CN101813397B - 一种热能驱动无运动部件的超低温制冷机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热能驱动无运动部件的超低温制冷机，包括制冷剂回路和吸收剂回路两部分，制冷剂回路具有依次连接的气液分离器、精馏装置、冷凝器、第一回热器、蒸发器、第二回热器、贮液器、吸收器，吸收剂回路具有依次连接的发生器、提升管、气液分离器、吸收器、第三回热器。本发明采用简洁的循环方式，可利用低品位能源驱动，实现无泵深度制冷，具有较好的变工况运行性能，提高了运行的可靠性，有良好的应用前景，特别适用于低品位热资源丰富，同时又需要较低温度冷冻的场合。

Description

一种热能驱动无运动部件的超低温制冷机
技术领域
本发明涉及吸收式制冷机以及低品位能源利用领域，尤其涉及一种热能驱动无运动部件的超低温制冷机。
背景技术
吸收式制冷机可采用低品位能源驱动，能有效利用工业余热、地热、太阳能等低品位能源，此外，吸收式制冷机可避免使用对大气臭氧层有破坏作用的制冷工质，故对节能和环保均具有重要的意义。
传统吸收制冷已经得到大量应用，但传统吸收式制冷机的制冷温度不够低，H2O/LiBr吸收式制冷仅能获得0℃以上的制冷温度，NH3/H2O吸收式制冷最低制冷温度也只能到-40℃，大大限制了其使用范围。特别是在拥有大量低品位热量又需要较低温度冷冻的场合，一方面低品位热量白白浪费，另一方面又需要消耗电能进行冷冻。
中国专利200510061295.4公开了一种热能驱动无运动部件的超低温冷冻装置，结合了混合工质自复叠制冷和吸收式制冷原理，可以在不高的热源温度下，实现深度冷冻。但是该系统循环较为复杂，且由于是无泵驱动的制冷系统，其设计和制造均比较困难，实际运行时变工况性能较差。
发明内容
本发明提供了一种变工况性能良好、结构简单、运行可靠的热能驱动无运动部件的超低温制冷机。
一种热能驱动无运动部件的超低温制冷机，包括制冷剂回路和吸收剂回路，所述的制冷剂回路包括：
发生器，吸收热能，对由制冷剂和吸收剂组成的混合液体进行加热，产生含制冷剂和吸收剂的混合蒸汽；
提升管，提升发生器中混合液体和混合蒸汽；
气液分离器，将混合液体与混合蒸汽分离；
精馏装置，对混合蒸汽进行纯化，得到制冷剂蒸汽；
冷凝器，将纯化得到的制冷剂蒸汽与冷却介质热交换，冷凝得到制冷剂气液混合物，所述的冷却介质为常温状态下的水或空气；
蒸发器，将完全液化的制冷剂气液混合物与平衡气体混合，吸热制冷，得到混合物A；
第一回热器，将混合物A与来自冷凝器的制冷剂气液混合物热交换，将制冷剂气液混合物完全液化；
第二回热器，将在第一回热器中热交换后的混合物A与平衡气体热交换，将混合物A完全气化，同时冷却平衡气体；
所述的吸收剂回路包括：
贮液器，接收完全气化的混合物A，存储混合物B，所述的混合物B为吸收了完全气化的混合物A中的制冷剂的混合液体；
第三回热器，将混合物B与气液分离器分离得到的混合液体热交换后送至发生器；
吸收器，将来自第三回热器和混合物B热交换后的混合液体与来自贮液器完全气化的混合物A对流，完全气化的混合物A中的制冷剂被混合液体完全吸收，平衡气体流入第二回热器。
所述的制冷剂为二元及其以上的混合制冷剂，优选为碳烃类化合物和氢氟烃化合物中的至少两种，更优选为R23和R134a的混合物，R23和R134a的摩尔比为5∶1～1∶9。
所述的吸收剂为能吸收上述制冷剂的溶剂，优选为二甲基甲酰胺、四甘醇二甲基醚、二乙基甲酰胺或离子液体，吸收剂与制冷剂的摩尔比为4∶1～12∶1。
所述的平衡气体为密度小，与制冷剂、吸收剂不发生反应、不溶于吸收剂的气体，优选为氦气或氢气，平衡气体与制冷剂的摩尔比为1∶4～2∶3。
优选地，所述的超低温制冷剂的工作压力为1200～1600kPa。
优选地，所述的吸收器为竖直设置的蛇形管。
优选地，所述的发生器、冷凝器、蒸发器、第一回热器、第二回热器以及第三回热器均为换热器，换热器为沉浸式或喷淋式。
优选地，所述的冷凝器处于最高位置，第一回热器的高度和蒸发器相同且高于第二回热器，第二回热器高于吸收器，吸收器高于贮液器，贮液器高于第三回热器，精馏装置高于气液分离器，气液分离器高于提升管，提升管高于吸收器和发生器，实现了无动力驱动，完全依靠热能。
本发明与现有技术相比具有的有益效果：
1)与传统的扩散吸收制冷系统相比，本发明利用了非共沸混合工质的非等压相变特性，可利用低品位能源驱动，实现无泵深度制冷。
2)本发明通过一个循环内部回热器实现了自复叠循环需要多个循环内部回热器才能达到的效果，极大地简化了循环结构，大幅降低了设计和制造难度，同时提高了制冷机运行稳定性，非常有利于实用化。
附图说明
图1为本发明热能驱动无运动部件的超低温制冷机的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种热能驱动无运动部件的超低温制冷机，由制冷剂回路和吸收剂回路组成。
制冷剂回路由发生器1、提升管2、气液分离器3、精馏装置4、冷凝器5、第一回热器6、蒸发器7、第二回热器8、贮液器9吸收器10、和第三回热器11组成。
发生器1的顶部出口与提升管2的底部进口相连，提升管2顶部出口经气液分离器3的端口3c插入气液分离器3高度的1/2以上，气液分离器3的出口端3b与精馏装置4的进口端4a相连，精馏装置4的出口端4b与冷凝器5的进口端5a相连，冷凝器5的出口端5b与第一回热器6的进口端6a相连，第一回热器6的出口端6b与第二回热器8的出口端8d和蒸发器7的进口端7a相连，蒸发器7的出口端7b与第一回热器6的进口端6c相连，第一回热器6的出口端6d与第二回热器8的进口端8a相连，第二回热器8的出口端8b与贮液器9的进口端9a相连，贮液器9的出口端9b与第三回热器11的进口端11a相连，第三回热器11的出口端11b与发生器1底部进口相连。
吸收剂回路由发生器1、提升管2、气液分离器3、第三回热器11、吸收器10和贮液器9组成。
气液分离器3的出口端3a与第三回热器11的进口端11c相连，第三回热器11的出口端11d与吸收器10的进口端10b相连，吸收器10的出口端10a与贮液器9的进口端9c相连，贮液器9的出口端9b与第三回热器11的进口端11a相连，第三回热器11的出口端11b与发生器1底部进口相连。
冷凝器5处于最高位置，第一回热器6的高度和蒸发器7相同且高于第二回热器8，第二回热器8高于吸收器10，吸收器10高于贮液器9，贮液器9高于第三回热器11，精馏装置4高于气液分离器3，气液分离器3高于提升管2，提升管2高于吸收器10和发生器1。
发生器1、冷凝器5、蒸发器7、第一回热器6、第二回热器8以及第三回热器11均是换热器，可以采用喷淋式或沉浸式。
提升管2主要起到提升溶液和驱动溶液循环的作用，可以是一般金属管，也可以为耐压软管。
气液分离器3的作用是将进入其中的两相混合物分离，
吸收器10为蛇形管，竖直放置，溶液上进下出，气体下进上出；贮液器9与普通制冷装置中贮液器类似；精馏装置4与普通制冷装置中精馏装置类似。
上述制冷机的制冷剂采用二元或以上的混合制冷剂，如采用碳烃化合物和氢氟烃化合物至少两种，本实施例采用R23和R134a的混合物，制冷温度为-40℃，两者的摩尔比为3∶2，根据实际情况也可以改变，一般选择4∶1～1∶2；本实施例吸收剂采用二甲基甲酰胺(DMF)，当然也可以采用四甘醇二甲基醚、二乙基甲酰胺或离子液体，其与制冷剂的摩尔比为10∶1，也可调整至8～12∶1。
平衡气体为He，也可以选用氢气，其与制冷剂的摩尔比为1∶2，根据需要可调整至1∶3～2∶3。上述制冷机在环境温度为20℃时工作压力达到1400kPa，根据需要可调整至1200～1600kPa。
上述制冷剂的工作原理如下：
混合制冷剂R23/R134a在发生器1中被加热汽化逸出，产生的混合制冷剂R23/R134a气泡在提升管2中上升，同时提升其中的部分吸收剂DMF和制冷剂，从气液分离器3的上半部流入气液分离器3。
经气液分离器3分离后，混合制冷剂R23/R134a蒸汽进入精馏装置4被提纯后，进入冷凝器5中，被冷却介质(常温水冷或风冷)冷却后部分气态制冷剂R23/R134a被冷凝成液体。这些气液混合制冷剂R23/R134a进入第一回热器6被完全冷凝，最后进入蒸发器7与平衡气体He混合扩散，吸热制冷，得到气液混合物R23/R134a/He。
因为这是一个循环流动的过程，气液混合物R23/R134a/He又通入第一回热器6与气液混合制冷剂R23/R134a热交换，接着通入第二回热器8与平衡气体He进一步热交换，气液混合物R23/R134a/He升温汽化，最终通入贮液器9中。
从气液分离器3中流出的吸收剂DMF和制冷剂进入第三回热器11被来自贮液器9的吸收了R23/R134a/He中的制冷剂的吸收剂DMF冷却。来自第三回热器11的吸收剂DMF从吸收器10上端进入，从第二回热器8来的完全气化的气液混合物R23/R134a/He中的少部分混合制冷剂R23/R134a在贮液器9中被吸收剂吸收，未被吸收的大部分气态混合制冷剂R23/R134a与平衡气体He一起从贮液器9顶部进入吸收器10，与来自吸收器10顶部的吸收剂形成对流，制冷剂R23/R134a被吸收，因为平衡气体He密度小，从吸收器10上端流出，在第二回热器8中被来自第一回热器6的混合物R23/R134a/He冷却。被冷却后的平衡气体He与第一回热器6中流出的混合制冷剂R23/R134a混合扩散降温，一起进入蒸发器7中，吸热制冷。
吸收了制冷剂的吸收剂DMF从贮液器9中流出，在第三回热器11中被来自气液分离器3的吸收剂DMF和制冷剂加热后进入发生器1。吸收了制冷剂的吸收剂DMF在发生器1中被加热后，其中的混合制冷剂R23/R134a汽化逸出，部分吸收剂DMF稀溶液在提升管2中被混合制冷剂R23/R134a气泡推动上升，进入气液分离器3。

Claims (8)

1.一种热能驱动无运动部件的超低温制冷机，包括制冷剂回路和吸收剂回路，其特征在于：
所述的制冷剂回路包括：
发生器(1)，吸收热能，对由制冷剂和吸收剂组成的第一混合液体进行加热，产生含制冷剂和吸收剂的混合蒸汽；
提升管(2)，提升发生器(1)中第一混合液体和混合蒸汽；
气液分离器(3)，将第一混合液体与混合蒸汽分离；
精馏装置(4)，对混合蒸汽进行纯化，得到制冷剂蒸汽；
冷凝器(5)，将纯化得到的制冷剂蒸汽与冷却介质热交换，冷凝得到制冷剂气液混合物；
蒸发器(7)，将完全液化的制冷剂气液混合物与平衡气体混合，吸热制冷，得到混合物A；
第一回热器(6)，将混合物A与来自冷凝器(5)的制冷剂气液混合物热交换，将制冷剂气液混合物完全液化；
第二回热器(8)，将在第一回热器(6)中热交换后的混合物A与平衡气体热交换，将混合物A完全气化，同时冷却平衡气体；
所述的吸收剂回路包括：
贮液器(9)，接收完全气化的混合物A，存储混合物B，所述的混合物B为吸收了完全气化的混合物A中的制冷剂的第二混合液体；
第三回热器(11)，将混合物B与气液分离器(3)分离得到的第二混合液体热交换后送至发生器(1)，
吸收器(10)，将来自第三回热器(11)和混合物B热交换后的混合液体与来自贮液器(9)完全气化的混合物A对流，完全气化的混合物A中的制冷剂被混合液体完全吸收，平衡气体流入第二回热器(8)。
2.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于：所述的制冷剂为碳烃类化合物和氢氟烃类化合物中的至少两种。
3.根据权利要求2所述的超低温制冷机，其特征在于：所述的制冷剂为R134a和R23的混合物。
4.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于：所述的吸收剂为二甲基甲酰胺、四甘醇二甲基醚、二乙基甲酰胺或离子液体。
5.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于：所述的平衡气体为氦气或氢气。
6.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于：所述的吸收器(10)为竖直设置的蛇形管。
7.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于：所述的发生器(1)、冷凝器(5)、蒸发器(7)、第一回热器(6)、第二回热器(8)以及第三回热器(11)均为换热器，换热器为沉浸式或喷淋式。
8.根据权利要求1所述的超低温制冷机，其特征在于：所述的冷凝器(5)处于最高位置，第一回热器(6)的高度和蒸发器(7)相同且高于第二回热器(8)，第二回热器(8)高于吸收器(10)，吸收器(10)高于贮液器(9)，贮液器(9)高于第三回热器(11)，精馏装置(4)高于气液分离器(3)，气液分离器(3)高于提升管(2)，提升管(2)高于吸收器(10)和发生器(1)。
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