[發明專利]回收工質有效成分制冷的功冷聯產系統及方法

有效

• 申請號: 201310071617.8
• 申請日: 2013-03-07
• 公開（公告）號: CN103161528A
• 公開（公告）日: 2013-06-19
• 發明（設計）人: 金紅光;韓巍;孫流莉;鄭丹星
• 申請（專利權）人: 中國科學院工程熱物理研究所
• 主分類號: F01K25/06
• 分類號: F01K25/06;F01K25/10;F25B29/00;F25B27/00;F25B41/06;F25B15/04
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 任巖

技術領域

本發明涉及中低溫熱源利用技術領域，特別是一種以氨水混合物為工質的回收工質有效成分制冷的功冷聯產系統及方法。

背景技術

中低溫熱源來源廣，數量大，在大力倡導節能減排的今天，得到了廣泛的重視。中低溫熱源主要包括兩大部分：第一是工業生產中排放的余熱，比如冶金、化工、建材、機械、電力等行業中的各種冶煉爐、加熱爐、內燃機和鍋爐的排氣排煙，由于我國工業能耗約占全國總能耗的三分之二，而50％以上以中低溫廢熱的形式排放掉，因此回收利用這部分熱量具有巨大的節能潛力；第二部分是太陽能、地熱等中低溫可再生能源，隨著我國能源結構的調整，可再生能源所占的比例將會越來越大。加強對這些中低溫熱源的利用，將減少對化石能源的消耗，達到節能減排的效果。

除了直接的熱利用(比如干燥、采暖、加熱等)，中低溫熱源還可以用于發電或制冷。近年來采用混合工質進行功冷聯供的系統得到了更廣泛的關注，該類系統主要采用氨水二元混合物為工質，通過動力子循環和吸收式制冷子循環的有機整合，實現了對熱源的高效利用。

美國的Goswami等提出一個基于氨水吸收式制冷循環的功冷聯供系統，用蒸氣透平取代氨水吸收式制冷循環中的冷凝器和節流閥，將塔頂產出的高壓蒸氣用于驅動透平做功，再利用透平的低溫排氣制冷，實現了功冷聯供。但由于參與做功和制冷的工質量過少，而且制冷過程主要利用的是低溫蒸氣的顯熱，所以制冷量相對較小。

日本Waseda?University的Amano等將氨水動力循環和吸收式制冷循環結合，實現功冷聯供。該循環從氨水動力循環向制冷循環的精餾塔入口引入濃度較高的溶液，以減小精餾耗熱。該循環被用于一個先進聯產系統(advanced?cogeneration?system，ACGS)，上游是燃氣輪機和蒸汽輪機聯合循環，蒸汽輪機排汽壓力約為6bar，作為底部氨水循環的熱源。

我國北京化工大學的鄭丹星等在Kalina循環的基礎上提出一個功冷聯供系統，該循環用精餾塔(包含塔頂冷凝器和塔釜再沸器)取代Kalina循環中的閃蒸器，并在精餾塔和高壓吸收器之間加入節流閥和蒸發器用于實現制冷功能。但該循環中透平排氣熱量回收不徹底，排熱損失較大。

中國科學院工程熱物理研究所的張娜等人在氨水吸收式制冷基礎上，加入動力循環所需部件(高壓泵、余熱鍋爐、透平等)，提出了并聯型和串聯型氨水工質的功冷聯供系統來利用排煙熱量。所謂“并聯”是指動力工質與制冷工質分別來自于精餾塔塔釜和塔頂，是兩個獨立的利用過程。并聯循環中由于動力子循環的工質是塔釜稀溶液，因此濃度較低，透平背壓也可以較低，有利于出功，但稀溶液蒸發過程溫度變化較小，對煙氣換熱過程的溫度匹配改善程度較低。所謂“串聯”是指同一股工質先用于動力循環，再用于制冷循環。串聯循環中動力子循環的工質是來自于吸收器的濃溶液，濃度較高，蒸發過程溫度變化較大，可以與顯熱熱源進行良好的溫度匹配，但透平排氣壓力較高，不利于出功。在此基礎上作者又提出了混聯和濃度可調型系統，提高了系統性能，但也使系統更加復雜且難以實現精確的調節控制。

西安交通大學的Wang等對Zhang的并聯循環進行簡化，因此系統更簡單、安全。但該循環中仍存在系統排熱溫度高的問題。為了提高系統制冷性能，Wang等將噴射器引入該循環，形成了吸收-噴射復合式功冷聯供系統。Ma等還研究了適于高溫余熱資源的氨水工質冷熱電聯產系統，并將其應用于燃料電池-燃氣輪機聯合循環的下游，回收利用526℃的燃機排煙熱量。

印度Karunya?University的Jawahar等在氨水GAX(generator?absorber?exchange)制冷循環中增加一個透平通路(包括過熱器和透平)，與冷凝器、節流閥和蒸發器并聯，形成功冷聯供系統。該循環通過調節蒸汽分流比，可以實現任意功冷比例的連續調節，但做功和制冷所用的工質都來自于高壓GAX換熱器產生的蒸氣，因此二者也互相限制。

現有的功冷聯供循環技術通過做功和制冷子循環的有機整合來梯級利用驅動熱源熱量，但對循環內部熱量的回收利用以及兩個子循環之間工質的物質交換并沒有給予足夠重視。且目前的混合工質循環大多以發電為主，制冷量相對較少，功冷比例不易調節。

發明內容

(一)要解決的技術問題

為了克服現有中低溫熱源驅動的功冷聯供系統的缺點，本發明提出了一種回收工質有效成分制冷的功冷聯產系統及方法，通過對做功子循環和吸收式制冷子循環進行有機整合，來解決對循環內部熱量的回收利用以及動力子循環排氣中有效成分沒有回收利用等問題。