一種有機(jī)朗肯循環(huán)與熱泵循環(huán)的耦合系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于余熱回收技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種有機(jī)朗肯循環(huán)與熱泵循環(huán)的耦合系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，隨著能源與環(huán)境問題的日益突出，低品位工業(yè)余熱、廢熱及可再生熱量因其總量巨大而逐漸受到人們的關(guān)注。人類的生產(chǎn)、生活中，如化工、印染、紡織、造紙、纖維、陶瓷加工等生產(chǎn)過程，存在大量對(duì)熱能品位要求不高的加熱生產(chǎn)過程，同時(shí)在上述生產(chǎn)過程中排放大量100°c以下的熱水，沒有得到再次利用。這些生產(chǎn)過程一般是以消耗高品位能源為代價(jià)的化石燃料燃燒或電加熱等傳統(tǒng)方式來(lái)進(jìn)行供熱，這不僅降低了能源的利用品位，同時(shí)也造成了大量余熱資源的浪費(fèi)，對(duì)環(huán)境造成了一定的熱污染。
[0003]低溫余熱回收技術(shù)是我國(guó)正在蓬勃發(fā)展的又一項(xiàng)新型節(jié)能技術(shù)，特別是低溫余熱發(fā)電技術(shù)大多數(shù)都采用有機(jī)郎肯循環(huán)低溫發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)，在冶煉、工業(yè)爐窯的尾氣回收、化工行業(yè)的余熱回收、生物質(zhì)發(fā)電等領(lǐng)域已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用。
[0004]有機(jī)朗肯循環(huán)(Organic Rankine Cycle，ORC)作為一種能高效、環(huán)保地實(shí)現(xiàn)低品位熱能向高品位電能或動(dòng)力轉(zhuǎn)化的技術(shù)，現(xiàn)已成為低品位能源利用領(lǐng)域研宄的熱點(diǎn)。其工作過程如下:工作介質(zhì)泵將工作介質(zhì)輸送到發(fā)生器，工作介質(zhì)在發(fā)生器內(nèi)被加熱汽化，產(chǎn)生的介質(zhì)蒸汽進(jìn)入到膨脹動(dòng)力機(jī)中膨脹做功，驅(qū)動(dòng)膨脹機(jī)旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，做功后的低壓蒸汽進(jìn)入冷凝器凝結(jié)，然后再回到工作介質(zhì)泵中，在進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。有機(jī)郎肯循環(huán)發(fā)電中的關(guān)鍵因數(shù)是膨脹動(dòng)力機(jī)和工作介質(zhì)。而熱泵技術(shù)作為一項(xiàng)高效的供熱技術(shù)，通過消耗一部分高品位能量，將低溫?zé)嵩粗袃?chǔ)存的熱能轉(zhuǎn)化為高品位熱能，實(shí)現(xiàn)數(shù)倍的能量輸出。在合適的條件下，將熱泵與有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)結(jié)合，不僅可以滿足生產(chǎn)熱能、電能的需求，減少外界電能或化石能源的消耗，同時(shí)提高了能源利用率，避免溫室效應(yīng)和大氣污染，對(duì)節(jié)能減排具有重要意義。
[0005]申請(qǐng)?zhí)枮?01410663412.3的中國(guó)發(fā)明專利公布了一種空氣能發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)由空氣能熱泵循環(huán)系統(tǒng)和郎肯循環(huán)低溫發(fā)電系統(tǒng)兩個(gè)部分構(gòu)成，空氣能熱泵循環(huán)系統(tǒng)通過換熱裝置與郎肯循環(huán)低溫發(fā)電系統(tǒng)連接；換熱裝置采用雙介質(zhì)流道結(jié)構(gòu)，一條為空氣能熱泵循環(huán)系統(tǒng)的冷媒介質(zhì)流道，另一條為郎肯循環(huán)系統(tǒng)的工作介質(zhì)流道，換熱裝置既是空氣能熱泵循環(huán)系統(tǒng)的冷凝器又是郎肯循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)生器，這兩個(gè)循環(huán)系統(tǒng)通過換熱裝置連接；空氣能熱泵循環(huán)系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、換熱裝置和膨脹閥、冷媒介質(zhì)構(gòu)成；蒸發(fā)器連接壓縮機(jī)，壓縮機(jī)連接換熱裝置的冷媒介質(zhì)流道的入口端，換熱裝置的冷媒介質(zhì)流道的出口端連接膨脹閥，膨脹閥連接蒸發(fā)器。上述專利公布的技術(shù)方案主要是通過消耗電來(lái)產(chǎn)電，通過熱泵系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)1:4的電-熱轉(zhuǎn)換，再通過郎肯循環(huán)將熱轉(zhuǎn)化為電，但郎肯循環(huán)轉(zhuǎn)化的效率較低，一般在0.2以下，因此，該技術(shù)方案經(jīng)濟(jì)性不好，削弱了電量，其次，空氣源熱泵系統(tǒng)的冷凝溫度不高，致使郎肯循環(huán)發(fā)生溫度不高，郎肯循環(huán)效率較低，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的效率較低，能量及經(jīng)濟(jì)價(jià)值有待進(jìn)一步提高，應(yīng)用性低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種能實(shí)現(xiàn)低品位余熱的高溫回收利用，減少額外的電能或化石燃料消耗，同時(shí)實(shí)現(xiàn)熱、電并供的有機(jī)朗肯循環(huán)與熱泵循環(huán)的耦合系統(tǒng)。
[0007]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0008]一種有機(jī)朗肯循環(huán)與熱泵循環(huán)的耦合系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括相互耦合的有機(jī)朗肯循環(huán)單元及熱泵循環(huán)單元，并且所述的有機(jī)朗肯循環(huán)單元與熱泵循環(huán)單元共用同一蒸發(fā)器；
[0009]所述的有機(jī)朗肯循環(huán)單元包括蒸發(fā)器、第一流量計(jì)、第一流量調(diào)節(jié)閥、膨脹機(jī)、低溫冷凝器以及工質(zhì)泵，所述的蒸發(fā)器的出口端通過第一管路依次與第一流量計(jì)、第一流量調(diào)節(jié)閥、膨脹機(jī)、低溫冷凝器及工質(zhì)泵連接，并通過工質(zhì)泵返回連接至蒸發(fā)器的進(jìn)口端，構(gòu)成有機(jī)朗肯循環(huán)回路；
[0010]所述的熱泵循環(huán)單元包括蒸發(fā)器、第二流量計(jì)、第二流量調(diào)節(jié)閥、壓縮機(jī)、高溫冷凝器以及節(jié)流閥，所述的蒸發(fā)器的出口端通過第二管路依次與第二流量計(jì)、第二流量調(diào)節(jié)閥、壓縮機(jī)、高溫冷凝器及節(jié)流閥連接，并通過節(jié)流閥返回連接至蒸發(fā)器的進(jìn)口端，構(gòu)成熱泵循環(huán)回路；
[0011]所述的膨脹機(jī)與壓縮機(jī)之間設(shè)有傳動(dòng)裝置，在工作狀態(tài)下，所述的膨脹機(jī)對(duì)外做功，并通過傳動(dòng)裝置來(lái)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)行。
[0012]所述的傳動(dòng)裝置為聯(lián)軸器，該聯(lián)軸器一端與膨脹機(jī)軸連接，另一端與壓縮機(jī)軸連接，使膨脹機(jī)與壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)同軸運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0013]所述的有機(jī)朗肯循環(huán)單元還包括發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)與膨脹機(jī)傳動(dòng)連接。
[0014]所述的膨脹機(jī)可通過皮帶輪、齒輪或直接通過軸與發(fā)電機(jī)傳動(dòng)連接。
[0015]所述的壓縮機(jī)與膨脹機(jī)同軸連接，膨脹機(jī)采用徑向軸流式透平膨脹機(jī)，壓縮機(jī)采用離心式壓縮機(jī)，膨脹機(jī)軸通過傳動(dòng)裝置(如聯(lián)軸器)將透平所做的功傳送至壓縮機(jī)的軸，驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)壓縮。
[0016]所述的低溫冷凝器外接循環(huán)冷卻水。
[0017]所述的循環(huán)工質(zhì)為五氟丙烷(R245fa)、正丁烷(R600)、1，I, 2_三氟乙烷(R143)或六氟丙燒(R236ea)等。
[0018]在工作狀態(tài)下，所述的蒸發(fā)器中的液態(tài)循環(huán)工質(zhì)與回收的低品位余熱流換熱，轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷氐蛪簹鈶B(tài)工質(zhì)；
[0019]一部分高溫低壓氣態(tài)工質(zhì)經(jīng)第一流量計(jì)、第一流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)入膨脹機(jī)中，并驅(qū)動(dòng)膨脹機(jī)對(duì)外做功，做功后，轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪簹鈶B(tài)工質(zhì)，該低壓氣態(tài)工質(zhì)進(jìn)入低溫冷凝器中冷凝放熱，轉(zhuǎn)變?yōu)榈谝灰簯B(tài)循環(huán)工質(zhì)，再經(jīng)工質(zhì)泵增壓后，返回至蒸發(fā)器中，完成有機(jī)朗肯循環(huán)；
[0020]另一部分高溫低壓氣態(tài)工質(zhì)經(jīng)第二流量計(jì)、第二流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)入壓縮機(jī)中，在壓縮機(jī)的作用下，轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷馗邏簹鈶B(tài)工質(zhì)，并進(jìn)入高溫冷凝器中，與待加熱工質(zhì)充分換熱，換熱后，高溫冷凝器內(nèi)的高溫高壓氣態(tài)工質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榈诙簯B(tài)循環(huán)工質(zhì)，該第二液態(tài)循環(huán)工質(zhì)經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流后，與經(jīng)工質(zhì)泵增壓后的第一液態(tài)循環(huán)工質(zhì)混合，并進(jìn)入蒸發(fā)器，完成熱泵循環(huán)。
[0021]所述的膨脹機(jī)對(duì)外做功時(shí)，一部分功通過傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)行，剩余部分功驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。
[0022]本發(fā)明將有機(jī)朗肯循環(huán)單元及熱泵循環(huán)單元進(jìn)行耦合，回收的低品位余熱流在蒸發(fā)器內(nèi)與液態(tài)循環(huán)工質(zhì)換熱，將其加熱為高溫低壓氣態(tài)工質(zhì)，而高溫低壓氣態(tài)工質(zhì)分成兩部分，通過流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，分別進(jìn)入膨脹機(jī)與壓縮機(jī)中，并分別完成有機(jī)朗肯循環(huán)及熱泵循環(huán)。
[0023]本發(fā)明中，有機(jī)朗肯循環(huán)單元與熱泵循環(huán)單元共用同一蒸發(fā)器并使用同一種循環(huán)工質(zhì)，并采用傳動(dòng)裝置將膨脹機(jī)與壓縮機(jī)傳動(dòng)連接，使得膨脹機(jī)所做的功優(yōu)先驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，用以滿足熱泵循環(huán)的動(dòng)力需求，而剩余部分的功驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的熱、電并供。在實(shí)際工作過程中，還可以調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥，來(lái)實(shí)現(xiàn)兩循環(huán)單元中循環(huán)工質(zhì)流量的調(diào)節(jié)，進(jìn)而調(diào)節(jié)熱電比輸出，滿足用戶不同熱電比的需求。
[0024]本發(fā)明中，熱泵循環(huán)單元的低位熱能和朗肯循環(huán)單元的熱源均為廢熱，將廢熱轉(zhuǎn)化為高品位的熱能和電能，且未消耗外界高品位電能，實(shí)現(xiàn)了余熱的高效利用，避免了因廢熱排放對(duì)環(huán)境造成的熱污染，且本發(fā)明可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高品位熱能與電能的輸出，用戶可根據(jù)實(shí)際需求，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的不同熱電比輸出，具有很好的應(yīng)用前景。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下特點(diǎn):
[0026]I)可使用工業(yè)廢熱、地?zé)峒疤?yáng)能等可再生能源，實(shí)現(xiàn)能源再利用，滿足生產(chǎn)中的熱能及電能需求；
[0027]2)由于采用流量調(diào)節(jié)閥可以調(diào)節(jié)進(jìn)入兩個(gè)循環(huán)單元中的循環(huán)工質(zhì)的流量，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)不同熱電比的輸出，滿足用戶的不同熱電比需求；
[0028]3)節(jié)能環(huán)保，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，能有效回收工業(yè)生產(chǎn)或地?zé)岬犬a(chǎn)生的熱量，滿足了生產(chǎn)、生活中的高品位熱量及電量需求，減少電能或化石能源的消耗，實(shí)現(xiàn)了熱、電并供，減少了溫室效應(yīng)和大氣污染。
【附圖說明】