CN103629860B - 跨临界co2冷热电联合循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了以CO₂作为工质，采用跨临界循环的冷热电联产系统。该系统包括制冷系统、发电系统，供热系统和气体加热器。其中，制冷系统包括压缩机、蒸发器、喷射器、节流阀、气液分离器。供热系统包括供热器、气体冷却器。发电系统包括中间抽气式膨胀机、发电机。利用广泛存在的低品位热源加热CO₂工质，发电系统通过膨胀机做功发电，回收了部分膨胀功；利用膨胀机出口CO₂工质的热能给供热用户；利用喷射制冷实现冷量供给。本发明在跨临界CO₂压缩制冷系统基础上采用了中间抽气式膨胀机和喷射器相结合的设计，并且加入气体加热器利用了低品位热源，实现了冷热电联产。

Description

跨临界CO2冷热电联合循环系统

技术领域

本发明涉及一种能源技术领域的系统，具体是采用了中间抽气式膨胀机、喷射器以及气体加热器的新型跨临界CO₂冷热电联合循环系统。

背景技术

CO₂作为一种自然工质，存在于自然界中，无毒，容易大量获得。相对传统制冷剂对臭氧层没有危害且温室效应小得多。并且CO₂临界温度低，临界压力高，适宜采用跨临界循环。跨临界循环工质与变温热源的匹配性优于亚临界循环，可以使工质在发生器中吸热曲线与热源放热曲线更加匹配，从而减少蒸发过程中的不可逆损失，提高系统性能。此外，CO₂具有优良的流动和传热特性，单位容积制冷量大，可以使得系统十分紧凑。无毒，不可燃，化学稳定性好可以适用普通润滑油与设备材料等优点。所以采用CO₂作为工质的跨临界循环循环越来越受到人们的关注。

跨临界CO₂制冷循环的高压侧压力大于临界压力，一般为10MPa以上，而蒸发压力处于亚临界状态，一般为4MPa左右，如果采用常规的节流方式，较大的节流前后压差将产生非常大的节流损失，制冷系数低于常规工质25%左右。如何降低节流损失是提高跨临界CO₂制冷循环性能的关键。目前主要的解决方法有：采用膨胀机代替膨胀阀回收部分膨胀功；采用喷射器代替膨胀阀，提高压缩机入口压力减小压缩功。

两种方法分别通过膨胀机和喷射器回收部分压缩功来达到提高系统效率的目的，两种方法各有特点。在一般工况下，从理论回收膨胀功和内部不可逆损失来讲采用膨胀机优于喷射器。但是喷射器具有价格低廉，工作可靠的特点，并且可以在两相区正常工作，这样就可以进一步降低CO₂进入节流阀的压力从而降低的节流损失。国内外研究表明两种方式均可以较大幅度的提高跨临界CO₂制冷循环的性能。

传统的跨临界CO₂制冷系统，如图1所示。除了节流损失比较大以外，特别之处是压缩机出口温度能达到80－150℃，经气体冷却器冷却后出口温度为常温。如果直接冷却则这部分热量就排入环境造成浪费，所以我们将气体冷却器换为气体加热器利用低品位热源（太阳能、工业废热、电厂余热等）对其进一步加热，这样既提高了膨胀机工作性能又利用了这部分热量来供热。基于以上现状及思想，本发明以CO₂作为工质，采用跨临界循环，把中间抽气式膨胀机和喷射器结合起来，并加入了利用低品位余热的气体加热装置组成一个新型循环。解决了传统循环节流损失大的问题，实现了冷热电联产。

经过对现有技术的公开文献检索发现，申请号200910020990.4，名称为一种用于60～90℃低温热源的发电系统，该发电系统采用的工质为CO₂，但是只有电能输出，没有冷能和热能输出。申请号03145079.2，名称为带有节流可控喷嘴的喷射器和使用它的喷射循环，申请号200510007893.3，名称为具有多蒸发器的喷射循环，上述二者为压缩喷射制冷/热泵循环，只有冷能或热能，且没有电能输出；

本发明的目的在于克服上述不足之处，从而提供一种采用CO₂超临界冷热电联产系统。利用低品位热源对压缩机出口的CO₂工质进一步加热，并引入膨胀机和喷射器实现发电、供热和制冷。其最大的特点就是采用环保工质CO₂，对不同品质的能量进行梯级利用，温度比较高、具有较大可用能的热能用来被发电，而温度比较低的低品位热能则被用来供热或是制冷。这样做不仅提高了能源的利用效率，而且具有良好的经济效益和社会效益。

发明内容

本发明的目的针对现有技术的不足之处，提供一种新的跨临界CO₂冷热电联合循环系统。相对传统循环，将喷射器和中间抽气式膨胀机结合起来，减小了节流损失，回收了部分压缩功。另外，节能减排的一个重要途径是回收与利用各种类型的中低品位热能。本发明还采用了气体加热器有效利用低品位余热，提高膨胀机工作性能，实现了冷热电三联产。

为实现以上目标，本发明采用了以下技术方案：本发明包括发电系统，供热系统，制冷系统，气体加热器等主要部分。其中，发电系统由中间抽气式膨胀机及其配套的发电机组组成；供热系统由串联的供热 器和气体冷却器组成；制冷系统采用喷射式制冷，由喷射器、蒸发器、节流阀、气液分离器机构等组成。

所述系统连接方式为：压缩机出口与气体加热器相连，气体加热器出口管路接入中间抽气式膨胀机入口，中间抽气式膨胀机出口管路分为两支：抽气出口通过管路经过供热器和气体冷却器之后和喷射器主流体入口连接；乏汽出口管路经过供热器和气体冷却器之后与蒸发器出口管路合并后接入喷射器引射流体入口。喷射器出口和气液分离器入口相连，气液分离器气体出口和压缩机吸气口相连，气液分离器液体出口管路经节流阀和蒸发器入口相连。需要指出的是本发明在气液分离器气体出口处有一支带有节流阀的旁通支路，支路另一端接入蒸发器入口，该支路起到调节流量的作用使得系统稳定持久运行。

所述系统连接方式为：压缩机出口与气体加热器相连，气体加热器出口管路接入中间抽气式膨胀机入口，中间抽气式膨胀机出口管路分为两支：抽气出口通过管路经过供热器和气体冷却器之后和喷射器主流体入口连接；喷射器出口和气液分离器入口相连，气液分离器的气体出口管路先引出一支带有节流阀的旁通支路，再与中间抽气式膨胀机乏汽出口经过供热系统后的管路连接后一同接入压缩机吸气口，气液分离器液体出口经节流阀后接入蒸发器入口。

所述系统连接方式为：压缩机出口与气体加热器相连，气体加热器出口管路接入中间抽气式膨胀机入口，中间抽气式膨胀机出口管路分为两支：抽气出口通过管路经过供热器和气体冷却器之后和喷射器主流体入口连接；喷射器出口和气液分离器入口相连，气液分离器的气体出口管路先与中间抽气式膨胀机乏汽出口经过供热系统后的管路连接后，沿气液分离器气体出口管路再引出一支旁通路，气液分离器气体管路最后接入压缩机吸气口，气液分离器液体出口经节流阀后接入蒸发器入口。

所述发电系统由中间抽气式膨胀机以及配套的发电机组组成，高压高温的CO₂工质在中间抽气式膨胀机中膨胀做功并由配套的发电机组转换为电能。不同于普通膨胀机，一部分CO₂工质在中间抽气式膨胀机中膨胀到一定压力后即由膨胀机中抽出，由抽气口排出膨胀机，剩下的CO₂工质则继续膨胀至膨胀机背压，由乏汽出口排出。处于超临界状态的高压CO₂工质在膨胀机中膨胀做功回收了部分低品位热能和压缩功提高了系统整体性能。

所述供热系统包括供热器和气体冷却器，两者为串联关系，位于发电系统下游。发电系统的膨胀机抽气出口和乏汽出口分别通过独立的管道先后经过供热器和气体冷却器。在供热器中温度较高的CO₂工质对外放热，向供热用户提供热量，之后CO₂工质进入气体冷却器中进一步冷却至常温。供热系统利用了膨胀机出口的温度较高CO₂工质的热能对供热用户提供热能。

所述制冷系统采用喷射式制冷，喷射式制冷没有运动部件，可靠性好，成本低，可以提高压缩机入口压力从而减小压缩功。中间抽气式膨胀机的抽气出口经过过供热系统后与喷射器主流体入口连接。膨胀机乏汽出口经过供热系统后并入蒸发器出口管路然后接入喷射器引射流体入口或直接接入压缩机吸气口。中间抽气式膨胀机的抽气出口出来CO₂工质经喷嘴后速度提高压力降低，将引射流体入口处的CO₂工质吸入喷射器，主流工质与引射工质在喷射器混合段混合后进入扩压段减速增压，并以气液两相的状态进入气液分离器，分离出的气态工质部分进入压缩机压缩。由于喷射器的引射作用，CO₂工质在喷射器出口处的压力高于喷射器引射流体压力，即压缩机入口压力高于蒸发压力，这样，就提高了压缩机的进口压力，减小了压缩功。

所述气液分离机构由气液分离器以及旁通路构成。节流机构采用节流阀。气液分离器的气体出口端分为两支，一支和压缩机吸气口相连，另一支为带有节流阀的旁通路的一端；液体出口端和节流阀连接，通过节流阀后和旁通路另一端合并后接入蒸发器。该旁通支路起到调节流量的作用使得系统稳定持久运行。

本发明相比传统循环有如下优点：采用了中间抽气式膨胀机用来发电回收了膨胀功；采用了喷射器将中间抽气式膨胀机抽出的高压CO₂工质作为主流体引射处于蒸发压力的CO₂工质，提高了压缩机的入口压力，减小了压缩功；回收压缩机出口低品位CO₂余温，并采用了气体加热器对处于超临界状态的CO₂工质进一步加热，提高了膨胀机输出功，使得膨胀机工作更稳定，有效利用了低温余热。

附图说明

图1为传统的跨临界CO₂制冷循环示意图

图2为新型跨临界CO₂冷热电联合循环示意图

图3为新型跨临界CO₂冷热电联合循环T-s图

图4为新型跨临界CO₂冷热电联合循环示意图变化形式1

图5为新型跨临界CO₂冷热电联合循环示意图变化形式2

图6为申请号03145079.2的跨临界CO₂喷射制冷循环示意图

具体实施方法 

下面结合附图对本发明的实施例详细说明。本发明中各部件在系统中位置以及连接方式示意图如图2所示。循环中状态点大致的热力学状态如图2所示，相应的状态点在系统中位置如图3所示。

如图2所示跨临界CO₂冷热电联合循环包括依次通过管道连接构成循环系统的压缩机1、气体加热器2、中间抽气式膨胀机3、发电机4、供热器5、气体冷却器6、喷射器7、气液分离器8、节流阀9和蒸发器10。具体连接方式为：压缩机1出口连接气体加热器2入口，气体加热器2出口管路接入中间抽气式膨胀机3入口，中间抽气式膨胀机3出口管路分为两支：抽气出口通过管路经过供热器5和气体冷却器6之后和喷射器7主流体入口连接；乏汽出口管路经过供热器5和气体冷却器6之后与蒸发器10出口管路合并后接入喷射器7引射流体入口。喷射器7出口连接气液分离器8入口，气液分离器8气体出口和压缩机1吸气口相连，气液分离器8液体出口管路经节流阀9接入蒸发器10入口。需要指出的是本发明在气液分离器8气体出口处有一支带有节流阀9的旁通支路，支路另一端接入蒸发器10入口，该支路起到调节流量的作用使得系统稳定持久运行。

跨临界CO₂冷热电联合循环首先从压缩机压缩CO₂工质开始。处于亚临界状态h的CO₂工质通过管道进入压缩机1压缩至超临界状态a，此时CO₂工质压力较高，一般工况下约为10MPa或者略高。接着处于超临界状态a的CO₂工质进入气体加热器2中加热，气体加热器2采用工业余热，地热，太阳能等温度不太高的热源低品位余热作为热源为CO₂工质加热。经过气体加热器2加热得到的高温高压CO₂工质提高了膨胀机输出功，保障了膨胀机的可靠工作。本发明通过采用气体加热器2有效的利用了这些品位较低的热源，实现了能源的梯度利用。CO₂工质在气体加热器2中加热至约为200℃的高温高压的状态b，然后进入中间抽气式膨胀机3中膨胀做功，并由发电机4将膨胀功转变为电能，发电过程完成。

接下来为供热过程，一部分CO₂工质在膨胀机3中膨胀做功至压力较低的亚临界状态d后进入供热器5放热，通常工况下此时CO₂工质温度在100℃至140℃之间，很适合直接给供热用户提供热能，可以很方便的满足供热用户需求。工质在供热器5中放热至70℃即状态点d₁后进入气体冷却器中进一步冷却至常温状态f，然后和蒸发器10出来的处于饱和气态i的CO₂工质混合达到状态g，然后进入喷射器7的引射流体入口，该股工质即为引射流体。另一部分CO₂工质在膨胀机3中膨胀至压力稍低的超临界状态c，此时压力在8MPa左右，然后进入供热器5中对外放热至70℃即状态点c₁，再进入气体冷却器6进一步冷却至e，最后由喷射器7主流体入口进入喷射器7中作为主流体引射之前的处于状态g的CO₂工质。

所述的跨临界CO₂冷热电联合循环的制冷系统采用喷射式制冷。由主流体入口进入喷射器7的CO₂工质先经过喷嘴，速度提高压力降低，将引射流体入口处的CO₂工质吸入喷射器7，主流工质与引射工质在喷射器混合段混合后通过喉部进入扩压段减速增压，达到气液两相的状态j，然后进入气液分离器8中进行气液分离。喷射器具有升压作用，喷射器7出口处的状态j的CO₂工质压力高于蒸发器10的出口处状态i的压力。经气液分离器8分离出CO₂气体h分为两支，大部分进入压缩机1中压缩；另一支通过节流阀9节流至l与气液分离器8分离出的CO₂液体k混合至状态m，然后进入蒸发器10中蒸发吸热，向供冷用户提供冷量，达到状态点h。至此完成一个完整的循环，克服了现有技术的不足，利用了低温余热，实现了冷热电联产。

图4是图2的一种变化，中间抽气式膨胀机3乏汽出口经过供热器5、气体冷却器6后的管路与气液分离器8的气体出口管路相连。上述管路相连之前气液分离器的气体出口管路先引出一支带有节流阀9的旁通支路。气液分离器气体管路最后接入压缩机1吸气口。其他部分连接与图2相同。

图5是图2的一种变化，中间抽气式膨胀机3乏汽出口经过供热器5、气体冷却器6后的管路与气液分离器8的气体出口管路连接后，沿气液分离器气体出口管路再引出一支带有节流阀9的旁通支路，气液分离器气体管路最后接入压缩机1吸气口。其他部分连接与图2相同。

图2的跨临界CO₂冷热电联产系统运行工况条件如下：

表1运行工况参数

基于表1的设计参数，图2的跨临界CO₂冷热电联产系统性能的计算结果如表3所示：

表2系统性能计算结果

对比实验例：将本发明的图2循环如果去掉气体加热器，压缩机出口的高压高温超临界CO₂直接进入膨胀机发电。计算时运行条件与表1相同：采用CO₂，假设压缩机出口压力为11MPa，压缩机的质量流量为0.08578kg/s，蒸发温度为5℃。不同的是膨胀机进口的温度为压缩机排气口的温度86.47℃。

表3系统性能计算结果

从表3中的对比的结果可以看出，如果无气体加热器，供热器无法获取70℃以上余温，膨胀机的功率减少了33%，制冷量虽然增加了30.5%，但制冷量的品位显然无法与电能比较。

对比实验例：将本发明的图2与申请号03145079.2，名称为带有节流可控喷嘴的喷射器和使用它的喷射循环进行比较，如图6。计算时运行条件与表1相同：采用CO₂，假设压缩机出口压力为11MPa，压缩机的质量流量为0.08578kg/s，蒸发温度为5℃，喷射器入口温度为35℃。表1中喷射器的进口压力为膨胀机中间抽气压力8MPa，而申请号03145079.2的喷射器进口的压力为压缩机的排气压力11MPa。

表4系统性能计算结果

从表4的对比的结果可以看出，二者的压缩机耗功基本持平，无膨胀机的这种形式只得到了制冷量，而没有膨胀功输出，也无法获得供热量。虽然制冷量相对比较高，但是本发明获得的有效的电能，其品位远高于制冷量。适合家庭和小规模商业场所应用，具有发电、制冷、供热、供应生活热水等多种功能。

通过性能计算和对比可知本发明具有以下优点：

1.本发明实现了能源从高品位到低品位的合理梯级利用，因而高效节能，本系统的热效率达到了60%以上；

2.本发明采用自然工质CO₂，减少碳化物和有害气体的排放，对臭氧层无破坏，无环境污染；

3.冷热电与用户需求相匹配，适合家庭和小规模商业场所应用，具有广阔的市场和应用前景。

Claims (8)

1.一种跨临界CO₂冷热电联合循环系统，其特征在于：

压缩机排气口与气体加热器入口相连，气体加热器出口和中间抽气式膨胀机入口相连；

中间抽气式膨胀机的抽气出口经过供热系统后与喷射器主流体入口连接；

喷射器出口与气液分离器的入口相连；

气液分离器的气体出口端分为两支，一支和压缩机吸气口相连，另一支和带有节流阀的旁通路相连接；气液分离器的液体出口端和节流阀连接，通过节流阀后和旁通路另一端连接后接入蒸发器。

2.如权利要求1所述的跨临界CO₂冷热电联合循环系统，其特征在于：

所述压缩机排气口的CO₂工质为超临界状态。

3.如权利要求1所述的跨临界CO₂冷热电联合循环系统，其特征在于：

所述的气体加热器利用太阳能、地热能或工业废热作为驱动热源。

4.如权利要求1所述的跨临界CO₂冷热电联合循环系统，其特征在于：

所述供热系统包括供热器和气体冷却器，和发电系统相连，所述发电系统包括所述中间抽气式膨胀机和配套的发电机；并且所述膨胀机的抽气出口和乏汽出口分别通过独立的管道与所述供热器和所述气体冷却器依次分别相连。

5.如权利要求1所述的跨临界CO₂冷热电联合循环系统，其特征在于：

所述中间抽气式膨胀机的乏汽出口经过供热系统后和蒸发器出口管路连接后一同接入喷射器引射流体入口。

6.如权利要求1所述的跨临界CO₂冷热电联合循环系统，其特征在于：

所述中间抽气式膨胀机的乏汽出口经过供热系统后和气液分离器的气体出口管路连接后一同接入压缩机吸气口。

7.如权利要求6所述的跨临界CO₂冷热电联合循环系统，其特征在于：

气液分离器的气体出口管路先引出一支旁通路后，再与中间抽气式膨胀机的乏汽出口经过供热系统后的管路连接后一同接入压缩机吸气口。

8.如权利要求6所述的跨临界CO₂冷热电联合循环系统，其特征在于：

气液分离器的气体出口管路先与中间抽气式膨胀机乏汽出口经过供热系统后的管路连接后，沿气液分离器气体出口管路再引出一支旁通路，气液分离器气体管路最后接入压缩机吸气口。