专利摘要

本发明提供一种多级重力驱动动力循环系统，包括用于产生高温高压有机工质的第一级蒸发器，所述第一级蒸发器通过第一级膨胀机与第一级冷凝器相连接；所述第一级冷凝器通过下一级蒸发器连接至下一级膨胀机，所述最后一级冷凝器与所述第一级蒸发器连接，构成一个闭环；每一级所述膨胀机都外接发电机。本发明的多级重力驱动动力循环系统在实际工程中可根据压差需求进一步延伸为三级、四级甚至更多级的多级重力驱动动力循环系统，系统根据工质气态与液态的密度差直接将热能转变为循环所需的压差，回避了工质增压及输送设备的应用，克服了传统的单级重力泵有机朗肯循环提供压差十分有限的缺陷，优化了重力驱动动力循环系统的整体运行效率。

权利要求

1.一种多级重力驱动动力循环系统，其特征在于，包括用于产生高温高压有机工质的第一级蒸发器，所述第一级蒸发器通过第一级膨胀机与第一级冷凝器相连接；所述第一级冷凝器通过下一级蒸发器连接至下一级膨胀机，所述最后一级冷凝器与所述第一级蒸发器连接，构成一个闭环；每一级所述膨胀机都外接发电机。

2.根据权利要求1所述的一种多级重力驱动动力循环系统，其特征在于，所述多级重力驱动动力循环系统为至少两级的多级重力驱动动力循环系统。

3.一种多级重力驱动动力循环，其特征在于：有机工质经冷凝器冷凝后进入蒸发器内吸热，然后进入膨胀机膨胀做功，产生的动力通过膨胀机外接的发电机输出电能，具体包括以下步骤：

S1：第一级蒸发器产生的高温高压的有机工质进入第一级膨胀机膨胀做功，转变为低温低压的有机工质，所述低温低压的气态有机工质经第一级冷凝器冷凝，凝结为低温低压的饱和液态工质，所述低温低压的饱和液态工质在重力作用下压力升高，转变为高压低温的液态工质；

S2：所述高压低温的液态工质在下一级蒸发器中吸热，转变成为高温高压的过热有机工质，所述高温高压的过热有机工质进入下一级膨胀机膨胀做功转变为低温低压的气态有机工质；所述低温低压的气态有机工质经下一级冷凝器中冷凝，凝结为低温低压的饱和液态工质，所述低温低压的饱和液态工质在重力作用下压力升高，转变为高压低温的饱和液态工质；所述高压低温的饱和液态工质在下一级蒸发器中吸热，转变成为高温高压的过热有机工质；

S3：以此类推，经最后一级冷凝器冷凝后的低温低压饱和液态工质在重力作用下压力升高，转变为高压低温的饱和液态工质，所述高压低温的饱和液态工质在第一级蒸发器中吸热，转变成高温高压的过热有机工质，所述高温高压过热有机工质进入第一级膨胀机膨胀做功，完成一个循环。

4.根据权利要求3所述的一种多级重力驱动动力循环，其特征在于，所述多级重力驱动动力循环为至少两级的多级重力驱动动力循环。

说明书

技术领域

本发明涉及低品位热能开发和回收领域，具体涉及一种多级重力驱动动力循环系统。

背景技术

随着人类社会对能源需求的不断扩大而化石能源的不断减少，在这样的能源趋紧的大背景下，低品位能源的开发和回收越来越受到重视。低品位能源主要包括低温地热能、低温太阳热能和低温工业余热废热能等，与常规的热能发电利用技术相比，有机朗肯循环技术在低品位热能开发和回收利用过程中能够大幅度提升热能利用效率，在领域内具有显著优势。

有机朗肯循环所采用的有机工质包括HCFCs、HFC和HCs等，有机工质一般具有可燃性、高GDP性、高GWP性和毒性中的一个或多个缺点，系统的密封性作为可有效克服上述缺点的关键，显然是系统安全运行和环境保护的保证。而工质泵运动部件密封困难和系统效率相对低下是限制有机朗肯循环技术进一步推广的难点，工质泵存在技术难度大，易气蚀、效率低、单位功率成本高等问题。

采用重力泵装置取代工质泵，冷凝器出口工质不经过泵而依靠重力增压然后进入蒸发器气化，上述的重力增压循环显示了应用于热电联供领域的潜力。常规的单级重力泵有机工质朗肯循环系统中，去除工质泵运动部件，完全依靠工质液态与气态的密度差产生的循环压差提供系统的循环动力，不仅解决了工质增压的密封问题，而且将部分热能直接转换为工质的压差，避免了工质泵电能的消耗，提高了工质压缩过程的效率。但是单级重力泵循环提供的压差有限，阻碍了有机工质朗肯循环系统的进一步推广。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种多级重力驱动动力循环系统，很好地解决了传统有机朗肯循环系统存在的提供压差有限的问题，提高了系统整体的运行效率，具有广泛的市场潜力。

本发明采用的技术方案具体为：一种多级重力驱动动力循环系统，包括用于产生高温高压有机工质的第一级蒸发器，所述第一级蒸发器通过第一级膨胀机与第一级冷凝器相连接；所述第一级冷凝器通过下一级蒸发器连接至下一级膨胀机，所述最后一级冷凝器与所述第一级蒸发器连接，构成一个闭环；每一级所述膨胀机都外接发电机。

所述多级重力驱动动力循环系统为至少两级的多级重力驱动动力循环系统。

一种多级重力驱动动力循环，有机工质经冷凝器冷凝后进入蒸发器内吸热，然后进入膨胀机膨胀做功，产生的动力通过膨胀机外接的发电机输出电能，具体包括以下步骤：

S1：第一级蒸发器产生的高温高压的有机工质进入第一级膨胀机膨胀做功，转变为低温低压的有机工质，所述低温低压的气态有机工质经第一级冷凝器冷凝，凝结为低温低压的饱和液态工质，所述低温低压的饱和液态工质在重力作用下压力升高，转变为高压低温的液态工质；

S2：所述高压低温的液态工质在下一级蒸发器中吸热，转变成为高温高压的过热有机工质，所述高温高压的过热有机工质进入下一级膨胀机膨胀做功转变为低温低压的气态有机工质；所述低温低压的气态有机工质经下一级冷凝器中冷凝，凝结为低温低压的饱和液态工质，所述低温低压的饱和液态工质在重力作用下压力升高，转变为高压低温的饱和液态工质；所述高压低温的饱和液态工质在下一级蒸发器中吸热，转变成为高温高压的过热有机工质；

S3：以此类推，经最后一级冷凝器冷凝后的低温低压饱和液态工质在重力作用下压力升高，转变为高压低温的饱和液态工质，所述高压低温的饱和液态工质在第一级蒸发器中吸热，转变成高温高压的过热有机工质，所述高温高压过热有机工质进入第一级膨胀机膨胀做功，完成一个循环。

所述多级重力驱动动力循环为至少两级的多级重力驱动动力循环。

本发明产生的有益效果是：本发明的多级（以二级为例）重力驱动动力循环系统，根据工质气态与液态的密度差直接将热能转变为循环所需的压差，回避了工质增压及输送设备的应用，克服了传统的单级重力泵有机朗肯循环提供压差十分有限的缺陷，有效解决了增压过程中密封困难的技术问题，能够提供足够的循环作用压差，从而优化了重力驱动动力循环系统的整体运行效率。

附图说明

当结合附图考虑时，能够更完整更好地理解本发明。此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为现有技术的常规有机朗肯循环系统的循环工质循环状态示意图；

图2为本发明多级重力驱动动力循环系统中的两级重力驱动动力循环系统的工质循环流程示意图；

图3为本发明多级重力驱动动力循环系统中的两级重力驱动动力循环系统的结构示意图。

图中：1、发电机2、第一级膨胀机3、第一级冷凝器4、第二级蒸发器5、第二级膨胀机6、第二级冷凝器7、第一级蒸发器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

常规的有机朗肯循环中工质的循环过程如图1所示，高温高压的有机工质进入膨胀机膨胀做功(1～2阶段)转变为低温低压的气态有机工质，气态有机工质在冷凝器中冷却凝结，转变为低温低压的饱和液态工质(2～4)，饱和液态工质在工质泵中压力升高(4～5)后转变为高压低温的液态工质，在蒸发器中液态工质吸热成为高温高压的过热有机工质(5～1)，高温高压的过热气态工质重新进入膨胀机，至此完成一个循环。

根据实际工程中的压差需求，多级重力驱动动力循环系统可以包括三级、四级甚至更多级重力驱动动力循环系统，下面以最基础的两级为例，参照图2-3对多级重力驱动动力循环系统的循环过程作进一步说明。

如图3所示的二级重力驱动动力循环系统中，包括第一级膨胀机2、第一级冷凝器3、第二级蒸发器4、第二级膨胀机5、第二级冷凝器6、第一级蒸发器7形成一个闭环，共同完成二级重力驱动循环的流程，且每个膨胀机均外接有发电机1。具体循环过程如图2所示，图中的横坐标表示“熵”，图中的状态点为工质相变过程的状态点：

首先在第一级蒸发器7产生的高温高压的有机工质进入第一级膨胀机2膨胀做功(1～2)转变为低温低压的气态有机工质，低温低压的气态有机工质在第一级冷凝器3中凝结为低温低压的饱和液态工质(2～5)，饱和液态工质在重力作用下压力升高(5～6)，转变为高压低温的液态工质，在第二级蒸发器4中高压低温液态工质吸热成为高温高压的过热有机工质(6～8)，高温高压的过热有机工质进入第二级膨胀机5膨胀做功（8～9）转变为低温低压的气态有机工质，气态有机工质在第二级冷凝器6中冷却凝结为低温低压的饱和液态工质（9～11），饱和液态工质在重力作用下压力升高(11～12)，转变为高压低温的液态工质，在第一级蒸发器7中液态工质吸热成为高温高压的过热有机工质(12～1)，过热有机工质重新进入第一级膨胀机1膨胀做功（1～2），至此完成一个两级重力驱动动力循环；每个膨胀机都外接有发电机1，用于将机械能转化为电能。

在上述实施例中，工质在重力场中的循环作用压差为工质密度差、重力加速度和重力增压高度差三者的乘积。对于相同的压差目标值，密度差越高，则工质需要的重力增压高度越低；

而对于相同的重力增压高度差，密度差越高的工质，产生的循环压差越大。显然液态有机工质的密度远远高于气态有机工质，因此如果液态重力增压高度及冷热源温差足够大，就可以在膨胀机进出口形成大的压力差，推动膨胀机做功发电。

在多级重力驱动动力循环系统中，工质的运行动力由气态工质和液态工质的循环压差所提供，所以系统的高度确定需要考虑工质的密度差、膨胀机前后压差等因素。另外系统中绝热效率对系统性能具有重要影响，因此在系统运行中需对液态工质段和气态工质段进行良好的保温。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，显然，只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果、对本领域的技术人员来说是显而易见的变形，也均包含在本发明的保护范围之内。

一种多级重力驱动动力循环系统专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。