CN103574982A - 基于微小型燃气轮机的高效清洁制冷系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于制冷技术领域的一种基于微小型燃气轮机的高效清洁制冷系统。该系统由微小型燃气轮机、蒸汽压缩式制冷循环、吸收式制冷循环组成，微小型燃气轮机的压气机与蒸汽压缩式制冷循环的压缩机同轴相连，微小型燃气轮机输出的高品位机械能直接驱动COP相对较高的蒸汽压缩式制冷循环；微小型燃气轮机的透平的排气通过回热器加热从压气机出来的空气，之后排气作为低品位的热源驱动吸收式制冷循环，回热能提高燃气轮机的效率。本发明将来自微小型燃气轮机燃料的能量分为高品位和低品位，形成梯级利用，提高了能量的利用率。本发明中的微小型燃气轮机、蒸汽压缩式制冷和吸收式制冷技术已经相当成熟，利于该系统的推广。
Description
技术领域
本发明属于制冷技术领域，特别涉及一种基于微小型燃气轮机的高效清洁制冷系统。
背景技术
制冷技术已渗透到生产技术、科学研究以及日常生活的各个方面，并发挥着重要的作用。制冷的方式有很多，包括物质相变制冷、气体膨胀制冷、绝热放气制冷、磁制冷等，其中以相变制冷范畴的蒸汽压缩式制冷和吸收式制冷最为常见，应用也最为广泛。
图1所示为蒸汽压缩式制冷系统的原理图，蒸汽压缩式制冷的基本原理是逆朗肯循环，系统由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器四个基本部件组成，制冷剂蒸汽在压缩机中被压缩，进入冷凝器中冷凝，放出的热量传递给冷却介质，冷凝后的制冷剂高压液体通过膨胀阀进入蒸发器蒸发，产生制冷作用。图2所示为蒸汽压缩式制冷系统循环的示意图，其中，1-2表示蒸汽在压缩机中被压缩，2-3表示高压蒸汽在冷凝器中冷凝，3-4表示实际节流过程，3-4′表示理想节流过程，4-1表示制冷剂液体在蒸发器中蒸发。一般空调采用的都是蒸汽压缩式制冷循环，其COP（装置制冷性能系数）在3以上。
吸收式制冷的原理和蒸汽压缩式制冷一样，都是利用制冷剂的汽化潜热制取冷量。图3所示为吸收式制冷系统的原理图，在吸收式制冷的系统中，用溶液回路代替压缩机，吸收剂吸收制冷剂气体形成溶液，加热后又释放出制冷剂气体。按所采用的工质对进行区分，当前普遍应用的吸收式制冷主要有溴化锂-水、氨-水两种，其中溴化锂吸收式制冷机常用于制取7～10℃的冷水，COP在1.0～1.2左右。
目前比较成熟的制冷系统主要以蒸汽压缩式制冷和吸收式制冷为主，蒸汽压缩式制冷机多采用电驱动，吸收式制冷机多采用直燃机作为热源，两种方式都没有很好地实现能量的梯级利用，因此应当考虑发展一种高效清洁的制冷系统，按照能量的品位采用不同的制冷方式，以达到高效的目标。
微小型燃气轮机作为一种新近发展起来的小型热力发动机，其单机功率范围为在25kW～300kW左右。微小型燃气轮机具有多台集成扩容、低燃料消耗率、低噪音、低排放、低振动、低维修率、可遥控和诊断等一系列先进技术特征，是提供清洁、可靠、高质量、多用途、小型分布式机械驱动的最佳方式。
发明内容
针对目前制冷系统存在的问题，本发明提出了一种基于微小型燃气轮机的高效清洁制冷系统。该系统由微小型燃气轮机、蒸汽压缩式制冷循环、吸收式制冷循环组成，其特征在于，微小型燃气轮机的压气机与蒸汽压缩式制冷循环的压缩机同轴相连，微小型燃气轮机输出的高品位机械能直接驱动COP相对较高的蒸汽压缩式制冷循环；
微小型燃气轮机的透平的排气通过回热器加热从压气机出来的空气，之后排气作为低品位的热源驱动吸收式制冷循环，回热能提高燃气轮机的效率；
蒸汽压缩式制冷循环和吸收式制冷循环的两个蒸发器共同向外界释放冷量。
所述吸收式制冷循环为溴化锂吸收式制冷或氨-水吸收式制冷。
所述蒸汽压缩式制冷循环的压缩机选择离心压气机或者螺杆式压缩机。
发明的有益效果为：
1.高品位的机械能驱动COP较高的蒸汽压缩式制冷循环，低品位的余热驱动COP较低的蒸汽吸收式制冷循环，实现能源梯级利用，系统高效；与一般空调相比，算上电厂发电及输配电过程的损失，该系统的COP与空调持平甚至更高。
2.采用回热，能提高燃气轮机的热效率，输出轴功率提高，蒸汽压缩式制冷循环制冷量提升，尽管蒸汽吸收式制冷量减小，但由于前者的COP远高于后者，整个系统的COP升高。
3.微小型燃气轮机使用天然气，能够优化能源结构；燃烧过程清洁，排放易控制，实现清洁的目标。
4.该系统体积小功率大，制冷系统的冷量密度高，同等冷量需求情况下该系统占用空间小。
5.夏天空调使用频繁，电网负荷高，目前一般采用燃气轮机发电进行调峰，如直接采用基于微小型燃气轮机的制冷系统，能够避免发电、上网、输配电等流程，实现分布式供能。
6.燃气轮机-燃料电池联合系统效率高，在此制冷系统中也可以有很好的应用；微小型燃气轮机发展前景好，随着其热效率的提升会使整个制冷系统的COP有较大提升。
7.本发明中的微小型燃气轮机、蒸汽压缩式制冷和吸收式制冷在技术层面上已经相当成熟，在推广方面不存在技术瓶颈。
附图说明
图1为蒸汽压缩式制冷系统的原理图；
图2为蒸汽压缩式制冷系统循环的示意图；
图3为吸收式制冷系统系统的原理图；
其中，1—发生器；2—冷凝器；3—制冷剂节流阀；4—蒸发器；5—吸收器；6—溶液节流阀；7—溶液热交换器；8—溶液泵；
图4为基于微小型燃气轮机的高效清洁制冷系统结构图。
具体实施方式
下面结合附图对优选实施例作详细说明。
图4为基于微小型燃气轮机的高效清洁制冷系统结构图。本发明将微小型燃气轮机对应的Brayton循环（布雷顿循环）和蒸汽压缩式制冷机以及吸收式制冷机对应的两个逆朗肯循环相结合。微小型燃气轮机的压气机与蒸汽压缩式制冷循环的压缩机同轴相连，微小型燃气轮机输出的高品位机械能直接驱动COP相对较高的蒸汽压缩式制冷循环；微小型燃气轮机的透平的排气通过回热器加热从压气机出来的空气，之后排气作为低品位的热源驱动吸收式制冷循环，回热能提高燃气轮机的效率；蒸汽压缩式制冷循环和吸收式制冷循环的两个蒸发器共同向外界释放冷量。
在实际应用中，吸收式制冷循环可以采用溴化锂吸收式制冷或氨-水吸收式制冷。蒸汽压缩式制冷的压缩机可以选择离心压气机或者螺杆式压缩机。离心压气机结构简单，转速和压比高，可以直接与微小型燃气轮机的转轴相连，无需齿轮箱传动，减少了机械损失同时简化了系统。在低转速情况下，可以选择螺杆式压缩机作为蒸汽压缩式制冷的压缩装置，螺杆式压缩机可靠性高、动力平衡好、操作维护方便，已经有相当广泛的应用。
该系统的具体实施过程为：
燃气轮机部分：空气进入燃气轮机的压气机被压缩，之后进入燃烧室与天然气混合燃烧，高温高压的燃气在透平中膨胀做功，并排出废气；排气具有较高的温度，在回热器中进行回热，加热从压气机出来的高压空气，回热能提高燃气轮机的效率。
蒸汽压缩式制冷部分：燃气轮机的透平通过轴与蒸汽压缩式制冷的压缩机相连，带动压缩机压缩制冷剂蒸汽，高压的制冷剂蒸汽在冷凝器中冷凝成液体，同时向环境放出热量；冷凝后的制冷剂液体经过节流阀节流后，进入蒸发器中蒸发，吸收热量产生制冷效果，蒸发后的制冷剂蒸汽再次进入压缩机中被压缩，如此往复完成循环。
蒸汽吸收式制冷部分：燃气轮机的排气经过回热器后，在一个换热器中与导热油回路进行换热。导热油吸收了排气的热量，作为蒸汽吸收式制冷循环的驱动热源。蒸汽吸收式制冷系统的溶液回路中的发生器吸热后，制冷剂蒸汽以高压形式发生出来，经过发生后的浓溶液经过回热、节流进入吸收器。发生器中发生出来的高压制冷剂蒸汽进入冷凝器中冷凝成液体，同时向环境放出热量；冷凝后的制冷剂液体经过节流阀节流后，进入蒸发器中蒸发，吸收热量产生制冷效果，蒸发后的制冷剂蒸汽进入吸收器被吸收，如此往复完成循环。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.基于微小型燃气轮机的高效清洁制冷系统，该系统由微小型燃气轮机、蒸汽压缩式制冷循环、吸收式制冷循环组成，其特征在于，微小型燃气轮机的压气机与蒸汽压缩式制冷循环的压缩机同轴相连，微小型燃气轮机输出的高品位机械能直接驱动COP相对较高的蒸汽压缩式制冷循环；
微小型燃气轮机的透平的排气通过回热器加热从压气机出来的空气，之后排气作为低品位的热源驱动吸收式制冷循环，回热能提高燃气轮机的效率；
蒸汽压缩式制冷循环和吸收式制冷循环的两个蒸发器共同向外界释放冷量。
2.根据权利要求1所述的基于微小型燃气轮机的高效清洁制冷系统，其特征在于，所述微小型燃气轮机能够由燃气轮机-燃料电池联合系统替代。
3.根据权利要求1所述的基于微小型燃气轮机的高效清洁制冷系统，其特征在于，所述蒸汽压缩式制冷循环的压缩机选择离心压气机或者螺杆式压缩机。
4.根据权利要求1所述的基于微小型燃气轮机的高效清洁制冷系统，其特征在于，所述吸收式制冷循环为溴化锂吸收式制冷或氨-水吸收式制冷。
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