一种用气动压缩机的制冷发电装置的制作方法

本专利申请涉及热能动力、制冷、发电等技术领域，是一种利用低品位热能制冷、发电的技术。

二

背景技术：

气体压缩式制冷是应用最为广泛的制冷方式，制冷性能系数(cop值，指系统内部接收的能量与制冷量的比值)一般在4以下，气体压缩式制冷的高等级能量(如电能等)的单位制冷量能耗较大。

其它可以利用低品位热能制冷的技术，包括蒸汽喷射式制冷、吸收式制冷、吸附式制冷等，以及前面几种制冷技术的组合，制冷性能系数一般在2以下，因能利用低品位热能，高等级能量的单位制冷量能耗有所降低；热声制冷技术尚在实验阶段，还没有大规模的工业、商业应用。

lng等低温液体冷能回收方式制冷，单位制冷量能耗低，输出冷量的温度也低，但液化时的单位液体能耗较高。

除二氧化碳等少数制冷剂外，大多数制冷剂存在环保风险大、经济性差、安全性低等问题。

可以利用低品位热能制冷、发电的装置，工质的冷凝通常采用自然冷却、风冷、水冷等方式，依赖于环境温度，可利用的低品位热能一般大于80℃。

三

技术实现要素：

本专利申请的目的：可以利用低品位热能制冷，单位制冷量能耗较低，装置输出冷量的温度较低，冷量可用于制冷或低品位热能发电，循环工质安全、环保、经济。

本专利申请发电循环制冷剂工质采用低沸点温度的单组分、多元合成的自然或准自然工质，制冷循环工质采用空气中存在的单组分或多元自然工质。制冷循环由3个循环子系统组成：气动压缩循环子系统、冷量增益循环子系统和低压补冷循环子系统；气动压缩循环子系统采用气动压缩机代替传统气体压缩机，通过低温液体与同等压力的过热气体混合后的湿饱和蒸汽做功压缩低压气体工质，湿饱和蒸汽经气液分离，液体和气体分别增压后循环使用；冷量增益循环子系统的能量来自气动压缩循环子系统产生的压力位能和热交换带来的低品位热能，通过增压增温工质膨胀产生冷量；低压补冷循环子系统通过低压气体压缩膨胀产生冷量补充气动压缩循环子系统，气体压缩的能量来自子系统自己气体膨胀后回收的能量和冷量增益循环子系统气体膨胀产生的能量；冷量增益循环子系统输出的冷量温度低，可独立运行用于制冷，也可用于低品位热能发电循环中工质冷凝；发电循环中汽轮机末级排气冷凝、中抽排气冷凝、循环冷却水降温，冷量多次阶梯性重复利用。

本专利申请制冷性能系数高于通常的气体压缩制冷；采用自然或准自然工质，安全、环保、经济；可利用的40℃以下的低品位热能制冷，可利用的80℃以下的低品位热能发电。

四附图说明

附图1为本专利申请的工艺流程示意图，图中标记的部分的装置和部件分别为：绝热低温液体储槽(01)、低温液体输送泵(02)、制冷循环气液分离器(03)、过冷器(04)、制冷循环低温泵(05)、电动机(06)、低温风机(07)、中压缓冲罐(08)、上缸单向阀(09)、下缸单向阀(10)、气动压缩机(11)、切换装置(12)、上缸出口阀(13)、下缸出口阀(14)、切换装置排气阀(16)、气液混合器供液阀(17)、气液混合器(18)、低压膨胀机(19)、一级压缩机(20)、一级冷却器(21)、中压膨胀机(22)、二级压缩机(23)、二级冷却器(24)、中间冷却器(25)、低压缓冲罐(26)、循环冷却水分流阀(27)、制冷循环气液分离器节流阀(28)、回流阀(29)、增热器(31)、机前缓冲罐(32)、制冷换热器(33)、低压气液分离器(34)、一级循环泵(35)、低压气液分离器排气阀(36)、喷射器(37)、中压气液分离器排气阀(38)、中压气液分离器(39)、二级循环泵(40)、低压缓冲罐补气阀(41)、调湿换热器旁通阀(42)、低压缓冲罐排气阀(43)、调湿换热器(44)、调湿换热器进气阀(45)、余冷换热器(50)、加热器(51)、汽轮机(56)、发电机(57)、发电并网装置(58)、主冷箱(60)、中压膨胀机冷箱(61)、低压膨胀机冷箱(62)、气动压缩机冷箱(63)、发电循环冷箱(66)。

附图2为工艺流程中制冷循环的温熵示意图，图中标记的部分的节点分别为：切换装置排气阀阀后(101)、制冷循环气液分离器液面(102)、制冷循环气液分离器底部(103)制冷循环低温泵出口(104)、饱和液体点(105)、制冷循环气液分离器排气口(106)、低温风机出口(107)、气液混合器气体入口(108)、假设的气动腔内湿饱和蒸汽(109)、实际的气动腔内湿饱和蒸汽(110)、中压膨胀机入口(111)、中压膨胀机出口(112)、低压缓冲罐进排气口(113)、压缩前气动压缩机上下缸进气(114)、增压气体出调湿换热器(115)、回流阀阀后(118)、制冷循环气液分离器进气口(119)、二级冷却器出口(121)、低压膨胀机进口(122)、低压膨胀机出口(123)、过冷器出口(124)、一级压缩机进口(125)。

附图3为气动压缩机结构示意图，图中标记的部分的装置和部件分别为：上缸进气管(201)、下缸进气管(202)、上缸排气管(203)、下缸排气管(204)、上缸(205)、下缸(206)、上缸气动腔(207)、下缸气动腔(208)、上缸气动腔进排气管(209)、下缸气动腔进排气管(210)、切换装置进气管(211)、切换装置排气管(212)、上缸活塞(213)、下缸活塞(214)、缓冲垫(215)、活塞导轮和气封组件(216)、中心活塞杆气封(217)、中隔板(218)、气动压缩机壳体(220)、空心活塞杆(221)、切换装置(12)。

五具体实施方式

结合发明内容中的技术方案和附图，以发电循环工质是丙烷(r290)、制冷循环工质是液空(空气)为例，对具体实施方式进行说明。

附图1、附图2中，外来的液空送入绝热低温液体储槽01中，当装置需要启动时，通过低温液体输送泵02送至制冷循环气液分离器03，消耗部分冷量用于装置预冷和过冷的需要；装置正常运行期间，绝热低温液体储槽01中的液体仅用于补充装置泄漏、运行中断补冷等情况；外来制冷剂-丙烷液体送入发电循环的低压气液分离器34中存放，装置正常运行期间，循环使用，仅在装置有泄漏时补充。

附图1、附图2中，制冷循环由气动压缩子系统、冷量增益循环子系统和低压补冷循环子系统组成，附图2中三个循环子系统分别位于饱和液体曲线和饱和气体曲线所包裹的饱和蒸汽区的中间(跨越过冷液体区、湿饱和蒸汽区、过热气体区)、右上方和右下方；气动压缩子系统主要由制冷循环气液分离器03、过冷器04、制冷循环低温泵05、低温风机07、中压缓冲罐08、气动压缩机11、切换装置12、气液混合器18、低压缓冲罐26、调湿换热器44及有关的阀门组成，以气动压缩机为核心，通过低温液体与同等压力的过热气体混合来压缩冷量增益循环子系统产生的低压气体工质，低温液体与作为热源的过热气体混合后成为湿饱和蒸汽，体积不断增加，定温定压膨胀的同时向压缩腔做功并吸收被压缩气体散失的热能，湿饱和蒸汽的部分焓值转化为功，湿度没有到附图2的109点，而是到了110点，湿饱和蒸汽经气液分离，液体经过冷后被制冷循环低温泵05增压循环使用，气体经低温风机07增压后循环使用。冷量增益循环子系统主要由中压膨胀机22、低压缓冲罐26、气动压缩机本体11、增热器31、机前缓冲罐32、制冷换热器33及有关的阀门组成，来自气动压缩子系统产生的压力位能和热交换带来的低品位热能，通过膨胀后换热产生冷量。低压补冷循环子系统主要由低压膨胀机19、一级压缩机20、一级冷却器21、中压膨胀机22、二级压缩机23、二级冷却器24、中间冷却器25、过冷器04及有关的阀门组成，低压气体压缩、膨胀后产生冷量补充气动压缩循环子系统，低压膨胀气体压缩的能量来自中压膨胀机22和低压膨胀机19回收的能量。

附图1、附图2中，循环建立前制冷循环气液分离器03的底部的液空因压力高于绝热低温液体储槽01，以及液位的高度，过冷度增加，可减少制冷循环低温泵05循环增压时的气蚀；预冷完成、循环建立后，制冷循环气液分离器03上部为饱和气体，中下部为液体，液体被过冷器04冷却，从附图2的102到103点，保持适当的过冷度。

附图1中、附图2中，制冷循环低温泵04出口压力增加，因泵的效率原因，电机输出的能量部分转化为热能，液空温度上升，电机做功转化为液空的焓增，附图2中从103点到104点。

附图1、附图2中，制冷循环低温泵04送出的中压低温液空经气液混合器供液阀17，在气液混合器18中与来自调湿换热器旁通阀42、调湿换热器44的同等压力的过热气体混合，定压增温从过冷液体变为饱和液体即附图2的105点，然后定压定温增焓变为湿饱和蒸汽，干度增加、体积增大，作为气动压缩机11的动力源，到附图2的110点；制冷循环低温泵04送出的另一路经回流阀29与切换装置12的排气混合回到制冷循环气液分离器03，主要用于制冷循环低温泵04在负荷变化时的缓冲及调整进入制冷循环气液分离器03的湿饱和蒸汽的湿度。

附图1、附图2中，制冷循环气液分离器03上部的饱和气体吸入低温风机07，因进气温度低、压缩比小，电动机06的能耗较低；增压后的过热气体送入中压缓冲罐08，到附图2的107点：从中压缓冲罐08出来的气体一路经低压缓冲罐补气阀41送入低压缓冲罐26，作为冷量增益循环子系统的气源；另外两路分别经调湿换热器旁通阀42、调湿换热器进气阀45及调湿换热器44后汇合，适度吸收被压缩气体的热能，用于增加中压过热气体的过热度，从而用于调整进入气动压缩机11中的湿饱和蒸汽的湿度或焓值；混合后温度增加的过热气体进入气液混合器18，作为热源与过冷液体初步混合后通过切换装置12进入气动压缩机11的气动腔中完全混合。

附图1、附图3中，气动压缩机11和切换装置12的初始状态：附图3中的下缸活塞214落底，上缸205和上缸气动腔207排空，切换装置12两侧的上缸气动腔进排气管209与切换装置进气管211连通、下缸气动腔进排气管210与切换装置排气管212连通。

附图1、附图2、附图3中，打开低压缓冲罐排气阀43，低压缓冲罐08中的气体经上缸单向阀09进入气动压缩机11的上缸205；充满后，调湿换热器旁通阀42、调湿换热器进气阀、气液混合器供液阀17打开，混合后的中压湿饱和蒸汽经切换装置进气管211、切换装置12和上缸气动腔进排气管209进入上缸气动腔207，在上缸气动腔207中体积增大、做功，推动上缸活塞213向上运动，压缩上缸205中的中压气体，上缸活塞213向上运动的同时下缸活塞214同步向上运动，活塞运动过程中湿饱和蒸汽吸收被压缩气体散失在缸体和活塞上的热量，部分用于做功；上缸单向阀09关闭，下缸单向阀10打开，下缸206进气；上缸205压缩后的气体压力升高到附图2的115点对应的压力后，上缸出口阀13打开并稳定压力，经调湿换热器44后，温度降低，到附图2的115点；调湿换热器反向流动的过热气体温度上升，与经调湿换热器旁通阀42的气体混合后到附图2的108点，气液混合器18中的能量增加，中压湿饱和蒸汽的干度增加，在做功不变的情况下，气液混合器18中所需的液体量减少，到附图2的110点。

附图1、附图2、附图3中，上缸205运动到上止点、下缸206充满后，切换装置12动作，上缸气动腔进排气管209与切换装置排气管212连通、下缸气动腔进排气管210与切换装置进气管211连通，切换时同时开大回流阀29避免液体压力剧烈波动：切换装置排气阀16打开，上缸气动腔207排气、下缸气动腔208进气，活塞整体向下运动，下缸单向阀10关闭，活塞运动过程中湿饱和蒸汽吸收被压缩气体散失在缸体和活塞上的热量，部分用于做功；上缸气动腔207排气通过切换装置排气阀16调节，阀后压力保持稳定，即附图2从109点到101点；再与回流阀29来的工质混合，从附图2的118点、101点到119点；送入制冷循环气液分离器03中，气液分离；上缸205的余气膨胀降压后，上缸进口单向阀09打开，上缸205进气，低压气体吸收缸体的冷量温度降低，从附图的113点到114点；下缸206压缩后的气体压力升高到附图2的115点对应的压力后，下缸出口阀14打开并稳定压力，经调湿换热器44后，温度降低，到附图2的115点。

附图1、附图2、附图3中，下缸206运动到下止点后，切换装置12动作，除增加下缸206余气膨胀降压和下缸气动腔208排气，其它动作重复【0021】节的内容；气动压缩机11往复运动实现增压。

附图3中，为提高气动压缩机11效率，采用活塞导轮和气封组件216、中心活塞杆气封217，用于减少摩擦和泄漏损失；调整活塞导轮和气封组件216中的导轮位置可用于上下活塞定位及方便气封间隙调整。

附图1、附图2、附图3中，气动压缩机11的能量来自低温液体输送泵02(压力位能)、低温风机07(含压力位能和热能)以及通过热交换获得的被压缩气体的热能(包括增压过程中通过缸体和活塞吸收的热能、增压后通过调湿换热器44吸收的热能)，被压缩气体的热能来自系统外换热。

附图1、附图2、附图3中，气动压缩机11上下缸排出的气体经上缸出口阀13、下缸出口阀14调整后压力保持稳定，经调湿换热器44后和机前缓冲罐32进入增热器31，从附图2的115点到111点；增温、增焓的中压过热气体进入中压膨胀机22膨胀做功，带动二级压缩机23工作，从附图2的111点到112点；膨胀后降压、降温、降焓的低压气体经制冷换热器33冷量输出，从附图2的112点到113点；增温、增焓的低压气体进入低压缓冲罐26，经低压缓冲罐排气阀43、上缸单向阀09或下缸单向阀10进入气动压缩机11上下缸中，吸收气动腔中压湿饱和蒸汽余留在缸体上的冷量降温，从附图2的113点到114点；低压气体增压后循环使用。

附图1、附图2中，制冷循环中的低压补冷循环子系统的初始气源和补充气源来自制冷循环气液分离器03，通过制冷循环气液分离器节流阀28并入低压膨胀机19的排气中；正常运行时，除因泄漏等原因补充工质外，其它时候制冷循环气液分离器节流阀28处于关闭状态。

附图1、附图2中，空气压缩膨胀循环中的低压膨胀机19进口的低压空气膨胀做功，带动一级压缩机20工作，从附图2的122点合到123点；膨胀后的低压膨胀空气压力接近大气压力，温度低于制冷循环气液分离器03中液空的温度；低压膨胀空气经过冷器4，冷却液空，制冷循环气液分离器03中的液空从底部到液面形成温度梯度，对应于附图2的103点和102点的温度，间接影响气液分离过程，增大液体量；低压膨胀空气温度上升，从附图2的123点合到124点；低压膨胀空气出过冷器4后送入中间冷却器27中作为反流工质冷却从二级冷却器24出来的正流工质，低压膨胀空气复热，正流工质从附图2的121点合到122点，反流工质从124点到125点，124点温度接近102点温度。

附图1、附图2中，复热后的低压膨胀空气送入一级压缩机20增压，增压后的气体经一级冷却器21被循环冷却水降温进入二级压缩机23再增压，再增压的气体经二级冷却器24被循环冷却水降温，两级增压、冷却后从附图2的125点到121点；出二级冷却器24后送入中间冷却器25降温，进入低压膨胀机19中膨胀做功，回收能量用于一级压缩机20压缩气体，气体膨胀产生的冷量用于制冷循环中的启动压缩循环子系统，通过过冷器4补充冷量。

附图1中，发电循环的低压气液分离器34底部的丙烷液体利用液位的高度和适度过冷满足一级循环泵35入口液体过冷度的需求，经一级循环泵35送入中压气液分离器中，利用其过冷量冷凝来自汽轮机56的中抽排气，中压气液分离器39也是一个混合式换热器或再热器；中压气液分离器39上部的气体通过中压气液分离器排气阀38进入喷射器37中作为工作流体，低压气液分离器34上部的气体或气液混合物经低压气液分离器排气阀36进入喷射器37中作为引流工质；当低压气液分离器34整体过冷上部无气体时，低压气液分离器排气阀36关闭，喷射器37仅为一输送通道，中压气液分离器排气阀38用于节流：当中压气液分离器39整体过冷上部也无气体时，中压气液分离器排气阀38关闭，喷射器37不工作；喷射器37的排气并入汽轮机56的末级排气中。

附图1中，中压气液分离器39底部的丙烷液体利用液位的高度和适度过冷满足二级循环泵40入口液体过冷度的需求，二级循环泵40增压后的中高压丙烷液体温度低于循环冷却水进水，通过余冷换热器50换热，循环冷却水降温，中高压丙烷液体升温进入加热器51中吸收外部热源的热量后，继续升温、蒸发、过热，焓增的中高压丙烷气体送汽轮机56膨胀做功，带动发电机发电机57工作，电能经发电并网装置58送出；末级排气与喷射器37的排气混合，进入制冷换热器33完成降温、冷凝、过冷，送入低压气液分离器32中；中抽排气在增热器31中降温、冷凝后进入中压气液分离器39进一步冷凝和气液分离。

附图1中，循环冷却水进水温度降低后分两路，一路送二级冷却器24，另一路经循环冷却水分流阀27送一级冷却器21，出冷却器后的回水汇合，返回外部的循环冷却系统。

附图1、附图2中，低压补冷循环子系统中的空气压缩利用级间冷却、降低循环冷却水温度等方式降低压缩机进排气温度，从而降低空气的压缩系数，降低压缩能耗；压缩机的能量来自膨胀机，膨胀机的能量主要来自一般不被计算的低品位热能(低于40℃的低品位热能)。

附图1、附图2中，制冷循环中的低压补冷循环子系统的制冷量的品质(温度低)高于冷量增益循环子系统，制冷量的总量小于冷量增益循环子系统，低压补冷循环子系统的制冷量通过气动压缩循环子系统传递到冷量增益循环低压补冷循环子系统并放大，制冷循环输出制冷量的总量增加。

附图1、附图2中，制冷循环中的冷量增益循环的气体压缩利用了基本被忽视的低品位热能，高等级能量消耗少；气动压缩机11中间环节少，能量转化效率较高；气动压缩机11气动腔中的湿饱和蒸汽可吸收被压缩气体产生的热量，不仅控制气动压缩机11的温度上升，而且能减缓被压缩气体的温升，气体被压缩过程中放热、熵减，压缩能耗降低；被压缩气体的进入上下缸的温度较低，压缩系数小，压缩能耗较低；气动腔中的湿饱和蒸汽有利于自润滑和减少泄漏，可提高压缩效率；被压缩气体的温度低、温升受到抑制，能有较大的压缩比。

附图1、附图3中，气动压缩机11采用立式结构，制造简单、维修方便，可大型化；气动压缩机11活塞运行速度低于液压压缩机和普通的气体活塞式压缩机，运行相对平稳，对系统的冲击性较小；气动压缩机11活塞两侧为同种介质，没有泄漏造成工质损失的问题。

附图1、附图2中，主要通过调整切换装置排气阀16开度，调整切换装置12的排气量，控制活塞的运动速度，在一定范围内动态调整气动压缩机11的压缩能力。

附图1、附图2中，在一定范围可以调整制冷循环的制冷量或整个装置的发电能力，主要通过调整低温液体输送泵02、低温风机07的能力——即流量和出口压力来实现，调整进入气动压缩机11气动腔湿饱和蒸汽的湿度可以作为辅助手段。

附图1中，主冷箱60、高压膨胀机冷箱61、低压膨胀机冷箱62、气动压缩机冷箱63和发电循环冷箱66相对独立，方便维修；采用箱式绝热结构，充填珠光砂等绝热材料；冷箱充惰性气体保持正压防止湿气渗入影响保温效果；绝热低温液体储槽01，采用充填珠光砂绝热材料、真空绝热、充惰性气体等方式绝热保温；冷箱外的低温液体管道采用真空绝热保温管；低温液体输送泵02采用长轴连接泵体与电机、泵体设保温箱；发电循环低于环境温度的装置或部位，还可采用包裹绝热材料的方式代替冷箱保温。

附图1、附图2、附图3中，因活塞自重，气动压缩机上下缸切换工作时上下运动所需的动力有所不同，切换装置12的进排气量或压力随之适当调整。

附图1、附图2中，汽轮机56的入口温度高于循环冷却水温度，外部热源温度越高相应的二级循环泵40出口压力也增加，通过液体丙烷蒸发能获得更多的热能，增加发电能力；汽轮机56的中抽排气温度和末级排气温度有明显的阶梯差，中抽排气温度低于环境温度、高于0℃，末级排气温度高于丙烷沸点-42.1℃、低于0℃；中抽排气量和压力适当，应能通过增热器31、中压气液分离器39完成冷凝、液化。