基于开式逆布雷顿循环的压缩空气储冷系统及控制方法
阅读说明：本技术 基于开式逆布雷顿循环的压缩空气储冷系统及控制方法 (Compressed air cold storage system based on open type reverse Brayton cycle and control method ) 是由 李丹童 何志龙 胡汪锋 张璐 邢子文 于 2021-09-16 设计创作，主要内容包括：基于开式逆布雷顿循环的压缩空气储冷系统及控制方法,系统包括压缩机、换热器、气罐、膨胀机、冷却塔、冷却水泵以及若干阀门；压缩机的气体入口通入常温常压的空气,压缩机的气体出口连接换热器的气体入口,换热器的气体出口经过第一阀门连接气罐的气体入口,气罐的气体出口经过第二阀门连接膨胀机的气体入口,膨胀机的气体出口连接用冷场所；所述换热器的工质入口经过冷却水泵连接冷却塔的冷水出口,所述换热器的工质出口连接冷却塔的热水入口；常温常压的空气经过压缩机压缩之后生成高压高温的空气,高压高温的空气在换热器中释放热量,形成高压常温的空气存储至气罐。本发明系统结构简单,耗电部件少,可切换运行模式,总体能量的利用率高。(The system comprises a compressor, a heat exchanger, a gas tank, an expander, a cooling tower, a cooling water pump and a plurality of valves; air at normal temperature and normal pressure is introduced into a gas inlet of the compressor, a gas outlet of the compressor is connected with a gas inlet of the heat exchanger, a gas outlet of the heat exchanger is connected with a gas inlet of the gas tank through a first valve, a gas outlet of the gas tank is connected with a gas inlet of the expander through a second valve, and a gas outlet of the expander is connected with a cold field; a working medium inlet of the heat exchanger is connected with a cold water outlet of the cooling tower through a cooling water pump, and a working medium outlet of the heat exchanger is connected with a hot water inlet of the cooling tower; the air at normal temperature and normal pressure generates high-pressure high-temperature air after being compressed by the compressor, and the high-pressure high-temperature air releases heat in the heat exchanger to form high-pressure normal-temperature air which is stored in the air tank. The system has the advantages of simple structure, less power consumption parts, switchable operation modes and high utilization rate of total energy.)
技术领域
本发明属于机械工程设计领域，具体涉及一种基于开式逆布雷顿循环的压缩空气储冷系统及控制方法。
背景技术
空气制冷技术很早就为人们所掌握，在1844年美国人J.Corrie就制造出第一台应用于制冷空调领域的空气制冷机，但由于其制冷效率比蒸气压缩制冷机要低，后来仅仅在飞机空调等一些较小的范围内应用。随着透平机械的不断发展，使得沉寂多年的空气制冷机再现生机，在普冷领域中重新登上历史舞台，在制取较低的温度，特别是在-80℃以下时，它具有其它制冷循环所无法比拟的经济优越性，有着很好的发展前景。此外，采用无毒无害、用之不竭的空气作为制冷工质，对环境无任何污染。近此年来，再次引起世界科技界的关注，其应用范围已由飞机空调逐步拓展到各类车载空调、食品冷加工装置和大型低温环境模拟室中。逆布雷顿循环空气制冷机利用气体膨胀制冷可获得较大的温降，具有广泛应用于工业节能领域的潜力，制冷机中最主要耗能部件为压缩机。
近年来，储能技术已经成为解决常规电力系统削峰填谷、提高区域能源系统效率和安全性的关键技术。需求侧储能技术可依据实时电价，进行电力的调配利用，实现有效的节约运行成本，同时实现电力的削峰填谷。典型的应用场景为，在夜晚电力低谷时期，利用电力进行生产白天所需的物质资料，并以其他形式储存起来，以备白天生产应用，从而可以实现一个总体节约成本的同时实现电力削峰填谷的效果。
对于大型用冷企业，空气制冷机中压缩机为主要耗能部件，实现夜晚用电生产冷量并存储，白天利用该冷量进行生产，对于节约成本与电力的削峰填谷将有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种基于开式逆布雷顿循环的压缩空气储冷系统及控制方法，根据电价进行两种模式的切换，达到节约能源和成本的效果。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种基于开式逆布雷顿循环的压缩空气储冷系统，包括压缩机、换热器、气罐、膨胀机、冷却塔、冷却水泵以及若干阀门；压缩机的气体入口通入常温常压的空气，压缩机的气体出口连接换热器的气体入口，换热器的气体出口经过第一阀门连接气罐的气体入口，气罐的气体出口经过第二阀门连接膨胀机的气体入口，膨胀机的气体出口连接用冷场所；所述换热器的工质入口经过冷却水泵连接冷却塔的冷水出口，所述换热器的工质出口连接冷却塔的热水入口；常温常压的空气经过压缩机压缩之后生成高压高温的空气，高压高温的空气在换热器中释放热量，形成高压常温的空气存储至气罐。
作为本发明压缩空气储冷系统的一种优选方案，所述的压缩机与驱动电机相连，驱动电机通过开关与电源相连。
作为本发明压缩空气储冷系统的一种优选方案，所述的膨胀机连接并带动发电机工作，发电机以供电的方式进行能量回收。
本发明还提供一种如所述基于开式逆布雷顿循环的压缩空气储冷系统的控制方法：
根据用电高峰时段和用电低谷时段对应选择系统工作模式；
所述的系统工作模式包括压缩气体模式和膨胀制冷模式。
作为本发明控制方法的一种优选方案，所述的压缩气体模式下，压缩机投入工作，打开第一阀门，关闭第二阀门，开启冷却水泵；给压缩机通入常温常压的空气，常温常压的空气通过压缩机压缩成为高温高压的空气，高温高压的空气再经过换热器放热成为高压常温的空气储存在气罐中。
作为本发明控制方法的一种优选方案，所述的膨胀制冷模式下，压缩机停止工作，关闭第一阀门，打开第二阀门，关闭冷却水泵；气罐中的高压空气经过膨胀机膨胀后变成常压低温空气，常压低温空气输送给用冷场所进行制冷。
作为本发明控制方法的一种优选方案，所述的膨胀机将产生的膨胀功输送给发电机，通过发电机以供电的方式进行能量回收。
作为本发明控制方法的一种优选方案，所述的用电高峰时段为白天，用电低谷时段为夜晚；用电高峰时段系统采用膨胀制冷模式，用电高峰时段系统采用压缩气体模式。
相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：
由于该压缩空气储冷系统所用工质为空气，而空气是一种取之不尽用之不竭，且无毒无味无污染的天然工质，经过该系统产生的冷空气可以用在工人工作间、空调房间、肉类菜蔬类冷冻间等多种场合，冷空气不用回收处理。本发明系统有两种工作模式，在夜晚时采用压缩气体模式把压缩的高压气体储存起来，在白天采用膨胀制冷模式把这部分高压气体进行膨胀获得冷量以及膨胀功率，相当于把整个系统的循环分成两部分分别在夜晚和白天去运行。这样相比于白天直接压缩气体并膨胀制冷有两个好处：一是夜晚处于用电低谷，白天处于用电高峰，夜晚的电价比白天低，故夜晚运行压缩机、冷却水泵等耗电部件更加节约成本；二是夜晚的环境温度比白天低，根据逆布雷顿循环理论，其他条件相同时，获取同等冷量，夜晚运行该系统压缩机等部件所耗能量更低，更加节能。而且，本发明的制冷系统还可以在白天电价较高时，利用发电机可以回收膨胀机产生的膨胀功，用作其他电器的供电，相当于回收了一部分夜晚压缩机等部件的一部分耗功。总体来说，本发明系统的结构简单，耗电部件少，通过两种运行模式可以使整个系统耗电少，耗能低，总体能量的利用率高。
附图说明
图1本发明基于开式逆布雷顿循环的压缩空气储冷系统结构示意图；
图2本发明基于开式逆布雷顿循环的压缩空气储冷系统工作循环温熵图；
图3本发明基于开式逆布雷顿循环的压缩空气储冷系统控制方法示意图；
图4本发明系统不同环境温度下工作循环温熵图对比示意图；
附图中：1-压缩机；2-换热器；3-气罐；4-膨胀机；5-冷却塔；6-冷却水泵；7-第一阀门；8-第二阀门；9-驱动电机；10-开关；11-电源；12-发电机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1，本发明实施例的一种基于开式逆布雷顿循环的压缩空气储冷系统，包括压缩机1、换热器2、气罐3、膨胀机4、冷却塔5、冷却水泵6以及若干阀门；压缩机1的气体入口通入常温常压的空气，压缩机1的气体出口连接换热器2的气体入口，换热器2的气体出口经过第一阀门7连接气罐3的气体入口，气罐3的气体出口经过第二阀门8连接膨胀机4的气体入口，膨胀机4的气体出口连接用冷场所；换热器2的工质入口经过冷却水泵6连接冷却塔5的冷水出口，换热器2的工质出口连接冷却塔5的热水入口；常温常压的空气经过压缩机1压缩之后生成高压高温的空气，高压高温的空气在换热器2中释放热量，形成高压常温的空气存储至气罐3。压缩机1与驱动电机9相连，驱动电机9通过开关10与电源11相连。膨胀机4连接并带动发电机12工作，发电机12以供电的方式进行能量回收。
一种基于开式逆布雷顿循环的压缩空气储冷系统控制方法：根据用电高峰时段和用电低谷时段对应选择系统工作模式；系统工作模式包括压缩气体模式和膨胀制冷模式。
压缩气体模式，该工作模式下，常温常压的空气由压缩机1的吸气口吸入并经过压缩成为高压高温的空气，然后经过换热器2把热量释放给由冷却塔5冷却的冷却水变成高压常温的空气，最后储存到气罐3中。二是膨胀制冷模式，该工作模式下，储存在气罐3中的高压常温气体经过膨胀机4进行膨胀变成常压的低温空气，释放出来的冷空气就可以直接进行制冷，送到需要制冷的场所去，同时膨胀机4所产生的一部分膨胀功可以通过连接发电机12以供电的方式回收能量。如图2所示，本发明制冷系统采用开式逆布雷顿循环，其中作为工质的空气的温熵图(T-s图)如图所示，该图中，a点到b点到c点代表压缩气体模式，c点到d点代表膨胀制冷模式。如图3所示，本发明的压缩空气储冷系统控制方法，为根据用电高峰和用电低谷来分别控制制冷系统所处的工作模式，压缩机1为该系统中主要耗电部件，而用电低谷时的电价较低，用电高峰时的电价较高，故该系统的控制原则就是使压缩机1在用电低谷时开启，用电高峰时停机。如图4所示，由于白天的环境温度比夜晚高，本发明的制冷系统分别在白天和夜晚运行时，其理论循环的温熵图也会有所不同，从图中可以看出，该系统在夜晚运行压缩气体模式，相比白天运行时，获得的高压常温气体的温度更低，也就是c点的温度更低，经过膨胀机4膨胀后获得的冷空气温度也会更低。
如图1所示，开关10控制驱动电机9的启停从而控制压缩机1的启停，压缩机1起压缩气体的作用，换热器2提供空气与冷却水之间换热的场所，冷却塔5把换热器2中出来的高温冷却水冷却到环境温度，冷却水泵6把低温的冷却水从冷却塔5中抽出来送至换热器2，气罐3负责储存高压气体，膨胀机4起气体膨胀制冷的作用，发电机12负责把膨胀功转换成电能，第一阀门7和第二阀门8控制管路中气体的通断。压缩气体模式中，开关10闭合，将第一阀门7打开，第二阀门8关闭，冷却水泵6开启，此时驱动电机9、压缩机1处于工作状态，常温常压的空气通过压缩机1压缩成高温高压的空气后，经过换热器2放热成为高压常温的空气储存在气罐3中。膨胀制冷模式中，开关10断开，将第一阀门7关闭，第二阀门8打开，冷却水泵6关闭，此时的驱动电机9不工作，膨胀机4和发电机12工作，该模式下无耗电工作部件，气罐3中的高压空气经过膨胀机4膨胀后变成常压低温空气，该冷空气可直接用于制冷，膨胀机4所产生的膨胀功经过发电机12进行供电。
如图2所示，a点为常温常压下的空气，b点为压缩机1的出口状态，c点为换热器2的出口状态，d点为膨胀机4的状态。理想情况下，a点到b点为等熵压缩，此过程中空气的熵不变，压力和温度增高。b点到c点为等压放热，此过程中空气的压力不变，温度下降，若假设换热充分，温度最多可以下降到环境温度TC，也就是a点所处的温度。c点到d点为等熵膨胀，此过程中空气的熵不变，压力和温度下降，温度下降到环境温度以下，可用来制冷。由a点到b点到c点代表压缩气体模式，c点到d点代表膨胀制冷模式。
如图3所示，用电高峰指电价最高时段，一般为白天，用电低谷指电价最低时段，一般为夜晚。考虑到压缩机为该系统中主要耗电部件，该系统的控制方法为：
用电高峰时系统采用膨胀制冷模式，用电低谷时系统采用压缩气体模式。
压缩气体模式下，将开关10闭合，并将第一阀门7打开，第二阀门8关闭。膨胀制冷模式下，将开关10断开，并第一阀门7关闭，第二阀门8打开。
如图4所示，夜晚的环境温度TC1比白天的环境温度TC2低，根据开式逆布雷顿循环可知，其他条件相同下，夜晚运行该系统可在c点获得更低温度的高压空气，经过等熵膨胀后获得的冷空气温度也更低。也就是说，获得相同温度冷空气(d点)的条件下，夜晚运行该系统压缩机耗功更低，系统耗电更少。
可以看出，本发明基于开式逆布雷顿循环的压缩空气储冷系统及控制方法，可以获得较大的温降，提供一定的制冷能力。且系统简单，耗电部件少，可以根据电价进行两种模式的切换，最终达到节约能源和成本的效果。
以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。
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