專利名稱：一種帶吸收器的低溫動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及動(dòng)力循環(huán)領(lǐng)域，具體涉及一種帶吸收器的低溫動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有的發(fā)電技術(shù)中，通常采用水作為循環(huán)工質(zhì)，由于水的汽化潛熱較大，使得循 環(huán)效率較低，而大量低溫余熱直接排放至大氣中，浪費(fèi)了大量能源。在有限低溫流體冷源與 常溫環(huán)境熱源的條件下，用水作為循環(huán)工質(zhì)顯然是不可行的。為尋找適合于常溫?zé)嵩春陀邢薜蜏亓黧w冷源的動(dòng)力循環(huán)的工質(zhì)，國內(nèi)外進(jìn)行了大 量關(guān)于有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)的研究，主要集中在工質(zhì)的選擇、參數(shù)的合理匹配及性能的優(yōu) 化等方面，其中最關(guān)鍵的是循環(huán)工質(zhì)的選擇。目前主要是針對純工質(zhì)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)。使用有機(jī)純工質(zhì)可適用于有限低溫流體冷 源與常溫環(huán)境熱源的動(dòng)力循環(huán)，并提高動(dòng)力循環(huán)效率?？墒钱?dāng)有限低溫流體冷源溫度變化 時(shí)，由于純工質(zhì)的相變溫度是固定的，不能充分利用變溫冷源的可用能量，造成了能量的損 失。為了提高有限低溫冷源可用能利用效率和循環(huán)對外輸出的凈功，應(yīng)使工質(zhì)在放熱 過程中與低溫冷源進(jìn)行溫度變化相匹配的熱交換。非共沸混合工質(zhì)在冷凝時(shí)，不同于純工 質(zhì)的等溫冷凝，是一個(gè)降溫過程，與有限低溫冷源氣化過程中的溫度變化的匹配情況較為 一致，使得因換熱不匹配而引起的可用能和做功能力的損失有所減少，因此被廣泛關(guān)注和 大力研究。使用混合工質(zhì)的有機(jī)朗肯循環(huán)可以有效解決工質(zhì)與低溫冷源溫度匹配的問題， 但是混合工質(zhì)的冷凝壓力較高，導(dǎo)致汽輪機(jī)背壓也偏高，循環(huán)的對外凈輸出功減小。Kalina在1984年提出了以氨水為混合工質(zhì)的循環(huán)(USP4489563)，隨后又在一系 列專利中提出多級(jí)透平和多級(jí)分餾的氨水吸收式動(dòng)力循環(huán)，如USP4548043、USP4586340、 USP4604867、USP4732005、USP4763480、USP4899545、USP4982568、USP5029444、USP5095708。 Kalina循環(huán)的基本思想是在系統(tǒng)中加入一套吸收式制冷中的分餾冷凝系統(tǒng)，組成一個(gè)混 合工質(zhì)濃度變化的動(dòng)力循環(huán)。通過改變工質(zhì)的濃度，既降低了背壓使循環(huán)對外輸出的凈功 增大，減少了換熱過程中的可用能損失，又保證工質(zhì)可以完全冷凝，使循環(huán)能夠正常運(yùn)行。 Kalina循環(huán)的對外凈輸出功明顯大于朗肯循環(huán)，可用能利用率也大大提高，但是增加了大 量的換熱器，使得系統(tǒng)較為復(fù)雜，投資較多，尤其是多級(jí)Kalina循環(huán)。而且Kalina循環(huán)是 針對有限熱流體熱源和近似恒溫的環(huán)境冷源提出的動(dòng)力循環(huán)。因此，針對近似恒溫的環(huán)境 熱源和有限低溫流體的冷源，動(dòng)力循環(huán)要求進(jìn)行相應(yīng)改變，實(shí)現(xiàn)對熱源和冷源的最佳匹配。 同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性，對動(dòng)力循環(huán)及其工質(zhì)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，才能真正獲得較高可用能利用率和 動(dòng)力循環(huán)效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于根據(jù)現(xiàn)有的動(dòng)力循環(huán)中存在的系統(tǒng)復(fù)雜、投資較高、能源浪費(fèi)
3較高等問題，提供一種能提高能源利用率，減少能源浪費(fèi)的帶吸收器的低溫動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)。本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明帶吸收器的低溫動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)由發(fā)生器、汽輪機(jī)、再熱器、冷凝器、吸收器、 低溫泵和溶液換熱器等設(shè)備所構(gòu)成的特定流程。在常溫?zé)嵩吹募訜嵯拢晒べ|(zhì)在發(fā)生器(1) 中被發(fā)生成氣體和液體兩部分，氣體進(jìn)入汽輪機(jī)(2)膨脹做功，經(jīng)再熱器(3)被常溫?zé)嵩醇?熱后再次進(jìn)入汽輪機(jī)(4)膨脹做功，然后經(jīng)過冷凝器(5)被有限低溫冷源部分冷凝；發(fā)生器 (1)產(chǎn)生的液體進(jìn)入膨脹機(jī)(9)膨脹做功(或由一個(gè)節(jié)流閥替代膨脹機(jī)(9)節(jié)流降壓)后 經(jīng)溶液換熱器⑶降溫，然后進(jìn)入吸收器(6)，吸收來自冷凝器(5)的低溫氣或氣液混合流 體；吸收器(6)由有限低溫冷源帶走吸收熱，生成的溶液經(jīng)低溫泵(7)加壓后進(jìn)入溶液換熱 器(8)，然后再次進(jìn)入發(fā)生器(1)完成一次循環(huán)。本發(fā)明利用有限低溫冷源與常溫?zé)嵩?，其中，低溫冷源為可變溫的低溫流體，在吸 熱過程中溫度發(fā)生變化，常溫?zé)嵩礊榻坪銣氐沫h(huán)境熱源，在吸熱過程中溫度變化范圍小。 采用由碳?xì)浠衔颒Cs、氯氟烴類CFCs、含氫氯氟烴類HCFCs、氫氟烴類HFCs、全氟代烷烴類 FCs、其它有機(jī)化合物和無機(jī)化合物組成的二元或多元混合工質(zhì)，在冷凝和吸收放熱時(shí)與有 限低溫冷源吸熱過程中的溫度變化的匹配情況較為一致，使得因換熱不匹配而引起的不可 逆損失有所減少，從而提高循環(huán)的可用能利用率和循環(huán)效率。本發(fā)明在冷凝器與低溫泵之間連接有吸收器，經(jīng)汽輪機(jī)排出的混合流體中氣體被 冷凝器部分冷凝，然后進(jìn)入吸收器被來自溶液換熱器的溶液所吸收，完全凝結(jié)成為液體后 進(jìn)入低溫泵循環(huán)使用。采用吸收器后，極大地降低了汽輪機(jī)的背壓，提高了循環(huán)的輸出功。 在溶液換熱器和汽輪機(jī)之間連接有發(fā)生器，將低溫液體發(fā)生成氣液兩部分，氣體進(jìn)入汽輪 機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力，液體進(jìn)入汽輪機(jī)膨脹做功后經(jīng)溶液換熱器降溫后進(jìn)入吸收器(或由一個(gè)節(jié)流 閥替代膨脹機(jī)節(jié)流降壓后經(jīng)溶液換熱器降溫后進(jìn)入吸收器)，吸收來自冷凝器的混合工質(zhì)。 吸收器和發(fā)生器有效地解決了混合工質(zhì)氣化和冷凝的問題，降低了汽輪機(jī)的背壓，提高了 循環(huán)的輸出功。本發(fā)明的動(dòng)力循環(huán)的輸出功主要由汽輪機(jī)的進(jìn)口壓力和背壓決定。由于采用常溫 熱源且溫度近似恒定，汽輪機(jī)的進(jìn)口壓力是一定的。因此，汽輪機(jī)背壓對循環(huán)的輸出功影響 最大，背壓越低，循環(huán)的輸出功越大。采用混合工質(zhì)以及吸收器和發(fā)生器后，汽輪機(jī)背壓大 大降低，循環(huán)的輸出功提高。本發(fā)明所述工質(zhì)為碳?xì)浠衔颒Cs、氯氟烴類CFCs、含氫氯氟烴類HCFCs、氫氟烴 類HFCs、全氟代烷烴類FCs、其它有機(jī)化合物、其它無機(jī)化合物組成的二元或多元混合工 質(zhì)。作為一種優(yōu)選方案，所述碳?xì)浠衔颒Cs為R50、R170、R290、R600a、R600、R601a、 R601、C6H14, C7H16> C8H18, Rl 150 或 R1270 ；所述氯氟烴類 CFCs 為 Rll、R12、R13、RllU Rl 12、 R113、R114、R115、R211、R212、R213、R214、R215、R216 或 R217 ；所述含氫氯氟烴類 HCFCs 為 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 ；所述氫氟烴類 HFCs 為 R23、R32、R41、R125、 R134、R134a、R143、R143a、R152a、R161、R227、R227ea、R236ea、R236fa、R245cb、R245ca、 R245eb、R245fa或R254cb ；所述全氟代烷烴類FCs為R14、Rl 16、R218或RC318 ；所述其它有機(jī)化合物為R30、R40、R160、R610或C2F4 ；所述其它無機(jī)化合物為R728、R729、R704。本發(fā)明帶吸收器的低溫動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)適用于近似低溫的環(huán)境熱源和有限低溫流 體冷源之間的動(dòng)力循環(huán)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果(1)本發(fā)明通過采用碳?xì)浠衔颒Cs、氯氟烴類CFCs、含氫氯氟烴類HCFCs、氫氟 烴類HFCs、全氟代烷烴類FCs、其它有機(jī)化合物、其它無機(jī)化合物組成的二元或多元混合工 質(zhì)，使在冷凝和吸收放熱時(shí)與有限低溫冷源吸熱過程中的溫度變化的匹配情況較為一致， 減少了因換熱不匹配引起的不可逆損失，提高了循環(huán)系統(tǒng)的可用能利用率和循環(huán)效率；(2)本發(fā)明通過采用吸收器，極大的降低了汽輪機(jī)的背壓，提高了循環(huán)的輸出功， 通過吸收器和發(fā)生器，有效地解決了混合工質(zhì)氣化和冷凝的問題，降低了汽輪機(jī)的背壓，提 高了循環(huán)系統(tǒng)的輸出功；(3)本發(fā)明采用二元或多元混合工質(zhì)回收有限低溫流體冷能，提高了能源利用率， 減少能源浪費(fèi)。


圖1為本發(fā)明的低溫動(dòng)力循環(huán)流程示意圖，圖中1、發(fā)生器，2、汽輪機(jī)，3、再熱 器，4、汽輪機(jī)，5、冷凝器，6、吸收器，7、低溫泵，8、溶液換熱器，9、膨脹機(jī)；——循環(huán)工質(zhì)；
_________熱源流體(如海水等環(huán)境熱源)；---------有限冷源流體(如LNG等低溫流體)。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合實(shí)施例來進(jìn)一步解釋本發(fā)明，但實(shí)施例并不對本發(fā)明做任何形式的限定。實(shí)施例采用CF4和C3H8組成的二元混合工質(zhì)，CF4摩爾濃度為0. 771，C3H8摩爾濃度為 0.229。采用海水作為常溫環(huán)境熱源，海水進(jìn)、出口溫度分別為20°C和15°C。有限低溫流體 冷源為液化天然氣(LNG)，壓力和溫度分別為30bar和_162°C。本發(fā)明的低溫動(dòng)力循環(huán)方式參照附圖1的描述，壓力為48. 6bar, CF4摩爾濃度為0. 771的混合工質(zhì)溶液被海 水加熱至10°c，在發(fā)生器(1)中被發(fā)生成氣液兩部分，氣體約占97%，液體約占3%。氣體 進(jìn)入汽輪機(jī)(2)膨脹至2. 5bar，然后進(jìn)入再熱器(3)，被海水加熱至10°C后進(jìn)入汽輪機(jī)(4) 再次膨脹做功，膨脹后的壓力降為0.952bar，溫度為-23°C。汽輪機(jī)的排氣在冷凝器(5)中 被LNG部分冷凝，然后進(jìn)入吸收器(6)。從發(fā)生器發(fā)生出來的液體直接進(jìn)入膨脹機(jī)(9)膨 脹做功，壓力降為0.952bar，溫度為-79°C，然后通過溶液換熱器(8)降溫至_122°C后進(jìn) 入吸收器(6)與LNG換熱，并吸收來自冷凝器的混合工質(zhì)，混合工質(zhì)在吸收器中完全被冷 凝為-125. 5 °C的飽和液體，然后被低溫泵加壓至48. 6bar，再進(jìn)入溶液換熱器(8)被加熱 至-121°C后再次進(jìn)入發(fā)生器(1)，完成一次完整的循環(huán)。30bar、-162°C的LNG依次經(jīng)過吸 收器和冷凝器，分別被加熱為-126. 5°C和_39°C，然后被海水氣化至10°C后可直接被用戶 使用。
將本發(fā)明與有機(jī)朗肯循環(huán)進(jìn)行比較，可以得到表1所示的結(jié)果。從表1可以看出，在相同的LNG壓力條件下，本發(fā)明的動(dòng)力循環(huán)比有機(jī)朗肯循環(huán)相 比，單位LNG輸出功和最大可用能利用率均比有機(jī)朗肯循環(huán)提高了 43%，這說明本發(fā)明的 循環(huán)比較常規(guī)的有機(jī)朗肯循環(huán)具有顯著的優(yōu)越性，可以有效提高動(dòng)力循環(huán)和低溫冷源能量 (冷能)的利用率，減少能源浪費(fèi)。表1本發(fā)明動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)與有機(jī)朗肯循環(huán)的比較
權(quán)利要求
一種帶吸收器的低溫動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)，由發(fā)生器、汽輪機(jī)、再熱器、冷凝器、吸收器、低溫泵和溶液換熱器構(gòu)成，其特征在于所述是一個(gè)熱源和有限低溫流體冷源之間的動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)，其中，工質(zhì)在發(fā)生器(1)中被熱源加熱，產(chǎn)生氣體和液體，氣體進(jìn)入汽輪機(jī)(2)膨脹做功，經(jīng)再熱器(3)加熱后再次進(jìn)入汽輪機(jī)(4)膨脹做功，然后經(jīng)過冷凝器(5)被有限低溫冷源部分冷凝；發(fā)生器(1)產(chǎn)生的液體進(jìn)入膨脹機(jī)(9)膨脹做功(或由一個(gè)節(jié)流閥替代膨脹機(jī)(9)節(jié)流降壓)后經(jīng)溶液換熱器(8)降溫，然后進(jìn)入吸收器(6)，吸收來自冷凝器(5)的低溫氣或氣液混合流體；吸收器(6)由有限低溫冷源帶走吸收熱，生成的混合工質(zhì)液體(溶液)經(jīng)低溫泵(7)加壓后進(jìn)入溶液換熱器(8)，然后再次進(jìn)入發(fā)生器(1)完成一次循環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述帶吸收器的低溫動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于所述冷凝器(5)與 低溫泵(7)之間連接有吸收器(6)，溶液換熱器(8)和汽輪機(jī)(2)之間連接有發(fā)生器(1)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述帶吸收器的低溫動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于所述汽輪機(jī)(2)和 汽輪機(jī)(4)之間連接有再熱器(3)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述帶吸收器的低溫動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于所述低溫冷源依次 經(jīng)過吸收器(6)、冷凝器(5)和換熱器(10)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶吸收器的低溫動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于所述熱源為常溫 環(huán)境熱源，有限低溫流體冷源為變溫冷源。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的帶吸收器的低溫動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于所述熱源為恒溫 的環(huán)境熱源。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶吸收器的低溫動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于所述工質(zhì)為碳?xì)?化合物HCs、氯氟烴類CFCs、含氫氯氟烴類HCFCs、氫氟烴類HFCs、全氟代烷烴類FCs、其它有 機(jī)化合物、其它無機(jī)化合物組成的二元或多元混合工質(zhì)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的帶吸收器的低溫動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于所述碳?xì)浠衔?HCs 為 R50、R170、R290、R600a、R600、R601a、R601、C6H14、C7H16、C8H18、R1150 或 R1270 ；所述氯 氟烴類 CFCs 為 R11、R12、R13、R111、R112、R113、R114、R115、R211、R212、R213、R214、R215、 R216 或 R217 ；所述含氫氯氟烴類 HCFCs 為 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 述氫氟烴類 HFCs 為 R23、R32、R41、R125、R134、R134a、R143、R143a、R152a、R161、R227、 R227ea、R236ea、R236fa、R245cb、R245ca、R245eb、R245fa 或 R254cb ；所述全氟代燒烴類 FCs 為 R14、R116、R218 或 RC318。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的帶吸收器的低溫動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于所述其它有機(jī)化 合物為R30、R40、R160、R610或C2F4 ；所述其它無機(jī)化合物為R728、R729、R704。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種帶吸收器的低溫動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)。本發(fā)明帶吸收器的低溫動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)由發(fā)生器、汽輪機(jī)、再熱器、冷凝器、吸收器、低溫泵和溶液換熱器構(gòu)成，其中，工質(zhì)是由碳?xì)浠衔颒Cs、氯氟烴類CFCs、含氫氯氟烴類HCFCs、氫氟烴類HFCs、全氟代烷烴類FCs組成的二元或多元混合工質(zhì)，冷熱源分別為有限低溫流體冷源和常溫環(huán)境熱源。本發(fā)明的循環(huán)比較常規(guī)的有機(jī)朗肯循環(huán)具有顯著的優(yōu)越性，可以有效提高動(dòng)力循環(huán)和低溫冷源能量(冷能)的利用效率，減少能源浪費(fèi)。
文檔編號(hào)F01K11/02GK101929361SQ201010216858
公開日2010年12月29日 申請日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月2日
發(fā)明者劉燕妮, 皇甫立霞, 郭開華 申請人:中山大學(xué)