CN106703908A - 一种带有相变储能换热器的朗肯循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种带有相变储能换热器的朗肯循环系统；所述系统包括依次串接的过热换热器，热功转换设备，冷凝换热器和泵，所述热功转换设备与发电机相连；所述系统还包括相变储能换热器和预热换热器；所述相变储能换热器的一端与所述预热换热器的一端相连，其另一端与所述过热换热器相连；所述预热换热器的另一端连接所述泵。本发明提供的朗肯循环系统将相变储能换热器与现有的朗肯循环技术相结合，保证循环中工质蒸发阶段与传热介质的传热温差较小，并传热温差保持不变，减小了系统火用损。

Description

一种带有相变储能换热器的朗肯循环系统

技术领域

本发明涉及一种朗肯循环系统，具体涉及一种带有相变储能换热器的朗肯循环系统，属于能源与动力技术领域。

背景技术

朗肯循环是一种将热能转化为功的热力学循环。郎肯循环从外界吸收热量，将其闭环的工质加热做功。朗肯循环有以下四个过程：

1、工质被泵压缩，液体会从低压上升至高压，成为高压液；

2、高压液被加热，在恒定压力下，高压液吸收了外部热源成为饱和蒸汽或过热蒸汽；

3、蒸汽膨胀后，会推动涡轮机发电，蒸汽的温度和压力因此减少，并成为湿蒸汽；

4、湿蒸汽然后进入冷凝器，被冷凝成为饱和液体或过冷液体。

相变储能换热器是将相变材料PCM封装于换热器中，外部可对其充热或放热，并且在一定条件下，充放热过程可保持温度恒定。

郎肯循环产生世界上90％的电力，包括几乎所有的太阳能热能，生物质能，煤炭与核能的电站。在太阳能热利用领域，尤其是太阳能热发电领域中，由于太阳辐照的强烈的不连续性和不稳定性，系统的运行也具有强烈的波动性和间歇性。为保证太阳能热利用系统稳定运行，弥补能源的供应和需求之间存在的数量上、形态上、时间和空间上的差异，太阳能热利用系统中一般都带有储热系统。储热系统可将白天的太阳辐照转换为热量储存起来，在没有太阳辐照时再把热量释放出来利用。尤其对于太阳能热发电系统，储热系统的引入不仅可以解决太阳能的可用性与电力需求不匹配的矛盾，对太阳能“移峰填谷”以延长系统发电时间，优化使用可再生能源和提高太阳能在能量利用中的份额和能源效率，而且可以有效地稳定系统运行和提高系统发电效率。

目前太阳能热利用领域中可以选择的储热方式主要包括三种：显热储热、相变潜热储热和化学能储热。基于显热储热的储热系统主要有两种：双罐储热系统和单罐储热系统。双罐储热系统中有一个热罐和一个冷罐，储热时通过泵将冷罐内的液体介质抽出，在其吸收热量后将之存储在热罐内，放热时通过泵将热罐内的高温介质抽出，在其释放热量后将之泵回冷罐。单罐储热系统只有一个储热罐。放热时高温储热工质在罐的顶部被高温泵抽出，经过换热器放热冷却后，由罐底部进入罐内；充热时低温储热工质在罐的底部被低温泵抽出，经过换热器加热后，由罐的顶部进入罐内。

现有双罐及单罐储热系统等均属常规的显热储热技术，在工质的相变过程中，工质温度保持不变，而传热流体的温度逐步降低，此过程中传热温差大，系统火用损大。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供一种带有相变储能换热器的朗肯循环系统，该朗肯循环系统可分级加热工质，将相变储能换热器应用于工质的蒸发阶段，可保证工质蒸发过程中与传热介质温差保持恒定，减少系统火用损。

本发明提供的技术方案是：一种带有相变储能换热器的朗肯循环系统；所述系统包括依次串接的过热换热器，热功转换设备，冷凝换热器和泵，所述热功转换设备与发电机相连；其改进之处在于：所述系统还包括相变储能换热器和预热换热器；所述相变储能换热器的一端与所述预热换热器的一端相连，其另一端与所述过热换热器相连；所述预热换热器的另一端连接所述泵。

优选的，所述系统还包括蒸发换热器，所述蒸发换热器的两端分别串接第一开关阀后与两端分别串接有第二开关阀的所述相变储能换热器并联。

进一步，所述蒸发换热器、过热换热器和预热换热器均包括一次进口、一次出口、二次进口和二次出口；所述蒸发换热器的二次进口和二次出口分别串接所述第一开关阀，其一次进口和一次出口分别连接所述过热换热器的一次出口和所述预热换热器的一次进口；

所述过热换热器的二次进口通过所述第二开关阀与所述相变储能换热器的一端相连，其二次出口与热功转换设备的一端相连；所述预热换热器的二次进口与泵的一端相连，其二次出口通过所述第二开关阀与所述相变储能换热器的另一端相连。

进一步，所述过热换热器的一次进口和所述预热换热器的一次出口与太阳能供热系统相连。

进一步，所述太阳能供热系统包括热罐、太阳能集热器和冷罐；所述太阳能集热器的两端分别连接所述热罐的一端和所述冷罐的一端；所述热罐的另一端与所述过热换热器的一次进口相连；所述冷罐的另一端与所述预热换热器的一次出口相连。

进一步，预热换热器和/或过热换热器和/或冷凝换热器至少设置有两个，换热器之间采用串联、并联或混合方式连接。

进一步，工质经过泵升压后进入预热换热器，经预热换热器加热到饱和液态；饱和液态的工质进入相变储能换热器或蒸发换热器，经相变储能换热器恒温加热到饱和气态后或经蒸发换热器加热到饱和气态后进入过热换热器；过热换热器将饱和气态工质加热到过热蒸汽，过热蒸汽进入热功转换设备，使热功转换设备做功带动发电机发电；热功转换设备做功后的过热蒸汽变为湿蒸汽，进入冷凝换热器冷凝成饱和液体或过冷液体，再次经过泵升压完成一次朗肯循环。

进一步，所述工质为单一组分的工质或混合物工质；所述相变储能换热器的相变材料与工质蒸发温度相匹配。

进一步，所述热罐内存储高温集热介质；所述冷罐内存储低温集热介质；所述太阳能集热器吸收太阳能，用于给集热介质升温；

所述低温集热介质从所述冷罐中抽出进入所述太阳能集热器，在所述太阳能集热器内变为高温集热介质后进入热罐中储存起来，同时热罐中抽出部分高温集热介质进入过热换热器放热，加热进入到过热换热器内的饱和气态工质，使之变为过热蒸汽，驱动热功转换设备带动发电机发电；高温集热介质放热后变为低温集热介质再次进入冷罐。

进一步，所述相变储能换热器的加热方式来源于太阳能加热、电加热或内设传热管道加热中的任意一种。

与最接近的现有技术相比，本发明具有如下显著进步：

本发明提供的技术方案将相变储能换热器与传统的朗肯循环系统相结合，将循环工质进行分级加热，将相变储能换热器应用于朗肯循环回路工质的蒸发阶段，利用相变储能换热器中相变材料相变时温度保持恒定的特性，使得传热介质和工质的传热温差较小，且传热温差保持不变，有效减小了系统火用损。

附图说明

图1为传统朗肯循环系统图。

图2为本发明提供的带有相变储能换热器的朗肯循环系统图。

图3为本发明实施例的结构示意图。

图中标号：1-泵、2-工质回路、3-冷凝换热器、4-热功转换设备、5-发电机、6-换热器、6a-预热换热器、6b-相变储能换热器、6c-过热换热器、6d-蒸发换热器、7-传热流体回路、8-热罐、9-太阳能集热器、10-冷罐。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

为了彻底了解本发明实施例，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明实施例的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

图1为传统朗肯循环系统图，本实施例提供的朗肯循环系统在传统朗肯循环系统中增加了相变储能换热器6b和预热换热器6a，其结构如图2所示。所述朗肯循环系统包括依次串接的过热换热器6c，热功转换设备4，冷凝换热器3和泵1，所述热功转换设备4与发电机5相连；相变储能换热器6b和预热换热器6a串联连接后一端与所述过热换热器6c相连，另一端与所述泵1连接。

其中预热换热器6a、过热换热器6c和冷凝换热器3均设置有一个或多个；换热器之间采用串联、并联或混合方式连接。

工质经过泵1升压后进入预热换热器6a，经预热换热器6a加热到饱和液态，饱和液态的工质进入相变储能换热器6b，经相变储能换热器6b恒温加热到饱和气态后进入过热换热器6c，过热换热器6c将饱和气态工质加热到过热蒸汽，过热蒸汽进入热功转换设备4，使热功转换设备4做功带动发电机5发电；热功转换设备4做功后的过热蒸汽变为湿蒸汽，进入冷凝换热器3冷凝成饱和液体或过冷液体，再次经过泵1升压完成一次朗肯循环。

上述步骤中工质采用单一组分的工质(例如水)或混合物工质作为循环介质。预热后的饱和液态工作进入相变储能换热器6b，相变储能换热器6b中的相变材料与工质蒸发温度相匹配，利用相变储能换热器6b中相变材料相变时温度保持恒定的特性，使得传热介质和工质的传热温差较小，且传热温差保持不变，可减小系统火用损。

所述相变储能换热器6b的加热方式采用太阳能加热、电加热或内设传热管道加热等方式。

本发明提供的另一实施例如图3所示：在附图2的基础上增加蒸发换热器6d；蒸发换热器6d的两端分别串接第一开关阀后与两端分别串接有第二开关阀的所述相变储能换热器6b并联。

所述蒸发换热器6d、过热换热器6c和预热换热器6a均包括一次进口、一次出口、二次进口和二次出口；所述蒸发换热器6d的二次进口和二次出口分别串接所述第一开关阀，其一次进口和一次出口分别连接所述过热换热器6c的一次出口和所述预热换热器6a的一次进口；

所述过热换热器6c的二次进口通过所述第二开关阀与所述相变储能换热器6b的一端相连，其二次出口与热功转换设备4的一端相连；所述预热换热器6a的二次进口与泵1的一端相连，其二次出口通过所述第二开关阀与所述相变储能换热器6b的另一端相连；

所述过热换热器6c的一次进口和所述预热换热器6a的一次出口与太阳能供热系统相连，利用太阳能供热系统给相变储能换热器6b供热。

所述太阳能供热系统包括依次串接的热罐8、太阳能集热器9和冷罐10；所述热罐8的另一端与所述过热换热器6c的一次进口相连；所述冷罐10的另一端与所述预热换热器6a的一次出口相连。

所述热罐8内存储高温集热介质；所述冷罐10内存储低温集热介质；所述太阳能集热器9吸收太阳能，用于给集热介质升温；

白天太阳充足时，低温集热介质从所述冷罐10中抽出进入所述太阳能集热器9，在所述太阳能集热器9内变为高温集热介质后进入热罐8中储存起来，同时热罐8中抽出部分高温集热介质进入过热换热器6c放热，加热进入到过热换热器6c内的饱和气态工质，使之变为过热蒸汽，驱动热功转换设备4带动发电机5发电；高温集热介质放热后变为低温集热介质经过传热流体回路7再次进入冷罐10；

晚上太阳能不足时，白天储存的多余的高温集热介质可保证一段时间的供热量。

本发明提供的第二种实施例有两种运行方式：

(1)相变储能换热器6b充热后，可开启其所在工质回路2，关闭蒸发换热器6d工质回路2，工质经过预热换热器6a预热成饱和液态后进入相变储能换热器6b，吸收相变材料能量变成饱和气态，再进入过热换热器6c加热成过热蒸汽，通过热功转换热备4做功并带动发电机5发电，最后通过冷凝换热器3冷凝，此种运行方式系统火用损小。

(2)相变储能换热器6b放热后，关闭其所在工质回路2，开启蒸发换热器6d所在工质回路2。此时，系统工质加热阶段由常规换热器进行换热。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带有相变储能换热器的朗肯循环系统；所述系统包括依次串接的过热换热器，热功转换设备，冷凝换热器和泵，所述热功转换设备与发电机相连；其特征在于：所述系统还包括相变储能换热器和预热换热器；所述相变储能换热器的一端与所述预热换热器的一端相连，其另一端与所述过热换热器相连；所述预热换热器的另一端连接所述泵。

2.根据权利要求1所述的朗肯循环系统，其特征在于：

所述系统还包括蒸发换热器，所述蒸发换热器的两端分别串接第一开关阀后与两端分别串接有第二开关阀的所述相变储能换热器并联。

3.根据权利要求2所述的朗肯循环系统，其特征在于：

所述蒸发换热器、过热换热器和预热换热器均包括一次进口、一次出口、二次进口和二次出口；所述蒸发换热器的二次进口和二次出口分别串接所述第一开关阀，其一次进口和一次出口分别连接所述过热换热器的一次出口和所述预热换热器的一次进口；

所述过热换热器的二次进口通过所述第二开关阀与所述相变储能换热器的一端相连，其二次出口与热功转换设备的一端相连；所述预热换热器的二次进口与泵的一端相连，其二次出口通过所述第二开关阀与所述相变储能换热器的另一端相连。

4.根据权利要求3所述的朗肯循环系统，其特征在于：

所述过热换热器的一次进口和所述预热换热器的一次出口与太阳能供热系统相连。

5.根据权利要求4所述的朗肯循环系统，其特征在于：

所述太阳能供热系统包括热罐、太阳能集热器和冷罐；所述太阳能集热器的两端分别连接所述热罐的一端和所述冷罐的一端；所述热罐的另一端与所述过热换热器的一次进口相连；所述冷罐的另一端与所述预热换热器的一次出口相连。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的朗肯循环系统，其特征在于：

预热换热器和/或过热换热器和/或冷凝换热器至少设置有两个，换热器之间采用串联、并联或混合方式连接。

7.根据权利要求2-5中任意一项所述的朗肯循环系统，其特征在于：

工质经过泵升压后进入预热换热器，经预热换热器加热到饱和液态；饱和液态的工质进入相变储能换热器或蒸发换热器，经相变储能换热器恒温加热到饱和气态后或经蒸发换热器加热到饱和气态后进入过热换热器；过热换热器将饱和气态工质加热到过热蒸汽，过热蒸汽进入热功转换设备，使热功转换设备做功带动发电机发电；热功转换设备做功后的过热蒸汽变为湿蒸汽，进入冷凝换热器冷凝成饱和液体或过冷液体，再次经过泵升压完成一次朗肯循环。

8.根据权利要求7所述的朗肯循环系统，其特征在于：

所述工质为单一组分的工质或混合物工质；所述相变储能换热器的相变材料与工质蒸发温度相匹配。

9.根据权利要求5所述的朗肯循环系统，其特征在于：

所述热罐内存储高温集热介质；所述冷罐内存储低温集热介质；所述太阳能集热器吸收太阳能，用于给集热介质升温；

所述低温集热介质从所述冷罐中抽出进入所述太阳能集热器，在所述太阳能集热器内变为高温集热介质后进入热罐中储存起来，同时热罐中抽出部分高温集热介质进入过热换热器放热，加热进入到过热换热器内的饱和气态工质，使之变为过热蒸汽，驱动热功转换设备带动发电机发电；高温集热介质放热后变为低温集热介质再次进入冷罐。

10.根据权利要求7所述的朗肯循环系统，其特征在于：

所述相变储能换热器的加热方式来源于太阳能加热、电加热或内设传热管道加热中的任意一种。