CN111735237B - 一种中低温热能利用功冷联供系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种中低温热能利用功冷联供系统，属于新能源及节能技术领域。该中低温热能利用功冷联供系统，包括冷凝器、低压循环泵、低压蒸汽发生器、气液分离器、喷射器、高压循环泵、高压蒸汽发生器、膨胀机、混合器、节流阀、制冷蒸发器与回热器及若干管路与阀门。本系统有机地结合了ORC与ERC，能利用一种热源同时产生电量与冷量，且有助于改善热源侧与工质侧的传热温差匹配，减少吸热过程的传热不可逆损失，提升系统性能，对于余热资源更可实现较低温度排放，提高余热利用率。

Description

一种中低温热能利用功冷联供系统
技术领域
本发明涉及一种中低温热能利用功冷联供系统，属于新能源及节能技术领域。
背景技术
能源是世界及国家经济赖以发展的动力，由于长期以来的工业化进程严重依赖石化能源，导致石化能源的过度开采，造成能源短缺及诸多环境问题。为减少对石化能源的消耗，实现工业的可持续发展，一方面应尽可能地开发利用总量丰富、对环境友好的可再生能源，如太阳能、地热能、生物质能等；另一方面，有必要提高能量的使用效率。在实践中，由于设备转化效率有限，能量不可能完全转换为工业过程中可用的热量或功率，大量的工业余热广泛存在于各种传统的生产制造过程中，也是一种可用能源的来源。若能对工业过程中的余热高效回收利用以及高效转换利用可再生能源，必将产生巨大的经济效益及环境效益。
功冷联供系统通过有机地结合发电子循环与制冷子循环，可利用一种热源同时获得功量和冷量，相比单一发电或制冷的系统，其具有更高的整体能量转换效率。目前研究的功冷联供系统基于Kalina循环的居多，系统设备普遍较多，且流程复杂。ORC具有结构形式简单，安全可靠性高，运营维护要求低，热力学性能好的优点，被认为是回收350℃以下废热的最有效方法之一。双压蒸发ORC可以实现热源侧与工质侧更好的传热温差匹配，减少传热不可逆损失，实现较低的热源出口温度，提高余热利用率。制冷循环中，ERC具有构造设计简单、运动部件少、系统投资省、运行稳定可靠的优点，因此也常被作为功冷联供系统中的制冷子循环。但是基于ORC及ERC的功冷联供系统较少，均是采用透平中间抽气或透平乏气驱动ERC，仅是通过损失发电量来获得冷量，对于系统㶲损失占比较大的吸热过程无任何改善，系统性能不佳。
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热能利用功冷联供系统。本系统有机地结合了ORC与ERC，能利用一种热源同时产生电量与冷量，且有助于改善热源侧与工质侧的传热温差匹配，减少吸热过程的传热不可逆损失，提升系统性能，对于余热资源更可实现较低温度排放，提高余热利用率。该技术的显著特点为：吸热过程中，工质两级加压蒸发，低温蒸汽用于驱动ERC，输出冷量，高温蒸汽用于驱动ORC，实现充分地温度对口梯级利用。本发明通过以下技术方案实现。
一种中低温热能利用功冷联供系统，包括冷凝器1、低压循环泵2、低压蒸汽发生器3、气液分离器4、喷射器5、高压循环泵6、高压蒸汽发生器7、膨胀机8、混合器9、节流阀10、制冷蒸发器11与回热器12及若干管路与阀门；冷凝器1冷凝后流体出口管路分为两支，其中一支连接节流阀10进口，节流阀10出口连接制冷蒸发器11冷流体进口，制冷蒸发器11冷流体出口连接喷射器5引射流体入口；冷凝器1冷凝后流体出口另一支管路通过低压循环泵2连接回热器12预热流体入口，回热器12预热流体出口连接低压蒸汽发生器3冷流体进口，低压蒸汽发生器3两相状态工质出口连接气液分离器4工质进口，气液分离器4底部工质液体出口连接高压循环泵6进口，气液分离器4顶部的蒸汽出口连接喷射器5工作流体进口，高压循环泵6出口连接高压蒸汽发生器7冷流体进口，高压蒸汽发生器7出口连接膨胀机8进口；喷射器5出口和膨胀机8乏气出口均连接至混合器9进口，混合器9出口连接回热器12热流体进口，回热器12热流体出口连接冷凝器1热流体进口。
所述冷凝器1中的冷凝后流体的工质为单一有机工质或非共沸混合工质对。
该中低温热能利用功冷联供系统的工作原理为：
经冷凝器1冷却冷凝后的饱和或过冷工质液体分为两部分，一部分经节流阀10节流后进入制冷蒸发器11吸热后输出冷量（作为ERC的制冷剂）；另一部分被低压循环泵2加压至低压蒸汽发生器3蒸发压力，经回热器12预热后，在低压蒸汽发生器3中吸热蒸发至出口为两相状态。低压蒸汽发生器3出口两相状态工质在气液分离器4中经过气液分离后，饱和工质蒸汽作为喷射器5的工作流体驱动ERC，引射制冷蒸发器11出口工质蒸汽；气液分离器4中液体部分被高压循环泵6加压至高压蒸发压力，在高压蒸汽发生器7中吸热蒸发至出口饱和蒸汽状态或过热蒸汽状态，随后进入膨胀机8中膨胀做功，输出电力，高温高压蒸汽驱动ORC输出电力，膨胀机8出口工质乏气与喷射器5出口工质在混合器9中混合后，经回热器12降温后进入冷凝器1中冷却、冷凝。至此，完成一次循环。
本发明中低温热能利用功冷联供系统，在吸热过程中，循环工质两级加压蒸发，低压蒸汽发生器出口为两相状态，高压蒸汽发生器出口为饱和蒸汽或过热蒸汽；利用低温低压蒸汽驱动ERC输出冷量，高温高压蒸汽驱动ORC输出电力。
本发明的有益效果是：
（1）本发明利用一种热源产生电力与冷量两种产品，满足用户对供电与供冷的需求。
（2）本发明低温部分用于供冷，高温部分用于发电，实现温度对口梯级利用。
（3）本发明可实现吸热过程中较好的传热温差匹配，不可逆损失小，有助于提升系统热力性能，降低热源出口温度，提升余热资源利用率。
附图说明
图1是本发明中低温热能利用功冷联供系统结构示意图。
图中：1-冷凝器，2-低压循环泵，3-低压蒸汽发生器，4-气液分离器，5-喷射器，6-高压循环泵，7-高压蒸汽发生器，8-膨胀机，9-混合器，10-节流阀，11-制冷蒸发器，12-回热器。
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所示，该中低温热能利用功冷联供系统，包括冷凝器1、低压循环泵2、低压蒸汽发生器3、气液分离器4、喷射器5、高压循环泵6、高压蒸汽发生器7、膨胀机8、混合器9、节流阀10、制冷蒸发器11与回热器12及若干管路与阀门；冷凝器1冷凝后流体出口管路分为两支，其中一支连接节流阀10进口，节流阀10出口连接制冷蒸发器11冷流体进口，制冷蒸发器11冷流体出口连接喷射器5引射流体入口；冷凝器1冷凝后流体出口另一支管路通过低压循环泵2连接回热器12预热流体入口，回热器12预热流体出口连接低压蒸汽发生器3冷流体进口，低压蒸汽发生器3两相状态工质出口连接气液分离器4工质进口，气液分离器4底部工质液体出口连接高压循环泵6进口，气液分离器4顶部的蒸汽出口连接喷射器5工作流体进口，高压循环泵6出口连接高压蒸汽发生器7冷流体进口，高压蒸汽发生器7出口连接膨胀机8进口；喷射器5出口和膨胀机8乏气出口均连接至混合器9进口，混合器9出口连接回热器12热流体进口，回热器12热流体出口连接冷凝器1热流体进口。
本系统以R601作为循环工质，含硫分少的烟气作为驱动热源，高压蒸汽发生器进口烟气温度为300℃，烟气质量流量为10kg/s，烟气平均定压比热为1.0kJ/kg，冷凝温度为30℃，环境温度为20℃，制冷蒸发温度为5℃，膨胀机进口工质过热度为5℃。吸热过程夹点温差为10℃、冷凝器与制冷蒸发器中夹点温差为5℃，回热器效能为0.7时。设计高压蒸发温度为171.91℃，低压蒸发温度为158.65℃，低压蒸汽发生器出口干度为0.3时，取得409.62kW的冷量输出，337.68kW的循环净功率输出，系统热效率为33.69%，㶲效率为43.11%，余热利用率达79.23%。
实施例2
如图1所示，该中低温热能利用功冷联供系统，包括冷凝器1、低压循环泵2、低压蒸汽发生器3、气液分离器4、喷射器5、高压循环泵6、高压蒸汽发生器7、膨胀机8、混合器9、节流阀10、制冷蒸发器11与回热器12及若干管路与阀门；冷凝器1冷凝后流体出口管路分为两支，其中一支连接节流阀10进口，节流阀10出口连接制冷蒸发器11冷流体进口，制冷蒸发器11冷流体出口连接喷射器5引射流体入口；冷凝器1冷凝后流体出口另一支管路通过低压循环泵2连接回热器12预热流体入口，回热器12预热流体出口连接低压蒸汽发生器3冷流体进口，低压蒸汽发生器3两相状态工质出口连接气液分离器4工质进口，气液分离器4底部工质液体出口连接高压循环泵6进口，气液分离器4顶部的蒸汽出口连接喷射器5工作流体进口，高压循环泵6出口连接高压蒸汽发生器7冷流体进口，高压蒸汽发生器7出口连接膨胀机8进口；喷射器5出口和膨胀机8乏气出口均连接至混合器9进口，混合器9出口连接回热器12热流体进口，回热器12热流体出口连接冷凝器1热流体进口。
本系统以R236ea作为循环工质，进口温度150℃的地热水作为驱动热源，质量流量为10kg/s，地热水平均定压比热为4.2kJ/kg，冷凝温度为30℃，环境温度为20℃，制冷蒸发温度为5℃，膨胀机进口工质过热度为5℃。吸热过程夹点温差为10℃、冷凝器与制冷蒸发器中夹点温差为5℃，回热器效能为0.7时。设计高压蒸发温度为106℃，低压蒸发温度为72℃，低压蒸汽发生器出口干度为0.3时，取得180.27kW的冷量输出，356.49kW的循环净功率输出，系统热效率为15.05%，㶲效率为38.92%。
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做出各种变化。

Claims (2)

1.一种中低温热能利用功冷联供系统，其特征在于：包括冷凝器（1）、低压循环泵（2）、低压蒸汽发生器（3）、气液分离器（4）、喷射器（5）、高压循环泵（6）、高压蒸汽发生器（7）、膨胀机（8）、混合器（9）、节流阀（10）、制冷蒸发器（11）与回热器（12）及若干管路与阀门；冷凝器（1）冷凝后流体出口管路分为两支，其中一支连接节流阀（10）进口，节流阀（10）出口连接制冷蒸发器（11）冷流体进口，制冷蒸发器（11）冷流体出口连接喷射器（5）引射流体入口；冷凝器（1）冷凝后流体出口另一支管路通过低压循环泵（2）连接回热器（12）预热流体入口，回热器（12）预热流体出口连接低压蒸汽发生器（3）冷流体进口，低压蒸汽发生器（3）两相状态工质出口连接气液分离器（4）工质进口，气液分离器（4）底部工质液体出口连接高压循环泵（6）进口，气液分离器（4）顶部的蒸汽出口连接喷射器（5）工作流体进口，高压循环泵（6）出口连接高压蒸汽发生器（7）冷流体进口，高压蒸汽发生器（7）出口连接膨胀机（8）进口；喷射器（5）出口和膨胀机（8）乏气出口均连接至混合器（9）进口，混合器（9）出口连接回热器（12）热流体进口，回热器（12）热流体出口连接冷凝器（1）热流体进口。
2.根据权利要求1所述的中低温热能利用功冷联供系统，其特征在于：所述冷凝器（1）中的冷凝后流体的工质为单一有机工质或非共沸混合工质对。
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