[发明专利]氨水混合工质功冷联供的热力循环系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及能源技术领域，特别是一种以氨水混合物为工质的混合工质功冷联供的热力循环系统及方法。

背景技术

我国工业能耗约占全国总能耗的三分之二，但是能源利用效率低，50％以上以中低温热的形式排放，这不仅造成能源的浪费，还对环境有热污染。回收利用这些余热对于提高我国能源利用效率具有显著作用。氨水吸收式制冷循环、氨水动力循环以及氨水吸收式制冷与动力循环结合的功冷联供的循环系统就是能够利用低温热源的典型热力循环系统。

在对中低温热源的回收利用过程中，主要包括以下几种技术：

1、氨水吸收式制冷循环：氨水吸收式制冷循环可以利用低品位热量进行制冷，低温余热驱动精馏塔运行，将浓氨水溶液制成纯氨气和稀氨水溶液，纯氨气在冷凝器中冷凝为氨液，氨液经过节流降压后进入蒸发器，蒸发制冷，蒸发后的氨气被来自精馏塔釜的稀溶液吸收，最终转变成浓溶液，进入精馏塔完成循环。存在的主要问题是，精馏塔再沸器吸热温度较低，而动力余热温度较高，精馏塔不可逆损失大，系统效率低。

2、水蒸汽朗肯循环：以水为单一工质的朗肯循环技术成熟，但在蒸发阶段，由于水的恒温蒸发特性，使其与热源匹配不好，造成了很大的不可逆损失，效率较低。

3、有机朗肯循环：以有机物为工质的朗肯循环，亚临界的有机朗肯循环存在与水蒸气朗肯循环类似的问题，即恒温蒸发、与热源匹配不好；大部分只适用于250℃以下的低温热源，若用于400℃左右的中温热源则换热温差太大，不可逆损失大。

4、非共沸混合物工质的朗肯循环：采用非共沸混合物为工质(比如氨水混合物)的朗肯循环，利用工质的变温蒸发特性，改善了蒸发过程工质与热源的温度匹配，大大减小了此过程的不可逆损失。但混合工质在冷凝过程中是变温冷凝，这使其与冷源(通常为冷却水，温差变化不大)温度匹配情况变差，不可逆损失大于单一工质的恒温冷凝过程。

5、卡琳那循环：由卡琳那于20世纪80年代提出的卡琳那循环，即吸收式动力循环，以氨水混合物为工质，以分馏冷凝单元(包括回热器、闪蒸槽、低压冷凝器、高压冷凝器等)代替常规的冷凝器，减小了冷凝过程的不可逆损失。因此本系统既通过变温蒸发减小蒸发过程的不可逆损失，又通过分馏冷凝单元避免了变温冷凝所造成的不可逆损失，即蒸发、冷凝过程都得以改善改善。但该循环中闪蒸槽出来的高浓度的氨具有制冷能力，这一点在此没有得到利用，因此，该系统还有待于进一步改善，以便充分利用工质的做功、制冷能力。

6、吸收式动力制冷复合循环(Absorption Combined Power/CoolingCycle，APC)：由北京化工大学的郑丹星等提出的APC循环，在卡琳那循环的基础上加一制冷过程(增加了冷凝器、节流阀、蒸发器等设备)以充分利用高浓度氨的制冷能力，同时用精馏塔取代闪蒸槽以增加氨的纯度，使其制冷能力更大。系统在做功的基础上又增加了冷量输出，增大了热效率，同时也使系统更加灵活。但是APC循环仍然存在透平排汽温度高、损失大的问题。

7、串联、并联、混联的功冷联供的跨寂态正逆耦合热力循环系统：由中科院工程热物理研究所的张娜、刘猛等提出，在卡琳那循环、APC循环等基础上，通过调整工质浓度、改善系统内部连接等方式，使整体效率有较大提高。但仍有以下不足：串联系统中氨水浓溶液经过蒸发过热后进入透平做功，排汽冷凝过程与冷源温度匹配不好，有较大不可逆损失；并联系统中氨水稀溶液进动力路，蒸发过程中与热源匹配不好，有较大不可逆损失；混联系统中设备较多，调整过程较为复杂，不易于操作。

8、Goswami循环：由美国的Goswami等提出，取消氨水吸收式制冷循环中的冷凝器、节流阀，利用蒸汽透平对塔顶浓氨蒸汽进行膨胀降压，利用透平的低温排汽制冷，有效利用了降压过程中的压力能并将其转换为动力输出，实现了功冷并供。但由于参与做功和制冷的工质量过少，而且制冷过程主要利用的是低温蒸汽的显热，所以制冷量很小。

9、喷射-吸收混合式功冷并供系统：由西安交通大学Wang Jiangfeng等提出，以氨水混合物为工质，基础溶液加压、预热后进入精馏塔，塔顶高压氨蒸气引射蒸发器出口部分低压氨蒸气，塔釜稀溶液蒸发过热驱动透平做功，透平排汽和蒸发器出口另一部分未被引射的低压氨蒸气进入吸收器，混合冷凝后形成基础溶液。该循环由于采用塔顶氨蒸气做工作流体，对其压力要求比较高，影响放气范围，使循环倍率增加，且由于引射系数较低，只能引射蒸发器出口9％的低压氨蒸气；透平排汽温度高达97℃，在吸收器中进行的也是传统的冷凝方式，换热温差大，且热损失大。