一種有機朗肯循環與熱泵循環的耦合系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于余熱回收技術領域，涉及一種有機朗肯循環與熱泵循環的耦合系統。
【背景技術】
[0002]目前，隨著能源與環境問題的日益突出，低品位工業余熱、廢熱及可再生熱量因其總量巨大而逐漸受到人們的關注。人類的生產、生活中，如化工、印染、紡織、造紙、纖維、陶瓷加工等生產過程，存在大量對熱能品位要求不高的加熱生產過程，同時在上述生產過程中排放大量100°c以下的熱水，沒有得到再次利用。這些生產過程一般是以消耗高品位能源為代價的化石燃料燃燒或電加熱等傳統方式來進行供熱，這不僅降低了能源的利用品位，同時也造成了大量余熱資源的浪費，對環境造成了一定的熱污染。
[0003]低溫余熱回收技術是我國正在蓬勃發展的又一項新型節能技術，特別是低溫余熱發電技術大多數都采用有機郎肯循環低溫發電系統技術，在冶煉、工業爐窯的尾氣回收、化工行業的余熱回收、生物質發電等領域已經得到實際應用。
[0004]有機朗肯循環(Organic Rankine Cycle，ORC)作為一種能高效、環保地實現低品位熱能向高品位電能或動力轉化的技術，現已成為低品位能源利用領域研宄的熱點。其工作過程如下:工作介質泵將工作介質輸送到發生器，工作介質在發生器內被加熱汽化，產生的介質蒸汽進入到膨脹動力機中膨脹做功，驅動膨脹機旋轉，并帶動發電機發電，做功后的低壓蒸汽進入冷凝器凝結，然后再回到工作介質泵中，在進入下一個循環。有機郎肯循環發電中的關鍵因數是膨脹動力機和工作介質。而熱泵技術作為一項高效的供熱技術，通過消耗一部分高品位能量，將低溫熱源中儲存的熱能轉化為高品位熱能，實現數倍的能量輸出。在合適的條件下，將熱泵與有機朗肯循環技術結合，不僅可以滿足生產熱能、電能的需求，減少外界電能或化石能源的消耗，同時提高了能源利用率，避免溫室效應和大氣污染，對節能減排具有重要意義。
[0005]申請號為201410663412.3的中國發明專利公布了一種空氣能發電系統，該系統由空氣能熱泵循環系統和郎肯循環低溫發電系統兩個部分構成，空氣能熱泵循環系統通過換熱裝置與郎肯循環低溫發電系統連接；換熱裝置采用雙介質流道結構，一條為空氣能熱泵循環系統的冷媒介質流道，另一條為郎肯循環系統的工作介質流道，換熱裝置既是空氣能熱泵循環系統的冷凝器又是郎肯循環系統的發生器，這兩個循環系統通過換熱裝置連接；空氣能熱泵循環系統由風機、蒸發器、壓縮機、換熱裝置和膨脹閥、冷媒介質構成；蒸發器連接壓縮機，壓縮機連接換熱裝置的冷媒介質流道的入口端，換熱裝置的冷媒介質流道的出口端連接膨脹閥，膨脹閥連接蒸發器。上述專利公布的技術方案主要是通過消耗電來產電，通過熱泵系統可以實現1:4的電-熱轉換，再通過郎肯循環將熱轉化為電，但郎肯循環轉化的效率較低，一般在0.2以下，因此，該技術方案經濟性不好，削弱了電量，其次，空氣源熱泵系統的冷凝溫度不高，致使郎肯循環發生溫度不高，郎肯循環效率較低，從而導致整個系統的效率較低，能量及經濟價值有待進一步提高，應用性低。
【發明內容】
[0006]本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種能實現低品位余熱的高溫回收利用，減少額外的電能或化石燃料消耗，同時實現熱、電并供的有機朗肯循環與熱泵循環的耦合系統。
[0007]本發明的目的可以通過以下技術方案來實現:
[0008]一種有機朗肯循環與熱泵循環的耦合系統，該系統包括相互耦合的有機朗肯循環單元及熱泵循環單元，并且所述的有機朗肯循環單元與熱泵循環單元共用同一蒸發器；
[0009]所述的有機朗肯循環單元包括蒸發器、第一流量計、第一流量調節閥、膨脹機、低溫冷凝器以及工質泵，所述的蒸發器的出口端通過第一管路依次與第一流量計、第一流量調節閥、膨脹機、低溫冷凝器及工質泵連接，并通過工質泵返回連接至蒸發器的進口端，構成有機朗肯循環回路；
[0010]所述的熱泵循環單元包括蒸發器、第二流量計、第二流量調節閥、壓縮機、高溫冷凝器以及節流閥，所述的蒸發器的出口端通過第二管路依次與第二流量計、第二流量調節閥、壓縮機、高溫冷凝器及節流閥連接，并通過節流閥返回連接至蒸發器的進口端，構成熱泵循環回路；
[0011]所述的膨脹機與壓縮機之間設有傳動裝置，在工作狀態下，所述的膨脹機對外做功，并通過傳動裝置來驅動壓縮機運行。
[0012]所述的傳動裝置為聯軸器，該聯軸器一端與膨脹機軸連接，另一端與壓縮機軸連接，使膨脹機與壓縮機實現同軸運轉。
[0013]所述的有機朗肯循環單元還包括發電機，該發電機與膨脹機傳動連接。
[0014]所述的膨脹機可通過皮帶輪、齒輪或直接通過軸與發電機傳動連接。
[0015]所述的壓縮機與膨脹機同軸連接，膨脹機采用徑向軸流式透平膨脹機，壓縮機采用離心式壓縮機，膨脹機軸通過傳動裝置(如聯軸器)將透平所做的功傳送至壓縮機的軸，驅動壓縮機壓縮。
[0016]所述的低溫冷凝器外接循環冷卻水。
[0017]所述的循環工質為五氟丙烷(R245fa)、正丁烷(R600)、1，I, 2_三氟乙烷(R143)或六氟丙燒(R236ea)等。
[0018]在工作狀態下，所述的蒸發器中的液態循環工質與回收的低品位余熱流換熱，轉變為高溫低壓氣態工質；
[0019]一部分高溫低壓氣態工質經第一流量計、第一流量調節閥進入膨脹機中，并驅動膨脹機對外做功，做功后，轉變為低壓氣態工質，該低壓氣態工質進入低溫冷凝器中冷凝放熱，轉變為第一液態循環工質，再經工質泵增壓后，返回至蒸發器中，完成有機朗肯循環；
[0020]另一部分高溫低壓氣態工質經第二流量計、第二流量調節閥進入壓縮機中，在壓縮機的作用下，轉變為高溫高壓氣態工質，并進入高溫冷凝器中，與待加熱工質充分換熱，換熱后，高溫冷凝器內的高溫高壓氣態工質轉變為第二液態循環工質，該第二液態循環工質經節流閥節流后，與經工質泵增壓后的第一液態循環工質混合，并進入蒸發器，完成熱泵循環。
[0021]所述的膨脹機對外做功時，一部分功通過傳動裝置驅動壓縮機運行，剩余部分功驅動發電機發電。
[0022]本發明將有機朗肯循環單元及熱泵循環單元進行耦合，回收的低品位余熱流在蒸發器內與液態循環工質換熱，將其加熱為高溫低壓氣態工質，而高溫低壓氣態工質分成兩部分，通過流量調節閥調節，分別進入膨脹機與壓縮機中，并分別完成有機朗肯循環及熱泵循環。
[0023]本發明中，有機朗肯循環單元與熱泵循環單元共用同一蒸發器并使用同一種循環工質，并采用傳動裝置將膨脹機與壓縮機傳動連接，使得膨脹機所做的功優先驅動壓縮機，用以滿足熱泵循環的動力需求，而剩余部分的功驅動發電機發電，從而實現系統的熱、電并供。在實際工作過程中，還可以調節流量調節閥，來實現兩循環單元中循環工質流量的調節，進而調節熱電比輸出，滿足用戶不同熱電比的需求。
[0024]本發明中，熱泵循環單元的低位熱能和朗肯循環單元的熱源均為廢熱，將廢熱轉化為高品位的熱能和電能，且未消耗外界高品位電能，實現了余熱的高效利用，避免了因廢熱排放對環境造成的熱污染，且本發明可同時實現高品位熱能與電能的輸出，用戶可根據實際需求，調節系統的不同熱電比輸出，具有很好的應用前景。
[0025]與現有技術相比，本發明具有以下特點:
[0026]I)可使用工業廢熱、地熱及太陽能等可再生能源，實現能源再利用，滿足生產中的熱能及電能需求；
[0027]2)由于采用流量調節閥可以調節進入兩個循環單元中的循環工質的流量，實現系統不同熱電比的輸出，滿足用戶的不同熱電比需求；
[0028]3)節能環保，經濟實用，能有效回收工業生產或地熱等產生的熱量，滿足了生產、生活中的高品位熱量及電量需求，減少電能或化石能源的消耗，實現了熱、電并供，減少了溫室效應和大氣污染。
【附圖說明】