CN110081628B - 带分离器的跨临界co2混合工质背压喷射式冷电联供系统 - Google Patents

带分离器的跨临界co2混合工质背压喷射式冷电联供系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带分离器的跨临界CO2混合工质背压喷射式冷电联供系统，构建两套冷电联供系统，在系统中引入分离器，先将喷射器出口工质冷凝至两相区，再采用分离器对两相区混合工质进行组分分离，分离出的两股含有不同质量组分浓度的CO2混合工质分别用于制冷和发电，根据制冷所采用混合工质组分浓度的不同分为HCO2R型带分离器的背压喷射式冷电联供系统和LCO2R型带分离器的背压喷射式冷电联供系统。本发明解决了传统背压喷射式冷电联供系统没有充分利用CO2混合工质组分分离特性的问题，旨在进一步提升系统的热力性能，有望通过模拟调控与实验研究，提升系统的热效率和
Figure DDA0002046593040000011
效率等多个关键热力学参数。

Description

带分离器的跨临界CO2混合工质背压喷射式冷电联供系统
技术领域
本发明属于中低温热能回收与动力工程技术领域，具体涉及一种带分离器的跨临界CO2混合工质背压喷射式冷电联供系统。
背景技术
传统背压喷射式冷电联供系统如图1所示。主要由加热器、透平、喷射器、冷凝器、节流阀、蒸发器、增压泵组成。增压泵出口的低温高压工质经过加热器利用热源加热后，进入透平膨胀做功带动发电机发电。从透平出来的乏气进入喷射器，工质在喷射器喷嘴中流速急剧增加同时压力急剧降低，从而在混合室中形成高真空环境，并将蒸发器出口的气态工质引射至混合室，两股气态工质在混合室中混合后进入扩压段减速扩压，之后工质经过冷凝器冷凝成饱和液态，一部分液态工质经过增压泵增压后进入加热器，另一部分液态工质经节流阀减压后再进入蒸发器吸热制冷。如此完成循环过程。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种带分离器的跨临界CO2混合工质背压喷射式冷电联供系统，解决了传统背压喷射式冷电联供系统没有充分利用CO2混合工质组分分离特性的问题。
本发明采用以下技术方案：
带分离器的跨临界CO2混合工质背压喷射式冷电联供系统，包括加热器、分离器、蒸发器、透平和喷射器，根据高浓度CO2混合工质制冷构建HCO2R型带分离器的背压喷射式冷电联供系统，根据低浓度CO2混合工质制冷构建LCO2R 型带分离器的背压喷射式冷电联供系统，加热器依次经透平、喷射器和分离器连接，将喷射器的出口工质冷凝至两相区，再采用分离器对两相区混合工质进行组分分离，分离出的两股含有不同质量组分浓度的CO2混合工质分别用于制冷和发电。
具体的，HCO2R型带分离器的背压喷射式冷电联供系统包括蒸发器，蒸发器经冷却器与分离器连接，分离器分两路，一路经冷凝器、蒸发器返回喷射器，另一路与加热器连接形成工质侧循环通路。
进一步的，冷凝器和蒸发器之间设置有用于减压的节流阀，分离器与加热器之间设置有增压泵，从喷射器出来的CO2混合工质进入冷却器冷凝至两相区，进入分离器进行组分分离后分为两股流体，一股为CO2浓度高于0.5的混合工质饱和蒸气，另一股为CO2浓度低于0.5的混合工质饱和溶液。
更进一步的，CO2浓度高于0.5的混合工质饱和蒸气进入冷凝器继续冷凝成饱和液态混合工质，再经过节流阀膨胀进入蒸发器蒸发吸热并产生制冷量，从蒸发器出来的饱和气态混合工质再作为引射流体被抽吸至喷射器。
更进一步的，CO2浓度低于0.5的混合工质饱和溶液通过增压泵增压，从增压泵出来的CO2混合工质在加热器中吸收低温热源热量变为高温高压超临界状态，进入透平膨胀做功，带动发电机生产电能，做功后透平的乏气进入喷射器，作为工作蒸气抽吸从蒸发器出来的工质，并与之混合进入混合室后经扩压器扩压后流出喷射器，如此完成整个循环流程。
具体的，LCO2R型带分离器的背压喷射式冷电联供系统包括蒸发器，蒸发器经冷却器与分离器连接，分离器分两路，一路经蒸发器返回喷射器另一路与加热器连接形成工质侧循环通路。
进一步的，分离器和蒸发器之间设置有用于减压的节流阀，分离器与加热器之间依次设置有冷凝器和增压泵；从喷射器出来的CO2混合工质进入冷却器冷凝至两相区，进入分离器进行组分分离后分为两股流体，一股为CO2浓度高于0.5 的混合工质饱和蒸气，另一股为CO2浓度低于0.5的混合工质饱和溶液。
更进一步的，含有较低浓度CO2的混合工质饱和溶液经过节流阀膨胀进入蒸发器蒸发吸热并产生制冷量，从蒸发器出来的饱和气态混合工质再作为引射流体被抽吸至喷射器。
更进一步的，含较高浓度CO2的混合工质饱和蒸气经冷凝器冷凝成饱和液态，再通过增压泵增压，从增压泵出来的CO2混合工质在加热器中吸收低温热源热量变为高温高压超临界状态，进入透平膨胀做功，带动发电机生产电能。
具体的，透平的乏气进入喷射器作为工作蒸气抽吸从蒸发器出来的工质，混合进入混合室后经扩压器扩压后流出喷射器，完成整个循环流程。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种带分离器的跨临界CO2混合工质背压喷射式冷电联供系统，针对混合工质的特性，提出对跨临界CO2混合工质背压喷射式冷电联供系统的喷射器出口工质进行组分分离的思路，构建了两套新型冷电联供系统，在传统背压喷射式冷电联供系统的基础上，在冷凝器与增压泵之间引入分离器，新型系统的喷射器出口工质不再是饱和液态，而是冷凝至两相区，采用分离器对两相区混合工质进行组分分离，不同组分浓度的混合工质分别用于发电和制冷，充分发挥系统使用混合工质所具有的潜在优势。本发明提出的系统适用于混合工质，对纯工质并不适用。
进一步的，HCO2R型带分离器的背压喷射式冷电联供系统包括加热器、透平、冷却器、喷射器、分离器、冷凝器、减压节流阀、蒸发器、增压泵，蒸发器经冷却器与分离器连接，分离器分两路，一路经冷凝器、蒸发器返回喷射器，另一路与加热器连接形成工质侧循环通路。
进一步的，冷凝器和蒸发器之间设置有用于减压的节流阀，分离器与加热器之间设置有增压泵，从喷射器出来的CO2混合工质进入冷却器冷凝至两相区，进入分离器进行组分分离后分为两股流体，一股为含有CO2浓度高于0.5的混合工质饱和蒸气，另一股为含有CO2浓度低于0.5的混合工质饱和溶液。含有CO2浓度高于0.5的混合工质饱和蒸气进入冷凝器继续冷凝成饱和液态混合工质，再经过节流阀膨胀进入蒸发器蒸发吸热并产生制冷量，从蒸发器出来的饱和气态混合工质再作为引射流体被抽吸至喷射器。含有CO2浓度低于0.5的混合工质饱和溶液通过增压泵增压，从增压泵出来的低温高压的CO2混合工质在加热器中吸收低温热源热量变为高温高压超临界状态，进入透平膨胀做功，带动发电机生产电能，做功后透平的乏气进入喷射器，作为工作蒸气抽吸从蒸发器出来的工质，并与之混合进入混合室后经扩压器扩压后流出喷射器。
进一步的，LCO2R型带分离器的背压喷射式冷电联供系统包括加热器、透平、冷却器、喷射器、分离器、冷凝器、减压节流阀、蒸发器、增压泵，蒸发器经冷却器与分离器连接，分离器分两路，一路经蒸发器返回喷射器另一路与加热器连接形成工质侧循环通路。
进一步的，分离器和蒸发器之间设置有用于减压的节流阀，分离器与加热器之间依次设置有冷凝器和增压泵；从喷射器出来的CO2混合工质进入冷却器冷凝至两相区，进入分离器进行组分分离后分为两股流体，一股为含有CO2浓度高于 0.5的混合工质饱和蒸气，另一股为含有CO2浓度低于0.5的混合工质饱和溶液。含有CO2浓度低于0.5的混合工质饱和溶液经过节流阀膨胀进入蒸发器蒸发吸热并产生制冷量，从蒸发器出来的饱和气态混合工质再作为引射流体被抽吸至喷射器。含CO2浓度高于0.5的混合工质饱和蒸气经冷凝器冷凝成饱和液态，再通过增压泵增压，从增压泵出来的低温高压的CO2混合工质在加热器中吸收低温热源热量变为高温高压超临界状态，进入透平膨胀做功，带动发电机生产电能。
进一步的，透平的乏气进入喷射器作为工作蒸气抽吸从蒸发器出来的工质，混合进入混合室后经扩压器扩压后流出喷射器，完成整个循环流程。
综上所述，本发明针对使用混合工质的特殊性，在传统冷电联供系统的基础上中引入分离器，先将喷射器出口工质冷凝至两相区，再采用分离器对两相区混合工质进行组分分离，分离出的两股含有不同质量组分浓度的CO2混合工质分别用于制冷和发电，解决了传统背压喷射式冷电联供系统没有充分利用CO2混合工质组分分离特性的问题，旨在进一步提升热力性能。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为传统背压喷射式冷电联供系统示意图；
图2为本发明HCO2R型带分离器背压喷射式冷电联供系统示意图；
图3为本发明LCO2R型带分离器背压喷射式冷电联供系统示意图。
其中：1.加热器；2.增压泵；3.分离器；4.冷凝器；5.节流阀；6.蒸发器； 7.透平；8.喷射器；9.冷却器。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
对基于跨临界CO2循环的背压喷射式冷电联供系统来说，相比于纯CO2工质，采用CO2混合工质能够显著提升工质的临界温度，保证循环工质在高环境温度下冷凝，传统背压喷射式冷电联供系统若采用CO2混合工质，则其工作过程与采用纯CO2时的系统相似，并没有充分利用混合工质能够组分分离的特性。因此，本发明提供了一种带分离器的跨临界CO2混合工质背压喷射式冷电联供系统，在传统背压喷射式冷电联供系统基础上进行改进，利用CO2混合工质组分分离特性，在系统中引入气液分离器，将喷射器出口的混合工质进行组分分离，使得含有不同混合工质质量组分浓度的两股流体分别进入蒸发器和透平进行制冷与做功发电，旨在使系统获得更优的热力性能，本发明仅适用于使用混合工质的冷电联供系统。
本发明一种带分离器的跨临界CO2混合工质背压喷射式冷电联供系统，根据 CO2混合工质的特性，在传统背压喷射式冷电联供系统基础上进行改进，构建了两套新型冷电联供系统，在系统中引入分离器3，先将喷射器8的出口工质冷凝至两相区，再采用分离器3对两相区混合工质进行组分分离，分离出的两股含有不同质量组分浓度的CO2混合工质分别用于制冷和发电；两套系统根据制冷所采用混合工质组分浓度不同分为HCO2R型(CO2浓度高于0.5的混合工质制冷)带分离器的背压喷射式冷电联供系统和LCO2R型(CO2浓度低于0.5的混合工质制冷)带分离器的背压喷射式冷电联供系统。解决了传统背压喷射式冷电联供系统没有充分利用CO2混合工质组分分离特性的问题，旨在进一步提升系统的热力性能，有望通过模拟调控与实验研究，提升系统的热效率和
Figure BDA0002046593020000071
效率等多个关键热力学参数。
请参阅图2，为HCO2R型(CO2浓度高于0.5的混合工质制冷)带分离器的跨临界CO2混合工质背压喷射式冷电联供系统示意图。包括加热器1、透平7、喷射器8、蒸发器6、冷却器9、冷凝器4、分离器3、节流阀5和增压泵2。加热器1与透平7连接，透平7与喷射器8连接，蒸发器6与喷射器8连接，喷射器8与冷却器9连接，冷却器9与分离器3连接，分离器3与冷凝器4连接，冷凝器4与减压用节流阀5连接，减压用节流阀5连接蒸发器6，分离器3与增压泵2连接，增压泵2连接加热器1，形成工质侧循环通路。
从喷射器8出来的CO2混合工质进入冷却器9的冷凝至两相区，进入分离器 3进行组分分离后分为两股流体，一股为CO2浓度高于0.5的的混合工质饱和蒸气，另一股为含有CO2浓度低于0.5的的混合工质饱和溶液。
含有CO2浓度高于0.5的混合工质饱和蒸气进入冷凝器4继续冷凝成饱和液态混合工质，再经过节流阀5膨胀进入蒸发器6蒸发吸热并产生制冷量，从蒸发器6出来的饱和气态混合工质再作为引射流体被抽吸至喷射器8。
含有CO2浓度低于0.5的混合工质饱和溶液则通过增压泵2增压，从增压泵 2出来的低温高压的CO2混合工质在加热器1中吸收低温热源热量变为高温高压超临界状态，进入透平7膨胀做功，带动发电机生产电能，做功后透平7的乏气进入喷射器8，作为工作蒸气抽吸从蒸发器6出来的工质，并与之混合进入混合室后经扩压器扩压后流出喷射器8，如此完成整个循环流程。
请参阅图3，为本发明提出的LCO2R型(CO2浓度低于0.5混合工质制冷) 带分离器的跨临界CO2混合工质背压喷射式冷电联供系统示意图。包括加热器1、透平7、喷射器8、冷却器9、分离器3、节流阀5、蒸发器6、分离器3、冷凝器 4和增压泵2。
加热器1与透平7连接，透平7与喷射器8连接，蒸发器6与喷射器8连接，喷射器8与冷却器9连接，冷却器9和分离器3连接，分离器3连接减压用节流阀5，减压用节流阀5与蒸发器6连接，分离器3与冷凝器4连接，冷凝器4与增压泵2连接，增压泵2连接加热器1，由此形成循环通路。
从喷射器8出来的CO2混合工质进入冷却器9的冷凝至两相区，进入分离器 3进行组分分离后分为两股流体，一股为含有CO2浓度高于0.5的混合工质饱和蒸气，另一股为含有CO2浓度低于0.5的混合工质饱和溶液。
含有较低浓度CO2的混合工质饱和溶液经过节流阀5膨胀进入蒸发器6蒸发吸热并产生制冷量，从蒸发器6出来的饱和气态混合工质再作为引射流体被抽吸至喷射器8。
含CO2浓度高于0.5的混合工质饱和蒸气经冷凝器4冷凝成饱和液态，再通过增压泵2增压，从增压泵2出来的低温高压的CO2混合工质在加热器1中吸收低温热源热量变为高温高压超临界状态，进入透平7膨胀做功，带动发电机生产电能。
做功后透平7的乏气进入喷射器8，作为工作蒸气抽吸从蒸发器6出来的工质，并与之混合进入混合室后经扩压器扩压后流出喷射器8，如此完成整个循环流程。
本发明针对混合工质的特性，提出对跨临界CO2混合工质背压喷射式冷电联供系统的喷射器出口工质进行组分分离的思路，构建了两套新型冷电联供系统，在传统背压喷射式冷电联供系统的基础上，在冷凝器与增压泵之间引入分离器，新型系统的喷射器出口工质不再是饱和液态，而是冷凝至两相区，采用分离器对两相区混合工质进行组分分离，不同组分浓度的混合工质分别用于发电和制冷，充分发挥系统使用混合工质所具有的潜在优势。本发明提出的系统适用于混合工质，对纯工质并不适用。
本发明专门针对混合工质设计的系统，解决了传统背压喷射式冷电联供系统没有充分利用CO2混合工质组分分离特性的问题，有望通过模拟调控与实验研究，提升系统的热效率和
Figure BDA0002046593020000091
效率等多个关键热力学参数。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.带分离器的跨临界CO2混合工质背压喷射式冷电联供系统，其特征在于，包括加热器（1）、分离器（3）、蒸发器（6）、透平（7）和喷射器（8），根据高浓度CO2混合工质制冷构建HCO2R型带分离器的背压喷射式冷电联供系统，根据低浓度CO2混合工质制冷构建LCO2R型带分离器的背压喷射式冷电联供系统，加热器（1）依次经透平（7）、喷射器（8）和分离器（3）连接，将喷射器（8）的出口工质冷凝至两相区，再采用分离器（3）对两相区混合工质进行组分分离，分离出的两股含有不同质量组分浓度的CO2混合工质分别用于制冷和发电；
HCO2R型带分离器的背压喷射式冷电联供系统包括蒸发器（6），蒸发器（6）经冷却器（9）与分离器（3）连接，分离器（3）分两路，一路经冷凝器（4）、蒸发器（6）返回喷射器（8），另一路与加热器（1）连接形成工质侧循环通路，冷凝器（4）和蒸发器（6）之间设置有用于减压的节流阀（5），分离器（3）与加热器（1）之间设置有增压泵（2），从喷射器（8）出来的CO2混合工质进入冷却器（9）冷凝至两相区，进入分离器（3）进行组分分离后分为两股流体，一股为CO2浓度高于0.5的混合工质饱和蒸气，另一股为CO2浓度低于0.5的混合工质饱和溶液。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，CO2浓度高于0.5的混合工质饱和蒸气进入冷凝器（4）继续冷凝成饱和液态混合工质，再经过节流阀（5）膨胀进入蒸发器（6）蒸发吸热并产生制冷量，从蒸发器（6）出来的饱和气态混合工质再作为引射流体被抽吸至喷射器（8）。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，CO2浓度低于0.5的混合工质饱和溶液通过增压泵（2）增压，从增压泵（2）出来的CO2混合工质在加热器（1）中吸收低温热源热量变为高温高压超临界状态，进入透平（7）膨胀做功，带动发电机生产电能，做功后透平（7）的乏气进入喷射器（8），作为工作蒸气抽吸从蒸发器（6）出来的工质，并与之混合进入混合室后经扩压器扩压后流出喷射器（8），如此完成整个循环流程。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，LCO2R型带分离器的背压喷射式冷电联供系统包括蒸发器（6），蒸发器（6）经冷却器（9）与分离器（3）连接，分离器（3）分两路，一路经蒸发器（6）返回喷射器（8）另一路与加热器（1）连接形成工质侧循环通路。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，分离器（3）和蒸发器（6）之间设置有用于减压的节流阀（5），分离器（3）与加热器（1）之间依次设置有冷凝器（4）和增压泵（2）；从喷射器（8）出来的CO2混合工质进入冷却器（9）冷凝至两相区，进入分离器（3）进行组分分离后分为两股流体，一股为CO2浓度高于0.5的混合工质饱和蒸气，另一股为CO2浓度低于0.5的混合工质饱和溶液。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，含有较低浓度CO2的混合工质饱和溶液经过节流阀（5）膨胀进入蒸发器（6）蒸发吸热并产生制冷量，从蒸发器（6）出来的饱和气态混合工质再作为引射流体被抽吸至喷射器（8）。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，含较高浓度CO2的混合工质饱和蒸气经冷凝器（4）冷凝成饱和液态，再通过增压泵（2）增压，从增压泵（2）出来的CO2混合工质在加热器（1）中吸收低温热源热量变为高温高压超临界状态，进入透平（7）膨胀做功，带动发电机生产电能。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，透平（7）的乏气进入喷射器（8）作为工作蒸气抽吸从蒸发器（6）出来的工质，混合进入混合室后经扩压器扩压后流出喷射器（8），完成整个循环流程。
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