船舶余热驱动CO2超临界发电耦合跨临界制冷循环系统的制作方法

本发明涉及船舶主机余热发电技术领域，尤其涉及一种船舶主机余热驱动的co2超临界发电耦合跨临界制冷循环系统。

背景技术：

船舶主机工作过程中，伴随着大量的余热产生，其中包括柴油机排烟余热。针对此情况，采用合理的方式对余热加以利用对于节能环保具有重要的意义。目前研究船舶余热回收技术主要包括涡轮系统、朗肯循环、海水淡化、余热制冷、温差发电等。现有余热动力循环主要包括有机朗肯循环(orc)、有机跨临界循环(otc)、传统蒸汽朗肯循环等回收余热发电，但余热利用率和发电效率不理想。传统蒸汽朗肯循环吸热过程工质与烟气温度变化匹配性差，传热窄点温度突出。因此，针对中高温烟气放热特性，开展新动力循环的设计和优化及突破余热效率的工艺研究是十分必要的。

近年来，超临界co2(s-co2)在核电、太阳能发电等领域有着重要的应用。作为蒸汽发电循环方式的替代，超临界二氧化碳(s-co2)布雷顿循环发电技术已成为全世界范围内的研究热点。超临界二氧化碳循环发电技术具有效率高，体积小及适应于多种热源等诸多优点，在民用及军用(尤其是舰船)领域受到极大关注。

完善的供冷系统是船舶正常工作的重要辅助系统，传统的船舶配备的制冷系统大多为传统的压缩式蒸汽制冷设备，虽然能够满足船舶的日常使用需求，但是能耗大且分散，占地大，安全性能要求高。二氧化碳作为一种天然的制冷剂，具有无毒、安全的优点，且高容积制冷能力能够使得压缩机进一步小型化，应用在船舶当中具有比传统制冷剂更大的优势。因此，如若利用二氧化碳工质的热力性能将发电系统与制冷系统耦合起来，实现功能的协调与互通，将具有较大的应用前景。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种船舶余热驱动的co2超临界发电耦合跨临界制冷循环系统，利用二氧化碳的工质优势，解决现有技术存在的发电功能与制冷功能的协调与互通问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种船舶余热驱动的co2超临界发电耦合跨临界制冷循环系统，包括：

超临界二氧化碳发电系统，包括：热能回收器、膨胀机、发电机、发电循环回热器、混合器i、海水淡化换热器、气体冷却器、分流阀i以及高压压缩机；超临界二氧化碳发电系统内的循环工质为co2；

二氧化碳跨临界制冷系统，包括：中压压缩机、混合器i、所述海水淡化换热器、气体冷却器、分流阀i、过冷器、海水泵ii、制冷循环回热器、膨胀阀i、气液分离器、分流阀ii、高温蒸发器、膨胀阀ii、蒸发冷凝器、低压压缩机以及混合器ii；

热能回收器的工质出口连接膨胀机的进口，膨胀机的出口i连接发电机，膨胀机的出口ii连接发电循环回热器的进口i，发电循环回热器的出口i连接混合器i的进口i，混合器i的进口ii连接二氧化碳跨临界制冷系统的中压压缩机的出口，混合器i的出口连接海水淡化换热器的进口，海水淡化换热器的出口连接气体冷却器的进口i，气体冷却器的出口i连接分流阀i的进口，分流阀i的出口i连接高压压缩机的进口，高压压缩机的出口连接发电循环回热器的进口ii，发电循环回热器的出口ii连接热能回收器的工质进口；

分流阀i的出口ii连接过冷器的进口i，过冷器的出口i连接制冷循环回热器的进口i，制冷循环回热器的出口i经膨胀阀i连接气液分离器的进口i，气液分离器的进口ii连接混合器ii的出口，气液分离器的气体出口连接制冷循环回热器的进口ii，气液分离器的液体出口连接分流阀ii的进口，分流阀ii的出口i连接高温蒸发器的进口i，分流阀ii的出口ii经膨胀阀ii连接蒸发冷凝器的进口i，蒸发冷凝器的出口i连接低压压缩机的进口，低压压缩机的出口连接混合器ii的进口i，混合器ii的进口ii连接高温蒸发器的出口i；制冷循环回热器的出口ii连接中压压缩机的进口。

可选的，还包括海水淡化系统；

海水淡化系统，包括：海水过滤器，海水泵i，气体冷却器，海水淡化换热器、海水喷雾器，蒸汽凝结器，真空闪蒸罐，淡水泵，淡水舱；

蒸汽凝结器设置于真空闪蒸罐内的上层空间，海水淡化换热器设置于真空闪蒸罐内的下层空间；

海水过滤器的进口供海水流入，海水过滤器的出口经海水泵i连接气体冷却器的进口ii，气体冷却器的出口ii经真空闪蒸罐的进口i连接海水喷雾器，真空闪蒸罐的出口i连接淡水泵的进口，淡水泵的出口i连接淡水舱的进口。

可选的，所述海水淡化系统还包括海水泵ii；

蒸汽凝结器的进口连接海水泵ii的出口i，海水泵ii的进口供海水流入，蒸汽凝结器的出口连接外界。

可选的，海水泵ii的出口ii连接过冷器的进口ii，过冷器的出口ii连接外界。

可选的，所述海水淡化系统还包括排盐泵，真空闪蒸罐的罐底的出口ii连接排盐泵。

可选的，淡水泵的出口ii连接真空闪蒸罐的进口ii。

可选的，真空闪蒸罐还连接有真空泵。

可选的，还包括空调冷冻水载冷系统；

空调冷冻水载冷系统，包括冷冻水泵、空调系统末端表冷器以及高温蒸发器；

冷冻水泵的进口连接高温蒸发器的进口ii，冷冻水泵的出口连接空调系统末端表冷器的进口，空调系统末端表冷器的出口连接高温蒸发器的进口ii，高温蒸发器的出口ii。

可选的，还包括二氧化碳载冷系统；

二氧化碳载冷系统，包括：载冷循环co2贮液器、co2屏蔽泵、冷藏用co2冷风机、蒸发冷凝器；

蒸发冷凝器的出口ii连接载冷循环co2贮液器的进口，载冷循环co2贮液器的出口连接co2屏蔽泵的进口，co2屏蔽泵的出口i连接冷藏用co2冷风机的进口，冷藏用co2冷风机的出口连接蒸发冷凝器的进口ii。

可选的，二氧化碳载冷系统还包括冷冻用co2冷风机；

co2屏蔽泵的出口ii连接冷冻用co2冷风机的进口，冷冻用co2冷风机的出口连接蒸发冷凝器的进口ii。

与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：

本发明实施例通过混合器i、海水淡化换热器、气体冷却器以及分流阀i将超临界二氧化碳发电系统和二氧化碳跨临界制冷系统联系起来，有效利用二氧化碳的热力性能可以在余热回收工况和制冷工况上的耦合效应，实现了发电功能和制冷功能的组合设计。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的船舶余热驱动co2超临界发电耦合跨临界制冷循环系统的原理图。

【图示说明】热能回收器1、膨胀机2、高压压缩机3、发电机4、发电循环回热器5、气体冷却器6、过冷器7、制冷循环回热器8、膨胀阀i9、气液分离器10、膨胀阀ii11、高温蒸发器12、蒸发冷凝器13、低压压缩机14、中压压缩机15、空调系统末端表冷器16、冷冻水泵17、载冷循环co2贮液器18、co2屏蔽泵19、冷藏用co2冷风机20、真空闪蒸罐21、真空泵22、淡水泵23、海水泵i24、海水过滤器25、分流阀i26、混合器i27、海水淡化换热器28、海水喷雾器29、蒸汽凝结器30、海水泵ii31、分流阀ii32、混合器ii33、冷冻用co2冷用机34、淡水舱35、排盐泵36。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明实施例一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明实施例中的实施例，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，都应当属于本发明实施例保护的范围。

本发明实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

请参阅图1，本发明实施例提供了一种船舶余热驱动co2超临界发电耦合跨临界制冷循环系统，包括：超临界二氧化碳发电系统，以及二氧化碳跨临界制冷系统。

超临界二氧化碳发电系统，其采用co2作为循环工质，用于实现发电功能，具体包括：热能回收器1、膨胀机2、发电机4、发电循环回热器5、混合器i27、海水淡化换热器28、气体冷却器6、分流阀i26以及高压压缩机3；超临界二氧化碳发电系统内的循环工质为co2。

二氧化碳跨临界制冷系统，与超临界二氧化碳发电系统耦合连接，用于实现制冷功能，具体包括：中压压缩机15、混合器i27、所述海水淡化换热器28、气体冷却器6、分流阀i26、过冷器7、海水泵ii31、制冷循环回热器8、膨胀阀i9、气液分离器10、分流阀ii32、高温蒸发器12、膨胀阀ii11、蒸发冷凝器13、低压压缩机14以及混合器ii33。

需要说明的是，混合器i27，海水淡化换热器28，气体冷却器6，分流阀i26是超临界二氧化碳发电系统和二氧化碳跨临界制冷系统的共用设备，通过这些设备将两个系统联系起来。

具体的，超临界二氧化碳发电系统以及二氧化碳跨临界制冷系统的耦合连接关系为：

热能回收器1的工质出口连接膨胀机2的进口，膨胀机2的出口i连接发电机4，膨胀机2的出口ii连接发电循环回热器5的进口i，发电循环回热器5的出口i连接混合器i27的进口i，混合器i27的进口ii连接二氧化碳跨临界制冷系统的中压压缩机15的出口，混合器i27的出口连接海水淡化换热器28的进口，海水淡化换热器28的出口连接气体冷却器6的进口i，气体冷却器6的出口i连接分流阀i26的进口，分流阀i26的出口i连接高压压缩机3的进口，高压压缩机3的出口连接发电循环回热器5的进口ii，发电循环回热器5的出口ii连接热能回收器1的工质进口；

分流阀i26的出口ii连接过冷器7的进口i，过冷器7的出口i连接制冷循环回热器8的进口i，制冷循环回热器8的出口i经膨胀阀i9连接气液分离器10的进口i，气液分离器10的进口ii连接混合器ii33的出口，气液分离器10的气体出口连接制冷循环回热器8的进口ii，气液分离器10的液体出口连接分流阀ii32的进口，分流阀ii32的出口i连接高温蒸发器12的进口i，分流阀ii32的出口ii经膨胀阀ii11连接蒸发冷凝器13的进口i，蒸发冷凝器13的出口i连接低压压缩机14的进口，低压压缩机14的出口连接混合器ii33的进口i，混合器ii33的进口ii连接高温蒸发器12的出口i；制冷循环回热器8的出口ii连接中压压缩机15的进口。

基于上述耦合连接关系，本发明实施例的船舶余热驱动co2超临界发电耦合跨临界制冷循环系统，形成了co2超临界发电循环回路，及co2跨临界制冷循环回路。

一、二氧化碳超临界发电循环过程包括：

co2经过烟气热能回收器1被加热回收船舶主机余热，高温高压的超临界co2进入膨胀机2中膨胀做功发电，膨胀机2排出的co2气体进入发电循环回热器5冷却后与从制冷系统中经中压压缩机15排出的气体在混合器i27混合后进入真空闪蒸罐21内的海水淡化换热器28，再流经气体冷却6和分流阀i26分流后被高压压缩机3吸入压缩到高压状态，经发电循环回热器5加热后回到烟气热能回收器1，吸收烟气热量回收余热，完成一个co2超临界发电循环。

二、二氧化碳跨临界制冷循环回路过程包括：

经中压压缩机15压缩的co2气体经混合器i27与来自超临界发电的co2流体进行混合后进入真空闪蒸罐21内的海水淡化换热器28，再流经气体冷却器6冷却后经分流阀i26进入跨临界制冷系统的流程，然后流经过冷器7，进入制冷循环回热器8进一步过冷，同时与从气液分离器10排出的气体进行回热交换，使此股气体过热。

同时，经制冷循环回热器8过冷后的气体经膨胀阀i9节流降温降压，压力从中压(8.8mpa)降至低压(3.97mpa)，进入气液分离器10；气相co2与高温蒸发器12中排出的气体混合后进入制冷循环回热器8，液相co2从气液分离器10的下端流经分流阀ii32后分成两股流体。

其中一股co2流体进入高温蒸发器12蒸发制冷，产生冷量后续可传递给空调水载冷剂；另一股co2液体经膨胀阀ii11再次节流降温降压，压力从低压(3.97mpa)降至更低压(2.29mpa)，进入蒸发冷凝器13蒸发制冷，产生的冷量后续可传递给co2载冷剂。

同时，经蒸发冷凝器13吸热气化后的co2低温低压气体经低压压缩机14升温升压后与高温蒸发器12排出气体经混合器ii33混合后，进入气液分离器10，与气液分离器10中气相co2混合后进入制冷循环回热器8吸收热量。经制冷循环回热器8吸热后的气体被中压压缩机15吸入压缩至中压压力后排出，完成一个co2跨临界制冷循环。

此外，本发明实施例还可包括用于利用海水脱盐生产淡水的海水淡化系统；该海水淡化系统包括：海水过滤器25，海水泵i24，气体冷却器6，海水淡化换热器28、海水喷雾器29，蒸汽凝结器30、真空闪蒸罐21，真空泵22，淡水泵23，淡水舱35、海水泵ii31、排盐泵36。

蒸汽凝结器30设置于真空闪蒸罐21内的上层空间，海水淡化换热器28设置于真空闪蒸罐21内的下层空间。

海水过滤器25的进口供海水流入，海水过滤器25的出口经海水泵i24连接气体冷却器6的进口ii，气体冷却器6的出口ii经真空闪蒸罐21的进口i连接海水喷雾器29，真空闪蒸罐21的出口i连接淡水泵23的进口，淡水泵23的出口i连接淡水舱35的进口。蒸汽凝结器30的进口连接海水泵ii31的出口i，海水泵ii31的进口供海水流入，蒸汽凝结器30的出口连接外界。海水泵ii31的出口ii连接过冷器7的进口ii，过冷器7的出口ii连接外界。真空闪蒸罐21的罐底的出口ii连接排盐泵36。

该海水淡化系统，通过气体冷却器6和海水淡化换热器28，与超临界二氧化碳发电系统和二氧化碳跨临界制冷系统联系起来。

具体的，海水淡化处理过程为：

海水经海水过滤器25过滤后经海水泵i24泵入气体冷却器6中进行热交换，海水预热升温达到60℃。然后进入真空闪蒸罐21经锯齿形边缘斜槽和海水喷雾器29被均匀分散喷出，喷流经过海水淡化换热器28的继续加热后蒸发，海水在真空环境下被加热持续产生水蒸气，水蒸气通过对流作用升腾进入真空闪蒸罐21的上层空间，通过蒸汽凝结器30冷凝放热，凝结成淡水，淡水在重力作用下自然滴落进临时储水槽经淡水泵23泵出。电磁阀依据临时储水槽水量自动开启，由淡水泵23升压后泵出的淡水，经监测合格进入淡水舱35；若不合格则被重新送回到真空闪蒸罐21进行闪蒸。蒸发后的部分浓盐水经排盐泵36排出弦外。

另外，提供给蒸汽凝结器30内冷却用的海水可以采用废水直排的形式，即舱外的海水通过海水泵ii31泵入蒸汽凝结器，经热交换吸热后直接排出舱外，实现直排冷却。

过冷器7中冷却介质海水，也可以采用废水直排形式，即舱外的海水经海水泵ii31泵入过冷器7中，经热交换吸热后直接排出舱外，实现直排冷却。

上述co2超临界发电耦合跨临界制冷循环系统中，还可组合设计一载冷系统，该载冷系统包括空调冷冻水载冷系统和二氧化碳载冷系统。

空调冷冻水载冷系统，包括冷冻水泵17、空调系统末端表冷器16以及高温蒸发器12。

冷冻水泵17的进口连接高温蒸发器12的进口ii，冷冻水泵17的出口连接空调系统末端表冷器16的进口，空调系统末端表冷器16的出口连接高温蒸发器12的进口ii，高温蒸发器12的出口ii。

该空调冷冻水载冷系统的水载冷循环过程为：在高温蒸发器12中co2制冷剂液体气化吸收载冷剂水的热量，水载冷剂放出热量产生冷冻水；冷冻水由冷冻水泵(17)输送到空调系统的末端表冷器(16)，释冷后的冷冻水回水重新进入高温蒸发器12中放热。完成一个水载冷循环。

二氧化碳载冷系统，包括：载冷循环co2贮液器18、co2屏蔽泵19、冷藏用co2冷风机20、冷冻用co2冷风机34、蒸发冷凝器13。

蒸发冷凝器13的出口ii连接载冷循环co2贮液器18的进口，载冷循环co2贮液器18的出口连接co2屏蔽泵19的进口，co2屏蔽泵19的出口i连接冷藏用co2冷风机20的进口，co2屏蔽泵19的出口ii连接冷冻用co2冷风机34的进口，冷藏用co2冷风机20的出口和冷冻用co2冷风机34的出口连接蒸发冷凝器13的进口ii。

该二氧化碳载冷系统的co2载冷循环过程为：在蒸发冷凝器13中，co2制冷剂液体气化吸收大量热量，将co2载冷剂系统中的co2载冷剂由气态冷凝为液态，随后co2载冷剂系统中的co2液体进入载冷循环co2贮液器18，并由co2屏蔽泵19输送到冷冻用co2冷风机34和冷藏用co2冷风机20，co2载冷液体分别在冷冻用co2冷风机34和冷藏用co2冷风机20中吸收被冷却物体的热量气发成气体，产生的co2气体重新进入蒸发冷凝器13中冷凝，完成一个co2载冷循环。

综上，本发明实施例的co2超临界发电耦合跨临界制冷循环系统，通过组装设计把超临界二氧化碳发电系统，二氧化碳跨临界制冷系统，空调冷冻水载冷系统、二氧化碳载冷系统，低温余热驱动的海水淡化系统有机地结合成一个整体，一站式解决了船舶余热发电，供冷，载冷及远洋淡水需求的问题。本发明尤其适用于船舶场景，利用船舶主机工作过程中产生的大量余热来驱动整个循环系统工作，同时有效利用co2的热力性能可以在余热回收工况和制冷工况上的耦合效应，低能耗解决解决船舶上空调冷源、食品冷冻冷藏、电力和淡水需求的问题。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。