[發明專利]一種基于二氧化碳工質的低溫熱源驅動型冷電聯產系統及工作方法

在審

• 申請號: 201710884209.2
• 申請日: 2017-09-26
• 公開（公告）號: CN107702367A
• 公開（公告）日: 2018-02-16
• 發明（設計）人: 王江峰;孫勍鉉;趙攀;戴義平
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: F25B9/00
• 分類號: F25B9/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司61200
• 代理人: 徐文權

技術領域

本發明屬于中低溫熱能回收，制冷工程與動力工程技術領域，具體涉及一種基于二氧化碳工質的低溫熱源驅動型冷電聯產系統及工作方法。

背景技術

隨著我國經濟的飛速發展，對能源的消耗越來越大，廣泛的工業活動產生了大量溫度較低且難以回收利用的低品位熱能，較為典型的是溫度為150℃左右的廢氣、廢渣。這類低品位能源一直以來都因較高的回收成本和技術難度沒有被充分利用，但這些熱能的損失占到了工業能量耗散的很大一部分，因此采用合適的技術對此類低溫熱源進行回收利用對降低工業能耗，實現可持續發展具有十分重要的意義。

二氧化碳是一種無毒，穩定，能夠廣泛獲取的氣體，而且其熱力性質也很優秀，因此近年來有很多對二氧化碳動力循環的研究。但二氧化碳利用有兩個比較突出的問題：第一是二氧化碳的冷凝溫度為31.1℃，與室溫相近，二氧化碳循環必然在接近或超過臨界點的區域運行，對二氧化碳的冷凝需要付出較大的成本；第二是二氧化碳在超臨界壓力下具有比熱大、導熱系數高、動力粘度小的特點，因此二氧化碳循環一般都是以超臨界二氧化碳朗肯循環來運行的，這樣系統的運行壓力很高，因此需要提供較大的壓縮功率。

此外，制冷空調行業為了適應傳統制冷工質的淘汰，開始普遍尋找新型工質，其中以二氧化碳為代表的自然工質吸引了大量的目光。現如今，二氧化碳制冷循環得到了普遍的研究和利用，二氧化碳不僅對環境影響較小，而且由于二氧化碳的單位容積制冷量比一般制冷工質大得多，因此對于相同制冷量的系統，系統的容積相對較小。

雖然二氧化碳制冷和動力循環都有較為廣泛的研究，但是并沒有將兩者結合利用以實現冷電聯產的研究。目前在工業過程中，低溫余熱的利用方式一般是直接丟棄或者進行低效回收，造成了大量的能量損失，而在工廠制冷或者需要冷量的環節又是普遍通過電能制冷，這樣就造成了工業生產過程中的能量浪費，在提倡低碳環保和可持續發展的當代社會，這樣的系統顯然不符合時代的要求。

發明內容

為了解決上述問題，本發明的目的是提供了一種基于二氧化碳工質的低溫熱源驅動型冷電聯產系統及工作方法，本發明對合理利用低品位熱源，降低工業能耗，滿足多種能量需求，實現可持續發展具有十分重要的意義，本發明主要涉及中低溫熱能回收利用，制冷和動力工程技術方面的知識，以下是對現有技術進行的詳細介紹。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是，一種基于二氧化碳工質的低溫熱源驅動型冷電聯產系統，包括用于超臨界二氧化碳膨脹做功發電的二氧化碳透平，其輸出端連接的空氣冷凝器將做功后的乏汽進行冷卻，空氣冷凝器輸出端連接有用于膨脹二氧化碳的節流閥，節流閥的輸出端連接有用于將二氧化碳的冷凝交換至環境中的冷卻器，冷卻器輸出端連接有用于壓縮二氧化碳至高壓狀態的壓縮機，壓縮機的輸出端依次連接有用于吸收熱源熱量并加熱二氧化碳的預熱器和蒸發器，蒸發器的輸出端連接在二氧化碳透平的輸入端，將升溫后的二氧化碳送入二氧化碳透平中進行做功發電，預熱器和蒸發器上均設置有引入低品位熱能與二氧化碳進行熱交換的換熱管道。

蒸發器上換熱管道的出口與預熱器換熱管道的入口連通。

預熱器和蒸發器的換熱管道中熱載體為水。

冷卻器上設置有用于與二氧化碳進行熱交換的放熱管道，放熱管道的進口為常溫空氣，經換熱降溫后排入室內。

空氣冷凝器上設置有用于與二氧化碳進行熱交換的吸熱管道，吸熱管道的進口為常溫空氣，經換熱升溫后排入室內。

本發明還提供了一種基于二氧化碳工質的低溫熱源驅動型冷電聯產系統的工作方法，首先，工質二氧化碳被壓縮并加熱至高溫高壓狀態下進入二氧化碳透平進行膨脹做功發電，做功完成后的乏汽進入空氣冷凝器在常溫和常壓狀態下被空氣冷凝，被冷凝的二氧化碳進入制冷過程，首先在節流閥中膨脹至低壓低溫狀態，之后進入冷卻器中將冷量傳遞至需要被冷卻的環境中，實現制冷的過程；之后二氧化碳被壓縮機壓縮至高壓狀態，進入動力過程，經過預熱器和蒸發器階段引入低品位熱能對二氧化碳進行加熱，二氧化碳變為高壓高溫狀態進入二氧化碳透平進行膨脹做功發電。

二氧化碳透平的輸入端連接在蒸發器的輸出端用于接收高溫高壓狀態下的工質二氧化碳。