专利名称：一种带吸收器的低温动力循环系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及动力循环领域，具体涉及一种带吸收器的低温动力循环系统。
背景技术：
在现有的发电技术中，通常采用水作为循环工质，由于水的汽化潜热较大，使得循 环效率较低，而大量低温余热直接排放至大气中，浪费了大量能源。在有限低温流体冷源与 常温环境热源的条件下，用水作为循环工质显然是不可行的。为寻找适合于常温热源和有限低温流体冷源的动力循环的工质，国内外进行了大 量关于有机朗肯循环(ORC)的研究，主要集中在工质的选择、参数的合理匹配及性能的优 化等方面，其中最关键的是循环工质的选择。目前主要是针对纯工质性能的研究(如R11、 R12、R13、R22、R23、R32、R113、R114、R116、R123、R124、R125、R134a、R141b、R152a、R227ea、 R236fa、R245fa、R290、R600、R600a、R601等)。使用有机纯工质可适用于有限低温流体冷 源与常温环境热源的动力循环，并提高动力循环效率。可是当有限低温流体冷源温度变化 时，由于纯工质的相变温度是固定的，不能充分利用变温冷源的可用能量，造成了能量的损 失。为了提高有限低温冷源可用能利用效率和循环对外输出的净功，应使工质在放热 过程中与低温冷源进行温度变化相匹配的热交换。非共沸混合工质在冷凝时，不同于纯工 质的等温冷凝，是一个降温过程，与有限低温冷源气化过程中的温度变化的匹配情况较为 一致，使得因换热不匹配而引起的可用能和做功能力的损失有所减少，因此被广泛关注和 大力研究。使用混合工质的有机朗肯循环可以有效解决工质与低温冷源温度匹配的问题， 但是混合工质的冷凝压力较高，导致汽轮机背压也偏高，循环的对外净输出功减小。Kalina在1984年提出了以氨水为混合工质的循环(USP4489563)，随后又在一系 列专利中提出多级透平和多级分馏的氨水吸收式动力循环，如USP4548043、USP4586340、 USP4604867、USP4732005、USP4763480、USP4899545、USP4982568、USP5029444、USP5095708。 Kalina循环的基本思想是在系统中加入一套吸收式制冷中的分馏冷凝系统，组成一个混 合工质浓度变化的动力循环。通过改变工质的浓度，既降低了背压使循环对外输出的净功 增大，减少了换热过程中的可用能损失，又保证工质可以完全冷凝，使循环能够正常运行。 Kalina循环的对外净输出功明显大于朗肯循环，可用能利用率也大大提高，但是增加了大 量的换热器，使得系统较为复杂，投资较多，尤其是多级Kalina循环。而且Kalina循环是 针对有限热流体热源和近似恒温的环境冷源提出的动力循环。因此，针对近似恒温的环境 热源和有限低温流体的冷源，动力循环要求进行相应改变，实现对热源和冷源的最佳匹配。 同时考虑经济性，对动力循环及其工质进行重新设计，才能真正获得较高可用能利用率和 动力循环效率。
发明内容
本发明的目的在于根据现有的动力循环中存在的系统复杂、投资较高、能源浪费
3较高等问题，提供一种能提高能源利用率，减少能源浪费的带吸收器的低温动力循环系统。本发明目的通过以下技术方案予以实现本发明带吸收器的低温动力循环系统由发生器、汽轮机、再热器、冷凝器、吸收器、 低温泵和溶液换热器等设备所构成的特定流程。在常温热源的加热下，由工质在发生器(1) 中被发生成气体和液体两部分，气体进入汽轮机(2)膨胀做功，经再热器(3)被常温热源加 热后再次进入汽轮机(4)膨胀做功，然后经过冷凝器(5)被有限低温冷源部分冷凝；发生器 (1)产生的液体进入膨胀机(9)膨胀做功(或由一个节流阀替代膨胀机(9)节流降压)后 经溶液换热器⑶降温，然后进入吸收器(6)，吸收来自冷凝器(5)的低温气或气液混合流 体；吸收器(6)由有限低温冷源带走吸收热，生成的溶液经低温泵(7)加压后进入溶液换热 器(8)，然后再次进入发生器(1)完成一次循环。本发明利用有限低温冷源与常温热源，其中，低温冷源为可变温的低温流体，在吸 热过程中温度发生变化，常温热源为近似恒温的环境热源，在吸热过程中温度变化范围小。 采用由碳氢化合物HCs、氯氟烃类CFCs、含氢氯氟烃类HCFCs、氢氟烃类HFCs、全氟代烷烃类 FCs、其它有机化合物和无机化合物组成的二元或多元混合工质，在冷凝和吸收放热时与有 限低温冷源吸热过程中的温度变化的匹配情况较为一致，使得因换热不匹配而引起的不可 逆损失有所减少，从而提高循环的可用能利用率和循环效率。本发明在冷凝器与低温泵之间连接有吸收器，经汽轮机排出的混合流体中气体被 冷凝器部分冷凝，然后进入吸收器被来自溶液换热器的溶液所吸收，完全凝结成为液体后 进入低温泵循环使用。采用吸收器后，极大地降低了汽轮机的背压，提高了循环的输出功。 在溶液换热器和汽轮机之间连接有发生器，将低温液体发生成气液两部分，气体进入汽轮 机产生动力，液体进入汽轮机膨胀做功后经溶液换热器降温后进入吸收器(或由一个节流 阀替代膨胀机节流降压后经溶液换热器降温后进入吸收器)，吸收来自冷凝器的混合工质。 吸收器和发生器有效地解决了混合工质气化和冷凝的问题，降低了汽轮机的背压，提高了 循环的输出功。本发明的动力循环的输出功主要由汽轮机的进口压力和背压决定。由于采用常温 热源且温度近似恒定，汽轮机的进口压力是一定的。因此，汽轮机背压对循环的输出功影响 最大，背压越低，循环的输出功越大。采用混合工质以及吸收器和发生器后，汽轮机背压大 大降低，循环的输出功提高。本发明所述工质为碳氢化合物HCs、氯氟烃类CFCs、含氢氯氟烃类HCFCs、氢氟烃 类HFCs、全氟代烷烃类FCs、其它有机化合物、其它无机化合物组成的二元或多元混合工 质。作为一种优选方案，所述碳氢化合物HCs为R50、R170、R290、R600a、R600、R601a、 R601、C6H14, C7H16> C8H18, Rl 150 或 R1270 ；所述氯氟烃类 CFCs 为 Rll、R12、R13、RllU Rl 12、 R113、R114、R115、R211、R212、R213、R214、R215、R216 或 R217 ；所述含氢氯氟烃类 HCFCs 为 R21、R22、R31、R121、R122、R123、R124、R13、R132、R133、R141、R141、R142、R142b、R151、R221、 R222、R223、R224、R225、R225ca、R225cb、R226、R231、R232、R233、R234、R235、R241、R242、 R243、R244、R251、R252、R253、R261 或 R271 ；所述氢氟烃类 HFCs 为 R23、R32、R41、R125、 R134、R134a、R143、R143a、R152a、R161、R227、R227ea、R236ea、R236fa、R245cb、R245ca、 R245eb、R245fa或R254cb ；所述全氟代烷烃类FCs为R14、Rl 16、R218或RC318 ；所述其它有机化合物为R30、R40、R160、R610或C2F4 ；所述其它无机化合物为R728、R729、R704。本发明带吸收器的低温动力循环系统适用于近似低温的环境热源和有限低温流 体冷源之间的动力循环。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果(1)本发明通过采用碳氢化合物HCs、氯氟烃类CFCs、含氢氯氟烃类HCFCs、氢氟 烃类HFCs、全氟代烷烃类FCs、其它有机化合物、其它无机化合物组成的二元或多元混合工 质，使在冷凝和吸收放热时与有限低温冷源吸热过程中的温度变化的匹配情况较为一致， 减少了因换热不匹配引起的不可逆损失，提高了循环系统的可用能利用率和循环效率；(2)本发明通过采用吸收器，极大的降低了汽轮机的背压，提高了循环的输出功， 通过吸收器和发生器，有效地解决了混合工质气化和冷凝的问题，降低了汽轮机的背压，提 高了循环系统的输出功；(3)本发明采用二元或多元混合工质回收有限低温流体冷能，提高了能源利用率， 减少能源浪费。
图1为本发明的低温动力循环流程示意图，图中1、发生器，2、汽轮机，3、再热 器，4、汽轮机，5、冷凝器，6、吸收器，7、低温泵，8、溶液换热器，9、膨胀机；——循环工质；
_________热源流体(如海水等环境热源)；---------有限冷源流体(如LNG等低温流体)。
具体实施例方式以下结合实施例来进一步解释本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。实施例采用CF4和C3H8组成的二元混合工质，CF4摩尔浓度为0. 771，C3H8摩尔浓度为 0.229。采用海水作为常温环境热源，海水进、出口温度分别为20°C和15°C。有限低温流体 冷源为液化天然气(LNG)，压力和温度分别为30bar和_162°C。本发明的低温动力循环方式参照附图1的描述，压力为48. 6bar, CF4摩尔浓度为0. 771的混合工质溶液被海 水加热至10°c，在发生器(1)中被发生成气液两部分，气体约占97%，液体约占3%。气体 进入汽轮机(2)膨胀至2. 5bar，然后进入再热器(3)，被海水加热至10°C后进入汽轮机(4) 再次膨胀做功，膨胀后的压力降为0.952bar，温度为-23°C。汽轮机的排气在冷凝器(5)中 被LNG部分冷凝，然后进入吸收器(6)。从发生器发生出来的液体直接进入膨胀机(9)膨 胀做功，压力降为0.952bar，温度为-79°C，然后通过溶液换热器(8)降温至_122°C后进 入吸收器(6)与LNG换热，并吸收来自冷凝器的混合工质，混合工质在吸收器中完全被冷 凝为-125. 5 °C的饱和液体，然后被低温泵加压至48. 6bar，再进入溶液换热器(8)被加热 至-121°C后再次进入发生器(1)，完成一次完整的循环。30bar、-162°C的LNG依次经过吸 收器和冷凝器，分别被加热为-126. 5°C和_39°C，然后被海水气化至10°C后可直接被用户 使用。
将本发明与有机朗肯循环进行比较，可以得到表1所示的结果。从表1可以看出，在相同的LNG压力条件下，本发明的动力循环比有机朗肯循环相 比，单位LNG输出功和最大可用能利用率均比有机朗肯循环提高了 43%，这说明本发明的 循环比较常规的有机朗肯循环具有显著的优越性，可以有效提高动力循环和低温冷源能量 (冷能)的利用率，减少能源浪费。表1本发明动力循环系统与有机朗肯循环的比较
权利要求
一种带吸收器的低温动力循环系统，由发生器、汽轮机、再热器、冷凝器、吸收器、低温泵和溶液换热器构成，其特征在于所述是一个热源和有限低温流体冷源之间的动力循环系统，其中，工质在发生器(1)中被热源加热，产生气体和液体，气体进入汽轮机(2)膨胀做功，经再热器(3)加热后再次进入汽轮机(4)膨胀做功，然后经过冷凝器(5)被有限低温冷源部分冷凝；发生器(1)产生的液体进入膨胀机(9)膨胀做功(或由一个节流阀替代膨胀机(9)节流降压)后经溶液换热器(8)降温，然后进入吸收器(6)，吸收来自冷凝器(5)的低温气或气液混合流体；吸收器(6)由有限低温冷源带走吸收热，生成的混合工质液体(溶液)经低温泵(7)加压后进入溶液换热器(8)，然后再次进入发生器(1)完成一次循环。
2.根据权利要求1所述带吸收器的低温动力循环系统，其特征在于所述冷凝器(5)与 低温泵(7)之间连接有吸收器(6)，溶液换热器(8)和汽轮机(2)之间连接有发生器(1)。
3.根据权利要求1所述带吸收器的低温动力循环系统，其特征在于所述汽轮机(2)和 汽轮机(4)之间连接有再热器(3)。
4.根据权利要求1所述带吸收器的低温动力循环系统，其特征在于所述低温冷源依次 经过吸收器(6)、冷凝器(5)和换热器(10)。
5.根据权利要求1所述的带吸收器的低温动力循环系统，其特征在于所述热源为常温 环境热源，有限低温流体冷源为变温冷源。
6.根据权利要求5所述的带吸收器的低温动力循环系统，其特征在于所述热源为恒温 的环境热源。
7.根据权利要求1所述的带吸收器的低温动力循环系统，其特征在于所述工质为碳氢 化合物HCs、氯氟烃类CFCs、含氢氯氟烃类HCFCs、氢氟烃类HFCs、全氟代烷烃类FCs、其它有 机化合物、其它无机化合物组成的二元或多元混合工质。
8.根据权利要求7所述的带吸收器的低温动力循环系统，其特征在于所述碳氢化合物 HCs 为 R50、R170、R290、R600a、R600、R601a、R601、C6H14、C7H16、C8H18、R1150 或 R1270 ；所述氯 氟烃类 CFCs 为 R11、R12、R13、R111、R112、R113、R114、R115、R211、R212、R213、R214、R215、 R216 或 R217 ；所述含氢氯氟烃类 HCFCs 为 R21、R22、R31、R121、R122、R123、R124、R13、R132、 R133、R141、R141、R142、R142b、R151、R221、R222、R223、R224、R225、R225ca、R225cb、R226、 R231、R232、R233、R234、R235、R241、R242、R243、R244、R251、R252、R253、R261 或 R271 ；所 述氢氟烃类 HFCs 为 R23、R32、R41、R125、R134、R134a、R143、R143a、R152a、R161、R227、 R227ea、R236ea、R236fa、R245cb、R245ca、R245eb、R245fa 或 R254cb ；所述全氟代烧烃类 FCs 为 R14、R116、R218 或 RC318。
9.根据权利要求7所述的带吸收器的低温动力循环系统，其特征在于所述其它有机化 合物为R30、R40、R160、R610或C2F4 ；所述其它无机化合物为R728、R729、R704。
全文摘要
本发明公开了一种带吸收器的低温动力循环系统。本发明带吸收器的低温动力循环系统由发生器、汽轮机、再热器、冷凝器、吸收器、低温泵和溶液换热器构成，其中，工质是由碳氢化合物HCs、氯氟烃类CFCs、含氢氯氟烃类HCFCs、氢氟烃类HFCs、全氟代烷烃类FCs组成的二元或多元混合工质，冷热源分别为有限低温流体冷源和常温环境热源。本发明的循环比较常规的有机朗肯循环具有显著的优越性，可以有效提高动力循环和低温冷源能量(冷能)的利用效率，减少能源浪费。
文档编号F01K11/02GK101929361SQ201010216858
公开日2010年12月29日 申请日期2010年7月2日 优先权日2010年7月2日
发明者刘燕妮, 皇甫立霞, 郭开华 申请人:中山大学