阅读说明：本技术 一种废热能转换系统 (Waste heat energy conversion system ) 是由 司徒健南 于 2019-11-08 设计创作，主要内容包括：本发明涉及废热再利用技术领域,尤其涉及一种废热能转换系统。本发明实施例提供的废热能转换系统包括气流分离装置和能量转换装置；其中,气流分离装置能将输入其中的含有废热的气体分离成热流气体和冷流气体。热流气体的温度高达70℃以上。能量转换装置可以将热流气体中的热能转换成机械能。因此,本发明实施例中的废热能转化系统可以从含有废热的低温废气中分离出温度较高的热流气体,并将热流气体中的废热能转换为机械能,能够有效地提高废气的废热能的转换效率。(The invention relates to the technical field of waste heat recycling, in particular to a waste heat energy conversion system. The waste heat energy conversion system provided by the embodiment of the invention comprises an airflow separation device and an energy conversion device; the gas flow separating device can separate waste heat-containing gas input into the gas flow separating device into hot flow gas and cold flow gas. The temperature of the hot flow gas is as high as more than 70 ℃. The energy conversion device can convert the thermal energy in the hot fluid gas into mechanical energy. Therefore, the waste heat energy conversion system in the embodiment of the invention can separate the hot flow gas with higher temperature from the low-temperature waste gas containing waste heat, and convert the waste heat energy in the hot flow gas into mechanical energy, thereby effectively improving the conversion efficiency of the waste heat energy of the waste gas.)

一种废热能转换系统

技术领域

本发明涉及废热再利用技术领域，尤其涉及一种废热能转换系统。

背景技术

工业余热和废热目前在我国的利用率较低，不但造成了能源的巨大浪费，而且直接或间接地造成了环境污染。随着能源资源的濒临枯竭和环境污染的不断加剧，如何有效地回收这部分废气(特别是低温废气)中的余热，使之变废为宝，对于缓解我国能源短缺问题以及减少生产过程中的环境污染问题都有重要的意义。

例如，空调机在制冷时，经制冷压缩机压缩后的高温制冷剂通过冷凝器和冷却塔将热量排放到室外，这种热量称为空调的废热。由于废热包括从室内带出的热量和制冷机消耗一定的外界能量做功产生的热量，因此，废热量比制冷量更大。若将此废热回收利用，不仅可以减少环境热污染，还可以达到节能的目的。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中，由于废气温度和环境温度之间相对低的温差，导致废气中的废热能非常低的转换效率，在大多数情况下，将废气中的废热能转换成机械能或电能是难以实现的。

发明内容

为了解决由于含有废热的制冷剂和环境之间温差小所导致的废热能转换效率低的问题，本发明提供一种制冷剂废热能转换系统，可以从温度较低的含有废热的气体中分离出温度较高的热流气体，由于热流气体和环境之间的温差较大，废热能利用效率得到有效提高。

为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种废热能转换系统，所述系统包括：

气流分离装置，包括输入端、第一输出端和第二输出端，携带废热的气体从所述输入端输入，所述气流分离装置用于将所述气体分离成热流气体和冷流气体，所述热流气体通过所述第一输出端输出，所述冷流气体通过所述第二输出端输出；

能量转换装置，所述能量装换装置的输入端连接所述第一输出端，所述能量装换装置用于将所述热流气体中的废热能转换成机械能，并将所述热流气体从所述能量转换装置的输出端输出。

可选的，所述能量转换装置为膨胀装置。

可选的，所述能量转换装置包括膨胀装置和热交换器；

所述热交换器包括第一气流通道和第二气流通道；

所述第一气流通道的输入端通过管道连接所述第一输出端；

所述第二气流通道的输入端和输出端分别通过管道连接所述膨胀装置的输出端和输入端；

所述膨胀装置包括工作流体，所述热交换器用于将所述热流气体中的热能传递给所述工作流体，并将所述热流气体从所述第一气流通道的输出端输出，所述膨胀装置用于将所述工作流体中的热能转换成机械能。

可选的，所述系统还包括压缩机，所述压缩机的输出端通过管道连接所述气流分离装置的输入端，所述压缩机用于压缩并驱动所述气体。

可选的，所述气体为制冷剂蒸汽，所述系统还包括：

冷凝装置，所述冷凝装置的输入端连接所述能量转换装置的输出端，所述冷凝装置用于将热流制冷剂蒸汽冷凝成液体；

膨胀阀，所述膨胀阀的输入端连接所述第二输出端和所述冷凝装置的输出端，所述膨胀阀将流入的高压液体节流减压；

蒸发装置，所述蒸发装置的输入端通过管道连接所述膨胀阀的输出端，所述蒸发装置的输出端通过管道连接所述压缩机的输入端，所述蒸发装置用于蒸发输入的液体。

可选的，所述气流分离装置为涡流管。

可选的，所述膨胀装置包括涡轮机机构、螺杆机构、涡旋盘机构或活塞机构中的至少一种。

可选的，所述膨胀装置用于将收集的废热能转换成转动驱动力，所述膨胀装置机械地连接所述压缩机，所述膨胀装置用于转动地驱动所述压缩机。

可选的，所述系统还包括单向离合器，所述单向离合器设置于所述膨胀装置和所述压缩机之间，所述单向离合器用于将所述膨胀装置的转动驱动力传输至所述压缩机。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施例提供的废热能转换系统包括通过管道互相连接的气流分离装置和能量转换装置。其中，气流分离装置能将输入其中的携带废热的气体分离成热流气体和冷流气体，热流气体的温度高达70℃以上。能量转换装置可以将热流气体中的热能转换成机械能。因此，本发明实施例中的废热能转化系统可以从含有废热的废气中分离出温度较高的热流气体，并将热流气体中的废热能转换为机械能，能够有效地提高废气中废热能的转换效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一废热能转换系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一废热能转换系统的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一废热能回收循环系统的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一废热能回收循环系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例中的废热能转换系统适用于收集任意合适的携带废热的气体中的废热能，如，工业废气、汽车尾气和空调制冷剂蒸汽等。

请参阅图1和图2，本发明实施例提供了一种废热能转换系统，该废热能转换系统包括气流分离装置101和能量转换装置(图未示)。

本发明实施例中的气流分离装置101包括输入端、第一输出端和第二输出端，气流分离装置101用于将输入端输入的气体分离成热流蒸汽和冷流蒸汽，其中，热流蒸汽从第一输出端输出，冷流蒸汽从第二输出端输出。

本发明实施例中的气流分离装置101是任意合适的能将输入其中的气体分离成两股不同温度气流的设备。在一些实施例中，气流分离装置101分离出的热流蒸汽的温度高达70℃以上。因此，本发明实施例中的废热能转化设备可以从含有废热的低温蒸汽中分离出温度较高的热流蒸汽，并将热流蒸汽中的热能转换为机械能，能够有效提高废热能的转换效率。本发明实施例中，废热能与机械能之间的转换效率可提高70％以上。

可选的，在本发明的某些实施例中，气流分离装置101为涡流管。涡流管是一种能量分离装置，由喷嘴、涡流室、分离孔板和冷热两端管所组成。工作时，被压缩的气体在喷嘴内膨胀，然后以很高的速度沿切线方向进入涡流管。气体形成涡流后，旋转前进，沿涡流管壁的气体与管壁发生摩擦，温度会迅速升高，一部分从涡流管的第一输出端排出，其温度高于入口压缩气体的温度；一部分沿中心线返回，形成回流，这部分气体与贴近管壁的涡流反向而行，持续发生的热交换，使得其温度逐渐降低，形成冷气流，从涡流管第二输出端排出。涡流管第一输出端排气量与第二输出端排气量的百分比称为涡流管分离比，针对不同的应用，涡流管分离比可以通过调节阀进行调节。

本发明实施例中的能量转换装置是任意的能将热流蒸汽中的热能转换成机械能的装置。能量转换装置的输入端和输出端分别通过管道连接气流分离装置101的第一输出端和冷凝装置103的输入端。

在一些实施例中，能量转换装置为膨胀装置102a，膨胀装置102a，用于将热流蒸汽膨胀以将热流蒸汽中的废热能转换为机械能。

在另一些实施例中，能量转换装置包括膨胀装置102a和热交换器102b，其中，热交换器102b包括第一气流通道和第二气流通道，第一气流通道的输入端通过热流管道连接气流分离装置101的第一输出端，热流蒸汽通过热流管道流经第一气流通道，膨胀装置102a的输入端和输出端分别通过管道连接第二气流通道的输出端和输入端。膨胀装置102a包括工作流体，工作流体从膨胀装置102a的输出端流出，通过管道流经第二气流通道后流入膨胀装置102a的输入端。为了使热流蒸汽能充分地将热量传递给工作流体，热流蒸汽和工作流体在热交换器102b中的流入方向相反。工作流体获得热流蒸汽中的废热能后流入膨胀装置102a中，通过膨胀装置102a将工作流体膨胀，以将工作流体中的热能转换为机械能。从膨胀装置102a输出的工作流体流入热交换器102b中，继续吸收热流蒸汽中的废热能，形成闭环热能回收循环。

可选的，在上述示例中，膨胀装置102a的工作流体可以是二氧化碳、水、氮、碳氢化合物、有机卤素化合物，以及稳定的无机流体中的一种。在一些实施例中，为了使工作流体获得更多的热能，热交换器102b还包括加热芯，该加热芯用于加热膨胀装置102a的工作流体。

本发明实施例中的膨胀装置102a可以是涡轮机，或者任意合适的利用螺杆、涡旋盘、活塞等机构将热能转换成机械能的装置。

请参阅图3和图4，在一些实施例中，当含有废热的气体为蒸汽(如制冷剂蒸汽)时，为了对蒸汽进行回收利用，废热能转化系统还包括冷凝装置103，冷凝装置103的输入端通过管道连接膨胀装置102的输出端，冷凝装置103用于将气体冷却及冷凝成液体。气体在冷凝装置103中放出的热量由冷却介质(水或空气)带走。可选的，在一些实施例中，冷凝装置103为冷凝管。

进一步的，在一些实施例中，废热能转化系统还包括膨胀阀104，冷凝装置103的输出端通过管道连接膨胀阀104的输入端，气流分离装置101的第二输入端通过冷流管道连接膨胀阀104的输入端。从冷流管道排出的冷流蒸汽和从冷凝装置103流出的液体均通过膨胀阀104流出。膨胀阀104减压和膨胀冷凝装置103所冷凝的蒸汽和气流分离装置101冷流管道排出的冷流蒸汽。

在本发明的一些实施例中，废热能转化系统还包括蒸发装置105，膨胀阀104安装在蒸发装置105输入端处，是废热能转换系统中高压与低压的分界点。膨胀阀104用于将即将流入的高压液体节流减压，调节和控制进入蒸发装置105中的液体的剂量，使之适应废热转换负荷的变化，同时可防止压缩机106发生液击现象和蒸发装置105输出端蒸汽异常过热。

低温高压的液态制冷剂经过膨胀阀104的节流孔节流后，成为低温低压的雾状的液压制冷剂，为制冷剂的蒸发创造条件。膨胀阀104控制制冷剂的流量，保证蒸发器的出口完全为气态制冷剂，若流量过大，出***有液态制冷剂，可能进入压缩机106产生液击，若制冷剂流量过小，提前蒸发完毕，造成制冷不足。液击现象是指未蒸发的液体进入压缩机106后被压缩，该现象极易引起压缩机106阀片的损坏。在一些实施例中，膨胀阀104为温度依赖型膨胀阀。

具体的，在一些实施例中，蒸发装置105为蒸发器，蒸发器用于蒸发从膨胀阀104出入的液态制冷剂，制冷剂通过膨胀阀104减压并膨胀，然后通过蒸发潜热冷却空气。在一些实施例中，蒸发装置105是一种伴随着(沸腾)相变的间壁式热交换器，包含加热室和蒸发室两个重要的组成部分。蒸发装置105加热流入其中的制冷剂液体，使之气化过热。低温低压的液体在传热壁的一侧汽化潜热，从而使传热壁的另一侧介质被冷却。

本发明的一些实施例中，压缩机106的输入端连接蒸发装置105的输出端，压缩机106的输出端连接气流分离装置101的输入端，将气体输送至气体分离装置101，使制冷剂完成废热回收循环。压缩机106用于从蒸发装置105中吸收气体，以保证蒸发装置105中一定的蒸发压力。压缩机106也可以提高压力以创造气体在较高温度下冷凝的条件。

本发明实施例中的压缩机106可以是定排量压缩机或变排量压缩机。压缩机106由动力传输装置带动，该动力传输装置可以是发动机。在变排量压缩机系统中，若制冷负荷不变，而发动机转速增加，则压缩机106的活塞行程减小，降低了压缩机106的排量，是制冷剂流量保持不变，既满足制冷负荷的要求，同时也降低了发动机的功耗。

本发明的一些实施例中，当携带废热的气体为制冷剂蒸汽使，压缩机106、气流分离装置101、能量转换装置、冷凝装置103、膨胀阀104和蒸发装置105以闭合回路连接以形成废热回收循环。同时，其中的压缩机106、冷凝装置103、膨胀阀104和蒸发装置105也作为制冷系统的制冷循环。

在废热回收循环中，携带废热的蒸汽(如制冷剂)被加热、膨胀、冷凝和加压。具体的，压缩机106将携带废热的气体从气流分离装置101的输入端输送至气流分离装置101中，气流分离装置101将流入的气体分离为热流蒸汽和冷流蒸汽。其中，制冷剂冷流蒸汽从冷流管道排出至膨胀阀104，制冷剂热流蒸汽通过热流管道进入能量装换装置102。能量转换装置将热流蒸汽中的废热能转换为机械能后，将气体输送至冷凝装置103，已回收废热的气体在冷凝装置103中冷却及冷凝成液体，然后输送至膨胀阀104。膨胀阀104减压和膨胀冷凝装置103所冷凝的制冷剂和气流分离装置101分离的制冷剂，再将制冷剂输送至蒸发装置105中，以将液态制冷剂汽化，然后将气体输送至压缩机106中，以完成制冷剂废热回收循环。

可选的，在本发明的某些实施例中，能量转换装置利用废热能转换的机械能可以进入制冷剂制冷系统，以减少制冷系统的负载，或者通过发电机将机械能转换成电能并加以利用。

具体的，本发明实施例中的废热能转换系统还包括外部驱动源所驱动的动力传输装置，该动力传输装置与压缩机106连接，从而可以转动地驱动压缩机106。膨胀装置102a可用于利用收集的废热能产生转动驱动力，压缩机106机械地连接在膨胀装置102a上，动力传输装置和膨胀装置102a均可以通过动力传输装置转动地驱动压缩机106。膨胀装置102a和压缩机106之间设置单向离合器，单向离合器用于将来自膨胀装置102a的驱动力传输至压缩机106，当膨胀装置102a产生的驱动力变得大于来自外部动力传输装置的驱动力时，由膨胀装置102a带动压缩机106转动。本发明实施例中的动力传输装置包括橡胶或弹性体等弹性构件制成的阻尼机构。

可选的，在上述示例中，动力传输装置还包括电力转动机械，电力转动机械与压缩机106连接，该电力转动机械即具备产生转动驱动力电力电机的功能，又具备被外部驱动源被驱动时产生电功率的电力发电机的功能。膨胀装置102a、压缩机106和电力转动机械通过动力分配和传输装置互相连接，动力分配和传输装置将膨胀装置的驱动力分配并传输到压缩机106和电力转动机械。本发明实施例中的电力转动机械可以是电机。

进一步的，在上述示例中，废热能转换系统还包括电池，该电池用于将电源输送至电力转动机械和/或对电力转动机械产生的电功率进行充电，从而当所述膨胀装置102a产生的驱动力不足以带动压缩机106转动时，压缩机106由电力转动机械带动，当膨胀装置102a产生的转动驱动力足够大以带动压缩机106转动时，电力转动机械通过转动驱动力产生电能，并将电能存储至电池中。

本发明实施例提供的废热能转换系统中，通过管道互相连接的压缩机106、气流分离装置101、能量转换装置、冷凝装置103、膨胀阀104和蒸发装置105共同构成废热回收循环。由于气流分离装置101能将压缩机106输入其中的气体分离成冷流蒸汽和热流蒸汽和温度较高的热流蒸汽(温度高达70℃以上)，因此，本发明实施例中的废热能转化系统可以大大提高制冷器蒸汽和环境之间的温差，从而显著提高气体的废热能转换效率。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。