阅读说明：本技术 替代混合工质的叠合有机朗肯循环及其调节方法 (Superimposed organic Rankine cycle for replacing mixed working medium and adjusting method thereof ) 是由 李新国 高冠怡 于 2020-04-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种替代混合工质的叠合有机朗肯循环及其调节方法,以提高循环对外界热源与冷源的调节性、适应性和提高系统的发电能力。如双工质的叠合有机朗肯循环,系统具体连接与工作流程为：蒸发器、膨胀机A、冷凝器、工质泵A串接构成有机朗肯循环--循环1。蒸发器、膨胀机B、冷凝器、工质泵B构成另一有机朗肯循环--循环2。循环1与循环2采用临界温度不同的工质。不同于混合工质有机朗肯循环,叠合循环中各循环及工质彼此独立,其运行工况(蒸发器温度、冷凝温度与循环流量)可以独立调节,以提高循环的调节性和对外界热源/冷源的传热匹配性及适应性,和提高循环的性能(加热量和热效率)。(The invention discloses an overlapped organic Rankine cycle for replacing a mixed working medium and an adjusting method thereof, which are used for improving the adjustability and the adaptability of the cycle to an external heat source and a cold source and improving the power generation capacity of a system. If the dual-working-medium overlapped organic Rankine cycle is adopted, the specific connection and working process of the system is as follows: the evaporator, the expander A, the condenser and the working medium pump A are connected in series to form an organic Rankine cycle-cycle 1. The evaporator, the expander B, the condenser and the working medium pump B form another organic Rankine cycle, namely a cycle 2. The cycle 1 and the cycle 2 adopt working media with different critical temperatures. Different from mixed working medium organic Rankine cycle, each cycle and working medium in the superposition cycle are independent, and the operation working conditions (the temperature of an evaporator, the condensation temperature and the circulation flow) can be independently adjusted, so that the adjustability of the cycle, the heat transfer matching and adaptability to an external heat source/cold source and the performance (heating amount and heat efficiency) of the cycle are improved.)

替代混合工质的叠合有机朗肯循环及其调节方法

技术领域

本发明属于中低温热源发电技术领域，具体涉及一种替代混合工质的叠合有机朗肯循环及其调节方法，由临界温度不同的工质有机朗肯循环叠加构成叠合循环，以代替混合工质有机朗肯循环，以提高循环的发电能力和对外界热源与冷源的适应性。

背景技术

在中低温热能的利用与转换中，有机朗肯循环是一种有效的技术措施。现有的中低温热能资源主要是有限热源，即随着热能的利用，其温度会逐步降低；而循环工质的吸热过程存在单相(液相)向两相(气-液)的变化，与热源的单相变化存在很大的传热不匹配，造成循环的热效率低和较高的有效能损失。目前有采取双级循环方式，但这类循环构型大多采取了热源的梯级加热方式，先后加热高温循环与低温循环，这种方式虽然提高了循环的加热量，提高了做功能力，但循环的热效率降低了。因此，在提高循环加热量同时，不降低循环的热效率、甚至提高热效率有很高的意义和应用价值。非共沸混合工质的两相区具有温度滑移特征，可以改善和增大传热过程中的传热匹配性，但其有传热系数低、工质泄露等相关问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中常规有机朗肯循环与混合工质有机朗肯循环的不足，提出一种替代混合工质的叠合有机朗肯循环及其调节方法，由临界温度不同的工质有机朗肯循环叠加构成叠合循环。不同于混合工质有机朗肯循环，叠合循环中各循环及工质彼此独立，其运行工况(蒸发器温度、冷凝温度与循环流量)可以独立调节，以提高循环与热源/冷源的传热匹配性，提高循环性能(加热量和热效率)，和提高循环对外界热源与冷源的适应性。

为实现上述目的，本发明具体提出的技术方案是替代混合工质的叠合有机朗肯循环，系统具体连接方法为：

由蒸发器、膨胀机A、冷凝器、工质泵A构成循环回路1(循环1)；

由蒸发器、膨胀机B、冷凝器、工质泵B构成循环回路2(循环2)。

本发明的第二个技术方案是替代混合工质的叠合有机朗肯循环的调节方法，包括如下步骤：

1)循环1：冷凝器出口的饱和液态工质经由工质泵A加压到蒸发压力，然后进入蒸发器被加热到饱和气体状态，工质进入膨胀机A做功带动发电机发电，膨胀机A出口的乏汽进入冷凝器冷凝后进入工质泵A，形成循环回路1。

2)循环2：冷凝器出口的饱和液态工质经由工质泵B加压到蒸发压力，然后进入蒸发器被加热到饱和气体状态，进入膨胀机B做功带动发电机发电，膨胀机B出口的乏汽进入冷凝器冷凝后进入工质泵B，形成循环回路2。

3)叠合循环的各循环及工质彼此独立，其运行工况(蒸发器温度、冷凝温度与循环流量)可以独立调节，以提高循环与热源/冷源的传热匹配性，提高循环性能(加热量和热效率)，和提高循环对外界热源与冷源的适应性。

本发明的有益效果是：本发明提出采用叠合有机朗肯循环，代替非共沸混合工质有机朗肯循环，以提高循环与热源/冷源的传热匹配性，提高循环性能(加热量和热效率)，和提高循环对外界热源与冷源的适应性。

热源同时加热两个循环，在提高循环加热量同时，不降低循环的热效率，甚至可提高热效率，提高了循环性能，提高了中低温热能的利用率与转换率。由于叠合循环的两个循环是彼此独立、可调，其运行工况(蒸发/冷凝温度与循环流量)独立、可调，叠合循环具有很强的调节性和适应性，不仅可提高循环与热源/冷源的传热匹配性和提高循环性能(加热量和热效率)，还可提高了循环对外界热源与冷源及负荷的适应性。这是混合工质循环所不具备的。

附图说明

图1为本发明系统示意图。

图2为本发明系统的工质温熵图。

附图标记：1-蒸发器，2-膨胀机A，3-膨胀机B，4-冷凝器，5-工质泵A，6-工质泵B。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示系统具有由蒸发器1、膨胀机A 2、膨胀机B 3、冷凝器4、工质泵A 5、工质泵B 6。系统具体连接与工作流程为：由蒸发器1、膨胀机A 2、冷凝器4、工质泵A 5构成循环回路1；由蒸发器1、膨胀机B 3、冷凝器4、工质泵B 6构成循环回路2。

该发明系统的工作过程如附图2所示为：

循环1：冷凝器4出口的饱和液态工质经由工质泵A 5加压到蒸发压力，然后进入蒸发器1被加热到饱和气体状态，工质进入膨胀机A 2做功带动发电机发电，膨胀机A 2出口的乏汽进入冷凝器4冷凝后进入工质泵A 5，形成循环回路1。

循环2：冷凝器4出口的饱和液态工质经由工质泵B 6加压到蒸发压力，然后进入蒸发器1被加热到饱和气体状态，进入膨胀机B 3做功带动发电机发电，膨胀机B 3出口的乏汽进入冷凝器4冷凝后进入工质泵B 6，形成循环回路2。

叠合循环的两循环及工质彼此独立，调节各循环的运行工况(蒸发器1温度、冷凝温度与循环流量)，以提高循环与热源/冷源的传热匹配性，提高循环性能(加热量和热效率)，和提高循环对外界热源与冷源的适应性。以下是四种发电循环方案的对比。

方案一：本发明系统，循环1采用纯工质R245fa(五氟丙烷)，循环2采用纯工质R227ea(七氟丙烷)；

方案二：采用R245fa/227ea(五氟丙烷/七氟丙烷)混合工质的有机朗肯循环；

方案三：热源串联加热纯工质R245fa(五氟丙烷)的双压有机朗肯循环；

方案四：常规有机朗肯循环，采用纯工质R245fa(五氟丙烷)；

计算条件：热源以热水120℃为代表，质量流量为1kg/s；冷却水进口温度25℃，出口温度30℃；膨胀机等熵效率0.85，工质泵等熵效率0.8。四种方案采用热源、冷源、等熵效率等条件相同。

表1

方案一：

1、循环1：采用工质R245fa，流量为m₁＝0.309kg/s。冷凝器4出口为34.73℃的饱和液，然后经工质泵A 5加压到蒸发压力0.737MP，进入蒸发器1被加热到蒸发温度77.28℃(饱和气体)，然后进入膨胀机A 2做功，膨胀机A 2排气压力为0.21MP，温度45.43℃，排气进入冷凝器4冷凝完成循环。

2、循环2：采用工质R227ea，流量为m₂＝1.911kg/s。冷凝器4出口为34.73℃的饱和液，然后经工质泵B 6加压到蒸发压力2.685MP，进入蒸发器1被加热到蒸发温度100.75℃(饱和气体)，然后进入膨胀机B 3做功，膨胀机B 3排气压力为0.606MP，温度37.3℃，排气进入冷凝器4冷凝完成循环。

如表1数据比较，在设定热源条件、冷源条件、等熵效率下，得到：相比常规有机朗肯循环(方案四)，方案一、方案二、方案三的净输出功增加率分别为43.24％、30.20％、16.03％，另外，方案一的净输出功比方案二、方案三增加10.00％、23.45％。