一种有机工质朗肯循环系统的制作方法

本发明涉及朗肯循环技术领域，特别涉及一种有机工质朗肯循环系统。

背景技术：

随着经济的不断发展，对能源的需求量越来越大，石油、煤炭等传统能源的大量消耗以及生态环境的破坏已经对现有的能源结构提出了更高的要求，节能减排可持续发展已经成为行业新标准，在钢铁、化工、石油、建材、轻工和食品等行业的生产过程中会产生大量的余热，如果将这些余热资源直接排放到周围环境中，不仅是对能源的浪费，而且会造成温室效应影响生态环境，将这些余热资源回收利用，不仅可以提高经济效益，还能够减轻对环境的影响，然而，由于工业余热的温度一般比较低，常规利用效率较低，而有机工质沸点低，在较低温度时就可以气化为蒸汽推动向心透平做功。

有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，简称ORC)可以有效利用中低温热能，且具有系统简单、可靠性高和机组容量可以灵活配置的特点，在余热回收利用领域获得了广泛的应用。现有技术中，请参阅图1，图1为现有技术中的有机工质朗肯循环系统的结构示意图，有机工质朗肯循环系统包括依次连接成回路的工质泵1、蒸发器2、向心透平3以及冷凝器4，其中，向心透平3的叶轮轴上连接有发电机5，工质泵1以外部电机驱动，运行时，外部电机驱动工质泵1运行，工质泵1将有机工质泵1送至蒸发器2中，有机工质在蒸发器2中与余热进行热交换，气化为具有一定压力和温度的有机蒸汽，有机蒸汽进入向心透平3并推动叶轮轴旋转，从而驱动发电机5发电，在这一过程中，由于工质泵1耗能较高，以外部电机来驱动，在回收余热的同时，需要消耗电能，相当于将余热资源转化为电能后再来驱动，由于能量转化之间的效率问题，对能量的利用率降低，系统的效率较低。

因此，如何提供一种有机工质朗肯循环系统，降低其在余热回收时的消耗，提高系统效率，成为本领域技术人员亟待解决的重要技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种有机工质朗肯循环系统，以达到降低其在余热回收时的消耗，提高系统效率的目的。

为实现上述目的,本发明提供如下技术方案：

一种有机工质朗肯循环系统，包括依次连接成回路的工质泵、蒸发器、向心透平以及冷凝器，其特征在于，还包括发电机-电动机装置以及用于控制所述发电机-电动机装置在电动机状态及发电机状态间切换的控制器，所述向心透平的叶轮轴与所述工质泵的泵轴之间以及所述工质泵的与所述发电机-电动机装置的转轴之间均传动连接；

初始状态下，所述发电机-电动机装置为电动机状态以驱动所述工质泵，当所述工质泵达到预设转速时，所述控制器将所述发电机-电动机装置切换为发电机状态。

优选地，所述向心透平的叶轮轴与所述工质泵的泵轴之间通过传动轴同轴连接。

优选地，所述向心透平的叶轮轴与所述工质泵的泵轴之间设置有输出轴、输入轴以及超越离合器，所述输出轴的一端与所述向心透平的叶轮轴连接，另一端与所述超越离合器的主动件连接，所述输入轴的一端与所述工质泵的泵轴连接，另一端与所述超越离合器的从动件连接。

优选地，所述工质泵的泵轴与所述发电机-电动机装置的转轴之间设置有齿轮箱，所述发电机-电动机装置的转轴通过所述齿轮箱与所述工质泵的泵轴传动连接。

优选地，所述齿轮箱与所述工质泵的泵轴之间以及所述齿轮箱与所述发电机-电动机装置的转轴之间均设置有联轴器。

优选地，所述工质泵为离心泵。

从上述技术方案可以看出，本发明提供的有机工质朗肯循环系统，包括工质泵、蒸发器、向心透平、冷凝器、发电机-电动机装置以及控制器，其中，工质泵、蒸发器、向心透平以及冷凝器依次连接成回路，控制器用于控制发电机-电动机装置在电动机状态及发电机状态间切换，向心透平的叶轮轴与工质泵的泵轴之间以及工质泵的与发电机-电动机装置的转轴之间均传动连接；初始状态下，发电机-电动机装置为电动机状态以驱动工质泵，当工质泵达到预设转速时，控制器将发电机-电动机装置切换为发电机状态；

在系统的初始运行阶段，控制器控制发电机-电动机装置进入电动机状态，以驱动工质泵将有机工质泵送至蒸发器中气化为具有一定压力和温度的有机蒸汽，有机蒸汽进入向心透平并推动叶轮轴旋转，上述状态持续至工质泵的转速达到预设转速时，控制器控制发电机-电动机装置进入发电机状态，发电机-电动机装置不在驱动工质泵运行，这时由于余热源源不断地与有机工质进行热交换，向心透平在有机蒸汽的推动下继续旋转，并带动工质泵继续运行以将有机工质持续输送至蒸发器中，与此同时，工质泵带动发电机-电动机装置发电；由此可见，上述的有机工质朗肯循环系统中的工质泵只需在系统运行的初始阶段消耗一定的电能，当其转速达到预设值后，直接依靠向心透平的动能驱动运转，不再需要发电机将向心透平的动能转化为电能后再驱动其运转，因而避免了能量转化效率的问题，能够有效降低在余热回收时的消耗，提高系统效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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为现有技术中的有机工质朗肯循环系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的有机工质朗肯循环系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种有机工质朗肯循环系统，以达到降低其在余热回收时的消耗，提高系统效率的目的。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图2，图2为本发明实施例提供的有机工质朗肯循环系统的结构示意图。

本发明提供的一种有机工质朗肯循环系统，包括工质泵1、蒸发器2、向心透平3、冷凝器4、发电机-电动机装置6以及控制器7。

其中，工质泵1、蒸发器2、向心透平3以及冷凝器4依次连接成回路，控制器7用于控制发电机-电动机装置6在电动机状态及发电机5状态间切换，向心透平3的叶轮轴与工质泵1的泵轴之间以及工质泵1的与发电机-电动机装置6的转轴之间均传动连接；初始状态下，发电机-电动机装置6为电动机状态以驱动工质泵1，当工质泵1达到预设转速时，控制器7将发电机-电动机装置6切换为发电机5状态。

与现有技术相比，本发明提供的有机工质朗肯循环系统，在系统的初始运行阶段，控制器7控制发电机-电动机装置6进入电动机状态，以驱动工质泵1将有机工质泵1送至蒸发器2中气化为具有一定压力和温度的有机蒸汽，有机蒸汽进入向心透平3并推动叶轮轴旋转，上述状态持续至工质泵1的转速达到预设转速时，控制器7控制发电机-电动机装置6进入发电机5状态，发电机-电动机装置6不在驱动工质泵1运行，这时由于余热源源不断地与有机工质进行热交换，向心透平3在有机蒸汽的推动下继续旋转，并带动工质泵1继续运行以将有机工质持续输送至蒸发器2中，与此同时，工质泵1带动发电机-电动机装置6发电；由此可见，上述的有机工质朗肯循环系统中的工质泵1只需在系统运行的初始阶段消耗一定的电能，当其转速达到预设值后，直接依靠向心透平3的动能驱动运转，不再需要发电机将向心透平3的动能转化为电能后再驱动其运转，因而避免了能量转化效率的问题，能够有效降低在余热回收时的消耗，提高系统效率。

向心透平3与工质泵1之间可以通过多种方式实现传动连接，在本发明一种实施例中，向心透平3的叶轮轴与工质泵1的泵轴之间通过传动轴8同轴连接，这样，发电机-电动机装置6在驱动工质泵1运行时，也会同步带动向心透平3的叶轮轴转动，有助于向心透平3叶轮轴转速的迅速提高。

然而，通过传动轴8将向心透平3的叶轮轴与工质泵1的泵轴传动连接，虽然结构上简单，但是容易导致向心透平3的叶轮轴与工质泵1的泵轴相互干扰，尤其是在初始运行阶段，发电机-电动机装置6在驱动工质泵1的泵轴转动的同时，还要带动向心透平3的叶轮轴转动，会导致能耗增加，因此，为了进一步降低能耗，提高系统效率，在本发明另一种实施例中，向心透平3的叶轮轴与工质泵1的泵轴之间设置有输出轴、输入轴以及超越离合器，输出轴的一端与向心透平3的叶轮轴连接，另一端与超越离合器的主动件连接，输入轴的一端与工质泵1的泵轴连接，另一端与超越离合器的从动件连接，通过在输出轴与输入轴之间设置超越离合器，在初始阶段，发电机-电动机装置6带动工质泵1运行时，从动件的转速高于主动件，因此超越离合器处于超越状态，向心透平3的叶轮轴不受工质泵1的影响，当发电机-电动机装置6转换为发电机5状态时，连接在工质泵1泵轴上的从动件的转速逐渐与主动件转速相同，从而与主动件配合实现转矩的传递，这时，向心透平3的叶轮轴带动工质泵1的泵轴转动，如此一来，避免了在系统运行的初始阶段，发电机-电动机装置6同时驱动工质泵1的泵轴及向心透平3的叶轮轴转动，降低了能耗，有助于提高系统效率。

进一步优化上述技术方案，在本发明实施例中，工质泵1的泵轴与发电机-电动机装置6的转轴之间设置有齿轮箱9，发电机-电动机装置6的转轴通过齿轮箱9与工质泵1的泵轴传动连接。

当系统受到意外的过载时，往往会造成传动装置或其他部件的损坏，因此，在本发明实施例中，为了避免上述问题，齿轮箱9与工质泵1的泵轴之间以及齿轮箱9与发电机-电动机装置6的转轴之间均设置有联轴器，从而起到一定的安全保护作用。

工质泵1可以采用多种类型的泵，只要能够实现发电机-电动机装置6与向心透平3之间转矩的传递即可，在本发明实施例中，工质泵1为离心泵。

进一步优化上述技术方案，由于生成的有机蒸汽具有一定的压力，为避免有机工质回流，在本发明实施例中，工质泵1与蒸发器2之间还设置有单向阀。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。