基于膨胀机和压缩机耦合的余热回收制冷系统和方法与流程

本发明涉及废热或余热回收制冷技术领域，特别涉及基于膨胀机和压缩机耦合的余热回收制冷系统和方法。

背景技术：

我国工业领域能源消耗量约占全国能源消耗总量的70％，我国能源利用率仅为33％左右，比发达国家低约10％，至少50％的工业能耗以各种形式的余热被直接废弃。低温余热是指200℃以下的工艺生产过程中产生的余热气、冷凝水、热水，300℃以下的气体以及400～450℃以下的锅炉、工业加热炉的排烟气等热量，约占工业余热总量的50％。回收和利用这部分能源，既可以减少能源消耗，又可以减少对环境的污染，达到节能减排的目的。

有机朗肯循环是以低沸点有机物为工质的朗肯循环。有机工质蒸汽比容小，且余热物流与工质不直接接触，可减小管道尺寸，降低透平通流面积，单位体积的功率较大，对低温余热的利用具有显著特点。有机朗肯循环和蒸气压缩制冷循环相结合，将膨胀机所做的功直接用于制冷循环，和将有机朗肯循环做功用于发电相比，具有效率高、系统构成简单等优点，有机朗肯循环-蒸气压缩制冷循环耦合系统是一种高效方便的回收低品位能量的方式。

目前针对有机朗肯循环-蒸气压缩制冷循环耦合系统的研究多集中于工质的选择，耦合系统流程的设计，单个部件的优化等，并未对耦合系统过程中膨胀机-压缩机负荷不匹配的问题进行研究。

但是膨胀机在运行过程中会出现负荷的波动，膨胀机和压缩机负荷的不匹配将会导致系统运行不稳定，严重时造成膨胀机、压缩机等设备的损坏，影响系统运行可靠性，存在安全隐患，因此，研究如何使有机朗肯循环-蒸气压缩制冷循环耦合系统稳定运行具有重大意义。

技术实现要素：

本发明提供了基于膨胀机和压缩机耦合的余热回收制冷系统，使膨胀机和压缩机负荷合理匹配，提高运行可靠性，消除安全隐患。

基于膨胀机和压缩机耦合的余热回收制冷系统，包括耦合的有机朗肯循环回路和蒸气压缩制冷循环回路，所述有机朗肯循环回路包括膨胀机、第一冷凝器、工质泵和第一蒸发器，所述蒸气压缩制冷循环回路包括与所述膨胀机耦合的压缩机、第二冷凝器、节流阀以及第二蒸发器，还包括：

阀门，连接在膨胀机的进气口和第一冷凝器的进气口之间，防止膨胀机输出的功率超过压缩机额定功率；

电机，为所述压缩机提供补偿动力。

有机朗肯循环回路中，工质在第一蒸发器中和余热物流交换热量后进入膨胀机驱动膨胀机做功，降温降压后进入第一冷凝器，再由工质泵泵送回第一蒸发器，完成循环。

蒸气压缩制冷循环回路中，工质由压缩机压缩后进入第二冷凝器，之后进入节流阀，降温降压后进入第二蒸发器吸收热量，再回到压缩机，完成制冷循环。

当膨胀机输出功率大于压缩机额定功率时，电机停止工作，位于膨胀机进气支路的阀门开启，使得部分气体工质旁通，减少进入膨胀机气体工质流量，减小膨胀机输出功率，从而达到和压缩机负荷匹配的目的；当膨胀机输出功率小于压缩机额定功率时，电机工作，作为辅助动力满足压缩机负荷要求，使系统运行平稳安全。

优选的，所述膨胀机、电机和压缩机同轴安装。提高做功效率，使系统整体性能提高，最大限度减少功传递过程的能量损失。

优选的，所述膨胀机为透平径流式膨胀机，所述压缩机为离心式压缩机。透平径流式膨胀机采用气体轴承，转速高且无油。与往复式压缩机比较，离心式压缩机具有下述优点：结构紧凑，尺寸小，重量轻；排气连续、均匀，不需要中间罐等装置；振动小，易损件少，不需要庞大而笨重的基础件；除轴承外，机器内部不需润滑，省油，且不污染被压缩的气体；转速高；维修量小，调节方便。

为了简化结构，优选的，所述第一冷凝器和第二冷凝器为同一冷凝器。有机朗肯循环中经膨胀机降温降压后的气体工质与蒸气压缩制冷循环中经压缩机升温升压后的气体工质汇合后一同进入该冷凝器。

优选的，所述阀门采用自力式压力调节阀。相对于手动调节阀，自力式压力调节阀的优点是能够自动调节；相对于电动调节阀，自力式压力调节阀的优点是不需要外部动力。在闭式水循环系统(如热水供暖系统、空调冷冻水系统)中，正确使用这种阀门，可以很方便地实现系统的流量分配；可以实现系统的动态平衡；可以大大简化系统的调试工作；可以稳定泵的工作状态等。

优选的，所述电机为永磁同步电机。与传统的电励磁同步电机相比，永磁同步电机，特别是稀土永磁同步电机具有损耗少、效率高、节电效果明显的优点。永磁同步电动机以永磁体提供励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，没有励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。

优选的，所述的有机朗肯循环和蒸气压缩制冷循环工质为同一工质，避免两个循环工质由于膨胀机、压缩机同轴而出现的相互污染问题。

优选的，所述的工质采用r245fa、r600a等。

本发明还提供了基于膨胀机和压缩机耦合的余热回收制冷方法，使用上述的基于膨胀机和压缩机耦合的余热回收制冷系统，启动方法包括以下步骤：

(1)启动电机带动压缩机工作，使压缩机达到额定功率的50～70％；

(2)启动有机朗肯循环回路，膨胀机工作，膨胀机补足压缩机功率使压缩机达到额定功率；

(3)膨胀机继续增加功率达到其额定功率，同时，电机功率减小，使压缩机功率保持不变。

优选的，正常工作状态下，所述膨胀机的工作功率是压缩机的85～95％。

优选的，当膨胀机输出功率超过压缩机的额定功率时，阀门开启，旁通气体工质，使进入膨胀机的工质流量减小，降低膨胀机输出功率。

本发明的有益效果：

本发明的基于膨胀机和压缩机耦合的余热回收制冷系统和方法，在有机朗肯循环中的膨胀机进气口设置工质支路，利用阀门旁通气体工质，并在膨胀机和压缩机之间布置同轴电机，使膨胀机和压缩机的负荷匹配，避免膨胀机和压缩机由于负荷不匹配而产生的部件磨损甚至损坏，使系统运行平稳，还能在热源变化时控制制冷量保持不变，提高系统性能，对工程上的应用比较有利。

附图说明

图1为现有技术的有机朗肯循环-蒸气压缩制冷循环耦合系统的结构示意图。

图2为本发明的基于膨胀机和压缩机耦合的余热回收制冷系统的结构示意图。

图3为本发明的基于膨胀机和压缩机耦合的余热回收制冷系统的p-h图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，现有技术的有机朗肯循环-蒸气压缩制冷循环耦合系统中，工质在第一蒸发器1中吸收余热物流热量，升温后进入膨胀机2中做功，降温降压后进入冷凝器8，之后由工质泵9泵送回第一蒸发器1，完成有机朗肯循环。另一股工质经压缩机5升温升压，与有机朗肯循环工质汇合进入冷凝器8，之后进入节流阀7，降温降压后进入第二蒸发器6，制取冷量。膨胀机3做功驱动压缩机5工作。

如图2所示，本实施例的基于膨胀机和压缩机耦合的余热回收制冷系统包括：第一蒸发器1、阀门2、膨胀机3、电机4、压缩机5、第二蒸发器6、节流阀7、冷凝器8和工质泵9。

在有机朗肯循环回路中，工质在第一蒸发器1中和余热物流交换热量后进入膨胀机3驱动膨胀机3做功，降温降压后进入冷凝器8，再由工质泵9泵送回第一蒸发器1，完成循环。

蒸气压缩制冷循环回路中，工质由压缩机5压缩后进入冷凝器8，之后进入节流阀7，降温降压后进入第二蒸发器6吸收热量，再回到压缩机5，完成制冷循环。

当膨胀机3输出功率大于压缩机5额定功率时(此时电机4已经关闭)，位于膨胀机3进气支路的阀门2开启，使得部分气体工质旁通，减少进入膨胀机3的气体工质流量，减小膨胀机3输出功率，从而达到和压缩机5负荷匹配的目的；当膨胀机3输出功率小于压缩机5额定功率时，电机4工作，作为辅助动力满足压缩机负荷要求，使系统运行平稳安全，还能在热源变化时使制冷量保持不变，对工程上的应用比较有利。

具体计算如下：

根据实际情况及已有经验，以60000nm³/h空分系统为例。空分系统压缩机出口空气温度约为ta1＝110℃，由于压力对干空气影响较小，此处取压缩空气压力为pa＝0.1mpa。压缩空气在第一换热器1中降温到ta2＝85℃，为实施例的系统提供动力。本实施例中工质选用r245fa，系统p-h图如图3所示，系统计算参数如表1所示。

表1系统计算参数

根据以上参数，可得：

膨胀机功率：

p＝mr*(h6-h7′)＝mr*(h6-h7)*ε1＝224.45kw；

压缩机功率：

w＝mv*(h2-h1)＝mv*(h2′-h1)*ε2＝250.71kw；

由此可以看出，在此工况下，当系统正常运行时，膨胀机3输出功率满足不了压缩机5的额定功率，将导致两者功率不匹配，此时需电机4补充功率：

pe＝w-p*η＝35.23kw；

同理，若进入第一换热器1的余热热流(例如此处的压缩空气)温度升高，则可能导致膨胀机3输出功率大于压缩机5额定功率，此时则需要阀门2调节进入膨胀机工质流量，使膨胀机3输出功率减小，从而和压缩机5额定功率匹配。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。