氨水吸收式动力与制冷复合循环方法技术

一种氨水吸收式动力与制冷复合循环方法，以氨水混合物为工质，通过由加热设备过热器和精馏塔的再沸器、产功设备透平、产冷设备蒸发器、以及换热器、泵、阀门组合的热力循环工艺流程实现，其特征在于，在中低品位热源加热下，氨水混合物工质物流经泵升压至４５ｂａｒ～５５ｂａｒ，在回热器和塔釜换热器生温后，进入精馏塔；在精馏塔中将工质分离成为温度１００℃～１５０℃、浓度０．７～１．０的工质蒸汽和温度２００℃～２５０℃、浓度０．１～０．３的稀工质溶液；将工质蒸汽在过热器中加热成为温度３５０℃～４５０℃的过热工质蒸汽，经透平做功后降低压力；乏汽与精馏塔进口物流在回热器中换热；透平出口压力按两种运行方式调节：动力与制冷复合循环运行方式的透平出口压力调节为１０ｂａｒ～２０ｂａｒ，回热器出口乏汽流经制冷循环支路制冷，制冷后的氨蒸汽被低浓度的工质溶液吸收，返回精馏塔；动力循环运行方式的透平出口压力调节为１ｂａｒ～２ｂａｒ，低浓度的工质溶液吸收回热器出口乏汽，返回精馏塔。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种动力与制冷复合循环方法，特别是以氨水混合物为工质，利用中低品位热发电、制冷的吸收式动力与制冷复合循环方法。
技术介绍
在专利USP4346561中Kalina提出了采用混合工质透平产功的动力循环，但是循环不适用于中高温热源，而且热效率较低。为了改进循环，Kalina在1984年提出现在通常所说的Kalina循环(USP4489563)。Kalina又先后在一系列专利中提出了多级透平和多级分离的氨水吸收式动力循环，如专利USP4548043、USP4586340、USP4604867、USP4732005、USP4763480、USP4899545、USP4982568、USP5029444、USP5095708。Kalina循环与传统的Rankine循环相比具有较高的热效率和热力学第二定律效率，但是流程要比Rankine循环复杂，尤其是多级Kalina循环。迄今报道的动力与制冷复合循环系统，多是利用过程余热驱动外置的制冷装置，用产生的冷量来冷却动力循环的压缩机入口空气，以提高动力循环的热效率。如专利USP5555738、USP6173563和USP6457315。1995年，Goswami提出了一个将Rankine循环和单级氨水吸收制冷循环结合起，同时产生功和热的动力与制冷复合循环(Energy，2000，25233-246)。该循环利用太阳能集热系统供热。氨水混合物通过精馏塔中加热，几乎是纯的氨蒸气离开塔顶部分冷凝器后进入过热器，加热成过热氨蒸气。透平作功后氨蒸气的温度达到-18℃，在一个换热器中吸收环境的热量，利用工质显热制冷。该循环制冷能力很弱，产功量和产冷量的比例不能调节。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题以中低品位热为热源，根据不同需求调节产功量和制冷量的比例，即可满足单独产功的场合，也可用于同时产功和制冷场合，从而提供一种流程结构简化，能量利用效率高的吸收式动力与制冷复合循环方法主要技术方案本专利技术由加热设备过热器和精馏塔的再沸器、产功设备透平、产冷设备蒸发器、以及换热器、泵、阀门组成热力循环工艺流程实现。在中低品位热源加热下，浓度为0.3～0.5(以氨为基准)，压力为1bar～2bar的氨水混合物工质物流经泵升压至45bar～55bar，在回热器和塔釜换热器生温后，进入精馏塔；在精馏塔中将工质分离成为温度100℃～150℃、浓度0.7～1.0的工质蒸汽和温度200℃～250℃、浓度0.1～0.3的稀工质溶液；将工质蒸汽在过热器中加热成为温度350℃～450℃的过热工质蒸汽，经透平做功后降低压力；乏汽与精馏塔进口物流在回热器中换热；透平出口压力按两种运行方式调节随着透平出口压力的减小，体系输出的功和冷量比例将增加。动力与制冷复合循环运行方式的透平出口压力调节为10bar～20bar，回热器出口乏汽流经制冷循环支路制冷，制冷后的氨蒸汽被低浓度的工质溶液吸收，返回精馏塔；动力循环运行方式的透平出口压力调节为1bar～2bar，低浓度的工质溶液吸收回热器出口乏汽，返回精馏塔。上述的出口乏汽流经制冷循环支路制冷，是将工质乏汽经冷凝器冷凝成为液态，并在过冷器中与来自蒸发器的工质蒸汽换热，以降低温度，然后经节流阀减低至1bar～2bar的压力。在此压力下操作的蒸发器，工质吸收冷媒热量蒸发，输出-20℃至空调温度水平的冷量。离开制冷循环支路的工质蒸汽在吸收器中被低浓度的工质溶液吸收，返回精馏塔。上述以动力循环运行方式时，精馏塔分离出工质的浓度为0.7～0.8(以氨为基准)；以动力与制冷复合循环运行方式时，精馏塔分离出来工质的浓度为0.9～1.0(以氨为基准)。上述以动力与制冷复合循环运行方式时，透平出口的压力为12～17bar。上述循环的中低品位驱动热源分别从过热器和精馏塔输入，精馏塔的输入热源温度200℃～300℃，过热器的输入热源温度400℃～600℃。本专利技术循环的精馏塔塔顶冷凝器的冷却负荷和吸收器的大部分冷却负荷可以采用风冷方式实施。专利技术的效果(1)以中低品位热为热源，该热源可以是工业或民用余热、亦可采用各种可再生能源。(2)可以灵活地根据不同需求调节产功量和制冷量的比例，可用于单独产功的场合或用于同时产功和制冷场合。(3)循环的流程结构简单。循环的能量利用效率高，热力学完善度高。与单独产功的Kalina循环和单独产冷的单级制冷循环组合起来的方案相比，本专利技术的动力与制冷复合循环运行方式的综合热效率高35％以上，热力学第二定律效率高10％以上。与单独产功的Kalina循环相比，本专利技术的动力循环运行方式的综合热效率高5％以上，热力学第二定律效率高30％以上。(4)循环的55％以上的冷却负荷可以采用风冷。附图说明图1为本专利技术的动力循环运行方式的流程示意图。图2为本专利技术的动力与制冷复合循环运行方式的流程示意图。具体实施例方式下面分别以系统单独产功的场合以及同时产功与制冷场合为例，对本专利技术详细说明。本专利技术的动力循环运行方式参照图1的流程描述，浓度为(质量％)0.3～0.5的工质物流A1流经泵5后，压力提高到45bar～55bar，成为高压工质物流A2，在回热器4中吸收透平3乏汽A8放出的热量，温度升高，成为塔釜换热器进口物流A3。物流A3吸收塔釜出口稀工质溶液A6放出的热量后，进入精馏塔1。精馏塔将工质物流分离成为温度为100℃～200℃、浓度(质量％)为0.7～0.8的工质蒸汽A5和温度为200℃～250℃的稀工质溶液A6。物流A5经过热器2加热后成为温度为350℃～400℃的过热工质蒸汽A7，物流A7在透平3中膨胀将热能转化成为动能完成产功的功能，自身成为中温、低压、高浓度乏汽A8，透平出口压力为1bar～2bar。在回热器4中物流A8与物流A2换热成为低温、低压、高浓度的废汽A9。从塔釜出来的物流A6在塔釜换热器中加热进塔物流A10，温度降低，又经节流阀8后，压力下降，在吸收器7中吸收废汽A9，成为工质物流A1，完成吸收式动力循环。现将本专利技术所提出的动力循环与单级Kalina循环相比，单级Kalina循环有两个吸收器，而本专利技术的动力循环只有一个吸收器；Kalina循环比该动力循环多了一个分配器，也就是说本专利技术的动力循环比Kalina循环多了一个分离、混合的过程，因此流程大大简化了。将本专利技术循环的动力循环运行方式与单级Kalina循环进行分析比较，可以得到表1所示的能量利用情况，以及热效率和热力学第二定律效率的结果。表1 本专利技术的动力循环运行方式与Kalina循环的比较能量利用情况单级Kalina循环 本专利技术的动力 改进变化率循环运行方式/％高温位(450℃)热源输入热量/kW 866.864 153.853 82.3中温位(250℃)热源1输入热量/kW -657.054 -输入的泵功/kW7.12520.497 187.7产功量/kW174.794 174.77 0. 综合热效率/％20.0 21.05.10热力学第二定律效率/％35.9 48.535.1在规定相同的热源温度和冷源温度，以及对所有系统都进行了参数优化的条件下，从表1可以看到，本专利技术的动力循环运行方式的综合热效率高5.10％，热力学第二定律效率高35.1％。在本专利技术循环的这个动力循环本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郑丹星，金红光，齐云，
申请(专利权)人：北京化工大学，中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：