一种减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统及控制方法，在本系统的工作过程中，电子控制单元通过温度传感器与流量传感器分别监测热源温度及流量，从而控制电控三通阀的连通状态、空气加热器的功率、气泵的转速以及工质泵的转速，使加热空气与热源有效混合换热后再进入有机朗肯循环系统进行发电。本发明专利技术可有效地减缓热源波动对有机朗肯循环带来的负面影响，使有机朗肯循环系统能够安全高效地回收波动性余热。同时采用级联相变储热蒸发器及工质预热方法，能够进一步提高余热能量利用率。

【技术实现步骤摘要】
一种减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统及控制方法
本专利技术涉及余热回收及相变储热领域，尤其涉及一种减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统及控制方法。
技术介绍
结构简单、效率高且适应性强的有机朗肯循环系统是余热发电领域应用中重要技术之一。而广泛余热都具有波动性的特点，包括热源波动及流量波动，较大的热源波动严重影响到有机朗肯循环系统安全高效地运行。因此，如何有效地减小热源波动影响对有机朗肯循环系统的进一步推广应用至关重要。在传统的余热回收系统中，通常采用设置旁通阀或储热罐的方法来降低热源波动的影响。传统减小热源波动的方法存在占用空间体积大且克服热源波动效果有限而造成余热系统效率偏低等问题。因此，在已知余热热源温度和流量波动范围的情况下，包括波动热源的平均温度和平均流量及温度上下限和流量上下限，本专利技术提出了一种新型的减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统及控制方法。通过研究结果表明，热源温度波动影响较流量波动占主要影响，并且随热源平均流量的增大，温度波动的影响愈加明显。基于此现象，本专利技术利用热空气与热源混合并结合相变储热型蒸发器的方式，针对热源不同的温度波动与流量波动状况，实施不同的控制方法，能够减缓热源波动影响的同时保证了能量利用率，从而使有机朗肯循环系统能够安全且高效地运行。
技术实现思路
本专利技术针对余热热源波动影响有机朗肯循环系统的安全及效率的问题，提出了一种减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统及控制方法。此系统可有效减缓余热波动包括流量波动和温度波动，使有机朗肯循环在稳定状态下工作并高效率地输出有效功。一种减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统包括空气加热器、气泵、第一温度传感器、第一流量传感器、热源、第二温度传感器、第二流量传感器、电控三通阀、电子控制单元、相变储热蒸发器、膨胀机、发电机、冷凝器、工质泵、蒸发器、储液罐、气液分离装置；热源通过热源流道与相变储热蒸发器热源流道入口连接，热源流道上设置有电控三通阀，气泵、空气加热器与、电控三通阀的一个入口依次顺次连接，电控三通阀设置于空气加热器流道与热源流道的交界处，相变储热蒸发器工质流道出口与气液分离装置入口连接；第一流量传感器和第一温度传感器布置于空气加热器与电控三通阀之间，监测空气加热器输出空气的流量和温度，电控三通阀控制是否将热空气与热源混合。第二流量传感器和第二温度传感器布置于热源和电控三通阀之间，监测热源流体的流量和温度，相变储热蒸发器接收来自空气加热器的热空气与来自热源的流体，并将流体的热量传递给工质，根据热源情况进行储热或放热。相变储热蒸发器工质流道出口与气液分离装置相连，气液分离装置起到膨胀机的保护作用，完成气液分离后，液态工质流向蒸发器，利用液体余热为蒸发器工质预热，气态工质流向膨胀机，在膨胀机内做功带动发电机发电。气态工质完成做功后经冷凝器冷凝并进入储液罐，储液罐中的液态工质可通过工质泵进入蒸发器，在蒸发器中预热的工质可通过蒸发器工质流道出口进入相变储热蒸发器，进而完成有机朗肯循环整个过程。所述的控制单元根据第一温度传感器、第一流量传感器、第二温度传感器和第二流量传感器的信号，控制电控三通阀连通情况、工质泵转速、气泵转速和空气加热器功率，维持系统正常运行。在本专利技术的一个实施例中，所述的相变储热蒸发器为三层环形套管结构，三层环形套管从内到外依次为工质流道、相变材料、热源流道。在本专利技术的一个实施例中，相变材料套管内的相变材料采用级联布置，所述相变材料沿轴线方向包括若干段；沿热源流道的流动方向，每段相变材料的相变温度逐渐降低。在本专利技术的一个实施例中，所述的相变材料沿轴线方向包括三段；三段相变材料的长度相等。在本专利技术的一个实施例中，靠近热源流道入口的相变材料一的相变温度低于热源流道入口平均温度，高于热源入口最低温度5-10K。在本专利技术的一个实施例中，紧邻相变材料一的相变材料二的相变温度低于相变材料一相变温度的20％-25％，靠近热源流道出口的相变材料三的相变温度低于相变材料二相变温度的8％-12％。在本专利技术的一个实施例中，所述的相变储热蒸发器内，热源流道的流动方向与工质流道的流动方向相反。所述的空气加热器的所需电能可由有机朗肯循环系统的发电提供。所述的余热较优的回收温度范围在373.15K-723.15K，其热源可来自发动机废气、太阳能集热器及工厂余热等余热领域。所述的减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统的控制方法是：热源输入时第二温度传感器和第二流量传感器监测热源的温度波动和流量波动，并将信号传递给控制单元，控制单元通过控制与空气加热器相连的气泵转速来控制空气加热器的输出空气流量，使进入相变储热蒸发器的热源较为稳定。与空气混合后的热源进入相变储热蒸发器，与相变材料换热，多余热量储存在相变材料中，从而维持热源流体的温度稳定。当热源波动较大时，控制单元通过控制空气加热器的功率及气泵转速来控制其输出空气的温度与流量，同时与相变储热蒸发器协同工作，以减小热源的波动情况。并且控制单元也需根据四个传感器的信号来控制工质泵的转速，决定进入相变储热蒸发器的工质流量。本专利技术的优点在于：1.本余热回收系统可以有效减缓热源波动对有机朗肯循环带来的影响，由于热源流量波动较温度波动来说影响小，利用波动热源与空气充分换热及结合相变储热换热器的方法来减缓波动，使有机朗肯循环可以安全高效地运行。2.本余热回收系统方法简单可行且应用场景广泛，例如余热可来自发动机废气、太阳能集热器及工厂余热等。3.本余热回收系统在减缓余热波动的同时采用级联相变储热换热器及工质预热方法，能够进一步提高余热能量利用率并提升余热回收系统整体效率。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统示意图。图2为减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统控制方法示意图。图3为级联相变储热换热器示意图。图4为不同条件下温度波动和流量波动对蒸发压力影响示意图。图5为减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统结果示例图。工况说明：图4中条件1为热源温度600K，热源流量0.44kg/s；条件2为热源温度525K，热源流量0.73kg/s；条件3为热源温度450K，热源流量2.36kg/s。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进行详细的描述，但不作为对本专利技术的限定。如图1和2所示，一种减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统主要包括热源1、第二流量传感器2、第二温度传感器3、第一流量传感器4、第一温度传感器5、气泵6、空气加热器7、电子控制单元8、电控三通阀9、相变储热蒸发器10、气液分离装置11、膨胀机12、发电机13、冷凝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统，其特征在于包括空气加热器、气泵、第一温度传感器、第一流量传感器、热源、第二温度传感器、第二流量传感器、电控三通阀、电子控制单元、相变储热蒸发器、膨胀机、发电机、冷凝器、工质泵、蒸发器、储液罐及气液分离装置；/n热源通过热源流道与相变储热蒸发器热源流道入口连接，热源流道上设置有电控三通阀，气泵、空气加热器、电控三通阀的一个入口顺次连接，，相变储热蒸发器工质流道出口与气液分离装置入口连接，气液分离装置气体出口、膨胀机、冷凝器、储液罐、工质泵和蒸发器工质流道入口顺次连接，膨胀机与发电机相连可带动发电机发电，蒸发器工质流道出口与相变储热蒸发器工质流道入口连接；气液分离装置液体出口与蒸发器上端入口相连，蒸发器下端出口与储液罐相连；/n电子控制单元分别与电控三通阀、工质泵、空气加热器和气泵连接；第一温度传感器、第一流量传感器设置在连接空气加热器与电控三通阀的管路上，第二温度传感器、第二流量传感器设置在热源与电控三通阀之间。/n

【技术特征摘要】
1.一种减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统，其特征在于包括空气加热器、气泵、第一温度传感器、第一流量传感器、热源、第二温度传感器、第二流量传感器、电控三通阀、电子控制单元、相变储热蒸发器、膨胀机、发电机、冷凝器、工质泵、蒸发器、储液罐及气液分离装置；
热源通过热源流道与相变储热蒸发器热源流道入口连接，热源流道上设置有电控三通阀，气泵、空气加热器、电控三通阀的一个入口顺次连接，，相变储热蒸发器工质流道出口与气液分离装置入口连接，气液分离装置气体出口、膨胀机、冷凝器、储液罐、工质泵和蒸发器工质流道入口顺次连接，膨胀机与发电机相连可带动发电机发电，蒸发器工质流道出口与相变储热蒸发器工质流道入口连接；气液分离装置液体出口与蒸发器上端入口相连，蒸发器下端出口与储液罐相连；
电子控制单元分别与电控三通阀、工质泵、空气加热器和气泵连接；第一温度传感器、第一流量传感器设置在连接空气加热器与电控三通阀的管路上，第二温度传感器、第二流量传感器设置在热源与电控三通阀之间。


2.根据权利要求1所述的减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统，其特征在于所述的相变储热蒸发器为三层环形套管结构，三层环形套管从内到外依次为热源流道、相变材料、工质流道。


3.根据权利要求2所述的减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统，其特征在于相变材料套管内的相变材料采用级联布置，所述相变材料沿轴线方向包括若干段；沿热源流道的流动方向，每段相变材料的相变温度逐渐降低。


4.根据权利要求3所述的减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统，其特征在于所述的相变材料沿轴线方向包括三段；三段相变材料的长度相等。


5.根据权利要求3所述的减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统，其特征在于靠近热源流道入口的相变材料一的相变温度低于热源波动范围的平均温度，高于热源波动范围的下限温度5-10K。


6.根据权利要求4所述的减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统，其特征在于紧邻相变材料一的相变材料二的相变温度低于相变材料一相变温度的20％-25％，靠近热源流道出口的相变材料三的相变温度低于相变材料二相变温度的8％-12％。


7.根据权利要求4所述的减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统，其特征在于所述的相变储热蒸发器内，热源流道的流动方向与工质流道的流动方向相反。


8.一种如权利要求1所述的减缓热源波动的有机朗肯循环余热回收系统的控制方法，其特征在于步...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞小莉，常晋伟，王雷，王秉政，李智，黄岩，童宇翔，黄瑞，陈俊玄，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33