技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种热能利用装置。特别是涉及一种集成热泵和发电功能的新型热能利用系统。
背景技术
[0002] 热泵技术和低温余热发电技术作为两项独立的热能
回收利用技术，在环境问题日益严峻和节能减排政策驱动下，逐渐在市场普及并产生的可观的环境和经济效益。这两项技术对低温热的要求不同：低温余热发电对热源
温度要求为60-150℃；热泵根据不同的能质提升区间,其可利用的低温热源的温区为10-80℃。在目前的技术条件下，热泵机组和余热发
电机组是两套独立且只有单一功能的设备，因此，当低温热源达不到设备运行的条件时，系统无法运行，造成热能的回收利用率降低。同时，根据实际应用中的不同生产工艺，对热源的利用可能是不连续的，单一功能的技术会无法满足用户的多样化需求。
发明内容
[0003] 本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种可以实现压缩式热泵和有机
朗肯循环(ORC)发电两种运行模式及功能的集成热泵和发电功能的新型热能利用系统。
[0004] 本实用新型所采用的技术方案是：一种集成热泵和发电功能的新型热能利用系统，包括的
冷凝器、
蒸发器、
电子膨胀
阀和工质泵，还设置有压缩膨胀一体机，以及与所述的压缩膨胀一体机、冷凝器、
蒸发器、电子膨胀阀和工质泵相连的由构成热泵模式的热泵循环管路和构成
有机朗肯循环发电模式的有机朗肯工质循环管路组成的循环管路，所述的循环管路中设置有用于选择热泵模式或有机朗肯循环发电模式的
控制阀门，其中，在热泵模式下，所述的压缩膨胀一体机、冷凝器、电子膨胀阀和蒸发器依次通
过热泵循环管路相连接构成热泵循环回路，在有机朗肯循环发电模式下所述的压缩膨胀一体机、冷凝器、工质泵和蒸发器依次通过有机朗肯工质循环管路相连接构成有机朗肯循环发电模循环回路，所述的蒸发器的热交换管路采用低温热源循环。
[0005] 所述的热泵循环回路是由：压缩膨胀一体机、连接在压缩膨胀一体机高压端口的第一共用管路、第一热泵管路、第三共用管路、冷凝器内的工质管、第四共用管路、第二热泵管路、设置在第二热泵管路上的电子膨胀阀、第五共用管路、蒸发器内的工质管、第六共用管路、第三热泵管路、以及连接在压缩膨胀一体机低压端口的第二共用管路依次
串联连接构成，所述的第一热泵管路上设置有第三控制阀门，所述的第二热泵管路上设置有第五控制阀门，所述的第三热泵管路上设置有第二控制阀门，连接冷凝器的第一热交换管路采用高温热源循环，并且在连接冷凝器的高温热源入口侧的第一热交换管路上设置有第十控制阀门，在连接冷凝器的高温热源出口侧的第一热交换管路上设置有第七控制阀门。
[0006] 所述的有机朗肯循环发电模循环回路是由：压缩膨胀一体机、连接在压缩膨胀一体机低压端口的第二共用管路、第一有机朗肯工质循环管路、第三共用管路、冷凝器内的工质管、第四共用管路、第二有机朗肯工质循环管路、设置在第二有机朗肯工质管路上的工质泵、第五共用管路、蒸发器内的工质管、第六共用管路、第三有机朗肯工质循环管路、以及连接在压缩膨胀一体机高压端口的第一共用管路依次串联连接构成，所述的第一有机朗肯工质循环管路上设置有第四控制阀门，所述的第二有机朗肯工质循环管路上设置有第六控制阀门，所述的第三有机朗肯工质循环管路上设置有第一控制阀门，连接冷凝器的第二热交换通路采用冷却
水循环，并且在连接冷凝器的
冷却水入口侧的第二热交换通路上设置有第九控制阀门，在连接冷凝器的冷却水出口侧的第二热交换通路上设置有第八控制阀门。
[0007] 所述的压缩膨胀一体机是由压缩膨胀机和连接在所述压缩膨胀机输出端的双功能永磁电机构成，其中，压缩膨胀机为涡旋式压缩膨胀机或双螺杆式压缩膨胀机或单螺杆式压缩膨胀机，所述压缩膨胀机的高压端和低压端构成压缩膨胀一体机的高压端和低压端，在热泵模式下，所述的双功能永磁电机以
电动机模式运行，驱动压缩膨胀机以压缩模式运行，在有机朗肯循环发电模式下，所述的压缩膨胀机以膨胀模式运行，驱动双功能永磁电机发电。
[0008] 所述的压缩膨胀一体机是由永磁涡旋式
压缩机构成，其中，所述永磁涡旋式压缩机的供油方式采用离心式供油机构，并且所述永磁涡旋式压缩机高压端为双向循环通道，所述永磁涡旋式压缩机的高压端和低压端构成压缩膨胀一体机的高压端和低压端。
[0009] 所述的冷凝器和蒸发器采用
板式换热器或管壳式换热器或套
管式换热器。
[0010] 所述的工质泵采用多级
离心泵或
螺杆泵或
叶片泵。
[0011] 系统循环工质为低沸点有机工质。
[0012] 本实用新型的一种集成热泵和发电功能的新型热能利用系统，可以根据热源的温度变化和用户的需求，进行发电与热泵功能的选择，提高热能的利用效率，满足用户多样化需求。本实用新型可以实现压缩式热泵和有机朗肯循环(ORC)发电两种运行模式及功能。双功能系统的两种运行模式之间的切换可通过开启和关闭系统循环管路中的阀门实现。本实用新型拓展单一功能机组可利用热源的温度区间，克服在单一功能系统中由于热源温度变化超出可利用范围造成的系统停机等
缺陷，避免了
能源的间歇性回收，此系统适用于热源工况变化较大的场合，可实现对热能的全时段、大温区回收利用。产能方式更加灵活，满足用户多样化需求。用户可以根据自己的用能需求，合理选择双功能机组的运行模式。对热源
波动和用能负荷变化的适应性较强。系统主要设备一套多用，降低设备成本。
附图说明
[0013] 图1是在同一系统中通过完成两种热
力学循环来实现热泵和发电功能的T-S原理图；
[0014] 图2是本实用新型一种集成热泵和发电功能的新型热能利用系统的构成示意图；
[0015] 图3是本实用新型中压缩膨胀一体机与系统管道连接示意图；
[0016] 图4是本实用新型中压缩膨胀一体机第一
实施例的结构示意图；
[0017] 图5a是本实用新型中压缩膨胀一体机第一实施例在有机朗肯循环发电模式下的结构示意图；
[0018] 图5b是本实用新型中压缩膨胀一体机第一实施例在热泵模式下的结构示意图。
[0019] 图中
[0020] 1：压缩膨胀一体机 11：压缩膨胀机
[0021] 12：双功能永磁电机 2：冷凝器
[0022] 3：电子膨胀阀 4：工质泵
[0023] 5：蒸发器 G1：第一有机朗肯工质循环管路[0024] G2：第二有机朗肯工质循环管路 G3：第三有机朗肯工质循环管路[0025] R1：第一热泵管路 R2：第二热泵管路
[0026] R3：第三热泵管路 Y1：第一共用管路
[0027] Y2：第二共用管路 Y3：第三共用管路
[0028] Y4：第四共用管路 Y5：第五共用管路
[0029] Y6：第六共用管路
具体实施方式
[0030] 下面结合实施例和附图对本实用新型的一种集成热泵和发电功能的新型热能利用系统做出详细说明。
[0031] 压缩式热泵与发电集成系统的
热力学原理是逆卡诺循环(Reverse Carnot cycle)和朗肯循环(Rankine cycle)，在同一系统中通过完成两种热力学循环来实现热泵和发电功能。系统的T-S图如图1所示，图中的a→b→cS→d→a为逆卡诺循环，1→2s→3→4→5→1为朗肯循环。逆卡诺循环中，工质被绝
热压缩，沿等熵线由状态b到状态cS(由于节流作用、摩擦阻力、
传热等不可逆因素的存在，实际的压缩过程是熵增过程(b→c))，然后沿等温线cS-d进行放热后
液化，随后经过绝
热膨胀，由状态d到状态a，经过等温吸热，状态由a到状态b。系统完成一次循环并将热量从低温热源转移到高温热源，实现热泵功能。
[0032] 在朗肯循环中，液态工质经过工质泵升压(3→4)进入蒸发器，工质在蒸发器内的等压吸热过程包括预热过程(4→5)、等温蒸发过程和过热过程(5→1)，随后高温高压气态工质进入膨胀机绝热膨胀做功(1→2s)(实际的膨胀过程为熵增过程(1→2))，乏气进入冷凝器完成等压冷凝过程(2s→3)。至此，系统完成一次循环，并将热源的热量转化为机械功输出,机械功通过发电机转化为
电能并入
电网。
[0033] 如图2所示，本实用新型的一种集成热泵和发电功能的新型热能利用系统，包括的冷凝器2、蒸发器5、电子膨胀阀3和工质泵4，还设置有压缩膨胀一体机1，以及与所述的压缩膨胀一体机1、冷凝器2、蒸发器5、电子膨胀阀3和工质泵4相连的由构成热泵模式的热泵循环管路和构成有机朗肯循环发电模式的有机朗肯工质循环管路组成的循环管路，其中所述的冷凝器2和蒸发器5是热泵模式和有机朗肯循环发电模式这两个运行模式下的共用换热器，而所述的压缩膨胀一体机1在热泵模式下实现压缩功能，在有机朗肯循环发电模式下实现膨胀功能。所述的循环管路中设置有用于选择热泵模式或有机朗肯循环发电模式的控制阀门，其中，在热泵模式下，所述的压缩膨胀一体机1、冷凝器2、电子膨胀阀3和蒸发器5依次通过热泵循环管路相连接构成热泵循环回路，在有机朗肯循环(ORC)发电模式下所述的压缩膨胀一体机1、冷凝器2、工质泵4和蒸发器5依次通过有机朗肯工质循环管路相连接构成有机朗肯循环发电模循环回路，所述的蒸发器5的热交换管路采用低温热源循环。
[0034] 所述的压缩膨胀一体机1是双功能系统中的核心部件。压缩膨胀一体机的机械形式可以为涡旋机、螺杆机、速度式
涡轮机械，可以实现高效的压缩和膨胀过程。在压缩过程中，工质在低压口进入压缩膨胀一体机，压缩后的工质在高压口流出。在膨胀过程中，工质在高压口进入进行膨胀过程，膨胀结束后的低温低压工质从低压口流出。压缩膨胀一体机与循环管路连接如图2、图4所示。
[0035] 如图4所示，所述的压缩膨胀一体机1是由压缩膨胀机11和连接在所述压缩膨胀机11输出端的双功能永磁电机12构成，其中，所述的压缩膨胀机11为涡旋式压缩膨胀机或双螺杆式压缩膨胀机或单螺杆式压缩膨胀机，所述压缩膨胀机11的高压端和低压端构成压缩膨胀一体机1的高压端和低压端，在热泵模式下，所述的双功能永磁电机12以电动机模式运行，驱动压缩膨胀机11以压缩模式运行，在有机朗肯循环发电模式下，所述的压缩膨胀机11以膨胀模式运行，驱动双功能永磁电机12发电，双功能永磁电机12作为发电机使用，将膨胀过程输出的机械能转化为电能。双功能永磁电机12驱动效率与发电效率均可以达到95％以上。双功能永磁电机12采用逆变并网模式，将电能以380V,50HZ的形式输入用户电网。
[0036] 如图5a、图5b所示，所述的压缩膨胀一体机1是由现有的永磁涡旋式压缩机构成，但是在现有的永磁涡旋式压缩机的
基础上进行了改进，使其同时具备压缩和膨胀功能。具体改进是，将所述现有的永磁涡旋式压缩机的供油方式采用离心式供油机构，并且在现有的所述永磁涡旋式压缩机高压端为拆掉止回阀的双向循环通道，所述永磁涡旋式压缩机的高压端和低压端构成压缩膨胀一体机1的高压端和低压端。
[0037] 本实用新型的一种集成热泵和发电功能的新型热能利用系统中，所述的冷凝器2、蒸发器5可以采用板式换热器、管壳式换热器和
套管式换热器。换热器的设计需兼顾热泵模式和有机朗肯循环发电模式的要求。蒸发器设计时应提高余热的利用温差并且减少工质的过热度，提高热源利用效率。所述的工质泵4采用多级离心泵或螺杆泵或叶片泵等。
[0038] 本实用新型系统循环工质是采用低沸点有机工质作为工作介质，此介质需要满足热泵模式和有机朗肯循环发电模式的热力学要求。针对系统的热泵模式和有机朗肯循环发电模式，可以根据热源的温区选择不同的有机工质，其筛选应以提高系统的发电效率和热泵的能效比为目标，以达到系统最佳运行效果。
[0039] 如图2、图3所示，所述的热泵循环回路是由：压缩膨胀一体机1、连接在压缩膨胀一体机1高压端口的第一共用管路Y1、第一热泵管路R1、第三共用管路Y3、冷凝器2内的工质管、第四共用管路Y4、第二热泵管路R2、设置在第二热泵管路R2上的电子膨胀阀3、第五共用管路Y5、蒸发器5内的工质管、第六共用管路Y6、第三热泵管路R3、以及连接在压缩膨胀一体机1低压端口的第二共用管路Y2依次串联连接构成，所述的第一热泵管路R1上设置有第三控制阀门V3，所述的第二热泵管路R2上设置有第五控制阀门V5，所述的第三热泵管路R3上设置有第二控制阀门V2，连接冷凝器2的第一热交换管路R4采用高温热源循环，并且在连接冷凝器2的高温热源入口侧的第一热交换管路R4上设置有第十控制阀门V10，在连接冷凝器2的高温热源出口侧的第一热交换管路R4上设置有第七控制阀门V7。
[0040] 如图2、图3所示，所述的有机朗肯循环发电模循环回路是由：压缩膨胀一体机1、连接在压缩膨胀一体机1低压端口的第二共用管路Y2、第一有机朗肯工质循环管路G1、第三共用管路Y3、冷凝器2内的工质管、第四共用管路Y4、第二有机朗肯工质循环管路G2、设置在第二有机朗肯工质管路G2上的工质泵4、第五共用管路Y5、蒸发器5内的工质管、第六共用管路Y6、第三有机朗肯工质循环管路G3、以及连接在压缩膨胀一体机1高压端口的第一共用管路Y1依次串联连接构成，所述的第一有机朗肯工质循环管路G1上设置有第四控制阀门V4，所述的第二有机朗肯工质循环管路G2上设置有第六控制阀门V6，所述的第三有机朗肯工质循环管路G3上设置有第一控制阀门V1，连接冷凝器2的第二热交换通路R5采用冷却
水循环，并且在连接冷凝器2的冷却水入口侧的第二热交换通路R5上设置有第九控制阀门V9，在连接冷凝器2的冷却水出口侧的第二热交换通路R5上设置有第八控制阀门V8。
[0041] 下面以
太阳能热利用系统为例，说明本实用新型的一种集成热泵和发电功能的新型热能利用系统。
[0042] 由于全年的太阳能辐照强度的波动，
太阳能集热器的产水温度会有较大波动。假设冬季工况平均产热温度为45℃，夏季工况平均产热温度为75℃，热水流量为100t/h，设计换热温差为20℃。采用热泵发电双功能机组，冬季利用太阳能热水作为低温热源进行热泵升温，生产60℃高温热水供用户采暖。夏季无需供暖则利用太阳能热水发电。
[0043] 1、热泵模式：
[0044] 低温热源供热量的为：Qev＝＝20*4.18*100/3.6＝2322kW
[0045] 根据热泵的温升，假设COP＝3.5，则耗电量为：P＝＝2322/2.5＝928Kw[0046] 供热量为：Qcd＝P*COP＝3250kW
[0047] 按采暖季运行120天计，与采用燃
煤采暖方式相比较，年节省标煤：M＝93t/年[0048] 2、有机朗肯循环发电模式：
[0049] 低温热源供热量的为：Qev＝＝20*4.18*100/3.6＝2322kW
[0050] 夏季工况的平均热电效率为6％，则输出的电量为：P＝Qev*η＝2322*6％＝140kW[0051] 按运行150天计，年发电量为：W2＝P*T＝140*150*24＝5.04×10 5kW·h[0052] 与单独配套热泵机组相比较，本实用新型的一种集成热泵和发电功能的新型热能利用系统，不仅冬季采暖满足用户需求，而且每年可以产生5.04×10 5kW·h的电能。与同时配套热泵机组和低温
发电机组相比较，本实用新型的一种集成热泵和发电功能的新型热能利用系统可以极大减少项目投资，从而提高经济收益。
