專利名稱：氨水吸收式動(dòng)力與制冷復(fù)合循環(huán)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種動(dòng)力與制冷復(fù)合循環(huán)方法，特別是以氨水混合物為工質(zhì)，利用中低品位熱發(fā)電、制冷的吸收式動(dòng)力與制冷復(fù)合循環(huán)方法。
背景技術(shù)：
在專利USP4346561中Kalina提出了采用混合工質(zhì)透平產(chǎn)功的動(dòng)力循環(huán)，但是循環(huán)不適用于中高溫?zé)嵩?，而且熱效率較低。為了改進(jìn)循環(huán)，Kalina在1984年提出現(xiàn)在通常所說(shuō)的Kalina循環(huán)(USP4489563)。Kalina又先后在一系列專利中提出了多級(jí)透平和多級(jí)分離的氨水吸收式動(dòng)力循環(huán)，如專利USP4548043、USP4586340、USP4604867、USP4732005、USP4763480、USP4899545、USP4982568、USP5029444、USP5095708。Kalina循環(huán)與傳統(tǒng)的Rankine循環(huán)相比具有較高的熱效率和熱力學(xué)第二定律效率，但是流程要比Rankine循環(huán)復(fù)雜，尤其是多級(jí)Kalina循環(huán)。
迄今報(bào)道的動(dòng)力與制冷復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)，多是利用過(guò)程余熱驅(qū)動(dòng)外置的制冷裝置，用產(chǎn)生的冷量來(lái)冷卻動(dòng)力循環(huán)的壓縮機(jī)入口空氣，以提高動(dòng)力循環(huán)的熱效率。如專利USP5555738、USP6173563和USP6457315。
1995年，Goswami提出了一個(gè)將Rankine循環(huán)和單級(jí)氨水吸收制冷循環(huán)結(jié)合起，同時(shí)產(chǎn)生功和熱的動(dòng)力與制冷復(fù)合循環(huán)(Energy，2000，25[3]233-246)。該循環(huán)利用太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)供熱。氨水混合物通過(guò)精餾塔中加熱，幾乎是純的氨蒸氣離開(kāi)塔頂部分冷凝器后進(jìn)入過(guò)熱器，加熱成過(guò)熱氨蒸氣。透平作功后氨蒸氣的溫度達(dá)到-18℃，在一個(gè)換熱器中吸收環(huán)境的熱量，利用工質(zhì)顯熱制冷。該循環(huán)制冷能力很弱，產(chǎn)功量和產(chǎn)冷量的比例不能調(diào)節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題以中低品位熱為熱源，根據(jù)不同需求調(diào)節(jié)產(chǎn)功量和制冷量的比例，即可滿足單獨(dú)產(chǎn)功的場(chǎng)合，也可用于同時(shí)產(chǎn)功和制冷場(chǎng)合，從而提供一種流程結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，能量利用效率高的吸收式動(dòng)力與制冷復(fù)合循環(huán)方法主要技術(shù)方案本發(fā)明由加熱設(shè)備過(guò)熱器和精餾塔的再沸器、產(chǎn)功設(shè)備透平、產(chǎn)冷設(shè)備蒸發(fā)器、以及換熱器、泵、閥門(mén)組成熱力循環(huán)工藝流程實(shí)現(xiàn)。在中低品位熱源加熱下，濃度為0.3～0.5(以氨為基準(zhǔn))，壓力為1bar～2bar的氨水混合物工質(zhì)物流經(jīng)泵升壓至45bar～55bar，在回?zé)崞骱退獡Q熱器生溫后，進(jìn)入精餾塔；在精餾塔中將工質(zhì)分離成為溫度100℃～150℃、濃度0.7～1.0的工質(zhì)蒸汽和溫度200℃～250℃、濃度0.1～0.3的稀工質(zhì)溶液；將工質(zhì)蒸汽在過(guò)熱器中加熱成為溫度350℃～450℃的過(guò)熱工質(zhì)蒸汽，經(jīng)透平做功后降低壓力；乏汽與精餾塔進(jìn)口物流在回?zé)崞髦袚Q熱；透平出口壓力按兩種運(yùn)行方式調(diào)節(jié)隨著透平出口壓力的減小，體系輸出的功和冷量比例將增加。動(dòng)力與制冷復(fù)合循環(huán)運(yùn)行方式的透平出口壓力調(diào)節(jié)為10bar～20bar，回?zé)崞鞒隹诜ζ鹘?jīng)制冷循環(huán)支路制冷，制冷后的氨蒸汽被低濃度的工質(zhì)溶液吸收，返回精餾塔；動(dòng)力循環(huán)運(yùn)行方式的透平出口壓力調(diào)節(jié)為1bar～2bar，低濃度的工質(zhì)溶液吸收回?zé)崞鞒隹诜ζ祷鼐s塔。
上述的出口乏汽流經(jīng)制冷循環(huán)支路制冷，是將工質(zhì)乏汽經(jīng)冷凝器冷凝成為液態(tài)，并在過(guò)冷器中與來(lái)自蒸發(fā)器的工質(zhì)蒸汽換熱，以降低溫度，然后經(jīng)節(jié)流閥減低至1bar～2bar的壓力。在此壓力下操作的蒸發(fā)器，工質(zhì)吸收冷媒熱量蒸發(fā)，輸出-20℃至空調(diào)溫度水平的冷量。離開(kāi)制冷循環(huán)支路的工質(zhì)蒸汽在吸收器中被低濃度的工質(zhì)溶液吸收，返回精餾塔。
上述以動(dòng)力循環(huán)運(yùn)行方式時(shí)，精餾塔分離出工質(zhì)的濃度為0.7～0.8(以氨為基準(zhǔn))；以動(dòng)力與制冷復(fù)合循環(huán)運(yùn)行方式時(shí)，精餾塔分離出來(lái)工質(zhì)的濃度為0.9～1.0(以氨為基準(zhǔn))。
上述以動(dòng)力與制冷復(fù)合循環(huán)運(yùn)行方式時(shí)，透平出口的壓力為12～17bar。
上述循環(huán)的中低品位驅(qū)動(dòng)熱源分別從過(guò)熱器和精餾塔輸入，精餾塔的輸入熱源溫度200℃～300℃，過(guò)熱器的輸入熱源溫度400℃～600℃。
本發(fā)明循環(huán)的精餾塔塔頂冷凝器的冷卻負(fù)荷和吸收器的大部分冷卻負(fù)荷可以采用風(fēng)冷方式實(shí)施。
發(fā)明的效果(1)以中低品位熱為熱源，該熱源可以是工業(yè)或民用余熱、亦可采用各種可再生能源。
(2)可以靈活地根據(jù)不同需求調(diào)節(jié)產(chǎn)功量和制冷量的比例，可用于單獨(dú)產(chǎn)功的場(chǎng)合或用于同時(shí)產(chǎn)功和制冷場(chǎng)合。
(3)循環(huán)的流程結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。循環(huán)的能量利用效率高，熱力學(xué)完善度高。與單獨(dú)產(chǎn)功的Kalina循環(huán)和單獨(dú)產(chǎn)冷的單級(jí)制冷循環(huán)組合起來(lái)的方案相比，本發(fā)明的動(dòng)力與制冷復(fù)合循環(huán)運(yùn)行方式的綜合熱效率高35％以上，熱力學(xué)第二定律效率高10％以上。與單獨(dú)產(chǎn)功的Kalina循環(huán)相比，本發(fā)明的動(dòng)力循環(huán)運(yùn)行方式的綜合熱效率高5％以上，熱力學(xué)第二定律效率高30％以上。
(4)循環(huán)的55％以上的冷卻負(fù)荷可以采用風(fēng)冷。


圖1為本發(fā)明的動(dòng)力循環(huán)運(yùn)行方式的流程示意圖。
圖2為本發(fā)明的動(dòng)力與制冷復(fù)合循環(huán)運(yùn)行方式的流程示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面分別以系統(tǒng)單獨(dú)產(chǎn)功的場(chǎng)合以及同時(shí)產(chǎn)功與制冷場(chǎng)合為例，對(duì)本發(fā)明詳細(xì)說(shuō)明。
本發(fā)明的動(dòng)力循環(huán)運(yùn)行方式參照?qǐng)D1的流程描述，濃度為(質(zhì)量％)0.3～0.5的工質(zhì)物流A1流經(jīng)泵5后，壓力提高到45bar～55bar，成為高壓工質(zhì)物流A2，在回?zé)崞?中吸收透平3乏汽A8放出的熱量，溫度升高，成為塔釜換熱器進(jìn)口物流A3。物流A3吸收塔釜出口稀工質(zhì)溶液A6放出的熱量后，進(jìn)入精餾塔1。精餾塔將工質(zhì)物流分離成為溫度為100℃～200℃、濃度(質(zhì)量％)為0.7～0.8的工質(zhì)蒸汽A5和溫度為200℃～250℃的稀工質(zhì)溶液A6。物流A5經(jīng)過(guò)熱器2加熱后成為溫度為350℃～400℃的過(guò)熱工質(zhì)蒸汽A7，物流A7在透平3中膨脹將熱能轉(zhuǎn)化成為動(dòng)能完成產(chǎn)功的功能，自身成為中溫、低壓、高濃度乏汽A8，透平出口壓力為1bar～2bar。在回?zé)崞?中物流A8與物流A2換熱成為低溫、低壓、高濃度的廢汽A9。從塔釜出來(lái)的物流A6在塔釜換熱器中加熱進(jìn)塔物流A10，溫度降低，又經(jīng)節(jié)流閥8后，壓力下降，在吸收器7中吸收廢汽A9，成為工質(zhì)物流A1，完成吸收式動(dòng)力循環(huán)。
現(xiàn)將本發(fā)明所提出的動(dòng)力循環(huán)與單級(jí)Kalina循環(huán)相比，單級(jí)Kalina循環(huán)有兩個(gè)吸收器，而本發(fā)明的動(dòng)力循環(huán)只有一個(gè)吸收器；Kalina循環(huán)比該動(dòng)力循環(huán)多了一個(gè)分配器，也就是說(shuō)本發(fā)明的動(dòng)力循環(huán)比Kalina循環(huán)多了一個(gè)分離、混合的過(guò)程，因此流程大大簡(jiǎn)化了。
將本發(fā)明循環(huán)的動(dòng)力循環(huán)運(yùn)行方式與單級(jí)Kalina循環(huán)進(jìn)行分析比較，可以得到表1所示的能量利用情況，以及熱效率和熱力學(xué)第二定律效率的結(jié)果。
表1 本發(fā)明的動(dòng)力循環(huán)運(yùn)行方式與Kalina循環(huán)的比較能量利用情況單級(jí)Kalina循環(huán) 本發(fā)明的動(dòng)力 改進(jìn)變化率循環(huán)運(yùn)行方式/％高溫位(450℃)熱源輸入熱量/kW 866.864 153.853 82.3中溫位(250℃)熱源1輸入熱量/kW -657.054 -輸入的泵功/kW7.12520.497 187.7產(chǎn)功量/kW174.794 174.77 0.
綜合熱效率/％20.0 21.05.10熱力學(xué)第二定律效率/％35.9 48.535.1在規(guī)定相同的熱源溫度和冷源溫度，以及對(duì)所有系統(tǒng)都進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化的條件下，從表1可以看到，本發(fā)明的動(dòng)力循環(huán)運(yùn)行方式的綜合熱效率高5.10％，熱力學(xué)第二定律效率高35.1％。
在本發(fā)明循環(huán)的這個(gè)動(dòng)力循環(huán)運(yùn)行方式的實(shí)施例中，冷卻總負(fù)荷為655.09kW，其中風(fēng)冷負(fù)荷為376.62kW，占57.49％。
本發(fā)明的動(dòng)力與制冷復(fù)合循環(huán)運(yùn)行方式參照?qǐng)D2的流程描述，濃度為(質(zhì)量％)0.3～0.5的工質(zhì)物流A1流經(jīng)泵5后，壓力提高到45bar～55bar，成為高壓工質(zhì)物流A2，在回?zé)崞?中吸收透平3乏汽A8放出的熱量，溫度升高，成為塔釜換熱器進(jìn)口物流A3。物流A3吸收塔釜出口稀工質(zhì)溶液A6放出的熱量后，進(jìn)入精餾塔1。精餾塔將工質(zhì)物流分離成為溫度為100℃～200℃、濃度(質(zhì)量％)為0.7～0.8的工質(zhì)蒸汽A5和溫度為200℃～250℃的稀工質(zhì)溶液A6。物流A5經(jīng)過(guò)熱器2加熱后成為溫度為350℃～400℃的過(guò)熱工質(zhì)蒸汽A7，物流A7在透平中膨脹將熱能轉(zhuǎn)化成為動(dòng)能完成產(chǎn)功的功能，自身成為中溫、低壓、高濃度乏汽A8，透平出口壓力為10bar～20bar。在回?zé)崞?中物流A8與物流A2換熱然后進(jìn)入制冷循環(huán)支路。工質(zhì)蒸汽A13經(jīng)冷凝器9冷凝后進(jìn)入過(guò)冷器10，被物流A17進(jìn)一步冷卻。經(jīng)過(guò)節(jié)流閥11后，高濃度工質(zhì)溶液A15的壓力降到1bar～2bar。低溫工質(zhì)溶液A16在蒸發(fā)器12中吸收冷媒水的熱量蒸發(fā)成工質(zhì)蒸汽A9，實(shí)現(xiàn)制冷功能。從塔釜出來(lái)的工質(zhì)物流A6在回?zé)崞髦屑訜徇M(jìn)塔物流A10，溫度降低，又經(jīng)節(jié)流閥8后，壓力下降，在吸收器中吸收廢汽A9，成為工質(zhì)物流，完成吸收式動(dòng)力循環(huán)。
將本發(fā)明循環(huán)的動(dòng)力與制冷復(fù)合循環(huán)運(yùn)行方式與單級(jí)Kalina循環(huán)與單級(jí)制冷循環(huán)結(jié)合分別用作產(chǎn)功與制冷的參比運(yùn)行方案進(jìn)行分析比較，可以得到表2所示的能量利用情況，以及熱效率和熱力學(xué)第二定律效率的結(jié)果。
表2 本發(fā)明的復(fù)合循環(huán)運(yùn)行方式與單獨(dú)產(chǎn)功與制冷運(yùn)行方案的比較單級(jí)Kalina循環(huán)結(jié)合 本發(fā)明的動(dòng)力與制冷 改進(jìn)變化率能量利用情況單級(jí)制冷循環(huán)復(fù)合循環(huán)運(yùn)行方式/％高溫位(450℃)熱源輸入熱量/kW 866.864 394.012-54.5中溫位(250℃)熱源1輸入熱量/kW -1257.998 -中溫位(150℃)熱源21479.023 - -輸入熱量/kW輸入的泵功/kW 14.659 38.498 162.6產(chǎn)功量/kW 174.794 174.7210.
制冷量/kW 712.676 712.6270.
綜合熱效率/％ 37.6 52.5 39.6熱力學(xué)第二定律效率/％ 33.4 37.9 13.3在規(guī)定相同的熱源溫度和冷源溫度，以及對(duì)所有系統(tǒng)都進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化的條件下，從表2可以看到，本發(fā)明的復(fù)合循環(huán)運(yùn)行方式的綜合熱效率高39.6％，熱力學(xué)第二定律效率高13.3％。
在本發(fā)明循環(huán)的這個(gè)動(dòng)力與制冷復(fù)合循環(huán)運(yùn)行方式的實(shí)施例中，冷卻總負(fù)荷為2249.89kW，其中風(fēng)冷負(fù)荷為1333.95kW，占59.28％。
權(quán)利要求
1.一種氨水吸收式動(dòng)力與制冷復(fù)合循環(huán)方法，以氨水混合物為工質(zhì)，通過(guò)由加熱設(shè)備過(guò)熱器和精餾塔的再沸器、產(chǎn)功設(shè)備透平、產(chǎn)冷設(shè)備蒸發(fā)器、以及換熱器、泵、閥門(mén)組合的熱力循環(huán)工藝流程實(shí)現(xiàn)，其特征在于，在中低品位熱源加熱下，氨水混合物工質(zhì)物流經(jīng)泵升壓至45bar～55bar，在回?zé)崞骱退獡Q熱器生溫后，進(jìn)入精餾塔；在精餾塔中將工質(zhì)分離成為溫度100℃～150℃、濃度0.7～1.0的工質(zhì)蒸汽和溫度200℃～250℃、濃度0.1～0.3的稀工質(zhì)溶液；將工質(zhì)蒸汽在過(guò)熱器中加熱成為溫度350℃～450℃的過(guò)熱工質(zhì)蒸汽，經(jīng)透平做功后降低壓力；乏汽與精餾塔進(jìn)口物流在回?zé)崞髦袚Q熱；透平出口壓力按兩種運(yùn)行方式調(diào)節(jié)動(dòng)力與制冷復(fù)合循環(huán)運(yùn)行方式的透平出口壓力調(diào)節(jié)為10bar～20bar，回?zé)崞鞒隹诜ζ鹘?jīng)制冷循環(huán)支路制冷，制冷后的氨蒸汽被低濃度的工質(zhì)溶液吸收，返回精餾塔；動(dòng)力循環(huán)運(yùn)行方式的透平出口壓力調(diào)節(jié)為1bar～2bar，低濃度的工質(zhì)溶液吸收回?zé)崞鞒隹诜ζ祷鼐s塔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于出口乏汽流經(jīng)制冷循環(huán)支路制冷，是將工質(zhì)乏汽經(jīng)冷凝器冷凝成為液態(tài)，并在過(guò)冷器中與來(lái)自蒸發(fā)器的工質(zhì)蒸汽換熱，以降低溫度，然后經(jīng)節(jié)流閥減低至1bar～2bar的壓力。在此壓力下操作的蒸發(fā)器，工質(zhì)吸收冷媒熱量蒸發(fā)，輸出-20℃至空調(diào)溫度水平的冷量。離開(kāi)制冷循環(huán)支路的工質(zhì)蒸汽在吸收器中被低濃度的工質(zhì)溶液吸收，返回精餾塔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于以動(dòng)力循環(huán)運(yùn)行方式時(shí)，精餾塔分離出工質(zhì)的濃度為0.7～0.8(以氨為基準(zhǔn))；以動(dòng)力與制冷復(fù)合循環(huán)運(yùn)行方式時(shí)，精餾塔分離出來(lái)工質(zhì)的濃度為0.9～1.0(以氨為基準(zhǔn))。
4.權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于以動(dòng)力與制冷復(fù)合循環(huán)運(yùn)行方式時(shí)，透平出口的壓力為12～17bar。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于循環(huán)的中低品位驅(qū)動(dòng)熱源分別從過(guò)熱器和精餾塔輸入，精餾塔的輸入熱源溫度200℃～300℃，過(guò)熱器的輸入熱源溫度400℃～600℃。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于循環(huán)的精餾塔塔頂冷凝器的冷卻負(fù)荷和吸收器的大部分冷卻負(fù)荷采用風(fēng)冷方式實(shí)施。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于進(jìn)入循環(huán)的氨水混合物工質(zhì)濃度為0.3～0.5(以氨為基準(zhǔn))，壓力為1bar～2bar。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種吸收式動(dòng)力與制冷復(fù)合熱力循環(huán)的構(gòu)成與實(shí)施方法，包括采用氨水混合物為工質(zhì)，將加熱設(shè)備過(guò)熱器和精餾塔的再沸器、產(chǎn)功設(shè)備透平、產(chǎn)冷設(shè)備蒸發(fā)器、以及換熱器、泵和閥門(mén)等設(shè)備組合在一起所構(gòu)成的特定的流程；利用中低品位熱為熱源，根據(jù)不同條件和不同需要調(diào)節(jié)為動(dòng)力循環(huán)運(yùn)行方式或動(dòng)力與制冷復(fù)合循環(huán)運(yùn)行方式。循環(huán)具有較高的能量利用效率和較高的熱力學(xué)完善度。循環(huán)的絕大部分冷卻負(fù)荷可以采用風(fēng)冷方式實(shí)施。
文檔編號(hào)F25B27/00GK1514191SQ0216011
公開(kāi)日2004年7月21日 申請(qǐng)日期2002年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月31日
發(fā)明者鄭丹星, 金紅光, 齊云 申請(qǐng)人:北京化工大學(xué), 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所