一种可调型的co2混合工质冷电联产系统
阅读说明：本技术 一种可调型的co2混合工质冷电联产系统 (Adjustable CO2Mixed working medium combined cooling and power generation system ) 是由 石凌峰 卢博闻 舒歌群 田华 王轩 孙孝存 于 2021-03-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种可调型的CO-2混合工质冷电联产系统,包括：工质泵、气体加热器、膨胀机、发电机、压缩机、背压阀、冷冻蒸发器、冷藏蒸发器、冷冻膨胀阀、冷藏膨胀阀、分液冷凝器、一级储液罐、二级储液罐、三级储液罐、一级出液阀、二级出液阀、三级出液阀。系统采用CO-2混合工质作为循环工质。通过分别调节一级出液阀、二级出液阀和三级出液阀分配进入发电回路、冷藏回路和冷冻回路的工质流量,使冷电具备大范围配置调节的能力,并可根据制冷需求改变制冷模式。通过调控一级出液阀、二级出液阀、三级出液阀、压缩机和膨胀机的工作状态,实现冷藏模式、冷冻模式、冷冻冷藏模式、发电模式、冷电模式五种运行模式的切换。(The invention discloses adjustable CO 2 Mixed working medium combined cold and power generation system includes: working medium pump, gas heater, expander, generator, compressor, back pressure valve, freezing evaporator, refrigeration evaporator, freezing expansion valve, refrigeration expansion valve, liquid separating condenser, one-level liquid storage tank, two-level liquid storage tank, three-level liquid storage tank, one-level liquid outlet valve, two-level liquid outlet valve, three-level liquid outlet valve. The system adopts CO 2 The mixed working medium is used as a circulating working medium. The working medium flow entering the power generation loop, the refrigeration loop and the freezing loop is distributed by respectively adjusting the first-stage liquid outlet valve, the second-stage liquid outlet valve and the third-stage liquid outlet valve, so that the cold-electricity appliance has the capability of large-range configuration and adjustment, and the cold-electricity appliance can be changed according to the refrigeration requirementAnd changing the cooling mode. The switching of five operation modes of a refrigeration mode, a freezing and refrigerating mode, a power generation mode and a cold-electricity mode is realized by regulating and controlling the working states of the first-stage liquid outlet valve, the second-stage liquid outlet valve, the third-stage liquid outlet valve, the compressor and the expander.)
技术领域
本发明属于热力循环技术，具体涉及一种可调型的CO2混合工质冷电联产系统，适用于变工况运行和多制冷模式需求。
背景技术
目前，余热回收作为一种节能减排的重要技术手段受到日益广泛的关注。冷电成为余热回收系统的两种主要能量输出形式，以余热驱动的冷电联产系统可以满足多元能量需求。传统余热回收循环，例如有机朗肯循环，使用纯工质作为循环工质，其等温相变的特性阻碍了其热经济性能的提升。余热回收系统通常以变工况运行，但是传统冷凝器无法根据工况变化调整工质的组分，削弱了冷电联产系统的变工况适应性能。对于某些特定的应用场合，制冷温度的需求不同，冷电两种能量的需求也有所差异，因此冷电联产系统既需要具备大范围的调节能力，也需要具备冷藏、冷冻两种模式分别或并行运行的能力。目前，以复叠式和自耦式为主的冷电联产系统难以做到冷电不同需求的大范围调节功能，单一制冷模式也无法满足对不同制冷温度的需求，需要进行结构上的改进。
发明内容
针对现有技术情况，本发明提出了一种可调型的CO2混合工质冷电联产系统，适用于变工况运行和多制冷模式需求，同时满足冷电需求，实现制冷温度需求变化时多种制冷模式的切换，并根据工况变化调节进入不同回路的工质组分。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种可调型的CO2混合工质冷电联产系统，包括工质泵、气体加热器、膨胀机、发电机、压缩机、背压阀、冷冻蒸发器、冷藏蒸发器、冷冻膨胀阀、冷藏膨胀阀、分液冷凝器、一级储液罐、二级储液罐、三级储液罐、一级出液阀、二级出液阀和三级出液阀。所述发电机和所述压缩机由所述膨胀机驱动；所述分液冷凝器的第一级出口连接至所述一级储液罐的进口，所述分液冷凝器的第二级出口连接至所述二级储液罐的进口，所述分液冷凝器的第三级出口连接至所述三级储液罐的进口；所述一级储液罐的出口通过所述一级出液阀连接至工质泵的进口，所述工质泵的出口连接至所述气体加热器的进口，所述气体加热器的出口连接至所述膨胀机的进口，所述膨胀机的出口连接至所述分液冷凝器的进口；所述二级储液罐的出口依次通过所述二级出液阀和所述冷藏膨胀阀连接至所述冷藏蒸发器的进口；所述三级储液罐的出口依次通过所述三级出液阀和所述冷冻膨胀阀连接至所述冷冻蒸发器的进口；所述冷藏蒸发器的出口通过所述背压阀与所述冷冻蒸发器的出口连接至所述压缩机的进口，所述压缩机的出口连接至分液冷凝器的进口；所述一级出液阀、所述二级出液阀和所述三级出液阀通过阀门的截止或打开与彼此断开或相通；循环系统的工质为CO2混合工质，工质经所述分液冷凝器后分流三路，第一路为发电回路：第一级工质首先流入所述一级储液罐中，所述一级出液阀调节流入发电回路的工质组分，调配后的工质依次经所述工质泵加压，经所述气体加热器加热后进入所述膨胀机做功，拖动所述发电机发电；第二路为冷藏回路：第二级工质首先流入所述二级储液罐中，所述二级出液阀调节流入冷藏回路的工质组分，调配后的工质经所述冷藏膨胀阀节流降温后进入所述冷藏蒸发器输出冷量至高温冷媒；第三路为冷冻回路：第三级工质首先流入所述三级储液罐中，所述三级出液阀调节流入冷冻回路的工质组分，调配后的工质经所述冷冻膨胀阀节流降温后进入所述冷冻蒸发器输出冷量至低温冷媒；上述冷藏回路的工质通过所述背压阀调压至所述压缩机吸入压力后与上述冷冻回路的工质汇合进入所述压缩机；上述发电回路的工质在所述膨胀机出口处与所述压缩机出口的工质汇合进入所述分液冷凝器。
其中，所述分液冷凝器的第一级出口设置于所述分液冷凝器的侧面上部，第二级出口设置于所述分液冷凝器的侧面中下部，第三级出口设置于所述分液冷凝器的侧面底部。三个出口的具体位置由所述分液冷凝器的结构和分液干度确定。
采用上述可调型的CO2混合工质冷电联产系统，(i)通过调整所述一级出液阀、二级出液阀和三级出液阀的开度，调控所述发电回路、冷藏回路和冷冻回路的工质组分，使工况能够变化的热源、高温冷媒和低温冷媒与工质热物性匹配；和/或
(ii)将系统的运行模式切换为冷藏模式、冷冻模式、冷冻冷藏模式、发电模式或冷电模式：
所述冷藏模式：所述发电机停转；所述一级出液阀分配进入所述发电回路的工质流量，使所述膨胀机输出功与所述压缩机消耗功相同；所述三级出液阀截止进入所述冷冻回路的工质流量；所述二级出液阀分配进入所述冷藏回路的工质流量，由所述冷藏蒸发器输出冷藏冷量；
所述冷冻模式：所述发电机停转；所述一级出液阀分配进入所述发电回路的工质流量，使所述膨胀机输出功与所述压缩机消耗功相同；所述二级出液阀截止进入所述冷藏回路的工质流量；所述三级出液阀分配进入所述冷冻回路的工质流量，由所述冷冻蒸发器输出冷冻冷量；
所述冷冻冷藏模式：所述发电机停转；所述一级出液阀分配进入所述发电回路的工质流量，使所述膨胀机输出功与所述压缩机消耗功相同；所述二级出液阀分配进入所述冷藏回路的工质流量，由所述冷藏蒸发器输出冷藏冷量；所述三级出液阀分配进入所述冷冻回路的工质流量，由所述冷冻蒸发器输出冷冻冷量；
所述发电模式：所述压缩机停转；所述二级出液阀截止进入所述冷藏回路的工质流量；所述三级出液阀截止进入所述冷冻回路的工质流量；所述一级出液阀分配工质流量进入发电回路，通过所述膨胀机和所述发电机输出电量；
所述冷电模式：根据冷藏负荷需求，所述二级出液阀分配进入所述冷藏回路的工质流量，由所述冷藏蒸发器输出所需冷藏冷量；根据冷冻负荷需求，所述三级出液阀分配进入所述冷冻回路的工质流量，由所述冷冻蒸发器输出所需冷冻冷量；根据用电需求，所述一级出液阀分配进入所述发电回路的工质流量，通过所述膨胀机和所述发电机输出电量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
该循环系统集成了余热回收发电系统、冷藏系统和冷冻系统，减少了系统部件；CO2混合工质作为非共沸工质具有温度滑移特性，可更好地与热源和冷媒的热特性曲线匹配，降低损，提高系统热力学性能；分液冷凝器可分离出不同组分的工质，根据工况对这些工质进行优化配比，提高系统的运行柔性和效率；在系统中同时设置冷藏回路和冷冻回路，并通过阀门进行回路通断和工质流量调节，从而实现不同运行模式的切换。
附图说明
图1是本发明可调型的CO2混合工质冷电联产系统构成及原理图。
图中，1-工质泵、2-气体加热器、3-膨胀机、4-发电机、5-压缩机、6-背压阀、7-冷冻蒸发器、8-冷藏蒸发器、9-冷冻膨胀阀、10-冷藏膨胀阀、11-分液冷凝器、12-一级储液罐、13-二级储液罐、14-三级储液罐、15-一级出液阀、16-二级出液阀、17-三级出液阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
如图1所示，本发明可调型的CO2混合工质冷电联产系统。所述CO2混合工质是由CO2和一种其他制冷剂以合适的比例混合而成的工质。所述比例可由热源、低温冷媒、高温冷媒和所述其他制冷剂的性质确定。其系统结构具体组成为：工质泵1、气体加热器2、膨胀机3、发电机4、压缩机5、背压阀6、冷冻蒸发器7、冷藏蒸发器8、冷冻膨胀阀9、冷藏膨胀阀10、分液冷凝器11、一级储液罐12、二级储液罐13、三级储液罐14、一级出液阀15、二级出液阀16、三级出液阀17。
上述各部分之间的连接关系是：
所述发电机4和所述压缩机5由所述膨胀机3驱动；
所述分液冷凝器11的第一级出口连接至所述一级储液罐12的进口，所述分液冷凝器11的第二级出口连接至所述二级储液罐13的进口，所述分液冷凝器11的第三级出口连接至所述三级储液罐14的进口。
其中，所述分液冷凝器11的第一级出口设置于所述分液冷凝器11的侧面上部，第二级出口设置于所述分液冷凝器11的侧面中下部，第三级出口设置于所述分液冷凝器11的侧面底部。三个出口的具体位置由所述分液冷凝器11的结构和分液干度确定。
所述一级储液罐12的出口通过所述一级出液阀15连接至工质泵1的进口，所述工质泵1的出口连接至所述气体加热器2的进口，所述气体加热器2的出口连接至所述膨胀机3的进口，所述膨胀机3的出口连接至所述分液冷凝器11的进口；
所述二级储液罐13的出口依次通过所述二级出液阀16和所述冷藏膨胀阀10连接至所述冷藏蒸发器8的进口；
所述三级储液罐14的出口依次通过所述三级出液阀17和所述冷冻膨胀阀9连接至所述冷冻蒸发器7的进口；
所述冷藏蒸发器8的出口通过所述背压阀6与所述冷冻蒸发器7的出口连接至所述压缩机5的进口，所述压缩机5的出口连接至分液冷凝器11的进口；
所述一级出液阀15、所述二级出液阀16和所述三级出液阀17可通过阀门的截止或打开与彼此断开或相通；
循环系统的工质为CO2混合工质，工质经所述分液冷凝器11后分流三路，第一路为发电回路：第一级工质首先流入所述一级储液罐12中，所述一级出液阀15调节流入发电回路的工质组分，调配后的工质依次经所述工质泵1加压，经所述气体加热器2加热后进入所述膨胀机3做功，拖动所述发电机4发电；第二路为冷藏回路：第二级工质首先流入所述二级储液罐13中，所述二级出液阀16调节流入冷藏回路的工质组分，调配后的工质经所述冷藏膨胀阀10节流降温后进入所述冷藏蒸发器8输出冷量至高温冷媒；第三路为冷冻回路：第三级工质首先流入所述三级储液罐14中，所述三级出液阀17调节流入冷冻回路的工质组分，调配后的工质经所述冷冻膨胀阀9节流降温后进入所述冷冻蒸发器7输出冷量至低温冷媒；
上述冷藏回路的工质通过所述背压阀6调压至所述压缩机5吸入压力后与上述冷冻回路的工质汇合进入所述压缩机5；
上述发电回路的工质在所述膨胀机3出口处与所述压缩机5出口的工质汇合进入所述分液冷凝器11；
通过调节所述一级出液阀15、二级出液阀16、三级出液阀17、压缩机5和膨胀机3的状态，达到如下两种目的；
第一，通过调整所述一级出液阀15、二级出液阀16、三级出液阀17的开度，调控所述发电回路、冷藏回路和冷冻回路的工质组分，使工况可变的热源、高温冷媒和低温冷媒更好地与工质热物性匹配，提高系统的热力学性能。举例说明：
当热源温度下降时，需调高所述发电回路的低沸点工质占比以适应工况变化，则把所述三级出液阀17与所述一级出液阀15相通的阀门开大，此时所述发电回路可以在低沸点工质占比增加的组分下运行；
当高温冷媒温度下降时，需调高所述冷藏回路的低沸点工质占比以适应工况变化，则把所述三级出液阀17与所述二级出液阀16相通的阀门开大，此时所述冷藏回路可以在低沸点工质占比增加的组分下运行；
当低温冷媒温度上升时，需调高所述冷冻回路的高沸点工质占比以适应工况变化，则把所述一级出液阀15与所述三级出液阀17相通的阀门开大，此时所述冷冻回路可以在高沸点工质占比增加的组分下运行；
其余工况变化时，与上述调节方法类似，不再赘述；
第二，切换系统的运行模式，分别为冷藏模式、冷冻模式、冷冻冷藏模式、发电模式或冷电模式：
冷藏模式：所述发电机4停转；所述一级出液阀15分配进入所述发电回路的工质流量，使所述膨胀机3输出功与所述压缩机5消耗功相同；所述三级出液阀17截止进入所述冷冻回路的工质流量；所述二级出液阀16分配进入所述冷藏回路的工质流量，由所述冷藏蒸发器8输出冷藏冷量；
冷冻模式：所述发电机4停转；所述一级出液阀15分配进入所述发电回路的工质流量，使所述膨胀机3输出功与所述压缩机5消耗功相同；所述二级出液阀16截止进入所述冷藏回路的工质流量；所述三级出液阀17分配进入所述冷冻回路的工质流量，由所述冷冻蒸发器7输出冷冻冷量；
冷冻冷藏模式：所述发电机4停转；所述一级出液阀15分配进入所述发电回路的工质流量，使所述膨胀机3输出功与所述压缩机5消耗功相同；所述二级出液阀16分配进入所述冷藏回路的工质流量，由所述冷藏蒸发器8输出冷藏冷量；所述三级出液阀17分配进入所述冷冻回路的工质流量，由所述冷冻蒸发器7输出冷冻冷量；
发电模式：所述压缩机5停转；所述二级出液阀16截止进入所述冷藏回路的工质流量；所述三级出液阀17截止进入所述冷冻回路的工质流量；所述一级出液阀15分配工质流量进入发电回路，通过所述膨胀机3和所述发电机4输出电量。
冷电模式：根据冷藏负荷需求，所述二级出液阀16分配进入所述冷藏回路的工质流量，由所述冷藏蒸发器8输出所需冷藏冷量；根据冷冻负荷需求，所述三级出液阀17分配进入所述冷冻回路的工质流量，由所述冷冻蒸发器7输出所需冷冻冷量；根据用电需求，所述一级出液阀15分配进入所述发电回路的工质流量，通过所述膨胀机3和所述发电机4输出电量。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
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