具体实施方式

本申请的核心是提供一种二氧化碳基发电制冷联合系统，该二氧化碳基发电制冷联合系统联合超临界二氧化碳发电循环、跨临界二氧化碳发电循环和跨临界二氧化碳制冷循环，能够充分回收利用余热，保证尽可能高的能源转换效率，灵活提供发电量和制冷量，满足不同制冷温度需求。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参考图1至图2，图1为本申请中一种具体实施方式所提供的二氧化碳基发电制冷联合系统的结构示意图；图2为本申请中另一种具体实施方式所提供的二氧化碳基发电制冷联合系统的结构示意图。

在一种具体实施方式中，本申请所提供的二氧化碳基发电制冷联合系统，包括超临界二氧化碳发电循环、跨临界二氧化碳发电循环和跨临界二氧化碳制冷循环。

超临界二氧化碳发电循环中高温加热器2、高温透平3、低温回热器5、冷却器6、压缩机7依次连接，压缩机7和第一发电机16均通过高温透平3输出的机械能驱动，第一发电机16产生电能供给电能用户18；

跨临界二氧化碳发电循环中低温加热器8、低温透平9、低温回热器5、冷凝器10、增压泵11依次连接，第二发电机17通过低温透平9输出的机械能驱动，第二发电机17产生电能供给电能用户18，低温加热器8的热测入口与高温加热器2的热测出口连接；

跨临界二氧化碳制冷循环中制冷压缩机15、冷凝器10、节流阀12、蒸发器13依次连接，制冷压缩机15通过低温透平9输出的机械能驱动，蒸发器13用于对供给冷能用户14的流体降温。

上述结构中，高温加热器2吸收高温余热，用于加热超临界二氧化碳发电循环工质；高温透平3的入口与高温加热器2的冷侧出口相连；第一发电机16被高温透平3输出的部分机械能带动运行，第一发电机16的发电量用于供给电能用户18；低温回热器5的热侧入口与高温透平3的出口相连，同时与低温透平9出口相连，低温回热器5的冷侧出口与高温加热器2的冷侧入口相连；冷却器6入口与低温回热器5的热侧出口相连；压缩机7被高温透平3输出的部分机械能驱动运行，压缩机7压缩超临界二氧化碳发电循环工质；压缩机7入口与冷却器6出口相连，压缩机7出口与低温回热器5冷侧入口相连；低温回热器5冷侧出口与高温加热器2冷侧入口相连。

低温加热器8吸收低温余热，用于加热跨临界二氧化碳发电循环工质；低温透平9入口与低温加热器8冷侧出口相连；第二发电机17被低温透平9输出的部分机械能带动运行，第二发电机17的发电量用于供给电能用户18；制冷压缩机15被低温透平9输出的部分机械能驱动运行，制冷压缩机15压缩跨临界二氧化碳制冷循环工质；冷凝器10入口与制冷压缩机15出口和低温回热器5热侧出口相连，用于将跨临界二氧化碳发电循环和跨临界二氧化碳制冷循环工质冷凝至液态；增压泵11入口与冷凝器10一侧出口相连，增压泵11出口与低温加热器8相连，增压泵11用于给跨临界二氧化碳发电循环工质增压，增压后的二氧化碳温度仍较低，能较好利用低温余热；节流阀12入口与冷凝器10另一侧出口相连，节流阀12出口与蒸发器13入口相连，蒸发器13出口与制冷压缩机15入口相连，蒸发器13用于对供给冷能用户14的流体降温。

本发明实施例提供的二氧化碳基发电制冷联合系统，高温加热器2内的二氧化碳吸收高温余热后升温，高温高压气流进入高温透平3并在高温透平3中膨胀做功，将超临界二氧化碳的热能转换为旋转透平的机械能，用来驱动压缩机7压缩二氧化碳和同轴连接的第一发电机16发电，第一发电机16的发电量供给电能用户18；通过高温透平3膨胀后的二氧化碳流经低温回热器5并释放热量，进一步进入冷却器6冷却；冷却后的二氧化碳气流进入压缩机7进行增压，由于温度冷却至二氧化碳临界点附近，降低了功耗，得到的高压气流经过低温回热器5吸热升温后进入高温加热器2，并在高温加热器2中吸收热源热量使得温度进一步升高。

低温加热器8内的二氧化碳流吸收低温余热升温后，进入低温透平9膨胀做功，低温透平9膨胀做功输出的机械能分别带动第二发电机17发电和制冷压缩机15压缩二氧化碳，通过低温透平9膨胀后的二氧化碳汇入低温回热器5热侧入口，与超临界二氧化碳发电循环工质掺混，使得低温回热器5热侧工质质量流量大于冷侧，从而降低了冷侧和热侧流体的热容差值，避免在回热器中出现温度夹点问题，提高低温回热器5中冷、热侧工质的温度匹配特性，进而提高低温回热器5的换热效率，掺混后的二氧化碳在低温回热器5中释放热量，降温后的二氧化碳气流通过冷凝器10冷却到液态，液态二氧化碳经过泵11加压后回到低温加热器2吸收热量充分利用低温余热。

流经制冷压缩机15后的二氧化碳压力升高，增压后的二氧化碳流经冷凝器10被冷却成液体，冷凝后的二氧化碳再通过节流阀12节流降温降压，使其温度降低到蒸发温度，随后进入蒸发器13吸热蒸发成气体，从而利用液态二氧化碳的蒸发潜热制冷，蒸发器13另一侧的流体降温后供给需要冷能的用户，液态二氧化碳的温度可以降低到0摄氏度以下，通过调节节流阀12压降，改变二氧化碳蒸发温度能够满足不同制冷需求，如空调供冷、食品保鲜和冷藏等，最后二氧化碳流回制冷压缩机15。

即，二氧化碳基发电制冷联合系统紧凑联接了超临界二氧化碳发电循环和跨临界二氧化碳发电循环以及跨临界二氧化碳制冷循环，超临界二氧化碳发电循环包括高温加热器2、高温透平3、第一发电机16、低温回热器5、冷却器6和压缩机7，循环工质为二氧化碳。跨临界二氧化碳发电循环包括低温加热器8、低温透平9、第二发电机17、低温回热器5、冷凝器10和增压泵11，循环工质为二氧化碳。跨临界二氧化碳制冷循环包括制冷压缩机15、冷凝器10、节流阀12和蒸发器13，制冷工质为二氧化碳。超临界二氧化碳发电循环和跨临界二氧化碳发电循环共用低温回热器5，跨临界二氧化碳发电循环和跨临界二氧化碳制冷循环共用冷凝器10。

通过上述设置，使得超临界二氧化碳发电循环和跨临界二氧化碳发电循环梯级利用高温余热和低温余热，保证系统对余热的充分回收利用；同时超临界二氧化碳发电循环和跨临界二氧化碳发电循环共用低温回热器5，避免低温回热器出现温度夹点问题，保证低温回热器5的换热效率，从而省略了再压缩超临界二氧化碳发电循环的分流再压缩过程，显著降低了压缩机功耗，提高循环效率；并且低温透平9乏气余热在低温回热器5中被超临界二氧化碳发电循环工质吸收，提高了超临界二氧化碳发电循环效率，降低了跨临界二氧化碳发电循环的冷源损失，提高了循环效率；此外制冷循环由跨临界二氧化碳动力循环驱动，不用消耗额外的高品位电能，并且制冷循环的工质为二氧化碳，液态二氧化碳的温度可以降低到0摄氏度以下，通过调节节流阀压降，改变二氧化碳蒸发温度能够满足不同制冷需求，如空调供冷、食品保鲜和冷藏等，通过改变制冷循环的工质流量能够调节制冷量和发电量。因此，本发明提供的二氧化碳基发电制冷联合系统，能够充分回收利用余热，保证尽可能高的能源转换效率，灵活提供发电量和制冷量，满足不同制冷温度需求。

另一种较为可靠的实施例中，在上述任意一个实施例的基础之上，还包括热源分流器1，热源分流器1入口与热源相连，热源分流器1一侧出口与高温加热器2热侧入口相连，另一侧出口与高温加热器2热侧出口和低温加热器8热侧入口相连。

本实施例中，通过调节热源分流器1的分流比能够改变流经高温加热器1的余热工质流量以及流经低温加热器8的余热工质温度，从而改变超临界二氧化碳发电循环的余热回收量和二氧化碳工质质量流量，以及跨临界二氧化碳发电循环的余热回收量、低温透平9的进口温度和二氧化碳质量流量，进而调节超临界二氧化碳发电循环和跨临界二氧化碳发电循环的输出功，实现调节最大发电量和最大制冷量的目的。

为了方便设置，高温透平3、第一发电机16与压缩机7同轴相连；低温透平9、第二发电机17与制冷压缩机15同轴相连。通过上述设置，提高了结构紧凑性。

当然，高温透平3、第一发电机16与压缩机7同轴相连；低温透平9、第二发电机17与制冷压缩机15同轴相连只是一种优选的实施方式，并不是唯一的，也可以采用传动装置使其非同轴相连，都在本申请的保护范围内。

另一种较为可靠的实施例中，在上述任意一个实施例的基础之上，冷却器6入口与制冷压缩机15出口和低温回热器5热侧出口相连，冷却器6出口与冷凝器10入口和压缩机7入口相连。

本实施例中，冷却器6置于制冷压缩机15和冷凝器10之间，超临界二氧化碳发电循环、跨临界二氧化碳发电循环和跨临界二氧化碳制冷循环的工质均流经冷却器6，即三个循环共用冷却器6，增强了系统的紧凑性。冷却器6用于预冷三个循环的工质，将工质温度降低到临界点附近，来减小超临界二氧化碳发电循环的压缩机7耗功，以及减小跨临界二氧化碳发电和制冷循环的冷凝器10尺寸。

另一种较为可靠的实施例中，在上述任意一个实施例的基础之上，还包括高温回热器4，高温回热器4的冷侧入口与低温回热器5的冷侧出口相连，高温回热器4的冷侧出口与高温加热器2的冷侧入口相连，高温回热器4热侧出口与低温回热器5热侧入口相连，高温回热器4热侧入口与高温透平3出口相连。

本实施例中，高温回热器4设置于低温回热器5热侧入口和高温透平3出口之间，高温透平3膨胀作功后的乏气依次经过高温回热器4和低温回热器5回收热量，保证高温下回热器两侧气流质量流量一致，减小了回热器两侧流体的热容差值，提高了高温下回热器冷、热侧流体的温度匹配特性，进一步提高回热器效率；同时减小了低温回热器5热侧入口的两股气流的温差，减小了掺混损失，从而提高循环效率。

在上述各个具体实施例的基础上，还包括分流器19，分流器19的入口与冷凝器10出口相连，分流器19的一侧出口与节流阀12入口相连，分流器19的另一侧出口与增压泵11入口相连。

本实施例中，通过调节分流器19的分流比能够控制流经跨临界二氧化碳发电循环和跨临界二氧化碳制冷循环的质量流量，进而灵活调节制冷量和发电量的大小。

在上述各个具体实施例的基础上，热源分流器1吸收的热源包括发动机排气余热、燃气轮机尾气或工业余热。

本发明实施例提供的二氧化碳基发电制冷联合系统为基于余热回收利用的新型二氧化碳基发电制冷联合系统，其适用的热源种类很多，具有很好的应用前景。

为了便于描述，下面将上述特征结合起来进行说明。

本发明实施例提供的二氧化碳基发电制冷联合系统紧凑联接了超临界二氧化碳发电循环和跨临界二氧化碳发电循环以及跨临界二氧化碳制冷循环。超临界二氧化碳发电循环包括高温加热器2、高温透平3、第一发电机16、高温回热器4、低温回热器5、冷却器6和压缩机7，循环工质为二氧化碳。跨临界二氧化碳发电循环包括低温加热器8、低温透平9、第二发电机17、低温回热器5、冷却器6、冷凝器10、分流器19和增压泵11，循环工质为二氧化碳。跨临界二氧化碳制冷循环包括制冷压缩机15、冷却器6、冷凝器10、分流器19、节流阀12和蒸发器13，制冷工质为二氧化碳。超临界二氧化碳发电循环和跨临界二氧化碳发电循环分别通过高温加热器2和低温加热器8回收高温余热和低温余热，两个循环还共用低温回热器5和冷却器6；跨临界二氧化碳制冷循环和跨临界二氧化碳发电循环共用冷却器6、冷凝器10和分流器19。

通过上述设置，使得超临界二氧化碳发电循环和跨临界二氧化碳发电循环能够梯级利用高温余热和低温余热，保证系统对余热的充分回收利用；同时超临界二氧化碳发电循环和跨临界二氧化碳发电循环共用低温回热器5，避免低温回热器5出现温度夹点问题，保证低温回热器5的换热效率，从而省略了再压缩超临界二氧化碳发电循环的分流再压缩过程，显著降低了压缩机7功耗，提高循环效率；并且低温透平9乏气余热在低温回热器5中被超临界二氧化碳发电循环工质吸收，提高了超临界二氧化碳发电循环效率，降低了跨临界二氧化碳发电循环的冷源损失，提高了循环效率；在超临界二氧化碳发电循环设置高温回热器4能减小低温回热器5热侧入口的两股气流的温差，减小了掺混损失，从而提高循环效率；此外制冷循环由跨临界二氧化碳动力循环驱动，不用消耗额外的高品位电能，并且制冷循环的工质为二氧化碳，液态二氧化碳的温度可以降低到0摄氏度以下，通过调节节流阀压降，改变二氧化碳蒸发温度能够满足不同制冷需求，如空调供冷、食品保鲜和冷藏等，通过调节分流器19来改变制冷循环的工质流量能够调节制冷量和发电量，通过调节热源分流器1的分流比能够改变流经高温加热器1的余热工质流量以及流经低温加热器8的余热工质温度，从而调节超临界二氧化碳发电循环和跨临界二氧化碳发电循环的输出功，进而调节系统的最大发电量和最大制冷量。

因此，本发明提供的二氧化碳基发电制冷联合系统，能够充分回收利用余热，保证尽可能高的能源转换效率，灵活提供发电量和制冷量，满足不同制冷温度需求。本发明具体实施方案为：余热载体通过热源分流器1后分成两股，一部分余热载体在高温加热器2内将热量传递给超临界二氧化碳发电循环工质，使其升温到循环最高温度，加热后的二氧化碳进入高温透平3并在高温透平3中膨胀做功，将超临界二氧化碳的热能转换为机械能，用来驱动压缩机7压缩二氧化碳流和同轴连接的第一发电机16发电；通过高温透平3膨胀后的二氧化碳依次流经高温回热器4和低温回热器5并在其中释放热量；放热后的二氧化碳流经冷却器6被冷却到临界点温度附近；冷却后的二氧化碳气流进入压缩机7进行增压，由于温度冷却至二氧化碳临界点附近，降低了压缩机7的功耗，得到的高压气流依次经过低温回热器5和高温回热器4吸热升温后进入高温加热器2，并在高温加热器2中吸收热源热量使得温度进一步升高，形成一个完整的超临界二氧化碳发电循环；跨临界二氧化碳发电循环工质在低温加热器8中吸收另一部分余热载体与高温加热器2出口余热载体形成的混合工质的热量后升温，并进入低温透平9中膨胀做功，低温透平9膨胀做功输出的机械能分别带动第二发电机17发电和制冷压缩机15压缩二氧化碳，通过低温透平9膨胀后的二氧化碳汇入低温回热器5热侧入口，与高温回热器4热侧出口的气流掺混，增加了低温回热器热侧流体的质量流量，从而降低了低温回热器5冷侧和热侧流体的热容差值，避免了出现温度夹点问题；与超临界二氧化碳发电循环工质掺混后的工质在低温回热器5中释放热量，降温后的二氧化碳气流依次通过冷却器6和冷凝器10进一步冷却到液态，经过分流器19后，液态二氧化碳经过增压泵11加压后回到低温加热器2吸收热量充分利用余热，实现一个完整的跨临界二氧化碳发电循环；流经制冷压缩机15后的跨临界二氧化碳制冷循环工质压力升高，增压后的二氧化碳依次流经冷却器6和冷凝器10被冷却成液体，冷凝后的二氧化碳经过分流器19，再通过节流阀12节流降温降压，使其温度降低到蒸发温度，随后进入蒸发器13吸热蒸发为气体，从而利用液态二氧化碳的蒸发潜热制冷，二氧化碳流回制冷压缩机15，蒸发器13另一侧的流体降温后供给需要冷能的用户14，形成一个跨临界二氧化碳制冷循环，从而形成一个完整的二氧化碳基发电制冷系统。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本申请所提供的二氧化碳基发电制冷联合系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。