CN110259537B - 一种二氧化碳朗肯循环动力系统及其操作方法 - Google Patents
一种二氧化碳朗肯循环动力系统及其操作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种二氧化碳朗肯循环动力系统及其操作方法，包括：二氧化碳朗肯循环子系统和吸收式制冷循环子系统；所述二氧化碳朗肯循环子系统用于获取热量输出动力，并用于为所述吸收式制冷循环子系统提供热源；所述吸收式制冷循环子系统用于回收利用所述二氧化碳朗肯循环子系统乏气的余热，并用于为所述二氧化碳朗肯循环子系统提供冷源。本发明的二氧化碳朗肯循环动力系统，既可对膨胀机出口乏气的余热进行利用，又可在不使用特殊冷源以及不消耗额外能量的情况下将二氧化碳冷凝成液。
Description
技术领域
本发明属于二氧化碳朗肯循环技术领域，特别涉及一种二氧化碳朗肯循环动力系统及其操作方法。
背景技术
随着工业化和现代化的进程，全球能源消耗总量十分庞大，节能减排成为了一个重要任务，发展基于新型环保工质的高效动力循环是实现节能减排目标的重要途径。二氧化碳具有来源广泛、密度大以及良好的环保、流动和换热性能等优点，以二氧化碳为工质的循环动力系统具有效率高、体积小等优势，在利用太阳能、地热、工业余热等热量提供动力和发电方面具有巨大的应用前景。
目前国际上研究较多的是二氧化碳布雷顿循环动力系统，这类循环难以克服的缺点是压缩机耗功较大。
二氧化碳朗肯循环动力系统是以液体泵替代压缩机增压，耗功大大减小，但是二氧化碳临界温度接近室温，室温较高时难以以常规室温冷却水或空气将乏气冷凝成液；传统的冷凝方式或特殊冷源(液化天然气、深海水等)，或消耗额外能量(利用电能实现压缩式制冷、热能实现吸收式制冷等)实现二氧化碳冷凝成液。特殊冷源在应用上具有局限性，消耗额外能量会降低系统独立性和效率。同时，这两种冷凝方式均没有回收利用膨胀机出口二氧化碳的余热，造成能源浪费。
综上，亟需一种新型的二氧化碳朗肯循环动力系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种二氧化碳朗肯循环动力系统及其操作方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明的二氧化碳朗肯循环动力系统，既可对膨胀机出口乏气的余热进行利用，又可在不使用特殊冷源以及不消耗额外能量的情况下将二氧化碳冷凝成液。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种二氧化碳朗肯循环动力系统，包括：二氧化碳朗肯循环子系统和吸收式制冷循环子系统；所述二氧化碳朗肯循环子系统用于获取热量输出动力，并用于为所述吸收式制冷循环子系统提供热源；所述吸收式制冷循环子系统用于回收利用所述二氧化碳朗肯循环子系统乏气的余热，并用于为所述二氧化碳朗肯循环子系统提供冷源。
本发明的进一步改进在于，所述二氧化碳朗肯循环子系统包括：加热器，用于通过外部热源对输入的二氧化碳进行加热；膨胀机，用于接入所述加热器加热后的二氧化碳，并输出动力；第一冷凝器，用于对膨胀机输出的乏气进行冷凝。
本发明的进一步改进在于，所述吸收式制冷循环子系统包括：吸收器、溶液换热器、发生器、第二冷凝器和蒸发器；所述吸收器用于将制冷剂溶解到吸收剂中形成溶液A；所述溶液A送入所述溶液换热器中进行第一次吸热；第一次吸热后的溶液A送入所述发生器，进行再次吸热使制冷剂析出，并形成溶液B；析出的制冷剂及溶液B送入所述溶液换热器中进行放热；放热后的溶液B送入所述吸收器中，用于作为下次循环的吸收剂；放热后的制冷剂送入所述第二冷凝器中进行冷凝；冷凝后的制冷剂送入所述蒸发器中，用于吸收二氧化碳的热量；与二氧化碳换热后的制冷剂送入所述吸收器中，用于溶解于吸收剂中，以实现下一次循环。
本发明的进一步改进在于，所述二氧化碳朗肯循环子系统包括：加热器、膨胀机和第一冷凝器；所述吸收式制冷循环子系统包括：吸收器、溶液换热器、发生器、第二冷凝器和蒸发器；所述加热器的二氧化碳入口通过第一管道与所述蒸发器的二氧化碳出口相连通，所述第一管道上设置有第一液体泵；所述加热器的二氧化碳出口与所述膨胀机的二氧化碳入口相连通，所述膨胀机的乏气出口与所述发生器的入气口相连通；所述发生器的二氧化碳出口与所述第一冷凝器的二氧化碳入口相连通，所述第一冷凝器的二氧化碳出口与所述蒸发器的二氧化碳入口相连通；所述蒸发器的制冷剂出口与所述吸收器的制冷剂入口相连通；所述吸收器的液体出口与所述溶液换热器的第一液体入口通过第二管道相连通，所述第二管道上设置有第二液体泵；所述溶液换热器的第一液体出口与所述发生器的液体入口相连通，所述发生器的液体出口与所述溶液换热器的第二液体入口相连通，所述溶液换热器的第二液体出口与所述吸收器的液体入口相连通；所述发生器的制冷剂出口与所述溶液换热器的制冷剂入口相连通，所述溶液换热器的制冷剂出口与所述第二冷凝器的制冷剂入口相连通，所述第二冷凝器的制冷剂出口与所述蒸发器的制冷剂入口相连通。
本发明的进一步改进在于，所述溶液换热器的第二液体出口通过第三管道与所述吸收器的液体入口相连通，所述第三管道上设置有第一节流阀。
本发明的进一步改进在于，所述第二冷凝器的制冷剂出口通过第四管道与所述蒸发器的制冷剂入口相连通，所述第四管道上设置有第二节流阀。
本发明的进一步改进在于，第一冷凝器、第二冷凝器及吸收器中的冷却流体为室温冷却水或空气。
本发明的进一步改进在于，所述膨胀机的抽气与乏气出口均与所述发生器的入气口相连通。
本发明上述的一种二氧化碳朗肯循环动力系统的操作方法，包括：
S1，通过二氧化碳朗肯循环子系统，从外部热源获取热量输出动力，并为所述吸收式制冷循环子系统提供热源；
S2，通过所述吸收式制冷循环子系统回收利用所述二氧化碳朗肯循环子系统乏气的余热，并为所述二氧化碳朗肯循环子系统提供冷源。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明中将二氧化碳朗肯循环与吸收式制冷循环进行结合，利用吸收式制冷循环为二氧化碳朗肯循环乏气提供冷源保证其冷凝成液，利用膨胀器乏气为吸收式制冷循环提供热源，不但解决了二氧化碳室温下难以冷凝成液的问题，而且对二氧化碳朗肯循环乏气余热进行了回收利用。本发明对于提高二氧化碳循环动力系统的热效率和适用性，实现大规模推广应用有重要的意义。
本发明中，将吸收式制冷循环发生器出口的高温制冷剂引入到溶液换热器中，可对其余热进行利用，能够提高吸收式制冷循环的制冷效率，可降低冷凝器的负荷。
本发明不但能够回收来自发生器的制冷剂的热量、提高制冷效率，而且可以降低第二冷凝器的负荷。
本发明中，膨胀机出口的乏气和抽气在发生器中与吸收式制冷子系统的工质对所形成的溶液进行换热，既提供制冷剂从溶液中析出所需的热量，又达到回收乏气和抽气余热、降低其温度的目的；在吸收式制冷循环子系统中，制冷剂从发生器出来后进入到溶液换热器，用于加热来自第二液体泵的稀溶液，不但能够回收来自发生器的制冷剂的热量、提高制冷效率，而且可以降低第二冷凝器的负荷；外部冷却流体为室温水或空气，不需要特殊冷源也不消耗额外能量。
本发明中，膨胀机出口的乏气为发生器主要热量来源，抽气为辅助热源，当乏气热量能够满足发生器需求时，不需要抽气。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的一种二氧化碳朗肯循环动力系统的示意图；
图2是现有的常规二氧化碳朗肯循环动力系统的示意图；
图中：1、吸收器；2、第二液体泵；3、第一节流阀；4、溶液换热器；5、发生器；6、蒸发器；7、第二冷凝器；8、第二节流阀；9、第一冷凝器；10、加热器；11、膨胀机；12、第一液体泵。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
本发明实施例的一种二氧化碳朗肯循环动力系统，包括：二氧化碳朗肯循环子系统和吸收式制冷循环子系统。二氧化碳朗肯循环子系统从外部热源获取热量输出动力，并为吸收式制冷循环子系统提供热源；吸收式制冷循环子系统回收利用二氧化碳朗肯循环子系统乏气的余热并为其提供冷源。
二氧化碳朗肯循环子系统包括：加热器10、第一液体泵12、膨胀机11和第一冷凝器9。
吸收式制冷循环子系统包括：吸收器1、第二液体泵2、第一节流阀3、第二节流阀8、溶液换热器4、发生器5、蒸发器6和第二冷凝器7。
请参阅图1，加热器10进出口分别与第一液体泵12出口和膨胀机11进口相连接，发生器5与膨胀机11出口、第一冷凝器9、溶液换热器4相连接，吸收器1通过第二液体泵2和第一节流阀8与溶液换热器4相连接，第二冷凝器7与溶液换热器4相连接、并通过第二节流阀8与蒸发器6相连接，蒸发器6还与第一冷凝器9、第一液体泵12进口、吸收器1相连接。液态二氧化碳在第一液体泵12中加压后在加热器10中加热至高温高压气体状态，然后进入膨胀机11输出动力，其乏气和抽气为吸收式制冷循环子系统提供其所需热量，并由吸收式制冷循环子系统中的发生器5和蒸发器6、第一冷凝器9将乏气和抽气冷凝成液态后进入第一液体泵12。本发明系统不但可以解决二氧化碳朗肯循环系统乏气难以冷凝成液的问题，同时可以有效利用乏气余热、提高系统效率。膨胀机11出口的乏气和抽气在发生器5中与吸收式制冷循环子系统的工质对所形成的溶液进行换热，既提供制冷剂从溶液中析出所需的热量，又达到回收乏气和抽气余热、降低其温度的目的。膨胀机11的乏气和抽气从发生器5出来后，先后在第一冷凝器9和蒸发器6中与外部冷却流体和液态制冷剂进行换热使其冷凝为液态。外部冷却流体为室温水或空气，可以通过调节抽气量和乏气出口温度使本发明的系统适用于不同温度的外部冷却流体。
在吸收式制冷循环子系统中，制冷剂在吸收器1中溶解到吸收剂中形成低温的稀溶液A，稀溶液A经第二液体泵2进入到溶液换热器4进行吸热，再进入到发生器5中进一步吸热使制冷剂从其中析出并变成浓溶液B，浓溶液B在溶液换热器4放热后，再经第一节流阀3降温后进入到吸收器1中吸收制冷剂；制冷剂从发生器5出来后进入到溶液换热器4，用于加热来自第二液体泵2的稀溶液，然后进入第二冷凝器7和第二节流阀8降温，再经蒸发器6吸热后进入到吸收器1。本发明不但能够回收来自发生器5的制冷剂的热量、提高制冷效率，而且可以降低第二冷凝器7的负荷。第二冷凝器7和吸收器1的冷却流体为室温水或空气。
本发明的二氧化碳朗肯循环动力系统的运行参数以及吸收式制冷工质对可根据系统热效率、经济成本、冷却流体温度等进行选择，工质对由制冷剂和吸收剂构成，具有较广的适用范围。
本发明的工作过程：
二氧化碳朗肯循环子系统包括：加热器、第一液体泵、膨胀机和第一冷凝器。其工作过程是：来自第一液体泵的二氧化碳在加热器中由外部热源加热为高温高压气体状态，之后进入到膨胀机做功，输出动力；采用一部分抽气与乏气在发生器中与吸收式制冷循环子系统的工质对所形成的溶液进行换热为其提供热量；之后在第一冷凝器中利用室温冷却水或空气对乏气和抽气进行第一次冷凝，再在蒸发器中利用液态制冷剂对其进行第二次冷凝变成液态，然后进入第一液体泵进行增压开始下一次循环。
吸收式制冷循环子系统包括：发生器、蒸发器、吸收器、第二冷凝器、溶液换热器、第一节流阀、第二节流阀和第二液体泵；其工作过程为制冷剂在吸收器中溶解到吸收剂中形成低温的稀溶液，稀溶液经第二液体泵进入到溶液换热器进行吸热，再进入到发生器中进一步吸热使制冷剂从其中析出并变成浓溶液，浓溶液经溶液换热器吸热后经第一节流阀降温后进入到吸收器中吸收制冷剂；制冷剂从发生器出来后进入到溶液换热器，用于加热来自第二液体泵的稀溶液，然后在第二冷凝器中利用室温冷却水或空气对其进行第一次冷凝使其变成液态，再进入第二节流阀进一步降温，然后进入蒸发器吸收二氧化碳的热量，最后进入吸收器溶解到吸收剂中开始下一次循环。
本发明中，二氧化碳朗肯循环子系统输出动力，利用其膨胀机乏气和抽气提供吸收式制冷循环子系统所需的热量，结合吸收式制冷循环子系统和外部冷却流体将二氧化碳朗肯循环子系统膨胀机的乏气和抽气冷凝成液。具体的，来自第一液体泵的二氧化碳在加热器中由外部热源加热为高温高压气体状态，之后进入到膨胀机做功，采用一部分抽气与乏气为吸收式制冷子系统提供热量，再经第一冷凝器和吸收式制冷子循环系统中的蒸发器冷凝成液后，进入第一液体泵进行增压。吸收式制冷循环子系统的工质由制冷剂和吸收剂构成。制冷剂在吸收器中溶解到吸收剂中形成低温的稀溶液，稀溶液经第二液体泵进入到溶液换热器进行吸热，再进入到发生器中吸热使制冷剂从其中析出并变成浓溶液，浓溶液在溶液换热器中进一步吸热后，再经第一节流阀降温后进入到吸收器中吸收制冷剂；制冷剂从发生器出来后经过溶液换热器、第二冷凝器和第二节流阀降温，再经蒸发器吸热后进入到吸收器。膨胀机出口的乏气和抽气在发生器中与吸收式制冷子系统的工质对所形成的溶液进行换热，既提供制冷剂从溶液中析出所需的热量，又达到回收乏气和抽气余热、降低其温度的目的。
优选的，膨胀机出口的乏气为发生器主要热量来源，抽气为辅助热源，当乏气热量能够满足发生器需求时，不再需要抽气。膨胀机乏气和抽气从发生器出来后，先后在第一冷凝器和蒸发器中与外部冷却流体和液态制冷剂进行换热使其冷凝为液态。在吸收式制冷循环子系统中，制冷剂从发生器出来后进入到溶液换热器，用于加热来自第二液体泵的稀溶液，不但能够回收来自发生器的制冷剂的热量、提高制冷效率，而且可以降低第二冷凝器的负荷。
请参阅图1和图2，本发明与常规二氧化碳朗肯循环动力系统的区别是：本发明的系统只需要外部常温冷却流体，而常规二氧化碳朗肯循环动力系统需要能够保证二氧化碳冷凝成液的外部低温特殊冷却流体。
综上所述，本发明公开了一种二氧化碳朗肯循环动力系统，系统包括二氧化碳朗肯循环子系统和吸收式制冷循环子系统。二氧化碳朗肯循环子系统主要由加热器、液体泵、膨胀机、冷凝器组成。吸收式制冷循环子系统主要由发生器、蒸发器、吸收器、冷凝器、溶液换热器、节流阀、液体泵组成。利用二氧化碳朗肯循环子系统膨胀机的出口乏气和抽气提供吸收式制冷子系统发生器所需热量，再利用外部冷却流体和吸收式制冷子系统对乏气和抽气进行冷却使其变成液态，可以通过调节抽气量使其适用于不同温度的外部冷却流体。本发明系统不但可以解决二氧化碳朗肯循环系统乏气难以冷凝成液的问题，同时可以有效利用乏气余热、提高系统效率。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (6)
1.一种二氧化碳朗肯循环动力系统，其特征在于，包括：二氧化碳朗肯循环子系统和吸收式制冷循环子系统；
所述二氧化碳朗肯循环子系统用于获取热量输出动力，并用于为所述吸收式制冷循环子系统提供热源；
所述吸收式制冷循环子系统用于回收利用所述二氧化碳朗肯循环子系统乏气的余热，并用于为所述二氧化碳朗肯循环子系统提供冷源；
所述二氧化碳朗肯循环子系统包括：
加热器(10)，用于通过外部热源对输入的二氧化碳进行加热；
膨胀机(11)，用于接入所述加热器(10)加热后的二氧化碳，并输出动力；
第一冷凝器(9)，用于对膨胀机(11)输出的乏气进行冷凝；
所述吸收式制冷循环子系统包括：吸收器(1)、溶液换热器(4)、发生器(5)、第二冷凝器(7)和蒸发器(6)；
所述吸收器(1)用于将制冷剂溶解到吸收剂中形成溶液A；所述溶液A送入所述溶液换热器(4)中进行第一次吸热；第一次吸热后的溶液A送入所述发生器(5)，进行再次吸热使制冷剂析出，并形成溶液B；析出的制冷剂及溶液B送入所述溶液换热器(4)中进行放热；放热后的溶液B送入所述吸收器(1)中，用于作为下次循环的吸收剂；放热后的制冷剂送入所述第二冷凝器(7)中进行冷凝；冷凝后的制冷剂送入所述蒸发器(6)中，用于吸收二氧化碳的热量；与二氧化碳换热后的制冷剂送入所述吸收器(1)中，用于溶解于吸收剂中，以实现下一次循环；
其中，所述膨胀机(11)的抽气与乏气出口均与所述发生器(5)的入气口相连通；利用二氧化碳朗肯循环子系统的乏气和膨胀机抽气余热驱动吸收式制冷循环子系统。
2.根据权利要求1所述的一种二氧化碳朗肯循环动力系统，其特征在于，
所述加热器(10)的二氧化碳入口通过第一管道与所述蒸发器(6)的二氧化碳出口相连通，所述第一管道上设置有第一液体泵(12)；所述加热器(10)的二氧化碳出口与所述膨胀机(11)的二氧化碳入口相连通，所述膨胀机(11)的乏气出口与所述发生器(5)的入气口相连通；所述发生器(5)的二氧化碳出口与所述第一冷凝器(9)的二氧化碳入口相连通，所述第一冷凝器(9)的二氧化碳出口与所述蒸发器(6)的二氧化碳入口相连通；
所述蒸发器(6)的制冷剂出口与所述吸收器(1)的制冷剂入口相连通；所述吸收器(1)的液体出口与所述溶液换热器(4)的第一液体入口通过第二管道相连通，所述第二管道上设置有第二液体泵(2)；所述溶液换热器(4)的第一液体出口与所述发生器(5)的液体入口相连通，所述发生器(5)的液体出口与所述溶液换热器(4)的第二液体入口相连通，所述溶液换热器(4)的第二液体出口与所述吸收器(1)的液体入口相连通；
所述发生器(5)的制冷剂出口与所述溶液换热器(4)的制冷剂入口相连通，所述溶液换热器(4)的制冷剂出口与所述第二冷凝器(7)的制冷剂入口相连通，所述第二冷凝器(7)的制冷剂出口与所述蒸发器(6)的制冷剂入口相连通。
3.根据权利要求2所述的一种二氧化碳朗肯循环动力系统，其特征在于，所述溶液换热器(4)的第二液体出口通过第三管道与所述吸收器(1)的液体入口相连通，所述第三管道上设置有第一节流阀(3)。
4.根据权利要求2所述的一种二氧化碳朗肯循环动力系统，其特征在于，
所述第二冷凝器(7)的制冷剂出口通过第四管道与所述蒸发器(6)的制冷剂入口相连通，所述第四管道上设置有第二节流阀(8)。
5.根据权利要求2所述的一种二氧化碳朗肯循环动力系统，其特征在于，第一冷凝器(9)、第二冷凝器(7)及吸收器(1)中的冷却流体为室温冷却水或空气。
6.权利要求1所述的一种二氧化碳朗肯循环动力系统的操作方法，其特征在于，包括：
S1，通过二氧化碳朗肯循环子系统，从外部热源获取热量输出动力，并为所述吸收式制冷循环子系统提供热源；
S2，通过所述吸收式制冷循环子系统回收利用所述二氧化碳朗肯循环子系统乏气的余热，并为所述二氧化碳朗肯循环子系统提供冷源。
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