CN101520250B - 高效的两级吸收式制冷装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效的两级吸收式制冷装置。装置中的高压发生器气体出口与冷凝器、中间换热部件、第一节流阀、蒸发器、低压吸收器、低压溶液泵、低压溶液换热器、低压发生器、高压吸收器、高压溶液泵、高压溶液换热器低温溶液入口依次连接，中间换热部件气体出口与高压吸收器的气体入口连接，高压发生器的溶液出口与高压溶液换热器、第三节流阀与高压吸收器的溶液入口连接，低压发生器的溶液出口与低压溶液换热器、第二节流阀与低压吸收器的溶液入口连接。本发明结构简单，而且性能系数提高明显，因此具有广阔的应用前景。

Description

高效的两级吸收式制冷装置
技术领域
本发明属于制冷技术领域，尤其涉及一种高效的两级吸收式制冷装置。
背景技术
吸收式制冷技术是一种热能驱动的制冷技术，和压缩式制冷技术相比其主要优点是只需要消耗很少的电能，能够利用品位较低的热能。自从1860年法国人卡尔发明连续性吸收制冷机以来，吸收式制冷机就一直在市场中占据着重要的地位。近年来随着节能与环保的呼声越来越高，吸收式制冷机受到更大的青睐，研究者在2000年的时候就预测2008年吸收式制冷机的销售量会达到6870万台。
一般的单级吸收式制冷装置的主要缺点是在制取较低的蒸发温度的冷量的时候需要较高的发生温度。有研究者提出两吸收器吸收式制冷装置的系统，其思想就是用将一部分制冷剂制取的冷量用来冷却吸收器，使得吸收器能够达到较低的温度，从而让另外一部分制冷剂能够制取更高品位的冷量，但是这样会大幅度降低系统的性能系数。此外也有研究者通过将喷射器和吸收式制冷装置结合来提高系统的性能，制取更低温度的冷量，但是性能改进也不大，而且还可能导致系统不稳定。
目前利用低品位热能制取更低温度的冷量的实用制冷技术主要是两级吸收式制冷，但存在系统性能系数较低的缺陷。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足和缺陷，为了提高传统二级吸收式制冷技术的性能，提供一种高效的两级吸收式制冷装置。
高效的两级吸收式制冷装置中的高压发生器气体出口与冷凝器、中间换热部件、第一节流阀、蒸发器、低压吸收器、低压溶液泵、低压溶液换热器、低压发生器、高压吸收器、高压溶液泵、高压溶液换热器、高压发生器的低温溶液入口依次连接，中间换热部件气体出口与高压吸收器的气体入口连接，高压发生器的溶液出口与高压溶液换热器、第三节流阀与高压吸收器的溶液入口连接，低压发生器的溶液出口与低压溶液换热器、第二节流阀与低压吸收器的溶液入口连接。
所述的中间换热部件包括第四节流阀和气液分离器，第四节流阀的入口与冷凝器连接，第四节流阀的出口与气液分离器的入口连接，气液分离器的液体出口与第一节流阀的入口连接，气液分离器的气体出口与高压吸收器气体入口连接。
所述的中间换热部件包括第五节流阀与过冷器，第五节流阀的入口与冷凝器的一个出口连接，第五节流阀的出口与过冷器的低压侧入口连接，过冷器的高压侧入口与冷凝器的另一个出口连接，过冷器的低压侧出口与高压吸收器的气体入口相连接，过冷器的高压侧出口与第一节流阀的入口连接。
本发明的两级吸收式制冷新装置相比传统两级吸收式制冷装置性能得到大幅度提高。相比传统两级吸收式制冷装置，由于有一部分制冷剂不需要被低压吸收器吸收，也不需要在低压发生器发生，因此减少了低压发生器和低压吸吸收器的负荷，从而大幅度提高了装置的性能，而且性能系数的提高幅度随着蒸发温度的降低以及发生终了温度的降低而增加。本发明的这些特点为低品位能源的高效利用提供了一条新的途径。相比其他改进型两级吸收式制冷装置，本发明结构简单，而且性能系数提高明显，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是高效的两级吸收式制冷装置结构示意图；
图2是高效的两级吸收式制冷装置实施例1结构示意图；
图3是高效的两级吸收式制冷装置实施例2结构示意图；
图中：高压发生器1、冷凝器2、中间换热部件3、第一节流阀4、蒸发器5、低压吸收器6、第二节流阀7、低压溶液泵8、低压溶液换热器9、低压发生器10、高压吸收器11、第三节流阀12、高压溶液泵13、高压溶液换热器14、第四节流阀15、气液分离器16、第五节流阀17、过冷器18。
具体实施方式
如图1所示，高效的两级吸收式制冷装置中的高压发生器1气体出口与冷凝器2、中间换热部件3、第一节流阀4、蒸发器5、低压吸收器6、低压溶液泵8、低压溶液换热器9、低压发生器10、高压吸收器11、高压溶液泵13、高压溶液换热器14、高压发生器1的低温溶液入口依次连接，中间换热部件3气体出口与高压吸收器11的气体入口连接，高压发生器1的溶液出口与高压溶液换热器14、第三节流阀12与高压吸收器11的溶液入口连接，低压发生器10的溶液出口与低压溶液换热器9、第二节流阀7与低压吸收器6的溶液入口连接。
冷凝器出口的高压制冷剂流到中间换热部件，中间换热部件的一个出口是压力为中间压力的制冷剂蒸汽出口，这些蒸汽流到高压吸收器被吸收，另外一个出口流出制冷剂液体并被节流到蒸发压力然后在蒸发器中蒸发实现制冷。
中间换热部件主要起着两个作用，第一个作用是调节中间压力，使得装置运行在最佳的中间压力下，另外一个作用则是将一部分不需要经过低压吸收器吸收以及低压发生器发生的制冷剂蒸汽分离，使得它们直接被高压吸收器吸收，从而减少低压吸收器和低压发生器的负荷，从而大幅度的提高装置性能。
如图2所示，高效的两级吸收式制冷装置实施例1中的高压发生器1气体出口与冷凝器2、第四节流阀15、气液分离器16、第一节流阀4、蒸发器5、低压吸收器6、低压溶液泵8、低压溶液换热器9、低压发生器10、高压吸收器11、高压溶液泵13、高压溶液换热器14、高压发生器1的低温溶液入口依次连接，气液分离器16气体出口与高压吸收器11的气体入口连接，高压发生器1的溶液出口与高压溶液换热器14、第三节流阀12与高压吸收器11的溶液入口连接，低压发生器10的溶液出口与低压溶液换热器9、第二节流阀7与低压吸收器6的溶液入口连接。
如图3所示，高效的两级吸收式制冷装置实施例2中的高压发生器1气体出口与冷凝器2入口连接，冷凝器2出口分成两路，冷凝器2出口一路与过冷器18的高压侧、第一节流阀4、蒸发器5、低压吸收器6、低压溶液泵8、低压溶液换热器9、低压发生器10、高压吸收器11、高压溶液泵13、高压溶液换热器14、高压发生器1的低温溶液入口依次连接，冷凝器2出口另一路依次与第五节流阀17、过冷器18的低压侧、高压吸收器11的气体入口连接，高压发生器1的溶液出口与高压溶液换热器14、第三节流阀12与高压吸收器11的溶液入口连接，低压发生器10的溶液出口与低压溶液换热器9、第二节流阀7与低压吸收器6的溶液入口连接。
实施例1以氨-水工质对作为工质，对新装置以及传统装置的性能进行了模拟计算，表1是不同蒸发温度下新旧两级吸收制冷装置性能的比较。
表1新旧两级制冷装置不同蒸发温度下性能的比较
  参数   Tg   Tk   Te   COPt   COPn   η1   Qat   Qan   η2
  单位   K   K   K   /   /   ％   W   W   ％
  工况1   375   310   238   0.820   0.093   13.5   14382   12928   10.1
  工况2   375   310   240   0.136   0.152   11.9   9513.4   8720.2   8.33
  工况3   375   310   242   0.157   0.175   11.2   8480.0   7831.0   7.65
  工况4   375   310   244   0.174   0.192   10.3   7860.9   7317.6   6.91
  工况5   375   310   246   0.186   0.204   9.46   7479.7   7009.7   6.28
  工况6   375   310   248   0.197   0.215   8.73   7165.3   6753.7   5.74
  工况7   375   310   250   0.206   0.223   8.09   6942.6   6575.6   5.29
表1中的Tg代表的是高低压发生器和低压发生器发生终了温度，Tk代表的则是冷凝温度以及高低压吸收器吸收终了温度，Te代表的是蒸发温度，COPt代表的是传统两级吸收式制冷装置在最佳中间压力下运行的时候COP的计算结果，COPn指的新的制冷装置在最佳中间压力下运行的时候COP的计算结果，η1代表新装置的性能系数相对于传统装置的性能的提高幅度，Qan和Qat分别代表当蒸发器负荷为1000W时新的与传统的两级吸收式制冷装置吸收器的负荷，η2代表的是在相同的制冷量的情况下新装置的吸收器负荷相对传统两级吸收式制冷装置吸收器负荷的减少幅度。
从表1中可以看出，当发生终了温度为375K，冷凝温度、吸收终了温度为310K、蒸发温度为238K的时候，新装置的COP相对于传统装置提高了超过13％，同时吸收器的负荷减少了超过10％，而且从表中还可以看出，新装置相对传统装置的COP的提高幅度随着蒸发温度的降低而增加。这是由于随着蒸发温度的降低，除了和传统装置一样有COP减少的趋势以外，新装置此时还伴随着辅助节流阀出口制冷剂干度的增加，而这一次节流后干度的增加使得COP有增加的趋势，从而使得新装置的下降速度比传统装置要小，使得COP的提高幅度随着蒸发温度的降低而增加。而且表1也显示吸收器负荷的减少程度随着蒸发温度的升高而降低，这是因为随着蒸发温度的增加，装置的最佳中间压力会增加，使得一次节流后的干度降低，从而使得低压发生器节约的吸收器负荷减少，使得吸收器的负荷的减少幅度随着蒸发温度的升高而降低。
表2不同发生终了温度下新旧两级制冷装置性能的比较
  参数   Tg   Tk   Te   COPt   COPn   η1   Qat   Qan   η2
  单位   K   K   K   /   /   ％   W   W   ％
  工况1   360   310   248   0.117   0.128   9.68   10721.5   10009.2   6.66
  工况2   365   310   248   0.179   0.197   9.65   7692.7   7215.5   6.20
  工况3   370   310   248   0.194   0.212   9.28   7246.5   6805.1   6.09
  工况4   375   310   248   0.197   0.215   8.73   7165.3   6753.7   5.74
  工况5   380   310   248   0.195   0.211   8.12   7223.3   6833.2   5.40
  工况6   385   310   248   0.192   0.206   7.24   7307.4   6949.7   4.89
  工况7   390   310   248   0.188   0.200   6.04   7410.1   7101.5   4.16
  工况8   395   310   248   0.184   0.192   4.35   7506.0   7334.9   2.28
表2是不同发生终了温度下新旧两级制冷装置性能的比较，表中的符号意义与表1相同。从表2中可以看出，在蒸发温度相同的情况下，新装置相对传统装置的COP提高幅度随着发生温度的降低而增加，这是因为随着发生终了温度的降低，新装置和传统装置的最佳COP对应的中间压力不断减少，因此新装置除了和传统装置都有相同的因为发生终了温度的减少而带来的COP的相同的变化趋势以外，还伴随着中间压力降低导致辅助节流阀出口制冷剂干度增加的情况，从而COP有增加的趋势，因此当COP减少时，新装置COP的减少速度比传统装置慢，当COP增加的时候，新装置COP的增加速度比传统装置快，也就使得COP提高幅度的值随着发生终了温度的降低而增加。
实施例1的工作过程是：制冷剂蒸汽在高压发生器中发生以后，流到冷凝器里面被冷凝到液态，接着这些制冷剂液体被第四节流阀节流到装置的中间压力，然后流到气液分离器并被分为气液两相，液相继续被第一节流阀节流到蒸发压力然后在蒸发器中蒸发，气相制冷剂蒸汽则流到高压吸收器里面被吸收，蒸发器出来的气相制冷剂蒸汽流到低压吸收器并被吸收，吸收终了的浓溶液经低压溶液泵加压后通过低压溶液换热器流到低压发生器，在低压发生器中发生产生的蒸汽流到高压吸收器吸收，吸收终了的浓溶液经过高压溶液泵加压以后通过高压溶液换热器流到高压发生器，从而完成制冷装置回路。
从工作过程可以看出，除节流过程外，不考虑其他阻力损失，则整个装置中存在3个不同的压力，即冷凝压力、蒸发压力和中间压力；其中冷凝压力和蒸发压力由装置的工况决定；中间压力是可以调节的参数，通过优化中间压力可以实现最佳工况。在同样的装置工况下，本发明相较于传统的两级吸收式制冷技术有如下优点：新技术相比传统技术只增加了一个第四节流阀和一个气液分离器，因此结构并不复杂，而且增加的第四节流阀有利于中间压力的调节；由于从气液分离器出来的蒸汽直接在高压吸收器里面被吸收，不需要在被低压吸收器吸收后被低压发生器发生，同时这股蒸汽的潜热都用来冷却一次节流后的液体了，因此整个装置的制冷量不变，而装置所需要的发生热却比原来少，使得系统的性能系数得到提高。
实施例2以氨-水工质对作为，在假设过冷器冷端传热温差为5℃的情况下，对新装置以及传统装置的性能进行了模拟计算，表3是不同蒸发温度下新旧两级制冷装置性能的比较。
表3新旧两级制冷装置不同蒸发温度下性能的比较
  参数   Tg   Tk   Te   COPt   COPn   η1   Qat   Qan   η2
  单位   K   K   K   /   /   ％   W   W   ％
  工况1   375   310   238   0.0820   0.0919   12.1   14382   13063   9.16
  工况2   375   310   240   0.136   0.145   10.6   9513.5   8798.1   7.51
  工况3   375   310   242   0.157   0.173   9.91   8480.0   7901.1   6.83
  工况4   375   310   244   0.174   0.189   8.99   7860.9   7381.7   6.09
  工况5   375   310   246   0.186   0.201   8.15   7479.7   7069.7   5.48
  工况6   375   310   248   0.197   0.212   7.43   7165.3   6810.9   4.95
  工况7   375   310   250   0.206   0.220   6.79   6942.6   6630.5   4.50
表中的符号意义与表1相同。从表中可以看出，当发生终了温度为375K，冷凝温度、吸收终了温度为310K、蒸发温度为238K的时候，新装置的COP相对于传统装置提高了超过12％，同时吸收器的负荷减少了超过9％，COP提高幅度以及吸收器负荷减少幅度的变化趋势和实施例1在相同的工况下相同，而且也可以看出在相同工况下，实施例2的性能不如实施例1，这是因为实施例二的中间换热部件的气液相出口需要传热温差，而实施例1不需要。
根据本发明，三级或更多级数的多级吸收式制冷装置，同样可以依据本发明提供的方法，通过增加相应的中间换热部件以达到减少下一级吸收器和发生器的负荷，从而提高整个系统的性能系数。

Claims (3)

1.一种高效的两级吸收式制冷装置，其特征在于高压发生器(1)气体出口与冷凝器(2)、中间换热部件(3)、第一节流阀(4)、蒸发器(5)、低压吸收器(6)、低压溶液泵(8)、低压溶液换热器(9)、低压发生器(10)、高压吸收器(11)、高压溶液泵(13)、高压溶液换热器(14)、高压发生器(1)低温溶液入口依次连接，中间换热部件(3)气体出口与高压吸收器(11)气体入口连接，高压发生器(1)的溶液出口与高压溶液换热器(14)、第三节流阀(12)、高压吸收器(11)的溶液入口依次连接，低压发生器(10)的溶液出口与低压溶液换热器(9)、第二节流阀(7)、低压吸收器(6)的溶液入口依次连接。
2.根据权利要求1所述的一种高效的两级吸收式制冷装置，其特征在于所述的中间换热部件(3)包括第四节流阀(15)和气液分离器(16)，第四节流阀(15)的入口与冷凝器(2)连接，第四节流阀(15)的出口与气液分离器(16)的入口连接，气液分离器(16)的液体出口与第一节流阀(4)的入口连接，气液分离器(16)的气体出口与高压吸收器(11)气体入口连接。
3.根据权利要求1所述的一种高效的两级吸收式制冷装置，其特征在于所述的中间换热部件(3)包括第五节流阀(17)与过冷器(18)，第五节流阀(17)的入口与冷凝器(2)的出口连接，第五节流阀(17)的出口与过冷器(18)的低压侧入口连接，过冷器(18)的高压侧入口与冷凝器(2)的出口连接，过冷器(18)的低压侧出口与高压吸收器(11)的气体入口相连接，过冷器(18)的高压侧出口与第一节流阀(4)的入口连接。
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