CN110887278B - 用于低品位热源的能量自给型二氧化碳冷热电联产系统 - Google Patents

用于低品位热源的能量自给型二氧化碳冷热电联产系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于低品位热源的能量自给型二氧化碳冷热电联产系统，包括跨临界二氧化碳回热朗肯动力循环系统和跨临界二氧化碳喷射制冷循环系统，所述系统集成回热朗肯循环和喷射制冷循环，采用二氧化碳作为单一工质，通过跨临界二氧化碳回热朗肯循环系统的抽气透平将低品位热能转换为有用功，并利用热水器向用户提供热能。跨临界二氧化碳喷射制冷循环系统利用抽气透平的高压排气余热驱动喷射器向用户输出冷能，通过合理布置系统，使系统输出更多的电能。本发明采用工质泵和低压比的压气机，有效减少系统运行时的压缩功，提高系统的净发电量和低品位热能的转换效率。

Description

用于低品位热源的能量自给型二氧化碳冷热电联产系统
技术领域
本发明属于能源转换与利用技术，具体涉及一种用于低品位 热源的能量自给型二氧化碳冷热电联产系统。
背景技术
面临传统石化燃料的过度使用以及随之带来的日益严重的环境污染问题，可持续能源的开发与利用成为热点的研究方向。太阳能、地热能、生物质能、工业低温余热能、内燃机尾气余热能等热源被认为是满足目前持续增长的能源需求以及减少温室气体排放的替代能源。这些低品位热能虽然数量大，但是能流密度低，在利用过程中热能转换效率不高。因此，合理设计热力系统的结构以高效地利用低品位热能具有重要的意义。
天然物质二氧化碳具有热物性稳定，环境友好的特点。二氧化碳被用作热力循环工质时，系统具有热效率高、结构紧凑的特点。由于二氧化碳具有较低的临界温度，因此利用低品位热能的热力系统中可以采用超临界布雷顿循环，既二氧化碳在吸热和放热过程中均处于超临界状态。超临界布雷顿循环中的压气机在压缩气态二氧化碳时需要消耗较高的压缩功，从而降低了系统的输出净功。特别是当热源温度不高时，系统由低品位热源转换的功率不能满足压气机所需功率的要求，此时系统就不能正常工作。为了维持系统的正常运行，就必须从外界向热力系统输入额外的高品质能(电能或机械能)，以满足压气机所需的功率。
此外，在低品位热源的利用过程中，系统除对外界输出净功外，还可同时输出热能或冷能，以提高低品位 热源的利用效率。以二氧化碳为工质的跨临界喷射制冷循环，也得到了广泛的关注。相比于传统的压缩制冷循环，跨临界二氧化碳喷射制冷循环具有结构简单，运动部件少，易于维护等优点。但是，目前喷射制冷循环中的压缩机在压缩气态二氧化碳时，同样消耗大量的压缩功，从而使制冷循环的性能系数下降。
针对以上问题，有必要对现有的低品位 热源利用系统进行改进，提出一种利用系统自身输出能量就可以满足系统部件耗功需求，同时还能对外界输出净电能、热能和冷能的联合循环方案。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术中对于低品位 热源利用系统的不足和利用效率低问题，本发明提供一种用于低品位 热源的能量自给型二氧化碳冷热电联产系统。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于低品位 热源的能量自给型二氧化碳冷热电联产系统，包括跨临界二氧化碳回热朗肯动力循环系统和跨临界二氧化碳喷射制冷循环系统；
所述跨临界二氧化碳回热朗肯动力循环系统包括热源换热器、抽气涡轮、热水器、三通阀、冷凝器、工质泵、回热器和发电机；低品位热源载体依次通过热源换热器高温侧的入口和出口，热源换热器低温侧入口与回热器低温侧出口连通，抽气涡轮入口与高温热源换热器低温侧出口连通，抽气涡轮的高压出口与回热器高温侧入口连通，抽气涡轮的低压出口与热水器高温侧入口连通，热水器高温侧出口与三通阀的一个入口连通，三通阀的出口与冷凝器高温侧入口连通，冷凝器高温侧出口与工质泵入口连通，回热器低温侧入口与工质泵出口连通；
所述跨临界二氧化碳制冷循环系统包括气体冷却器、喷射器、气液分离器、压气机、蒸发器和节流阀；
气体冷却器高温侧入口与回热器高温侧出口连通，喷射器的工作流入口与气体冷却器高温侧出口连通，喷射器的引射流入口与蒸发器低温侧出口连通，喷射器的出口与气液分离器的入口连通，气液分离器的气体出口与压气机的入口连通，气液分离器的液体出口与节流阀的入口连通，节流阀的出口蒸发器低温侧的进口连通。
进一步的，所述三通阀的一个入口与热水器高温侧出口连通，三通阀的另一个入口与压气机出口连通；三通阀的出口与冷凝器高温侧入口连通。
进一步的，所述抽气涡轮所输出的电能一部分用于驱动压气机和工质泵。
进一步的，所述抽气涡轮与发电机同轴连接。
更进一步的，本发明通过调节抽气涡轮的抽气比，可以改变抽气涡轮高压出口和低压出口的二氧化碳流量，从而改变所述系统的输出冷量和热量。
本发明所述系统与现有技术相比，其显著的有益效果如下：
(1)本发明中跨临界二氧化碳回热朗肯动力循环系统的工质泵用来压缩液态饱和二氧化碳，与压缩气态二氧化碳的压气机相比，可以有效降低所消耗的压缩功，从而提高系统的净输出电能；
(2)所述系统产生的电能不但可以用来驱动工质泵和压气机，保证系统的正常运行，剩余的电能还可提供给用户使用，提高了能源利用率。
(3)本发明中跨临界二氧化碳喷射制冷系统的压气机出口与三通阀连通，二氧化碳在压气机出口处的压力不需要增加至传统喷射制冷循环所需的最大压力，因此压气机工作时具有较小的压比，其消耗的电能也相应地降低，增加了系统的发电量；
(4)本发明所述系统中通过降低压气机压比，为选择高效率、低成本的压气机带来可能，从而保证系统工作的可靠性；
(5)本发明所述系统可以通过调整抽气涡轮的抽气比，控制抽气涡轮出口进入到喷射制冷循环系统冷却器和回热朗肯动力循环系统热水器的二氧化碳流量，从而改变系统输出热量和冷量的比例，满足不同季节时用户对热量和冷量的需求，提高了系统运行的灵活性。
(6)本发明所述系统利用抽气涡轮高压出口的二氧化碳余热驱动喷射制冷循环，实现了热能的梯级利用，可有效提高低品位热源的利用效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
为了详细的说明本发明所公开的技术方案，下面结合说明书附图及具体实施例做进一步的表述。
本发明提供的是一种用于低品位 热源的能量自给型二氧化碳冷热电联产系统，包括跨临界二氧化碳回热朗肯动力循环系统和跨临界二氧化碳喷射制冷循环系统。该系统集成回热朗肯循环和喷射制冷循环，采用二氧化碳作为单一工质。跨临界二氧化碳回热朗肯动力循环系统的抽气透平将低品位 热能转换为有用功。此外，跨临界二氧化碳回热朗肯动力循环系统的热水器还可以向用户提供热能 (例如热水)。同时，跨临界二氧化碳喷射制冷系统利用抽气透平的排气余热驱动喷射器向用户输出冷能。通过合理布置系统，使系统输出更多的电能。采用工质泵和低压比的压气机，有效减少系统运行时的压缩功，提高系统的净发电量和低品位热能的转换效率。
如图1所示，在本发明所述的系统中，跨临界二氧化碳回热朗肯循环动力系统包括热源换热器1、抽气涡轮2、发电机3、热水器4、三通阀5、冷凝器6、工质泵7和回热器8；跨临界二氧化碳制冷循环系统包括气体冷却器9、喷射器10、气液分离器11、压气机12、节流阀13和蒸发器14。
具体的，低品位热源载体依次通过热源换热器1的高温侧入口和出口，热源换热器1的低温侧入口与回热器8的低温侧出口连通，抽气涡轮2入口与热源换热器1的低温侧出口连通，抽气涡轮2的高压出口与回热器8的高温侧入口连通，抽气涡轮2的低压出口与热水器4的高温侧入口连通，热水器4的高温侧出口与三通阀5的一个入口连通，三通阀5的出口与冷凝器6的高温侧入口连通，冷凝器6的高温侧出口与工质泵7的入口连通，回热器8的低温侧入口与工质泵7 的出口连通，三通阀5的一个入口与热水器4的高温侧出口连通，三通阀5的另一个入口与压气机12的出口连通；三通阀5的出口与冷凝器6的高温侧入口连通。另外，抽气涡轮2与发电机3同轴连接。
气体冷却器9的高温侧入口与回热器8的高温侧出口连通，气体冷却器9 的高温侧出口与喷射器10的工作流入口与连通，喷射器10的引射流入口与蒸发器14的低温侧出口连通，喷射器10的出口与气液分离器11的入口连通，气液分离器11的气体出口与压气机12的入口连通，气液分离器11的液体出口与节流阀13的入口连通，节流阀13的出口蒸发器14的低温侧进口连通。
在实施本发明所述的系统时，抽气涡轮2输出电能的一部分用于驱动压气机 12和工质泵7。并且该系统还通过调节所述抽气涡轮2的抽气比，可以改变抽气涡轮2高压出口和低压出口的二氧化碳流量，从而改变系统的输出冷量和热量。
本发明的具体工作过程如下：
温度为250℃的低品位热源(例如太阳能、地热能、工业余热或内燃机排气余热等)的载体，依次流经热源换热器1的低温侧进口和出口，作为驱动冷热电联产系统的能量。
在跨临界二氧化碳回热朗肯动力循环系统中，气态二氧化碳工质在冷凝器 6的高温侧被冷却水或空气冷却介质冷却至饱和液态，进入到工质泵7后压力升高至12MPa，然后进入到回热器8的低温侧，吸收高温侧的二氧化碳热量。温度升高的二氧化碳进入到热源换热器1的低温侧，被低品位热源载流体进一步加热至220℃，高温高压的二氧化碳进入到抽气涡轮2膨胀产生机械功，用来驱动发电机2进行发电，输出电能的一部分用来驱动工质泵7和压气机 12，另一部电能向用户输出。通过抽气涡轮2的二氧化碳一部分从高压出口流出，其压力值为8.4MPa，进入到回热器8的高温侧放热，然后从回热器8的高温侧出口流出，作为喷射制冷循环的工作流体；另一部分二氧化碳从抽气涡轮2的低压出口流出，其压力降至冷凝压力5.73MPa，温度变为156℃，进入到热水器4的高温侧放出热量，用于加热空气或热水至50-90℃，向用户输出热能。然后，温度降低的二氧化碳气体流经三通阀5，进入到冷凝器6中放热，温度降至20℃，至此完成跨临界二氧化碳回热朗肯动力循环。
在跨临界二氧化碳喷射制冷循环系统中，来自回热器8高温侧出口的高压二氧化碳在气体冷却器9的高温侧向冷却水或空气冷却介质放热，温度降至36℃，然后进入到喷射器10的工作流入口，抽吸来自蒸发器14低温侧的低压二氧化碳进入到喷射器10的引射流入口，两者在喷射器10中混合后进入到气液分离器 11。气液分离器11中的液态二氧化碳从液态出口进入到节流阀13中压力降低至蒸发压力3.97MPa，对应的温度为5℃，然后进入到蒸发器14的低温侧吸热，向外界提供冷能；气液分离器11中的气态二氧化碳进入到压气机12中，压力升高至冷凝压力5.73MPa后，与来自热水器4高温侧出口的二氧化碳汇合，流经三通阀5的出口进入到冷凝器6中冷却至20℃，至此完成二氧化碳喷射制冷循环。
在系统运行过程中，可以通过调节抽气涡轮2的抽气比，使其值在0.1-0.9 范围内变动，以控制抽气涡轮2高压出口和低压出口处的二氧化碳流量，从而调节系统输出的热量和冷量的比例，以满足不同季节时用户对热量和冷量的不同需求。例如冬季时，用户对热量需求量增大，增大抽气涡轮2的抽气比，使通过抽气涡轮2低压出口的二氧化碳流量增大，从而增大热水器4输出到外界的热量；在夏季时，用户对冷能量需求量增大，这时减少抽气涡轮2的抽气比，使通过抽气涡轮2高压出口的二氧化碳流量增大，从而增加喷射器10抽吸流过蒸发器14 低温侧二氧化碳的流量，以增加输出到外界的冷量。

Claims (5)

1.一种用于低品位热源的能量自给型二氧化碳冷热电联产系统，其特征在于：包括跨临界二氧化碳回热朗肯动力循环系统和跨临界二氧化碳喷射制冷循环机系统；所述跨临界二氧化碳回热朗肯动力循环系统包括热源换热器(1)、抽气涡轮(2)、发电机(3)、热水器(4)、三通阀(5)、冷凝器(6)、工质泵(7)和回热器(8)，低品位热源载体顺次通过热源换热器(1)高温侧的入口和出口，热源换热器(1)低温侧入口与回热器(8)低温侧出口连通，抽气涡轮(2)入口与热源换热器(1)低温侧出口连通，抽气涡轮(2)的高压出口与回热器(8)高温侧入口连通，抽气涡轮(2)的低压出口与热水器(4)高温侧入口连通，热水器(4)高温侧出口与三通阀(5)的一个入口连通，三通阀(5)的出口与冷凝器(6)高温侧入口连通，冷凝器(6)高温侧出口与工质泵(7)入口连通，回热器(8)低温侧入口与工质泵(7)出口连通；所述跨临界二氧化碳制冷循环系统包括气体冷却器(9)、喷射器(10)、气液分离器(11)、压气机(12)、节流阀(13)和蒸发器(14)，气体冷却器(9)高温侧入口与回热器(8)高温侧出口连通，喷射器(10)的工作流入口与气体冷却器(9)高温侧出口连通，喷射器(10)的引射流入口与蒸发器(14)低温侧出口连通，喷射器(10)的出口与气液分离器(11)的入口连通，气液分离器(11)的气体出口与压气机(12)的入口连通，气液分离器(11)的液体出口与节流阀(13)的入口连通，节流阀(13)的出口蒸发器(14)低温侧的进口连通。
2.根据权利要求1所述的用于低品位热源的能量自给型二氧化碳冷热电联产系统，其特征在于：所述三通阀(5)的一个入口与热水器(4)高温侧出口连通，三通阀(5)的另一个入口与压气机(12)出口连通；三通阀(5)的出口与冷凝器(6)高温侧入口连通。
3.根据权利要求1所述用于低品位热源的能量自给型二氧化碳冷热电联产系统，其特征在于：抽气涡轮(2)输出电能的一部分用于驱动压气机(12)和工质泵(7)。
4.根据权利要求1所述用于低品位热源的能量自给型二氧化碳冷热电联产系统，其特征在于：所述抽气涡轮(2)与发电机(3)同轴连接。
5.根据权利要求1所述用于低品位热源的能量自给型二氧化碳冷热电联产系统，其特征在于：所述系统通过调节抽气涡轮(2)的抽气比改变抽气涡轮(2)高压出口和低压出口的二氧化碳流量，从而改变系统的输出冷量和热量。
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