阅读说明：本技术 一种非共沸工质双级有机闪蒸循环系统及其热能回收方法 (Non-azeotropic working medium two-stage organic flash evaporation circulation system and heat energy recovery method thereof ) 是由 葛众 袁志鹏 鄢银连 相华江 黄桂冬 解志勇 张军 于 2019-10-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种非共沸工质双级有机闪蒸循环系统及其热能回收方法,属于能源回收领域,工质经工质泵加压后在换热器与余热介质换热；经第一节流阀节流后进入高压级气液分离器,高压级闪蒸后的饱和蒸汽进入高压级透平膨胀做功,饱和液体经第二节流阀再次节流变成气液混合物,该气液混合物和乏气在高压级混合器内混合,接着共同进入低压级气液分离器,低压级闪蒸后的饱和蒸汽进入低压级透平膨胀做功,饱和液体经第三节流阀节流变成气液混合物,该气液混合物和乏气在低压级混合器内混合；共同进入冷凝器内冷却。本发明改善循环与冷源的温度匹配,减少单级OFC直接节流所造成的火用损失,提高系统效率,实现中低温热能的梯级高效利用。(The invention discloses a non-azeotropic working medium two-stage organic flash evaporation circulating system and a heat energy recovery method thereof, belonging to the field of energy recovery.A working medium is pressurized by a working medium pump and then exchanges heat with a waste heat medium in a heat exchanger; throttling the saturated steam by a first throttling valve, entering a high-pressure stage gas-liquid separator, allowing the saturated steam after the high-pressure stage flash evaporation to enter a high-pressure stage turbine to expand and do work, throttling the saturated liquid again by a second throttling valve to obtain a gas-liquid mixture, mixing the gas-liquid mixture and exhaust gas in a high-pressure stage mixer, then jointly entering a low-pressure stage gas-liquid separator, allowing the saturated steam after the low-pressure stage flash evaporation to enter a low-pressure stage turbine to expand and do work, throttling the saturated liquid by a third throttling valve to obtain a gas-liquid mixture, and mixing the gas-liquid mixture and the exhaust gas in a low-; jointly enter a condenser for cooling. The invention improves the temperature matching of circulation and a cold source, reduces the fire loss caused by the direct throttling of the single-stage OFC, improves the system efficiency and realizes the step efficient utilization of medium-low temperature heat energy.)

一种非共沸工质双级有机闪蒸循环系统及其热能回收方法

技术领域

本发明属于能源回收领域，具体地说涉及一种非共沸工质双级有机闪蒸循环系统及其热能回收方法。

背景技术

随着社会经济的发展，中国能源消耗总量逐年增加，据统计2018年中国能源消费总量达到了46400万吨标准煤，近五年的年均增长率达到了2.2％。可以预计，在中国经济保持中高速增长的背景下，中国对能源的需求必将进一步增加。从能源消费结构来看，中国能源消费仍然以煤炭、石油、天然气为主，以2016年为例，煤、石油、天然气消费总量约占当年能源消费总量的86.7％。一方面大量使用化石能源会导致一系列的生态环境问题，如全球变暖、大气污染等，严重威胁着人类的生存；另一方面，化石能源均是不可再生能源，大量开采必然会导致化石能源的枯竭。优化中国目前的能源消费结构已成为当务之急。

回收利用中低温热能是一种有效的解决方式。中低温热能主要有工业余热、地热能、太阳能等；一方面中低温热能总量十分丰富，其中工业余热总资源量约占其燃料消耗总量的17％～67％；已探明可开采的地热储量相当于2560亿吨标准煤，而其中储量的70％以上温度低于150℃；据估算中国陆地表面每年接受的太阳辐射总能量5.28×1016MJ太阳辐射总功率约1.68×109MW。回收这些中低温热能能够有效解环境危机。但由于中低温热能热功转换特点与常规动力循环存在显著差异，目前对这些中低温热能的利用并不充分。

传统的利用中低温热源的方式，如有机朗肯循环、有机闪蒸循环等，虽然能够在一定程度上有效利用中低温热源，但是由于这些循环往往在热/冷源换热过程中的温度匹配问题上表现不佳，因此存在巨大的火用损失，造成了能源的浪费；另外传统的有机闪蒸循环往往直接将截流后的饱和液体送入冷凝器进行冷凝，这也造成了很大的火用损失。因此开展新型循环的研究具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足之处提供一种非共沸工质双级有机闪蒸循环系统及其热能回收方法，拟解决如何改善循环与冷源的温度匹配，减少单级OFC直接节流所造成的火用损失，提高系统效率，实现中低温热能的梯级高效利用等问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种非共沸工质双级有机闪蒸循环系统，包括冷凝器、工质泵、换热器、第一节流阀、高压级气液分离器、高压级透平、高压级混合器、第二节流阀、低压级气液分离器、低压级透平、低压级混合器和第三节流阀；所述冷凝器的热流体侧出口、工质泵和换热器的冷流体侧进口通过管路依次连接；所述换热器的冷流体侧出口、第一节流阀和高压级气液分离器的进口通过管路依次连接；所述高压级气液分离器的蒸汽出口通过管路与高压级透平的进口连接；所述高压级气液分离器的液体出口、第二节流阀和高压级混合器的气液混合物进口通过管路依次连接；所述高压级透平的出口通过管路与高压级混合器的乏气进口连接；所述高压级混合器的出口通过管路与低压级气液分离器的进口连接；所述低压级气液分离器的蒸汽出口通过管路与低压级透平的进口连接；所述低压级气液分离器的液体出口、第三节流阀和低压级混合器的气液混合物进口通过管路依次连接；所述低压级透平的出口通过管路与低压级混合器的乏气进口连接；所述低压级混合器的乏气进口通过管路与冷凝器的热流体侧进口连接；所述换热器的热流体侧进口用于输入余热介质，并从换热器的热流体侧出口输出。由上述结构可知，工作原理：工质从冷凝器的热流体侧出口出来，经工质泵加压后进入换热器的冷流体侧进口，工质在换热器内与从换热器的热流体侧进口输入并从换热器的热流体侧出口输出的余热介质换热，工质吸收余热热量达到饱和液体状态；工质从换热器的冷流体侧出口出来，经第一节流阀节流后进入高压级气液分离器的进口，工质在高压级气液分离器内实现高压级闪蒸，闪蒸后的饱和蒸汽进入高压级透平膨胀做功，饱和液体则通过第二节流阀再次节流变成气液混合物，节流压力与高压级透平出口处乏气压力一致，该气液混合物和高压级透平的出口出来的乏气在高压级混合器内混合，接着共同进入低压级气液分离器实现低压级闪蒸，闪蒸后的饱和蒸汽进入低压级透平膨胀做功，饱和液体则通过第三节流阀节流变成气液混合物，节流阀节流至冷凝压力，该气液混合物和低压级透平的出口出来的乏气在低压级混合器内混合；气液混合物和低压级透平的出口出来的乏气混合后，共同进入冷凝器的热流体侧进口在冷凝器内冷却，将热量释放给冷却介质后冷凝成液体，并从工质从冷凝器的热流体侧出口出来，完成循环。本发明紧密结合国家对节能减排、优化能源结构的需求，提出非共沸工质双级OFC中低温热能回收新思路，能够实现中低温热能的高效梯级利用，对减少化石能源消耗、节能减排以及优化能源结构具有重要意义。能用于回收所有的余热资源，包括工业废气、废水、生物质热能、太阳能以及地热等各种形式的余热。

进一步的，还包括冷却塔和冷却水泵；所述冷却塔的出口、冷却水泵和冷凝器的冷流体侧进口通过管路依次连接；所述冷凝器的冷流体侧出口通过管路与冷却塔的进口连接。

进一步的，所述冷却塔的进口与冷却塔内设有的布水管连通；所述冷却塔的出口与冷却塔内设有的集水盘连通。由上述结构可知，从冷却塔的出口出来的冷却水经冷却水泵输送至冷凝器的冷流体侧进口对工质进行冷凝，之后返回冷却塔的进口进入冷却塔的布水管，经过冷却后进入塔底集水盘，完成一个循环。

进一步的，所述非共沸工质采用烷烃类有机工质的二元或多元混合物。由上述结构可知，非共沸工质是由两种及以上的有机纯工质混合而成。不同有机纯工质的混合导致非共沸工质在换热过程中会出现温度滑移现象，从而改善循环与冷热源的温度匹配。一些学者利用非共沸工质的温度滑移现象来改善冷凝过程中循环与冷源的温度匹配，减少冷凝过程的火用损失，但目前对非共沸工质的研究主要基于ORC系统，未见非共沸工质OFC系统相关方面的研究。众多关于非共沸工质ORC的研究均表明非共沸工质能够有效改善循环与冷源间的温度匹配。

进一步的，所述非共沸工质采用二氧化碳与一种或多种烷烃类有机工质的组成的二元或多元混合物。由上述结构可知，本发明引入非共沸工质，扩大了工质的遴选范围，同时改善循环与冷源的温度匹配，实现不同工质组元的优势互补。

进一步的，所述非共沸工质采用二氧化碳、甲苯、R152a、R142b、R22、R123、R134a、R245fa、丙烷、R143a、R32、R23、戊烷、异戊烷、正戊烷、正己烷、丁烷和异丁烷中的两种或超过两种组成的二元或多元混合物。

一种非共沸工质双级有机闪蒸循环系统的热能回收方法，采用上述所述的一种非共沸工质双级有机闪蒸循环系统，包括吸收余热步骤、热能利用步骤和工质冷却步骤；吸收余热步骤具体为：工质从冷凝器的热流体侧出口出来，经工质泵加压后进入换热器的冷流体侧进口，工质在换热器内与从换热器的热流体侧进口输入并从换热器的热流体侧出口输出的余热介质换热；热能利用步骤具体为：工质从换热器的冷流体侧出口出来，经第一节流阀节流后进入高压级气液分离器的进口，工质在高压级气液分离器内实现高压级闪蒸，闪蒸后的饱和蒸汽进入高压级透平膨胀做功，饱和液体则通过第二节流阀再次节流变成气液混合物，该气液混合物和高压级透平的出口出来的乏气在高压级混合器内混合，接着共同进入低压级气液分离器实现低压级闪蒸，闪蒸后的饱和蒸汽进入低压级透平膨胀做功，饱和液体则通过第三节流阀节流变成气液混合物，该气液混合物和低压级透平的出口出来的乏气在低压级混合器内混合；工质冷却步骤具体为：气液混合物和低压级透平的出口出来的乏气混合后，共同进入冷凝器的热流体侧进口在冷凝器内冷却，并从工质从冷凝器的热流体侧出口出来。由上述结构可知，本发明根据低温余热温度、当地气候条件、循环流量等优选循环工质，按任务要求将双级OFC与非共沸工质相结合。一方面，当OFC系统采用双级闪蒸循环后，能够充分利用饱和液体的剩余热量，增加进入透平膨胀做功的工质的量。另一方面，非共沸的采用，既能够有效改善冷凝过程中循环与冷源的温度匹配，同时还能实现其组元纯工质的优势互补，扩大工质的遴选范围。因此非共沸工质双级OFC能够有效减少单级OFC直接节流所造成的火用损失，同时改善循环与冷源的温度匹配，提高系统效率，实现中低温热能的梯级高效利用。

本发明的有益效果是：

1、本发明引入非共沸工质，改善了系统相变换热温度匹配程度，并扩大了工质的遴选范围，实现不同工质组元的优势互补。

2、本发明采用双级闪蒸改善冷源源与循环的温度匹配，减少单级OFC直接节流所造成的火用损失，提高系统效率，实现中低温热能的梯级高效利用。

3、所研究的非共沸工质双级OFC系统结合了双级OFC与非共沸工质的优点，能够有效减少系统火用损失，实现中低温热能的有效利用。通过对非共沸工质双级OFC系统的循环与冷源的匹配特性、两级闪蒸特点以及工质组分、运行参数与设备结构的耦合机制的研究，本发明能够为非共沸工质双级OFC系统的应用提供理论基础与技术支撑。

4、本发明能用于回收所有的余热资源，包括工业废气、废水、生物质热能、太阳能以及地热等各种形式的余热。同时也对实现节能减排、改善能源结构具有重要意义。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

附图中：1-冷凝器、2-工质泵、3-换热器、4-第一节流阀、5-高压级气液分离器、6-高压级透平、8-高压级混合器、7-第二节流阀、9-低压级气液分离器、10-低压级透平、12-低压级混合器、11-第三节流阀、13-冷却塔、14-冷却水泵。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式，对本发明进一步详细说明，但是本发明不局限于以下实施例。

实施例一：

见附图1。一种非共沸工质双级有机闪蒸循环系统，包括冷凝器1、工质泵2、换热器3、第一节流阀4、高压级气液分离器5、高压级透平6、高压级混合器8、第二节流阀7、低压级气液分离器9、低压级透平10、低压级混合器12和第三节流阀11；所述冷凝器1的热流体侧出口、工质泵2和换热器3的冷流体侧进口通过管路依次连接；所述换热器3的冷流体侧出口、第一节流阀4和高压级气液分离器5的进口通过管路依次连接；所述高压级气液分离器5的蒸汽出口通过管路与高压级透平6的进口连接；所述高压级气液分离器5的液体出口、第二节流阀7和高压级混合器8的气液混合物进口通过管路依次连接；所述高压级透平6的出口通过管路与高压级混合器8的乏气进口连接；所述高压级混合器8的出口通过管路与低压级气液分离器9的进口连接；所述低压级气液分离器9的蒸汽出口通过管路与低压级透平10的进口连接；所述低压级气液分离器9的液体出口、第三节流阀11和低压级混合器12的气液混合物进口通过管路依次连接；所述低压级透平10的出口通过管路与低压级混合器12的乏气进口连接；所述低压级混合器12的乏气进口通过管路与冷凝器1的热流体侧进口连接；所述换热器3的热流体侧进口用于输入余热介质，并从换热器3的热流体侧出口输出。由上述结构可知，工作原理：工质从冷凝器1的热流体侧出口出来，经工质泵2加压后进入换热器3的冷流体侧进口，工质在换热器3内与从换热器3的热流体侧进口输入并从换热器3的热流体侧出口输出的余热介质换热，工质吸收余热热量达到饱和液体状态；工质从换热器3的冷流体侧出口出来，经第一节流阀4节流后进入高压级气液分离器5的进口，工质在高压级气液分离器5内实现高压级闪蒸，闪蒸后的饱和蒸汽进入高压级透平6膨胀做功，饱和液体则通过第二节流阀7再次节流变成气液混合物，节流压力与高压级透平6出口处乏气压力一致，该气液混合物和高压级透平6的出口出来的乏气在高压级混合器8内混合，接着共同进入低压级气液分离器9实现低压级闪蒸，闪蒸后的饱和蒸汽进入低压级透平10膨胀做功，饱和液体则通过第三节流阀11节流变成气液混合物，节流阀11节流至冷凝压力，该气液混合物和低压级透平10的出口出来的乏气在低压级混合器12内混合；气液混合物和低压级透平10的出口出来的乏气混合后，共同进入冷凝器1的热流体侧进口在冷凝器1内冷却，将热量释放给冷却介质后冷凝成液体，并从工质从冷凝器1的热流体侧出口出来，完成循环。本发明紧密结合国家对节能减排、优化能源结构的需求，提出非共沸工质双级OFC中低温热能回收新思路，能够实现中低温热能的高效梯级利用，对减少化石能源消耗、节能减排以及优化能源结构具有重要意义。能用于回收所有的余热资源，包括工业废气、废水、生物质热能、太阳能以及地热等各种形式的余热。

实施例二：

见附图1。一种非共沸工质双级有机闪蒸循环系统，包括冷凝器1、工质泵2、换热器3、第一节流阀4、高压级气液分离器5、高压级透平6、高压级混合器8、第二节流阀7、低压级气液分离器9、低压级透平10、低压级混合器12和第三节流阀11；所述冷凝器1的热流体侧出口、工质泵2和换热器3的冷流体侧进口通过管路依次连接；所述换热器3的冷流体侧出口、第一节流阀4和高压级气液分离器5的进口通过管路依次连接；所述高压级气液分离器5的蒸汽出口通过管路与高压级透平6的进口连接；所述高压级气液分离器5的液体出口、第二节流阀7和高压级混合器8的气液混合物进口通过管路依次连接；所述高压级透平6的出口通过管路与高压级混合器8的乏气进口连接；所述高压级混合器8的出口通过管路与低压级气液分离器9的进口连接；所述低压级气液分离器9的蒸汽出口通过管路与低压级透平10的进口连接；所述低压级气液分离器9的液体出口、第三节流阀11和低压级混合器12的气液混合物进口通过管路依次连接；所述低压级透平10的出口通过管路与低压级混合器12的乏气进口连接；所述低压级混合器12的乏气进口通过管路与冷凝器1的热流体侧进口连接；所述换热器3的热流体侧进口用于输入余热介质，并从换热器3的热流体侧出口输出。由上述结构可知，工作原理：工质从冷凝器1的热流体侧出口出来，经工质泵2加压后进入换热器3的冷流体侧进口，工质在换热器3内与从换热器3的热流体侧进口输入并从换热器3的热流体侧出口输出的余热介质换热，工质吸收余热热量达到饱和液体状态；工质从换热器3的冷流体侧出口出来，经第一节流阀4节流后进入高压级气液分离器5的进口，工质在高压级气液分离器5内实现高压级闪蒸，闪蒸后的饱和蒸汽进入高压级透平6膨胀做功，饱和液体则通过第二节流阀7再次节流变成气液混合物，节流压力与高压级透平6出口处乏气压力一致，该气液混合物和高压级透平6的出口出来的乏气在高压级混合器8内混合，接着共同进入低压级气液分离器9实现低压级闪蒸，闪蒸后的饱和蒸汽进入低压级透平10膨胀做功，饱和液体则通过第三节流阀11节流变成气液混合物，节流阀11节流至冷凝压力，该气液混合物和低压级透平10的出口出来的乏气在低压级混合器12内混合；气液混合物和低压级透平10的出口出来的乏气混合后，共同进入冷凝器1的热流体侧进口在冷凝器1内冷却，将热量释放给冷却介质后冷凝成液体，并从工质从冷凝器1的热流体侧出口出来，完成循环。本发明紧密结合国家对节能减排、优化能源结构的需求，提出非共沸工质双级OFC中低温热能回收新思路，能够实现中低温热能的高效梯级利用，对减少化石能源消耗、节能减排以及优化能源结构具有重要意义。能用于回收所有的余热资源，包括工业废气、废水、生物质热能、太阳能以及地热等各种形式的余热。

还包括冷却塔13和冷却水泵14；所述冷却塔13的出口、冷却水泵14和冷凝器1的冷流体侧进口通过管路依次连接；所述冷凝器1的冷流体侧出口通过管路与冷却塔13的进口连接。

所述冷却塔13的进口与冷却塔13内设有的布水管连通；所述冷却塔13的出口与冷却塔13内设有的集水盘连通。由上述结构可知，从冷却塔13的出口出来的冷却水经冷却水泵14输送至冷凝器1的冷流体侧进口对工质进行冷凝，之后返回冷却塔13的进口进入冷却塔13的布水管，经过冷却后进入塔底集水盘，完成一个循环。

所述非共沸工质采用烷烃类有机工质的二元或多元混合物。由上述结构可知，非共沸工质是由两种及以上的有机纯工质混合而成。不同有机纯工质的混合导致非共沸工质在换热过程中会出现温度滑移现象，从而改善循环与冷热源的温度匹配。一些学者利用非共沸工质的温度滑移现象来改善冷凝过程中循环与冷源的温度匹配，减少冷凝过程的火用损失，但目前对非共沸工质的研究主要基于ORC系统，未见非共沸工质OFC系统相关方面的研究。众多关于非共沸工质ORC的研究均表明非共沸工质能够有效改善循环与冷源间的温度匹配。

所述非共沸工质也可以采用二氧化碳与一种或多种烷烃类有机工质的组成的二元或多元混合物。由上述结构可知，本发明引入非共沸工质，扩大了工质的遴选范围，同时改善循环与冷源的温度匹配，实现不同工质组元的优势互补。

所述非共沸工质可以采用二氧化碳、甲苯、R152a、R142b、R22、R123、R134a、R245fa、丙烷、R143a、R32、R23、戊烷、异戊烷、正戊烷、正己烷、丁烷和异丁烷中的两种或超过两种组成的二元或多元混合物。

实施例三：

见附图1。一种非共沸工质双级有机闪蒸循环系统的热能回收方法，采用上述所述的一种非共沸工质双级有机闪蒸循环系统，包括吸收余热步骤、热能利用步骤和工质冷却步骤；吸收余热步骤具体为：工质从冷凝器1的热流体侧出口出来，经工质泵2加压后进入换热器3的冷流体侧进口，工质在换热器3内与从换热器3的热流体侧进口输入并从换热器3的热流体侧出口输出的余热介质换热；热能利用步骤具体为：工质从换热器3的冷流体侧出口出来，经第一节流阀4节流后进入高压级气液分离器5的进口，工质在高压级气液分离器5内实现高压级闪蒸，闪蒸后的饱和蒸汽进入高压级透平6膨胀做功，饱和液体则通过第二节流阀7再次节流变成气液混合物，该气液混合物和高压级透平6的出口出来的乏气在高压级混合器8内混合，接着共同进入低压级气液分离器9实现低压级闪蒸，闪蒸后的饱和蒸汽进入低压级透平10膨胀做功，饱和液体则通过第三节流阀11节流变成气液混合物，该气液混合物和低压级透平10的出口出来的乏气在低压级混合器12内混合；工质冷却步骤具体为：气液混合物和低压级透平10的出口出来的乏气混合后，共同进入冷凝器1的热流体侧进口在冷凝器1内冷却，并从工质从冷凝器1的热流体侧出口出来。由上述结构可知，本发明根据低温余热温度、当地气候条件、循环流量等优选循环工质，按任务要求将双级OFC与非共沸工质相结合。一方面，当OFC系统采用双级闪蒸循环后，能够充分利用饱和液体的剩余热量，增加进入透平膨胀做功的工质的量。另一方面，非共沸的采用，既能够有效改善冷凝过程中循环与冷源的温度匹配，同时还能实现其组元纯工质的优势互补，扩大工质的遴选范围。因此非共沸工质双级OFC能够有效减少单级OFC直接节流所造成的火用损失，同时改善循环与冷源的温度匹配，提高系统效率，实现中低温热能的梯级高效利用。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。