CN104033199B - 一种使用混合有机工质的内置热泵的有机朗肯循环系统 - Google Patents
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Abstract
一种使用混合有机工质的内置热泵的有机朗肯循环系统，膨胀机的混合有机工质输入连接引射器的输出，膨胀机的输出连接四通阀的第一端口，四通阀的第二端口连接热泵冷凝器的一端，第三端口连接引射器的输入，第四端口连接低温蒸发器的一端，引射器的输入还连接高温蒸发器的输出，热泵冷凝器的另一端分别连接第一三通阀的第一端口和第二三通阀的第一端口，第一三通阀的第二端口连接气液分离器的液相输出口，第二三通阀的第二端口连接气液分离器的输入口，第一三通阀的第三端口和第二三通阀的第三端口分别连接低温蒸发器的另一端，气液分离器的气相输出口连接ORC冷凝器的输入，ORC冷凝器的输出通过工质泵连接高温蒸发器的输入。本发明提高能源的利用效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种有机朗肯循环系统。特别是涉及一种使用混合有机工质的内置热泵的有机朗肯循环系统。
背景技术
随着能源与环境压力日益凸显，低品位的工业生活余热、废热及可再生热能因其总量巨大而逐渐被人们所关注。有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，ORC)系统作为一项能够高效、环保地将低品位热能转化为电能的技术，已成为低品位能源利用研究的热点。
热泵是一项高效的供热、制冷技术，使用热泵技术，往往能产生数倍于输入能量的热量或冷量。在合适的条件下，将热泵和有机朗肯循环技术结合，进行热电冷联产，在满足用户需求的同时，能够弥补单纯使用有机朗肯循环发电的总能源利用率较低的缺陷。
不同于纯工质，非共沸混合有机工质具有变温相变的特性，吸热过程中与热源更为匹配，可减少因温差变化而引起的火用损失。混合有机工质的组分浓度变化时，其热力性能会随之变化而可以适合不同的热源。
洪光，张新铭，李建军，内置热泵的热电冷联合有机朗肯循环能效分析，合肥工业大学学报(自然科学版)，Vol.35，No.10，pp.1297-1301，2012。提出了一种在中低温热能利用方面更加高效，且具有热电联产和冷电联产两种运行模式的内置热泵的有机朗肯循环。但是将混合有机工质应用到该系统时，该系统不能灵活地调节混合有机工质的组分浓度，使之分别适应系统中热量转移循环和动力产生循环的特性。同时，在生活和生产过程中，用户往往有供热和供冷同时进行的需求，例如同时有室内冷气和生活热水需求，已有的系统往往无法满足这种需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够充分发挥混合有机工质的特点，实现在同一系统中调节混合有机工质的组分浓度，使之分别适应系统中热量转移循环和动力产生循环，可有效减少系统的火用损失，提高能源利用效率的使用混合有机工质的内置热泵的有机朗肯循环系统。
本发明所采用的技术方案是：一种使用混合有机工质的内置热泵的有机朗肯循环系统，包括有动力输出端与发电机相连的膨胀机，所述膨胀机的混合有机工质输入端通过管路连接用于对高温高压的混合有机工质与低温低压的混合有机工质混流引射的引射器的输出端，所述膨胀机的混合有机工质输出端通过管路连接四通阀的第一端口，所述的四通阀的第二端口通过管路连接热泵冷凝器混合有机工质管的一端，四通阀的第三端口通过管路连接所述引射器的输入端，四通阀的第四端口通过管路连接低温蒸发器混合有机工质管的一端，所述引射器的输入端还通过管路连接高温蒸发器混合有机工质管的输出端，所述热泵冷凝器混合有机工质管的另一端分别通过管路连接第一三通阀的第一端口和第二三通阀的第一端口，第一三通阀的第二端口通过管路连接气液分离器的液相输出端口，第二三通阀的第二端口通过管路连接气液分离器的输入端口，第一三通阀的第三端口和第二三通阀的第三端口分别通过管路连接所述低温蒸发器混合有机工质管的另一端，所述气液分离器的气相输出端口连接ORC冷凝器混合有机工质管的输入端，所述的ORC冷凝器混合有机工质管的输出端通过工质泵连接所述高温蒸发器混合有机工质管的输入端。
在所述的第一三通阀的第二端口与所述的气液分离器的输出端口之间的管路上设置有节流阀。
在热电联产模式下，所述四通阀的第一端口与第二端口相连通，第三端口与第四端口相连通，而第一端口与第四端口之间不导通，第二端口与第三端口之间不导通；所述第一三通阀的第二端口与第三端口相连通，第一端口与第二端口之间不导通；所述第二三通阀第一端口与第二端口相连通，第二端口与第三端口之间不导通。
在冷热电联产模式下，所述四通阀的第一端口与第四端口相连通，第二端口与第三端口相连通，而第一端口与第二端口之间不导通，第三端口与第四端口之间不导通；所述第一三通阀的第一端口与第二端口相连通，第二端口与第三端口之间不导通；所述第二三通阀的第二端口与第三端口相连通，第二端口与第一端口之间不导通。
本发明涉及的一种使用混合有机工质的内置热泵的有机朗肯循环系统，能够充分发挥混合有机工质的特点，实现在同一系统中调节混合有机工质的组分浓度，使之分别适应系统中热量转移循环和动力产生循环，可有效减少系统的火用损失，提高能源的利用效率，本发明还应能够根据需要，具有同时供应冷、热、电的能力。本发明具有如下有益效果：
1、本系统实现了可以利用低品位热能，采用一套系统进行热电冷联产，而无需额外供电；
2、通过部分冷凝、气液分离的方法，改变、调节系统中各子循环的中混合有机工质的组分浓度，使从各个热源吸热的工质与其对应的热源更加匹配，减小系统的换热损失，提高系统的能源利用率；
3、本系统有热电联产和冷热电联产两种运行模式，改进了现有一些基于有机朗肯循环的冷热电联产系统不能同时供热和供冷的不足；
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图中
F1：高温蒸发器的热源管道 F2：低温蒸发器的热源管道
F3：热泵冷凝器的冷源管道 F4：ORC冷凝器的冷源输入管道
1：高温蒸发器 2：引射器
3：膨胀机 4：ORC冷凝器
5：低温蒸发器 6：热泵冷凝器
7：节流阀 8：气液分离器
9：四通阀 10：工质泵
11：第一三通阀 12：第二三通阀
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种使用混合有机工质的内置热泵的有机朗肯循环系统做出详细说明。
如图1所示，本发明的一种使用混合有机工质的内置热泵的有机朗肯循环系统，包括有动力输出端与发电机G相连的膨胀机3，所述膨胀机3的混合有机工质输入端通过管路连接用于对高温高压的混合有机工质与低温低压的混合有机工质混流引射的引射器2的输出端，所述膨胀机3的混合有机工质输出端通过管路连接四通阀9的第一端口a，所述的四通阀9的第二端口b通过管路连接热泵冷凝器6混合有机工质管的一端，四通阀9的第三端口c通过管路连接所述引射器2的输入端，所述引射器2的输入端还通过管路连接高温蒸发器1混合有机工质管的输出端，四通阀9的第四端口d通过管路连接低温蒸发器5混合有机工质管的一端。
所述热泵冷凝器6混合有机工质管的另一端分别通过管路连接第一三通阀11的第一端口a′和第二三通阀12的第一端口a″，第一三通阀11的第二端口b′通过管路连接气液分离器8的液相输出端口，并且在所述的第一三通阀11的第二端口b′与所述的气液分离器8的液相输出端口之间的管路上设置有节流阀7。
第二三通阀12的第二端口b″通过管路连接气液分离器8的输入端口，第一三通阀11的第三端口c′和第二三通阀12的第三端口c″分别通过管路连接所述低温蒸发器5混合有机工质管的另一端，所述气液分离器8的气相输出端口连接ORC冷凝器4混合有机工质管的输入端，所述的ORC冷凝器4混合有机工质管的输出端通过管路和工质泵10连接所述高温蒸发器1混合有机工质管的输入端。
本发明的一种使用混合有机工质的内置热泵的有机朗肯循环系统，在热电联产模式下，即在制热和发电同时进行的模式下，所述四通阀9的第一端口a与第二端口b相连通，第三端口c与第四端口d相连通，而第一端口a与第四端口d之间不导通，第二端口b与第三端口c之间不导通；所述第一三通阀11的第二端口b′与第三端口c′相连通，第一端口a′与第二端口b′之间不导通；所述第二三通阀12第一端口a″与第二端口b″相连通，第二端口b″与第三端口c″之间不导通。
本发明的一种使用混合有机工质的内置热泵的有机朗肯循环系统，在冷热电联产模式下，即在制冷、制热和发电同时进行的模式下，所述四通阀9的第一端口a与第四端口d相连通，第二端口b与第三端口c相连通，而第一端口a与第二端口b之间不导通，第三端口c与第四端口d之间不导通；所述第一三通阀11的第一端口a′与第二端口b′相连通，第二端口b′与第三端口c′之间不导通；所述第二三通阀12的第二端口b″与第三端口c″相连通，第二端口b″与第一端口a″之间不导通。此时与热电联产模式下相比，所述的低温蒸发器5和热泵冷凝器6的功能互换。
本发明的使用混合有机工质的内置热泵的有机朗肯循环系统，具有热量转移循环以向用户供热或供冷和动力产生循环以带动发电机发电或直接驱动水泵、风机等其它耗功设备；通过改变系统中三通阀和四通阀的方向，实现系统热电联产和热电冷联产的转换调节；通过引射升温升压和节流降温降压等流程，使混合有机工质的状态发生改变，在热电联产模式下，从低温蒸发器5吸热，从热泵冷凝器6放热，在冷热电联产模式下，从热泵冷凝器6吸热，从低温蒸发器5放热，实现了热量从低温环境向高温环境的转移；通过从ORC冷凝器4冷凝液化，在工质泵中升压，从高温蒸发器1吸热汽化，使混合有机工质的状态发生改变，实现了可以不断从热源吸热并在膨胀机膨胀，将热能转换为机械能。
下面，结合图1说明本发明的工作流程：
在热电联产模式下，高温蒸发器1的热源管道F1接入工业生活余热、废热或可再生热能的载体流体，高温蒸发器1的混合有机工质管道的输出端连接引射器2的输入端，低温蒸发器5的热源管道F2可以通入室外空气、水或地埋管热载体流体，低温蒸发器5的混合有机工质管道的输出端连接四通阀9的上侧输入端第四端口d，四通阀9的右侧输出端第三端口c与引射器2的输入端相连，引射器2的输出端与膨胀机3的混合有机工质输入端相连，膨胀机3的混合有机工质输出端与四通阀9的左侧输入端第一端口a相连，膨胀机3的动力输出端连接发电机G，四通阀9的下侧输出端第二端口b与热泵冷凝器6的混合有机工质输入端相连，热泵冷凝器6的混合有机工质输出端与第二三通阀12的下侧输入端第一端口a″相连，热泵冷凝器6的冷源管道F3可以接入室内空气、供热供冷管道循环水或其它供暖供冷循环介质，第二三通阀12的左侧输出端第二端口b″连接气液分离器8的输入端口，气液分离器8的气相混合有机工质输出端口连接ORC冷凝器4的混合有机工质输入端，ORC冷凝器4的混合有机工质输出端连接工质泵10的输入端，ORC冷凝器4的冷源输入管道F4可接入空气、生活用水或供热管道循环水，工质泵10的输出端连接高温蒸发器1的混合有机工质输入端，气液分离器8的液相混合有机工质输出端口连接节流阀7的输入端，节流阀7的输出端连接第一三通阀11的左侧输入端第二端口b′，第一三通阀11的上侧输出端第三端口c′连接低温蒸发器5的混合有机工质输入端。
在热电冷联产模式下，四通阀9的上侧输出端第四端口d与低温蒸发器5的混合有机工质输入端相连，热泵冷凝器6的混合有机工质输出端与四通阀9的下侧输入端第二端口b相连，低温蒸发器5的混合有机工质输出端连接第二三通阀12的上侧输入端第二端口c″，第一三通阀11的下侧输出端第一端口a′连接热泵冷凝器6的混合有机工质输入端，第二三通阀12的下侧接口第一端口a″和第一三通阀11的上侧接口第二端口c′封闭，低温蒸发器5和热泵冷凝器6的功能互换。
本发明中所述的膨胀机3输出的动力，还可用于带动发电机G以外的其它设备。
Claims (4)
1.一种使用混合有机工质的内置热泵的有机朗肯循环系统，包括有动力输出端与发电机(G)相连的膨胀机(3)，其特征在于，所述膨胀机(3)的混合有机工质输入端通过管路连接用于对高温高压的混合有机工质与低温低压的混合有机工质混流引射的引射器(2)的输出端，所述膨胀机(3)的混合有机工质输出端通过管路连接四通阀(9)的第一端口(a)，所述的四通阀(9)的第二端口(b)通过管路连接热泵冷凝器(6)混合有机工质管的一端，四通阀(9)的第三端口(c)通过管路连接所述引射器(2)的输入端，四通阀(9)的第四端口(d)通过管路连接低温蒸发器(5)混合有机工质管的一端，所述引射器(2)的输入端还通过管路连接高温蒸发器(1)混合有机工质管的输出端，所述热泵冷凝器(6)混合有机工质管的另一端分别通过管路连接第一三通阀(11)的第一端口(a′)和第二三通阀(12)的第一端口(a″)，第一三通阀(11)的第二端口(b′)通过管路连接气液分离器(8)的液相输出端口，第二三通阀(12)的第二端口(b″)通过管路连接气液分离器(8)的输入端口，第一三通阀(11)的第三端口(c′)和第二三通阀(12)的第三端口(c″)分别通过管路连接所述低温蒸发器(5)混合有机工质管的另一端，所述气液分离器(8)的气相输出端口连接ORC冷凝器(4)混合有机工质管的输入端，所述的ORC冷凝器(4)混合有机工质管的输出端通过工质泵(10)连接所述高温蒸发器(1)混合有机工质管的输入端。
2.根据权利要求1所述的一种使用混合有机工质的内置热泵的有机朗肯循环系统，其特征在于，在所述的第一三通阀(11)的第二端口(b′)与所述的气液分离器(8)的输出端口之间的管路上设置有节流阀(7)。
3.根据权利要求1所述的一种使用混合有机工质的内置热泵的有机朗肯循环系统，其特征在于，在热电联产模式下，所述四通阀(9)的第一端口(a)与第二端口(b)相连通，第三端口(c)与第四端口(d)相连通，而第一端口(a)与第四端口(d)之间不导通，第二端口(b)与第三端口(c)之间不导通；所述第一三通阀(11)的第二端口(b′)与第三端口(c′)相连通，第一端口(a′)与第二端口(b′)之间不导通；所述第二三通阀(12)第一端口(a″)与第二端口(b″)相连通，第二端口(b″)与第三端口(c″)之间不导通。
4.根据权利要求1所述的一种使用混合有机工质的内置热泵的有机朗肯循环系统，其特征在于，在冷热电联产模式下，所述四通阀(9)的第一端口(a)与第四端口(d)相连通，第二端口(b)与第三端口(c)相连通，而第一端口(a)与第二端口(b)之间不导通，第三端口(c)与第四端口(d)之间不导通；所述第一三通阀(11)的第一端口(a′)与第二端口(b′)相连通，第二端口(b′)与第三端口(c′)之间不导通；所述第二三通阀(12)的第二端口(b″)与第三端口(c″)相连通，第二端口(b″)与第一端口(a″)之间不导通。
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