CN100543383C

CN100543383C - 旋转射流喷雾增压式冷水制备方法和冷水机

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Publication number: CN100543383C
Application number: CNB2007100487578A
Authority: CN
Inventors: 魏仕英
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-03-28
Filing date: 2007-03-28
Publication date: 2009-09-23
Anticipated expiration: 2027-03-28
Also published as: CN101082454A

Abstract

旋转射流喷雾增压式冷水制备方法和冷水机。以水为工质和载冷剂，将进水通入旋转射流蒸发压缩器内，用旋转射流的方法使水在真空下，以喷雾形态闪蒸降温，同时对闪蒸饱和水蒸汽进行低压缩比的压缩，使其变成过热蒸汽。然后再送入喷雾增压隔离室内，用高温水喷雾增压的方法使闪蒸汽进一步升温增压至水喷射器允许吸入的压强状态，然后被水喷射器抽吸和冷凝。从而实现了使水高效蒸发压缩的制冷目的。由此获得了与冷却塔接近的35-50的理论制冷系数，可能导致冷媒水和循环水冷却技术的重大变革。本方法和设备可广泛地应用于石化、冶金、纺织等部门和空调系统中。

Description

旋转射流喷雾增压式冷水制备方法和冷水机

(一)技术领域：

本发明是以水为工质和载冷剂的真空蒸发喷雾增压制冷技术。属制冷设备(F25B)、雾化装置(B05B)、热交换设备(F28F)等类。

(二)背景技术：

7--20℃的冷媒水广泛用於石化、冶金、纺织等部门以及空调系统中，具有广阔的市场。现有制取这种冷媒水的设备有溴化锂制冷机、氨水吸收式制冷机、蒸汽喷射制冷机等。这些制冷机的制冷系数一般在0.5—3.0之间或者更低，均需要以蒸汽和热水为热解动力，其设备复杂，价格较高。溴化锂制冷机还存在腐蚀情况。

蒸汽喷射制冷机以蒸汽喷射器为压缩器，使水在高真空下蒸发带走汽化潜热而制冷。其优点是水既是工质又是载冷剂，水的汽化潜热大，无污染；设备结构简单、造价低、运行可靠。缺点是制冷系数很小，一般为0.45，且需要以蒸汽为动力，冷却水耗量大。

如果能保留蒸汽喷射器以水为工质和载冷剂的优点，但不用生蒸汽，而是用压力水获得制冷所需要的高真空，必将减少喷射式真空制冷机的能耗，提高制冷系数。中国专利‘水喷射一喷射推进真空冷水机’(专利号200410021799.9)设置了旋转射流抽气器，水喷射器、冷却塔组成的真空蒸发器系统，即是采用压力水获得制冷所需要的高真空。水喷射器作为抽气器的预真空第一级压缩，旋转射流抽气器属第二级压缩，是一种用压力水获得的全机械压缩的冷水制备方法和系统，由此使该专利冷水机制冷系数提高达4-7。其它全机械压缩水冷机，如：活塞式制冷机、螺杆式制冷机、离心式制冷机的制冷系数大约在3-4的范围。

水是地球上的一种汽化潜热最大的天然环保的制冷剂。如果能用液态水蒸发制冷，而又毋需锅炉，并使其进一步实现降低能耗，无疑将是一种理想的制冷机。为寻求更理想的制冷系数，近期受压汽蒸馏海水淡化法的启发，重新探讨水蒸汽压缩过程得出：饱和水蒸汽绝热压缩过程的终态必为过热状态，压缩消耗的功率只有一小部分用于饱和增压，约80％的能量消耗于过热温升，且压缩比愈大温升耗能愈大，如压缩比达5时，压缩每吨/小时的耗能达71kw。由此得出结论：传统的上述水蒸汽的全机械压缩冷水制备方法不可能获得再高的制冷系数，必须探讨制备冷媒水的新压缩方法。

(三)发明内容：

本发明提出的旋转射流喷雾增压式冷水制备方法和冷水机就是解决现有的水蒸汽的全机械压缩冷水制备方法的制冷系数的提高受到限制的问题。其技术方案如下：

旋转射流喷雾增压式冷水制备方法，其特征是包括下列步骤：

i.将压力进水1a通入旋转射流蒸发压缩器1内，在真空状态下，在其内同时进行旋转射流喷雾蒸发降温和蒸汽的机械压缩；进水1a蒸发后降温成为冷水1b引出；蒸汽压缩后成为过热蒸汽1c；蒸汽压缩比β为1.1-1.2；

ii.将温度为T_1C的过热蒸汽1c送入喷雾增压隔离室2内；用温度T_2a＝60-80℃的高温水2a向内喷射，并使T_2a大于T_1C，由于高温水蒸汽闪发二次蒸汽后过热度下降，饱和蒸汽压力上升，成为增压蒸汽2c；同时引出降温热水2_b在外补充热量，恢复其温度后，通过泵B₂再喷射以循环使用；

iii.将增压蒸汽2c送入水喷射器3，使其冷凝为冷凝水3b，喷射用的循环水取自于与水喷射器连接的冷却塔4。

上述高温水2a喷射速度为V_2a大于过热蒸汽1c流速V_1C；过热蒸汽流速V_1C大于增压蒸汽2c的流速V_2c。上述增压蒸汽2c的压力P_2C大于冷凝水3b的饱和蒸汽压力P_3b。上述冷水1_b温度达到设定值，则关闭旋转射流蒸发压缩器1的预抽真空泵A₁。

为实现上述旋转射流喷雾增压式冷水制备方法所需的冷水机，其特征是冷水机包括如下部分：

①旋转射流蒸发压缩器1：从下至上设收敛-扩张型蒸发室1.1或圆筒型蒸发室1.5、压缩室1.2、蒸汽排出室1.3；压缩室内装与进水连通的下喷旋转雾化喷头1.45和它上方的上抽气旋转叶片1.44；喷头和叶片间开口1.21与外部预抽真空泵A₁连通；蒸发室底部为冷水1_b出口；外部进水管路中装泵B1和阀门F_1a；出水管路中设阀门F_1b；

②喷雾增压隔离室2内设有与蒸气排出室1.3连通的低压区2.1、装有雾化喷头2B和开有降温热水出口的喷射区2.2，以及产生和排出增压蒸汽2c的高压区2.3；在外部设水加热器2A和送高温水泵B2；

③水喷射器3由上至下设装有进水阀F_3a的进水管3.1、水室3.2、水喷嘴3.3、混合室3.4、水喷室3.6，混合室与喷雾增压隔离室高压区2.3连通；

冷凝水出水管路装出水阀F3b；并设冷却冷凝水和提供循环喷射水的冷却塔4、进水泵B3和出水泵B4。

上述喷雾增压隔离室2中低压区、喷射区、高压区外壳形状可分别为收缩-平滑-扩张形。上述水加热器2A可为太阳能或余热废热加热器。上述冷却塔4进水泵和出水泵与总进水出水管路间分别设阀门F4和F5。

本发明有益效果：

i.按本发明提出的冷水制备方法，理论制冷系数高达35-50，高出上述现有全机械压缩冷水机制冷系数约10倍以上，不言而喻，本冷水机将导致制冷和循坏水冷却技术的重大变革。本专利能获得上述高制冷系数的基础依据如下：本发明的关键步骤之一是‘对过热蒸汽1C喷射高温水2a，产生增压蒸汽2c’。依据对过热水蒸汽喷雾加湿过程分析：常规经验水蒸气加湿过程是减温减压过程，当高温水喷水温度T_2a低于过热蒸汽温度T_1c时，存在一个临界喷水量，当喷水量小于临界喷水量时，过热蒸汽1c不是减温减压而是减温增压。由此发现：可以控制高温水的流量和温度来调节闪蒸蒸汽压缩比，而喷水加温所需热能不到全机械压缩能的0.1倍，此时冷却塔功耗也相应降低，由此找到一个高效节能的对低压水蒸汽的机械和热力混合增压的方法。ii.当高温水喷射速度V2a大于过热蒸汽流速为V_1c；过热蒸汽流速为V1c大于增压蒸汽的流速为V2c时可实现射流隔离，阻止增压蒸汽回流。iii.当控制高温水T2a＝60-80℃、水量Q2.1，使增压蒸汽2c压力P2c大于冷凝水3b对应饱和蒸汽压强P3b。可实现过热蒸汽1c全部被水喷射器抽吸和冷凝。iv.设阀门F4和F5后，可使总进水A的温度低于设定值时，如冬天气温低时，则关闭阀门F1a、F1b、F3a、F3b，仅保持冷却塔4独自运行，可节约能耗。夏天气温高，开启阀门F1a、F1b、F3a、F3b，冷水机运行，则关闭阀门F4和F5。

(四)附图说明：

图1 本发明原理及系统图

图2 旋转射流蒸发压缩器1(1A)结构图(实施例1)

图3 旋转射流蒸发压缩器1(1B)结构图(实施例2)

图4 本发明喷雾增压隔离室2、水喷射器3、冷却塔4结构示意图

图5 饱和水蒸汽绝热压缩功率曲线

(五)具体实施方式：

实施例1：冷水制备方法有如下步骤：见图1、图2、图4、图5

i.见图1，将压力进水1a通入旋转射流蒸发压缩器1内，在真空状态下，在其内同时进行旋转射流喷雾蒸发降温和蒸汽的机械压缩；进水1a蒸发后降温成为冷水1b引出；蒸汽压缩后成为过热蒸汽1c；蒸汽压缩比β为1.16。过程中状态参数如下：进水1a温度T_1a＝16℃，制备出的冷水1b温度T1b＝11℃(当T_1b＝11℃时，可关闭预抽真空泵A1)，温降ts＝5℃；过热蒸汽1c温度T1c＝26℃；压缩后排出的过热蒸汽1c压力P_1c＝βP0＝1.16P0，其中P0为饱和水蒸汽压强，查图5曲线，获得饱和水蒸汽绝热压缩功率(功耗)N1＝5.6KW.h/T(包括泵B1能耗0.11)。

ii.见图1，将温度为T1C＝26℃的过热蒸汽1C送入喷雾增压隔离室2内；用温度T2a＝80℃的高温水2a向内喷射，产生增压蒸汽2c；降温热水2b在外补充热量，恢复其温度80℃后，通过水泵B2再喷射以循环使用。为防止蒸汽回流，可使高温水喷射速度为V2a>过热蒸汽流速为V1C>增压蒸汽的流速为V2c。高温水2a初温T2a＝80℃、喷水量为Q2a＝200kg/h，水泵B2功耗为NB2＝0.23KW；加热功耗N2＝5.1KW.h/T。

iii.增压蒸汽2c送入水喷射器3，使其冷凝为冷凝水3b，然后将冷凝水3b用水泵B3送入冷却塔4后为水喷射器3提供循环用冷却进水3a。设计时上述T2a和Q2a取值，使增压蒸汽2c的压力P2C大于冷凝水3b的饱和蒸汽压力P3b，使全部增压蒸汽2c被水喷射器3抽吸和冷凝。水喷射器功耗N3＝2.5KW.h/T，冷却塔4功耗N4＝2.2KW.h/T。

总功耗N＝N1+NB2+N2+N3+N4＝5.6+0.23+5.1+2.5+2.2＝15.6KW.h/T进水1a温度T1a＝16℃，16℃水蒸汽每小时蒸发1吨产生的冷量Q为686.4KW。

本实施例1状态参数下，理论制冷系数K＝Q/N＝686.4/15.6＝44

为实现上述本实施例1冷水制备方法，所需的冷水机包括如下部分：

①见图2，旋转射流蒸发压缩器1：采用高架式蒸发压缩器1A，即整个装置安装位置高。从下至上顺次连接圆筒型蒸发室1.5、变容压缩室1.2、蒸气排气1.3；变容压缩室内装与压力进水1a连通的下喷旋转雾化喷头1.45和在它上方的上抽旋转叶片1.44；喷头和叶片间开口1.21与外部预抽真空泵A1连通；蒸发室底部为冷水1b出口1.51。进水1a可通过顶部进水管1.41和空心旋转水室1.43与下喷旋转雾化喷头1.45连通，水室表面装的下喷喷头1.45可对称装两个或以上，叶片1.44可周向装两支或以上；再加上水轴承、排水孔以及下端装静止摩擦环及压盖等，以此组成喷雾推进抽气装置1.4。圆筒型蒸发室1.5内还装有溅水板1.52、挡水环1.53和贮水罐1.54。

见图1，外部进水管路中装泵B1和阀门F1a；出水管路中设阀门F1b。

②见图1、图4，喷雾增压隔离室2内设有低压区2.1，喷射区2.2、高压区2.3，其外形为收缩-平滑-扩张。喷射区2.2内装有雾化喷头2B，并开有降温水2b排出口与外部太阳能或废气余热制成的水加热器2A、泵B2、雾化喷头2B等组成循环回路，进行连续喷射。低压区2.1进口与蒸气排出室1.3连通，送入过热蒸汽1c。

③见图4，图1，水喷射器3由上至下设装有进水阀F3a的进水管3.1、水室3.2、水喷嘴3.3、混合室3.4、水喷蒸发室3.6，水喷嘴3.3和水喷蒸发室3.6均可为1个或多个并联。设混合室开口3.5与喷雾增压隔离室高压区2.3连通。冷凝水3b出水管路装出水阀F3b，通过进水泵B3送入冷却塔4，冷却塔出水4b经泵B4再送入水喷射器3的进水阀F3a，以此循环使用。气温较高时，如：进水温度T1a在11℃-30℃，阀门F4和F5断开，阀门F1a、F1b、F3a、F3b接通，水冷机工作。当冬季进水温度T1a在11℃以下时，则断开阀门F1a、F1b、F3a、F3b，水冷机停止工作，接通阀门F4和F5，仅保冷却塔4工作。

实施例2：见图1、图3、图4、图5

见图3，本实施例2中蒸发压缩器1是采用低架式蒸发压缩器1B，即整个装置安装位置较低。用收敛-扩张型蒸发室1.1替代实施例1中圆筒型蒸发室1.5；下部设有的降温盐水罐为1.12，底部的降温盐水排出口为1.11。其余与实施例1完全相同。

Claims

1.旋转射流喷雾增压式冷水制备方法，其特征是包括下列步骤：

i.将压力进水(1a)通入旋转射流蒸发压缩器(1)内，在真空状态下，在其内同时进行旋转射流喷雾蒸发降温和蒸汽的机械压缩；进水(1a)蒸发后降温成为冷水(1b)引出；蒸汽压缩后成为过热蒸汽(1c)；蒸汽压缩比β为1.1-1.2；

ii.将温度为T_1C的过热蒸汽(1C)送入喷雾增压隔离室(2)内；用温度T_2a＝60-80℃的高温水(2a)向内喷射，并使T_2a大于T_1C，高温水蒸汽闪发二次蒸汽后过热度下降，饱和蒸汽压力上升，成为增压蒸汽(2c)；同时引出降温热水(2b)在外补充热量，恢复其温度后，通过泵(B₂)再喷射以循环使用；

iii.将增压蒸汽(2c)送入水喷射器(3)，使其冷凝为冷凝水(3b)，喷射用的循环水取自于与水喷射器连接的冷却塔(4)。

2.按权利要求1所述冷水制备方法，其特征是高温水(2a)喷射速度为V_2a大于过热蒸汽(1c)流速V_1C；过热蒸汽流速V_1C大于增压蒸汽(2c)的流速V_2c。

3.按权利要求1所述冷水制备方法，其特征是增压蒸汽(2c)的压力P_2C大于冷凝水(3b)的饱和蒸汽压力P_3b。

4.按权利要求1所述冷水制备方法，其特征是冷水(1b)温度达到设定值，则关闭旋转射流蒸发压缩器(1)的预抽真空泵(A₁)。

5.按权利要求1所述制备方法所需冷水机，其特征是冷水机包括如下部分：

①旋转射流蒸发压缩器(1)：从下至上设收敛-扩张型蒸发室(1.1)或圆筒型蒸发室(1.5)、压缩室(1.2)、蒸气排出室(1.3)；压缩室内装与进水连通的下喷旋转雾化喷头(1.45)和上方的上抽旋转叶片(1.44)；喷头和叶片间开口(1.21)与外部预抽真空泵(A₁)连通；蒸发室底部为冷水(1b)出口；外部进水管路中装泵(B₁)和阀门(F_1a)；出水管路中设阀门(F_1b)；

②喷雾增压隔离室(2)内设有与蒸气排出室(1.3)连通的低压区(2.1)、装有雾化喷头(2B)和开有降温热水出口的喷射区(2.2)，以及产生和排出增压蒸汽(2C)的高压区(2.3)；在外部设水加热器(2A)和送高温水泵(B₂)；

③水喷射器(3)由上至下设装有进水阀(F_3a)的进水管(3.1)、水室(3.2)、水喷嘴(3.3)、混合室(3.4)、水喷室(3.6)，混合室与喷雾增压隔离室高压区(2.3)连通；冷凝水出水管路装出水阀(F_3b)；并设冷却冷凝水和提供循环喷射水的冷却塔(4)、进水泵(B₃)和出水泵(B4)。

6.按权利要求5所述冷水机，其特征是喷雾增压隔离室(2)中低压区、喷射区、高压区外壳形状分别为收缩-平滑-扩张形。

7.按权利要求5所述冷水机，其特征是水加热器(2A)为太阳能或余热废热加热器。

8.按权利要求5所述冷水机，其特征是在冷却塔(4)进水泵和出水泵与总进出水管路间分别设阀门(F4)和(F5)，阀门(F4)和(F5)处于开启位置时对应的上述阀门(Fla)、(F1b)、(F3a)、(F3b)处于关闭位置。