CN115164447A - 一种可再生能源驱动的基于orc的复合式供冷系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可再生能源驱动的基于ORC的复合式供冷系统,系统包括生物质能驱动的ORC做功子系统,ORC驱动的压缩式制冷子系统,太阳能驱动的溴化锂吸收式制冷子系统。整个系统有两处能量输入分别为生物质能Qs1和太阳能Qs2,分别在ORC循环和压缩式制冷循环中通过冷却塔向环境放热为Qa1和太阳能Qa2,在两个蒸发器中分别吸收Q01和Q02的热量进行制冷。本发明克服了太阳能间歇性、随机性和不稳定性,夏季为民居提供可靠的空调用冷;结合了压缩式制冷COP高和吸收式制冷可利用低温余热的优点,在保证COP的前提下能利用低温余热,提高了整体能源利用率;摆脱了传统太阳能溴化锂吸收式机组受限于高温环境的问题,能够在高温环境下高效工作,拓展了环境适应性。

Description

一种可再生能源驱动的基于ORC的复合式供冷系统
技术领域
本发明属于可再生能源供能领域,涉及一种复合式供冷系统,具体涉及一种可再生能源驱动的基于ORC的复合式供冷系统。
背景技术
我国西北地区夏季炎热,随着全球气候的变化以及人们对热舒适性的不断追求,建筑耗能中的空调用电不断攀升;因传统化石能源利用而日益增长的能源危机问题、环境污染问题亟需解决。新疆、甘肃等西北地区太阳能资源丰富,此外这些地区农作物以小麦、玉米等为主,生物质总量丰富。太阳能吸收式制冷能够利用较低温度的太阳能进行空调制冷,但其存在效率低、且受限于高温环境的弊端,而压缩式制冷具有较高的制冷系数,即COP,因此迫切需要设计一种充分利用太阳能、生物质等清洁可再生能源互补的供冷系统,用来夏季空调制冷。
本发明的思路是:通本过生物质锅炉将生物质能转化为较高温度的热能,这部分热能用来驱动有机朗肯循环(ORC)做功,ORC产生的机械功用以驱动压缩式制冷循环来进行制冷,压缩式制冷循环产生的一部分冷量用来空调制冷,另一部分部分冷量用来冷却太阳能吸收式制冷循环;如上的设计,一方面解决了单一可再生能源利用出现的随机性、间歇性、波动性等问题,另一方面解决了太阳能吸收式制冷在高温环境中的失效问题。
发明内容
本发明的目的在于:克服现有技术的缺点和不足,提供一种太阳能和生物质能互补的复合供冷系统,以节约传统化石能源的消耗量,提高传统吸收式制冷系统COP低的问题,突破太阳能吸收式空调受限于高温环境的瓶颈,节约能源、保护环境。
本发明是一种可再生能源驱动的基于ORC的复合式供冷系统。系统包括生物质能驱动的ORC做功子系统,ORC驱动的压缩式制冷子系统,太阳能驱动的溴化锂吸收式制冷子系统。整个系统在生物质锅炉和太阳能集热器处有两份能量输入分别为生物质能Qs1和太阳能Qs2,分别在ORC循环和压缩式制冷循环中通过冷却塔向环境放热为Qa1和太阳能Qa2,在两个蒸发器中分别吸收Q01和Q02的热量进行制冷。
所述生物质能驱动的ORC做功子系统包括生物质锅炉导热油回路,有机工质ORC回路,一号冷却塔冷却水回路;生物质锅炉导热油回路包括生物质锅炉、一号循环泵、一号蒸发器;有机工质ORC回路包括透平、一号凝汽器、二号循环泵、一号蒸发器;一号冷却塔冷却水回路包括三号循环泵、一号冷却塔、一号凝汽器。
所述的ORC驱动的压缩式制冷子系统包括制冷剂主回路、制冷剂副流程、二号冷却塔冷却水回路;制冷剂主回路包括压缩机、二号凝汽器、一号减压阀、二号蒸发器;制冷剂副流程包括二号减压阀、蒸发/冷凝器、吸收器冷却盘管;二号冷却塔冷却水回路包括四号循环泵、二号冷却塔、二号凝汽器。
所述的太阳能驱动的溴化锂吸收式制冷子系统包括太阳能集热储热回路、溴化锂/水溶液制冷回路;太阳能集热储热回路包括太阳能集热器、储热水箱、五号循环泵;溴化锂/水溶液制冷回路包括六号循环泵、发生器、蒸发/冷凝器、吸收器、七号循环泵、三号减压阀、三号蒸发器。
生物质锅炉出口通过管道与一号循环泵进口连接,一号循环泵出口通过管道与一号蒸发器冷却一侧进口连接,一号蒸发器冷却一侧出口通过管道与生物质锅炉进口连接,整体形成生物质锅炉导热油回路,其回路内部载热工质为导热油;一号蒸发器将导热油回路与有机工质ORC回路联系起来,有机工质在一号蒸发器加热一侧被导热油加热而蒸发,一号蒸发器加热一侧出口通过管道与透平进口连接,透平出口通过管道连接到一号凝汽器进口,一号凝汽器出口通过管道与二号循环泵连接,二号循环泵出口与一号蒸发器加热一侧进口通过管道连接,本回路工质为ORC工质;凝汽器通过冷却塔冷却水回路向环境放热,一号凝汽器冷却盘管出口与一号冷却塔进口连接,一号冷却塔出口与一号凝汽器冷却盘管进口连接,本回路以水为工质;压缩机与透平通过联轴器连接,压缩机出口通过管道与二号凝汽器进口连接,二号凝汽器出口分两路,分别与一号减压阀进口和二号减压阀进口连接,一号减压阀出口与二号蒸发器进口相连,二号蒸发器出口与压缩机进口相连,二号减压阀出口与蒸发/冷凝器加热一侧进口相连,蒸发/冷凝器加热一侧出口与吸收器冷却盘管进口连接,吸收器冷却盘管出口连接到一号减压阀进口,压缩式制冷子系统以制冷剂为工质;太阳能集热器出口通过管道与储热水箱一号进口连接,储热水箱一号出口与五号循环泵进口相连,五号循环泵出口连接集热器进口,储热水箱二号出口连接发生器加热盘管进口,发生器加热盘管出口与六号循环泵进口相连,六号循环泵出口与储热水箱二号进口连接,发生器一号出口与吸收器一号进口相连,发生器二号出口与蒸发/冷凝器冷却侧进口连接,蒸发/冷凝器冷却侧出口与三号减压阀相连,三号减压阀出口与三号蒸发器进口连接,三号蒸发器出口与吸收器二号进口相连,吸收器出口连接七号循环泵,七号循环泵出口连接发生器进口,该系统以溴化锂/水溶液为工质。
进一步的,ORC循环是生物质能驱动的,具体能量转换设备是生物质锅炉。
进一步的,压缩式制冷循环是生物质能做功子系统中ORC循环驱动的,具体部件是透平。
进一步的,吸收式制冷循环是太阳能驱动的,具体集热部件是太阳能集热器。
进一步的,生物质ORC循环和压缩式制冷循环向环境的放热是通过冷却塔冷却水回路实现的。
特别的,该系统的输入能量部件为太阳能集热器和生物质锅炉,该系统向自然环境放热的部件为冷却塔,该系统在二号蒸发器和三号蒸发器处吸热制冷,除此六个部件外,当忽略损失时,系统其余部件与外界均无能量交换。
特别的,太阳能吸收式制冷循环冷凝器和吸收器向环境的放热是通过压缩式制冷循环间接放热的。
特别的,一号蒸发器将生物质锅炉回路与ORC回路连接起来,一号蒸发器冷却一侧以导热油为工质,一号蒸发器加热一侧以ORC工质为工质。
特别的,生物质锅炉驱动的ORC循环与压缩式制冷循环通过联轴器连接,具体连接部件是生物质锅炉驱动的ORC循环的透平和压缩式制冷循环的压缩机。
特别的,压缩式制冷循环包括两个减压阀,是双压蒸发压缩式制冷循环,且通过二号减压阀的制冷剂工质支路将压缩式制冷循环及吸收式制冷循环连接起来。
特别的,与传统太阳能吸收式制冷循环相比,该太阳能吸收式制冷循环包括一个蒸发/冷凝器。
本发明的有益之处在于:
①本发明提供的一种可再生能源驱动的基于ORC的复合式供冷系统通过空间和时间上的互补性,有效地利用了储量丰富的太阳能、生物质能等清洁能源,减少了电能等高品位能源的使用,符合绿色环保要求;
②本发明提供的一种可再生能源驱动的基于ORC的复合式供冷系统,克服了太阳能间歇性、间歇性、随机性和不稳定性,巧妙地实现了对夏季可靠供冷,为民居夏季空调制冷提供了有力保障;
③本发明提供的一种可再生能源驱动的基于ORC的复合式供冷系统,结合了压缩式制冷制冷系数COP高和吸收式制冷可利用低温余热的优点,在保证COP的前提下能利用低温余热,提高了整体能源利用率;
④本发明提供的一种可再生能源驱动的基于ORC的复合式供冷系统,摆脱了传统溴化锂吸收式机组受限于高温环境的应用问题,能够在更高环境温度下高效工作,拓展了环境适应性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是发明一种可再生能源驱动的基于ORC的复合式供冷系统的工作原理图。
图中附图标记的含义:1-生物质锅炉,2-一号循环泵,3-一号蒸发器,4-透平,5-一号凝汽器,6-二号循环泵,7-三号循环泵,8-一号冷却塔,9-压缩机,10-二号凝汽器,11-一号减压阀,12-二号蒸发器,13-二号减压阀,14-四号循环泵,15-二号冷却塔,16-储热水箱,17-五号循环泵,18-太阳能集热器,19-发生器,20-六号循环泵,21-蒸发/冷凝器,22-吸收器,23-三号减压阀,24-三号蒸发器,25-七号循环泵,A-生物质能输入Qs1,B-一号冷却塔放热Qa1,C-二号冷却塔放热Qa2,D-二号蒸发器制冷量Q01,E-太阳能集热器集热量Qs2,F-三号蒸发器制冷量Q02
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,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,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
工作原理:
生物质燃料在生物质锅炉1中燃烧,将其化学能转化为热能,生物质锅炉1中导热油吸收热能而升温,被加热后的导热油在一号循环泵2的推动下流动,流经一号蒸发器3,在一号蒸发器3中被冷却,冷却之后回到生物质锅炉1中再次被加热,如此循环。ORC有机工质在二号循环泵6的推动下在管道内流动,依次经过各个换热或做功部件,经二号循环泵6增压后的ORC液态工质进入一号蒸发器3,在其中吸收导热油释放的热能而蒸发,气态的ORC工质流经管道进入透平4做功推动叶轮旋转,做功后焓值较低的ORC工质进入一号凝汽器5被冷却水冷凝成液态,接着进入二号循环泵6,开启下一次循环。一号凝汽器5中ORC工质释放的热能被冷却水带走,冷却水温度随之升高,被加热后的冷却水流经三号循环泵7进入一号冷却塔8进行冷却,冷却之后的冷却水再次进入一号凝汽器5,进行下一次冷却。透平4输出的功推动压缩机9工作,进入压缩机9的制冷剂蒸气在压缩机9中被压缩,然后进入二号凝汽器10冷却,冷却后的液态制冷剂一部分流过一号减压阀11,变成低压液体,液态制冷剂流经二号蒸发器12,在其中吸热蒸发进行制冷,制冷剂蒸气进入压缩机9完成一个循环,从二号冷凝器10出来的另一部分制冷剂流经二号减压阀13降压,节流降压后的制冷剂再依次通过蒸发/冷凝器21和吸收器22对吸收式制冷部件进行冷却,然后再流经一号减压11阀,回到压缩式制冷循环,二号凝汽器10同样通过冷却水回路冷却。太阳能集热器18吸收太阳辐射并对其中的水进行加热,被加热后的水流进储热水箱16,在储热水箱16中混合降温后的水再进入五号循环泵17,其推动水在太阳能集热器18中流动,从储热水箱16中引出的热水经过管道进入发生器19,通过发生器19中的加热盘管对溴化锂/水溶液进行加热,不断蒸发出水蒸气,水蒸气进入蒸发/冷凝器21被冷却,然后进入三号减压阀23降压,然后进入三号蒸发器24,在其中吸热蒸发完成制冷,经过三号蒸发器24的水蒸气进入吸收器22被浓度较高的溴化锂/水溶液吸收,浓溶液来自于发生器19,放出的热量被冷却盘管带走,形成的稀溶液通过七号循环泵25升压进入发生器,完成循环。至此,设计的系统,在输入生物质能和太阳能的基础下,通过各部件的配合,完成了制冷。
实施例
如图1所示,一种可再生能源驱动的基于ORC的复合式供冷系统,包括生物质锅炉1、一号循环泵2、一号蒸发器3、透平4、一号凝汽器5、二号循环泵6、三号循环泵7、一号冷却塔8、压缩机9、二号凝汽器10、一号减压阀11、二号蒸发器12、二号减压阀13、四号循环泵14、二号冷却塔15、储热水箱16、五号循环泵17、太阳能集热器18、发生器19、六号循环泵20、蒸发/冷凝器21、吸收器22、三号减压阀23、三号蒸发器24、七号循环泵25。
所述的一种可再生能源驱动的基于ORC的复合式供冷系统包括生物质能驱动的ORC做功子系统,ORC驱动的压缩式制冷子系统,太阳能驱动的溴化锂吸收式制冷子系统;生物质能驱动的ORC做功子系统其作用是将输入的生物质能转化为机械功,ORC驱动的压缩式制冷子系统可利用机械功来进行压缩式制冷,太阳能驱动的溴化锂吸收式制冷子系统利用太阳能来进行吸收式制冷。
所述的生物质能驱动的ORC做功子系统包括生物质锅炉导热油回路,有机工质ORC回路,一号冷却塔冷却水回路。生物质锅炉导热油回路包括生物质锅炉1、一号循环泵2、一号蒸发器3;有机工质ORC回路包括透平4、一号凝汽器5、二号循环泵6、一号蒸发器3;一号冷却塔冷却水回路包括三号循环泵7、一号冷却塔8、一号凝汽器5。导热油依次流经生物质锅炉1、一号循环泵2和一号蒸发器3,源源不断地将生物质燃烧释放的热能输送到一号蒸发器3中,导热油工质具有耐高温、化学稳定性好的优点,常作为集热媒介,生物质锅炉导热油回路完成生物质化学能到导热油热能的转化,并将热能输送到一号蒸发器3;有机工质依次流经一号蒸发器3、透平4、一号凝汽器5、二号循环泵6完成一个做功回路,有机工质ORC回路的作用是将导热油输送的热能转化为透平4输出的机械功,有机工质ORC较常规朗肯循环在低温热源应用中有巨大的优势;一号冷却塔冷却水回路将生物质能驱动的ORC做功子系统排出的废热进行释放,所用到的工质是水。
所述的ORC驱动的压缩式制冷子系统包括制冷剂主流程、制冷剂副流程、二号冷却塔冷却水回路。制冷剂主流程包括压缩机9、二号凝汽器10、一号减压阀11、二号蒸发器12;制冷剂副流程包括二号减压阀13、蒸发/冷凝器21、吸收器22冷却盘管;二号冷却塔冷却水回路包括四号循环泵14、二号冷却塔15、二号凝汽器10。制冷剂主流程的作用是执行常规的压缩式制冷循环,制冷剂依次流经增压、冷凝、减压、蒸发四大部件完成一个制冷循环,压缩式制冷循环具有较高的制冷系数,制冷可靠,制冷量由流经该回路的制冷剂流量确定,制冷量可调、灵活性较高;制冷剂副流程产生的冷量不再用于室内制冷,该部分冷量用于吸收式制冷回路的冷端,用以保障其可靠运行及一定的制冷效率,其流量及压力可通过二号减压阀来控制;二号冷却塔冷却水回路运行原理及作用同一号冷却塔冷却水回路。
所述的太阳能驱动的溴化锂单效吸收式制冷子系统包括太阳能集热储热回路、溴化锂/水溶液制冷回路。太阳能集热储热回路包括太阳能集热器18、储热水箱16、五号循环泵17;溴化锂/水溶液制冷回路包括六号循环泵20、发生器19、蒸发/冷凝器21、吸收器22、七号循环泵25、三号减压阀23、三号蒸发器24。太阳能集热储热回路以水为工质完成对太阳能的吸收和储存,五号循环水泵17是可调节的;溴化锂/水溶液是吸收式制冷循环中最常用的工质,该混合溶液通过蒸发分离、吸收混合等一系列过程,完成了对热能的转移。
所述的ORC做功子系统是生物质能驱动的,具体能量转换设备是生物质锅炉1,生物质锅炉可将生物质能转化为具有较高品味的热能,较高品味的热能具有较大的利用价值;压缩式制冷子系统中压缩机9是由生物质能驱动的ORC做功子系统驱动的,常规压缩机的驱动消耗的是电能,而该系统中利用生物质产生的机械功来驱动,节省了电能,具体部件是透平4;溴化锂吸收式制冷子系统是太阳能驱动的,吸收式制冷循环可利用低温余热进行制冷,具体集热部件是太阳能集热器18。
所述的ORC驱动的压缩式制冷子系统包括两个减压阀,该系统采用双压蒸发压缩式制冷循环,两级减压对应系统对冷量不同的需求,将液态制冷剂分流为压力不同的两股,一股执行常规吸热制冷完成压缩式制冷循环,另一股进入吸收式制冷循环的冷端,满足吸收式制冷循环对冷端的需求。
吸收式制冷循环因可利用低品位热能进行制冷而具有较大的优势,但其对冷却系统的苛刻要求阻碍了其进一步的发展,尤其是在高温环境中失效的特性,本发明创造性的将压缩式制冷的蒸发器与吸收式制冷的冷端进行了结合,从而大大拓展了吸收式制冷循环在高温环境中的适应性,且增加了制冷量、制冷效率,提升了系统的灵活性,而且整个联合循环中是以清洁的生物质能和太阳能为输入的,符合国家能源政策。
应当理解,以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明,并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种可再生能源驱动的基于ORC的复合式供冷系统,其特征在于,所述复合式供冷系统包括:生物质能驱动的ORC做功子系统、ORC驱动的压缩式制冷子系统、太阳能驱动的溴化锂吸收式制冷子系统;
所述生物质能驱动的ORC做功子系统包括:生物质锅炉导热油回路、有机工质ORC回路、一号冷却塔冷却水回路;
生物质锅炉导热油回路包括:生物质锅炉(1)、一号循环泵(2)、一号蒸发器(3);
有机工质ORC回路包括:透平(4)、一号凝汽器(5)、二号循环泵(6)、一号蒸发器(3);
一号冷却塔冷却水回路包括:三号循环泵(7)、一号冷却塔(8)、一号凝汽器(5);
所述的ORC驱动的压缩式制冷子系统包括:制冷剂主流程、制冷剂副流程、二号冷却塔冷却水回路;
制冷剂主流程包括:压缩机(9)、二号凝汽器(10)、一号减压阀(11)、二号蒸发器(12);
制冷剂副流程包括:二号减压阀(13)、蒸发/冷凝器(21)、吸收器(22)冷却盘管;
二号冷却塔冷却水回路包括:四号循环泵(14)、二号冷却塔(15)、二号凝汽器(10);
所述的太阳能驱动的溴化锂吸收式制冷子系统包括:太阳能集热储热回路、溴化锂/水溶液制冷回路;
太阳能集热储热回路包括:太阳能集热器(18)、储热水箱(16)、五号循环泵(17);
溴化锂/水溶液制冷回路包括:六号循环泵(20)、发生器(19)、蒸发/冷凝器(21)、吸收器(22)、七号循环泵(25)、三号减压阀(23)、三号蒸发器(24)。
2.根据权利要求1所述的一种可再生能源驱动的基于ORC的复合式供冷系统,其特征在于:
所述的生物质锅炉(1)出口通过管道与一号循环泵(2)进口连接,一号循环泵(2)出口通过管道与一号蒸发器(3)冷却一侧进口连接,一号蒸发器(3)冷却一侧出口通过管道与生物质锅炉(1)进口连接,形成生物质锅炉导热油回路,回路内部载热工质为导热油;
所述的一号蒸发器(1)加热一侧出口通过管道与透平(4)进口连接,透平(4)出口通过管道连接到一号凝汽器(5)进口,一号凝汽器(5)出口通过管道与二号循环泵(6)连接,二号循环泵(6)出口与一号蒸发器(3)加热一侧进口通过管道连接,形成有机工质ORC循环,本循环工质为ORC工质;
所述的一号凝汽器(5)冷却盘管出口与一号冷却塔(8)进口连接,一号冷却塔(8)出口与一号凝汽器(5)冷却盘管进口连接,本回路以水为工质;
所述的压缩机(9)与透平(4)通过联轴器连接,压缩机(9)出口通过管道与二号凝汽器(10)进口连接,二号凝汽器(10)出口分两路,分别与一号减压阀(11)进口和二号减压阀(13)进口连接,一号减压阀(11)出口与二号蒸发器(12)进口相连,二号蒸发器(12)出口与压缩机(9)进口相连,二号减压阀(13)出口与蒸发/冷凝器(21)加热一侧进口相连,蒸发/冷凝器(21)加热一侧出口与吸收器(22)冷却盘管进口连接,吸收器(22)冷却盘管出口连接到一号减压阀(11)进口,压缩式制冷子系统以制冷剂为工质;
所述的太阳能集热器(18)出口通过管道与储热水箱(16)一号进口连接,储热水箱(16)一号出口与五号循环泵(17)进口相连,五号循环泵(17)出口连接集热器(18)进口;
所述的储热水箱(16)二号出口连接发生器(19)加热盘管进口,发生器(19)加热盘管出口与六号循环泵(20)进口相连,六号循环泵(20)出口与储热水箱(20)二号进口连接;
所述的发生器(19)一号出口与吸收器(22)一号进口相连,发生器(22)二号出口与蒸发/冷凝器(21)冷却一侧进口连接,蒸发/冷凝器(21)冷却一侧出口与三号减压阀(23)相连,三号减压阀(23)出口与三号蒸发器(24)进口连接,三号蒸发器出口(24)与吸收器(22)二号进口相连,吸收器(22)出口连接七号循环泵(25),七号循环泵(25)出口连接发生器(19)进口,本循环以溴化锂/水溶液为工质。
3.根据权利要求1所述的一种可再生能源驱动的基于ORC的复合式供冷系统,其特征在于,ORC做功子系统是生物质能驱动的,具体能量转换设备是生物质锅炉(1);压缩式制冷子系统中压缩机(9)是由生物质能驱动的ORC做功子系统驱动的,具体部件是透平(4);溴化锂吸收式制冷子系统是太阳能驱动的,具体集热部件是太阳能集热器(18)。
4.根据权利要求1所述的一种可再生能源驱动的基于ORC的复合式供冷系统,其特征在于,向该系统的输入能量的部件为太阳能集热器(18)和生物质能锅炉(1),该系统向自然环境放热的部件为一号冷却塔(8)和二号冷却塔(15),该系统吸热产生制冷的部件是二号蒸发器(12)和三号蒸发器(24)。
5.根据权利要求1所述的一种可再生能源驱动的基于ORC的复合式供冷系统,其特征在于,ORC驱动的压缩式制冷子系统包括两个减压阀,该系统采用双压蒸发压缩式制冷循环。
6.根据权利要求1所述的一种可再生能源驱动的基于ORC的复合式供冷系统,其特征在于,该系统包括一个蒸发/冷凝器。
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