CN101603747B - 一种吸收式制冷循环方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种吸收式制冷循环方法，在由单效子循环和两级子循环通过相互之间的热量传递构成的循环系统中，将温度介于单效循环驱动热源温度和双效循环驱动热源温度之间的中品位余热，作为驱动热源，先加入到其中一个子循环的发生器中，由该子循环产生的部分排热加入到另一个子循环的发生器中，进行两个子循环之间的热量传递，本发明实现了温度介于单效循环和双效循环的驱动热源温度之间中品位余热的高效利用，可以高效制冷，比相同条件下的单效循环的性能系数提高30％以上。该吸收式制冷循环方法适用于工业余热、太阳能和地热等低品位热的高效利用。

Description

一种吸收式制冷循环方法
技术领域
本发明涉及一种吸收式制冷循环方法，涉及吸收式单效循环和两级循环以及两者之间的热量传递，适于工业余热、太阳能和地热等可再生能源利用。
背景技术
吸收式制冷循环是低品位热利用的一个重要途径。在空调制冷标准工况条件下(冷却水温度为32℃，制取7℃冷媒水)，对于溴化锂吸收式制冷循环，为了有效地利用各种温度范围的热源，目前工业上主要采用单效循环和双效循环方式。单效循环是指循环工质在由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、溶液热交换器、溶液泵、节流阀以及相应的连接管线构成的循环系统中循环实现制冷的过程。单效循环的驱动热源温度在90℃左右，热源热量加入到发生器中，冷凝器和吸收器放出的热量被外界冷却水带走，冷剂液体在蒸发器中蒸发吸收外界热量而制冷。单效循环的性能系数(即制冷量与耗热量的比值)较低，一般在0.7左右。当外界热源温度在140℃以上时，则宜采用双效溴化锂吸收式制冷循环。双效循环由两个单效循环叠加而成，包括两个发生器、两个冷凝器、蒸发器、吸收器、溶液热交换器、溶液泵、节流阀以及相应的连接管线等。双效循环的性能系数可以提高到1.2以上。对于80℃以下的热源，因热源温度低于单效溴化锂吸收式制冷循环的最低发生温度而较难加以利用。CN1101973A公开了一种“热水型两级吸收式制冷机”。此两级吸收式制冷机由两个发生器、两个吸收器、冷凝器、蒸发器、溶液热交换器、溶液泵、节流阀以及相应的连接管线连接构成。该吸收式制冷循环以水/溴化锂为工质对，外界热源的热量被分别加入到两个发生器中，采用两级吸收两次发生的循环方式，可以利用80℃以下的热水为驱动热源，用较大的温度降，在参数较为不利的条件下满足制冷要求。该循环特别适用于太阳能以及低温工业余热的利用，但循环的性能系数较低，只有0.4左右。中国发明专利CN1101973A公开了“一种吸收式制冷循环方法及装置”，该发明将压缩式制冷与吸收式制冷结合在一起，也可以利用80℃以下的热水为驱动热源，但必须辅以一部分的机械能。
现有余热制冷技术中，对于温度介于单效循环驱动热源温度和双效循环驱动热源温度之间的余热的有效利用存在技术“断层”。例如最常见的空调制冷标准工况条件下，110～140℃之间的余热无法驱动双效溴化锂吸收式制冷循环；而用于驱动单效溴化锂吸收式制冷循环时，性能系数又相对低，无法高效利用。
发明内容
本发明提出一种吸收制冷循环系统及方法，使温度介于单效循环和双效循环的驱动热源温度之间的余热得到有效利用，并且具有较高的性能系数。
本发明提出的吸收式制冷循环方法，在由单效子循环和两级子循环通过相互之间的热量传递构成的循环系统中，将温度介于单效循环驱动热源温度和双效循环驱动热源温度之间的中品位余热，作为驱动热源，先加入到其中一个子循环的发生器中，由该子循环产生的部分排热加入到另一个子循环的发生器中，进行两个子循环之间的热量传递，所述的单效子循环，由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、溶液热交换器、溶液泵、节流阀以及相应的管线连接构成；所述的两级子循环，由两个发生器、两个吸收器、冷凝器、蒸发器、两个溶液热交换器、溶液泵、节流阀以及相应的管线连接构成。
由于制冷循环的驱动热源温度与制冷工况条件(如冷却水温度、制取冷媒水温度)有关，所以本发明上述的温度介于单效循环驱动热源温度和双效循环驱动热源温度之间的中品位余热，是根据不同工况而确定的。一般是指在空调制冷标准工况条件下，110-140℃之间的余热。
本发明的吸收式制冷循环方法，根据两个子循环构成的不同，可以有两种流程方式：
第一种流程方式：外界中品位余热驱动热源的热量先加入单效循环的发生器中，以驱动单效子循环；单效子循环的冷凝器放出的热量被分别用于两级循环的两个发生器，以驱动两级子循环，从而实现了热量的二次利用，提高了循环的性能系数；两级子循环的冷凝器和两个吸收器放出的热量被外界冷却水带走；冷剂液体在蒸发器中蒸发吸收外界热量而制冷。该流程方式中存在三个溶液循环回路，这三个溶液回路分别流经三个溶液热交换器以回收高温溶液的热量。
具体循环方法是：外界中品位余热驱动热源的热量先加入单效子循环的发生器中，驱动单效子循环发生器中溶液发生出冷剂蒸汽，进入单效子循环的冷凝器冷凝，放出冷凝热分别用于两级子循环的两个发生器，以驱动两级子循环；单效子循环发生器发生后的浓溶液经溶液热交换器节流进入两级子循环的第一个发生器；两级子循环的第一个发生器中溶液发生出的冷剂蒸汽，通入两级子循环的吸收器，被来自两级子循环的第二个发生器的浓溶液吸收，放出吸收热被外部冷却水带走，吸收后的稀溶液再经溶液热交换器泵入两级子循环的第二个发生器中；两级子循环的第二个发生器中溶液发生出的冷剂蒸汽，进入两级子循环的冷凝器，与来自于单效子循环冷凝器的冷剂混合，进一步冷却冷凝，冷凝热被外界冷却水带走，冷却冷凝后的液体冷剂，经节流阀进入蒸发器，吸收外界热量蒸发制冷，冷剂蒸发产生的蒸汽进入两个子循环的共用吸收器，被来自两级子循环的第一个发生器的浓溶液吸收，放出的吸收热被外部冷却水带走，吸收后的稀溶液经溶液热交换器，分成两股分别泵入单效子循环的发生器和两级子循环的第一个发生器，完成制冷循环。
第二种流程方式：外界中品位余热驱动热源的热量加入两级子循环的两个发生器中，以驱动两级子循环；两级子循环的冷凝器和其中一个温度较高的吸收器放出的热量被加入到单效子循环的发生器中，以驱动单效子循环，从而实现了热量的二次利用，提高了循环的性能系数；单效子循环的冷凝器和吸收器放出的热量被外界冷却水带走；冷剂液体在蒸发器中蒸发吸收外界热量而制冷。该流程方式中同样存在三个溶液循环回路，这三个溶液回路分别流经三个溶液热交换器以回收高温溶液的热量。
具体循环方法是：外界中品位余热驱动热源的热量先分别加入两级子循环的两个发生器中；两级子循环的第一个发生器中溶液发生出的冷剂蒸汽进入两级子循环的吸收器，被来自两级子循环的第二个发生器的浓溶液吸收，放出吸收热，吸收后的稀溶液经溶液热交换器泵入两级子循环的第二个发生器继续发生出冷剂蒸汽，该冷剂蒸汽进入两级子循环的冷凝器冷凝，放出冷凝热；两级子循环的第一个发生器中发生后的浓溶液经溶液热交换器节流进入单效子循环的发生器；两级子循环的吸收器和冷凝器放出的热量全部被加入到单效子循环的发生器中，单效子循环的发生器中溶液发生出来的冷剂蒸汽进入单效子循环的冷凝器中，与来自于两级子循环冷凝器的冷剂混合，进一步冷却冷凝后节流进入蒸发器吸收外界的热量而蒸发制冷，蒸发后的冷剂蒸汽进入两个子循环的共用吸收器，被来自于单效子循环发生器的浓溶液吸收，吸收后的稀溶液经溶液热交换器被分成两股，分别被泵入两级子循环的第一个发生器和单效子循环的发生器，完成制冷循环。
本发明的循环方法中，实现循环流程内子循环间的热量传递是热源的热能能够得以高效利用的关键。第一种流程方式中，热量由单效子循环的冷凝器向两级子循环的两个发生器传递；第二种流程方式中，热量由两级子循环的冷凝器与其中一个温度较高的吸收器向单效子循环的发生器传递。通过两个子循环之间的热量传递实现了热量的二次利用，从而使得中品位热源的利用效率提高。上述热量传递，除采用常规管壳式换热方式以外，还可以采用热管换热、间壁式降膜换热等多种换热方式来实现。
本发明的效果
1.本发明提出了一种回收余热，高效制冷的吸收式循环方法。通过单效循环与两级子循环的组合及两个子循环之间的热量传递实现了热量的二次利用，从而使得介于单效循环和双效循环的驱动热源温度之间的中品位余热热源得到高效率利用，其性能系数也介于单效循环和双效循环之间。例如，以温度为110℃～140℃之间的余热作热源，冷却水温度为32℃，制取7℃冷媒水的条件下，可以高效制冷，比相同条件下的单效循环的性能系数提高30％以上。
2.本发明有效地利用了循环排热，本发明循环相对于相同工况下的单效吸收式制冷循环节省大约15％的冷却水。相应的循环水泵电耗可以节省大约15％。
3.即使在冷却水温度比较高(例如在34℃～40℃左右)的条件下，仍然可以高效利用温度为110～140℃之间的余热制冷。适用于工业余热、太阳能和地热等可再生能源利用等场合。
附图说明
图1为本发明吸收式制冷循环的第一种流程方式流程图
图2为本发明吸收式制冷循环的第二种流程方式流程图
具体实现方式
本发明的循环方法根据循环构成可以通过以下两种流程方式实施。在空调制冷标准工况条件下(冷却水温度为32℃，制取7℃冷媒水)，实施本发明如下：
第一种流程方式如图1所示。由发生器11、冷凝器17、蒸发器1和吸收器2以及相应的溶液热交换器、节流阀、溶液泵和相关的连接管线构成一单效子循环，作为外界热源直接驱动的子循环；发生器8、吸收器12、发生器16、冷凝器19、蒸发器1和吸收器2以及相应的溶液热交换器、节流阀、溶液泵和相关的连接管线构成两级子循环，作为排热驱动的子循环。蒸发器1、吸收器2、溶液热交换器5、节流阀4、节流阀20以及溶液泵3为两个子循环的公共部分。110-140℃外界热源热量加入发生器11中；冷却水带走吸收器2、吸收器12以及冷凝器19放出的热量；蒸发器1吸收外界的热量而制冷；通过循环热媒，冷凝器17放出的热量(70℃左右)分别被加入发生器8和发生器16中，以驱动两级子循环的蒸汽发生过程，从而实现了热量的二次利用，提高了循环的性能系数。
第一种流程方式的详细描述：从冷凝器19过来的冷剂液体经节流阀20进入蒸发器1蒸发(蒸发温度5℃左右)，吸取外界热量而制冷；冷剂蒸发产生的蒸汽进入吸收器2，被来自发生器8的浓溶液吸收，放出的吸收热(37℃左右)被外部冷却水带走；吸收后的稀溶液经溶液泵3升压，而后经溶液热交换器5后分成两股，一股经溶液热交换器10进入发生器11中，另一股进入发生器8中，阀门6和阀门7为流量调节阀；在发生器11中溶液在外部热源(110-140℃之间)的作用下发生出冷剂蒸汽，该冷剂蒸汽在冷凝器17中冷凝，放出冷凝热(70℃左右)一部分被加入发生器8中，另一部分被加入到发生器16中；在发生器8中，溶液发生出冷剂蒸汽，发生后的浓溶液则经溶液热交换器5和节流阀4进入吸收器2中；发生器8中发生的冷剂蒸汽进入吸收器12中被来自发生器16的浓溶液吸收，放出的吸收热(37℃左右)被外部冷却水带走，吸收后的稀溶液经溶液泵13和溶液热交换器15进入发生器16中；在发生器16中溶液发生出冷剂蒸汽，发生后的浓溶液经溶液热交换器15和节流阀14进入吸收器12；发生器16中出来的冷剂蒸汽进入冷凝器19，与来自于冷凝器17的冷剂混合，进一步冷却冷凝，冷凝热(42℃左右)被外界冷却水带走；在冷凝器19中冷凝后的液体冷剂，经节流阀20进入蒸发器1完成制冷循环。
第二种流程方式如图2所示。发生器11、吸收器12、发生器16、冷凝器17、蒸发器1以及吸收器2以及相应的溶液热交换器、节流阀、溶液泵和相关的连接管线构成两级子循环，作为直接由外界热源驱动的子循环；发生器8、冷凝器19、蒸发器1以及吸收器2以及相应的溶液热交换器、节流阀、溶液泵和相关的连接管线构成一单效子循环，作为排热驱动的子循环。蒸发器1、吸收器2、溶液热交换器5、节流阀4、节流阀20以及溶液泵3为两个子循环的公共部分。外界110-140℃热源热量分别加入到两级循环的发生器11和发生器16中；冷却水带走吸收器2以及冷凝器19中放出的热量；蒸发器1吸收外界的热量而制冷；通过循环热媒，冷凝器17和吸收器12中放出的热量(90℃左右)全部被加入发生器8中，以驱动单效子循环的蒸汽发生过程，从而实现了热量的二次利用，提高了循环的性能系数。
第二种流程方式的详细描述：从冷凝器19过来的冷剂液体经节流阀20进入蒸发器1蒸发(蒸发温度5℃左右)，吸取外界热量而制冷；冷剂蒸发产生的蒸汽进入吸收器2被来自发生器8的浓溶液吸收，放出的吸收热(37℃左右)被外部冷却水带走；吸收后的稀溶液经溶液泵3升压，经溶液热交换器5后分成两股，其中一股经流量调节阀7和溶液热交换器10后进入发生器11，另一股经流量调节阀6后进入发生器8中；在发生器11中，溶液在外界热源(110-140℃之间)的作用下发生出蒸汽；发生后的浓溶液经溶液热交换器10后节流进入发生器8；发生器11中发出的冷剂蒸汽进入吸收器12，被来自于发生器16的溶液吸收，放出吸收热(90℃左右)；吸收后的稀溶液经溶液泵13升压后，经溶液热交换器15进入发生器16；在发生器16中溶液在外界热源(110-140℃之间)的作用下，发生出冷剂蒸汽，发生后的溶液经溶液热交换器15和节流阀14进入吸收器12中；发生器16中发出的冷剂蒸汽在冷凝器17中冷凝；冷凝器17和吸收器12放出的热量(90℃左右)全部被加入到发生器8中，加热8中的溶液发生出冷剂蒸汽，发生后的浓溶液经溶液热交换器5和节流阀4后进入吸收器2；发生器8中出来的冷剂蒸汽与来自于冷凝器17的冷剂一起在冷凝器19中冷却冷凝，冷凝热(42℃左右)被外界冷却水带走；从冷凝器19出来的冷剂液体经节流阀20进入蒸发器1，完成制冷循环。
实施例1：冷却水温度32℃，需要制取7℃的空调用冷媒水，现有130℃的低压蒸汽热源。在操作中选取冷却水先流经吸收器然后再流经冷凝器的串联方式，冷却水温升5℃，取最小传热温差为5℃，则吸收器出口的溶液温度为37度，冷凝温度为42℃。发生器最小传热温差设为5℃，则发生器出口溶液温度为125℃。
表1.第一种流程方式的性能：
Figure GSB00000189155200071
以水/溴化锂为工质对，在上述条件下，由于发生温度低于双效循环的最低驱动温度，故而无法采用双效吸收式制冷循环。如果采用单效吸收式制冷循环，则必须加大发生过程的传热温差以防溴化锂结晶，循环的性能系数为0.73。
采用本发明的吸收式制冷循环方法中第一种流程方式，循环工质对采用水/溴化锂，蒸发器中冷剂蒸汽的流量设为1kg/min。计算结果如表1所示。
实施例2：
在实施例1条件下，以第二种流程方式进行计算，循环工质对采用水/溴化锂，蒸发器的蒸发中冷剂蒸汽的流量设为1kg/min。计算结果如表2所示。
表2.第二种流程方式的性能：
Figure GSB00000189155200081

Claims (4)

1.一种吸收式制冷循环方法，其特征在于：在由单效子循环和两级子循环通过相互之间的热量传递构成的循环系统中，将介于单效循环驱动热源温度和双效循环驱动热源温度之间的外界中品位余热，作为驱动热源，先加入到其中一个子循环的发生器中，由该子循环产生的部分排热加入到另一个子循环的发生器中，进行两个子循环之间的热量传递，所述的单效子循环，由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、溶液热交换器、溶液泵、节流阀以及相应的管线连接构成；所述的两级子循环，由两个发生器、两个吸收器、冷凝器、蒸发器、两个溶液热交换器、溶液泵、节流阀以及相应的管线连接构成，所述的外界中品位余热，是在空调制冷标准工况条件下，110-140℃之间的中品位余热。
2.根据权利要求1的循环方法，其特征在于：外界中品位余热驱动热源的热量先加入单效子循环的发生器中，驱动单效子循环发生器中溶液发生出冷剂蒸汽，进入单效子循环的冷凝器冷凝，放出冷凝热分别用于两级子循环的两个发生器，以驱动两级子循环；单效子循环发生器发生后的浓溶液经溶液热交换器节流进入两级子循环的第一个发生器，该发生器中溶液发生出的冷剂蒸汽，通入两级子循环的吸收器，被来自两级子循环的第二个发生器的浓溶液吸收，放出吸收热被外部冷却水带走，吸收后的稀溶液再经溶液热交换器泵入两级子循环的第二个发生器中；两级子循环的第二个发生器中溶液发生出的冷剂蒸汽，进入两级子循环的冷凝器，与来自于单效子循环冷凝器的冷剂混合，进一步冷却冷凝，冷凝热被外界冷却水带走，冷却冷凝后的液体冷剂，经节流阀进入蒸发器，吸收外界热量蒸发制冷，冷剂蒸发产生的蒸汽进入两个子循环的共用吸收器，被来自两级子循环的第一个发生器的浓溶液吸收，放出的吸收热被外部冷却水带走，吸收后的稀溶液经溶液热交换器，分成两股分别泵入单效子循环的发生器和两级子循环的第一个发生器，完成制冷循环。
3.根据权利要求1的循环方法，其特征在于：外界中品位余热驱动热源的热量先分别加入两级子循环的两个发生器中；两级子循环的第一个发生器中溶液发生出的冷剂蒸汽进入两级子循环的吸收器，被来自两级子循环的第二个发生器的浓溶液吸收，放出吸收热，吸收后的稀溶液经溶液热交换器泵入两级子循环的第二个发生器继续发生出冷剂蒸汽，该冷剂蒸汽进入两级子循环的冷凝器冷凝，放出冷凝热；两级子循环的第一个发生器中发生后的浓溶液经溶液热交换器节流进入单效子循环的发生器；两级子循环的吸收器和冷凝器放出的热量全部被加入到单效子循环的发生器中，单效子循环的发生器中溶液发生出来的冷剂蒸汽进入单效子循环的冷凝器中，与来自于两级子循环冷凝器的冷剂混合，进一步冷却冷凝后节流进入蒸发器吸收外界的热量而蒸发制冷，蒸发后的冷剂蒸汽进入两个子循环的共用吸收器，被来自于单效子循环发生器的浓溶液吸收，吸收后的稀溶液经溶液热交换器被分成两股，分别被泵入两级子循环的第一个发生器和单效子循环的发生器，完成制冷循环。
4.根据权利要求1所述的循环方法，其特征在于：两个子循环之间的热量传递，采用管壳式换热、热管换热或间壁式降膜换热方式实现。
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