一种工业余热二次利用系统及方法与流程

本发明涉及能源回收技术领域，特别一种工业余热二次利用系统，本发明还涉及一种工业余热二次利用方法。

背景技术：

能源是经济发展和社会进步的重要基础，节能减排是我国更好进行现代化建设、经济发展的关键问题。在工业生产过程中，会排出大量的余热资源，其中，余热资源是具有一定温度的排气、排液和高温待冷却的物料所包含的热能。余热属于二次能源，在我国资源丰富，广泛存在电站锅炉及工业设备中，现有工业余热二次利用主要涉及到温度较高的高品位余热，对温度较低的低品位余热利用率较低，大量的热量直接排出，不仅造成环境污染，还浪费了大量资源，加剧环境污染。

热泵技术是近年来兴起的技术，热泵是一种能从低温物体获取热量，以少量高位能作为补偿条件，将低温热量转移至高温物体的装置。通过热泵，人们能工程自然界或工业废热中获取大量低品位热能，使之转化为可被利用的高品位热能。现有技术中，逐渐发展出利用热泵技术从低品位工业余热资源中吸取热量，用于居民供暖的技术，但现有技术存在以下问题：工业余热的温度不稳定，工业余热的温度高于供暖需求时，工业余热多余的热量仍将无意义的排出；造成能源浪费。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种工业余热二次利用系统，以能够提高工业余热的利用率。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种工业余热二次利用系统，包括串接连接的工质泵、第一蒸发器，且工业余热的载体可在所述第一蒸发器内将热量传递至工质，所述工业余热二次利用系统还包括：

膨胀机，与所述第一蒸发器的工质输出端连接，且于所述膨胀机和所述第一蒸发器之间设置有第一流量调节阀；所述膨胀机用于将所述第一蒸发器输出的高温高压的工质的内能转化为机械能，且与所述膨胀机连接设有发电机，所述发电机用于将所述膨胀机的机械能转化为热能；

冷凝器，所述冷凝器的工质输入端与所述膨胀机的工质输出端、以及所述第一蒸发器的工质输出端连接，且于所述冷凝器和所述第一蒸发器之间设有第二流量调节阀；所述冷凝器的工质输出端与所述工质泵的工质输入端连接；且于所述冷凝器上设有用于使供暖的介质流入的介质流入端，以及用于介质流出的介质流出端；高温的所述工质可将热量传递至所述介质，所述介质可用于外部用户的供暖。

进一步的，还包括地储热组件，所述地储热组件与所述膨胀机并联的设于所述第一蒸发器的工质输出端，且于所述地储热组件和所述第一蒸发器之间设置有第三流量调节阀；高温的所述工质可将热量传递至所述地储热组件，所述地储热组件用于存储所述热量。

进一步的，所述地储热组件包括第二蒸发器，地热开采井、地热回灌井；于所述第二蒸发器上设有供所述工质输入和输出的第一管路，并于所述第二蒸发器上设有用于地下水在所述地热开采井、地热回灌井间循环的第二管路，以用于所述工质和所述地下水间的热交换。

进一步的，于所述工质泵的工质输出端和所述第二蒸发器的工质输入端之间设有流通管路，并于所述流通管路上设有第四流量调节阀。

进一步的，于所述第二蒸发器的工质输出端和所述膨胀机的工质输入端之间设有连通管路，于所述连通管路上设有第五流量调节阀。

进一步的，所述载体为气体或者液体。

进一步的，所述工质采用二氧化碳。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

(1)本发明所述的工业余热二次利用系统，通过在第一蒸发器的工质输出端设置膨胀机，以及冷凝器，使得由工质泵向第一蒸发器输入低温的工质，工业余热的载体将热量传递给工质后，高温的工质可选择直接进入冷凝器，并将热量传递给供热载体，以供用户用暖；在工业余热的热量超出用户供暖需求时，可使部分高温工质直接进入冷凝器内，为用户正常供暖，其余工质可部分进入膨胀机内，并推动膨胀机做功，将工业余热的热量转化为膨胀机的机械能，再由膨胀机对发电机做功，将机械能转化为电能；从而在满足用户供暖需求的同时，将多余的热量转化为电能，提高对工业余热的利用率。

(2)通过在第一蒸发器的工质输出端设置地储热组件，使得在工业余热的热量在超出用户供暖以及用电需求后，例如供暖周期外，可将工业余热多余的热量存储于地储热组件中，以便于在供暖高峰时使用该热量，进一步提高工业余热的利用率。

(3)通过在工质泵的工质输出端和所述第二蒸发器的工质输入端之间设有连通管路，使得工质可方便利用地储热组件所存储的热量用于供暖。

(4)通过在第二蒸发器的工质输出端和所述膨胀机的工质输入端之间设有流通通路，使得在工质由载体和地储热组件吸收的热量超出供暖需求后，工质可由第一蒸发器或者第二蒸发器输出并进入膨胀机内产生电能。

(5)工质采用二氧化碳，成本较低，且不会产生污染。

本发明的另一目的在于提出一种工业余热二次利用的方法，所述方法包括以下步骤：

a、工业余热的热量满足供热需求时，第一换热器输出的高温工质全部流入冷凝器内，用于供热；

b、工业余热的热量超出供热需求时，第一换热器输出的高温工质部分流入冷凝器内用于供热，部分工质对膨胀机做功，膨胀机驱动发电机发电。

进一步的，还包括以下步骤：

工业余热的供热量超出供热需求和电量需求之和时，第一换热器输出的高温工质部分流入冷凝器内用于供热；部分工质对膨胀机做功，膨胀机驱动发电机发电；部分工质流经地储热组件，将热量存储于地储热组件中。

工业余热的供热量不足以满足供热需求时，工质泵向地储热组件输入低温工质，低温工质从地储热组件内吸收热量后进入冷凝器，用于供暖。

进一步的，还包括以下步骤：

工业余热的供热量以及地储热组件的供热量超出供暖需求时，工质从载体及地储热组件吸收热量后，部分进入膨胀机，用于产生电能，部分进入冷凝器用于供热。

本发明所述的工业余热二次利用的方法与上述的工业余热二次利用系统具有相同的有益效果，在此不再赘述。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的工业余热二次利用系统的示意图。

附图标记说明：

1-工质泵，2-第一蒸发器，21-载体输入端，22-载体输出端，3-膨胀机，31-第一流量调节阀，32-发电机，4-冷凝器，41-第二流量调节阀，42-介质流入端，43-介质流出端，5-工质罐，6-地储热组件，61-第二换热器，62-第三流量调节阀，63-地热开采井，64-地热回灌井，65-连通管路，66-第四流量调节阀，67-流通管路，68-第五流量调节阀。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本实施例涉及一种工业余热二次利用系统，参考图1所示，该工业余热二次利用系统包括串接连接的工质泵1、第一蒸发器2，且工业余热的载体可在第一蒸发器2内将热量传递至工质；该工业余热二次利用系统还包括与第一蒸发器2的工质输出端连接的膨胀机3，且在膨胀机3和第一蒸发器2之间设置有第一流量调节阀31；膨胀机3用于将第一蒸发器2输出的高温高压的工质的内能转化为机械能，且与膨胀机3连接设有发电机32，发电机32用于将膨胀机3的机械能转化为电能。

此外，该工业余热二次利用系统还包括冷凝器4，该冷凝器4的工质输入端与膨胀机3的工质输出端、以及第一蒸发器2的工质输出端连接，且在冷凝器4和第一蒸发器2之间设有第二流量调节阀41；冷凝器4的工质输出端与工质泵1的工质输入端连接；在冷凝器4上设有用于使供暖的介质流入的介质流入端42，以及用于介质流出的介质流出端43；高温的工质可将热量传递至介质，介质可用于外部用户的供暖。

具体结构上，参考图1所示，优选的，该工业余热二次利用系统还包括工质罐5，该工质罐5用于存储工质，该工质罐5的工质输出端与工质泵1的工质输入端连接，使得工质可从工质罐5进入工质泵1，工质泵1的工质输出端与第一蒸发器2的工质输入端连接，工质可在工质泵1加压后进入第一蒸发器2内。

参考图1所述，在第一蒸发器2上还设有供工业余热的载体流入的载体输入端21以及供载体流出的载体输出端22，该载体例如为液体或者气体；载体从载体输入端21流入第一蒸发器2，并从载体输出端22流出的过程中，可将热量传递至工质，低温的工质吸收热量后变成高温高压的工质，其中工质优选采用co2(二氧化碳)，工质采用co2具有较低的成本，并具有良好的安全性；需要说明的是，第一蒸发器2的具体结构以及其工作原理可参考现有成熟技术，在此不再赘述。

与第一蒸发器2的工质输出端连接设有冷凝器4，该冷凝器4的工质输出端与工质罐5的工质输入端连接，且在该冷凝器4和第一蒸发器2之间设有第二流量调节阀41；并在该冷凝器4上设有用于供暖的介质流入的介质流入端42，以及用于介质流出的介质流出端43；高温的工质可将热量传递至该介质，该介质吸收热量后可用于外部用户的供暖。需要说明的是，冷凝器4的具体结构和原理，用于供暖的介质，以及供暖的原理也可参考现有成熟技术，在此不再赘述。

与介质进行热交换后的工质温度降低，并由冷凝器4的工质输出端再次流入工质罐5，构成供热循环。

在此基础上，本实施例中，参考图1所示，在第一蒸发器2的工质输出端还连接有膨胀机3，在该膨胀机3和第一蒸发器2之间串接有第一流量调节阀31，该膨胀机3的工质输出端与冷凝器4的工质输入端连接，且第一流量调节阀31和膨胀机3串接后与上述的第二流量调节阀41并联设置；与该膨胀机3连接设有发电机32。在第二流量调节阀41完全关闭时，第一蒸发器2输出的高温的工质会进入膨胀机3内，推动膨胀机3做功，膨胀机3再推动发电机32做功，完成高温工质的内能到膨胀机3的机械能到发电机32的电能的转换，推动膨胀机3做功后的工质温度降低，进入冷凝器4内，再进入工质罐5中，构成发电循环。需要说明的是，膨胀机3的结构，以及其与发电机32的连接结构可参考现有成熟技术，在此不再赘述。

本实施例中，该工业余热二次利用系统还包括地储热组件6，地储热组件6与膨胀机3并联的设于第一蒸发器2的工质输出端，且于地储热组件6和第一蒸发器2之间设置有第三流量调节阀62；高温的工质可将热量传递至地储热组件6，地储热组件6用于存储热量。

具体结构上，参考图1所示，该地储热组件6包括第二蒸发器61，地热开采井63、地热回灌井64；于所述第二蒸发器61上设有供所述工质输入和输出的第一管路，并于所述第二蒸发器61上设有用于地下水在所述地热开采井63、地热回灌井64间循环的第二管路，以用于所述工质和所述地下水间的热交换。

更具体的，上述的第二蒸发器61的工质输入端与第一蒸发器2的工质输出端连接，该第二蒸发器61的工质输出端与冷凝器4的工质输入端连接；上述的第三流量调节阀62具体设置在第一蒸发器2和第二蒸发器61之间，当第一流量调节阀31和第二流量调节阀41完全关闭时，第一蒸发器2输出的高温工质会经过第二蒸发器61，同时从地热开采井63向第二蒸发器61输入地下水，地下水与工质热交换后，工质温度降低，进入冷凝器4内冷凝，再流回工质罐5；地下水温度升高，回流至地热回灌井64，将热量存储于地下，完成储热循环。

优选的，在第二蒸发器61的工质输出端和膨胀机3的工质输入端之间设有连通管路65，并在该连通管路65上设有第四流量调节阀66，使得工质在与地下水换热后可进入膨胀机3。

优选的，在工质泵1的工质输出端与第二蒸发器61的工质输入端之间设有流通管路67，并在该流通管路67上设有第五流量调节阀68。

基于以上的结构，本申请的工业余热二次利用系统具有以下的使用方法：

该方法具体包括如下步骤：

a、工业余热的热量满足供热需求时，工质全部流入冷凝器4内，用于供热；

b、工业余热的热量超出供热需求时，部分工质流入冷凝器4内用于供热，部分工质对膨胀机3做功，将工质的内能转化为电能。

具体的来说是：当工业余热的热量刚好满足供热需求时，第二流量调节阀41开启，其余流量调节阀关闭，工质罐5内的低温工质经工质泵1加压后进入进入第一蒸发器2与工业余热的载体进行热交换，与载体进行热交换后的高温工质进入冷凝器4，高温的工质将热量传递至供暖介质，使得供暖介质温度升高，可以用于外部用户的取暖，冷凝后的工质进入工质罐5内，完成供热循环。

当工业余热的热量超出供暖需求时，第二流量调节阀41和第一流量调节阀31开启，其余流量调节阀关闭，工质罐5内的低温工质经工质泵1加压后进入进入第一蒸发器2与工业余热的载体进行热交换，与载体进行热交换后的高温工质部分进入冷凝器4，在冷凝器4内，高温的工质将热量传递至供暖介质，使得供暖介质温度升高，可以用于外部用户的取暖，冷凝后的工质进入工质罐5内；另一部分高温工质进入膨胀机3，并推动发动机发电，推动膨胀机3做功后的工质温度降低，然后进入冷凝器4冷凝，冷凝后的工质进入工质罐5内；完成供热和发电循环，需要说明的是，高温工质进入冷凝器4或膨胀机3的量可按照需求调节第一流量调节阀31和第二流量调节阀41的流量，在此不再赘述。

优选的，本申请的工业余热二次利用系统的使用方法还包括以下步骤：

工业余热的供热量超出供热需求和电量需求之和时，部分工质直接流入冷凝器4内用于供热，部分工质对膨胀机3做功，将能量转化为电能，部分工质经过地储热组件6将热量存储于地储热组件6中。

工业余热的热力不足以满足供热需求时，工质从地储热组件6内吸收热量，用于供暖。

具体的来说是：当工业余热的供热量超出供热需求和电量需求之和时，第一流量调节阀31和第二流量调节阀41，以及第三流量调节阀62开启，其余流量调节阀关闭，第一蒸发器2输出的高温工质部分直接进入冷凝器4，用于外部用户的供暖，部分高温工质进入膨胀机3用于发电，部分高温工质经过地储热组件6将热量存储于地下。

当工业余热的供热量不足以满足用户供暖需求时，第二流量调节阀41和第四流量调节阀66开启，其余流量调节阀关闭，工质泵1输出的部分低温工质进入第一蒸发器2吸收工业余热载体的热量，部分低温工质进入第二蒸发器61吸收地下存储的热量，由工业余热和地下存储的热量共同为用户供暖。

优选的，本申请的工业余热二次利用系统的使用方法还包括以下步骤：

工业余热以及地储热组件6供热超出供暖需求时，工质从载体及地储热组件6吸收热量后，部分进入膨胀机3，用于产生电能，部分直接进入冷凝器4用于供热。

具体的来说是：工业余热以及地储热组件6供热超出供暖需求时第三流量调节阀62关闭，其余流量调节阀开启，工质从工业余热的载体及地储热组件6吸取热量后，部分直接进入冷凝器4用于用户供暖，部分进入膨胀机3用于发电。

本实施例的工业余热二次利用系统通过在第一蒸发器2的工质输出端设置膨胀机3，以及冷凝器4，使得由工质泵1向第一蒸发器2输入低温的工质，工业余热的载体将热量传递给工质后，高温的工质可选择直接进入冷凝器4，并将热量传递给供热载体，以供用户用暖；在工业余热的热量超出用户供暖需求时，可使部分高温工质直接进入冷凝器4内，为用户正常供暖，其余工质可部分进入膨胀机3内，并推动膨胀机3做功，将工业余热的热量转化为膨胀机3的机械能，再由膨胀机3对发电机32做功，将机械能转化为电能；从而在满足用户供暖需求的同时，将多余的热量转化为电能，提高对工业余热的利用率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。