CN103940134B - 蒸汽压缩制冷循环膨胀功回收系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了蒸汽压缩制冷循环膨胀功回收系统,它包括:(i)主压缩机；(ii)冷凝器，与主压缩机相连接，将来自主压缩机的气态工质在定压条件下冷却为气液两相混合物；(iii)气液分离器，与冷凝器相连接，对来自冷凝器的气液两相混合物进行相分离；(iv)气体膨胀机，与气液分离器气相工质出口相连接；(v)膨胀阀，与气液分离器液相工质出口相连接；(vi)蒸发器，与膨胀阀相连接；(vii)辅助压缩机，与蒸发器相连接；气体膨胀机和辅助压缩机的气态工质出口通过管线共同与主压缩机的气态工质进口相连通。采用本系统通过分级压缩，降低各压缩过程的压缩比，保证了压缩机效率并提升了循环COP。
Description
技术领域
本发明涉及膨胀功回收系统，主要涉及蒸汽压缩制冷循环膨胀功回收系统。
背景技术
基于蒸发、压缩、冷凝及节流等热力过程的蒸汽压缩制冷循环可以实现热从低温环境向高温环境的逆向传递，从而为工业生产与日常生活提供稳定的冷/热负荷。在我国，基于蒸汽压缩循环的制冷和热泵设备的应用增长迅速，这不仅导致电力需求的持续增加，间接促进了煤炭等化石燃料的消耗量，同时也加剧了电网负荷的季节不平均性，威胁电网整体安全。因此，优化蒸汽压缩制冷循环，对于减轻现阶段我国面临的能源短缺、能源安全及环境负担等问题具有重要现实意义。
蒸汽压缩制冷循环的设计取决于系统中循环工质的热物性。常规蒸汽压缩制冷循环以合成工质，如氢氟碳(HCHCs)，在住宅和商用制冷、汽车空调及工业制冷领域有着广泛应用。自然工质，以CO2为代表，主要应用于船舶制冷。与合成工质相比，CO2的临界温度较低(约31℃)，只有结合跨临界技术才能得到可与常规循环竞争的循环效率。然而，要实现对CO2跨临界循环的有效利用，必须解决高压力、大压差及气体冷却器内工质温度滑移大等问题。因此，基于合成工质的亚临界循环仍是现阶段蒸汽压缩制冷循环的重点发展方向。
通过减少循环各热力过程的能量损失可以优化循环性能。在常规蒸汽压缩制冷循环中，利用非共沸混合工质的变温相变特性可以减少蒸发和冷凝过程的传热不可逆损失；采用多级压缩技术，通过减少各级压缩机的压比，可以有效减少压缩过程能量损失。节流过程存在的能量损失也有利用价值，然而目前缺少能有效回收这部分能量的技术手段。
在跨临界CO2循环中，利用全流膨胀机代替节流阀可以有效减少节流能量损失。理论上，用两相膨胀机代替节流阀的思路在亚临界循环中也有意义，但由于系统性能提高程度小，且工质的两相膨胀容积比过大(20-40)导致设备制造与控制难度大，未能得到应用。与两相膨胀相比，气相膨胀过程中工质的膨胀容积比小(2-8)，膨胀过程的设计与控制较易实现。另一方面，由工质等焓线分布特性决定，在相同的压差条件下，气相膨胀比两相膨胀可以输出更多的膨胀功。综合以上两点，将气体膨胀技术引入亚临界蒸汽压缩制冷循环可以实现提高膨胀功利用率、提升循环性能及扩大亚临界逆循环应用范围的目标。
如图1所示传统的蒸汽压缩制冷循环系统由压缩机11、冷凝器12、节流阀13和蒸发器14构成。其工作过程是这样的：气态工质进入压缩机11并被压缩至高温高压状态；之后，该高温高压气体经冷凝器12冷凝，节流阀13降压后，以气液两相状态进入蒸发器14；吸热蒸发后，以饱和或过热气状态进入压缩机11，完成一次循环。这种装置存在的问题是受制于压缩机，传统单级蒸汽压缩制冷循环对于冷热源温差有一定限制。传统的蒸汽压缩循环一般适用于循环温升小于70℃的工况条件，这是因为随着循环温升的增大，压缩机压比会相应增大，继而导致压缩机效率下降、耗功增加、排气温度升高，并最终引起循环性能恶化。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种通过有效回收利用膨胀功，达到降低蒸汽压缩制冷循环耗能，提高循环运行效率及扩大蒸汽压缩制冷循环适用工况范围的目的蒸汽压缩制冷循环膨胀功回收系统。
本发明的蒸汽压缩制冷循环膨胀功回收系统,它包括:
(i)主压缩机，用于将气态工质压缩至第一级温度和第一级压力；
(ii)冷凝器，与主压缩机相连接，将来自主压缩机的气态工质在定压条件下冷却为具有低于第一级温度的第二级温度的气液两相混合物；
(iii)气液分离器，与冷凝器相连接，对来自冷凝器的气液两相混合物进行相分离，相分离后的气相工质经由气液分离器上部气相工质出口离开，而液相工质经由气液分离器下部液相工质出口离开；
(iv)气体膨胀机，与气液分离器气相工质出口相连接，将来自气液分离器的气体工质膨胀至低于第一级压力的第二级压力，并输出膨胀功；
(v)膨胀阀，与气液分离器液相工质出口相连接，将来自气液分离器的液相工质膨胀为具有低于第二级压力的第三级压力和具有低于第二级温度的第三级温度的气液混合物；
(vi)蒸发器，与膨胀阀相连接，将来自膨胀阀的气液混合物在定压条件下加热为具有高于第三级温度的第四级温度的气态工质；
(vii)辅助压缩机，与蒸发器相连接，将来自蒸发器的气体工质压缩至介于第三级和第一级压力之间的第四级压力，气体膨胀机和辅助压缩机同轴连接，辅助压缩机由气体膨胀机输出的能量驱动；
所述的气体膨胀机和辅助压缩机的气态工质出口通过管线共同与主压缩机的气态工质进口相连通。
蒸汽压缩制冷循环膨胀功回收系统，它包括:
(i)主压缩机，用于将气态工质压缩至第一级温度和第一级压力；
(ii)内部换热器,内部换热器与主压缩机相连接；
(iii)冷凝器，与内部换热器相连接，冷凝器将来自主压缩机并经内部换热器降温的气态工质在定压条件下冷却为具有低于第一级温度的第二级温度的气液两相混合物；
(iv)气液分离器，与冷凝器相连接，对来自冷凝器的气液两相混合物进行相分离，相分离后的气相工质经由气液分离器上部气相工质出口离开，而液相工质经由气液分离器下部液相工质出口离开；
(v)气体膨胀机，气体膨胀机通过内部换热器与气液分离器气相工质出口相连接，气液分离器送出的气相工质与主压缩机送出的气态工质在内部换热器中进行热交换；气体膨胀机将来自气液分离器的气体工质膨胀至低于第一级压力的第二级压力，并输出膨胀功；
(vi)膨胀阀，与气液分离器液相工质出口相连接，将来自气液分离器的液相工质膨胀为具有低于第二级压力的第三级压力和具有低于第二级温度的第三级温度的气液混合物；
(vii)蒸发器，与膨胀阀相连接，将来自膨胀阀的气液混合物在定压条件下加热为具有高于第三级温度的第四级温度的气态工质；
(viii)辅助压缩机，与蒸发器相连接，将来自蒸发器的气体工质压缩至介于第三级和第一级压力之间的第四级压力，气体膨胀机和辅助压缩机同轴连接，辅助压缩机由气体膨胀机输出的能量驱动；所述的气体膨胀机和辅助压缩机的气态工质出口通过管线共同与主压缩机(21)的气态工质进口相连通。
本发明的优点：
限制蒸汽压缩制冷循环的主要因素在于压缩机。由于压缩机需要采用油润滑，为防止润滑油碳化，压缩机排气温度有一定限制(一般不超过120℃)。而压缩机的效率受其压缩比影响显著，过大的压缩比将导致排气温度过高、压缩效率恶化、循环性能降低等问题。采用本发明装置，以降低冷凝器内放热量为代价，回收一定的膨胀功，并将此部分功用于对工质进行预压缩。通过分级压缩，降低各压缩过程的压缩比，达到在恶略工况条件下控制排气温度、保证压缩机效率及提升循环COP的目的。
本发明装置施加于蒸汽压缩制冷循环，通过有效回收利用膨胀功，达到降低蒸汽压缩制冷循环耗能，提高循环运行效率及扩大蒸汽压缩制冷循环适用工况范围的目的。
附图说明
图1为传统亚临界蒸汽压缩制冷循环系统图；
图2为本发明的蒸汽压缩制冷循环膨胀功回收系统的一种实施方式的系统示意图；
图3为本发明的蒸汽压缩制冷循环膨胀功回收系统的另一种实施方式的系统示意图；
图4是图1所示的所示系统的温-熵图，循环工质为R134a；
图5是图3所示系统的温-熵图，循环工质为R134a。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。
如图2所示本发明的蒸汽压缩制冷循环膨胀功回收系统,它包括:
(i)主压缩机21，用于将气态工质压缩至第一级温度和第一级压力；
(ii)冷凝器22，与主压缩机21相连接，将来自主压缩机的气态工质在定压条件下冷却为具有低于第一级温度的第二级温度的气液两相混合物；
(iii)气液分离器27，与冷凝器22相连接，对来自冷凝器的气液两相混合物进行相分离，相分离后的气相工质经由气液分离器上部气相工质出口离开，而液相工质经由气液分离器下部液相工质出口离开；
(iv)气体膨胀机26，与气液分离器27气相工质出口相连接，将来自气液分离器的气体工质膨胀至低于第一级压力的第二级压力，并输出膨胀功；
(v)膨胀阀23，与气液分离器27液相工质出口相连接，将来自气液分离器的液相工质膨胀为具有低于第二级压力的第三级压力和具有低于第二级温度的第三级温度的气液混合物；
(vi)蒸发器24，与膨胀阀23相连接，将来自膨胀阀的气液混合物在定压条件下加热为具有高于第三级温度的第四级温度的气态工质；
(vii)辅助压缩机25，与蒸发器24相连接，将来自蒸发器的气体工质压缩至介于第三级和第一级压力之间的第四级压力，气体膨胀机26和辅助压缩机25同轴连接，辅助压缩机25由气体膨胀机26输出的能量驱动；
所述的气体膨胀机26和辅助压缩机25的气态工质出口通过管线共同与主压缩机21的气态工质进口相连通。
优选的所述的第四级压力可与第二级压力相等，此时回收的膨胀功达到最大，且等压混合系统稳定。
本发明所涉及的膨胀功回收装置可以使用自然工质和合成工质。当循环工质为干工质如R245fa等时，可以采用图2所示结构。当循环工质为湿工质如R134a等时，为了避免气体膨胀过程出现液击，在图2所示结构的基础上如图3所示，在主压缩机21和冷凝器22之间增加内部换热器28。冷凝器22通过内部换热器28与主压缩机21相连接，气体膨胀机26通过内部换热器28与气液分离器27气相工质出口相连接，气液分离器27中的气相工质与主压缩机21送出的气态工质在内部换热器28中进行热交换。这样一方面可以降低冷凝器内循环工质与换热流体间的平均传热温差，从而减少换热过程能量损失；另一方面增加膨胀机入口温度，提高做功量。
如图3所示本发明的蒸汽压缩制冷循环膨胀功回收系统,它包括:(i)主压缩机21，用于将气态工质压缩至第一级温度和第一级压力；(ii)内部换热器28,内部换热器28与主压缩机21相连接；(iii)冷凝器22，与内部换热器28相连接，冷凝器22将来自主压缩机并经内部换热器28降温的气态工质在定压条件下冷却为具有低于第一级温度的第二级温度的气液两相混合物；(iv)气液分离器27，与冷凝器22相连接，对来自冷凝器的气液两相混合物进行相分离，相分离后的气相工质经由气液分离器上部气相工质出口离开，而液相工质经由气液分离器下部液相工质出口离开；(v)气体膨胀机26，气体膨胀机通过内部换热器与气液分离器气相工质出口相连接，气液分离器送出的气相工质与主压缩机送出的气态工质在内部换热器中进行热交换；气体膨胀机26将来自气液分离器的气体工质膨胀至低于第一级压力的第二级压力，并输出膨胀功；(vi)膨胀阀23，与气液分离器27液相工质出口相连接，将来自气液分离器的液相工质膨胀为具有低于第二级压力的第三级压力和具有低于第二级温度的第三级温度的气液混合物；(vii)蒸发器24，与膨胀阀23相连接，将来自膨胀阀的气液混合物在定压条件下加热为具有高于第三级温度的第四级温度的气态工质；(viii)辅助压缩机25，与蒸发器24相连接，将来自蒸发器的气体工质压缩至介于第三级和第一级压力之间的第四级压力，气体膨胀机26和辅助压缩机25同轴连接，辅助压缩机25由气体膨胀机26输出的能量驱动；所述的气体膨胀机26和辅助压缩机25的气态工质出口通过管线共同与主压缩机21的气态工质进口相连通。
气体膨胀机26和辅助压缩机25可为涡旋式、螺杆式、往复活塞式、滑片式和滚动活塞式等多种形式，两者同轴连接。为了进一步减少能量传递过程的损失，可将气体膨胀与压缩过程耦合，形成膨胀-压缩机单元。膨胀-压缩单元具有自调节特性，当膨胀机输出功与驱动压缩机的耗功相等时，可形成压力平衡，从而减少摩擦损失。
以图2为例对本发明装置的循环工作过程加以说明：主压缩机21排出的过热气进入冷凝器22，在其中进行不完全冷凝，之后，具有一定干度的工质进入气液分离器27进行相分离，其中气相工质进入气体膨胀机26膨胀做功，液相工质经节流阀23降压后进入蒸发器24吸收热量,在理想条件下以饱和气状态进入辅助压缩机25，辅助压缩机25由气体膨胀机26的输出功驱动；两回路工质完成混合，并进入主压缩机21，完成一次循环。当循环工质为湿工质时，从主压缩机21排出的过热蒸汽将先进入内部换热器28，降温并加热将要进入气体膨胀机26的工质后，进入冷凝器22。
本装置可用于多种民用和工业用热过程，如寒冷地区供热过程、高温干燥过程、建材行业加热过程、食品和药品行业中的用热过程、工业余热利用及天然气的热利用工程等。
对比例：
图4为以R134a为工质的传统亚临界蒸汽压缩循环的温-熵图，图中状态点1、2、3、4以及1’(1’为等熵压缩过程压缩机出口状态)与图1所示一致。以热泵系统为例，各状态点的参数包括温度、压力及焓列于表1。在温-熵图中，点画线代表了等熵的膨胀和压缩过程。
表1
| 状态点 | 压力kPa | 温度℃ | 焓kJ/kg |
| 1 | 1493.3 | 134.6 | 515.5 |
| 1’ | 1493.3 | 72.0 | 445.9 |
| 2 | 1493.3 | 55.0 | 279.6 |
| 3 | 133.0 | -20.0 | 279.6 |
| 4 | 133.0 | -10.0 | 393.1 |
根据文献，以134a为工质的涡旋式膨胀机等熵效率定为0.7。考虑到压缩机的等熵效率受压缩比影响显著，因此，对于本压缩机，其等熵效率按下式计算：
ηs＝0.9343-0.04478×排气压力/吸气压力
对于各循环系统，主压缩机内工质流量均为1kg/s。对于本对比例的循环系统，其压缩机压比为11.2，排气温度为134.6℃，压缩机耗功为122.4kW，循环COP为1.92。
实施例：
图5为以R134a为工质的采用本发明装置的蒸汽压缩制冷循环的温温-熵图，图中状态点1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、1’、2’、9’、10’以及20’(1’,2’,9’,10’及20’为等熵压缩或膨胀过程的进出口状态)与图3所示一致。以热泵系统为例，各状态点的参数包括温度、压力及焓列于表2。在温-熵图中，点画线代表了等熵的膨胀和压缩过程。
表2
根据文献，以134a为工质的涡旋式膨胀机等熵效率定为0.7。考虑到压缩机的等熵效率受压缩比影响显著，因此，对于本压缩机，其等熵效率按下式计算：
ηs＝0.9343-0.04478×排气压力/吸气压力
对于各循环系统，主压缩机内工质流量均为1kg/s。采用本发明装置可回收膨胀功10.6kW。主压缩机压比为4.8，辅助压缩机压比为2.6，主压缩机排气温度为86.9℃，耗功48.9kW，循环COP为2.25。
由对比例和实施例相对比可知，使用本发明装置可以有效回收部分膨胀功。当回收的膨胀功用于驱动辅助压缩机实现工质预压缩时，在相同循环温升(75℃)及工质流量(1kg/s)条件下，本发明装置较传统单级循环可实现主压缩机压比减少57.2％，排气温度降低47.7℃，系统COP增加17.2％。采用本发明装置实现了提高蒸汽压缩制冷循环膨胀功回收利用率、提升循环性能及扩大循环应用范围的目标。
Claims (6)
1.蒸汽压缩制冷循环膨胀功回收系统，其特征在于它包括:
(i)主压缩机(21)，用于将气态工质压缩至第一级温度和第一级压力；
(ii)冷凝器(22)，与主压缩机(21)相连接，将来自主压缩机的气态工质在定压条件下冷却为具有低于第一级温度的第二级温度的气液两相混合物；
(iii)气液分离器(27)，与冷凝器(22)相连接，对来自冷凝器的气液两相混合物进行相分离，相分离后的气相工质经由气液分离器上部气相工质出口离开，而液相工质经由气液分离器下部液相工质出口离开；
(iv)气体膨胀机(26)，与气液分离器(27)气相工质出口相连接，将来自气液分离器的气体工质膨胀至低于第一级压力的第二级压力，并输出膨胀功；
(v)膨胀阀(23)，与气液分离器(27)液相工质出口相连接，将来自气液分离器的液相工质膨胀为具有低于第二级压力的第三级压力和具有低于第二级温度的第三级温度的气液混合物；
(vi)蒸发器(24)，与膨胀阀(23)相连接，将来自膨胀阀的气液混合物在定压条件下加热为具有高于第三级温度的第四级温度的气态工质；
(vii)辅助压缩机(25)，与蒸发器(24)相连接，将来自蒸发器的气体工质压缩至介于第三级和第一级压力之间的第四级压力，气体膨胀机(26)和辅助压缩机(25)同轴连接，辅助压缩机(25)由气体膨胀机(26)输出的能量驱动；
所述的气体膨胀机(26)和辅助压缩机(25)的气态工质出口通过管线共同与主压缩机(21)的气态工质进口相连通。
2.根据权利要求1所述的蒸汽压缩制冷循环膨胀功回收系统，其特征在于：所述的气体膨胀机和辅助压缩机为涡旋式、螺杆式、往复活塞式、滑片式和滚动活塞式压缩机中的一种。
3.根据权利要求1或2所述的蒸汽压缩制冷循环膨胀功回收系统，其特征在于：所述的第四级压力可与第二级压力相等。
4.蒸汽压缩制冷循环膨胀功回收系统，其特征在于它包括:
(i)主压缩机(21)，用于将气态工质压缩至第一级温度和第一级压力；
(ii)内部换热器(28),内部换热器(28)与主压缩机(21)相连接；
(iii)冷凝器(22)，与内部换热器(28)相连接，冷凝器(22)将来自主压缩机并经内部换热器(28)降温的气态工质在定压条件下冷却为具有低于第一级温度的第二级温度的气液两相混合物；
(iv)气液分离器(27)，与冷凝器(22)相连接，对来自冷凝器的气液两相混合物进行相分离，相分离后的气相工质经由气液分离器上部气相工质出口离开，而液相工质经由气液分离器下部液相工质出口离开；
(v)气体膨胀机(26)，气体膨胀机通过内部换热器与气液分离器气相工质出口相连接，气液分离器送出的气相工质与主压缩机送出的气态工质在内部换热器中进行热交换；气体膨胀机(26)将来自气液分离器的气体工质膨胀至低于第一级压力的第二级压力，并输出膨胀功；
(vi)膨胀阀(23)，与气液分离器(27)液相工质出口相连接，将来自气液分离器的液相工质膨胀为具有低于第二级压力的第三级压力和具有低于第二级温度的第三级温度的气液混合物；
(vii)蒸发器(24)，与膨胀阀(23)相连接，将来自膨胀阀的气液混合物在定压条件下加热为具有高于第三级温度的第四级温度的气态工质；
(viii)辅助压缩机(25)，与蒸发器(24)相连接，将来自蒸发器的气体工质压缩至介于第三级和第一级压力之间的第四级压力，气体膨胀机(26)和辅助压缩机(25)同轴连接，辅助压缩机(25)由气体膨胀机(26)输出的能量驱动；所述的气体膨胀机(26)和辅助压缩机(25)的气态工质出口通过管线共同与主压缩机(21)的气态工质进口相连通。
5.根据权利要求4所述的蒸汽压缩制冷循环膨胀功回收系统，其特征在于：所述的气体膨胀机和辅助压缩机为涡旋式、螺杆式、往复活塞式、滑片式和滚动活塞式压缩机中的一种。
6.根据权利要求4或5所述的蒸汽压缩制冷循环膨胀功回收系统，其特征在于：所述的第四级压力可与第二级压力相等。
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- 2014-04-03 CN CN201410133244.7A patent/CN103940134B/zh active Active
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