一种有机朗肯循环与热泵循环的耦合系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于余热回收技术领域，涉及一种有机朗肯循环与热泵循环的耦合系统。
【背景技术】
[0002]目前，随着能源与环境问题的日益突出，低品位工业余热、废热及可再生热量因其总量巨大而逐渐受到人们的关注。人类的生产、生活中，如化工、印染、纺织、造纸、纤维、陶瓷加工等生产过程，存在大量对热能品位要求不高的加热生产过程，同时在上述生产过程中排放大量100°c以下的热水，没有得到再次利用。这些生产过程一般是以消耗高品位能源为代价的化石燃料燃烧或电加热等传统方式来进行供热，这不仅降低了能源的利用品位，同时也造成了大量余热资源的浪费，对环境造成了一定的热污染。
[0003]低温余热回收技术是我国正在蓬勃发展的又一项新型节能技术，特别是低温余热发电技术大多数都采用有机郎肯循环低温发电系统技术，在冶炼、工业炉窑的尾气回收、化工行业的余热回收、生物质发电等领域已经得到实际应用。
[0004]有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，ORC)作为一种能高效、环保地实现低品位热能向高品位电能或动力转化的技术，现已成为低品位能源利用领域研宄的热点。其工作过程如下:工作介质泵将工作介质输送到发生器，工作介质在发生器内被加热汽化，产生的介质蒸汽进入到膨胀动力机中膨胀做功，驱动膨胀机旋转，并带动发电机发电，做功后的低压蒸汽进入冷凝器凝结，然后再回到工作介质泵中，在进入下一个循环。有机郎肯循环发电中的关键因数是膨胀动力机和工作介质。而热泵技术作为一项高效的供热技术，通过消耗一部分高品位能量，将低温热源中储存的热能转化为高品位热能，实现数倍的能量输出。在合适的条件下，将热泵与有机朗肯循环技术结合，不仅可以满足生产热能、电能的需求，减少外界电能或化石能源的消耗，同时提高了能源利用率，避免温室效应和大气污染，对节能减排具有重要意义。
[0005]申请号为201410663412.3的中国发明专利公布了一种空气能发电系统，该系统由空气能热泵循环系统和郎肯循环低温发电系统两个部分构成，空气能热泵循环系统通过换热装置与郎肯循环低温发电系统连接；换热装置采用双介质流道结构，一条为空气能热泵循环系统的冷媒介质流道，另一条为郎肯循环系统的工作介质流道，换热装置既是空气能热泵循环系统的冷凝器又是郎肯循环系统的发生器，这两个循环系统通过换热装置连接；空气能热泵循环系统由风机、蒸发器、压缩机、换热装置和膨胀阀、冷媒介质构成；蒸发器连接压缩机，压缩机连接换热装置的冷媒介质流道的入口端，换热装置的冷媒介质流道的出口端连接膨胀阀，膨胀阀连接蒸发器。上述专利公布的技术方案主要是通过消耗电来产电，通过热泵系统可以实现1:4的电-热转换，再通过郎肯循环将热转化为电，但郎肯循环转化的效率较低，一般在0.2以下，因此，该技术方案经济性不好，削弱了电量，其次，空气源热泵系统的冷凝温度不高，致使郎肯循环发生温度不高，郎肯循环效率较低，从而导致整个系统的效率较低，能量及经济价值有待进一步提高，应用性低。
【发明内容】
[0006]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能实现低品位余热的高温回收利用，减少额外的电能或化石燃料消耗，同时实现热、电并供的有机朗肯循环与热泵循环的耦合系统。
[0007]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0008]一种有机朗肯循环与热泵循环的耦合系统，该系统包括相互耦合的有机朗肯循环单元及热泵循环单元，并且所述的有机朗肯循环单元与热泵循环单元共用同一蒸发器；
[0009]所述的有机朗肯循环单元包括蒸发器、第一流量计、第一流量调节阀、膨胀机、低温冷凝器以及工质泵，所述的蒸发器的出口端通过第一管路依次与第一流量计、第一流量调节阀、膨胀机、低温冷凝器及工质泵连接，并通过工质泵返回连接至蒸发器的进口端，构成有机朗肯循环回路；
[0010]所述的热泵循环单元包括蒸发器、第二流量计、第二流量调节阀、压缩机、高温冷凝器以及节流阀，所述的蒸发器的出口端通过第二管路依次与第二流量计、第二流量调节阀、压缩机、高温冷凝器及节流阀连接，并通过节流阀返回连接至蒸发器的进口端，构成热泵循环回路；
[0011]所述的膨胀机与压缩机之间设有传动装置，在工作状态下，所述的膨胀机对外做功，并通过传动装置来驱动压缩机运行。
[0012]所述的传动装置为联轴器，该联轴器一端与膨胀机轴连接，另一端与压缩机轴连接，使膨胀机与压缩机实现同轴运转。
[0013]所述的有机朗肯循环单元还包括发电机，该发电机与膨胀机传动连接。
[0014]所述的膨胀机可通过皮带轮、齿轮或直接通过轴与发电机传动连接。
[0015]所述的压缩机与膨胀机同轴连接，膨胀机采用径向轴流式透平膨胀机，压缩机采用离心式压缩机，膨胀机轴通过传动装置(如联轴器)将透平所做的功传送至压缩机的轴，驱动压缩机压缩。
[0016]所述的低温冷凝器外接循环冷却水。
[0017]所述的循环工质为五氟丙烷(R245fa)、正丁烷(R600)、1，I, 2_三氟乙烷(R143)或六氟丙烧(R236ea)等。
[0018]在工作状态下，所述的蒸发器中的液态循环工质与回收的低品位余热流换热，转变为高温低压气态工质；
[0019]一部分高温低压气态工质经第一流量计、第一流量调节阀进入膨胀机中，并驱动膨胀机对外做功，做功后，转变为低压气态工质，该低压气态工质进入低温冷凝器中冷凝放热，转变为第一液态循环工质，再经工质泵增压后，返回至蒸发器中，完成有机朗肯循环；
[0020]另一部分高温低压气态工质经第二流量计、第二流量调节阀进入压缩机中，在压缩机的作用下，转变为高温高压气态工质，并进入高温冷凝器中，与待加热工质充分换热，换热后，高温冷凝器内的高温高压气态工质转变为第二液态循环工质，该第二液态循环工质经节流阀节流后，与经工质泵增压后的第一液态循环工质混合，并进入蒸发器，完成热泵循环。
[0021]所述的膨胀机对外做功时，一部分功通过传动装置驱动压缩机运行，剩余部分功驱动发电机发电。
[0022]本发明将有机朗肯循环单元及热泵循环单元进行耦合，回收的低品位余热流在蒸发器内与液态循环工质换热，将其加热为高温低压气态工质，而高温低压气态工质分成两部分，通过流量调节阀调节，分别进入膨胀机与压缩机中，并分别完成有机朗肯循环及热泵循环。
[0023]本发明中，有机朗肯循环单元与热泵循环单元共用同一蒸发器并使用同一种循环工质，并采用传动装置将膨胀机与压缩机传动连接，使得膨胀机所做的功优先驱动压缩机，用以满足热泵循环的动力需求，而剩余部分的功驱动发电机发电，从而实现系统的热、电并供。在实际工作过程中，还可以调节流量调节阀，来实现两循环单元中循环工质流量的调节，进而调节热电比输出，满足用户不同热电比的需求。
[0024]本发明中，热泵循环单元的低位热能和朗肯循环单元的热源均为废热，将废热转化为高品位的热能和电能，且未消耗外界高品位电能，实现了余热的高效利用，避免了因废热排放对环境造成的热污染，且本发明可同时实现高品位热能与电能的输出，用户可根据实际需求，调节系统的不同热电比输出，具有很好的应用前景。
[0025]与现有技术相比，本发明具有以下特点:
[0026]I)可使用工业废热、地热及太阳能等可再生能源，实现能源再利用，满足生产中的热能及电能需求；
[0027]2)由于采用流量调节阀可以调节进入两个循环单元中的循环工质的流量，实现系统不同热电比的输出，满足用户的不同热电比需求；
[0028]3)节能环保，经济实用，能有效回收工业生产或地热等产生的热量，满足了生产、生活中的高品位热量及电量需求，减少电能或化石能源的消耗，实现了热、电并供，减少了温室效应和大气污染。
【附图说明】