CN107906782B - 一种双吸收型功冷联供循环系统及其方法 - Google Patents

一种双吸收型功冷联供循环系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双吸收型功冷联供循环系统及其方法。其中该循环系统包括第一吸收器、第二吸收器、换热器、锅炉、透平、精馏塔、蒸发器和喷射器；从锅炉底部流出的液体经换热器换热处理后分成两路，其中一路直接进入第一吸收器来吸收透平乏气以及蒸发器出口的部分工质，另一路进入第二吸收器来吸收蒸发器出口的部分工质；第二吸收器出口的饱和液加压后进入第一吸收器；从精馏塔的塔顶输出的蒸气进入喷射器内作为工作流体，引射从蒸发器出口输出的剩余工质，且在喷射器与工作流体混合。

Description

一种双吸收型功冷联供循环系统及其方法
技术领域
本发明属于制冷复合循环领域，尤其涉及一种双吸收型功冷联供循环系统及其方法。
背景技术
近年来，由于日趋严峻的环境问题，对低温热源的合理及充分利用日益受到广泛关注。其中，低温热源主要包括太阳能、地热能以及工业生产中的余热和废热，这类能源具有储量大、分布广和品位低的特点。然而，当热源温度较低时，传统的动力循环很难将低品位热能进行有效地转化和利用。
基于上述问题，Kalina等人提出了以非共沸混合物氨水作为工质的一系列动力循环。Kalina循环创造性地应用吸收方式来解决氨水动力循环中透平排气背压过高问题，提高了氨水动力循环的效率。和单一的动力循环相比，功冷联供复合循环系统具有能量转换利用率高、对外能够实现功冷联供的优点，Goswami等人提出了由太阳能、地热能、工业余热等低温热源驱动的Goswami功冷联供系统。然而，该循环是利用透平乏气的显热来制冷，由于气体的比热容较小，故其单位质量工质的制冷量非常有限，其输出冷功比仅为0.08，最低制冷温度只有6.85℃。
然而，传统的功冷联供循环系统中，蒸发压力与透平背压往往相互制约不易调节，在获得较低制冷温度的同时很难保证基础工作液有较高的浓度，尤其当环境温度较高时，系统的热力性能显著下降。因此，亟需一种新型的冷联供循环系统来解决上述问题来提高整个系统的可调性。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的第一目的是提供一种双吸收型功冷联供循环系统，其采用两套相互独立的吸收装置来解决传统功冷联供系统中透平背压以及蒸发压力相互制约不易调节的问题，提高系统的可调性。
本发明一种双吸收型功冷联供循环系统，包括第一吸收器、第二吸收器、换热器、锅炉、透平、精馏塔、蒸发器和喷射器；
从锅炉底部流出的液体经换热器换热处理后分成两路，其中一路直接进入第一吸收器来吸收透平乏气，另一路进入第二吸收器来吸收蒸发器出口的部分工质；第二吸收器出口的饱和液加压后进入第一吸收器；
精馏塔塔底的液体进入第一吸收器，从精馏塔的塔顶输出的蒸气进入喷射器内作为工作流体，引射从蒸发器出口输出的剩余工质，且在喷射器与工作流体混合。
进一步的，所述第一吸收器依次连接有第一泵、换热器和锅炉；从第一吸收器出来的基础工作液由第一泵加压后先经换热器换热，再进入锅炉进行加热；锅炉加热后的蒸汽进入透平膨胀做功，之后部分工质进入精馏塔内进行精馏，剩余工质则继续在透平内膨胀做功。
进一步的，喷射器出口的混合工质进入冷凝器被冷凝成饱和溶液，然后进入蒸发器内蒸发制冷。
进一步的，第二吸收器出口的饱和液经第二泵加压后进入第一吸收器。
进一步的，锅炉与透平之间串接有过热器，锅炉加热所产生的蒸汽经过热器过热后进入透平膨胀做功。其中，采用过热蒸汽可以提高透平乏气干度以及增加透平输出功。
进一步的，从锅炉底部流出的液体经换热器换热处理后且分成两路之前，还经第一节流阀节流处理。
本发明采用第一节流阀节能够调节从锅炉底部流出的液体经换热器换热处理后的液体的流量及液体压力。
进一步的，精馏塔与第一吸收器之间串接有第二节流阀。
本发明采用第二节流阀节能够调节从精馏塔底部输出进入第一吸收器的液体的流量及液体压力。
进一步的，冷凝器与蒸发器之间串接有第三节流阀。
本发明采用第三节流阀节能够调节从冷凝器进入蒸发器的液体的流量及液体压力，并且降低工质温度。
进一步的，从锅炉底部流出的液体经换热器换热处理后分成两路，其中一路直接进入第一吸收器，另一路经第四节流阀节流至蒸发压力再进入第二吸收器。
本发明的第二目的是提供一种双吸收型功冷联供循环系统的工作方法。
本发明的双吸收型功冷联供循环系统的工作方法，包括：
从第一吸收器出来的基础工作液加压后先经换热器换热，再进入锅炉进行加热；锅炉加热后的蒸汽进入透平膨胀做功，之后部分工质进入精馏塔内进行精馏，剩余工质则继续在透平内膨胀做功；
从锅炉底部流出的液体经换热器换热处理后分成两路，其中一路直接进入第一吸收器来吸收透平乏气，另一路进入第二吸收器来吸收蒸发器出口的部分工质；第二吸收器出口的饱和液加压后进入第一吸收器；
精馏塔塔底的液体进入第一吸收器，从精馏塔的塔顶输出的蒸气进入喷射器内作为工作流体，引射从蒸发器出口输出的剩余工质，且在喷射器与工作流体混合；喷射器出口的混合工质进入冷凝器被冷凝成饱和溶液，然后进入蒸发器内蒸发制冷；蒸发器出口输出的部分工质进入第一吸收器，从而完成一个循环过程。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)在本发明所提出的功冷联供联供系统中，从锅炉出来的蒸气全部进入透平膨胀做功，然后再从透平的适当部位抽出尚未完全膨胀的少量蒸气，进入吸收/喷射式制冷子循环；这样可以在确保提升系统制冷量的同时获得更多高品质的输出功。
(2)本发明的该系统采用两套相互独立的吸收装置来解决传统功冷联供系统中透平背压以及蒸发压力相互制约不易调节的问题，提高系统的可调性，提升系统在全年间的运行能效和经济性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明的双吸收型功冷联供循环系统结构示意图。
其中，A1—第一吸收器；A2—第二吸收器；P1—第一泵；P2—第二泵；V-1—第一节流阀；V-2—第二节流阀；V-3—第三节流阀；V-4—第四节流阀；R—换热器；B—锅炉；REC—精馏器1；S—过热器；T—透平；EJ—喷射器；C—冷凝器；E—蒸发器。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
图1是本发明的双吸收型功冷联供循环系统结构示意图。
如图1所示，本发明一种双吸收型功冷联供循环系统，包括第一吸收器A1、第二吸收器A2、换热器R、锅炉B、透平T、精馏塔REC、蒸发器E和喷射器EJ。
其中，从锅炉B底部流出的液体5经换热器R换热处理后的液体17分成两路，其中一路直接进入第一吸收器A1来吸收透平T的乏气，另一路进入第二吸收器A2来吸收蒸发器E出口的部分工质15；第二吸收器A2出口的饱和液21加压后进入第一吸收器A1；
精馏塔REC塔底的液体进入第一吸收器A1，从精馏塔REC的塔顶输出的蒸气9进入喷射器EJ内作为工作流体，引射从蒸发器E出口输出的剩余工质14，且在喷射器EJ与工作流体混合。
具体地，所述第一吸收器A1依次连接有第一泵P1、换热器R和锅炉B；从第一吸收器A1出来的基础工作液1由第一泵P1加压后的液体2先经换热器R换热，换热输出的液体3再进入锅炉B进行加热；锅炉B加热后的蒸汽4进入透平T膨胀做功，之后部分工质7进入精馏塔REC内进行精馏，剩余工质则继续在透平内膨胀做功。
而且，喷射器EJ出口的混合工质进入冷凝器C被冷凝成饱和溶液13，然后进入蒸发器E内蒸发制冷。
在具体实施中，第二吸收器A2出口的饱和液21经第二泵P2加压后进入第一吸收器A1。
在具体实施中，锅炉B与透平T之间串接有过热器S，锅炉B加热所产生的蒸汽4经过热器过热后进入透平T膨胀做功。其中，采用过热蒸汽可以提高透平乏气干度以及增加透平输出功。
在具体实施中，从锅炉B底部流出的液体5经换热器R换热处理后且分成两路之前，还经第一节流阀节V-1流处理。
本发明采用第一节流阀节能够调节从锅炉底部流出的液体经换热器换热处理后的液体的流量及液体压力。
在具体实施中，精馏塔REC与第一吸收器A1之间串接有第二节流阀V-2。
本发明采用第二节流阀节能够调节从精馏塔底部输出进入第一吸收器的液体的流量及液体压力。
在具体实施中，冷凝器C与蒸发器E之间串接有第三节流阀V-3。
本发明采用第三节流阀节能够调节从冷凝器进入蒸发器的液体的流量及液体压力，并且降低工质温度。
在具体实施中，从锅炉B底部流出的液体5经换热器R换热处理后分成两路，其中一路直接进入第一吸收器A1，另一路经第四节流阀V-4节流至蒸发压力再进入第二吸收器A2。
本发明的双吸收型功冷联供循环系统的工作原理为：
从第一吸收器A1出来的基础工作液1由第一泵P1加压后的液体2先经换热器R换热，换热输出的液体3再进入锅炉B进行加热；锅炉B加热所产生的饱和蒸气4经过热器S过热后得到蒸气6进入透平T膨胀做功，当工质膨胀到2.00MPa时，抽出部分蒸气7进入精馏塔REC内精馏，剩余工质则继续在透平T内膨胀做功；
锅炉B底部的稀饱和液5经换热器R换热处理后的液体17经第一节流阀V-1节流后分为两股，一部分液体18进入吸收器A1，吸收透平乏气8；另一部分液体19经第四节流阀V-4节流至蒸发压力，进入第二吸收器A2；吸收蒸发器E出口的部分工质15，吸收器A2出口的饱和液21经第二泵P2加压后进入第一吸收器A1；
精馏塔REC塔底的饱和液10经第二节流阀V-2节流后的液体11进入第一吸收器A1，塔顶所获得的蒸气9进入喷射器EJ，作为工作流体，引射从蒸发器E出来的部分饱和蒸气16，两股流体在喷射器EJ内混合；
喷射器EJ出口的混合工质12进入冷凝器C被冷凝成饱和溶液13，然后经第三节流阀V-3节流后的液体14进入蒸发器E内蒸发制冷；蒸发器E出口的另一部分饱和蒸气15进入第二吸收器A2被稀溶液20吸收，从而完成一个循环过程。
本发明以氨溶液为例，且运用EES软件建立了本发明的双吸收型功冷联供循环系统的热力学模型。
为了方便分析与讨论，本发明选定吸收器出口1点氨溶液的质量流量为1kg·s-1，压力为0.3MPa；吸收器2的压力定为0.19MPa透平进口压力为2.60MPa；热源温度为142℃；抽气量0.15kg·s-1，压力2.00MPa；喷射器出口压力设定为0.80MPa。其他输入参数值如表1所示。
表1系统输入参数
Figure BDA0001450685490000051
根据建立的热力学模型和工质的物性参数，该新型功冷联供系统的性能计算结果如表3所示，计算结果表明，在设计工况下，本发明所提出的功冷联供系统联供热效率为16.35％，联供
Figure BDA0001450685490000053
效率可以达到41.27％。
表2联供性计算能结果
Figure BDA0001450685490000052
Figure BDA0001450685490000061
在本发明所提出的功冷联供系统中，从锅炉出来的蒸气全部进入透平膨胀做功，然后再从透平的适当部位抽出尚未完全膨胀的少量蒸气，进入吸收/喷射式制冷子循环；这样可以在确保提升系统制冷量的同时获得更多高品质的输出功。
本发明的该系统采用两套相互独立的吸收装置来解决传统功冷联供系统中透平背压以及蒸发压力相互制约不易调节的问题，提高系统的可调性，提升系统在全年间的运行能效和经济性。
由于基础工作液浓度对系统性能有着重大影响，该循环中透平背压的提高不会影响系统的制冷能力，故本发明的该系统的基础工作液浓度的可调范围增大。
本发明的该双吸收型功冷联供系统可为低温余热的高效转化与充分利用提供新的解决途径。本发明所提出的双吸收型功冷联供系统具有以下创新点：
(1)耦合氨吸收/喷射式制冷，提高联供系统的制冷量；
(2)制冷工质来源于透平中尚未完全膨胀的蒸气，进入精馏器之前此部分工质已经历膨胀做功，使得系统能够获得更多高品质输出功；
(3)透平乏气以及蒸发器出口的饱和蒸气分别由不同的吸收器吸收，提高系统的可调性；
(4)通过引入喷射器，以消耗一定的热能为代价，却不需要消耗透平的输出功，因而在增加系统输出冷量条件下，提高联供系统的热力性能。
(5)通过调整抽气量可以使得联供系统输出冷功比可调。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种双吸收型功冷联供循环系统，其特征在于，包括第一吸收器、第二吸收器、换热器、锅炉、透平、精馏塔、蒸发器和喷射器；
从锅炉底部流出的液体经换热器换热处理后分成两路，其中一路直接进入第一吸收器来吸收透平乏气，另一路进入第二吸收器来吸收蒸发器出口的部分工质；第二吸收器出口的饱和液加压后进入第一吸收器；
精馏塔塔底的液体进入第一吸收器，从精馏塔的塔顶输出的蒸气进入喷射器内作为工作流体，引射从蒸发器出口输出的剩余工质，且在喷射器与工作流体混合。
2.如权利要求1所述的一种双吸收型功冷联供循环系统，其特征在于，所述第一吸收器依次连接有第一泵、换热器和锅炉；从第一吸收器出来的基础工作液由第一泵加压后先经换热器换热，再进入锅炉进行加热；锅炉加热后的蒸汽进入透平膨胀做功，之后部分工质进入精馏塔内进行精馏，剩余工质则继续在透平内膨胀做功。
3.如权利要求2所述的一种双吸收型功冷联供循环系统，其特征在于，喷射器出口的混合工质进入冷凝器被冷凝成饱和溶液，然后进入蒸发器内蒸发制冷。
4.如权利要求1所述的一种双吸收型功冷联供循环系统，其特征在于，第二吸收器出口的饱和液经第二泵加压后进入第一吸收器。
5.如权利要求2所述的一种双吸收型功冷联供循环系统，其特征在于，锅炉与透平之间串接有过热器，锅炉加热所产生的蒸汽经过热器过热后进入透平膨胀做功。
6.如权利要求1所述的一种双吸收型功冷联供循环系统，其特征在于，从锅炉底部流出的液体经换热器换热处理后且分成两路之前，还经第一节流阀节流处理。
7.如权利要求1所述的一种双吸收型功冷联供循环系统，其特征在于，精馏塔与第一吸收器之间串接有第二节流阀。
8.如权利要求3所述的一种双吸收型功冷联供循环系统，其特征在于，冷凝器与蒸发器之间串接有第三节流阀。
9.如权利要求1所述的一种双吸收型功冷联供循环系统，其特征在于，从锅炉底部流出的液体经换热器换热处理后分成两路，其中一路直接进入第一吸收器，另一路经第四节流阀节流至蒸发压力再进入第二吸收器。
10.一种如权利要求1-9中任一项所述的双吸收型功冷联供循环系统的工作方法，其特征在于，包括：
从第一吸收器出来的基础工作液加压后先经换热器换热，再进入锅炉进行加热；锅炉加热后的蒸汽进入透平膨胀做功，之后部分工质进入精馏塔内进行精馏，剩余工质则继续在透平内膨胀做功；
从锅炉底部流出的液体经换热器换热处理后分成两路，其中一路直接进入第一吸收器来吸收透平乏气，另一路进入第二吸收器来吸收蒸发器出口的部分工质；第二吸收器出口的饱和液加压后进入第一吸收器；
精馏塔塔底的液体进入第一吸收器，从精馏塔的塔顶输出的蒸气进入喷射器内作为工作流体，引射从蒸发器出口输出的剩余工质，且在喷射器与工作流体混合；喷射器出口的混合工质进入冷凝器被冷凝成饱和溶液，然后进入蒸发器内蒸发制冷；蒸发器出口输出的部分工质进入第二吸收器，从而完成一个循环过程。
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