用于供应电功率和/或机械功率、加热功率和/或冷却功率的设备和方法技术

本发明专利技术的目的是通过利用由任何类型的热源(传统类型，例如，天然气、石油产品、煤，或者可再生类型，例如，生物质能、太阳能，地热)传递的加热功率来向最终用户同时供应电功率和/或机械功率、加热功率和冷却功率(设备的“加热‑冷却”操作模式)或同时供应电功率和/或机械功率和仅加热功率(设备的“加热”操作模式)或同时供应电功率和/或机械功率和仅冷却功率(设备的“冷却”操作模式)的设备和相关方法。由于数个开关阀和流量调节阀的调节而获得根据所述三种操作模式中的每种的操作设备。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于供应电功率和/或机械功率、加热功率和/或冷却功率的设备和方法
本专利技术涉及能量产生设备的领域，并且特别地，它涉及用于供应电功率和/或机械功率、加热功率和/或冷却功率的新设备和相关方法。
技术介绍
根据欧洲指令2004/8/EC，热电联产(cogeneration)包括在单一过程中电能和/或机械能和热能的产生。特别地，目前市场上的热电联产设备(组合加热功率，CHP)由原动机(通常是汽轮机、燃气轮机、微型燃气轮机、内燃机、斯特林发动机、燃料电池)构成，用于向最终用户和热回收系统供应电功率和/或机械功率，热回收系统使用来自原动机的热级联，向最终用户供应加热功率。目前上市的三联产设备(组合冷却加热功率，CCHP)由先前定义的用于向最终用户供应电功率和/或机械功率和加热功率的热电联产设备，以及由用于向最终用户供应冷却功率的装置构成。冷却装置可以通过利用来自所述热回收系统的热级联而被热激活(例如，吸收式或吸附式冷却器)或者甚至通过利用由热电联产设备的所述原动机提供的电功率和/或机械功率而被机械地或电地激活(例如，蒸汽压缩制冷循环)。另一方面，在针对向最终用户供应加热功率和/或冷却功率以及可能还供应电功率和/或机械功率的
中，提出了使用两相流体膨胀机和/或两相流体压缩机操作的一些设备(和相应的方法)。这种非常规的膨胀和压缩装置在下文中简要地描述。与传统的膨胀装置(蒸汽轮机、燃气轮机、水轮机和风力涡轮机)不同，两相流体膨胀机能够与湿饱和汽相的化学物种一起工作(即由饱和液相的一部分和干饱和汽相的一部分构成)，通过所述两相的同时膨胀将其热力学能转换成电(或机械)能。这种技术可以根据以下两种类别分类为传统的单相流体机器：a)容积式两相流体膨胀机(双螺杆、涡旋、旋转叶片、交替或滚动活塞)；b)动态两相流体膨胀机(脉冲轴向或切向流，脉冲反应径向流和反应径向流)。[1]中报道了这种技术的广泛书目概述。特别地，Energent公司[2]商业化的脉冲轴向流两相流体膨胀机和Ebara国际公司[3]商业化的脉冲反应径向流两相流体膨胀机的等熵效率达到等于约0.80和0.90的值。关于两相流体压缩机，与传统的压缩装置(循环泵和单相压缩机)不同，这能够通过利用外部电动机提供的电(或机械)功率同时确定湿饱和汽相的化学物种的两相(饱和液相和干饱和汽相)的压力的增加。这种技术可以根据以下两种类别分类为传统的单相压缩机：a)容积式两相流体压缩机(交替或滚动活塞、膜、单螺杆或双螺杆、旋转叶片、涡旋和液环)；b)动态两相流体压缩机(轴向或径向流)。用于两相流体压缩过程的其它装置是多相泵和绝热两相扩散器。[1]中再次报道了两相流体压缩机的广泛书目概述。迄今为止，市场上还没有这种技术，主要是由于等熵效率的经验获得的适度值。然而，尤其是对双螺杆无油两相压缩机中氨的两相流体压缩过程的模拟详细描述的数学模型证明了等熵效率达到等于约0.89的值[4]。在现有技术中存在用于向最终用户供应加热功率和/或冷却功率以及可能还供应电功率和/或机械功率的利用两相流体膨胀机和/或两相流体压缩机操作的不同设备(和相应的方法)。在[1]、[5]中描述的设备中，工作流体在由以下组件顺序组成的闭合电路中循环：循环泵、其中加热功率通过热源传递到工作流体的等压蒸汽生成器、两相流体膨胀机、等压蒸发器、单相单级或多级中间冷却的压缩机以及最后的等压冷凝器。该设备在冷凝器中向最终用户供应加热功率和/或在蒸发器中向最终用户供应冷却功率。此外，对应于合适的操作条件，该设备还可以向最终用户供应电功率(和/或机械功率)，原因是在这种条件下，在两相膨胀机中产生的电功率和/或机械功率高于由循环泵和压缩机所请求的总电功率和/或机械功率。在[6]中描述的另一设备中，工作流体在由以下组件顺序组成的闭合电路中循环：等压冷凝器、等压热再生器热侧、层压阀、等压蒸发器、等压热再生器冷侧以及最后的两相压缩机。该设备在冷凝器中向最终用户供应加热功率和/或在蒸发器中向最终用户供应冷却功率，但是不能向最终用户供应电功率(或机械功率)。
技术实现思路
考虑到以上，本专利技术的主要目的是提供向最终用户供应电功率和/或机械功率、加热功率和/或冷却功率的设备和方法，与目前商业化的CCHP设备和利用现有技术中存在的两相流体膨胀机和/或两相流体压缩机操作的CCHP设备两者相比，其至少提供以下两个优点：1)能够以相当高的灵活性满足最终用户的电功率(和/或机械功率)、加热功率和冷却功率要求的能力；2)设备热力学性能指标的较高值。该目的和其它目的利用根据本专利技术的设备和方法来实现，其必要特征由在此所附的独立权利要求限定。其它重要的次要特征包含在从属权利要求中。附图说明根据本专利技术的设备和方法的特征和优点将参考附图从以下对其实施例的描述中变得明显，这些实施例是通过示例而非限制的方式给出的，其中：-图1是根据本专利技术的第一实施例的设备的电路方案；-图2a至图2c是由图1的方形II包围的区域的各个变体；-图3至图5是表示图1的设备中根据本专利技术的方法的温度-熵(特定熵)定性示图，其分别以设备的操作模式用于供应电功率和/或机械功率、加热功率和冷却功率(图3)、仅用于供应电功率和/或机械功率和加热功率(图4)、以及仅用于供应电功率和/或机械功率和冷却功率(图5)；-图6a、图6b和图6c示出与图3有关的在由圆VI围绕的区域中的示图的相应变体，并且分别对应于图2a至图2c的电路变体，图6a、图6b和图6c中的示图的所述变体和图2a至图2c的对应电路变体也与图5的示图和连续的图8和图10的示图相关联；-图7是根据本专利技术的第二实施例的设备的电路方案；-图8至图10是表示图7的设备中根据本专利技术的方法的温度-熵(特定熵)定性示图，其分别以设备的操作模式用于供应电功率和/或机械功率、加热功率和冷却功率(图8)、仅用于供应电功率和/或机械功率和加热功率(图9)、以及仅用于供应电功率和/或机械功率和冷却功率(图10)；-图11是根据本专利技术的第三实施例的设备的电路方案；-图12是表示图11的设备中根据本专利技术的方法的温度-熵(特定熵)定性示图，其以设备的操作模式用于供应电功率和/或机械功率、加热功率和冷却功率，与其它操作模式(参考先前的图6a、图6b和图6c的变体反过来是可适用的)相关的示图也可通过此相同的示图以明显的方式推断出。具体实施方式现在参考图1至图6c，根据本专利技术的设备适于通过利用适于吸收由任何类型的热源(可再生的，例如，生物质能、太阳能、地热、来自工业过程的热级联或传统的如石油产品、天然气、煤)传递的加热功率的单一工作流体向最终用户供应电功率和/或机械功率并且同时供应加热功率和/或冷却功率。相反，目前市场上的CCHP系统中，在原动机中循环的工作流体的类型通常不同于在适于向最终用户供应冷却功率的装置(被热或电或机械激活的)中循环的工作流体的类型。考虑的设备可以使用“湿”或“干”类型的工作流体操作(如已知的，“湿”和“干”流体之间的区别与干饱和蒸汽曲线的不同配置有关)；此外，所述工作流体可以是单组分(即由单一化学物种构成)或共沸多组分(即由几种化学物种构成)。在这两种流体类型中，在等压冷凝或等压蒸发期间，温度是恒定的并且汽相的组成也等于液相的组成。否则，考虑的设备可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于通过利用适于吸收由热源传递的加热功率的单工作流体来向最终用户供应电功率和/或机械功率以及同时提供加热功率和/或冷却功率的设备，所述设备包括：i)等焓流量调节部件(S)，适于将在所述设备中循环的所述工作流体的总流量划分为工作流体的第一部分和第二部分；ii)所述等焓调节部件(S)的下游的第一电路(C1)，用于在供应电功率和/或机械功率以及加热功率和冷却功率或仅供应冷却功率的设备操作模式下，循环工作流体的所述第一部分、或者在供应电功率和/或机械功率以及仅供应加热功率的设备操作模式下，循环所述工作流体的整个流量，所述第一电路包括：‑第一绝热两相压缩部件(CP1,N)，适于增加所述工作流体的压力并因此增加所述工作流体的温度，所述第一绝热两相压缩部件(CP1,N)由所述设备生成的总电功率和/或机械功率的小部分供电；‑等压蒸汽生成部件(GV)，用于生成通过由所述热源传递的所述加热功率热激活的所述工作流体的蒸汽；‑第一绝热膨胀部件(EP1，N+1)，适于由于所述工作流体的膨胀而生成所述电功率和/或机械功率；‑等压冷凝部件(CNDK)，适于冷凝所述工作流体，从而向所述最终用户供应加热功率；‑等压热再生部件(RN‑1)，与所述第一绝热两相压缩部件(CP1，N)和所述第一绝热膨胀部件(EP1，N+1)功能上相关联，适于促进加热功率从所述第一绝热膨胀部件(EP1，N+1)的至少一级的下游循环的所述工作流体到所述第一绝热两相压缩部件(CP1，N)的至少一级的下游循环的相同工作流体的传递；iii)所述流量调节部件(S)的下游的第二电路(C2)，用于在供应电功率和/或机械功率以及加热功率和冷却功率或仅供应冷却功率的设备操作模式下，循环工作流体的所述第二部分，所述第二电路包括：‑第一等压散热部件(D1)，适于促进从所述工作流体到所述设备的外部环境的热传递；‑第二绝热两相膨胀部件(EP2，M)，适于由于所述工作流体的膨胀而生成所述电功率和/或机械功率；‑等压蒸发部件(EVAM)，适于蒸发所述工作流体，从而导致向所述最终用户供应冷却功率；‑第二绝热两相压缩部件(CP2，EIT)，适于增加所述工作流体的压力并因此增加所述工作流体的温度；其中所述第一和第二电路彼此连通，以适于将所述第一绝热膨胀部件(EP1，N+1)下游的所述第一电路的工作流体的所述第一部分与所述第二绝热两相压缩部件(CP2，EIT)中或其下游的所述第二电路的所述工作流体的所述第二部分组合，iv)所述第二绝热两相压缩部件(CP2，EIT)下游的第三电路(C3)，用于使所述工作流体的总流量朝所述调节部件(S)循环，还包括，在所述调节部件的上游的第二散热部件(D2)，所述第二散热部件(D2)适于促进从所述工作流体向所述设备的外部环境的热能传递；以及v)旁路部件，包括：‑第一偏离部件(RD1，K)，适于使所述第一电路中的所述工作流体偏离，从而旁路相应的冷凝部件(CNDK)；以及‑第二偏离部件(RD2)，适于使所述第一绝热膨胀部件(EP1，N+1)下游的所述第一电路(C1)与所述第二散热部件(D2)上游的所述第三电路(C3)之间的所述工作流体偏离，从而旁路所述第二回路(C2)；vi)控制部件，适于在所述电路和所述旁路部件之间分配工作流体；因此，所述设备可配置用于以下替代功能：‑在用于向所述最终用户供应电功率和/或机械功率、以及同时供应加热功率和冷却功率的设备操作模式下，通过所述冷凝部件(CNDK)和所述第一绝热膨胀部件(EP1，N+1)向所述第二电路中的所述第二绝热两相压缩部件(CP2，EIT)馈送所述第一电路中的工作流体的所述第一部分；‑在用于向所述最终用户供应电功率和/或机械功率、以及同时仅供应冷却功率的设备操作模式下，使所述第一电路中的工作流体的所述第一部分通过所述第一偏离部件(RD1，K)和所述第一绝热膨胀部件(EP1，N+1)朝所述第二绝热两相压缩部件(CP2，EIT)偏离；‑在用于向所述最终用户供应电功率和/或机械功率、以及同时仅供应加热功率的设备操作模式下，通过所述冷凝部件(CNDK)和所述第一绝热膨胀部件(EP1，N+1)并且然后通过所述第二偏离部件(RD2)朝所述第三电路馈送所述第一回路中的工作流体的总流量。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.16 IT 1020160000277351.一种用于通过利用适于吸收由热源传递的加热功率的单工作流体来向最终用户供应电功率和/或机械功率以及同时提供加热功率和/或冷却功率的设备，所述设备包括：i)等焓流量调节部件(S)，适于将在所述设备中循环的所述工作流体的总流量划分为工作流体的第一部分和第二部分；ii)所述等焓调节部件(S)的下游的第一电路(C1)，用于在供应电功率和/或机械功率以及加热功率和冷却功率或仅供应冷却功率的设备操作模式下，循环工作流体的所述第一部分、或者在供应电功率和/或机械功率以及仅供应加热功率的设备操作模式下，循环所述工作流体的整个流量，所述第一电路包括：-第一绝热两相压缩部件(CP1,N)，适于增加所述工作流体的压力并因此增加所述工作流体的温度，所述第一绝热两相压缩部件(CP1,N)由所述设备生成的总电功率和/或机械功率的小部分供电；-等压蒸汽生成部件(GV)，用于生成通过由所述热源传递的所述加热功率热激活的所述工作流体的蒸汽；-第一绝热膨胀部件(EP1，N+1)，适于由于所述工作流体的膨胀而生成所述电功率和/或机械功率；-等压冷凝部件(CNDK)，适于冷凝所述工作流体，从而向所述最终用户供应加热功率；-等压热再生部件(RN-1)，与所述第一绝热两相压缩部件(CP1，N)和所述第一绝热膨胀部件(EP1，N+1)功能上相关联，适于促进加热功率从所述第一绝热膨胀部件(EP1，N+1)的至少一级的下游循环的所述工作流体到所述第一绝热两相压缩部件(CP1，N)的至少一级的下游循环的相同工作流体的传递；iii)所述流量调节部件(S)的下游的第二电路(C2)，用于在供应电功率和/或机械功率以及加热功率和冷却功率或仅供应冷却功率的设备操作模式下，循环工作流体的所述第二部分，所述第二电路包括：-第一等压散热部件(D1)，适于促进从所述工作流体到所述设备的外部环境的热传递；-第二绝热两相膨胀部件(EP2，M)，适于由于所述工作流体的膨胀而生成所述电功率和/或机械功率；-等压蒸发部件(EVAM)，适于蒸发所述工作流体，从而导致向所述最终用户供应冷却功率；-第二绝热两相压缩部件(CP2，EIT)，适于增加所述工作流体的压力并因此增加所述工作流体的温度；其中所述第一和第二电路彼此连通，以适于将所述第一绝热膨胀部件(EP1，N+1)下游的所述第一电路的工作流体的所述第一部分与所述第二绝热两相压缩部件(CP2，EIT)中或其下游的所述第二电路的所述工作流体的所述第二部分组合，iv)所述第二绝热两相压缩部件(CP2，EIT)下游的第三电路(C3)，用于使所述工作流体的总流量朝所述调节部件(S)循环，还包括，在所述调节部件的上游的第二散热部件(D2)，所述第二散热部件(D2)适于促进从所述工作流体向所述设备的外部环境的热能传递；以及v)旁路部件，包括：-第一偏离部件(RD1，K)，适于使所述第一电路中的所述工作流体偏离，从而旁路相应的冷凝部件(CNDK)；以及-第二偏离部件(RD2)，适于使所述第一绝热膨胀部件(EP1，N+1)下游的所述第一电路(C1)与所述第二散热部件(D2)上游的所述第三电路(C3)之间的所述工作流体偏离，从而旁路所述第二回路(C2)；vi)控制部件，适于在所述电路和所述旁路部件之间分配工作流体；因此，所述设备可配置用于以下替代功能：-在用于向所述最终用户供应电功率和/或机械功率、以及同时供应加热功率和冷却功率的设备操作模式下，通过所述冷凝部件(CNDK)和所述第一绝热膨胀部件(EP1，N+1)向所述第二电路中的所述第二绝热两相压缩部件(CP2，EIT)馈送所述第一电路中的工作流体的所述第一部分；-在用于向所述最终用户供应电功率和/或机械功率、以及同时仅供应冷却功率的设备操作模式下，使所述第一电路中的工作流体的所述第一部分通过所述第一偏离部件(RD1，K)和所述第一绝热膨胀部件(EP1，N+1)朝所述第二绝热两相压缩部件(CP2，EIT)偏离；-在用于向所述最终用户供应电功率和/或机械功率、以及同时仅供应加热功率的设备操作模式下，通过所述冷凝部件(CNDK)和所述第一绝热膨胀部件(EP1，N+1)并且然后通过所述第二偏离部件(RD2)朝所述第三电路馈送所述第一回路中的工作流体的总流量。2.如权利要求1所述的设备，其中所述第一偏离部件(RD1，K)包括用于偏离所述工作流体的至少一个第一偏离分支，所述第一偏离分支由位于相应冷凝部件(CNDK)的上游和下游的所述第一电路中的第一(V1，K，1)三通开关阀和第二(V1，K，2)三通开关阀界定；并且所述第二工作流体偏离部件(RD2)包括第二偏离分支，所述第二偏离分支由位于所述第一绝热膨胀部件(EP1，N+1)下游的第三三通开关阀(V3)和位于所述第二绝热两相压缩部件(CP2，EIT)和所述第二散热部件(D2)之间的第四三通开关阀(V4)界定，由此除了所述流量调节部件(S)之外，还通过配置所述阀获得所述替代功能。3.如权利要求2所述的设备，其中所述旁路部件包括第三偏离部件(RD3，M)，所述第三偏离部件(RD3，M)适于使所述第二电路中的所述工作流体偏离，旁路相应的蒸发部件(EVAM)；所述第三偏离部件(RD3，M)包括用于使所述工作流体偏离的至少一个第三偏离分支，所述第三偏离分支由位于相应蒸发部件(EVAM)的上游和下游的所述第二电路中的第一(V3，M，1)三通开关阀和第二(V3，M，2)三通开关阀界定。4.如权利要求2所述的设备，其中所述第二电路中的所述第二绝热两相压缩部件仅包括全部由设备生成的电功率和/或机械功率的部分驱动的一个或多个绝热两相压缩机(CP2)，还提供位于所述第二绝热两相压缩部件(CP2)的下游和所述第四三通开关阀(V4)的上游的用于组合工作流体的所述第一部分和所述第二部分的等焓混合部件(M)。5.如权利要求2所述的设备，其中所述第二电路中的所述第二两相压缩部件仅包括绝热两相喷射部件(EIT)，所述绝热两相喷射部件(EIT)适于也提供工作流体的所述第一部分和第二部分之间的组合。6.如权利要求2所述的设备，其中所述第二电路中的所述第二两相压缩部件包括绝热两相喷射部件(EIT)以及一个或多个绝热两相压缩机(C...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯特凡诺·布里奥拉，
申请(专利权)人：斯特凡诺·布里奥拉，
类型：发明
国别省市：意大利,IT