利用朗肯与制冷循环提高压缩机等温效率的方法和装置与流程

本发明属于能源回收，涉及一种利用朗肯与制冷循环提高压缩机等温效率的方法和装置。

背景技术：

1、空分装置是将空气分离成氧气、氮气、氩气等气体的装置，广泛应用于冶金、化工、电子、医疗等行业。在空分装置的压缩过程中，会产生大量的余热，这些余热通常被直接排放到大气中，造成了能源浪费和环境污染。

2、空分装置的能源消耗占空分产品成本的70％-80％。空分的能耗问题从第一台制氧机问世以来，一直是空分技术发展的主要课题。在空分技术的发展过程中，节能降耗分别从装置设计制造和运行两方面入手，不断改进流程并提高配套单元设计的技术水平，以及运用现代化控制手段优化操作和管理，使空分技术逐渐向着节能、低碳的方向发展。

3、压缩机是空分装置能源消耗的主体，所以降低压缩机电耗是空分节能的关键。空分装置降低电耗的基本思路是提高压缩机的等温压缩效率和机械效率，从而达到较大的节能效果。提高等温压缩效率就需要冷却水来带走压缩气体的热量，而这部分压缩余热通过冷却水释放到了大气，不但增加了环境的负担，也使得该部分低品质热白白浪费掉。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种利用朗肯与制冷循环提高压缩机等温效率的方法和装置。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种利用朗肯与制冷循环提高压缩机等温效率的装置，包括气体压缩单元、余热发电单元和辅助制冷单元；所述余热发电单元包括工质泵、高温冷却器、膨胀发电机和冷凝器；所述辅助制冷单元包括节流阀、气液分离器、低温冷却器和工质压缩机；

4、所述气体压缩单元、高温冷却器、低温冷却器依次串接，形成压缩冷却系统，对空分装置产生的气体进行压缩冷却；

5、所述工质泵、高温冷却器、膨胀发电机和冷凝器依次串接形成朗肯循环回路；所述节流阀、气液分离器、低温冷却器、工质压缩机依次串接，所述节流阀通过所述冷凝器接入朗肯循环回路中，所述工质压缩机通过所述高温冷却器接入朗肯循环回路中，使所述高温冷却器、膨胀发电机、冷凝器、节流阀、气液分离器、低温冷却器、工质压缩机形成制冷循环回路；

6、工质在制冷循环回路中通过高温冷却器和低温冷却器分两次吸收压缩冷却系统中的气体余热，并通过朗肯循环回路供给膨胀发电机发电。

7、进一步，所述高温冷却器上设有三组出入口，分别为高温冷却器气体进口、高温冷却器气体出口，高温冷却器气体工质进口、高温冷却器第一工质出口，高温冷却器液体工质进口、高温冷却器第二工质出口；所述低温冷却器设有三组出入口，分别为低温冷却器气体进口、低温冷却器气体出口，低温冷却器液体工质进口、低温冷却器第一工质出口，低温冷却器气体工质进口、低温冷却器第二工质出口；所述气液分离器上设有分离器进口、分离器液体出口、分离器气体出口；

8、所述冷凝器上设有两组出入口，分别为冷凝器工质进口、冷凝器工质出口，冷凝器冷却水进口、冷凝器冷却水出口；所述冷凝器冷却水进口与冷凝器冷却水出口用于接入外部冷却水；所述气体压缩单元与高温冷却器气体进口连通，高温冷却器气体出口与低温冷却器气体进口连通；

9、所述冷凝器工质出口分为两路，一路通过所述工质泵与高温冷却器液体工质进口连通，另一路通过所述节流阀与分离器进口连通；所述分离器液体出口与低温冷却器液体工质进口连通，所述分离器气体出口与低温冷却器气体工质进口连通，所述低温冷却器第一工质出口与低温冷却器第二工质出口汇合后通过工质压缩机与高温冷却器气体工质进口连通；高温冷却器第一工质出口与高温冷却器第二工质出口汇合后通过所述膨胀发电机与冷凝器工质进口连通。

10、进一步，所述气体压缩单元包括一个或多个单级压缩机。

11、进一步，当单级压缩机有多个时，所述高温冷却器与低温冷却器均有多个，且与单级压缩机一一对应；所有高温冷却器、所有低温冷却器均呈并联设置，共用一个朗肯循环回路。

12、进一步，当多个单级压缩机串接构成多级压缩时，上一级的低温冷却器气体出口接入下一级的单级压缩机。

13、进一步，所述膨胀发电机为气体轴承膨胀发电机或磁悬浮膨胀发电机，膨胀发电效率更高。

14、进一步，朗肯循环回路与制冷循环回路中的循环工质为r407c、r717、r22或r134a。

15、进一步，所述工质泵为永磁泵，所述工质压缩机为离心机或螺杆机。

16、进一步，所述高温冷却器和低温冷却器均为多股流板式换热器，提高换热效率。

17、一种利用朗肯与制冷循环提高压缩机等温效率的方法，采用上述的利用朗肯与制冷循环提高压缩机等温效率的装置，空分装置产生的气体经气体压缩单元压缩后，经高温冷却器初步冷却至38℃～42℃，再经低温冷却器冷却到13℃～17℃；经工质泵加压后的工质在高温冷却器内蒸发成气态并吸热升温至90℃度以上，进入膨胀发电机降压降温，同时对外做功输出电能，再经冷凝器冷却成液态，随后分为两路：一路经工质泵加压进入蒸发器，完成一个朗肯循环；另一路经节流阀减压降温至10℃～14℃，通过气液分离器进入低温冷却器吸热蒸发，再经工质压缩机压缩进入高温冷却器进一步吸热升温，与增压吸热后的气体工质汇合进入膨胀发电机。

18、本发明的有益效果在于：

19、1、本发明将压缩后的气体分成两段冷却，既回收压缩余热发电，又有效降低下级进气温度，提升了等温压缩效率，降低了空分装置能耗，同时利用压缩余热发电回收了热能，减轻了环境负担。

20、2、本发明有效降低了压缩气体的温度，使得压缩机的压缩气量得以提升，有效缓解了原料空压机在夏季气量不足的问题；并且，采用的两段冷却相对独立，完全摆脱了环境温度对压缩机效率的影响，解决夏季压缩能耗上升的难题。

21、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

技术特征：

1.一种利用朗肯与制冷循环提高压缩机等温效率的装置，其特征在于：包括气体压缩单元、余热发电单元和辅助制冷单元；所述余热发电单元包括工质泵、高温冷却器、膨胀发电机和冷凝器；所述辅助制冷单元包括节流阀、气液分离器、低温冷却器和工质压缩机；

2.根据权利要求1所述的利用朗肯与制冷循环提高压缩机等温效率的装置，其特征在于：所述高温冷却器上设有三组出入口，分别为高温冷却器气体进口、高温冷却器气体出口，高温冷却器气体工质进口、高温冷却器第一工质出口，高温冷却器液体工质进口、高温冷却器第二工质出口；所述低温冷却器设有三组出入口，分别为低温冷却器气体进口、低温冷却器气体出口，低温冷却器液体工质进口、低温冷却器第一工质出口，低温冷却器气体工质进口、低温冷却器第二工质出口；所述气液分离器上设有分离器进口、分离器液体出口、分离器气体出口；

3.根据权利要求2所述的利用朗肯与制冷循环提高压缩机等温效率的装置，其特征在于：所述气体压缩单元包括一个或多个单级压缩机。

4.根据权利要求3所述的利用朗肯与制冷循环提高压缩机等温效率的装置，其特征在于：当单级压缩机有多个时，所述高温冷却器与低温冷却器均有多个，且与单级压缩机一一对应；所有高温冷却器、所有低温冷却器均呈并联设置，共用一个朗肯循环回路。

5.根据权利要求4所述的利用朗肯与制冷循环提高压缩机等温效率的装置，其特征在于：当多个单级压缩机串接构成多级压缩时，上一级的低温冷却器气体出口接入下一级的单级压缩机。

6.根据权利要求1所述的利用朗肯与制冷循环提高压缩机等温效率的装置，其特征在于：所述膨胀发电机为气体轴承膨胀发电机或磁悬浮膨胀发电机。

7.根据权利要求1所述的利用朗肯与制冷循环提高压缩机等温效率的装置，其特征在于：朗肯循环回路与制冷循环回路中的循环工质为r407c、r717、r22或r134a。

8.根据权利要求1所述的利用朗肯与制冷循环提高压缩机等温效率的装置，其特征在于：所述工质泵为永磁泵，所述工质压缩机为离心机或螺杆机。

9.根据权利要求1所述的利用朗肯与制冷循环提高压缩机等温效率的装置，其特征在于：所述高温冷却器和低温冷却器均为多股流板式换热器。

10.一种利用朗肯与制冷循环提高压缩机等温效率的方法，其特征在于：采用如权利要求1～9任一项所述的利用朗肯与制冷循环提高压缩机等温效率的装置，空分装置产生的气体经气体压缩单元压缩后，经高温冷却器初步冷却至38℃～42℃，再经低温冷却器冷却到13℃～17℃；经工质泵加压后的工质在高温冷却器内蒸发成气态并吸热升温至90℃度以上，进入膨胀发电机降压降温，同时对外做功输出电能，再经冷凝器冷却成液态，随后分为两路：一路经工质泵加压进入蒸发器，完成一个朗肯循环；另一路经节流阀减压降温至10℃～14℃，通过气液分离器进入低温冷却器吸热蒸发，再经工质压缩机压缩进入高温冷却器进一步吸热升温，与增压吸热后的气体工质汇合进入膨胀发电机。

技术总结本发明涉及一种利用朗肯与制冷循环提高压缩机等温效率的方法和装置，装置包括气体压缩单元、余热发电单元和辅助制冷单元；余热发电单元包括工质泵、高温冷却器、膨胀发电机和冷凝器；辅助制冷单元包括节流阀、气液分离器、低温冷却器和工质压缩机；工质泵、高温冷却器、膨胀发电机和冷凝器依次串接形成朗肯循环回路；高温冷却器、膨胀发电机、冷凝器、节流阀、气液分离器、低温冷却器、工质压缩机形成制冷循环回路；工质在制冷循环回路中通过高温冷却器和低温冷却器分两次吸收压缩冷却系统中的气体余热，并通过朗肯循环回路供给膨胀发电机发电。本发明将压缩后的气体分成两段冷却，既回收压缩余热发电，又有效降低下级进气温度，提升了等温压缩效率，降低了空分装置能耗，同时利用压缩余热发电回收了热能，减轻了环境负担。技术研发人员：幸钢受保护的技术使用者：重庆朝阳气体有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/18