CN101776349A - 连续型太阳能无泵自复叠吸收式制冷系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种连续型太阳能无泵自复叠吸收式制冷系统。它具有可利用太阳能作为驱动热源，采用无泵的自复叠吸收式制冷，应用二元或多元非共沸混合物为制冷剂，DMF(N，N-二甲基甲酰胺)为吸收剂来实现深度制冷等特点。这样不仅可以扩展了太阳能在工、农业等领域的应用，而且把吸收式制冷向深度制冷温区推进，拓展吸收制冷的应用范围。该吸收式系统采用的是无泵自复叠循环，具有无噪声、无振动、制冷剂泄漏少等优点，特别适用对环境噪声有严格要求的场合。

Description

连续型太阳能无泵自复叠吸收式制冷系统
技术领域
本发明涉及一种连续型太阳能自复叠无泵吸收式制冷系统，尤其涉及太阳能驱动的吸收式制冷系统、无泵吸收式制冷系统、连续型吸收式制冷系统和自复叠制冷系统。
背景技术
目前在人们使用的常规能源中，化石能源占有主要地位。但是一方面化石能源属于不可再生能源，随着不断的消耗，可供人们使用的化石能源越来越少；另一方面，在使用化石能源的同时会产生大量二氧化碳和二氧化硫等对环境有害的物质。人类社会常年使用化石能源带来的危害，如能源的枯竭和环境恶化等问题已经相当严重。在这种背景下，太阳能作为一种新型清洁的可再生能源越来越引起了人们的重视。太阳能总量巨大，自上世纪90年代以来世界各国都对太阳能利用进行了大量研究。我国也将太阳能作为能源发展的重要领域，投入了大量人力物力进行研究和开发，并且在十一五规划中明确提出要加快发展太阳能等可再生能源。但是太阳能的一些自身缺陷，如能流密度低、能量不稳定等问题大大限制了其利用价值。目前常用太阳能利用手段都有不足之处：如，通过太阳能光伏发电效率比较低、成本比较高，而通过太阳能光热转换得到的热能温度比较低，难以进一步利用等。
制冷空调技术是能源利用领域中的重要部分，其中的吸收式制冷技术有独特的应用价值。吸收式制冷机是一种利用溶液的特性来完成的热驱动制冷装置，尤其是可以利用余热、废热、地热和太阳能等低品位热能，具有宽广的发展前景。吸收式制冷机在美国南北战争时开始被大量应用于制冰，主要是用氨-水为工质对。然而，普通的吸收式制冷循环由于自身技术的缺陷无法获得较低的制冷温度。专利(03115631.2)采用自复叠的吸收式制冷系统可以达到较低的制冷温度，但是自复叠吸收系统要通过溶液泵来提升溶液压力，溶液泵消耗大量的能量使得系统的总体效率非常低。
针对以上的问题，本发明提出了连续型太阳能无泵自复叠吸收式制冷系统，能够适应太阳能的特点，有效利用太阳能光热转换后的低品位热进行制冷，且通过无泵技术，彻底脱离了对电能的依赖，从理论上提高了系统效率，并且这样一来还减少了机械噪音和振动，更适合于特殊场合的应用。另外本发明采用氢氟烃(或氢氟烃混合物)-DMF作为工质对，结合了自复叠制冷循环，克服了LiBr-H2O为工质对的无泵吸收式系统制冷温度不够低的缺陷，可以达到0℃以下的制冷温度，在利用低品位能源-太阳能方面有巨大的潜力。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的技术不足，提供一种连续型太阳能无泵自复叠吸收式制冷系统，它能够利用太阳能及其它低品位热作为能源，并且采用无泵吸收式制冷与自复叠制冷相结合的模式，使得系统无需消耗电能及其他高品位能源，有显著的节能减排效果，并且无噪音、无振动、可以达到较低的制冷温区。
连续型太阳能自复叠无泵吸收式制冷系统包括自复叠制冷模块与无泵吸收模块，自复叠制冷模块为：气体冷却器的出口与第一热交换器的第一入口相连，第一热交换器的第一出口与精馏器的入口相连，精馏器的气相出口与冷凝-蒸发器的第一入口相连，经过节流元件与蒸发器的入口相连，精馏器的液相出口经过节流元件与蒸发器的出口连接同时又与冷凝-蒸发器的第二入口相连，冷凝-蒸发器的第二出口与第一热交换器的第二入口相连，第一热交换器的第二出口分成并联的两路进入无泵吸收模块，分别与第三截止阀和第四截止阀相连；无泵吸收模块为：集热发生器的液相出口与第二热交换器的第一入口相连，第二热交换器的第一出口与冷却套管的第一入口相连，冷却套管的第一出口分成并联的两路，第一路经过第一截止阀与第一吸收器的第二入口相连，第二路经过第二截止阀与第二吸收器的第二入口相连，第一吸收器的第一出口与第二吸收器的第一出口分别经过第七截止阀与第八截止阀合并成一路再与第二热交换器的第二入口相连，第二热交换器的第二出口与集热发生器的入口相连，集热发生器的气相出口与气液分离器的入口相连，气液分离器的第一出口分成并联的两路，一路经过第五截止阀第一吸收器的第三入口相连，另一路经过第六截止阀与第二吸收器的第三入口相连，气液分离器的第二出口与自复叠制冷模块的气体冷却器的入口相连，冷却套管的第二入口经过第十三截止阀与冷却水进水管相连，吸收器的第四入口经过第九截止阀与冷却水进水管相连，第二吸收器的第四入口经过第十截止阀与冷却水进水管相连，冷却套管的第二出口与冷却水出水管相连，第一吸收器的第二出口经过第十一截止阀与冷却水出水管相连，第二吸收器的第二出口经过第十二截止阀与冷却水出水管相连。
该系统用太阳能或其他低品位能源驱动，并采用二元或三元非共沸混合物为制冷剂，DMF为吸收剂。
所采用的非共沸混合制冷剂为氢氟烃混合制冷剂或氢氟烃与氢烃混合制冷剂。
第一节流元件6、第二节流元件8是毛细管、手动节流阀或自动节流阀，第一热交换器4、第二热交换器13是套管式换热器或板式换热器。本发明与现有技术相比具有的有益效果：
1)节能性。本发明通过集热器采集太阳能作为能源进行驱动，并且通过合理的发生器与吸收器的空间布置，使得制冷剂能够实现无泵循环，因此不必使用溶液泵。于是整个系统的运行时几乎不需要电能的输入。
2)低制冷温度。本发明在结构上采用了自复叠制冷技术，并且以氢氟烃混合物或氢氟烃与氢烃的混合物为制冷剂，DMF为吸收剂，使得系统可以达到比普通吸收式系统更低的制冷温度，理论上可以达到0℃以下。这就大大拓展了本发明的应用范围。
3)其他优势。由于本系统无需使用溶液泵，就使得系统大大减少了溶液泄露的可能性，系统更加稳定。另外由于没有运动部件，系统没有噪音和振动，可以在需要无振动、无噪音的场合下使用。
附图说明
图1是连续型无泵自复叠吸收式制冷系统流程图。图中：
集热发生器1、气液分离器2、气体冷却器3、第一热交换器4、精馏器5、第一节流元件6、蒸发器7、第二节流元件8，冷凝-蒸发器9、第一吸收器10、第二吸收器11、冷却套管12、第二热交换器13、第一截止阀14、第二截止阀15、第三截止阀16、第四截止阀17、第五截止阀18、第六截止阀19、第七截止阀20、第八截止阀21、第九截止阀22、第十截止阀23、第十一截止阀24、第十二截止阀25、第十三截止阀26。
具体实施方式
如图1所示，连续型太阳能自复叠无泵吸收式制冷系统包括自复叠制冷模块与无泵吸收模块，自复叠制冷模块为：气体冷却器的出口与第一热交换器的第一入口相连，第一热交换器的第一出口与精馏器的入口相连，精馏器的气相出口与冷凝-蒸发器的第一入口相连，经过节流元件与蒸发器的入口相连，精馏器的液相出口经过节流元件与蒸发器的出口连接同时又与冷凝-蒸发器的第二入口相连，冷凝-蒸发器的第二出口与第一热交换器的第二入口相连，第一热交换器的第二出口分成并联的两路进入无泵吸收模块，分别与第三截止阀和第四截止阀相连；无泵吸收模块为：集热发生器的液相出口与第二热交换器的第一入口相连，第二热交换器的第一出口与冷却套管的第一入口相连，冷却套管的第一出口分成并联的两路，第一路经过第一截止阀与第一吸收器的第二入口相连，第二路经过第二截止阀与第二吸收器的第二入口相连，第一吸收器的第一出口与第二吸收器的第一出口分别经过第七截止阀与第八截止阀合并成一路再与第二热交换器的第二入口相连，第二热交换器的第二出口与集热发生器的入口相连，集热发生器的气相出口与气液分离器的入口相连，气液分离器的第一出口分成并联的两路，一路经过第五截止阀第一吸收器的第三入口相连，另一路经过第六截止阀与第二吸收器的第三入口相连，气液分离器的第二出口与自复叠制冷模块的气体冷却器的入口相连，冷却套管的第二入口经过第十三截止阀与冷却水进水管相连，吸收器的第四入口经过第九截止阀与冷却水进水管相连，第二吸收器的第四入口经过第十截止阀与冷却水进水管相连，冷却套管的第二出口与冷却水出水管相连，第一吸收器的第二出口经过第十一截止阀与冷却水出水管相连，第二吸收器的第二出口经过第十二截止阀与冷却水出水管相连。
该系统用太阳能或其他低品位能源驱动，并采用二元或三元非共沸混合物为制冷剂，DMF为吸收剂。
所采用的非共沸混合制冷剂为氢氟烃混合制冷剂或氢氟烃与氢烃混合制冷剂。
第一节流元件6、第二节流元件8是毛细管、手动节流阀或自动节流阀，第一热交换器4、第二热交换器13是套管式换热器或板式换热器。
其中吸收器有两种工作模式：喷淋吸收工作模式与溶液输出工作模式。当吸收器内液面低于设定值时开始进行喷淋吸收工作模式，此时与吸收器第一入口、第二入口、第四入口、第二出口相连的截止阀都打开，与第三入口、第一出口相连的截止阀都关闭，来自自复叠制冷模块的气态制冷剂进入吸收器，同时来自集热发生器的稀溶液在吸收器内进行喷淋吸收，并在吸收器内形成低压。吸收了制冷剂后变成浓溶液积累在吸收器内，液面不断升高。吸收时发出的热量由吸收器内冷却盘管中的冷却水带走。当液面升高到设定值后开始进行溶液输出工作模式，此时与第一入口、第二入口、第四入口、第二出口相连的截止阀都关闭，与第三入口，第一出口相连的截止阀都打开。来自气液分离器2的少量高压气体进入吸收器内以平衡吸收器与集热发生器1的压力，浓溶液在重力差的作用下不断流出吸收器，回到集热发生器1，吸收器内的液面不断降低。当液面低于设定值后再一次进行喷淋吸收模式，如此往复。系统运行时，第一吸收器与第二吸收器处于不同的工作模式且交替运行，保证任意时刻都有吸收过程在进行，同时也不断有浓溶液回到发生器。
系统总的工作过程描述如下：浓溶液在气态制冷剂在集热发生器1中被加热。进而高温高压的气态混合制冷剂在集热发生器1的上部生成，并从其上部出口流出后进入气液分离器2，夹带在气态混合制冷剂中的液态微粒在这里被分离。高温高压的气态混合制冷剂在气液分离器2中分为两路，一路经其第二出口后又分为两路，一路经过第五截止阀18进入第一吸收器10，另一路经过第六截止阀19进入第二吸收器11，高压气体为这两个吸收器提供足够的压力；另一路经其第一出口进入自复叠制冷模块，经过气体冷却器3后变为常温高压的混合气液两相制冷剂，再经过第一热交换器4进一步冷凝后进入精馏器5，混合制冷剂在这里分离成高沸点与低沸点两股流体，高沸点的液相制冷剂从精馏器5的液相出口流出经过节流元件6后变为低温低压的气液两相流体，与来自蒸发器的低温低压的低沸点制冷剂混合后进入冷凝蒸发器，吸收来自精馏器5的气相出口的高压低沸点气态制冷剂的热量而蒸发，同时低沸点气态制冷剂在这里冷凝放热成为低温高压的液态制冷剂，又经过节流元件8后成为更低温低压的气液两相制冷剂并进入蒸发器，吸收外界的热量从而对外界目标进行冷却。从蒸发器出口出来的低压低温低沸点的气态制冷剂与来自节流元件8的低温低压高沸点的气液两相制冷剂混合。从冷凝蒸发器9流出的气态混合制冷剂经过第一热交换器4被进一步加热，成为常温低压的混合制冷剂进入吸收器10或11被吸收。集热发生器1上部的气体发生后，留下高温的稀溶液，从其液相出口流出经过第二热交换器13后进入冷却套管被进一步降温，然后进入吸收器10或11进行吸收，吸收了制冷剂成为浓溶液后再经过第二热交换器13回到集热发生器1底部。来自外部的冷却水分成三路，分别到吸收器10或11以及冷却套管12中吸收制冷剂的热量，最后又合并成一路排出系统。
该系统运行的可行性分析如下：
集热发生器中制冷剂的压力为pg，发生后的气相压力与集热发生器中制冷剂的压力相等也为pg，然后气相制冷剂进入自复叠制冷模块，忽略沿途管路压力损失，经过节流后压力为pa与进行喷淋吸收工作模式的吸收器的压力相等，且pa远低于pg，这样来自自复叠吸收模块的气态制冷剂可以进入吸收器。假设吸收器与发生器的高度差引起的压力变化为ph，并且ph小于发生器与吸收器的压差pg-pa，那么进入吸收器的稀溶液的压力为pg-ph，则该压力大于进行喷淋吸收模式的吸收器的压力pa，稀溶液可以进入正在吸收器。与此同时，一部分发生后的高压气相制冷剂被引入到进行溶液输出模式的吸收器，此时该吸收器中浓溶液的静压为pg，而由于吸收器与发生器存在高度差，那么吸收器中制冷剂的总压为pg+ph，其中ph转换成动压，于是进行溶液输出模式的吸收器中的浓溶液可以顺利流入发生器。至此，系统中各处压力都符合要求，整个制冷循环过程可以在系统中顺利地进行，该系统是可行的。

Claims (4)

1.一种连续型太阳能自复叠无泵吸收式制冷系统，其特征在于它包括自复叠制冷模块与无泵吸收模块，自复叠制冷模块为：气体冷却器(3)的出口(3b)与第一热交换器(4)的第一入口(4a)相连，第一热交换器(4)的第一出口(4b)与精馏器(5)的入口(5a)相连，精馏器(5)的气相出口(5c)与冷凝-蒸发器(9)的第一入口(9a)相连，经过节流元件(8)与蒸发器(7)的入口(7a)相连，精馏器(5)的液相出口(5b)经过节流元件(6)与蒸发器(7)的出口(7b)连接同时又与冷凝-蒸发器(9)的第二入口(9c)相连，冷凝-蒸发器(9)的第二出口(9d)与第一热交换器(4)的第二入口(4c)相连，第一热交换器(4)的第二出口(4d)分成并联的两路进入无泵吸收模块，分别与第三截止阀(16)和第四截止阀(17)相连；无泵吸收模块为：集热发生器(1)的液相出口(1b)与第二热交换器(13)的第一入口(13a)相连，第二热交换器(13)的第一出口(13b)与冷却套管(12)的第一入口(12a)相连，冷却套管(12)的第一出口(12b)分成并联的两路，第一路经过第一截止阀(14)与第一吸收器(10)的第二入口(10c)相连，第二路经过第二截止阀(15)与第二吸收器(11)的第二入口(11c)相连，第一吸收器(10)的第一出口(10b)与第二吸收器(11)的第一出口(11b)分别经过第七截止阀(20)与第八截止阀(21)合并成一路再与第二热交换器(13)的第二入口(13c)相连，第二热交换器(13)的第二出口(13d)与集热发生器(1)的入口(1a)相连，集热发生器(1)的气相出口(1c)与气液分离器(2)的入口相连，气液分离器(2)的第一出口(2a)分成并联的两路，一路经过第五截止阀(18)第一吸收器(10)的第三入口(10d)相连，另一路经过第六截止阀(19)与第二吸收器(11)的第三入口(11d)相连，气液分离器(2)的第二出口(2b)与自复叠制冷模块的气体冷却器(3)的入口(3a)相连，冷却套管(12)的第二入口(12c)经过第十三截止阀(26)与冷却水进水管相连，吸收器(10)的第四入口(10e)经过第九截止阀(22)与冷却水进水管相连，第二吸收器(11)的第四入口(11e)经过第十截止阀(23)与冷却水进水管相连，冷却套管(12)的第二出口(12d)与冷却水出水管相连，第一吸收器(10)的第二出口(10f)经过第十一截止阀(24)与冷却水出水管相连，第二吸收器(11)的第二出口(11f)经过第十二截止阀(25)与冷却水出水管相连。
2.根据权利要求1所述的连续型太阳能自复叠无泵吸收式制冷系统，其特征在于该系统用太阳能或其他低品位能源驱动，并采用二元或三元非共沸混合物为制冷剂，DMF为吸收剂。
3.根据权利要求4所述的连续型太阳能自复叠无泵吸收式制冷系统，其特征在于所采用的非共沸混合制冷剂为氢氟烃混合制冷剂或氢氟烃与氢烃混合制冷剂。
4.根据权利要求1所述的连续型太阳能自复叠无泵吸收式制冷系统，其特征在于第一节流元件6、第二节流元件8是毛细管、手动节流阀或自动节流阀，第一热交换器4、第二热交换器13是套管式换热器或板式换热器。
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