一种正逆耦合循环冷电联产系统

1.本发明涉及中低品位热源冷电联产技术领域，尤其涉及一种正逆耦合循环冷电联产系统。


背景技术：

2.提高能源综合利用率、开发先进能源转化系统已成为构建清洁低碳能源体系、2018年一次能源消耗量高达46.4亿吨标准煤，其中余热资源总量达7.89-31.09亿吨标准煤，约占其能源消耗总量的17％-67％，余热回收利用潜力巨大。因此，大力发展高效余热回收利用技术具有重要的现实意义。
3.有机朗肯循环作为利用可再生能源的主要方法之一，能够利用各种低温热源，如太阳能、地热水、工业废热和生物质能作为低品位热源驱动。同时，对于热驱动的制冷而言，有机朗肯循环驱动的蒸汽压缩制冷循环也是最为常用的余热驱动制冷方法之一。该循环的膨胀机直接将动能传动给压缩机，减少了电能转换为动能的损耗。但该循环在低温制冷时，节流阀会产生大量损失。


技术实现要素：

4.为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种正逆耦合循环冷电联产系统。
5.本发明所采用的技术方案是：
6.一种正逆耦合循环冷电联产系统，包括：
7.有机朗肯循环子系统，包括高压蒸发器、膨胀机、冷凝器、工质泵、喷射器、第一离合器、发电机；所述高压蒸发器的出口与所述膨胀机的入口相连接，所述膨胀机与所述发电机通过所述第一离合器相连接，所述膨胀机的出口与所述冷凝器的入口相连接，所述冷凝器的出口存在分流，分别与所述工质泵的入口和所述喷射器的一次流入口相连接，所述工质泵的出口与所述高压蒸发器的入口相连接，完成动力子循环；
8.喷射式膨胀制冷子系统，包括气液分离器、压缩机、节流阀、第二离合器、低压蒸发器；所述喷射器的出口与所述气液分离器的入口相连接，所述气液分离器存有两个出口，分别与所述压缩机的入口和所述节流阀的入口相连接，所述压缩机与所述膨胀机通过所述第二离合器连接，所述压缩机的出口与所述冷凝器的入口相连接，所述节流阀与所述低压蒸发器的入口相连接，所述低压蒸发器的出口与所述喷射器的二次流入口相连接，完成喷射式膨胀制冷子循环。
9.进一步地，所述有机朗肯循环子系统中的所述高压蒸发器吸收低品位热量，所述高压蒸发器中的有机工质蒸发进入到所述膨胀机，所述膨胀机输出的有机工质与所述压缩机输出的有机工质混合流经所述冷凝器，凝结为液态工质，所述液态工质一部分通过所述工质泵升压，然后回到所述高压蒸发器，完成动力子循环。
10.进一步地，所述喷射式膨胀制冷子系统中的有机工质通过所述冷凝器降温后，经
过所述喷射器降压成为一次流体带动二次流体喷出，从所述喷射器输出的有机工质进入所述气液分离器；所述气液分离器将有机工质分成两部分，一部分气态有机工质经过所述压缩机进行加压，与所述膨胀机输出的有机工质混合后回到所述冷凝器；另一部分液态有机工质经过所述节流阀降温降压；从所述节流阀输出的有机工质进入所述低压蒸发器中蒸发，蒸发成气体的有机工质进入所述喷射器，降压成为二次流体与一次流体混合后喷出，完成喷射器膨胀制冷循环。
11.进一步地，所述有机朗肯循环子系统中所述膨胀机与所述喷射式膨胀制冷子系统当中的所述压缩机通过第二离合器同轴连接。
12.进一步地，所述有机朗肯循环子系统在发电模式时，将所述膨胀机与所述发电机之间的所述第一离合器闭合，将所述膨胀机与所述压缩机之间的所述第二离合器断开；此时所述膨胀机产生的动能全部用于发电。
13.进一步地，所述有机朗肯循环子系统在冷电模式时，将所述膨胀机与所述发电机之间的所述第一离合器闭合，将所述膨胀机与所述压缩机之间的所述第二离合器闭合；此时膨胀机产生的动能一部分用于发电，一部分驱动压缩机进行制冷。
14.进一步地，所述有机朗肯循环子系统在制冷模式时，将所述膨胀机与所述发电机之间的所述第一离合器断开，将所述膨胀机与所述压缩机之间的所述第二离合器闭合；此时膨胀机产生的动能全部用于驱动压缩机进行制冷。
15.进一步地，所述正逆耦合循环冷电联产系统采用中低温热源驱动，该中低温热源为工业余热、太阳能或地热。
16.本发明的有益效果是：本发明的系统在有机朗肯循环和蒸汽压缩式制冷循环的基础上，添加了喷射器和气液分离器，通过充分利用冷凝器出口有机工质流经的高压特性，减少了节流损失和压缩比，大幅提高了系统制冷量和效率。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
18.图1是本发明实施例中一种正逆耦合循环冷电联产系统的示意图。
具体实施方式
19.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
20.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和
操作，因此不能理解为对本发明的限制。
21.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
22.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
23.如图1所示，本实施例提供一种带有喷射器的正逆耦合循环冷电联产系统，该系统通过将朗肯循环和喷射器膨胀制冷循环有机结合，来提高中低温热源的冷电联产效果，使系统的整体效率和制冷量得以提高。该系统具体包括：高压蒸发器1、膨胀机2、第二离合器3、冷凝器4、工质泵5、喷射器6、气液分离器7、压缩机8、节流阀9、低压蒸发器10、第一离合器11、发电机12，其中：
24.高压蒸发器1的出口与膨胀机2的入口相连接，膨胀机2与发电机12通过第一离合器 11相连接，膨胀机2的出口与冷凝器4相连接，冷凝器4的出口存在分流，分别与工质泵5 的入口和喷射器6的一次流入口相连接，工质泵5的出口与高压蒸发器1相连接，完成动力子循环；
25.喷射器6的出口与气液分离器7相连接，气液分离器7存在两个出口，分别与压缩机8 和节流阀9的入口相连接，压缩机8与膨胀机2通过第二离合器3连接，压缩机8的出口与冷凝器4的入口相连接，节流阀9与低压蒸发器10的入口相连接，低压蒸发器10与喷射器 6的二次流入口相连接，完成喷射器膨胀制冷子循环。
26.进一步作为可选的实施方式，有机朗肯循环子系统当中的高压蒸发器1吸收低品位热量，高压蒸发器1中的有机工质蒸发进入到膨胀机2，膨胀机2出来的有机工质与压缩机8出来的有机工质混合流经冷凝器4凝结为液态有机工质，所述液态有机工质一部分通过工质泵5 升压，然后回到高压蒸发器1，完成动力子循环。
27.进一步作为可选的实施方式，所述喷射式膨胀制冷循环子系统当中的有机工质通过冷凝器4降温后，经过喷射器6降压成为一次流体带动二次流体喷出，从喷射器6出来的有机工质进入气液分离器7，气液分离器7将有机工质分成两部分，一部分气态有机工质经过压缩机8进行加压，与膨胀机2出来的有机工质混合后回到冷凝器4；另一部分液态有机工质经过节流阀9降温降压。从节流阀9出来的有机工质进入低压蒸发器10蒸发，蒸发成气体的有机工质进入喷射器6降压成为二次流体与一次流体混合后喷出，完成喷射式膨胀制冷循环。
28.进一步作为可选的实施方式，所述有机朗肯循环子系统当中的膨胀机2与所述喷射式膨胀制冷子系统当中的压缩机8通过第二离合器3同轴连接。
29.进一步作为可选的实施方式，所述有机朗肯循环子系统在发电模式时，可将膨胀机2与发电机12之间的第一离合器11闭合，将膨胀机2与压缩机8之间的第二离合器3断开。此时膨胀机产生的动能全部用于发电。
30.在冷电模式时，可将膨胀机2与发电机12之间的第一离合器11闭合，将膨胀机2与压缩机8之间的第二离合器3闭合。此时膨胀机产生的动能一部分用于发电，一部分驱动压
缩机进行制冷。
31.在制冷模式时，可将膨胀机2与发电机12之间的第一离合器11断开，将膨胀机2与压缩机8之间的第二离合器3闭合。此时膨胀机产生的动能全部用于驱动压缩机进行制冷。
32.进一步作为可选的实施方式，该正逆耦合循环冷电联产系统采用中低温热源驱动，该中低温热源是工业余热、太阳能或地热。
33.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例做进一步详细说明。
34.如图1所示，图1是本发明提供的一种带有喷射器的正逆耦合循环冷电联产系统实施例的示意图。其中s1至s13表示工质，s14和s15表示热源介质，s16和s17表示冷却水，s18 和s19表示空气。该系统包括动力子循环和喷射式膨胀制冷子循环，其中该系统采用中低温热源驱动动力子循环作功，动力子循环所作的功驱动喷射式膨胀制冷子循环制冷。
35.参照图1，动力子循环包括依次连接成环路的高压蒸发器1、膨胀机2、冷凝器4、工质泵5，其中，来自高压蒸发器1的有机工质s1经过膨胀机2膨胀后形成s2，与压缩机8流出的有机工质s10混合形成s3进入冷凝器4，冷凝后的有机工质s4一部分分流成s5流经工质泵5加压，加压后的有机工质s6回到高压蒸发器，完成动力子循环。
36.其中，高压蒸发器1是流体换热设备，用于吸收热源s14的热量；膨胀机2是气体膨胀做功设备，利用高温高压蒸汽膨胀做功；冷凝器4是冷凝设备，用于将循环的蒸汽进行冷凝，冷凝放热通过冷却水s16排向环境；工质泵5是液体加压设备，用于提高液体压力。
37.参照图1，喷射式膨胀制冷子循环包括冷凝器4、喷射器6、气液分离器7、压缩机8、节流阀9、低压蒸发器10，其中，有机工质s8经过气液分离器分离成气态工质s9和液态工质s11，有机工质s9经过压缩机8加压后形成s10，与膨胀机2出口工质s2混合为形成s3 进入冷凝器4，冷凝器4的有机工质s4一部分分流成s7进入喷射器6；有机工质s11经过节流阀膨胀成低温工质s12，经过低压蒸发器10的有机工质s13进入喷射器6，有机工质s7 和s13在喷射器6中混合后喷出，完成喷射式膨胀制冷子循环。
38.其中，冷凝器4是冷凝设备，用于将循环的蒸汽进行冷凝；喷射器6是能量转换装置，利用高压液体工质引射低压气体工质；气液分离器7是一种分离装置，用于分离喷射器6出口的两相流工质；压缩机8是增压设备，用于增加气体压力；节流阀9是节流设备，用于实现高压液态工质的降压；低压蒸发器10是流体换热设备，制冷剂在其中吸收空气s18的热量进行蒸发，以制取低温空气s19。
39.参照图1，在发电模式时，可将膨胀机2与发电机12之间的第一离合器11闭合，将膨胀机2与压缩机8之间的第二离合器3断开。此时膨胀机产生的动能全部用于发电；在冷电模式时，可将膨胀机2与发电机12之间的第一离合器11闭合，将膨胀机2与压缩机8之间的第二离合器3闭合。此时膨胀机产生的动能一部分用于发电，一部分驱动压缩机进行制冷；在制冷模式时，可将膨胀机2与发电机12之间的第一离合器11断开，将膨胀机2与压缩机 8之间的第二离合器3闭合。此时膨胀机产生的动能全部用于驱动压缩机进行制冷。
40.该带有喷射器的正逆耦合循环冷电联产系统采用中低温热源驱动，该中低温热源可以是工业余热、太阳能或地热。该喷射式膨胀制冷系统中，动力子循环和喷射式制冷子循环共用工作介质，工作介质可以为r290，但不局限于r290，也可以为其他工质。
41.为了更好地体现本发明提供的一种带有喷射器的正逆耦合循环冷电联产系统的
有益效果，采用工质r290，将该模型和传统的有机朗肯循环和压缩式制冷系统在相同热边界条件下进行性能比较。对这两种系统进行模拟计算，表1是两种系统的性能比较。
42.表1
[0043][0044]
从性能比较可以看出，在相同边界条件的情况下，一种带有喷射器的正逆耦合循环冷电联产系统的制冷量和效率分别为19.93kw和16.92％，比传统的有机朗肯循环和压缩式制冷系统分别高出16.07％和15.89％。
[0045]
本发明提供的一种带有喷射器的正逆耦合循环冷电联产系统，其性能提高的根本原因在于：1、以膨胀机为动力驱动压缩机，无需额外电能驱动压缩机，减少了机械能与电能之间的转化损失；2、以传统的有机朗肯循环和压缩式制冷循环为基础，添加了喷射器和气液分离器，让喷射器充分地利用了冷凝器出口较高的压力，大幅减少了节流阀的损失，提高系统整体的效率和相同供热量下的设备制冷量。3、喷射器出口的压力高于传统有机朗肯循环和压缩式制冷循环的低压蒸发器压力，这降低了压缩机的压缩难度。
[0046]
综上所述，本实施例相对于现有技术，具有如下优点及有益效果：
[0047]
(1)本发明实施例提供的一种带有喷射器的正逆耦合循环冷电联产系统，以膨胀机驱动压缩机，无需额外电能驱动压缩机，减少了机械能与电能之间的转化损失。
[0048]
(2)本发明实施例提供的一种带有喷射器的正逆耦合循环冷电联产系统，以中低品位热为热源，可以是工业余热、太阳能和地热能等中低温的可再生能源，以达到节能减排的目的。可采用r290、r1234yf等工质为循环介质，满足了低gwp标准。
[0049]
(3)本发明实施例提供的一种带有喷射器的正逆耦合循环冷电联产系统，以传统的有机朗肯循环和压缩式制冷为基础，添加了喷射器和气液分离器，让喷射器充分地利用了冷凝器出口较高的压力，减少节流阀的膨胀比，提高系统整体的效率。
[0050]
(4)本发明实施例提供的一种带有喷射器的正逆耦合循环冷电联产系统，突破单一供能的模式，可根据冷负荷需求进行灵活调节。
[0051]
在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或
者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
[0052]
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
[0053]
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。