CN116576039A - 一种废热回收利用结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种废热回收利用结构，其用于驱动具有转动轴的工作母机，包括吸热器、蒸汽发生装置、具有储存容器的冷凝器，储存容器内设有蒸发介质，吸热器包括第一管道、第二管道，废热回收利用结构的工作步骤包括：用泵送装置将低热流体送入第一管道，将储存容器内的液态蒸发介质送入第二管道；第一管道内的低热流体与第二管道内的蒸发介质换热，从而使蒸发介质沸腾形成蒸汽；气态的蒸发介质即可驱动工作母机的转动轴转动做功；做功后温度降低的蒸发介质回流到冷凝器降温冷凝成液体；液态的蒸发介质重新被送入第二管道进行循环换热做功。本发明可有效地提升现有热能机械的热量利用效率，并且使热能机械能适应更多的低温热源。

Description

一种废热回收利用结构

技术领域

本发明涉及热能机械技术领域，具体涉及一种废热回收利用结构。

背景技术

我们知道，现有的热能机械通常是通过燃烧煤、油、气等化石原料产生的热量加热水流，继而形成高温高压的蒸汽——即高温流体，接着用高温流体推动工作母机的转动轴转动而做功。例如，典型的火力发电，就是利用蒸汽驱动发电机的转子转动而发电，并向外输出电能。也就是说，热能机械是一种将热能转换成机械能、或者电能的装置。

随着人们环保意识的不断加强，目前出现了大量的水力发电、风力发电、太阳能发电设备，但是，由于受到各种自然条件的限制，上述绿色能源的占比还较低，人们大量使用的还是前述的热能机械

然而，现有的热能机械存在如下技术缺：首先，做功后的蒸汽虽然温度有所降低，但是仍然会有较高的温度，人们还需要通过相应的冷却装置将低温蒸汽冷凝成液态水，从而浪费大量的宝贵热能。也就是说，现有的热能机械的热量利用效率太低。其次，对于一些诸如地下水的“低温“流体热源，因为无法形成高温高压的蒸汽，导致无法直接驱动工作母机的转动轴转动，进而无法充分利用其内部的热能。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种废热回收利用结构，可有效地提升现有热能机械的热量利用效率，并且使热能机械能适应更多的“低温”流体热源。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种废热回收利用结构，其用于驱动具有转动轴的工作母机，包括用于热交换的吸热器、蒸汽发生装置、具有储存容器的冷凝器，所述储存容器内设有流体状的蒸发介质，所述吸热器包括用于流通低热流体的第一管道、用于流通蒸发介质的第二管道，所述蒸发介质的沸点低于150°C，所述低热流体的温度高于蒸发介质的沸点，所述废热回收利用结构的工作步骤包括：

a.用泵送装置将低热流体送入第一管道，将储存容器内的液态蒸发介质送入第二管道；

b.第一管道内的低热流体与第二管道内的蒸发介质换热，从而使蒸发介质沸腾形成蒸汽；

c.气态的蒸发介质即可驱动工作母机的转动轴转动做功；

d.做功后温度降低的蒸发介质回流到冷凝器降温冷凝成液体；

e.液态的蒸发介质重新被送入第二管道进行循环换热做功。

需要说明的是，此处的工作母机可以是发电机或者其它动力机械，而本发明的废热回收利用结构之作用在于将低热流体的热量加热蒸发介质，并使之沸腾汽化然后通过为此，泵送装置先将温度不高的低热流体（诸如热能机械中做功后的残余热水或蒸汽、甚至地热水）送入第一管道，同时将储存容器内的液态蒸发介质送入第二管道。当然，此处蒸发介质的沸点应低于低热流体的温度，从而确保经过热交换后使蒸发介质汽化，继而可通过转动轴使工作母机工作做功，进而有效地提升现有热能机械的热量利用效率，并且使热能机械能适应更多的“低温”流体热源。

特别是，我们可通过合理地选择蒸发介质的材料，使得蒸发介质的沸点低于150°，以确保适应更多的低热流体。

作为优选，所述蒸发介质为无水乙醚、或者正戊烷、或者二氯甲烷。

我们知道，无水乙醚的沸点为34.4℃，正戊烷的沸点是36.1℃，而二氯甲烷的沸点为40℃。也就是说，三种材料的沸点均不高于40℃，从而可使蒸发介质适应更多的低热流体。

作为优选，在第一管道外侧设有若干在周向上均匀分布并呈多头螺旋状的分隔筋片，所述第二管道同轴套设在第一管道外面，从而在第二管道与第一管道之间形成若干被分隔筋片相互隔开的螺旋状流体通道，第二管道、分隔筋片和第一管道一起盘旋弯曲成螺距等于第二管道外径的螺旋状的换热管道，流体通道的中径为换热管道中径的1/5-1/3。

在本方案中，第二管道、分隔筋片和第一管道一起盘旋弯曲成螺旋状的换热管道，在不增加换热管道轴向尺寸的前提下，可最大限度地增加第一管道、第二管道的长度。特别是，在第一管道外侧设有若干在周向上均匀分布并呈多头螺旋状的分隔筋片，从而可形成相互隔开的螺旋状流体通道，并且流体通道的中径为换热管道中径的1/5-1/3。因此，流体通道的长度远大于第一管道、第二管道的长度，继而有效地提升蒸发介质与低热流体的热交换时间和面积，进而使低热流体的热量可充分地传递给蒸发介质。

作为优选，所述工作母机为发电机，包括前后两端具有蒸发介质进口的壳体、设置在壳体内的定子、设置在转动轴上且可相对定子转动的转子，转动轴的前后两端通过轴承分别支承在壳体的前后端部，在转动轴的前后两端分别设有叶轮，在步骤c中，蒸发介质通过蒸发介质进口进入壳体内，继而驱动叶轮带动转子转动而发电。

在本方案中，工作母机为具有转动轴、转子、定子的发电机。这样，与低热流体热交换后汽化的蒸发介质通过蒸发介质进口进入壳体内，继而驱动叶轮带动转子转动而发电。

特别是，转动轴的前后两端通过轴承分别支承在壳体的前后端部，并且转动轴的前后两端分别设有叶轮，因此，可确保转动轴的前后两端的轴向受力和径向受力相互抵消以保持平衡。

作为优选，所述壳体包括设有定子的中段、设有蒸发介质进口的前段和后段，在前段和后段分别设有环形介质通道，所述介质通道一端通过内通道与蒸发介质进口相连通，另一端通过外通道与冷凝器的入口相连通，所述泵送装置包括设置在连接外通道与冷凝器入口的管路上的负压泵。

本发明的壳体采用分体结构，从而方便制造和装配。特别是，在前段和后段内分别设有环形介质通道。这样，经过热交换后形成的汽态蒸发介质可分别通过前段、后段的蒸发介质进口进入壳体内，并驱动叶轮转动，然后蒸发介质通过内通道进入介质通道内，再通过外通道进入冷凝器内冷凝呈液态。由于泵送装置包括设置在连接外通道与冷凝器入口的管路上的负压泵，因此，可在介质通道内形成负压，有利于将蒸发介质“吸出”，避免蒸发介质在壳体内弥漫。

作为优选，所述轴承设置在叶轮和转子之间，轴承包括轴向电磁轴承和径向电磁轴承，转动轴前后两端的轴承对称设置。

由于转动轴前后两端的轴承对称设置，因此，可确保转动轴前后两端的受力均衡。而电磁轴承具有无摩擦、无需润滑呈功效。特别是，轴承设置在叶轮和转子之间，有利于轴承前后两侧叶轮和转子的受力平衡，避免转动轴受力而产生弯曲。

因此，本发明具有如下有益效果：可有效地提升现有热能机械的热量利用效率，并且使热能机械能适应更多的“低温热源。

附图说明

图1热交换装置的一种结构示意图。

图2是吸热器的一种结构示意图。

图3是工作母机的一种结构示意图。

图中：1、吸热器 11、第一管道 12、第二管道 13、分隔筋片 14、流体通道 2、蒸汽发生装置 3、壳体 31、蒸发介质进口 32、定子 33、转动轴 34、转子 35、中段 36、前段 37、后段 38、介质通道 4、轴承 41、轴向电磁轴承 42、径向电磁轴承 5、叶轮。

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

一种废热回收利用结构，其用于回收 “做功后的低温蒸汽、液体、地热水、生物质能、燃气轮机或内燃机尾气、工业炉烟气等低热流体”所包含的热能，然后将回收之热能用于驱动具有转动轴的工作母机，以期达到提升现有热能机械的热量利用效率，并且使热能机械能适应更多的“低温”流体热源之功效。

具体地，如图1、图2所示，废热回收利用结构包括热交换装置、具有储存容器的冷凝器，所述储存容器内设有流体状的蒸发介质，热交换装置包括用于热交换的吸热器1、用于产生蒸汽的蒸汽发生装置2。吸热器包括用于流通低热流体的第一管道11、用于流通蒸发介质的第二管道12。当然，低热流体的温度应高于蒸发介质的沸点，以使蒸发介质能蒸发成蒸汽。由于低热流体的温度通常在90℃～250℃之间，优选地，蒸发介质的沸点低于150°C。此外，废热回收利用结构的工作步骤包括：

a.用泵送装置将低热流体送入第一管道，将储存容器内液态的蒸发介质送入第二管道；

b.第一管道内的低热流体与第二管道内的蒸发介质换热，由于低热流体的温度高于蒸发介质的沸点，从而使蒸发介质升温沸腾形成蒸汽；

c.气态的蒸发介质即可驱动工作母机的转动轴转动做功；

d.做功后温度降低的蒸发介质回流到冷凝器降温冷凝成液体；

e.液态的蒸发介质重新被送入第二管道进行循环换热做功。

由于蒸汽驱动工作母机做功的技术原理属于现有技术，本实施例中不做详细的描述。

可以理解的是，我们可通过合理地选择蒸发介质的材料，使得蒸发介质的沸点低于150°，以便与低热流体的温度相匹配。

优选地，蒸发介质可采用沸点为34.4℃的无水乙醚、或者沸点是36.1℃的正戊烷、或者沸点为40℃的二氯甲烷，从而可使蒸发介质适应更多的低热流体。

作为一种优选方案，我们可在第一管道外侧设置3-4条在周向上均匀分布的分隔筋片13，并且在第一管道的横截面内使分隔筋片沿径向竖直设置。此外，分隔筋片围绕第一管道呈螺旋状。另外，使第二管道同轴套设在第一管道的分隔筋片外面，从而在第二管道与第一管道之间形成若干被分隔筋片相互隔开的螺旋状流体通道14。具体地，分隔筋片的内侧边缘与第一管道的外侧壁密封焊接，分隔筋片的外侧边缘与第二管道的内侧壁密封焊接，接着，第二管道、分隔筋片和第一管道再一起盘旋弯曲成螺旋状的换热管道，优选地，我们可使螺旋状换热管道的螺距等于第二管道的外径。也就是说，螺旋状的换热管道相邻两圈之间相互贴靠在一起，以便在不增加换热管道轴向尺寸的前提下，可最大限度地增加第一管道、第二管道的长度。还有，我们可使流体通道的中径为换热管道中径的1/5-1/3，以使流体通道的长度远大于第一管道、第二管道的长度，继而有效地提升蒸发介质与低热流体的热交换时间和面积，进而使低热流体的热量可充分地传递给蒸发介质，最大限度地利用低热流体的热能。

作为另一种优选方案，如图3所示，工作母机为发电机，具体地，工作母机包括前后两端具有蒸发介质进口31的壳体3、设置在壳体内的定子32、设置在转动轴33上且可相对定子转动的转子34，转动轴的前后两端通过轴承4分别支承在壳体的前后端部。当然，我们还需要在转动轴的前后两端分别设置叶轮5。这样，在步骤c中，当蒸发介质通过蒸发介质进口进入壳体内时，即可驱动各自的叶轮转动，进而带动转子转动而发电。

需要说明是，由于转动轴的前后两端均通过轴承支承在壳体的端部，并且转动轴的前后两端分别设有叶轮，因此，可确保转动轴的前后两端的轴向受力和径向受力相互抵消以保持平衡。

进一步地，壳体采用分体结构，从而方便制造和装配。具体地，壳体包括中段35、拼接装配在中段前端的前段36、拼接装配在中段后端的后段37，并且定子设置在中段内，而前段和后段的开口处形成蒸发介质进口。当然，转动轴应在与定子对应位置设置转子，并且在中段外侧设置环形的冷却通道，以使发电时升温的中段冷却降温。由于发电机的一般结构属于现有技术，本实施例中也不做详细的描述。

此外，在前段和后段对应叶轮位置分别设有环形介质通道38，介质通道一端通过内通道与蒸发介质进口相连通，另一端通过外通道与冷凝器的入口相连通。这样，经过热交换后形成的汽态蒸发介质可分别通过前段、后段的蒸发介质进口进入壳体内，并驱动叶轮转动，然后蒸发介质通过内通道进入介质通道内，再通过外通道回流到冷凝器内冷凝呈液态。另外，泵送装置包括设置在连接外通道与冷凝器入口的管路上的负压泵，从而在介质通道内形成负压，以便将驱动叶轮做功后的蒸发介质“吸出”，避免蒸发介质在壳体内弥漫。

还有，轴承包括轴向电磁轴承41和径向电磁轴承42，转动轴前后两端的轴承对称设置，以确保转动轴前后两端的受力均衡。另外，轴承优选地设置在叶轮和转子之间，既有利于轴承前后两侧叶轮和转子的受力平衡，又可避免转动轴受力而产生弯曲。

Claims (6)

1.一种废热回收利用结构，其用于驱动具有转动轴的工作母机，包括用于热交换的吸热器、蒸汽发生装置、具有储存容器的冷凝器，所述储存容器内设有流体状的蒸发介质，所述吸热器包括用于流通低热流体的第一管道、用于流通蒸发介质的第二管道，其特征是，所述蒸发介质的沸点低于150°C，所述低热流体的温度高于蒸发介质的沸点，所述废热回收利用结构的工作步骤包括：

用泵送装置将低热流体送入第一管道，将储存容器内的液态蒸发介质送入第二管道；

第一管道内的低热流体与第二管道内的蒸发介质换热，从而使蒸发介质沸腾形成蒸汽；

气态的蒸发介质即可驱动工作母机的转动轴转动做功；

做功后温度降低的蒸发介质回流到冷凝器降温冷凝成液体；

液态的蒸发介质重新被送入第二管道进行循环换热做功。

2.根据权利要求1所述的一种废热回收利用结构，其特征是，所述蒸发介质为无水乙醚、或者正戊烷、或者二氯甲烷。

3.根据权利要求2所述的一种废热回收利用结构，其特征是，在第一管道外侧设有若干在周向上均匀分布并呈多头螺旋状的分隔筋片，所述第二管道同轴套设在第一管道外面，从而在第二管道与第一管道之间形成若干被分隔筋片相互隔开的螺旋状流体通道，第二管道、分隔筋片和第一管道一起盘旋弯曲成螺距等于第二管道外径的螺旋状的换热管道，流体通道的中径为换热管道中径的1/5-1/3。

4.根据权利要求1所述的一种废热回收利用结构，其特征是，所述工作母机为发电机，包括前后两端具有蒸发介质进口的壳体、设置在壳体内的定子、设置在转动轴上且可相对定子转动的转子，转动轴的前后两端通过轴承分别支承在壳体的前后端部，在转动轴的前后两端分别设有叶轮，在步骤c中，蒸发介质通过蒸发介质进口进入壳体内，继而驱动叶轮带动转子转动而发电。

5.根据权利要求1所述的一种废热回收利用结构，其特征是，所述壳体包括设有定子的中段、设有蒸发介质进口的前段和后段，在前段和后段分别设有环形介质通道，所述介质通道一端通过内通道与蒸发介质进口相连通，另一端通过外通道与冷凝器的入口相连通，所述泵送装置包括设置在连接外通道与冷凝器入口的管路上的负压泵。

6.根据权利要求1所述的一种废热回收利用结构，其特征是，所述轴承设置在叶轮和转子之间，轴承包括轴向电磁轴承和径向电磁轴承，转动轴前后两端的轴承对称设置。