CN112412555B - 带间冷的再热超临界二氧化碳动力循环系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带间冷的再热超临界二氧化碳动力循环系统，系统中，主循环中经由低压透平机的出口排出的低压高温流体依次经过高温回热器、低温回热器放热，一部分的低压高温流体通过发生器放热、冷却器冷却进入第一主压缩机，另一部分的低压高温流体经再压缩压缩机进入高温回热器；蒸发器中的制冷剂被吸收器中的吸收剂吸收气化成饱和态，并提供冷量以冷却压缩机中间冷却器，吸收器中形成的浓溶液经过溶液泵加压和换热器吸热输送到发生器中，发生器中的浓溶液经主循环的低压高温流体加热至沸腾生成制冷剂蒸气，制冷剂蒸气进入冷凝器，发生器中形成的稀溶液通过换热器的放热和节流阀减压进入吸收器。

Description

带间冷的再热超临界二氧化碳动力循环系统
技术领域
本发明属于动力循环技术领域，特别是一种带间冷的再热超临界二氧化碳动力循环系统。
背景技术
伴随着能源危机和环境问题日益严峻，可再生能源发电及舰船动力推进等关键装置对先进循环系统提出了更高的要求。
二氧化碳在临界点附近具有大热容量、低可压缩性、低粘度的特性，可以有效减小压缩过程的耗功，从而显著提高循环热效率；并且二氧化碳作为循环工质具有相对适中、无毒、稳定、储量丰富等优点；此外，二氧化碳工质在超临界状态下密度的较高使得整个循环装置特别是压缩机的尺寸显著减小。
目前常用的二氧化碳循环都是闭式循环，中高温度热源用来实现动力推进，闭式循环中透平末级排气温度较高，即使经过回热后排气的二氧化碳温度仍然保持在100℃左右，表明二氧化碳排气热量未能充分利用，导致需要大量冷却水进行冷却，增加了冷却器的体积并消耗较多的循环水泵功率。压缩机在压缩过程中气体温度会升高，会使压缩机多消耗功，通过引入中间冷却，尽可能使压缩过程保持等温。目前应用于压缩机间冷主要有电冷却技术和喷水制冷技术，但是电冷却技术需要额外的电能增加了功耗，喷水制冷技术需要消耗大量冷却水。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
针对现有技术中存在的二氧化碳循环回热后排气的热量未能充分利用及压缩机间冷问题，本发明提出一种带间冷的再热超临界二氧化碳动力循环系统，充分利用了排气温度提高了循环系统的热效率，而且不增加其额外的系统能耗，通过热量梯级利用，提高了循环压力，余热用于间冷循环，提高了总循环系统的热效率，并且减小了冷却器的体积，使系统装置更加紧凑。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种带间冷的再热超临界二氧化碳动力循环系统包括主循环系统和底循环间冷系统，其中，
所述主循环系统包括：第一主压缩机、压缩机中间冷却器、第二主压缩机、低温回热器、再压缩压缩机、高温回热器、加热器、低压透平机、高压透平机和冷却器，
所述底循环间冷系统包括：溶液泵、吸收器、节流阀、换热器、发生器、冷凝器、节流阀、蒸发器，
其中，
二氧化碳经第一主压缩机压缩增压后，进入压缩机中间冷却器降温，然后进入第二主压缩机再次压缩增压，经过低温回热器吸热后与再压缩压缩机的流体混合后进入高温回热器，回热后通过加热器的主热源吸收热量变成高温高压流体，高温高压流体经过高压透平机膨胀做功，再进入加热器的再热源吸收热量形成再热流体，输送再热流体经过低压透平机膨胀做功，经由低压透平机的出口排出的低压高温流体依次经过高温回热器、低温回热器放热，一部分的低压高温流体通过发生器放热、冷却器冷却进入第一主压缩机，另一部分的低压高温流体经再压缩压缩机进入高温回热器；
制冷剂经过冷凝器冷凝液化通过节流阀进入蒸发器，蒸发器中的制冷剂被吸收器中的吸收剂吸收气化成饱和态，并提供冷量以冷却压缩机中间冷却器，吸收器中形成的浓溶液经过溶液泵加压和换热器吸热输送到发生器中，发生器中的浓溶液经主循环的低压高温流体加热至沸腾生成制冷剂蒸气，制冷剂蒸气进入冷凝器，发生器中形成的稀溶液通过换热器的放热和节流阀减压进入吸收器。底循环间冷系统中，循环工质采用两种不同沸点的物质组成的二元溶液，以低沸点的组分为制冷剂，高沸点的组分为吸收剂。浓溶液指二元溶液中的制冷剂浓度较高，稀溶液中的制冷剂浓度低于浓溶液。
所述的带间冷的再热超临界二氧化碳动力循环系统中，所述的第一主压缩机的出口与压缩机中间冷却器的入口相连通，压缩机中间冷却器的出口与第二主压缩机的入口相连通，第二主压缩机的出口与低温回热器的高压侧入口相连通，再压缩压缩机的出口与低温回热器的高压侧出口、高温回热器的高压侧入口相连通，高温回热器的高压侧出口与加热器的主热源入口相连通，加热器的主热源出口与高压透平机的入口相连通，高压透平机的出口与加热器的再热源入口相连通，加热器的再热源出口与低压透平机的入口相连通，低压透平机的出口与高温回热器的低压侧入口相连通，高温回热器的低压侧出口与低温回热器的低压侧入口相连通，低温回热器的低压侧出口、发生器的加热端入口与再压缩压缩机入口相连通，发生器的加热端出口与冷却器入口相连通，冷却器出口与第一主压缩机入口相连通。
所述的带间冷的再热超临界二氧化碳动力循环系统中，所述发生器的蒸气出口与冷凝器的入口相连通，发生器的稀溶液的出口与换热器的高温侧入口相连通，换热器的低温侧出口与发生器的入口相连通，溶液泵的出口与换热器的低温侧入口相连通，蒸发器的出口与吸收器的蒸气入口相连通，节流阀的出口与吸收器的稀溶液入口相连通，吸收器的出口与溶液泵入口相连通。
所述的带间冷的再热超临界二氧化碳动力循环系统中，所述的第一主压缩机、第二主压缩机、再压缩压缩机、低压透平机和高压透平机同轴相连并通过联轴器与发电机相连接。
所述的带间冷的再热超临界二氧化碳动力循环系统中，主循环给底循环中的发生器提供热量，低压高温流体作为余热源，其温度在90℃-150℃之间。
所述的带间冷的再热超临界二氧化碳动力循环系统中，底循环间冷系统中，循环工质采用两种不同沸点的物质组成的二元溶液，以低沸点的组分为制冷剂，高沸点的组分为吸收剂。浓溶液指二元溶液中的制冷剂浓度较高，稀溶液中的制冷剂浓度低于浓溶液。
所述的带间冷的再热超临界二氧化碳动力循环系统中，底循环中，水作为吸收剂，氨作为制冷剂。
所述的带间冷的再热超临界二氧化碳动力循环系统中，底循环中，水为制冷剂，溴化锂作为吸收剂。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明利用吸收式制冷循环产生的冷量冷却压缩机压缩后的二氧化碳，与其他冷却技术相比没有额外的能耗提高了循环系统的经济性，减少了整个循环系统中冷却水的用量，不仅充分利用了超临界二氧化碳循环系统中余热，不增加其额外的系统能耗，而且提高了超临界二氧化碳循环循环系统的热效率。
附图说明
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1是根据本发明一个实施例的带间冷的再热超临界二氧化碳动力循环系统的结构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的带间冷的再热超临界二氧化碳动力循环系统的温熵示意图；
其中，A为第一主压缩机；B为压缩机中间冷却器；C为第二主压缩机；D为再压缩机；E为低温回热器；F为高温回热器；G为加热器；H为发电机；I为低压透平机；J为高压透平机；K为溶液泵；L为吸收器；M为节流阀；N为换热器；O为发生器；P为冷却器；Q为冷凝器；R为节流阀；S为蒸发器；1为第一主压缩机入口；2为压缩机中间冷却器入口；3为第二主压缩机入口；4为低温回热器高压侧入口；5′为汇流点；5为主热源入口；6为高温透平入口；7为再热源入口；8为低压透平入口；9为低压透平出口；10为高温回热器低压侧入口；11为低温回热器低压侧出口；11′为分流点；12为冷却器入口；13为再压缩压缩机入口；01为冷凝器入口；02为节流阀入口；03为蒸发器入口；04为吸收器入口；05为溶液泵入口；06为换热器低温侧入口；07为发生器入口；08为换热器高温侧入口；09为节流阀入口；010为吸收器稀溶液入口；I为高压侧；II为低压侧；
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
下面将参照附图1和附图2更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
为了更好地理解，如图1所示，带间冷的再热超临界二氧化碳动力循环系统包括主循环系统和底循环间冷系统，
其中，由第一主压缩机A、压缩机中间冷却器B、第二主压缩机C、低温回热器E、再压缩压缩机D、高温回热器F、加热器G、高压透平机J、低压透平机I和冷却器P构成主循环，主循环中的二氧化碳经第一主压缩机压缩增压后，进入压缩机中间冷却器B降温，然后进入第二主压缩机C再次压缩增压，经过低温回热器E吸热后与再压缩压缩机D的流体混合后进入高温回热器F，回热后通过加热器G的主热源吸收热量变成高温高压流体，高温高压流体经过高压透平机J膨胀做功，再进入加热器G的再热源吸收热量形成再热流体，输送再热流体经过低压透平机I膨胀做功，经由低压透平机I的出口排出的低压高温流体依次经过高温回热器F、低温回热器E放热，一部分的低压高温流体通过发生器O放热、冷却器P冷却进入第一主压缩机A，另一部分的低压高温流体经再压缩压缩机D进入高温回热器F；
其中，由溶液泵K、吸收器L、节流阀M、换热器N、发生器O、冷凝器Q、节流阀R、蒸发器S构成底循环，制冷剂经过冷凝器Q冷凝液化通过节流阀R进入蒸发器S，蒸发器S中的制冷剂被吸收器L中的吸收剂吸收气化成饱和态并提供冷量以冷却中间冷却器B，吸收器L中形成的浓溶液经过溶液泵K加压和换热器N吸热输送到发生器O中，发生器O中的浓溶液经主循环的低压高温流体加热至沸腾生成的制冷剂蒸气并进入冷凝器Q，发生器O中形成的稀溶液通过换热器N的放热和节流阀M减压进入吸收器L。
所述的带间冷的再热超临界二氧化碳动力循环系统的优选实施例中，所述的第一主压缩机A的出口与压缩机中间冷却器B的入口相连通，压缩机中间冷却器B的出口与第二主压缩机C的入口相连通，第二主压缩机C的出口与低温回热器E的高压侧入口相连通，再压缩压缩机D的出口与低温回热器E的高压侧出口、高温回热器F的高压侧入口相连通，高温回热器F的高压侧出口与加热器G的主热源入口相连通，加热器G的主热源出口与高压透平机J的入口相连通，高压透平机J的出口与加热器G的再热源入口相连通，加热器G的再热源出口与低压透平机I的入口相连通，低压透平机I的出口与高温回热器F的低压侧入口相连通，高温回热器F的低压侧出口与低温回热器E的低压侧入口相连通，低温回热器E的低压侧出口、发生器的加热端入口与再压缩压缩机D入口相连通，发生器O的加热端出口与冷却器P入口相连通，冷却器P出口与第一主压缩机A入口相连通。
本发明中，超临界二氧化碳循环系统中冷却器需要用水将回热后排气100℃左右的二氧化碳冷却至临界点附近，而且的循环系统功率等级越大，冷却过程需要的冷却水越多，冷却器的体积也越大。本发明将回热后排气的部分余热用于间冷的底循环系统吸收了主循环中回热后排气的大量余热，主循环中冷却器需要冷却的量变小，需要的冷却水也少了，相应的体积也变小。
压缩机在压缩过程中由于流体泄漏、摩擦等造成的功率损失以热能的形式使气体升温，当气体升温时，压缩机所需的压缩功大大增加，导致循环系统的效率降低。运用间冷循环可以有效地降低气体在压缩过程的温升，减少压缩二氧化碳所需的压缩功，提高了循环系统的效率，并且间冷循环中的冷却介质可以比传统的喷水冷却提供更多的冷量，相对于电冷却也不需要消耗额外的电能，进一步提升了循环系统的效率。
所述的带间冷的再热超临界二氧化碳动力循环系统的优选实施例中，所述发生器O的蒸气出口与冷凝器Q的入口相连通，发生器O的稀溶液的出口与换热器N的高温侧入口相连通，换热器N的低温侧出口与发生器O的入口相连通，溶液泵K的出口与换热器N的低温侧入口相连通，蒸发器S的出口与吸收器L的蒸气入口相连通，节流阀的M出口与吸收器的L稀溶液入口相连通，吸收器L的出口与溶液泵K入口相连通。
所述的带间冷的再热超临界二氧化碳动力循环系统的优选实施例中，所述的第一主压缩机A、第二主压缩机C、再压缩压缩机D、低压透平机I和高压透平机J同轴相连并通过联轴器与发电机H相连接。
所述的带间冷的再热超临界二氧化碳动力循环系统的优选实施例中，主循环给底循环的发生器O提供热量，低压高温流体作为余热源，其温度在90℃-150℃之间。
所述的带间冷的再热超临界二氧化碳动力循环系统的优选实施例中，底循环中，水作为吸收剂，氨作为制冷剂。所述的带间冷的再热超临界二氧化碳动力循环系统的优选实施例中，或水为制冷剂，溴化锂作为吸收剂。进一步地，氨为制冷剂，水为吸收剂；进一步地，氨为制冷剂，硝酸锂为吸收剂；水为制冷剂，溴化锂为吸收剂。进一步地，甲醇为制冷剂，溴化锂为吸收剂；四氟乙烷(R134a)为制冷剂，二甲醚四甘醇(DMETEG)为吸收剂。
为了进一步理解本发明，在一个实施例中，主循环系统的工质二氧化碳运行在临界点附近物性变化剧烈，回热器高压侧流体比热容大于低压侧且两侧流体比热容变化都比较剧烈，易出现夹点问题，导致回热器传热恶化，回热器回热度低；再压缩回热循环中低温回热器的高温低压侧流体比热容，比低温高压侧流体低，因此将分流点设置于低温回热器出口，减少了低温回热器高温低压侧的流量，提高了回热器的回热度，提高了循环效率，避免夹点问题。
所述的主循环系统工作方式为低温、低压的二氧化碳流体经过第一主压缩机入口1进入第一主压缩机A压缩，通过压缩机中间冷却器入口2进入压缩机中间冷却器B中冷却，通过第二主压缩机入口3进入第二主压缩机C再压缩，经过低温回热器高压侧入口4进入低温回热器E回热后，经汇流点5与再压缩机D压缩的流体混合进入高温回热器F(4-5′)，回热后通过主热源入口5于加热器主热源吸收热量，经过高压透平机的入口6进入高压透平机J，变成的高温高压流体经过高压透平机J膨胀做功，随后流体经由再热源入口7经过加热器再热源吸收热量，然后通过低压透平入口8进入低压透平机I膨胀做功，经由低压透平机出口9，压力较低温度较高的流体依次经由高温回热器低压侧入口10和低温回热器低压侧出口11通过高温回热器F、低温回热器E放热，然后一部分流体通过发生器O放热、冷却器P冷却进入主压缩机，其路线为低温回热器低压侧出口到分流点11′再到冷却器入口12，抵达第一主压缩机入口1，另一部分流体经再压缩进入高温回热器，其路线为低温回热器低压侧出口11到分流点11′再到再压缩压缩机入口13后，抵达汇流点5′。
所述的底循环间冷系统通过溶液泵和节流阀分开为两个压力等级，高压侧I是由冷凝器Q、发生器O和N换热器组成，低压侧是由蒸发器S和吸收器L组成。
所述的底循环间冷系统的工作方式以水作为吸收剂、氨水作为制冷剂为例，吸收器中形成的氨水浓溶液经过溶液泵加压和换热器吸热输送到发生器中，其路线为溶液泵入口05到换热器低温侧入口06，然后到发生器入口07，发生器中的浓溶液经主循环系统的余热加热至沸腾产生的纯的氨蒸气经由冷凝器入口01进入冷凝器中向环境放热，放热后的制冷剂氨水经由节流阀入口02通过节流阀的减压进入蒸发器入口03，蒸发器中的氨水经由吸收器入口04被吸收器中的稀溶液吸收气化成饱和态并提供冷量，而发生器中形成的氨水稀溶液通过换热器高温侧入口08进入换热器放热和节流阀入口09进入节流阀减压回到吸收器。
从图2可知，数字表示流体的循环流动路线，随着流体在主循环和低循环中流动，充分利用了超临界二氧化碳循环系统中余热，不增加其额外的系统能耗，而且提高了超临界二氧化碳循环循环系统的热效率。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (5)

1.一种带间冷的再热超临界二氧化碳动力循环系统，其特征在于，其包括主循环系统和底循环间冷系统，其中，
所述主循环系统包括：第一主压缩机、压缩机中间冷却器、第二主压缩机、低温回热器、再压缩压缩机、高温回热器、加热器、低压透平机、高压透平机和冷却器，
所述底循环间冷系统包括：溶液泵、吸收器、第一节流阀、换热器、发生器、冷凝器、第二节流阀、蒸发器，
其中，
二氧化碳经第一主压缩机压缩增压后，进入压缩机中间冷却器降温，然后进入第二主压缩机再次压缩增压，经过低温回热器吸热后与再压缩压缩机的流体混合后进入高温回热器，回热后通过加热器的主热源吸收热量变成高温高压流体，高温高压流体经过高压透平机膨胀做功，再进入加热器的再热源吸收热量形成再热流体，输送再热流体经过低压透平机膨胀做功，经由低压透平机的出口排出的低压高温流体依次经过高温回热器、低温回热器放热，一部分的低压高温流体通过发生器放热、冷却器冷却进入第一主压缩机，另一部分的低压高温流体经再压缩压缩机进入高温回热器；
制冷剂经过冷凝器冷凝液化通过第一节流阀进入蒸发器，蒸发器中的制冷剂被吸收器中的吸收剂吸收气化成饱和态，并提供冷量以冷却压缩机中间冷却器，吸收器中形成的浓溶液经过溶液泵加压和换热器吸热输送到发生器中，发生器中的浓溶液经主循环的低压高温流体加热至沸腾生成制冷剂蒸气，制冷剂蒸气进入冷凝器，发生器中形成的稀溶液通过换热器的放热和第二节流阀减压进入吸收器，所述的第一主压缩机的出口与压缩机中间冷却器的入口相连通，压缩机中间冷却器的出口与第二主压缩机的入口相连通，第二主压缩机的出口与低温回热器的高压侧入口相连通，再压缩压缩机的出口与低温回热器的高压侧出口、高温回热器的高压侧入口相连通，高温回热器的高压侧出口与加热器的主热源入口相连通，加热器的主热源出口与高压透平机的入口相连通，高压透平机的出口与加热器的再热源入口相连通，加热器的再热源出口与低压透平机的入口相连通，低压透平机的出口与高温回热器的低压侧入口相连通，高温回热器的低压侧出口与低温回热器的低压侧入口相连通，低温回热器的低压侧出口、发生器的加热端入口与再压缩压缩机入口相连通，发生器的加热端出口与冷却器入口相连通，冷却器出口与第一主压缩机入口相连通，所述的第一主压缩机、第二主压缩机、再压缩压缩机、低压透平机和高压透平机同轴相连并通过联轴器与发电机相连接，所述的底循环间冷系统通过溶液泵和第二节流阀分开为两个压力等级。
2.根据权利要求1所述的带间冷的再热超临界二氧化碳动力循环系统，其中，所述发生器的蒸气出口与冷凝器的入口相连通，发生器的稀溶液的出口与换热器的高温侧入口相连通，换热器的低温侧出口与发生器的入口相连通，溶液泵的出口与换热器的低温侧入口相连通，蒸发器的出口与吸收器的蒸气入口相连通，第二节流阀的出口与吸收器的稀溶液入口相连通，吸收器的出口与溶液泵入口相连通。
3.根据权利要求1所述的带间冷的再热超临界二氧化碳动力循环系统，其中，主循环系统给底循环间冷系统中的发生器提供热量，低压高温流体作为余热源，其温度在90℃-150℃之间。
4.根据权利要求1所述的带间冷的再热超临界二氧化碳动力循环系统，其中，底循环中，水作为吸收剂，氨作为制冷剂。
5.根据权利要求1所述的带间冷的再热超临界二氧化碳动力循环系统，其中，水为制冷剂，溴化锂作为吸收剂。
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