一种地热能发电装置及其涡旋膨胀机的换热槽设计方法

本发明涉及一种用于地热能的发电装置，特别是涉及一种带有涡旋膨胀机的发电装置。

背景技术：

1、作为储备丰富的可再生资源，地热能是无污染、较可靠的清洁能源，地热发电是地热能利用的最重要方式，同时被认为是具有可持续利用前途的有效电力生产方式。然而，针对地热能的温度和压力条件，目前缺少相应的地热能发电装置。涡旋膨胀机作为容积式膨胀机的一种，具有结构简单、微震低噪、可靠性高的优点，因而适用于小功率范围的地热能循环发电系统。中国专利，公布号cn102628431a，公开了一种用于有机朗肯循环发电系统的涡旋膨胀机的涡旋盘，在涡旋膨胀机两侧各装一个双涡圈涡旋盘，采用等截面的圆渐开线，提高了吸气量，但该膨胀机没有换热装置，高压蒸汽在涡旋膨胀机内易出现冷凝的现象，从而降低热能利用率。

2、针对地热能发电的温度和压力，采用容积式膨胀机时，不易调节膨胀比和压力、温度之间的关系，易出现液体，因此为了更好地控制水蒸气的膨胀过程，增加输出功，研究开设换热槽的涡旋膨胀机在地热能发电装置的应用具有重要意义。

技术实现思路

1、针对缺少相应的容积式地热能发电装置以及装置中涡旋膨胀机内水蒸气出现冷凝的问题，同时为了提高热能利用率，本发明提出一种地热能发电装置及其涡旋膨胀机的换热槽设计方法，所提出的地热能发电装置的涡旋膨胀机开设换热槽，能够使水蒸气按特定膨胀过程进行膨胀，实现由饱和蒸汽膨胀至低压蒸汽，保证水蒸气不会在膨胀过程中冷凝，而在负压冷凝器中冷凝，增大压差，同时能满足不同工况的要求；所提出的开设换热槽的涡旋膨胀机地热能发电装置对于丰富容积式发电装置类型、提高热能利用率有重要意义。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种地热能发电装置包括：第一阀、闪蒸器、第二阀、涡旋膨胀机、第三阀、负压冷凝器、第四阀、水泵、第五阀、涡旋真空泵、传动齿轮、联轴器和发电机。所述的涡旋膨胀机包括动涡旋盘和静涡旋盘，动涡旋盘上有等截面动涡旋齿，静涡旋盘上有变截面静涡旋齿，动涡旋盘的涡旋型线与静涡旋盘的涡旋型线相互啮合，形成膨胀腔；所述的涡旋膨胀机的静涡旋盘背面开设换热槽，换热槽用地热水加热。

4、所述的一种地热能发电装置，其特征为：在工作中，地热水经过第一阀，进入闪蒸器后变成饱和蒸汽；饱和蒸汽进入涡旋膨胀机内膨胀，通过换热槽的加热作用，水蒸气在涡旋膨胀机内的过程是膨胀吸热过程，温度和压力下降，变成低压蒸汽，由涡旋膨胀机排出，进入负压冷凝器内进行等压冷却，被冷凝成液态水，排气温度比排气压力下水蒸气的饱和温度高1～5℃，膨胀过程中没有水蒸气冷凝；涡旋真空泵抽取负压冷凝器中的不凝气，使得负压冷凝器保持恒定的真空度，液态水被水泵从负压冷凝器中抽出；涡旋膨胀机和涡旋真空泵同轴转动；涡旋膨胀机同时通过传动齿轮带动发电机转动，进行发电。

5、所述的涡旋膨胀机的静涡旋盘背面开设换热槽，换热槽的轮廓曲线包括：外侧变截面圆渐开线ab，内侧变截面圆渐开线cd，所述的一种地热能发电装置的涡旋膨胀机的换热槽设计方法包括如下步骤：首先，根据水蒸气进入涡旋膨胀机膨胀前后的温度、压力和多变过程变化规律，计算多变过程指数m；然后，根据多变过程指数m，计算涡旋膨胀机通过换热槽的换热量变化率q；最后，根据换热量变化率q的计算公式，可得涡旋膨胀机的换热槽的几何尺寸。

6、本发明所提出的一种地热能发电装置及其涡旋膨胀机的换热槽设计方法，所述的涡旋膨胀机在静涡旋盘的背面开设换热槽，能够使水蒸气在涡旋膨胀机中膨胀过程无法冷凝，更好的控制地热能发电装置中膨胀过程。

7、本发明的有益结果为：

8、①所提出的涡旋膨胀机，能在静涡旋盘的背面开设换热槽，对水蒸气的膨胀过程进行加热，使膨胀过程接近等温过程，增加输出功。

9、②所提出的涡旋膨胀机带有换热槽，能够实现由饱和蒸汽膨胀至低压蒸汽，保证水蒸气不会在膨胀过程中冷凝，而在负压冷凝器中冷凝成液态水，增大压差，同时能满足不同工况下水蒸气对于不同膨胀比的要求。

10、③所提出的一种地热能发电装置，由涡旋膨胀机直接带动涡旋真空泵和发电机，有利于气体轴向力和旋转惯性力的平衡，同时结构简单，丰富了地热能的发电装置类型，提高了热能利用率。

技术特征：

1.一种地热能发电装置，其特征是：由第一阀(1)、闪蒸器(2)、第二阀(3)、涡旋膨胀机(4)、第三阀(5)、负压冷凝器(6)、第四阀(7)、水泵(8)、第五阀(9)、涡旋真空泵(10)、传动齿轮(11)、联轴器(12)和发电机(13)组成；在工作中，地热井产生的地热水，经过第一阀(1)，进入闪蒸器(2)后变成饱和蒸汽；饱和蒸汽进入涡旋膨胀机(4)内膨胀，温度和压力下降，变成低压蒸汽；由涡旋膨胀机(4)排出，进入负压冷凝器(6)内进行等压冷却，被冷凝成液态水；涡旋真空泵(10)抽取负压冷凝器(6)中的不凝气，使得负压冷凝器(6)保持恒定的真空度；液态水被水泵(8)从负压冷凝器(6)中抽出；涡旋膨胀机(4)和涡旋真空泵(10)同轴连接转动；涡旋膨胀机(4)通过传动齿轮(11)带动发电机(13)转动，进行发电；

2.如权利要求1所述的地热能发电装置，其特征是：所述的涡旋膨胀机(4)的静涡旋盘(401)上的换热槽(40102)的轮廓曲线由外侧变截面圆渐开线ab、内侧变截面圆渐开线cd构成；

3.一种如权利要求1所述的地热能发电装置的涡旋膨胀机的换热槽设计方法，其特征是：包括以下步骤：

技术总结本发明公开了一种地热能发电装置及其涡旋膨胀机的换热槽设计方法，其中，地热能发电装置主要包括闪蒸器、涡旋膨胀机、负压冷凝器、水泵、涡旋真空泵、传动齿轮、联轴器和发电机等。所述的涡旋膨胀机的静涡旋盘的背面开设换热槽，能够使进入涡旋膨胀机的饱和蒸汽按特定膨胀过程进行膨胀，实现由饱和蒸汽膨胀至低压蒸汽；所述的涡旋膨胀机和涡旋真空泵同轴连接转动，有利于气体轴向力和旋转惯性力的平衡，涡旋膨胀机通过传动齿轮带动发电机转动，进行发电。该地热能发电装置中涡旋膨胀机开设换热槽可以保证利用地热能发电过程中，水蒸气不会在膨胀过程中冷凝，能满足不同工况的要求，提高热能利用率。技术研发人员：李增耀,侯瑞杰,王君,刘俊材,石岩枫,潘诗洋受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）技术研发日：技术公布日：2024/6/13