一种采用直线发电机的梯级回收低温废热发电系统及方法与流程

本发明涉及一种低温废热回收发电系统及方法，涉及一种采用直线发电机的梯级回收低温废热发电系统及方法。

背景技术：

低温废热热源大量存在，在工业的各个方面，例如电力、化工、冶金、加工、制造等等。废热的形式很多，例如烟气、废水、冷却水等等。这些热源的热量巨大，但是由于温度较低，通常在200度以下，往往难以加以利用。虽然可以将这些热量通过换热的形式来供热采暖，但在夏季无需供暖是这些热量仍然浪费。目前也有一些低温余热回收发电装置，最常见有有机朗肯循环(orc)余热回收发电系统，这目前来说这些系统都存在一些问题，使其难以大幅推广应用。存在的主要问题是，由于热源温度低，限制了orc系统的效率，较低的效率下使orc系统的成本显得很高，系统的投资回收期很长，很多企业不愿意采用。主要原因在于，一方面，余热热源规模往往不大，常常遇到几百kw或几十kw这个量级的热源，针对这个量级的热源，orc系统中的透平尺寸将变的比较小，否则必须采用效率较低且成本较高的高速电机，在这种条件下，orc透平的效率往往不高，这进一步限制了余热回收发电的利润空间。同时，即便透平设计在3000rpm转速下，旋转机械的动密封是orc系统面临的一个难题，常规的轴封系统无法避免0泄漏，一旦有泄漏就意味着有机工质的经济损失，若更采用高级的密封系统，例如干气密封等则成本的增加将使系统面临更大的挑战。另一方面，目前的orc系统多采用向心式或轴流式透平，无论哪种透平的加工成本都很高。同时，为了保证透平正常工作，透平进出口需要保证相对较高的压差，压差越大则透平的膨胀比越大，透平的做功能力越强，系统热效率越高，则系统必须采用泵等设备进行增压。因此，余热回收发电领域亟待出现更加物美价廉的新技术打破目前orc系统面临的困境。

直线发电机几乎是与旋转发电机同时出现的发电机形式，只是旋转发电机在高速运动情况下更加适用，后来直线发电只有在特殊情况下才被采用。近年来随着对于波浪能等新能源的开发和利用直线发电机再次被重视。直线发电机在相对较低频率的运动条件下也可以保持较高的效率，这是旋转发电机所无法做到的，同时在配备弹簧和活塞等做功部件后，活塞膨胀-直线发电机系统可以利用很低压差，很低温差的气流发电，这是普通的透平及普通发电机所无法做到的。并且这种活塞膨胀-直线发电机系统已经被广泛研究和应用。活塞膨胀-直线发电机系统的这些特点给低温余热发电带来的新的契机。

但是单级活塞膨胀-直线发电机系统在可以利用低压差工质发电的同时，也限制了每一级发电系统回收利用热量的温度范围，每一级压差越小回收利用热量的温度范围越小。因此在实际应用时，可能需要多级活塞膨胀-直线发电机子系统组合起来回收废热热源热量。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种采用直线发电机的梯级回收低温废热发电系统及方法，该系统及方法能够利用活塞膨胀-直线发电机系统实现低温余热发电的梯级回收利用。

为达到上述目的，本发明所述的采用直线发电机的梯级回收低温废热发电系统包括若干多级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统；

各级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统均包括废热蒸发器及若干发电模块，同一级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统中的各发电模块依次分布，各发电模块均包括活塞膨胀-直线发电机系统、换热器及储液器，活塞膨胀-直线发电机系统的工质出口与换热器的放热侧入口相连通，换热器的放热侧出口与储液器的入口相连通；

同一级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统中，第一个发电模块中储液器的出口与废热蒸发器的吸热侧入口相连通，废热蒸发器的吸热侧出口与第一个发电模块中活塞膨胀-直线发电机系统的工质入口相连通，后一个发电模块中储液器的出口与前一个发电模块中换热器的吸热侧入口相连通，后一个发电模块中活塞膨胀-直线发电机系统的工质入口与前一个发电模块中换热器的吸热侧出口相连通，最后一个发电模块中换热器的吸热侧入口与冷介质输入管道相连通，最后一个发电模块中换热器的吸热侧出口与冷介质输出管道相连通；

各级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统中废气蒸发器的放热侧依次相连通。

沿废气流动方向，各级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统中发电模块的数目逐渐减小。

废热蒸发器中的工质及各换热器中吸热侧中的工质自下向上流动并在流动过程中逐渐蒸发为气态。

各换热器放热侧中的工质自上向下流动并在流动过程中冷却为液态。

同一级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统中，第一个发电模块中换热器放热侧中液态工质的液面高于废热蒸发器中的液面，且通过该高度差产生的压差提供工质流动以及第一个发电模块中活塞膨胀-直线发电机系统做功所需要的压力差；后一个发电模块中换热器放热侧中液态工质的液面高于前一个发电模块中换热器吸热侧中的液面，通过该高度产生的压差提供后一个发电模块中工质流动及活塞膨胀-直线发电机系统做功所需要的压力差。

本发明所述的采用直线发电机的梯级回收低温废热发电方法包括以下步骤：

废热工质依次经级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统中废热蒸发器的放热侧进行放热；

同一活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统中，第一个发电模块中储液器的输出工质自下到上进入到废热蒸发器的吸热侧中逐渐蒸发为气态，然后进入到第一个发电模块中的活塞膨胀-直线发电机系统中做功，第一个发电模块中的活塞膨胀-直线发电机系统输出的工质自上到下进入到第一个发电模块中换热器的放热侧中逐渐凝结为液体，然后进入到第一个发电模块中的储液器中；

后一个发电模块中储液器的输出工质自下到上进入到前一个发电模块中换热器的吸热侧中逐渐蒸发为气态，然后进入到后一个发电模块中的活塞膨胀-直线发电机系统中做功，后一个发电模块中的活塞膨胀-直线发电机系统输出的工质自上到下进入到后一个发电模块中换热器的放热侧中逐渐凝结为液体，然后进入到后一个发电模块中的储液器中。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的采用直线发电机的梯级回收低温废热发电系统及方法在具体操作时，废热工质依次进入到各级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统中的废热蒸发器中进行放热，从而将热量释放给各级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统，以实现热量的逐级利用，各发电模块中的活塞膨胀-直线发电机系统利用该热量进行发电，以实现利用活塞膨胀-直线发电机系统实现低温余热发电的梯级回收利用的目的。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中，1为发电模块、2为废热蒸发器、3为活塞膨胀-直线发电机系统、4为换热器、5为储液器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的采用直线发电机的梯级回收低温废热发电系统包括若干多级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统；各级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统均包括废热蒸发器2及若干发电模块1，同一级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统中的各发电模块1依次分布，各发电模块1均包括活塞膨胀-直线发电机系统3、换热器4及储液器5，活塞膨胀-直线发电机系统3的工质出口与换热器4的放热侧入口相连通，换热器4的放热侧出口与储液器5的入口相连通；同一级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统中，第一个发电模块1中储液器5的出口与废热蒸发器2的吸热侧入口相连通，废热蒸发器2的吸热侧出口与第一个发电模块1中活塞膨胀-直线发电机系统3的工质入口相连通，后一个发电模块1中储液器5的出口与前一个发电模块1中换热器4的吸热侧入口相连通，后一个发电模块1中活塞膨胀-直线发电机系统3的工质入口与前一个发电模块1中换热器4的吸热侧出口相连通，最后一个发电模块1中换热器4的吸热侧入口与冷介质输入管道相连通，最后一个发电模块1中换热器4的吸热侧出口与冷介质输出管道相连通，冷却介质输入管道中的冷却介质为冷风或冷水；各级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统中废气蒸发器的放热侧依次相连通。

沿废气流动方向，各级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统中发电模块1的数目逐渐减小；废热蒸发器2中的工质及各换热器4中吸热侧中的工质自下向上流动并在流动过程中逐渐蒸发为气态；各换热器4放热侧中的工质自上向下流动并在流动过程中冷却为液态。

本发明所述的采用直线发电机的梯级回收低温废热发电方法包括以下步骤：

废热工质依次经级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统中废热蒸发器2的放热侧进行放热；

同一活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统中，第一个发电模块1中储液器5的输出工质自下到上进入到废热蒸发器2的吸热侧中逐渐蒸发为气态，然后进入到第一个发电模块1中的活塞膨胀-直线发电机系统3中做功，第一个发电模块1中的活塞膨胀-直线发电机系统3输出的工质自上到下进入到第一个发电模块1中换热器4的放热侧中逐渐凝结为液体，然后进入到第一个发电模块1中的储液器5中；

后一个发电模块1中储液器5的输出工质自下到上进入到前一个发电模块1中换热器4的吸热侧中逐渐蒸发为气态，然后进入到后一个发电模块1中的活塞膨胀-直线发电机系统3中做功，后一个发电模块1中的活塞膨胀-直线发电机系统3输出的工质自上到下进入到后一个发电模块1中换热器4的放热侧中逐渐凝结为液体，然后进入到后一个发电模块1中的储液器5中。

同一级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统中，第一个发电模块1中换热器4放热侧中液态工质的液面高于废热蒸发器2中的液面，且通过该高度差产生的压差提供工质流动以及第一个发电模块1中活塞膨胀-直线发电机系统3做功所需要的压力差；后一个发电模块1中换热器4放热侧中液态工质的液面高于前一个发电模块1中换热器4吸热侧中的液面，通过该高度产生的压差提供后一个发电模块1中工质流动及活塞膨胀-直线发电机系统3做功所需要的压力差，因此系统中无需采用泵等设备增压，做到了系统最简化。同时，由于发电系统所需的压差很小，因此系统整体的压力可以不高，有利于降低系统压力等级，有利于采用更廉价的材料和加工制造工艺，有利于进一步降低系统成本。同时，由于活塞膨胀-直线发电机系统3的运动频率和速度都比较低，大大降低了其轴封的难道，可以采用较为廉价的轴封形式，例如石墨等，大大降低了成本。

沿着携带废热的流体(如烟气，废水)流动方向串联若干级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统，烟气或废水的温度逐渐降低，单级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统的回收温度等级也逐渐降低，活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统的级数根据废热热源的温度以及活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统所选用的工质种类等因素确定，每一级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统回收利用一定温度范围内的余热。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。