本發(fā)明涉及一種梯級回收利用低品位熱的ORC系統(tǒng)及方法，屬于節(jié)能領域。

技術背景

化石燃料是人類賴以生存的基礎，化石燃料的大量使用不僅帶來了環(huán)境污染，而且利用率不高，造成了能源巨大浪費。隨著化石燃料日益枯竭，可再生清潔能源太陽能、生物質能、地熱能以及工廠廢熱等變溫熱源熱能的利用得到研究者們越來越多的關注。有機朗肯循環(huán)發(fā)電技術被視為最適合用于回收低品位能源技術之一，但一般的有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的效率普遍偏低，如何實現(xiàn)“溫度對口，梯級利用”的能源利用原則，對提高有機朗肯循環(huán)的效率和該項技術的推廣具有十分深遠的意義。

目前對于低品位變溫熱源，主要采用兩種ORC廢熱回收方法：第一種方法主要采用常規(guī)純工質的ORC循環(huán)因為其蒸發(fā)過程存在明顯的恒溫段，使得變溫熱源熱能回收過程的換熱溫差較大，從而存在明顯的有用能損失；

第二種方法主要采用非共沸混合工質ORC循環(huán)來實現(xiàn)溫度匹配，由于常規(guī)混合工質蒸發(fā)過程的滑移溫度不高，因此盡管能夠較采用純工質的ORC系統(tǒng)效率有所提高，但熱效率改善程度有限。

因此，如何繼續(xù)改善變溫廢熱回收滑移溫度匹配，是提高變溫熱源高效回收的研究方向之一。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種梯級回收利用低品位熱的ORC系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)可充分回收利用太陽能、地熱能和工業(yè)廢熱等低品位變溫熱源的熱能，有效改善了變溫熱源廢熱回收過程的溫度匹配，對變溫熱源熱能能夠進行了有效的梯級回收利用，提高了能源的利用率，其節(jié)能效果明顯。

一種梯級回收利用低品位熱的ORC系統(tǒng)，其特征在于：該系統(tǒng)包括：第一泵、第二泵、第三泵、第一換熱器、第二換熱器、第三換熱器、第一氣液分離器、第二氣液分離器、第一膨脹機、第二膨脹機、第三膨脹機、混合器、冷凝器。

第一換熱器包括冷側入口、冷側出口、熱側入口和熱側出口；第一氣液分離器包括入口、氣相出口和液相出口；第二換熱器包括冷側入口、冷側出口、熱側入口和熱側出口；第二氣液分離器包括入口、氣相出口和液相出口；第三換熱器包括冷側入口、冷側出口、熱側入口和熱側出口；混合器包括混合入口和混合出口；冷凝器包括冷側入口、冷側出口、熱側入口和熱側出口；

工質與第一換熱器的冷側入口相連，第一換熱器的冷側出口與第一氣液分離器的入口相連；

第一氣液分離器的氣相出口通過第一膨脹機與混合器的入口相連；

第一氣液分離器的液相出口通過第二泵與第二換熱器的冷側入口相連，第二換熱器的冷側出口與第二氣液分離器的入口相連；

第二氣液分離器的氣相出口通過第二膨脹機與混合器的入口相連；

第二氣液分離器的液相出口通過第三泵與第三換熱器的冷側入口相連，第三換熱器的冷側出口通過第三膨脹機與混合器的入口相連，混合器的出口與冷凝器的熱側相連，冷凝器的熱側出口通過第一泵與第一換熱器的冷側入口相連；常溫液態(tài)水與冷凝器的冷側入口相連，冷凝器的冷側出口與環(huán)境相連；

熱源與第三換熱器的熱側入口相連，第三換熱器熱側出口與第二換熱器的熱側入口相連，第二換熱器熱側出口與第一換熱器的熱側入口相連，第一換熱器的熱側出口與環(huán)境相連；

所述的梯級回收利用低品位熱的ORC系統(tǒng)的工作方法，其特征在于包括以下過程：

工質進入第一換熱器的冷側吸收熱側熱源的熱量，吸熱后的工質進入第一氣液分離器的入口；

第一氣液分離器氣相出口的氣態(tài)工質進入第一膨脹機入口進行膨脹做功，第一膨脹機出口的產(chǎn)物進入混合器的入口；

第一氣液分離器液相出口的液態(tài)工質通過第二泵升壓后進入第二換熱的冷側吸收熱側熱源的熱量，第二換熱器冷側出口的工質進入第二氣液分離器的入口；

第二氣液分離器氣相出口的工質進入第二膨脹機的入口做功，第二膨脹機出口的產(chǎn)物進入混合器的入口；

第二氣液分離器液相出口通過第三泵升壓進入第三換熱器的冷側吸收熱側熱源的熱量，第三換熱器冷側出口的工質進入第三膨脹機做功，第三膨脹機出口的產(chǎn)物進入混合器的入口；

經(jīng)過混合器混合后的工質進入冷凝器的冷側被熱側的常溫液態(tài)水冷卻，冷凝器出口的工質通過第一泵升壓后進入第一換熱器的冷側，開始下一個循環(huán)。

由于該系統(tǒng)通過采用多個增壓泵、多個氣液分離器，并以非共沸混合工質作為工作流體，與一般僅采用非共沸混合工質的有機朗肯循環(huán)相比，該系統(tǒng)不僅可以調整工質組成來改善變溫廢熱回收過程的溫度匹配，而且可以通過調整增壓泵壓比以及氣液分離器的氣液比，來改善變溫熱源廢熱回收過程的滑移溫度匹配，因此可以有效降低變溫廢熱回收過程有用能的損失，有效提高廢熱回收效率。

附圖說明

圖1 梯級回收利用低品位熱的ORC系統(tǒng)；

圖中標號名稱：1、第一泵,2、第一換熱器，3、第一氣液分離器，4、第一膨脹機，5、第二泵，6、第二換熱器，7、第二氣液分離器，8、第二膨脹機，9、第三泵，10、第三換熱器，11、第三膨脹機，12、混合器，13、熱源，14、工質，15、冷凝器，16、常溫液態(tài)水。

具體實施方法

下面參照附圖1說明該系統(tǒng)梯級回收利用低品位熱的ORC系統(tǒng)的運行過程。

工質14進入第一換熱器2的冷側吸收熱側熱源13的熱量，吸熱后的工質14進入第一氣液分離器3的入口。

第一氣液分離器3氣相出口的氣態(tài)工質14進入第一膨脹機4入口進行膨脹做功，第一膨脹機4出口的產(chǎn)物進入混合器12的入口。

第一氣液分離器3液相出口的液態(tài)工質14通過第二泵5升壓后進入第二換熱6的冷側吸收熱側熱源13的熱量，第二換熱器6冷側出口的工質14進入第二氣液分離器7的入口。

第二氣液分離器7氣相出口的工質14進入第二膨脹機8的入口做功，第二膨脹機8出口的產(chǎn)物進入混合器12的入口。

第二氣液分離器7液相出口通過第三泵9升壓進入第三換熱器10的冷側吸收熱側熱源13的熱量，第三換熱器10冷側出口的工質14進入第三膨脹機11做功，第三膨脹機11出口的產(chǎn)物進入混合器12的入口。

經(jīng)過混合器12混合后的工質14進入冷凝器15的冷側被熱側的常溫液態(tài)水16冷卻，冷凝器15出口的工質14通過第一泵1升壓后進入第一換熱器2的冷側，開始下一個循環(huán)。