[发明专利]适用于中小型有机朗肯循环系统的单螺杆-透平双级膨胀机

说明书

适用于中小型有机朗肯循环系统的单螺杆‑透平双级膨胀机，属于能源利用和节能技术领域。该结构包括单螺杆结构、轴承、轴系结构、透平以及壳体，采用单螺杆作为首级、透平作为末级的双级膨胀结构形式。该装置充分利用了单螺杆具有较高膨胀比、透平具有较高内效率的优点，在内效率略有提高的前提下显著提高了小型膨胀机的膨胀比；同时膨胀机采用一体化设计，提高了结构的紧凑性，更有利于实际应用。这种新型的单螺杆‑透平双级膨胀机，可显著提高小型有机朗肯循环系统的热效率，促进中低温发电技术在可再生能源利用和工业节能领域中的应用。

技术领域

本发明涉及一种旨在提高低温余热发电系统性能的膨胀动力机，属于能源利用和节能技术领域。

背景技术

在节能环保得到空前重视的时代背景下，大力发展各种节能、可再生能源技术成为重要的研发和应用方向。在低温工业余热回收发电、太阳能热发电、地热发电等诸多工业领域，研发基于有机朗肯循环的发电系统得到了国内外学者的高度重视。目前，大型(MW级)有机朗肯循环系统在技术上已非常成熟，处于工业化应用的阶段。而中小型(kW至百kW)的有机朗肯循环系统由于存在诸多技术经济问题，仍处于实验室研究阶段。总结分析影响中小型有机朗肯循环系统性能的诸多因素，膨胀机性能是最关键的瓶颈问题，主要指标包括膨胀比和内效率。

目前，用于中小型有机朗肯循环的膨胀机，根据工作原理的不同可分为速度型和容积型两大类，前者主要包括单级或双级轴向透平和径向透平，后者主要包括滑片式、滚动活塞转子式、活塞式、涡旋式、双螺杆式以及单螺杆式等。不同类型的膨胀机具有不同的优缺点。对于速度型膨胀机，内效率明显高于各种容积型膨胀机；但单级膨胀比较低，转速高以及容量不易做小等是其存在的重要缺陷。速度型膨胀机可通过提高转速来提高单级膨胀比，但必须付出效率降低和传动损失增加的代价。对于容积型膨胀机，相对于速度型膨胀机，具有内效率相对较低的劣势，但具有单级膨胀比较高，转速较低以及容量更小的优势。从国内外已开展的研究看，螺杆膨胀机具有较好的性能并应用于实际工程。螺杆膨胀机分为单螺杆膨胀机和双螺杆膨胀动力机。双螺杆膨胀机具有更大的容量，但由于存在阴阳转子受力不平衡及三角泄漏区的问题，其内效率和单级膨胀比均低于单螺杆膨胀机。

根据公开发表的文献数据，小型透平的功率大约从几个kW至几百kW，单级内效率大约为0.75-0.85，轴向透平略高于径向透平。单级膨胀比约为2-5，径向透平高于轴向透平。系统热效率大约为4％-8％；单螺杆膨胀机的功率大约从几个kW至几十kW，单级内效率大约为0.55-0.75，单级膨胀比约为5-8，系统热效率大约为5％-9％；涡旋膨胀机的功率大约从几百W至几个kW，单级内效率大约为0.55-0.75，单级膨胀比约为5-7，系统热效率大约为5％-8％。比较几种潜力较好的膨胀机类型，单螺杆膨胀机具有内效率、功率范围和膨胀比综合的最佳性能。可以看到，目前对于中小型有机朗肯循环系统，同时存在膨胀比较小和内效率较低的问题，前者导致低温热能的有用能不能充分利用，后者导致膨胀过程不可逆损失过大，最终导致中小型有机朗肯循环系统的性能低下。