[发明专利]一种适于回收变温热源的功冷联供系统

说明书

技术领域

本发明属于中低温余热回收与动力工程领域，尤其涉及一种适于回收变温热源的功冷输出比例可调的功冷联供系统。

背景技术

能源是社会进步，经济发展的基础，改革开放以来，中国经济持续高速增长，与之同时，国家能源消耗总量也在逐年激增，2011年中国能耗总量已超过美国，成为世界能源消费最多的国家，但是中国的GDP总量却与美国相差很多。大量能源的消耗，也给国家能源供应、能源安全和生态环境带来了巨大的压力。为此，国家十二五规划提出了对能源消耗总量与效率两方面进行控制。我国能源利用效率远低于世界发达国家，大量能源以余热的形式排放到环境当中。仅以我国工业能耗为例，2005年工业能耗占社会总能耗的70％，而2010年则上升到了73％，由于我国能源利用效率低，工业能耗的50％以上是以废热方式排放到了环境当中。

余热发电是一个有效的余热利用方式。以水为单一工质的朗肯循环技术成熟，是目前世界上主流的发电方式。但是朗肯循环存在一个很大的问题，就是在蒸发阶段，水的相变蒸发过程是一个恒温过程，而大部分余热源都是变温热源，因此使其与热源匹配不好，造成了很大的不可逆损失，发电效率较低。以制冷剂等有机物作为工质的有机朗肯循环主要用于250℃以下的低温热源，而且目前大部分制冷剂存在被《蒙特利尔》协议禁用的困难。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。卡琳那于20世纪80年代提出的卡琳那循环，就是典型的非共沸混和工质循环，卡琳娜循环采用氨水混和物为热利循环工质，针对不同的温度的余热源，只要调整氨水浓度，就可以使氨水混合工质的吸热升温曲线与热源的放热降温曲线相匹配。而对于卡琳娜循环的冷凝过程，为了改善冷凝过程变温放热的缺点，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。这样的系统配置，就造成了系统复杂，投资造价高昂的结果。余热发电的另一个问题是单一系统发电效率低，有大量热量被排放到环境之中。

余热制冷是另一种有吸引力的余热利用方式。随着余热制冷技术的进步成熟，使得冷热电三联产系统成为了可能。目前市场上成熟的产品主要有溴化锂吸收式制冷机和氨水吸收式制冷机。溴化锂吸收式制冷机以水为制冷剂，主要用于制取0℃以上的冷水，用于暖通空调领域。氨水吸收式制冷机以氨为制冷剂，用于冷冻等需要低温的场所。溴化锂吸收式制冷循环，以溴化锂-水溶液为工质对，溴化锂-水溶液在吸收式制冷循环中最高温度受到材料腐蚀等因素限制，在溴化锂水溶液温度与余热源温度之间存在较大的温差，与余热源温度匹配不好，存在很大的不可逆损失。对于烟气型溴化锂吸收机，高温烟气直接驱动溴化锂吸收式制冷机，用于加热溴化锂水溶液，在高温烟气与溴化锂水溶液之间存在较大的不可逆损失。对于热水或者蒸汽型溴化锂机，需要一个余热锅炉利用余热源制取热水或者蒸汽，然后驱动溴化锂吸收式制冷机，完成对溴化锂水溶液的加热，在余热锅炉中，水的加热升温和相变过程与余热源之间存在较大的不可逆损失。而对于氨水吸收式制冷机，也存在于溴化锂吸收式制冷机相似的问题。

为此，将余热发电系统与余热驱动的吸收式技术相结合，发电系统利用较高温度的余热源做功，发电系统的冷凝热量驱动吸收式机组，是实现余热源的综合梯级利用的一个方向。对于氨朗肯循环与吸收式制冷技术的结合，陈强等在论文《新型微燃机分布式冷热电系统热力性能分析》(2013年工程热物理学会论文集，论文编号：131226)中提出了一个氨水朗肯循环冷凝热量驱动吸收式制冷机的流程，但是该流程仅适合于热源温度稳定的情况，当热源温度降低时该系统将无法工作，并且对动力系统与吸收式制冷系统相耦合的关键部件低压发生器的流程没有给出实现方法，也没有考虑发电循环与制冷循环之间的耦合关系。

综上，对于余热的利用，现有技术主要考虑热能数量方面的回收，而没有考虑热能的温度匹配，在余热源与余热回收设备之间存在较大的温度差，不能实现热能的有效梯级利用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了克服上述余热利用方式存在的问题，本发明提供了一种适于回收变温热源的功冷联供系统，该系统采用两个循环，上层为氨水混合工质朗肯(Rankine)循环对外做功，下层为溴化锂吸收式制冷循环对外提供冷负荷，该系统能够更高效的回收余热，实现温度梯级利用，并能调整系统的功冷输出比例。