CN109944651A - 一种中低温余热驱动闪蒸-吸收复合循环功冷联供系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种中低温余热驱动闪蒸‑吸收复合循环功冷联供系统，属于新能源及节能技术领域。该中低温余热驱动闪蒸‑吸收复合循环功冷联供系统，包括吸收器、喷射引射器、供冷换热器、透平、过热器、闪蒸器、节流阀、余热换热器、溶液热交换器、溶液泵和吸收泵。本发明基于基本的OFC循环系统，对其作了改进：①用喷射引射器装置代替OFC系统中的节流阀和混合器，减少了闪蒸器中的节流损失，同时维持膨胀机（透平）背压处于比引射器出口吸收压力低的状态；②用吸收器代替冷凝器，利用吸收器中吸收剂对循环工质的强烈吸收作用大幅度降低循环冷端的压力，进一步降低膨胀机（透平）出口背压。
Description
技术领域
本发明涉及一种中低温余热驱动闪蒸-吸收复合循环功冷联供系统，属于新能源及节能技术领域。
背景技术
从我国能源结构来看，工业耗能占能源消费总量的70%左右，而工业能耗的60~65%都转化为载体不同、温度不同的余热。其中，低温余热的数量及其庞大，在钢铁、水泥、石油化工、玻璃、陶瓷、制糖等行业生产过程中产生的大量低温余热，包括热水、低品位烟气和蒸汽等，这些热量数量大、品位低，基本不能被生产过程再利用。回收和利用工业生产过程中的各种低温余热，既有助于解决我国的能源问题，又能有效减少工业生产中的环境污染，具有十分重要的现实意义。目前针对中低温余热利用的技术众多，动力循环是余热的一种较理想的回收方式，其中，以有机物为工质的有机朗肯循环和以氨水混合物为工质的卡琳娜循环是两种可以将热转换成机械能的动力循环技术，在余热回收动力循环方面得到了广泛的研究和应用。但总体来说，目前的余热回收利用效率还是不尽人意。因此，为了提高中低温余热发电系统的效率，有必要探索新型的动力循环。最近研究发现，采用带有闪蒸器的OFC循环进行余热回收可以获得相较于ORC系统更多的功率输出。这是因为，采用OFC循环，可以使得换热器中的换热温差减小，从而减小换热过程中的不可逆㶲损。然而OFC系统在液体与透平出口气体混合前经过节流，会导致节流㶲损，这在一定程度上降低了发电效率。此外，这种带有闪蒸器的OFC循环还是采用传统冷凝器作为循环冷端，循环输出功率依然受膨胀机（透平）出口背压较高的严重影响。因此，对OFC循环进行改进需要解决以下两个问题：①如何降低闪蒸器中饱和液体的节流损失；②如何降低膨胀机（透平）出口背压。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种中低温余热驱动闪蒸-吸收复合循环功冷联供系统。本发明基于基本的OFC循环系统，对其作了改进：①用喷射引射器装置代替OFC系统中的节流阀和混合器，减少了闪蒸器中的节流损失，同时维持膨胀机（透平）背压处于比引射器出口吸收压力低的状态；②用吸收器代替冷凝器，利用吸收器中吸收剂对循环工质的强烈吸收作用大幅度降低循环冷端的压力，进一步降低膨胀机（透平）出口背压。本系统可以在OFC系统的基础上进一步提高功率输出，同时可以利用透平出口低温乏汽提供冷量，非常适合回收利用工业中的中低温余热、利用太阳能、地热能等中低温品位热能实现冷电联供，或者集成于大型工程车辆中，在为车辆提供额外动力的同时，还能提供冷量改善车内环境。本系统通过以下技术方案实现。
一种中低温余热驱动闪蒸-吸收复合循环功冷联供系统，包括吸收器1、喷射引射器2、供冷换热器3、透平4、过热器5、闪蒸器6、节流阀7、余热换热器8、溶液热交换器9、溶液泵10和吸收泵11，吸收器1底部一侧的工质液体出口通过溶液泵10连接溶液热交换器9低温流体进口，溶液热交换器9低温流体出口连接余热换热器8进口，余热换热器8通入余热进行加热工质液体回收余热热量，余热换热器8出口通过节流阀7连接闪蒸器6进口，闪蒸器6顶部的蒸汽出口与过热器5工质进口连接，过热器5工质出口与透平4连接，循环工质从热器5过热后对透平4输出轴功进而输出电力，透平4输出电力后的乏汽出口连接供冷换热器3，对供冷换热器3中的供冷流体进行冷却，供冷换热器3中的乏汽出口连接到喷射引射器2中，闪蒸器6底部的液体工质经过溶液热交换器9对低温流体进行预热后流入到喷射引射器2中，喷射引射器2出口连接吸收器1一侧的底部液囊，吸收器1底部的低浓度工质液体通过吸收泵11连接到吸收器1顶部的喷淋装置。
所述吸收器1采用降膜吸收或水平排管吸收热量。喷射引射器2的混合气液从底部进入吸收器1吸收液液囊，低浓度工质液体通过吸收泵11送至吸收器1顶部喷淋装置，循环工质气体自下而上，气液两相在降膜管/板或水平排管表面发生吸收作用，过程中产生的吸收热由降膜管/板或排管内的冷却水及时带走，吸收终了产生的含循环工质较多的工质液体由底部的溶液泵10送出。
所述喷射引射器2包括依次连接工作喷嘴12、混合室13、喉管14和扩压管15。
所述吸收器1工质液体为高沸点和低沸点配合的工质对，高沸点工质为吸收剂，低沸点工质为吸收质的循环工质。
本中低温余热驱动闪蒸-吸收复合循环功冷联供系统的工作原理：
在吸收器1中，作为吸收剂的高沸点工质浓度较高的液体吸收低沸点工质气体，形成低沸点工质的高浓度溶液，即工质液体，吸收热由冷却水带走。工质液体经过溶液泵10升压泵送至余热加热器8中通过余热流吸收热量，在加热器8出口形成对应压力下的饱和液体或具有较低干度的湿蒸汽。余热加热器8出口随即经过节流阀7节流后进入闪蒸器6进行闪蒸及气液分离，闪蒸器6上部的气体经过过热器5过热后进入膨胀机（透平）4输出轴功，进而输出电力，由于膨胀机（透平4）乏汽出口压力较低，乏汽温度可达到0℃以下，可通过供冷换热器3为冷用户提供冷量。闪蒸器6底部的液体工质经过溶液热交换器9预热由吸收器1泵入余热加热器8的工质液体，同时降低自身的温度，而后工质液体进入喷射引射器2引射经过供冷换热器3的乏汽出口的乏汽，在混合室13中混合均匀，再经喷射引射器2扩压管15扩压至吸收器1的吸收压力。将气液两相混合流体进入吸收器1的底部液囊，含循环工质较少的低浓度液体被吸收泵送至吸收器1顶部喷淋装置自上而下喷淋，与自下而上的气体进行逆流传热传质进行吸收过程，由此完成一次循环。
本发明的有益效果是：
（1）本发明采用喷射引射器装置代替OFC系统中的节流阀和混合器，减少了闪蒸器中饱和液体的节流损失，同时维持膨胀机（透平）背压处于比引射器出口吸收压力低的状态，提高功率输出，同时也使供冷成为可能。
（2）本发明用吸收器代替冷凝器，利用吸收器中吸收剂对循环工质的强烈吸收作用大幅度降低循环冷端的压力，进一步降低膨胀机（透平）出口背压。本系统可以在OFC系统的基础上进一步提高功率输出，同时可以利用透平出口低温乏汽提供冷量，利用一套装置实现功冷联供，从而显著提高余热综合利用率。
（3）本系统运动构件少，除可利用工业中广泛存在的中低温余热实现功冷联供外，还可集成于大型工程车辆回收利用内燃机余热，为操作空间提供冷量，改善车内环境舒适度。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明喷射引射器内部结构图。
图中：1-吸收器，2-喷射引射器，3-供冷换热器，4-透平，5-过热器，6-闪蒸器，7-节流阀，8-余热换热器，9-溶液热交换器，10-溶液泵，11-吸收泵，12-工作喷嘴，13-混合室，14-喉管，15-扩压管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1和2所示，该中低温余热驱动闪蒸-吸收复合循环功冷联供系统，包括吸收器1、喷射引射器2、供冷换热器3、透平4、过热器5、闪蒸器6、节流阀7、余热换热器8、溶液热交换器9、溶液泵10和吸收泵11，吸收器1底部一侧的工质液体出口通过溶液泵10连接溶液热交换器9低温流体进口，溶液热交换器9低温流体出口连接余热换热器8进口，余热换热器8通入余热进行加热工质液体回收余热热量，余热换热器8出口通过节流阀7连接闪蒸器6进口，闪蒸器6顶部的蒸汽出口与过热器5工质进口连接，过热器5工质出口与透平4连接，循环工质从热器5过热后对透平4输出轴功进而输出电力，透平4输出电力后的乏汽出口连接供冷换热器3，对供冷换热器3中的供冷流体进行冷却，供冷换热器3中的乏汽出口连接到喷射引射器2中，闪蒸器6底部的液体工质经过溶液热交换器9对低温流体进行预热后流入到喷射引射器2中，喷射引射器2出口连接吸收器1一侧的底部液囊，吸收器1底部的低浓度工质液体通过吸收泵11连接到吸收器1顶部的喷淋装置。
其中吸收器1采用降膜吸收或水平排管吸收热量。喷射引射器2的混合气液从底部进入吸收器1吸收液液囊，低浓度工质液体通过吸收泵11送至吸收器1顶部喷淋装置，循环工质气体自下而上，气液两相在降膜管/板或水平排管表面发生吸收作用，过程中产生的吸收热由降膜管/板或排管内的冷却水及时带走，吸收终了产生的含循环工质较多的工质液体由底部的溶液泵10送出；喷射引射器2包括依次连接工作喷嘴12、混合室13、喉管14和扩压管15。
其中，过热器5的余热烟气进口温度为250℃，烟气流量10kg/s，工质液体采用丙烷/正己烷混合工质对，质量分数0.7:0.3，质量流量5.18kg/s，吸收器1中压力为0.86MPa，吸收终了温度30℃。溶液热交换器9的换热夹点温差为10K，余热换热器8中夹点温差为30K，工质出口温度为120℃的饱和液体状态，闪蒸器6压力为2.8Mpa，温度98.54℃，过热器5出口温度100.54℃（透平4入口考虑2K过热度）。透平4出口压力为0.14Mpa，温度为-2℃，透平输出功率283.2kW，以发电量计算的系统㶲效率可达52%左右，超出目前的最好的ORC循环系统㶲效率5%左右。除此之外，用透平4出口-2℃的乏汽冷却高温空气至15℃，供冷换热器3考虑最小10K的换热温差，可提供51.8kW的制冷功率。
实施例2
如图1和2所示，该中低温余热驱动闪蒸-吸收复合循环功冷联供系统，包括吸收器1、喷射引射器2、供冷换热器3、透平4、过热器5、闪蒸器6、节流阀7、余热换热器8、溶液热交换器9、溶液泵10和吸收泵11，吸收器1底部一侧的工质液体出口通过溶液泵10连接溶液热交换器9低温流体进口，溶液热交换器9低温流体出口连接余热换热器8进口，余热换热器8通入余热进行加热工质液体回收余热热量，余热换热器8出口通过节流阀7连接闪蒸器6进口，闪蒸器6顶部的蒸汽出口与过热器5工质进口连接，过热器5工质出口与透平4连接，循环工质从热器5过热后对透平4输出轴功进而输出电力，透平4输出电力后的乏汽出口连接供冷换热器3，对供冷换热器3中的供冷流体进行冷却，供冷换热器3中的乏汽出口连接到喷射引射器2中，闪蒸器6底部的液体工质经过溶液热交换器9对低温流体进行预热后流入到喷射引射器2中，喷射引射器2出口连接吸收器1一侧的底部液囊，吸收器1底部的低浓度工质液体通过吸收泵11连接到吸收器1顶部的喷淋装置。
其中吸收器1采用降膜吸收或水平排管吸收热量。喷射引射器2的混合气液从底部进入吸收器1吸收液液囊，低浓度工质液体通过吸收泵11送至吸收器1顶部喷淋装置，循环工质气体自下而上，气液两相在降膜管/板或水平排管表面发生吸收作用，过程中产生的吸收热由降膜管/板或排管内的冷却水及时带走，吸收终了产生的含循环工质较多的工质液体由底部的溶液泵10送出；喷射引射器2包括依次连接工作喷嘴12、混合室13、喉管14和扩压管15。
其中，过热器5的余热烟气进口温度为300℃，烟气流量10kg/s，工质液体采用丙烷/正辛烷混合工质对，质量分数0.6:0.4，质量流量4.8kg/s。吸收器1中的吸收压力为0.84MPa，吸收终了温度30℃。溶液热交换器9中换热夹点温差为10K，余热换热器8中夹点温差30K，工质出口温度为150℃的饱和液体状态。闪蒸器6压力为3.0Mpa，温度125.4℃，过热器5出口温度127.4℃（透平4出口考虑2K的过热度）。透平4出口压力为0.047Mpa，温度为-2℃，透平4输出功率470.7kW，以发电量计算的系统㶲效率可达60%左右，超出目前的最好的ORC循环系统㶲效率20%左右。除此之外，用透平4出口-2℃的乏汽冷却高温空气至15℃，供冷换热器3考虑最小10K的换热温差，可提供233.1kW的制冷功率。
实施例3
如图1和2所示，该中低温余热驱动闪蒸-吸收复合循环功冷联供系统，包括吸收器1、喷射引射器2、供冷换热器3、透平4、过热器5、闪蒸器6、节流阀7、余热换热器8、溶液热交换器9、溶液泵10和吸收泵11，吸收器1底部一侧的工质液体出口通过溶液泵10连接溶液热交换器9低温流体进口，溶液热交换器9低温流体出口连接余热换热器8进口，余热换热器8通入余热进行加热工质液体回收余热热量，余热换热器8出口通过节流阀7连接闪蒸器6进口，闪蒸器6顶部的蒸汽出口与过热器5工质进口连接，过热器5工质出口与透平4连接，循环工质从热器5过热后对透平4输出轴功进而输出电力，透平4输出电力后的乏汽出口连接供冷换热器3，对供冷换热器3中的供冷流体进行冷却，供冷换热器3中的乏汽出口连接到喷射引射器2中，闪蒸器6底部的液体工质经过溶液热交换器9对低温流体进行预热后流入到喷射引射器2中，喷射引射器2出口连接吸收器1一侧的底部液囊，吸收器1底部的低浓度工质液体通过吸收泵11连接到吸收器1顶部的喷淋装置。
其中吸收器1采用降膜吸收或水平排管吸收热量。喷射引射器2的混合气液从底部进入吸收器1吸收液液囊，低浓度工质液体通过吸收泵11送至吸收器1顶部喷淋装置，循环工质气体自下而上，气液两相在降膜管/板或水平排管表面发生吸收作用，过程中产生的吸收热由降膜管/板或排管内的冷却水及时带走，吸收终了产生的含循环工质较多的工质液体由底部的溶液泵10送出；喷射引射器2包括依次连接工作喷嘴12、混合室13、喉管14和扩压管15。
其中，过热器5的余热烟气进口温度为350℃，烟气流量10kg/s，工质液体采用氨/水混合工质对，质量分数0.5:0.5，质量流量3.3kg/s。吸收器1中压力为0.382MPa，吸收终了温度30℃。溶液热交换器9的换热夹点温差为10K，余热换热器8中换热夹点温差30K，工质出口温度为180℃的饱和液体状态。闪蒸器6压力为4.5Mpa，温度151.5℃，过热器出口温度153.5℃。透平4出口压力为0.059Mpa，温度为-2℃，透平4输出功率265.7kW，以发电量计算的系统㶲效率可达45%左右，超出卡琳娜循环系统㶲效率15%左右。除此之外，用透平出口-2℃的乏汽冷却高温空气至15℃，供冷换热器3考虑最小10K的换热温差，可提供22.16kW的制冷功率。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (4)
1.一种中低温余热驱动闪蒸-吸收复合循环功冷联供系统，其特征在于：包括吸收器（1）、喷射引射器（2）、供冷换热器（3）、透平（4）、过热器（5）、闪蒸器（6）、节流阀（7）、余热换热器（8）、溶液热交换器（9）、溶液泵（10）和吸收泵（11），吸收器（1）底部一侧的工质液体出口通过溶液泵（10）连接溶液热交换器（9）低温流体进口，溶液热交换器（9）低温流体出口连接余热换热器（8）进口，余热换热器（8）通入余热进行加热工质液体回收余热热量，余热换热器（8）出口通过节流阀（7）连接闪蒸器（6）进口，闪蒸器（6）顶部的蒸汽出口与过热器（5）工质进口连接，过热器（5）工质出口与透平（4）连接，循环工质从热器（5）过热后对透平（4）输出轴功进而输出电力，透平（4）输出电力后的乏汽出口连接供冷换热器（3），对供冷换热器（3）中的供冷流体进行冷却，供冷换热器（3）中的乏汽出口连接到喷射引射器（2）中，闪蒸器（6）底部的液体工质经过溶液热交换器（9）对低温流体进行预热后流入到喷射引射器（2）中，喷射引射器（2）出口连接吸收器（1）一侧的底部液囊，吸收器（1）底部的低浓度工质液体通过吸收泵（11）连接到吸收器（1）顶部的喷淋装置。
2.根据权利要求1所述的中低温余热驱动闪蒸-吸收复合循环功冷联供系统，其特征在于：所述吸收器（1）采用降膜吸收或水平排管吸收热量。
3.根据权利要求1所述的中低温余热驱动闪蒸-吸收复合循环功冷联供系统，其特征在于：所述喷射引射器（2）包括依次连接工作喷嘴（12）、混合室（13）、喉管（14）和扩压管（15）。
4.根据权利要求1所述的中低温余热驱动闪蒸-吸收复合循环功冷联供系统，其特征在于：所述吸收器（1）工质液体为高沸点和低沸点配合的工质对，高沸点工质为吸收剂，低沸点工质为吸收质的循环工质。
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