CN101458000B - 热能驱动的制冷与发电一体化装置 - Google Patents

Abstract

热能驱动的制冷与发电一体化装置由热能发动机和制冷机组成。热能发动机包括循环泵、蒸汽发生器、汽液分离器、两通阀、三通阀、透平、发电机、压力交换器、第一汽液热交换器、第一冷凝器、合流器、储液器，再热器。热能发动机利用热能产生高压蒸汽，驱动压缩式制冷和推动透平与发电机进行发电。制冷机包括蒸发器、第二汽液热交换器、压力交换器、第二冷凝器、膨胀器。制冷机膨胀器的轴功输出用于驱动循环泵。热能发动机和制冷机的工质可以相同也可以不同，可以采用非共沸工质以提高效率。本发明可以使用低品位热源，可以根据热源温度的不同，调整为单独供冷、冷电联供、或冷热电三联供，具有效率高、投资少、安装周期短、维护费用低等优点。

Description

热能驱动的制冷与发电一体化装置

技术领域

本发明涉及一种类型的新型制冷机发电机装置，具体是一种利用热能直接驱动蒸汽压缩式制冷、并且能够同时发电和供热的装置。

背景技术

制冷与暖通空调耗能已经占据全社会四分之一以上的电能，开发制冷设备的替代能源和提高制冷设备的能效比事关可持续发展的大业。如何把可再生能源和工业余热使用在制冷技术上，以热能直接驱动制冷设备，建设分布式制冷与发电的联合***，一直是人们期望的替代能源解决方案，这种技术出现，不但节省电力和化石燃料，而且有利于降低排放、保护环境。但是到目前为止，这方面的技术还不成熟，不能满足市场应用的技术要求。

对于温度在100～200℃之间的热源，利用现有的蒸汽透平发电技术，具有投资庞大、发电效率低、运行经济效益低的缺点。很多可再生能源和工业余热都是低品位热能，例如大部分地热资源的温度只有100℃左右，一般太阳能热水器的水温都在100℃以下，很多工业排水的温度也在100℃以下。这些低品位热源既不适合于发电，也不适合于现有制冷技术。目前采用热能制冷的技术只有吸收式、吸附式、热声制冷。吸收式制冷需要热源温度120℃以上，只适合于大工程，投资大、效率低。吸附式和热声制冷效率低，技术不成熟。

资料查询发现一项直接利用热能实现发电制冷联产的专利(CA101187509A)，该专利采用蒸汽喷射的方式压缩制冷机的循环工质，除了效率低的缺点外，热能发动机和制冷剂只能使用同一种工质，不能满足不同热源温度和不同制冷温度的需求。

发明内容

技术问题：本发明克服了现有技术的不足之处，提出了一种高效利用低品位热能，直接驱动蒸汽压缩式制冷循环和发电的热能驱动的制冷与发电一体化装置。该装置由热力发动机和制冷机两部分组成，采用环保制冷工质，采用有机工质朗肯循环透平推动发电机发电，采用压力交换器对制冷机的循环工质进行压缩，采用汽液热交换器提高热能利用效率，采用制冷机膨胀器的轴功驱动热能发动机的循环泵，极大地提高了***的热能利用效率和制冷量输出。

技术方案：该热能驱动的制冷与发电一体化装置，由相互耦合的热能发动机和制冷机组成。热能发动机采用有机工质朗肯循环，包括循环泵、蒸汽发生器、汽液分离器、两通阀、三通阀、透平、发电机、压力交换器、第一汽液热交换器、合流器、第一冷凝器，储液器、再热器；热能发动机将热源的热能转变成电能和压缩制冷循环工质的动能。制冷机包括蒸发器、第二汽液热交换器、压力交换器、第二冷凝器、膨胀器，膨胀阀，压缩机；制冷机的工质压缩过程由热能发动机的高压工质在压力交换器中实现，制冷机膨胀器与发电机的工质泵联轴，膨胀器的轴功输出给循环泵，不足部分的泵功有电机补充。该装置可以根据热源温度和用户需求的不同，采用单独供冷、冷电联供、或者冷热电三联供不同模式。

在热能发动机装置中，透平是一种蒸汽膨胀的能量转变成动能的装置，可以是专用蒸汽透平，也可以是压缩机改造过的膨胀器。压力交换器是用于实现两个循环工质间进行压力能交换的装置，是使用热能发动机循环工质的高压来压缩制冷机的循环工质。压力交换器可以是连轴的膨胀机与压缩机组合、压力交换器、蒸汽喷射装置、或者是其它类型的压力交换装置。透平、发电机可以与压力交换器集成一体，在这种情况下，透平分别连接制冷压缩机和发电机，透平的一部分动能用于驱动压缩机，剩余部分动能驱动发电机。

在热能发动机装置中采用汽液热交换器，回收蒸汽中的余热，用于高压液态工质的预热，提高热能发动机的输出效率；在制冷机装置中采用汽液热交换器，用蒸汽的剩余冷量来过冷液态工质，既提高了压缩机的可靠性，又能提高制冷效率。

在热能发动机的蒸汽发生器出口采用了汽液分离器，用于分离启动过程中从蒸汽发生器流出的液态工质，避免液态工质流入透平，提高***运行的可靠性。

热能发动机工质泵与制冷机膨胀器可以根据需要独立运行，这种情况下，热能发动机的循环泵由独立的电机驱动，制冷机的膨胀器由常规的节流阀代替。

热能驱动的制冷与发电一体化装置由热能发动机和制冷机组成，热能发动机和制冷机的连接是：制冷机中的膨胀器输出轴与热能发动机中的循环泵输入轴连接；制冷机中的第二汽液热交换器出汽口与压力交换器低压进口连接，压力交换器高压出口与制冷机中的第二冷凝器气态工质进口连接，热能发动机中的再热器气态工质出口与压力交换器高压进汽口连接，压力交换器低压出口连接热能发动机中的第一汽液热交换器进汽口。

热能发动机采用有机工质朗肯循环，包括蒸汽发生器、汽液分离器、两通阀、三通阀、透平、发电机、压力交换器、第一冷凝器，合流器、储液器、循环泵、第一汽液热交换器、再热器，其中：蒸汽发生器气态工质出口连接汽液分离器入口，汽液分离器液态工质出口连接两通阀进口，汽液分离器气态工质出口连接三通阀进口，三通阀第一出口连接透平进口，透平输出轴与发电机输入轴同轴连接，透平气态工质出口连接再热器气态工质进口，再热器气态工质出口与三通阀第二出口的蒸汽混合后进入压力交换器的高压进汽口，压力交换器低压出口连接第一汽液热交换器进汽口，第一汽液热交换器出汽口连接第一冷凝器气态工质进口，第一冷凝器的液态工质出口连接合流器的进液口，两通阀出口连接合流器的进液口，合流器出口连接储液器进口，储液器出口连接循环泵入口，泵出口连接第一汽液热交换器的进液口，第一汽液热交换器的出液口连接蒸汽发生器的进口。

制冷机包括压力交换器、第二汽液热交换器、第二冷凝器、蒸发器、膨胀器，再热器，热交换器，膨胀阀，压缩机，其中：蒸发器气态工质出口连接第二汽液热交换器进汽口，第二汽液热交换器出汽口连接压力交换器的低压进口，压力交换器的高压出口连接第二冷凝器气态工质进口，第二冷凝器液态工质出口连接第二汽液热交换器进液口，第二汽液热交换器出液口连接膨胀器进液口，膨胀器工质出口连接蒸发器工质进口，膨胀器输出轴与循环泵输入轴同轴连接；蒸汽发生器和再热器的热源侧进口与外部热源连接，热源侧出口返回到外部热源被循环加热，第一冷凝器和第二冷凝器冷凝水来自外界冷凝水源，第一冷凝器(8)和第二冷凝器冷凝水出口返回冷凝水源，蒸发器的冷冻水出入口与空调末端相连。

当供给蒸汽发生器的热能温度在100℃以上时，装置既发电又制冷，此时热能发动机部分的连接是：蒸汽发生器气态工质出口连接汽液分离器入口，汽液分离器液态工质出口连接两通阀进口，汽液分离器气态工质出口连接三通阀进口，三通阀第一出口连接透平进口，透

平输出轴与发电机输入轴同轴连接。透平气态工质出口连接再热器气态工质进口，再热器气态工质出口与三通阀第二出口的蒸汽混合后进入压力交换器的高压进汽口，压力交换器低压出口连接第一汽液热交换器进汽口，第一汽液热交换器出汽口连接第一冷凝器气态工质进口，第一冷凝器的液态工质出口连接合流器的进液口，两通阀的出口连接合流器的进液口，合流器出口连接储液器进口，储液器出口连接泵的入口，泵出口连接第一汽液热交换器的进液口，第一汽液热交换器的出液口连接蒸汽发生器的进口；制冷机的连接是：蒸发器气态工质出口连接第二汽液热交换器)进汽口，第二汽液热交换器出汽口连接压力交换器的低压进口，压力交换器的高压出口连接第二冷凝器气态工质进口，第二冷凝器液态工质出口连接第二汽液热交换器进液口，第二汽液热交换器出液口连接膨胀器进液口，膨胀器出液口连接蒸发器液态工质进口，膨胀器输出轴与循环泵输入轴共轴连接。蒸汽发生器和再热器的热源侧进口与外部热源连接，热源侧出口返回到外部热源被循环加热，第一冷凝器和第二冷凝器冷凝水侧入口与外界自来水管道连接，第一冷凝器和第二冷凝器冷凝水侧出口直接排放，蒸发器的冷冻水侧入口连接空调末端出口，冷冻水侧出口连接空调末端进口。

在热能品位较低时，例如低于100℃，装置只输出制冷，装置连接是上面所述既制冷又发电装置连接的一种简化，去掉三通阀、透平、发电机，膨胀器输出轴与水泵输入轴不再同轴连接，膨胀器被替换为膨胀阀。与上述既制冷又发电装置连接方式相比，不同的连接是：汽液分离器的出汽口直接连接压力交换器的高压进汽口，第二汽液热交换器出液口连接膨胀阀进液口，膨胀阀出液口连接蒸发器液态工质进口，其它部分连接不改变。

当用户需要提供生活热水时，装置对外冷、热、电三联供，其装置是在上面所述既制冷又发电装置连接不变的情况下，增加热交换器，连接是：外界自来水管道分别连接第一冷凝器和第二冷凝器冷凝水侧入口，第一冷凝器和第二冷凝器冷凝水侧出口连接热交换器低温水进口，热交换器高温水出口输出到用户，蒸汽发生器热源侧出口连接热交换器热源侧进口，热交换器热源侧出口连接外部热源被循环加热，其它部分连接与上述既制冷又发电装置的连接相同。

透平、发电机可以与压力交换器集成一体，其装置是在上面所述既制冷义发电装置连接的一种变化，其连接是：去掉三通阀、再热器，汽液分离器的出汽口直接连接透平进汽口，透平出汽口连接第一汽液热交换器进汽口，透平同轴连接发电机和压缩机。第二汽液热交换器出汽口连接压缩机的低压进口，压缩机的高压出口连接第二冷凝器气态工质进口，其它部分连接保持不变。

该装置的热源可以采用太阳能、地热能、生物质能、工业余热、或者其它低品位热能。冷源可以采用地埋管循环水、地表水、空气、或者其它冷却介质。

热能发动机和制冷机可以采用同种工质，也可以采用不同工质；可以采用纯工质，也可以采用混合工质。纯工质可以选用但不限于：R22，R32，R123，R124，R125，R143a，R152a，R290，R717，R718，R134a，R142b，R227ea，R236fa，R245fa，R600a，R600，R1270。混合工质可以根据不同工况采用纯工质进行配置。对于显热供热和显热冷凝的工程应用，采用非共沸混合工质，可以提高热能发动机动力输出效率20％左右。

有益效果：

(1)本发明能够满足不同温度的热源输入和不同制冷温度的要求，热能发动机和制冷机的工质选型可以不受限制，优化配置。热能发动机和制冷机可以选用相同工质，也可以选用不同工质，可以选用纯工质，也可以选用混合工质。

(2)本发明能够根据热源温度的高低，改变***的输出设置。当热源温度高于100℃时，装置运行制冷和发电两种模式；当热源温度低于100℃时，热能发动机的动力只能满足制冷驱动，可以关闭发电机，也可以在设计中选用单独制冷模式。

(3)本发明可以用于制造分布式制冷、发电设备。如果热源温度高于120℃，可以利用蒸汽发生器的排水对冷凝器的冷却水进行再热，以生产50℃左右的生活热水，这样就能实现冷、热、电三联供。该发明做成系列产品，可以满足从家庭、到小区不同供电、供冷、供热需求。

(4)本发明采用非共沸混合工质优化选型，采用两元以上工质，分别针对热能发动机和制冷机的不同温度特性进行优化选型，采用优化设计的换热器，可以比纯工质***提高性能系数20％左右。对于显热冷凝和显热制冷的工程应用，采用非共沸混合工质，可以提高制冷机制冷效率20％左右。本发明可以采用地源水作为冷凝介质，提高热能利用效率。

附图说明

本发明供有4个附图

图1：本发明典型流程图，热能驱动蒸汽压缩制冷循环与发电的联合装置；

图2：本发明包含的一种情况，热源温度在100℃以下时的一种简化装置，热源驱动热能发动机产生高压蒸汽，高压蒸汽直接驱动压力交换器，为制冷机压缩循环工质，装置只制冷；

图3：本发明包含的一种情况，装置实现冷、热、电三联供。冷凝水首先流经第一冷凝器和第二冷凝器回收废热，再吸收热源排放水的余热后，对外提供生活热水。

图4：本发明包含的一种情况，透平、发电机可以与压力交换器集成一体，供应发电的透平同时为制冷机承担压缩制冷机的功能，装置既制冷又发电；

具体实施方法

图1中，装置由热能驱动的热能发动机和制冷机两部分组成。热能发动机由蒸汽发生器1、汽液分离器2、两通阀3、三通阀4、透平5、发电机6、压力交换器7、第一冷凝器8，合流器9、储液器10、循环泵11、第一汽液热交换器12、再热器17组成，连接是：蒸汽发生器1气态工质出口连接汽液分离器2入口，汽液分离器液态工质出口2b连接两通阀3进口，汽液分离器气态工质出口2a接三通阀4进口，三通阀第一出口4a连接透平5进口，透平输出轴5a与发电机6输入轴同轴连接，透平气态工质出口5b连接再热器17气态工质进口，再热器17气态工质出口与三通阀第二出口4b的蒸汽混合后进入压力交换器的高压进汽口7a，压力交换器低压出口7b连接第一汽液热交换器进汽口12a，第一汽液热交换器出汽口12b连接第一冷凝器8气态工质进口，第一冷凝器8液态工质出口连接合流器的进液口9a，两通阀3的出口连接合流器的进液口9b，合流器9出口连接储液器10进口，储液器10出口连接循环泵入口11b，泵11出口连接第一汽液热交换器的进液口12c，第一汽液热交换器的出液口12d连接蒸汽发生器1的进口。

热能发动机的运行首先从蒸汽发生器1开始，在这里热源的热量传给热能发动机循环工质，产生过热蒸汽流出蒸汽发生器，进入汽液分离器2，在启动瞬间，进入汽液分离器的可能包含部分液态工质，使用汽液分离器将液态工质分离出来，通过两通阀3，与冷凝器出来的液态工质在合流器9中会合。从汽液分离器出来的过热蒸汽进入三通阀4，根据热源温度的高低决定是否启动发电装置。如果热源温度高于100℃，三通阀将过热蒸汽输送到透平5，驱动发电机6发电，蒸汽离开透平后先流经再热器17增加过热度，然后再输入压力交换器7。如果热源温度低于100℃，三通阀将过热蒸汽直接输送给压力交换器7。在压力交换器7中，热能发动机的高压蒸汽将压能传递给制冷机工质，热能发动机工质降压膨胀，制冷机工质升压。从压力交换器7流出的低压蒸汽在第一汽液热交换器12中用余热预热液态工质，同时减少第一冷凝器8的负荷。低压蒸汽在第一冷凝器8中凝结成液体，与汽液分离器过来的工质在合流器9中混合，输入储液器10。循环泵11将储液器中的低压液体工质升压到沸腾压力，工质再次进入第一热交换器12预热，进入蒸汽发生器1继续循环。

制冷机由压力交换器7、第二汽液热交换器13、第二冷凝器14、蒸发器15、膨胀器16、再热器17，热交换器18，膨胀阀19，压缩机20组成，连接是：蒸发器15气态工质出口连接第二汽液热交换器进汽口13a，第二汽液热交换器出汽口13b连接压力交换器的低压进口7c，压力交换器的高压出口7d连接第二冷凝器14气态工质进口，第二冷凝器14液态工质出口连接第二汽液热交换器进液口13c，第二汽液热交换器出液口13d连接膨胀器16进液口，膨胀器工质出口16b连接蒸发器15工质进口，膨胀器输出轴16a与循环泵输入轴11a同轴连接；蒸汽发生器1和再热器17的热源侧进口与外部热源连接，热源侧出口返回到外部热源被循环加热，第一冷凝器8和第二冷凝器14冷凝水来自外界冷凝水源，第一冷凝器8和第二冷凝器14冷凝水出口返回冷凝水源，蒸发器15的冷冻水出入口与空调末端相连。

制冷机的运行从蒸发器15开始，在这里液态制冷剂变成气态，膨胀过程中吸收热量，实现制冷。从蒸发器出来的低压蒸汽在第二汽液热交换器13中对第二冷凝器14出来的液态工质进行过冷，既提高***的能效比，又确保进入压缩前获得5K左右的过热度，提高压缩过程的稳定性和可靠性。在压力交换器7中制冷剂被热能发动机的高压蒸汽压缩成中压蒸汽，送入第二冷凝器14冷凝成中压液体，流经第二汽液热交换器13增加过冷度，然后进入膨胀器16中绝热膨胀成含有少量蒸汽的低压工质，进入蒸发器15吸热制冷。

***基本运行控制方法如图5所示：

图2是针对温度低于100℃的低品位热源的简化装置，热能仅供驱动制冷循环，与图1比较，去掉了三通阀4、透平5、发电机6，膨胀器16输出轴与水泵输入轴不再同轴连接，膨胀器16被替换为膨胀阀19。其连接是：汽液分离器的出汽口2a直接连接压力交换器的高压进汽口7a，第二汽液热交换器出液口13d连接膨胀阀19进液口，膨胀阀19出液口连接蒸发器15液态工质进口，其它部分连接与图1相同。

图3是图1的一种变化，该装置回收第一冷凝器8和第二冷凝器14的废热，并且利用从蒸汽发生器排出热源流体的余热在热交换器18中进一步加热来自第一冷凝器8和第二冷凝器14的冷凝水，生产生活热水，实现冷、热、电三联供，与图1相比，增加了热交换器18，其连接是：外界自来水管道分别连接第一冷凝器8和第二冷凝器14冷凝水侧入口，第一冷凝器8和第二冷凝器14冷凝水侧出口连接热交换器低温水进口18c，热交换器高温水出口18d输出到用户，蒸汽发生器1热源侧出口连接热交换器热源侧进口18a，热交换器热源侧出口18b连接外部热源被循环加热，其它部分连接与图1相同。

图4是图1的一种变化，将透平发电装置与压力交换器做成一体化，采用透平5，同轴连接压缩机20和发电机6，热能发动机产生的蒸汽驱动透平做功，部分机械能用于压缩制冷机的循环工质，剩余机械能输出发电。与图1相比，去掉三通阀4、再热器17，其连接是：汽液分离器的出汽口2a直接连接透平进汽口5a，透平出汽口5b连接第一汽液热交换器进汽口12a，透平5同轴连接发电机6和压缩机20；第二汽液热交换器出汽口13b连接压缩机20的低压进口，压缩机20的高压出口连接第二冷凝器14气态工质进口，其它部分连接与图1相同。

Claims (1)

1.一种热能驱动的制冷与发电一体化装置，它由热能发动机和制冷机组成，热能发动机和制冷机的连接是：制冷机中的膨胀器输出轴(16a)与热能发动机中的循环泵输入轴(11a)连接；制冷机中的第二汽液热交换器出汽口(13b)与压力交换器低压进口(7c)连接，压力交换器高压出口(7d)与制冷机中的第二冷凝器(14)气态工质进口连接，热能发动机中的再热器(17)气态工质出口与压力交换器高压进汽口(7a)连接，压力交换器低压出口(7b)连接热能发动机中的第一汽液热交换器进汽口(12a)；

热能发动机采用有机工质朗肯循环，包括蒸汽发生器(1)、汽液分离器(2)、两通阀(3)、三通阀(4)、透平(5)、发电机(6)、所述压力交换器(7)、第一冷凝器(8)，合流器(9)、储液器(10)、循环泵(11)、第一汽液热交换器(12)、再热器(17)，其中：蒸汽发生器(1)气态工质出口连接汽液分离器(2)入口，汽液分离器液态工质出口(2b)连接两通阀(3)进口，汽液分离器气态工质出口(2a)连接三通阀(4)进口，三通阀第一出口(4a)连接透平(5)进口，透平输出轴(5a)与发电机(6)输入轴同轴连接，透平气态工质出口(5b)连接再热器(17)气态工质进口，再热器(17)气态工质出口与三通阀第二出口(4b)的蒸汽混合后进入压力交换器的高压进汽口(7a)，压力交换器低压出口(7b)连接第一汽液热交换器进汽口(12a)，第一汽液热交换器出汽口(12b)连接第一冷凝器(8)气态工质进口，第一冷凝器(8)的液态工质出口连接合流器的进液口(9a)，两通阀(3)出口连接合流器的进液口(9b)，合流器(9)出口连接储液器(10)进口，储液器(10)出口连接循环泵入口(11b)，泵(11)出口连接第一汽液热交换器的进液口(12c)，第一汽液热交换器的出液口(12d)连接蒸汽发生器(1)的进口；

制冷机包括所述压力交换器(7)、第二汽液热交换器(13)、第二冷凝器(14)、蒸发器(15)、膨胀器(16)，再热器(17)，热交换器(18)，膨胀阀(19)，压缩机(20)，其中：蒸发器(15)气态工质出口连接第二汽液热交换器进汽口(13a)，第二汽液热交换器出汽口(13b)连接所述压力交换器的低压进口(7c)，所述压力交换器的高压出口(7d)连接第二冷凝器(14)气态工质进口，第二冷凝器(14)液态工质出口连接第二汽液热交换器进液口(13c)，第二汽液热交换器出液口(13d)连接膨胀器(16)进液口，膨胀器工质出口(16b)连接蒸发器(15)工质进口，膨胀器输出轴(16a)与循环泵输入轴(11a)同轴连接；蒸汽发生器(1)和再热器(17)的热源侧进口与外部热源连接，热源侧出口返回到外部热源被循环加热，第一冷凝器(8)和第二冷凝器(14)冷凝水来自外界冷凝水源，第一冷凝器(8)和第二冷凝器(14)冷凝水出口返回冷凝水源，蒸发器(15)的冷冻水出入口与空调末端相连。

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