一种多品位余热利用有机朗肯循环系统论文和设计-勾昱君

全文摘要

本实用新型公开了一种多品位余热利用有机朗肯循环系统，包括有机朗肯循环单元和热泵单元，有机朗肯循环单元中设置一用以吸收利用多品位余热热能的多进口蒸发器。热泵单元采用吸收式热泵形式，充分利用低品位热源，实现将热量从低温热源向高温热源泵送。本实用新型适用于我国绝大部分地区，系统在冬季和夏季可以分别启动制热和制冷模式，制热模式下，有机朗肯循环单元中的冷凝器与热泵单元中蒸发器连通，蒸发器吸收来自经余热做功后的乏汽释放出的热量，经过一系列换热器的作用下，用户利用到从冷凝器中散发的热量，制冷模式下，有机朗肯循环单元中的冷凝器与冷却塔相接，以达到制冷利用冷量的目的。

主设计要求

1.一种多品位余热利用有机朗肯循环系统，包括有机朗肯循环单元和热泵单元，其特征在于，--所述有机朗肯循环单元，至少包括一多进口蒸发器、一膨胀机和一冷凝器，其中，所述多进口蒸发器的热侧通入多品位余热介质，且所述多品位余热介质中至少包括烟气，所述多进口蒸发器的冷侧蒸汽出口通过管路依次经所述膨胀机、冷凝器后与所述多进口蒸发器的冷侧进水口连通；--所述热泵单元，至少包括发生器、吸收器、热泵蒸发器、热泵冷凝器、节流阀、冷却塔、溶液热交换器，所述发生器、吸收器、热泵蒸发器、热泵冷凝器中均设置有换热部件，其中，所述发生器中容置有工质对溶液，经所述多进口蒸发器的热侧出口排出的烟气经管路通入所述发生器的换热部件中并对所述工质对溶液进行加热，所述工质对溶液受热后转变为工质浓溶液和工质水蒸汽，其中，所述工质水蒸汽经管路通入所述热泵冷凝器中，所述工质浓溶液通过管路经所述溶液热交换器的热侧后通入所述吸收器中；所述热泵冷凝器中的换热部件用以将通入其中的所述工质水蒸汽冷凝为液态工质水，所述液态工质水通过管路经所述节流阀降压后通入所述热泵蒸发器中；所述热泵蒸发器中的换热部件，一方面通过带有阀门的管路与所述冷凝器的冷侧形成一循环回路，另一方面还通过带有阀门的管路与一冷用户单元形成另一循环回路，所述冷凝器的冷侧还通过带有阀门的管路与所述冷却塔形成另一循环回路；且所述热泵蒸发器中的换热部件将通入所述热泵蒸发器中的低压液态工质水蒸发为低压工质水蒸汽，所述低压工质水蒸汽通过管路输送至所述吸收器中并与其中的工质浓溶液混合后形成为工质稀溶液，所述工质稀溶液通过管路经所述溶液热交换器的冷侧后通入所述发生器中；所述吸收器、热泵冷凝器中的换热部件相互串联形成一换热部件，所述换热部件通过带有阀门的管路与一热用户单元形成一循环回路，所述换热部件还通过带有阀门的管路与所述冷却塔形成另一循环回路。

设计方案

1.一种多品位余热利用有机朗肯循环系统，包括有机朗肯循环单元和热泵单元，其特征在于，

--所述有机朗肯循环单元，至少包括一多进口蒸发器、一膨胀机和一冷凝器，其中，所述多进口蒸发器的热侧通入多品位余热介质，且所述多品位余热介质中至少包括烟气，所述多进口蒸发器的冷侧蒸汽出口通过管路依次经所述膨胀机、冷凝器后与所述多进口蒸发器的冷侧进水口连通；

--所述热泵单元，至少包括发生器、吸收器、热泵蒸发器、热泵冷凝器、节流阀、冷却塔、溶液热交换器，所述发生器、吸收器、热泵蒸发器、热泵冷凝器中均设置有换热部件，其中，

所述发生器中容置有工质对溶液，经所述多进口蒸发器的热侧出口排出的烟气经管路通入所述发生器的换热部件中并对所述工质对溶液进行加热，所述工质对溶液受热后转变为工质浓溶液和工质水蒸汽，其中，所述工质水蒸汽经管路通入所述热泵冷凝器中，所述工质浓溶液通过管路经所述溶液热交换器的热侧后通入所述吸收器中；

所述热泵冷凝器中的换热部件用以将通入其中的所述工质水蒸汽冷凝为液态工质水，所述液态工质水通过管路经所述节流阀降压后通入所述热泵蒸发器中；

所述热泵蒸发器中的换热部件，一方面通过带有阀门的管路与所述冷凝器的冷侧形成一循环回路，另一方面还通过带有阀门的管路与一冷用户单元形成另一循环回路，所述冷凝器的冷侧还通过带有阀门的管路与所述冷却塔形成另一循环回路；且所述热泵蒸发器中的换热部件将通入所述热泵蒸发器中的低压液态工质水蒸发为低压工质水蒸汽，所述低压工质水蒸汽通过管路输送至所述吸收器中并与其中的工质浓溶液混合后形成为工质稀溶液，所述工质稀溶液通过管路经所述溶液热交换器的冷侧后通入所述发生器中；

所述吸收器、热泵冷凝器中的换热部件相互串联形成一换热部件，所述换热部件通过带有阀门的管路与一热用户单元形成一循环回路，所述换热部件还通过带有阀门的管路与所述冷却塔形成另一循环回路。

2.根据权利要求1所述的多品位余热利用有机朗肯循环系统，其特征在于，所述有机朗肯循环单元中，所述膨胀机传动连接一发电机。

3.根据权利要求1所述的多品位余热利用有机朗肯循环系统，其特征在于，所述有机朗肯循环单元中，所述多进口蒸发器的冷侧进水管路上设置一水泵。

4.根据权利要求1所述的多品位余热利用有机朗肯循环系统，其特征在于，所述溶液热交换器的冷侧管路和\/或热侧管路上设有溶液泵。

5.根据权利要求1所述的多品位余热利用有机朗肯循环系统，其特征在于，所述热泵冷凝器中的换热部件的出口端分别与所述热用户单元、冷却塔的进水口连通，所述热用户单元、冷却塔的回水口均与所述吸收器中的换热部件的进口端连通。

6.根据权利要求1所述的多品位余热利用有机朗肯循环系统，其特征在于，所述多品位余热利用有机朗肯循环系统包括制热模式和制冷模式。

7.根据权利要求6所述的多品位余热利用有机朗肯循环系统，其特征在于，当所述多品位余热利用有机朗肯循环系统处于制热模式时，所述吸收器、热泵冷凝器中的换热部件串联后形成的所述换热部件，其与所述热用户单元形成的循环回路处于开启状态，与所述冷却塔形成的循环回路处于关闭状态；所述热泵蒸发器中的换热部件，其与所述冷凝器的冷侧形成的循环回路处于开启状态，与所述冷用户单元形成的循环回路处于关闭状态；所述冷凝器的冷侧与所述冷却塔形成的循环回路也处于关闭状态。

8.根据权利要求6所述的多品位余热利用有机朗肯循环系统，其特征在于，当所述多品位余热利用有机朗肯循环系统处于制冷模式时，所述吸收器、热泵冷凝器中的换热部件串联后形成的所述换热部件，其与所述热用户单元形成的循环回路处于关闭状态，与所述冷却塔形成的循环回路处于开启状态；所述热泵蒸发器中的换热部件，其与所述冷凝器的冷侧形成的循环回路处于关闭状态，与所述冷用户单元形成的循环回路处于开启状态，所述冷凝器的冷侧与所述冷却塔形成的循环回路处于开启状态。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种有机朗肯循环系统，特别涉及一种多品位余热利用有机朗肯循环系统。

背景技术

在工业生产中会产生大量的余热，这些余热一般品位各不相同，如果在生产过程中直接排到环境中，不但会对周边造成热污染的问题，还存在着热量的浪费。因此将这些不同品位的余热进行回收再加以利用，不仅可以减轻环境压力，而且还可提高能源的利用率。可以利用的余热通常具有温度范围广、形式多的特点，包括循环冷却水、余热蒸汽、工业炉窖烟气、冶金渣余热等。其中低品位余热包括电厂排气余热(25～35℃)以及风机、冷轧等工艺冷却设备中的低温工艺冷却水(28～45℃)，中品位余热主要有冲渣水高温段(55～75℃)以及能源动力厂浊环水(45～55℃)，高品位余热包括高炉煤气中、低温段排烟(80～120℃)。

有机朗肯循环是利用低品位余热的关键技术之一，在一定程度上可有效缓解能源危机，此循环中的工质为有机工质，而且此系统技术简单、热回收性能好，特别适合中、低温余热能量的回收。由于各品位之间的余热能量温差较大，存在着高、低品位相互制约，无法充分回收利用的问题。此外，为了改善冬季燃煤锅炉供热引起的环境污染问题，热泵系统装置在建筑空气调节中开始大面积应用，因此将有机朗肯系统与热泵系统相连，能够有效利用余热能量，尤其在冬季的时候，能够明显有效的提高热泵装置的效率。

实用新型内容

针对上述现有技术的缺点和不足，本实用新型旨在提供一种多品位余热利用有机朗肯循环系统，采用多进口蒸发器吸收各级品位余热介质中的热量产生蒸汽驱动汽轮机做功，经做功后的乏汽再次利用用于建筑空气调节，实现夏冬两季的冷暖交替供应，在提高了各级品位余热的利用率之外，还对冬季时采用烧煤炭供暖起到了限制作用，减轻了环境污染压力。

本实用新型的技术问题是由以下技术方案解决的：

一种多品位余热利用有机朗肯循环系统，包括有机朗肯循环单元和热泵单元，其特征在于，

优选地，所述有机朗肯循环单元中，所述膨胀机传动连接一发电机。

优选地，所述有机朗肯循环单元中，所述多进口蒸发器的冷侧进水管路上设置一水泵。

优选地，所述溶液热交换器的冷侧管路和\/或热侧管路上设有溶液泵。

优选地，所述热泵冷凝器中的换热部件的出口端分别与所述热用户单元、冷却塔的进水口连通，所述热用户单元、冷却塔的回水口均与所述吸收器中的换热部件的进口端连通。

优选地，所述多品位余热利用有机朗肯循环系统包括制热模式和制冷模式。

进一步地，当所述多品位余热利用有机朗肯循环系统处于制热模式时，所述吸收器、热泵冷凝器中的换热部件串联后形成的所述换热部件，其与所述热用户单元形成的循环回路处于开启状态，与所述冷却塔形成的循环回路处于关闭状态；所述热泵蒸发器中的换热部件，其与所述冷凝器的冷侧形成的循环回路处于开启状态，与所述冷用户单元形成的循环回路处于关闭状态；所述冷凝器的冷侧与所述冷却塔形成的循环回路也处于关闭状态。

进一步地，当所述多品位余热利用有机朗肯循环系统处于制冷模式时，所述吸收器、热泵冷凝器中的换热部件串联后形成的所述换热部件，其与所述热用户单元形成的循环回路处于关闭状态，与所述冷却塔形成的循环回路处于开启状态；所述热泵蒸发器中的换热部件，其与所述冷凝器的冷侧形成的循环回路处于关闭状态，与所述冷用户单元形成的循环回路处于开启状态，所述冷凝器的冷侧与所述冷却塔形成的循环回路处于开启状态。

同现有技术相比，本实用新型的多品位余热利用有机朗肯循环系统，各品位余热经过收集至多进口蒸发器时，多进口蒸发器吸收来自高炉烟气等余热的热量，并将循环工质加热成蒸汽形式，随后蒸汽通过膨胀机做功。其中的热泵单元采用吸收式热泵形式，充分利用低品位热源，实现将热量从低温热源向高温热源泵送。热泵系统的工作原理与制冷机相同，都是按照逆卡诺循环工作，而热泵的作用是从周围环境中吸取热量，并把热量传递给被加热的对象。本实用新型的多品位余热利用有机朗肯循环系统，适用于我国绝大部分地区，系统在冬季和夏季可以分别启动制热和制冷模式，制热模式下，有机朗肯循环系统中的冷凝器与热泵系统中蒸发器相连，蒸发器吸收来自经余热做功后的乏汽释放出的热量，经过一系列换热器的作用下，用户利用到从冷凝器中散发的热量，制冷模式下，有机朗肯循环系统中的冷凝器与冷却塔相接，以达到制冷利用冷量的目的。

附图说明

图1为本实用新型多品位余热利用有机朗肯循环系统原理图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本实用新型进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型的多品位余热利用有机朗肯循环系统，包括有机朗肯循环单元和热泵单元。有机朗肯循环单元，主要包括多进口蒸发器1、膨胀机2、发电机3、冷凝器4、水泵5等部件。多进口蒸发器1的热侧通入多品位余热介质，且多品位余热介质中至少包括高炉烟气，多进口蒸发器1 的冷侧蒸汽出口通过管路依次经膨胀机2、冷凝器4后与多进口蒸发器的冷侧进水口连通，膨胀机2与发电机3传动连接，用以将循环产生的能量转换为电能并对外输出。

热泵单元，主要包括发生器10、吸收器7、热泵蒸发器6、热泵冷凝器 11、节流阀12、冷却塔13、溶液热交换器9、溶液泵8等部件。发生器10、吸收器7、热泵蒸发器6、热泵冷凝器11中均设置有换热部件。发生器10 中容置有工质对溶液，经多进口蒸发器1的热侧出口排出的烟气经管路通入发生器10的换热部件中并对工质对溶液进行加热，工质对溶液受热后转变为工质浓溶液和工质水蒸汽，其中，工质水蒸汽经管路通入热泵冷凝器11中，工质浓溶液通过管路经溶液热交换器9的热侧后通入吸收器7中；热泵冷凝器11中的换热部件用以将通入其中的工质水蒸汽冷凝为液态工质水，液态工质水通过管路经节流阀12降压后通入热泵蒸发器6中；热泵蒸发器6中的换热部件，一方面通过带有阀门20、21的管路与冷凝器4的冷侧形成一循环回路，另一方面还通过带有阀门18、19的管路与冷用户单元形成另一循环回路，冷凝器4的冷侧还通过带有阀门14、15的管路与冷却塔13形成另一循环回路；且热泵蒸发器6中的换热部件将通入热泵蒸发器6中的低压液态工质水蒸发为低压工质水蒸汽，低压工质水蒸汽通过管路输送至吸收器7中并与其中的工质浓溶液混合后形成为工质稀溶液，工质稀溶液通过管路经溶液热交换器9的冷侧后通入发生器中。吸收器7、热泵冷凝器11中的换热部件相互串联形成一换热部件，换热部件通过带有阀门22、23的管路与热用户单元形成一循环回路，换热部件还通过带有阀门16、17的管路与冷却塔形成另一循环回路。

本实用新型中的多进口蒸发器1可利用多品位的余热，多进口的设计能够尽可能多的利用高炉烟气、高温焦炭、冷渣水等余热，这样的多进口蒸发器节约了资源，减少了中间过程中能量的损失，提高了余热的利用效率和经济性。各品位余热经过收集至多进口蒸发器1时，蒸发器吸收来自高炉烟气等余热的热量，并将循环工质加热成蒸汽形式，随后蒸汽通过膨胀机2做功，膨胀机2传动连接发动机3，从而将能量形式转变为电能输出。

热泵单元采用吸收式热泵形式，可充分利用低品位热源，实现将热量从低温热源向高温热源泵送。吸收式热泵的工作原理与制冷机相同，都是按照逆卡诺循环工作，而热泵的作用是从周围环境中吸取热量，并把它传递给被加热的对象。热泵单元中各主要部件的功能如下：发生器10，利用多进口蒸发器1收集的余热中的高温烟气加热发生器10里的工质对溶液，使工质水变为蒸汽，从而使稀溶液变成浓溶液；热泵冷凝器11，由发生器10进来的循环工质蒸汽在热泵冷凝器11中冷凝为液体，同时放出热量；节流阀12，阀前压力、温度较高的循环工质液体经节流阀后变为压力、温度较低的循环工质饱和气、饱和液混合物，也就是湿蒸汽；热泵蒸发器6，压力、温度较低的循环工质湿蒸汽在热泵蒸发器中吸收低温热源的热量，变为饱和气；吸收器7，利用工质对溶液对循环工质较强的吸收能力，把热泵蒸发器6中产生的循环工质抽吸到吸收器7中；溶液泵8，用于不断地将吸收器7中的工质对稀溶液送入发生器10，保持吸收器7、发生器10中的溶液量为稳态；溶液阀，负责调节由发生器10中流入吸收器7的溶液量；溶液热交换器9，作为流出吸收器7的稀溶液与流出发生器10的浓溶液进行热交换的部件，使进入吸收器7中的稀溶液温度降低，提高吸收器7中溶液的吸收能力，同时使进入发生器10的稀溶液温度升高，节省发生器10中的高温热能消耗。

当本实用新型多品位余热利用有机朗肯循环系统处于制热工况时，各品位余热经多进口蒸发器1的收集，吸收多品位余热的热量加热循环工质成蒸汽后通过膨胀机2做功，带动发电机3发电。经过做功后的乏汽通过冷凝器 4进行热量交换，开启阀门20和阀门21，加热来自热泵单元的热泵蒸发器6 中的第二循环水后，乏汽重新冷凝为液态循环公知并经水泵5形成第一循环水路，重新供给多进口蒸发器1以吸收其余热热量，形成有机朗肯循环。

此外，在制热工况下，热泵单元需开启阀门22和阀门23，热泵蒸发器6 吸收来自第二循环水回路的热量用来蒸发热泵单元的循环工质，该工质经吸收器7较强的吸收能力，把热泵蒸发器6中产生的循环工质抽吸到吸收器7 里，再由溶液泵8将溶液送入发生器10中，发生器10吸收来自多进口蒸发器1中高品位余热的热量，使工质水变为水蒸气，同时循环溶液变为浓溶液，蒸汽经热泵冷凝器11与用户第三循环水进行热交换，加热后的水用于供给用户，经冷凝后的蒸汽通过节流阀12恒温减压后，再经热泵蒸发器6吸热蒸发，完成一个循环。

第一循环水回路，用于吸收多品位余热的热量，带动发电机发电，形成一个完整的有机朗肯循环系统。

第二循环水回路，循环冷却水经冷凝器4吸收乏汽热量，加热冷却水，具有一定温度的冷却水经热泵蒸发器6进行热交换，降低冷却水温度后，再进入冷凝器4，完成一个水循环。

第三循环用户水回路，经热泵冷凝器11加热的循环水供给用户使用，未使用的热水经水泵供给到吸收器7进行热交换，加热水回路后再通过热泵冷凝器11，完成一个水循环。

当本实用新型多品位余热利用有机朗肯循环系统处于制冷工况时，有机朗肯循环单元的热力循环与制热工况时是一样的，此时开启的阀门为14和 15，热泵单元的热力循环中，阀门16、17、18、19处于开启状态。

第四循环用户水回路在制冷工况下，经热泵蒸发器6蒸发吸收热量后的的循环水供给用户使用，未使用的冷水经水泵供给到热泵蒸发器6进行热交换，完成一个水循环。

第五循环水回路，冷凝器4中释放的热量通过冷却塔13进行冷却，而此时冷却塔13出口的工质循环水分别通过吸收器7和热泵冷凝器11，吸收其换热器的热量，随后随冷凝器4中的循环工质一起送入冷却塔13中进行冷却，达到利用冷量的目的。

本书面说明书使用示例来公开本实用新型，包括最佳模式，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本实用新型，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本实用新型可被授予专利的范围通过权利要求书限定，并且可包括由本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求书的文字语言并无不同的结构元件，或者它们包括与权利要求书的文字语言无本质区别的等价结构元件，则此类其它示例意图处在权利要求书的范围内。

设计图

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