[发明专利]热能驱动的制冷与发电一体化装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种类型的新型制冷机发电机装置，具体是一种利用热能直接驱动蒸汽压缩 式制冷、并且能够同时发电和供热的装置。

背景技术

制冷与暖通空调耗能已经占据全社会四分之一以上的电能，开发制冷设备的替代能源和 提高制冷设备的能效比事关可持续发展的大业。如何把可再生能源和工业余热使用在制冷技 术上，以热能直接驱动制冷设备，建设分布式制冷与发电的联合系统，一直是人们期望的替 代能源解决方案，这种技术出现，不但节省电力和化石燃料，而且有利于降低排放、保护环 境。但是到目前为止，这方面的技术还不成熟，不能满足市场应用的技术要求。

对于温度在100～200℃之间的热源，利用现有的蒸汽透平发电技术，具有投资庞大、发 电效率低、运行经济效益低的缺点。很多可再生能源和工业余热都是低品位热能，例如大部 分地热资源的温度只有100℃左右，一般太阳能热水器的水温都在100℃以下，很多工业排 水的温度也在100℃以下。这些低品位热源既不适合于发电，也不适合于现有制冷技术。目 前采用热能制冷的技术只有吸收式、吸附式、热声制冷。吸收式制冷需要热源温度120℃以 上，只适合于大工程，投资大、效率低。吸附式和热声制冷效率低，技术不成熟。

资料查询发现一项直接利用热能实现发电制冷联产的专利(CA101187509A)，该专利 采用蒸汽喷射的方式压缩制冷机的循环工质，除了效率低的缺点外，热能发动机和制冷剂 只能使用同一种工质，不能满足不同热源温度和不同制冷温度的需求。

发明内容

技术问题：本发明克服了现有技术的不足之处，提出了一种高效利用低品位热能，直接 驱动蒸汽压缩式制冷循环和发电的热能驱动的制冷与发电一体化装置。该装置由热力发动机 和制冷机两部分组成，采用环保制冷工质，采用有机工质朗肯循环透平推动发电机发电，采 用压力交换器对制冷机的循环工质进行压缩，采用汽液热交换器提高热能利用效率，采用制 冷机膨胀器的轴功驱动热能发动机的循环泵，极大地提高了系统的热能利用效率和制冷量输 出。

技术方案：该热能驱动的制冷与发电一体化装置，由相互耦合的热能发动机和制冷机组 成。热能发动机采用有机工质朗肯循环，包括循环泵、蒸汽发生器、汽液分离器、两通阀、 三通阀、透平、发电机、压力交换器、第一汽液热交换器、合流器、第一冷凝器，储液器、 再热器；热能发动机将热源的热能转变成电能和压缩制冷循环工质的动能。制冷机包括蒸发 器、第二汽液热交换器、压力交换器、第二冷凝器、膨胀器，膨胀阀，压缩机；制冷机的工 质压缩过程由热能发动机的高压工质在压力交换器中实现，制冷机膨胀器与发电机的工质泵 联轴，膨胀器的轴功输出给循环泵，不足部分的泵功有电机补充。该装置可以根据热源温度 和用户需求的不同，采用单独供冷、冷电联供、或者冷热电三联供不同模式。

在热能发动机装置中，透平是一种蒸汽膨胀的能量转变成动能的装置，可以是专用蒸汽 透平，也可以是压缩机改造过的膨胀器。压力交换器是用于实现两个循环工质间进行压力能 交换的装置，是使用热能发动机循环工质的高压来压缩制冷机的循环工质。压力交换器可以 是连轴的膨胀机与压缩机组合、压力交换器、蒸汽喷射装置、或者是其它类型的压力交换装 置。透平、发电机可以与压力交换器集成一体，在这种情况下，透平分别连接制冷压缩机和 发电机，透平的一部分动能用于驱动压缩机，剩余部分动能驱动发电机。

在热能发动机装置中采用汽液热交换器，回收蒸汽中的余热，用于高压液态工质的预热， 提高热能发动机的输出效率；在制冷机装置中采用汽液热交换器，用蒸汽的剩余冷量来过冷 液态工质，既提高了压缩机的可靠性，又能提高制冷效率。

在热能发动机的蒸汽发生器出口采用了汽液分离器，用于分离启动过程中从蒸汽发生器 流出的液态工质，避免液态工质流入透平，提高系统运行的可靠性。

热能发动机工质泵与制冷机膨胀器可以根据需要独立运行，这种情况下，热能发动机的 循环泵由独立的电机驱动，制冷机的膨胀器由常规的节流阀代替。