CN101280962B - 基于超临界二氧化碳循环利用的太阳能或废热供能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于超临界二氧化碳循环利用的太阳能或废热供能系统，属于可再生式能源和废热利用以及环保技术领域，该系统包括太阳能集热器(或者废热集热器)、换热器(或者制冷机)以及管路等组成。管路中的工质是超临界二氧化碳或者超临界二氧化碳与低沸点的天然流体(如氨、碳氢化合物)的流体混合物。本发明设计的分布式供能系统可以有效利用太阳能(或废热)来供热、供冷。系统的集热效率可以达到85％以上，集热器出口温度可以达到90℃以上。所使用的工质不易燃烧、无毒，同时有效地利用并管理二氧化碳等温室气体，改善环境。

Description

基于超临界二氧化碳循环利用的太阳能或废热供能系统
技术领域
本发明属于太阳能、废热有效利用的环保技术领域，特别涉及有效利用超临界CO2以及太阳能或废热的独立式供应热水(或者其他形式的热能)、制冷空调装置。
背景技术
在人类文明进程中所用的能源主要是化石燃料，化石燃料的使用给社会带来一些问题。一是化石燃料燃烧过程中释放出许多污染物，如一氧化碳、有机碳氢化合物，金属微粒等，这些污染物的释放对环境造成很大损害，如酸雨的生成、臭氧层破坏及地球温暖化等；二是地球上的化石燃料总量是有限的，对其大量的利用造成人类面临的能源紧张等问题。所以应尽可能地使用可再生式能源，如太阳能，风能及生物质能等。目前对太阳能的热利用主要有太阳能热水器、太阳能干燥器等形式，虽然装置的结构各种各样，但均是利用水与太阳能进行热交换，从装置中将被太阳能加热的水取出进行利用，再向装置中补充入冷水。现有的太阳能集热器，因为没有泵强制循环，仅利用水的自然对流，集热效率低，低于50％，所获得的热水量较少。另一方面，如何减少温室气体，如二氧化碳等，成为全球注目的棘手问题。而回收与利用这些被排放的温室气体，则是有效的方法。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，设计一种利用超临界二氧化碳CO2和太阳能或废热的供能装置，该装置以超临界CO2流体为太阳能供能系统中的循环工质，可有效地利用太阳能或者废热来供热、制冷。CO2不易燃烧且无毒，使用时不会对环境及个人安全造成危害；同时有效地利用并管理二氧化碳等温室气体，可以减小地球温暖化效应，改善环境。
本发明提出一种基于超临界二氧化碳循环利用的太阳能或废热供能系统，其特征在于，该系统包括：太阳能或废热集热装置、热回收装置以及连接各装置的管路；所述太阳能或废热集热装置的进、出口分别与热回收装置的出口、进口相连接，构成的热交换循环回路，所述热交换循环回路中灌充有超临界CO2流体工质或超临界CO2流体混合物工质。
所述太阳能或废热集热装置包括通过管路依次相连的太阳能或废热集热器、安全阀、流量控制阀、CO2灌充口。
所述热回收装置包括通过管路依次相连的换热器、循环水泵、热水箱、水流量控制阀。
所述换热器可以是管壳式换热器或其它高效类型的换热器。
所述热回收装置还包括：电加热控制器、补给水阀门和出水阀门；所述电加热控制器在太阳能不充足时启动，加热水箱中的水。
所述热交换循环回路中的超临界CO2流体工质，是指压力高于CO2临界点压力(7.38MPa)、温度高于CO2临界点(31.06℃)温度的CO2流体；
所述热交换循环回路中的超临界CO2流体混合物，是指超临界CO2与其它低沸点天然性工质流体(如氨、二甲醚、碳氢化合物中的任一种)所组成的流体混合物，在该流体混合物中其它流体的质量百分比不超过超临界CO2的30％。
上述系统的工作过程：超临界CO2或超临界CO流体混合物经过太阳能或废热集热器加热后变成高温超临界流体，然后该高温超临界流体经过热回收装置被冷却后，返回太阳能或废热集热器加热，从而实现太阳能热利用过程(或者废热回收利用过程)。在该太阳能热利用技术中，高温超临界流体流过热回收装置被冷却，热回收装置中的冷工质得到热能，实现供热。
上述系统中还可用制冷机取代热系统中的热回收装置可以实现供冷；
所述制冷机可以是吸收式制冷机或其它能够利用热源来制冷的制冷机。
所述供热和供冷只能取其一。
本发明的特点及有益效果：
本发明利用超临界二氧化碳等循环工质在加热、冷却条件下产生对流的原理，来驱动该循环工质在回路中循环流动。这些超临界流体在循环回路中通过压力和流量的控制在太阳能集热器(或废热集热器)中有效地加热，成为高温的超临界流体；高温超临界流体流经热回收装置，得到的热能可以用来提供热水，或供暖等；也可以用作加热空间，实现干燥器等功能；还可以作为吸收式制冷机的热源，提供冷暖空调等。同时流体工质被进一步冷却，回流至集热器，从而完成整个循环。这一过程充分地利用了太阳能(或废热)，并且利用了CO2等天然流体。这些天然流体来自于大自然，无毒且不易燃烧，对环境和对个人的安全都没有不良影响；并且将温室气体如二氧化碳管理起来，可以减轻温室效应、地球温暖化等对人类环境造成危害的问题。
在本发明系统中，太阳能集热器的集热效率可达到85％以上，集热器出口工质温度可以达到90℃以上。若使用此系统来制取热水，则可以得到70℃左右的热水。各项指标都高于现有的太阳能热水器等产品和技术。
本发明设计的利用超临界CO2的供热或者供冷装置，可用在各个家庭中，也可以用在饭店、学校、宾馆及别墅等地方提供热水、供暖或者冷空调等。
该装置的输出热、冷能的产量主要取决于太阳能集热器面积(或废热源量及集热器面积)、循环工质流量的性能。该装置的有效输出取决于太阳能集热器(或者废热集热器)装置的大小。
附图说明
图1为本发明的实施例1结构示意图。
图2为本发明的实施例2结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图详细说明本发明的结构和工作过程。
实施例1以超临界CO2作为循环工质，超临界CO2流体工质，是指压力高于CO2临界点压力(7.38MPa)、温度高于CO2临界点(31.06℃)温度的CO2流体；其结构如图1所示，包括太阳能集热器1、换热器2和热水箱3组成的热回收装置以及将各部件相连通的管路。其中，太阳能集热器1的进口与出口分别与换热器2的出口、进口相连接，从而构成超临界CO2热交换循环回路，在此循环回路中连有安全阀4、流量调节控制阀5以及CO2灌充口11。其中安全阀4用于回路中压力超过警戒压力时的泄压，保证安全所用；流量调节控制阀5可以调节回路中的CO2流体的流量；CO2灌充口11用于向CO2循环回路中灌充CO2所用。在换热器2的水回路侧，换热器2的进口与出口分别与热水箱3的出口、进口相连接，从而构成水回路，在水回路中还连接有循环水泵7和水流量调节控制阀6，其中循环水泵7用于泵送水在回路中流动；流量调节控制阀6用于调节控制水回路中的水循环流量。热水箱的另一侧带有补给水阀门8和出水阀门9。利用换热器2回收热量，回收的热量可以被利用来提供热水、供热等。电加热控制器10可以在太阳能不充足时启动，加热水箱中的水，成为热水为用户使用。
实施例1的工作过程为：超临界压二氧化碳CO2经过太阳能集热器1，在集热器出口流体已被加热成高温的超临界流体，然后高温高压的超临界流体流经换热器2，在换热器中实现热量的回收(在本实施例中使用冷水来实现该热量的回收，即加热冷水提供热水功能)，同时超临界压二氧化碳被冷却后返回太阳能集热器1，这样就完成了一个循环，如此周而复始。
在上述工作过程中，可以只实现热水或者供暖功能，太阳能集热器1出口处的高温高压的超临界二氧化碳作为热源进入换热器，直接加热冷水或者空气，系统提供热水、供暖。
在该实施例中，经实验测定太阳能集热器的集热效率(即集热量与入射太阳能的比率)可以达到80％以上，使用了如下组件：
太阳能集热器：U型管真空太阳能集热器(选择性吸收表面吸收率为0.93，发射率为0.19)2.0m2，可耐压13MPa。
平均日射量：600.0W/m2
循环工质：二氧化碳(8.0kg)
换热器：套管式换热器，换热面积0.7m2
热水：在白天日照时间内(如9:00-17:00)，可以连续不断地提供流量为48.0kg/h的70.0℃左右热水(原来20.0℃的水被加热至70.0℃，20.0℃→70.0℃的热水)
实施例2以超临界二氧化碳流体混合物作为循环工质，超临界CO2流体混合物，是指超临界CO2与其它低沸点天然性工质流体(如氨、二甲醚、碳氢化合物中的任一种)所组成的流体混合物，在该流体混合物中其它流体的质量百分比不超过超临界CO2的30％。其结构与如图2所示，本实施例结构与实施例1基本相同，只是用废热集热器21代替了实施例1的太阳能集热器1、用吸收式制冷机22代替了实施例1中由换热器2和热水箱3组成的热回收装置。另外，不需要蓄热器。
在实施例2中，经实验测定废热集热器1中的废热回收效率(即工质流体吸收的废热量与所有废热量的比率)可以达到85％以上，使用了如下组件：
超临界二氧化碳流体混合物：二氧化碳90％；氨10％
废热集热器：管翅式集热器，换热面积3.0m2，可耐压25MPa。
废热热流量：500.0W/m2
天然工质：二氧化碳流体混合物(8.0kg)
吸收式制冷机：效率0.8
冷水：可以连续不断地提供流量为200.0kg/h的7.0℃左右冷水(原来19.0℃的水被冷却至7.0℃，19.0℃→7.0℃的冷水)

Claims (6)

1.一种基于超临界二氧化碳循环利用的太阳能或废热供能系统，其特征在于，该系统包括太阳能或废热集热装置、热回收装置以及连接各装置的管路；所述太阳能或废热集热装置的进口、出口分别与热回收装置的出口、进口相连接，构成热交换循环回路，超临界CO2流体工质或超临界CO2流体混合物经过太阳能或废热集热器加热后变成高温超临界流体，然后该高温超临界流体经过热回收装置被冷却后，返回太阳能或废热集热器加热，从而实现太阳能热利用过程或废热回收利用过程；所述太阳能或废热集热装置由通过管路依次相连的安全阀、太阳能或废热集热器、流量控制阀和CO2灌充口组成，其中，CO2灌充口用于向所述热交换循环回路中灌充超临界CO2流体工质或超临界CO2流体混合物；所述超临界CO2流体混合物是采用超临界CO2与氨、二甲醚、碳氢化合物中的任一种低沸点天然性工质流体所组成的流体混合物，在该流体混合物中所述低沸点天然性工质流体的质量百分比不超过超临界CO2的30％。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述太阳能集热器采用耐高压达到13MPa以上的真空管太阳能集热器；所述废热集热器采用耐高压达到13MPa以上的集热器。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述热回收装置包括：通过管路依次相连的换热器、循环水泵、热水箱和水流量控制阀。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述换热器采用管壳式换热器。
5.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述热回收装置还包括：与所述热水箱相连的电加热控制器、补给水阀门和出水阀门。
6.如权利要求1所述系统，其特征还在于，所述热回收装置采用吸收式制冷机或利用热源来制冷的制冷机。
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Assignor: Zhang Xinrong|Du Peijian

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Denomination of invention: Solar energy or exhaust heat energy supply system based on supercritical carbon dioxide cycle utilization

Granted publication date: 20100609

License type: Exclusive License

Open date: 20081008

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Granted publication date: 20100609

Termination date: 20160416

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