CN114811993B - 一种基于太阳能驱动的二氧化碳混合工质冷热电联供*** - Google Patents

一种基于太阳能驱动的二氧化碳混合工质冷热电联供*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于太阳能驱动的二氧化碳混合工质冷热电联供***，太阳能集热***经过渡循环***与循环回路连接，循环回路上设置有CO2混合工质，循环回路包括透平，透平经喷射器与过渡循环***连接，在夏季，关闭供热***，可通过喷射式制冷循环实现制冷；在冬季，关闭喷射式制冷循环，可使用透平出口乏气的余热对外供热，实现对太阳能光热能的有效利用，在全年中均可输出电能。本发明针对长时间充分利用太阳能的需求，将供热支路与喷射式制冷循环相耦合形成冷热电联供***，在全年内均可利用太阳能输出电能，并在冬季与夏季分别对外供热与制冷，实现太阳能的高效充分利用。

Description

一种基于太阳能驱动的二氧化碳混合工质冷热电联供***
技术领域
本发明属于中低温热能回收与动力工程技术领域，具体涉及一种基于太阳能驱动的二氧化碳混合工质冷热电联供***。
背景技术
请参阅图1，传统的带气液分离器背压喷射式冷电联供***主要由加热器16、增压泵6、气液分离器17、冷凝器7、节流阀13、蒸发器12、透平11、喷射器10、冷却器9组成。从喷射器10出来的CO2混合工质进入冷却器9并冷凝至两相区，进入气液分离器17进行组分分离后分为两股流体；其中一股含有较低浓度CO2的混合工质饱和溶液经过节流阀13膨胀进入蒸发器12蒸发吸热并产生制冷量，从蒸发器12出来的饱和气态混合工质再作为引射流体被抽吸至喷射器10；而另一股含较高浓度CO2的混合工质饱和蒸气经冷凝器7冷凝成饱和液态，再通过增压泵6增压，在加热器16中吸收低温热源热量变为高温高压超临界状态，进入透平11膨胀做功，透平11旋转带动发电机生产电能。做功后透平11的排气进入喷射器10，作为工作蒸气抽吸从蒸发器出来的工质并与之混合，经扩压器扩压后流出喷射器10，如此完成整个循环流程。
当***在冬季运行时，透平出口排气仍具有较高的温度和压力，但冬季的制冷需求一般较低，喷射式制冷循环部分一般处于关闭状态，***仅通过透平输出电能，此时***的热力性能相比于冷电联供运行状态有所降低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于太阳能驱动的二氧化碳混合工质冷热电联供***，克服传统带气液分离器的背压喷射式冷电联供***在冬季无制冷需求时不能充分利用透平排气余热的缺点。
本发明采用以下技术方案：
一种基于太阳能驱动的二氧化碳混合工质冷热电联供***，包括太阳能集热***，太阳能集热***经过渡循环***与主循环回路连接，主循环回路上设置有CO2混合工质，主循环回路包括透平，透平经喷射器与过渡循环***连接，在夏季，关闭供热***，可通过喷射式制冷循环实现制冷；在冬季，关闭喷射式制冷循环，可使用透平出口乏气的余热对外供热，实现对太阳能光热能的有效利用，在全年中均可输出电能。
具体的，透平的入口与过渡循环***的蒸气发生器的出口连接，透平的出口经喷射器、冷却器、气液分离器和冷凝器后与蒸气发生器的入口连接。
进一步的，冷凝器与蒸气发生器之间的连接管道上设置有增压泵。
进一步的，透平的出口与冷却器的入口连接。
进一步的，气液分离器的液体工质端经蒸发器与喷射器的入口连接，蒸发器用于制冷。
更进一步的，气液分离器与蒸发器之间的连接管道上设置有节流阀。
具体的，透平的出口连接发电机用于电功输出。
具体的，透平的出口连接热交换器用于供热。
具体的，太阳能集热***包括太阳能集热器，太阳能集热器的出口与蓄热水箱的入口连接，蓄热水箱的出口与太阳能集热器的入口连接形成循环回路，蓄热水箱的出口与太阳能集热器的入口之间设置有第一循环泵。
具体的，过渡循环***包括蒸气发生器，蒸气发生器的出水口经太阳能集热***的蓄热水箱与蒸气发生器的进水口连接，蒸气发生器的出水口与蓄热水箱之间设置有第二循环泵。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种基于太阳能驱动的二氧化碳混合工质冷热电联供***，包括太阳能集热***、过渡循环***以及主循环回路，太阳能集热***经过渡循环***与主循环回路连接，主循环回路上设置有CO2混合工质。太阳能集热***将光热能转化为工质的内能并在蓄热水箱中存储，***工作时开启过渡循环***，蒸气发生器为主循环回路提供热源。主循环回路包括透平、供热支路与背压喷射式制冷循环，通过在冬季与夏季分别关闭制冷循环以及供热支路适应外界的负荷需求，从而实现对太阳能光热能源的高效、长期利用。
进一步的，透平的入口与过渡循环***的蒸气发生器的出口连接，透平的出口经喷射器、冷却器、气液分离器和冷凝器后与蒸气发生器的入口连接。透平出口处引出一部分透平乏气在喷射器入口处作为工作蒸气抽吸蒸发器出口的工质。喷射器出口处的工质在冷却器中冷却至两相区，之后进入气液分离器，气液分离器分离出的一股含较高浓度CO2的混合工质饱和蒸气经冷凝器冷凝成饱和液态。
进一步的，冷凝器与蒸气发生器之间的连接管道上设置有增压泵，冷凝器出口处的饱和液态CO2工质通过增压泵增压，之后在蒸气发生器内吸热，转变为高温高压超临界态，进入透平膨胀做功，带动发电机生产电能。
进一步的，透平的出口与冷却器的入口连接，此处引出剩余的另一部分透平乏气与喷射器出口的工质混合，并在冷却器中冷却至两相区。
进一步的，气液分离器下部经蒸发器与喷射器的入口连接，***在夏季工作时，气液分离器分离出的一股含较低浓度CO2的混合工质饱和溶液在蒸发器中蒸发吸热产生制冷量，之后被喷射器入口的工作蒸气抽吸回喷射器入口，完成循环流程。
进一步的，气液分离器与蒸发器之间的连接管道上设置有节流阀，含有较低浓度CO2的混合工质饱和溶液在节流阀中降压，其温度与压力进一步降低。
进一步的，透平连接发电机，***运行时透平将高温高压超临界态CO2工质的内能转化为自身机械能，旋转带动发电机实现电能输出。
进一步的，透平的出口连接热交换器，***在冬季工作时通过热交换器使利用透平出口乏气的余热对外供热。
进一步的，太阳能集热***中，太阳能集热器的出口与蓄热水箱的入口连接，蓄热水箱的出口与太阳能集热器的入口连接形成循环回路，在储热过程中工质在太阳能集热器中吸收太阳能光热，之后进入蓄热水箱。蓄热水箱的出口与太阳能集热器的入口之间设置有第一循环泵，在储热工作期间开启，用于驱动太阳能集热***中的工质流动。
进一步的，过渡循环***中，蒸气发生器的出水口经太阳能集热***的蓄热水箱与蒸气发生器的进水口连接，工质通过蒸气发生器与主循环回路的工质换热，为主循环回路提供热源。蒸气发生器的出水口与蓄热水箱之间设置有第二循环泵，在工作过程中用于驱动过渡循环***中的工质流动。
综上所述，本发明针对长时间充分利用太阳能的需求，将供热支路与喷射式制冷循环相耦合形成冷热电联供***，所提出的***在全年内均可利用太阳能输出电能，并在冬季与夏季分别对外供热与制冷，实现太阳能的高效充分利用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为传统带气液分离器背压喷射式冷电联供***示意图；
图2为本发明***示意图；
图3为本发明工作流程图。
其中：1.太阳能集热器；2.蓄热水箱；3.第一循环泵；4.蒸气发生器；5.第二循环泵；6.增压泵；7.冷凝器；8.气液分离器；9.冷却器；10.喷射器；11.透平；12.蒸发器；13.节流阀；14.发电机；15.热交换器；16.加热器；17.气液分离器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种基于太阳能驱动的二氧化碳混合工质冷热电联供***，将太阳能集热***、喷射式制冷循环***、供热***相耦合，在输出电能的同时，在冬季与夏季分别满足制热与制冷需求，使得***在全年时间内均可实现太阳能的充分利用。
请参阅图2，本发明一种基于太阳能驱动的二氧化碳混合工质冷热电联供***，包括太阳能集热器1、蓄热水箱2、第一循环泵3、蒸气发生器4、第二循环泵5、气液分离器8、冷却器9、喷射器10、透平11、蒸发器12和热交换器15。
太阳能集热***包括依次连接的太阳能集热器1、蓄热水箱2和第一循环泵3，蓄热水箱2的出口经第一循环泵3和太阳能集热器1与蓄热水箱2的入口连接。
过渡循环***包括蒸气发生器4，蒸气发生器4的出水口经第二循环泵5和蓄热水箱2与蒸气发生器4的进水口连接形成回路。
主循环回路包括喷射器10、透平11、蒸发器12和热交换器15，循环回路内设置有CO2混合工质，蒸气发生器4的出口与透平11的入口连接，CO2混合工质经蒸气发生器4吸热至高温高压超临界态后流入透平11，透平11的出口分别与热交换器15、冷却器9和喷射器10连接。
喷射器10的出口通过冷却器9连接气液分离器8的入口，气液分离器8的出口分两路，一路经节流阀13和蒸发器12与喷射器10的入口连接，另一路经冷凝器7连接至增压泵6的入口，增压泵6的出口与蒸气发生器4的入口连接，由此形成了CO2混合工质的循环回路。
本发明一种基于太阳能驱动的CO2混合工质冷热电联供***，可实现对太阳能光热能的有效利用，在全年中均可输出电能；在夏季，关闭供热***，可通过喷射式制冷循环实现制冷；在冬季，关闭喷射式制冷循环，可使用透平出口乏气的余热对外供热。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图3，本发明一种基于太阳能驱动的二氧化碳混合工质冷热电联供***的工作原理如下：
***在夏季运行时，供热支路(2b-3b)关闭，***进入冷电联供模式，具体工作流程如下：
从增压泵出来的低温高压的CO2混合工质在蒸气发生器中吸收热源热量变为高温高压超临界状态(状态点7)，随后进入透平膨胀做功并带动发电机生产电能(状态点1)，做功后的一股透平抽气(状态点2a)进入喷射器，作为工作蒸气抽吸从蒸发器出来的工质(状态点10)，并与之混合进入混合室后经扩压器扩压后流出喷射器(状态点3)；
另一股透平乏气(状态点2c)直接与喷射器出口的CO2混合工质混合并进入冷却器冷却至两相区，之后进入气液分离器进行组分分离后分为两股流体(状态点4)，
其中一股含有较低浓度CO2的混合工质饱和溶液(状态点8)经过节流阀膨胀进入蒸发器蒸发吸热并产生制冷量(状态点9)，从蒸发器出来的饱和气态混合工质再作为引射流体被抽吸至喷射器；而另一股含较高浓度CO2的混合工质饱和蒸气(状态点5)经冷凝器冷凝成饱和液态，再通过增压泵增压(状态点6)，从增压泵出来的低温高压的CO2混合工质进入蒸气发生器吸热后继续进行下一轮循环(状态点7)。
***在冬季运行时，喷射式制冷循环(2a-3-4-8-9-10，2c-3-4-8-9-10)停止工作，***进入热电联供模式，具体工作流程如下：
增压泵出口处的高压CO2混合工质(状态点7)在蒸气发生器中吸收热源热量加热升温，进入透平膨胀对外做功并输出电能(状态点1)，透平排气(状态点2b)通过热交换器对外供热，之后进入冷却器(状态点3)冷却后再进入气液分离器(状态点4)，含较高浓度CO2的混合工质饱和蒸气(状态点5)经冷凝器冷凝成饱和液态，再通过增压泵增压(状态点6)，从增压泵出来的低温高压的CO2混合工质进入蒸气发生器吸热后继续进行下一轮循环(状态点7)。
综上所述，本发明一种基于太阳能驱动的二氧化碳混合工质冷热电联供***，针对高效利用太阳能光热能源的需求，提出将背压喷射式制冷循环与供热支路相耦合，构建冷热电联供***，并在冬季与夏季分别使用不同的回路实现供热与制冷，在冬季无制冷需求时可通过关闭制冷***，打开供热支路的方式对外供热，解决了传统背压喷射式冷电联供***在冬季无法有效利用透平排气余热的缺点，并实现对太阳能光热能源的长时间利用。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于太阳能驱动的二氧化碳混合工质冷热电联供***，其特征在于，包括太阳能集热***，太阳能集热***经过渡循环***与主循环回路连接，主循环回路上设置有CO2混合工质，主循环回路包括透平（11），透平（11）经喷射器（10）与过渡循环***连接，在夏季，关闭供热***，可通过喷射式制冷循环实现制冷；在冬季，关闭喷射式制冷循环，可使用透平出口乏气的余热对外供热，实现对太阳能光热能的有效利用，在全年中均可输出电能；
透平（11）的入口与过渡循环***的蒸气发生器（4）的出口连接，透平（11）的出口经喷射器（10）、冷却器（9）、气液分离器（8）和冷凝器（7）后与蒸气发生器（4）的入口连接，气液分离器（8）的液体工质端经蒸发器（12）与喷射器（10）的入口连接，蒸发器（12）用于制冷，透平（11）的出口分别与热交换器（15）、冷却器（9）和喷射器（10）连接；
太阳能集热***包括太阳能集热器（1），太阳能集热器（1）的出口与蓄热水箱（2）的入口连接，蓄热水箱（2）的出口与太阳能集热器（1）的入口连接形成循环回路，蓄热水箱（2）的出口与太阳能集热器（1）的入口之间设置有第一循环泵（3）；
过渡循环***包括蒸气发生器（4），蒸气发生器（4）的出水口经太阳能集热***的蓄热水箱（2）与蒸气发生器（4）的进水口连接，蒸气发生器（4）的出水口与蓄热水箱（2）之间设置有第二循环泵（5）；
冷凝器（7）与蒸气发生器（4）之间的连接管道上设置有增压泵（6），气液分离器（8）与蒸发器（12）之间的连接管道上设置有节流阀（13）；
***在夏季运行时的工作流程如下：
从增压泵（6）出来的低温高压的CO2混合工质在蒸气发生器（4）中吸收热源热量变为高温高压超临界状态，随后进入透平（11）膨胀做功并带动发电机（14）生产电能，做功后的一股透平抽气进入喷射器（10），作为工作蒸气抽吸从蒸发器（12）出来的工质，并与之混合进入混合室后经扩压器扩压后流出喷射器（10）；
另一股透平乏气直接与喷射器（10）出口的CO2混合工质混合并进入冷却器（9）冷却至两相区，之后进入气液分离器（8）进行组分分离后分为两股流体，其中一股含有低浓度CO2的混合工质饱和溶液经过节流阀（13）膨胀进入蒸发器（12）蒸发吸热并产生制冷量，从蒸发器（12）出来的饱和气态混合工质再作为引射流体被抽吸至喷射器（10）；而另一股含高浓度CO2的混合工质饱和蒸气经冷凝器（7）冷凝成饱和液态，再通过增压泵（6）增压，从增压泵（6）出来的低温高压CO2混合工质进入蒸气发生器（4）吸热后继续进行下一轮循环；
***在冬季运行时的工作流程如下：
增压泵（6）出口处的高压CO2混合工质在蒸气发生器（4）中吸收热源热量加热升温，进入透平（11）膨胀对外做功并输出电能，透平（11）排气通过热交换器（15）对外供热，之后进入冷却器（9）冷却后再进入气液分离器（8），含高浓度CO2的混合工质饱和蒸气经冷凝器（7）冷凝成饱和液态，再通过增压泵（6）增压，从增压泵（6）出来的低温高压的CO2混合工质进入蒸气发生器（4）吸热后继续进行下一轮循环。
2.根据权利要求1所述的基于太阳能驱动的二氧化碳混合工质冷热电联供***，其特征在于，透平（11）的出口与冷却器（9）的入口连接。
3.根据权利要求1所述的基于太阳能驱动的二氧化碳混合工质冷热电联供***，其特征在于，透平（11）的出口连接发电机用于电功输出。
4.根据权利要求1所述的基于太阳能驱动的二氧化碳混合工质冷热电联供***，其特征在于，透平（11）的出口连接热交换器（15）用于供热。
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