利用工业余热驱动ORC系统的相变蒸发器技术方案

本发明专利技术公开了一种利用工业余热驱动ORC系统的相变蒸发器，顺着有机工质流动方向设有预热段、蒸发段和过热段，在预热段、蒸发段和过热段内贯穿有采用逆流换热的余热侧换热管和工质侧换热管，工质侧换热管位于余热侧换热管的上方；预热段、蒸发段和过热段采用绝热隔板隔开，在预热段内的余热侧换热管和有机工质侧换热管之间填充有与预热段工质温度相匹配的相变材料Ⅰ，在蒸发段内的余热侧换热管和有机工质侧换热管之间填充有与蒸发段工质温度相匹配的相变材料Ⅱ，在过热段内的余热侧换热管和有机工质侧换热管之间填充有与过热段工质温度相匹配的相变材料Ⅲ。本发明专利技术能够保证ORC系统连续稳定性运行。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种驱动ORC系统的相变蒸发器，特别是涉及一种基于相变蓄热技术利用工业余热驱动ORC系统的相变蒸发器。
技术介绍
随着社会的进步、经济的发展，能源的的需求量不断增长。一方面，传统能源难以满足急剧上升的能耗需求，另一方面能源的利用率偏低，大量的工业余热被排放，不仅造成了能源的大量消耗，同时也对环境造成了很大的污染。有机郎肯循环系统(ORC)，是指在传统循环中工质采用有机工质，将低品位热能转化为电能。ORC系统由于所使用的工质沸点较低，可以在低沸点下获得较高的蒸汽压力，推动汽轮机做工，有助于提高能源的总利用率，解决能源的紧缺问题。同时，ORC系统降低了C02、S02、N0x的排放，因此，有机郎肯循环可以作为余热回收、节能减排的有效手段。余热资源，作为一种新型能源，具有极大的利用潜力，尤其是中低温工业余热储量十分巨大，将工业余热作为ORC循环的热源，不仅能够使能源的利用率得到极大的提高，同时也会减少污染物的排放，对节能减排具有巨大意义。但是，利用余热资源作为ORC循环的热源存在着一些问题，余热资源的温度波动较大，难以保证ORC系统运行的稳定性，此外余热资源存在着间歇性，不能保证ORC系统连续运行。这些问题都会导致ORC系统的效率降低。
技术实现思路
本专利技术为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种利用工业余热驱动ORC系统的相变蒸发器，采用该相变蒸发器利用余热资源作为ORC循环的热源驱动ORC系统，能够保证ORC系统连续稳定性运行。本专利技术为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是:一种利用工业余热驱动ORC系统的相变蒸发器，顺着有机工质流动方向设有预热段、蒸发段和过热段，在所述预热段、所述蒸发段和所述过热段内贯穿有采用逆流换热的余热侧换热管和工质侧换热管，所述工质侧换热管位于所述余热侧换热管的上方；所述预热段、所述蒸发段和所述过热段采用绝热隔板隔开，在所述预热段内的所述余热侧换热管和所述有机工质侧换热管之间填充有与预热段工质温度相匹配的相变材料I，在所述蒸发段内的所述余热侧换热管和所述有机工质侧换热管之间填充有与蒸发段工质温度相匹配的相变材料II，在所述过热段内的所述余热侧换热管和所述有机工质侧换热管之间填充有与过热段工质温度相匹配的相变材料III。所述余热侧换热管和所述有机工质侧换热管均采用盘管，并且在所述盘管外加装有肋片。该相变蒸发器的外壳是采用绝热材料制成的。本专利技术具有的优点和积极效果是:在余热资源充足时，相变材料一方面作为传热介质进行余热与有机工质之间的换热，同时相变材料也作为蓄热介质蓄存大量的热量；在余热资源匮乏时，相变材料蓄存的热量能够作为ORC系统的热源。在相变蒸发器内，换热与蓄热同时进行。通过相变材料的加入，利用相变材料相变温度恒定，潜热大的特点，可以克服余热热源不稳定的缺点，为ORC系统提供相对稳定持续的热源。本专利技术能够极大的克服余热资源不稳定以及间歇性的问题，保证ORC系统持续、稳定的运行，极大的提高ORC系统的效率。【附图说明】图1为本专利技术的结构示意图；图2为应用本专利技术的ORC系统工作原理图。图中:1、相变蒸发器，1-1、预热段，1-2、蒸发段，1-3、过热段，1_4、余热侧换热管，1-5、工质侧换热管，1-6、绝热隔板，1-7、相变材料I，1-8、相变材II，1-9、相变材料III，2、膨胀机，3、冷凝器，4、工质栗，5、冷却塔，6、循环水栗。【具体实施方式】为能进一步了解本专利技术的
技术实现思路
、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下:请参阅图1?图2，一种利用工业余热驱动ORC系统的相变蒸发器，顺着有机工质流动方向设有预热段1-1、蒸发段1-2和过热段1-3，在所述预热段1-1、所述蒸发段1-2和所述过热段1-3内贯穿有采用逆流换热的余热侧换热管1-4和工质侧换热管1-5，所述工质侧换热管1-5位于所述余热侧换热管1-4的上方；所述预热段1-1、所述蒸发段1-2和所述过热段1-3采用绝热隔板1-6隔开，在所述预热段1-1内的所述余热侧换热管1-4和所述有机工质侧换热管1-5之间填充有与预热段工质温度相匹配的相变材料I 1-7，在所述蒸发段1-2内的所述余热侧换热管1-4和所述有机工质侧换热管1-5之间填充有与蒸发段工质温度相匹配的相变材料II 1-8，在所述过热段1-3内的所述余热侧换热管1-4和所述有机工质侧换热管1-5之间填充有与过热段工质温度相匹配的相变材料III 1-9。在本实施例中，为了强化换热，所述余热侧换热管1-4和所述有机工质侧换热管1-5均采用盘管，并且在所述盘管外加装有肋片，管材采用高导热系数的材料。为了尽可能保证热量不散失，使余热全部被有机工质以及相变材料吸收。该相变蒸发器I的外壳是采用绝热材料制成的。请参阅图1?图2，应用本专利技术的ORC系统的工作原理:余热与有机工质在相变蒸发器I内部进行换热，有机工质经过预热、蒸发和过热过程成为高温高压气体，进入膨胀机2，推动膨胀机2做工，将热能转化为机械能，机械能再通过发电机转化为电能。经过膨胀机2的工质变为低温低压气体，然后经过冷凝器3，经过遇冷、冷凝、过冷区段成为液态，再由工质栗4循环至相变蒸发器I进行下一次循环。整个冷却过程采用循环水冷却法，水通过冷却塔5进行冷却，采用循环水栗6推动冷却水循环。相变蒸发器的大小根据ORC机组的大小来选择。本专利技术的工作原理:余热与有机工质采用逆流换热，顺着有机工质流动方向，有机工质温度逐渐升高，根据有机工质的状态，将整个蒸发器分为预热段、蒸发段、过热段。在预热段、蒸发段、过热段分别填充相变材料1、相变材料II和相变材料III，相变材料I的相变温度最低，相变材料III的相变温度最高，相变材料II的相变温度居中。不同的相变材料之间用绝热隔板隔开。相变材料的选择要满足系统的温度要求，同时应具有良好的稳定性。三种相变材料的相变温度依次增高，每种相变材料之间用绝热隔板隔开。每个区段内相变材料的相变温度都应该与该区段工质温度要求相匹配，通过梯级相变换热的手段，能够提升换热温差，强化换热，同时能够尽可能保证每个区段有机工质温度的稳定。对于系统的稳定运行具有积极意义。同时，相变材料在传热的同时会蓄存大量的潜热，在余热匮乏时，能够直接作为ORC的热源。相变材料的加入能够缓解余热温度波动较大以及间歇性的问题，始终提供一个温度较为恒定的热源。工质侧换热管1-5布置于相变蒸发器I的上部，余热侧换热管1-4布置于相变蒸发器I的下部，在相变材料的熔化过程中，由于密度的变化，高温液态相变材料由于密度较小，会在浮升力的作用下向上运动，高温液态相变材料与工质侧换热管换热，放热凝固后会向下沉积，下沉至余热侧换热管时吸热熔化再度上浮，形成动态循环。本专利技术在余热资源充足情况下的工作模式:工业余热通过余热侧换热管1-4流入相变蒸发器1，有机工质沿与余热相反的方向通过工质侧换热管1-5流入相变蒸发器I。相变蒸发器I内的相变材料从余热侧换热管1-4吸收热量，逐渐熔化，高温液态相变材料的密度要小于固态相变材料的密度，在浮升力的作用下，高温液态相变材料会向上运动，当液态相变材料与工质侧换热管1-5接触后，放热凝固，由于密度增大，固态相变材料会向下沉积，当与余热侧换热管1-4接触换热后，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用工业余热驱动ORC系统的相变蒸发器，顺着有机工质流动方向设有预热段、蒸发段和过热段，在所述预热段、所述蒸发段和所述过热段内贯穿有采用逆流换热的余热侧换热管和工质侧换热管，其特征在于，所述工质侧换热管位于所述余热侧换热管的上方；所述预热段、所述蒸发段和所述过热段采用绝热隔板隔开，在所述预热段内的所述余热侧换热管和所述有机工质侧换热管之间填充有与预热段工质温度相匹配的相变材料Ⅰ，在所述蒸发段内的所述余热侧换热管和所述有机工质侧换热管之间填充有与蒸发段工质温度相匹配的相变材料Ⅱ，在所述过热段内的所述余热侧换热管和所述有机工质侧换热管之间填充有与过热段工质温度相匹配的相变材料Ⅲ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵军，赵栋，安青松，王永真，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12