CN105089726B - 一种基于双压有机朗肯循环的冷热电联供系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于双压有机朗肯循环的冷热电联供系统，包括：低压工质泵，低温回热器，高压工质泵，高温蒸发器，高压膨胀机，低压膨胀机，第一冷凝器，低温蒸发器，高温回热器，发电机，压缩机，第二冷凝器，节流阀，制冷蒸发器，传动装置。本发明由低品位热能提供驱动力，利用高压膨胀机驱动制冷循环中的压缩机，通过风冷提供冷量；利用低压膨胀机带动发电机，提供电能；通过高温回热器进一步吸收低品位热源中的能量，提供生活热水。该系统可以实现冷热电联供，提高了低品位热能的利用效率。

Description

一种基于双压有机朗肯循环的冷热电联供系统

技术领域

本发明涉及一种冷热电联供系统，特别涉及一种利用低温热源或工业余热来同时生产冷热电的系统，属于低温回收与动力技术领域。

背景技术

低品位热能一般是指温度低于230℃的低温热源，这些热能种类繁多，包括太阳能、地热能等新能源及各种余（废）热等。低品位热能的数量极其庞大，在钢铁、水泥、石油化工等行业生产过程中产生大量的低温余热，包括热水、低品位烟气和蒸汽等，这些低温余热约占工业余热总量的50%。。然而低品位热能由于温度较低，基本不能被生产过程再利用。回收和利用这部分能源，既可减少能源的消耗，又可减少对环境的热污染，达到节能减排的效果。

有机朗肯循环可将低品位热能转化为电能，然而由于低品位热能的温度较低，导致有机朗肯循环的热功转化效率偏低，这限制了有机朗肯循环发电技术在低温热源中的推广应用。因此，国内外对该技术进行了大量的研究，主要体现在：工质的选择；膨胀机的优化设计与循环热力参数的优化；循环方式的改进，如采用双压循环代替单压循环，以提高系统的输出功率。对于低品位热能的回收利用，如何提高有机朗肯循环的整体性能是该技术能否推广应用的关键所在。

蒸汽压缩制冷是一种最常用的制冷方式，具有高效节能、结构简单、可靠性高等优点。然而该系统需要消耗高品位的电能，且在冷凝过程中向环境排放大量的冷凝废热，不仅造成能源浪费，还会给周边地区造成严重的热岛效应。

为此，将双压有机朗肯循环发电系统与蒸汽压缩制冷系统相结合，利用低品位热能驱动双压有机朗肯循环中的两个膨胀机。其中，高压膨胀机带动制冷系统的压缩机，而低压膨胀机带动发电机。同时，利用低温回热器回收制冷系统中的冷凝热，用于预热发电系统中的工质。此外，高温回热器进一步回收低温热源中的能量，提高低品位热能的整体利用效率。

发明内容

本发明提出了一种基于双压有机朗肯循环的冷热电联供系统，系统采用双压有机朗肯循环与蒸汽压缩制冷循环耦合的方式，实现了低品位热能的高效利用，并能调节系统冷热电的输出比例。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于双压有机朗肯循环的冷热电联供系统，该系统包括低压工质泵，低温回热器，高压工质泵, 高温蒸发器，高压膨胀机, 低压膨胀机, 第一冷凝器, 低温蒸发器,高温回热器, 发电机，压缩机,第二冷凝器, 节流阀，制冷蒸发器，传动装置。

本系统包括双压有机朗肯循环与蒸汽压缩制冷循环。双压有机朗肯循环中，所述低压工质泵出口与所述低温回热器冷流体入口相连，所述低温回热器冷流体出口分别与所述高压工质泵入口、所述低温蒸发器入口相连，所述高压工质泵出口依次连接所述高温蒸发器、所述高压膨胀机，所述高压膨胀机出口与所述低温蒸发器出口相连，所述低温蒸发器出口与所述低压膨胀机入口相连，所述低压膨胀机出口与所述第一冷凝器入口相连，所述第一冷凝器出口与所述低压工质泵入口连接。

蒸汽压缩制冷循环中，所述压缩机出口与所述低温回热器热流体入口相连，所述低温回热器热流体出口与所述第二冷凝器入口相连，所述第二冷凝器出口与依次连接所述节流阀、所述制冷蒸发器，所述制冷蒸发器出口与所述压缩机入口连接。

所述高压膨胀机通过所述传动装置与所述压缩机连接；所述低压膨胀机与所述发电机同轴连接；低品位热能依次流经所述高温蒸发器、所述低温蒸发器、所述高温回热器，最后直接排向环境；冷却水依次流经所述第一冷凝器、所述高温回热器，最终供给用户。

本系统采用两个余热回收器，所述高温回热器用于低品位热能的进一步回收，以降低余热的排放温度，并为用户提供生活热水；所述低温回热器利用所述压缩机出口处工质的热量，预热有机朗肯循环中的工质，提高系统的整体效率。

本系统采用两个膨胀机，它们在不同压力下工作。所述高压膨胀机用于直接驱动所述的压缩机，使制冷工质在所述制冷蒸发器中蒸发吸热，获得冷能；所述低压膨胀机用于将回收的能量以电能形式输出。通过改变所述高压膨胀机与所述低压膨胀机的工作压力与工质流量，可调整系统冷热电的输出比例。

双压有机朗肯循环采用非共沸混合工质，进一步增加循环的发电量，同时降低传热过程中的不可逆损失；蒸汽制冷循环采用低沸点的纯工质，且工质具有良好的环保特性；该系统两个循环的运行压力都低于工质的临界压力，为亚临界循环。

本发明将双压有机朗肯循环与蒸汽压缩制冷循环有机结合，可实现低品位热能驱动制冷、发电以及供热的功能。同时，系统通过安装低温回热器与高温回热器，回收了制冷循环中的部分冷凝热以及低温余热中的有效热量，减少了能源的浪费。系统具有结构简单、热回收效率高的优点。

本发明的有益效果是：

本发明中，双压有机朗肯循环中的高压膨胀机驱动制冷循环中的压缩机，提供了冷能；低压膨胀机带动发电机，输出了电能。系统以低温热能为动力，将低品位热能转换为冷能与高品位电能。

本发明中，利用高温回热器进一步回收低温热能中热量，向外界提供了生活热水。同时，通过低温回热器回收了制冷过程中的部分冷凝热，预热有机朗肯循环中的工质，使低品位热能得到最大限度的利用。

本发明中，采用非共沸混合工质作为双压有机朗肯循环的工作流体。由于非共沸工质在蒸发与冷凝过程中存在温度滑移现象，降低了工质换热过程中的不可逆损失，使得工质与热源间的匹配性更好，从而提高了系统效率。

附图说明

附图是本发明提供的联合循环冷热电联供系统的结构示意图。

图中：1-低压工质泵；2-低温回热器；3-高压工质泵；4-高温蒸发器；5-高压膨胀机；6-低压膨胀机；7-第一冷凝器；8-低温蒸发器；9-高温回热器；10-发电机；11-压缩机；12-第二冷凝器；13-节流阀；14-制冷蒸发器；15-传动装置。

具体实施方式

如附图所示，本发明展示了一种基于双压有机朗肯循环的冷热电联供系统，该系统主要由双压有机朗肯循环与蒸汽压缩制冷循环组成联合循环，由低品位热能推动高压膨胀机，高压膨胀机通过传动装置驱动制冷循环的压缩机，向外界提供冷能；低压膨胀机驱动发电机，向外界输出电能；低品位热能在高温回热器中释放热量后，将水加热成生活用水，供给用户。该系统包括的主要部件有：低压工质泵1、低温回热器2、高压工质泵3、高温蒸发器4、高压膨胀机5、低压膨胀机6、第一冷凝器7、低温蒸发器8、高温回热器9、发电机10、压缩机11、第二冷凝器12、节流阀13、制冷蒸发器14、传动装置15。

双压有机朗肯循环中，所述低压工质泵1出口与所述低温回热器2冷流体入口相连，所述低温回热器2冷流体出口分别与所述高压工质泵3入口、所述低温蒸发器8入口相连，所述高压工质泵3出口依次连接所述高温蒸发器4、所述高压膨胀机5，所述高压膨胀机5出口与所述低温蒸发器8出口相连，所述低温蒸发器8出口与所述低压膨胀机6入口相连，所述低压膨胀机6出口与所述第一冷凝器7入口相连，所述第一冷凝器7出口与所述低压工质泵1入口连接。

蒸汽压缩制冷循环中，所述压缩机11出口与所述低温回热器2热流体入口相连，所述低温回热器2热流体出口与所述第二冷凝器12入口相连，所述第二冷凝器12出口与依次连接所述节流阀13、所述制冷蒸发器14，所述制冷蒸发器14出口与所述压缩机11入口连接。

所述高压膨胀机5通过所述传动装置15与所述压缩机11连接；所述低压膨胀机6与所述发电机10同轴连接；低品位热能依次流经所述高温蒸发器4、所述低温蒸发器8、所述高温回热器9，最后直接排向环境；冷却水依次流经所述第一冷凝器7、所述高温回热器9，最终供给用户。

双压有机朗肯循环可采用R245fa/戊烷、R600a/异戊烷等非共沸混合工质；蒸汽制冷循环采用R600、R134a等低沸点的纯工质。

本实施例中系统的具体工作原理如下：

低品位热能驱动的冷热电联供系统运行时，对于双压有机朗肯循环，从第一冷凝器7出来的低温低压工质（R245fa/戊烷）被低压工质泵1加压后进入低温回热器2，吸收制冷循环中的工质（R600）冷凝时放出的热量。温度升高后的混合工质从低温回热器2流出，分成两部分：一部分工质进入高压工质泵3中继续加压，成为高压不饱和液体，再进入高温蒸发器4中吸收低品位热能中的热量，变成高压饱和蒸汽。高压蒸汽进入高压膨胀机5中膨胀做功，并通过传动装置15驱动压缩机11工作，做功后的工质变成中间压力下的蒸汽；另一部分工质进入到低温蒸发器8中，继续吸收低品位热能中的热量，变成中间压力下的饱和蒸汽，然后再与高压膨胀机5出口的蒸汽混合。混合后的蒸汽进入低压膨胀机6，驱动发电机10输出电能。在低压膨胀机6中膨胀做功后的低压蒸汽，进入第一冷凝器7中被冷却水冷凝为液体工质。该液体工质再被低压工质泵1加压，开始新的循环。

制冷循环中，从压缩机11出来的高温高压制冷工质（R600）进入低温回热器2，将部分冷凝热传递给有机朗肯循环中的混合工质，然后再进入第二冷凝器12，被冷却水冷凝成高压的液态工质。高压工质进入节流阀13节流降压后，变成低温低压的液态工质，再进入制冷蒸发器14中，吸收空气中的热量变成高温低压的气态工质。气态工质进入压缩机中，被压缩成高温高压的气态工质，并流入低温回热器开始下一循环。

低品位热能依次在高温蒸发器4、低温蒸发器8中释放热量后，再流入高温回热器9将部分能量传递给冷却水后，最终排入环境。空气流经制冷蒸发器14后，温度降低获得冷能，向室内制冷。

以某低品位烟气来体现应用本实施例：烟气温度为170℃，流量为10kg/s，双压有机朗肯循环采用R245fa/戊烷为工质，高压膨胀机工质压力为1.6MPa，低压膨胀机工作压力为0.6MPa，冷凝压力为0.13MPa，膨胀机效率为0.8，压缩机效率0.75；制冷循环采用R600为工质，蒸发温度为5℃，冷凝温度为60℃时，本系统总共可以输出电能98.9kW，冷能104kW，供热120kW（60℃的生活热水3t/h），使得冷热电联供系统的整体热效率可达到32.1%。

尽管上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，所述的具体实施方式仅仅是示意性的。本领域的技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所包含的范围情况下，还可以作出很多形式的变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于双压有机朗肯循环的冷热电联供系统，其特征在于：系统包括低压工质泵(1)，低温回热器(2)，高压工质泵(3),高温蒸发器(4)，高压膨胀机(5)，低压膨胀机(6)，第一冷凝器(7)，低温蒸发器(8)，高温回热器(9)，发电机(10)，压缩机(11)，第二冷凝器(12)，节流阀(13)，制冷蒸发器(14)，传动装置(15)；所述冷热电联供系统，包括双压有机朗肯循环与蒸汽压缩制冷循环；双压有机朗肯循环中，低压工质泵(1)出口与低温回热器(2)冷流体入口相连，低温回热器(2)冷流体出口分别与高压工质泵(3)入口、低温蒸发器(8)入口相连，高压工质泵(3)出口依次连接高温蒸发器(4)、高压膨胀机(5)，高压膨胀机(5)出口与低温蒸发器(8)出口相连，低温蒸发器(8)出口与低压膨胀机(6)入口相连，低压膨胀机(6)出口与第一冷凝器(7)入口相连，第一冷凝器(7)出口与低压工质泵(1)入口连接；蒸汽压缩制冷循环中，压缩机(11)出口与低温回热器(2)热流体入口相连，低温回热器(2)热流体出口与第二冷凝器(12)入口相连，第二冷凝器(12)出口与依次连接节流阀(13)、制冷蒸发器(14)，制冷蒸发器(14)出口与压缩机(11)入口连接；高压膨胀机(5)通过传动装置(15)与压缩机(11)连接；低压膨胀机(6)与发电机(10)同轴连接；低品位热能依次流经高温蒸发器(4)、低温蒸发器(8)、高温回热器(9)；冷却水依次流经第一冷凝器(7)、高温回热器(9)；系统工作后可以同时输出电能、热能和冷能，实现冷热电的联供。

2.根据权利要求1所述的一种基于双压有机朗肯循环的冷热电联供系统，其特征在于：高压膨胀机(5)直接驱动的压缩机(11)，使制冷工质在制冷蒸发器(14)中蒸发吸热，输出冷能；低压膨胀机(6)将回收的热量以电能形式直接输出；通过冷水和高温回热器(9)、第一冷凝器(7)换热可以直接输出热能。

3.根据权利要求1所述的一种基于双压有机朗肯循环的冷热电联供系统，其特征在于：改变高压膨胀机(5)和低压膨胀机(6)的工作压力与工质流量，可以调整系统冷能、热能、电能的输出比例。

4.根据权利要求1所述的一种基于双压有机朗肯循环的冷热电联供系统，其特征在于：双压有机朗肯循环采用非共沸混合工质，蒸汽制冷循环采用低沸点的纯工质。