhì)凝結(jié)所釋放的潛熱轉(zhuǎn)化為勢(shì)能以提高工質(zhì)的壓力。

在本發(fā)明的氣-液噴射式ORC系統(tǒng)中內(nèi)部工質(zhì)的流動(dòng)過(guò)程和狀態(tài)具體如下：

主回路：一級(jí)熱源802加熱一級(jí)蒸發(fā)器3，從一級(jí)蒸發(fā)器3出來(lái)的高溫高壓氣態(tài)工質(zhì)經(jīng)過(guò)高壓氣體入口S1被氣-液噴射器4吸入氣體噴嘴411進(jìn)行膨脹，將部分焓轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，在液體出口S3處達(dá)到超音速，從而具備高動(dòng)能和低壓力。

輔回路：從冷凝器1出來(lái)的部分低溫液體作為引射流體被氣-液噴射器4吸入。

在氣-液噴射器4中，輔回路的低溫液體在液體噴嘴412外側(cè)均勻分布后，高溫高壓氣體和低溫液體這兩股流體在混合室42中混合，進(jìn)行復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過(guò)程，包括質(zhì)量交換(氣液直接接觸凝結(jié))、動(dòng)量交換(兩股流體速度差)和能量交換(兩股流體溫度差)。在混合室42后半段逐漸形成均勻氣液兩相流，而且氣液接觸凝結(jié)釋放潛熱后產(chǎn)生凝結(jié)激波，引起壓力突升并最終冷凝為單相液體，進(jìn)入擴(kuò)散室43，壓力進(jìn)一步提升。

從氣-液噴射器4的液體出口S3得到的更高壓力的液體進(jìn)入二級(jí)蒸發(fā)器5吸熱蒸發(fā)，再進(jìn)入透平機(jī)6做功后，進(jìn)行下一循環(huán)。

以上對(duì)本發(fā)明所提供的一種氣-液噴射式ORC系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。