CN101825369A - 一种高效紧凑型高温吸收式热泵机组 - Google Patents

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付林
张世钢
肖常磊
罗勇
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Tsinghua University
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Abstract

本发明公开了属热泵装置技术领域的一种高效紧凑型高温吸收式热泵机组。由发生器、冷凝器、高压吸收器、高压闪蒸箱、低压吸收器、低压蒸发器、溶液热交换器、节流装置、溶液泵、冷剂泵以及各类连接管路附件所组成。采用两级蒸发、两级吸收的方式，并用低压吸收器中产生的热量直接加热来自高压闪蒸箱中高压蒸发的冷剂水，是一种能够回收低温余热产生出高温热水的吸收式热泵机组，其能源利用效率更高，结构更加紧凑，低压蒸发器从低温热源吸取热量，用低压吸收器中产生的热量加热高压蒸发的冷剂水，最终用高压吸收器和冷凝器中产生的热量加热热水，从而可以产生温度可达90℃以上的热水；减小了低压吸收和高压蒸发之间的传热温差，简化了机组流程。

Description

一种高效紧凑型高温吸收式热泵机组
技术领域
本发明属热泵装置技术领域，特别涉及一种高效紧凑型高温吸收式热泵机组。
背景技术
目前，各类热泵装置已经广泛的应用于各种采暖、生活和生产热水供应系统中，其中增热型吸收式热泵以高温热能为驱动力，提取低温余热，供应采暖、热水或工艺用热，具有良好的节能、环保和经济效益，得到了较为广泛的应用，例如采用地下水、地表水或工业废热水等为低位热源，以高温蒸汽或燃油、燃气为驱动能源，为建筑物供暖的吸收式热泵机组。在实际工程中，经常遇到余热资源温度较低而用户需求温度较高的情况，如余热温度为20～10℃，而要求的供热温度为70～90℃，这时采用普通的双效或单效吸收式热泵机组往往无法将余热温度提升到用户需求的程度，采用两级或多级吸收式热泵串联的方式虽然可以达到较大幅度提升余热温度的目的，但将给系统带来了能源利用效率低下、体积庞大、投资大以及运行调节复杂等问题，使吸收式热泵在这种场合的应用受到了严重限制，甚至失去了经济价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种紧凑型高温吸收式热泵机组，其特征在于：采用了两级蒸发、两级吸收的方式，并用低压吸收器中产生的热量直接加热来自高压闪蒸箱中高压蒸发的冷剂水，该紧凑型高温吸收式热泵机组由发生器、冷凝器、高压吸收器、高压闪蒸箱、低压吸收器、低压蒸发器、高温溶液热交换器、低温溶液热交换器、第一节流装置、第二节流装置、第一溶液泵和/或第二溶液泵、第一冷剂泵、第二冷剂泵以及各类连接管路附件组成；发生器和冷凝器同处于一个腔体内，二者被隔板隔开，高压吸收器、高压闪蒸箱、低压吸收器和低压蒸发器处于一个筒体内，所述筒体经隔板分为两个腔体，一个腔体内设置高压吸收器和高压闪蒸箱，另一个腔体内设置低压吸收器和低压蒸发器，高压吸收器和高压闪蒸箱之间、低压吸收器和低压蒸发器之间均采用隔板隔开，所述低压吸收器采用管壳式换热结构，换热管水平布置，管内为蒸发侧，管外为吸收侧，换热管内侧与高压闪蒸箱连通；上述发生器、高温溶液热交换器、高压吸收器、低温溶液热交换器、低压吸收器、第一溶液泵和/或第二溶液泵通过管路连接构成溶液回路，冷剂回路如下：冷凝器、第一节流装置、高压闪蒸箱通过管路依次串联连接，高压闪蒸箱冷剂水出口分两路，其中一路经第一冷剂泵与低压吸收器换热管内侧相连，另一路经第二节流装置与低压蒸发器相连，低压蒸发器冷剂水出口经第二冷剂泵连接到低压蒸发器的冷剂蒸汽端。
所述溶液回路为串联式结构溶液回路或者倒串联式结构溶液回路。
所述串联式结构溶液回路如下：发生器、高温溶液热交换器一侧、高压吸收器、低温溶液热交换器一侧、低压吸收器、第一溶液泵、低温溶液热交换器另一侧、高温溶液热交换器另一侧通过管路依次串联连接构成串联式结构溶液回路。
所述倒串联式结构溶液回路如下：发生器、高温溶液热交换器一侧、低温溶液热交换器一侧、低压吸收器、第一溶液泵、低温溶液热交换器另一侧、高压吸收器、第二溶液泵、高温溶液热交换器另一侧通过管路依次串联连接构成倒串联式结构溶液回路。
采用两级蒸发和两级吸收的方式，低压蒸发器从低温热源吸取热量，用低压吸收器中产生的热量加热高压闪蒸箱中高压蒸发的冷剂水，最终用高压吸收器和冷凝器中产生的热量来加热热水。
热水进入机组后，依次经过高压吸收器和冷凝器被逐级加热后送出，即机组的供热量为高压吸收器和冷凝器两者热负荷之和。
所述低压吸收器中，溴化锂溶液在换热管外低压侧流动，吸收低压蒸发器产生的冷剂蒸汽，并将在吸收过程中产生热量传向管内，高压闪蒸箱流出的液态冷剂水在换热管内侧流动，吸收来自管外的热量后返回高压闪蒸箱中闪蒸，产生冷剂蒸汽进入到高压吸收器中。
在发生器中，溴化锂稀溶液被高温蒸汽加热，发生出冷剂蒸汽后变成浓溶液，浓溶液经过溶液热交换器降温后进入到高压吸收器和低压吸收器中，分别吸收来自高压闪蒸箱和低压蒸发器的冷剂蒸汽，放出吸收热，浓溶液变成稀溶液，再在溶液泵的驱动下，经过溶液热交换器升温后返回发生器，完成溶液循环；在冷凝器中，来自发生器的冷剂蒸汽被冷却，冷剂蒸汽变成液态，放出凝结热，液态冷剂水从冷凝器中流出，通过第一节流装置减压后进入到高压闪蒸箱中，其中，一部分液态冷剂水在第一冷剂泵的驱动下进入低压吸收器的换热管内侧，冷剂水在换热管内侧流动过程中，被低压吸收器换热管外侧的溶液在吸收过程中所产生的热量加热，再返回到高压闪蒸箱中，闪蒸出的冷剂蒸汽进入到高压吸收器中被溴化锂溶液吸收，另一部分液态冷剂水从高压闪蒸箱中流出，经过第二节流装置减压后进入到低压蒸发器中，从低温热源吸热后蒸发，产生的冷剂蒸汽进入到低压吸收器中被溴化锂溶液吸收，完成冷剂循环。
本发明的有益效果为：本发明提供一种用于采暖、供生活和生产热水的第一类吸收式热泵机组，以高温蒸汽作为驱动热源，回收低温热源的热量，产生出高温热水，与同类常规机组相比，其能源利用效率更高，结构更加紧凑。本发明的优势主要体现在三个方面：第一，机组采用两级蒸发和两级吸收的方式，可以产生出较高温度的热水，热水温度可达90℃以上；第二，用低压吸收器的热量直接加热高压闪蒸箱中高压蒸发的冷剂水，减小了低压吸收和高压蒸发之间的传热温差，机组的能源利用效率进一步提高；第三，机组流程得到简化，其结构能够进一步优化，从而可以大大减小了机组体积，降低生产成本。
附图说明
图1为本机组采用溶液串联式结构的流程示意图；
图2为本机组采用溶液倒串联式结构的流程示意图；
图中标号：1-发生器；2-冷凝器；3-高压吸收器；4-高压闪蒸箱；5-低压吸收器；6-低压蒸发器；7a-高温溶液热交换器；7b-低温溶液热交换器；8a-第一节流装置；8b-第二节流装置；9a-第一溶液泵；9b-第二溶液泵；10a-第一冷剂泵；10b-第二冷剂泵。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
1、溶液串联式结构
如图1所示，该紧凑型高温吸收式热泵机组采用了两级蒸发、两级吸收的方式，并用低压吸收器5中产生的热量直接加热来自高压闪蒸箱4中高压蒸发的冷剂水。该紧凑型高温吸收式热泵机组由发生器1、冷凝器2、高压吸收器3、高压闪蒸箱4、低压吸收器5、低压蒸发器6、高温溶液热交换器7a、低温溶液热交换器7b、第一节流装置8a、第二节流装置8b、第一溶液泵9a、第一冷剂泵10a、第二冷剂泵10b以及各类连接管路附件组成。
发生器1和冷凝器2同处于一个腔体内，二者被隔板隔开，高压吸收器3、高压闪蒸箱4、低压吸收器5和低压蒸发器6处于一个筒体内，所述筒体经隔板分为两个腔体，一个腔体内设置高压吸收器3和高压闪蒸箱4，另一个腔体内设置低压吸收器5和低压蒸发器6，高压吸收器3和高压闪蒸箱4之间、低压吸收器5和低压蒸发器6之间均采用隔板隔开，所述低压吸收器5采用管壳式换热结构，换热管水平布置，管内为蒸发侧，管外为吸收侧，换热管内侧与高压闪蒸箱4连通；发生器1、高温溶液热交换器7a一侧、高压吸收器3、低温溶液热交换器7b一侧、低压吸收器5、第一溶液泵9a、低温溶液热交换器7b另一侧、高温溶液热交换器7a另一侧通过管路依次串联连接构成串联式结构溶液回路，冷剂回路如下：冷凝器2、第一节流装置8a、高压闪蒸箱4通过管路依次串联连接，高压闪蒸箱4冷剂水出口分两路，其中一路经第一冷剂泵10a与低压吸收器5换热管内侧相连，另一路经第二节流装置8b与低压蒸发器6相连，低压蒸发器6冷剂水出口经第二冷剂泵10b连接到低压蒸发器6的冷剂蒸汽端。
在发生器1中，溴化锂稀溶液被高温蒸汽加热，发生出冷剂蒸汽后变成浓溶液；浓溶液从发生器1中流出，经过高温溶液热交换器7a降温后进入高压吸收器3，吸收来自高压闪蒸箱4的冷剂蒸汽，放出吸收热，浓溶液被稀释变成中间溶液；中间溶液从高压吸收器3中流出，经过低温溶液热交换器7b降温后进入低压吸收器5，吸收来自低压蒸发器6的冷剂蒸汽，放出吸收热，溴化锂溶液被进一步稀释，中间溶液变成稀溶液；稀溶液从低压吸收器5中流出，在溶液泵9的驱动下，依次流经低温溶液热交换器7b和高温溶液热交换器7a两级升温后返回到发生器1中，再被高温蒸汽加热再生，完成溶液循环。在冷凝器2中，来自发生器1的冷剂蒸汽被冷却，冷剂蒸汽变成液态，放出凝结热；液态冷剂水从冷凝器2中流出，通过第一节流装置8a减压后进入到高压闪蒸箱4中，其中，一部分液态冷剂水在第一冷剂泵10a的驱动下进入低压吸收器5的换热管内侧，冷剂水在换热管内侧流动过程中，被低压吸收器5换热管外侧的溶液在吸收过程中所产生的热量加热，再返回到高压闪蒸箱4中，闪蒸出的冷剂蒸汽进入到高压吸收器3中被溴化锂浓溶液吸收，另一部分液态冷剂水从高压闪蒸箱4中流出，经过第二节流装置8b减压后进入到低压蒸发器6中，从低温热源吸热后蒸发，产生的冷剂蒸汽进入到低压吸收器5中被溴化锂中间溶液吸收，完成冷剂循环。
机组的低压吸收器5采用管壳式换热结构，换热管水平布置，换热管内侧与高压闪蒸箱4连通。溴化锂中间溶液在换热管外低压侧流动，吸收低压蒸发器6中产生的冷剂蒸汽，并将在吸收过程中产生热量传向管内；高压闪蒸箱4流出的液态冷剂水在换热管内侧流动，吸收来自管外的热量后返回高压闪蒸箱4中闪蒸，产生冷剂蒸汽进入到高压吸收器3中，即用低压吸收的热量直接加热高压蒸发的冷剂水。
热水进入机组后，依次经过高压吸收器3和冷凝器2被逐级加热后送出，即机组的供热量为高压吸收器2和冷凝器2两者热负荷之和。
可以看出，本发明采用了两级蒸发、两级吸收的方式，机组能够从低温热源吸热，产生出温度高达90℃以上的热水；用低压吸收器5的热量直接加热高压闪蒸箱4中高压蒸发的冷剂水，减小了低压吸收和高压蒸发之间的传热温差，机组的能源利用效率会进一步提高；机组的流程比较简单，其结构能够进一步优化，体积将可以大大减小。
2、溶液倒串联式结构
如图2所示，该紧凑型高温吸收式热泵机组采用了两级蒸发、两级吸收的方式，并用低压吸收器5中产生的热量直接加热来自高压闪蒸箱4中高压蒸发的冷剂水。该紧凑型高温吸收式热泵机组由发生器1、冷凝器2、高压吸收器3、高压闪蒸箱4、低压吸收器5、低压蒸发器6、高温溶液热交换器7a、低温溶液热交换器7b、第一节流装置8a、第二节流装置8b、第一溶液泵9a、第二溶液泵9b、第一冷剂泵10a、第二冷剂泵10b以及各类连接管路附件组成。
发生器1和冷凝器2同处于一个腔体内，二者被隔板隔开，高压吸收器3、高压闪蒸箱4、低压吸收器5和低压蒸发器6处于一个筒体内，所述筒体经隔板分为两个腔体，一个腔体内设置高压吸收器3和高压闪蒸箱4，另一个腔体内设置低压吸收器5和低压蒸发器6，高压吸收器3和高压闪蒸箱4之间、低压吸收器5和低压蒸发器6之间均采用隔板隔开，所述低压吸收器5采用管壳式换热结构，换热管水平布置，管内为蒸发侧，管外为吸收侧，换热管内侧与高压闪蒸箱4连通；发生器1、高温溶液热交换器7a一侧、低温溶液热交换器7b一侧、低压吸收器5、第一溶液泵9a、低温溶液热交换器7b另一侧、高压吸收器3、第二溶液泵9b、高温溶液热交换器7a另一侧通过管路依次串联连接构成倒串联式结构溶液回路，冷剂回路如下：冷凝器2、第一节流装置8a、高压闪蒸箱4通过管路依次串联连接，高压闪蒸箱4冷剂水出口分两路，其中一路经第一冷剂泵10a与低压吸收器5换热管内侧相连，另一路经第二节流装置8b与低压蒸发器6相连，低压蒸发器6冷剂水出口经第二冷剂泵10b连接到低压蒸发器6的冷剂蒸汽端。
在发生器1中，溴化锂稀溶液被高温蒸汽加热，发生出冷剂蒸汽后变成浓溶液；浓溶液从发生器1中流出，依次经过高温溶液热交换器7a和低温溶液热交换器7b降温后进入低压吸收器5，吸收来自低压蒸发器6的冷剂蒸汽，放出吸收热，浓溶液被稀释变成中间溶液；中间溶液从低压吸收器5中流出，在第一溶液泵9a的驱动下，经过低温溶液热交换器7b升温后进入高压吸收器3，吸收来自高压闪蒸箱4的冷剂蒸汽，溴化锂溶液被进一步稀释，中间溶液变成稀溶液；稀溶液从高压吸收器3中流出，在第二溶液泵9b的驱动下，经过高温溶液热交换器7a升温后返回到发生器1中，再被高温蒸汽加热再生，完成溶液循环。在冷凝器2中，来自发生器1的冷剂蒸汽被冷却，冷剂蒸汽变成液态，放出凝结热；液态冷剂水从冷凝器2中流出，通过第一节流装置8a减压后进入到高压闪蒸箱4中，其中，一部分液态冷剂水在第一冷剂泵10a的驱动下进入低压吸收器5的换热管内侧，冷剂水在换热管内侧流动过程中，被低压吸收器5换热管外侧的溶液在吸收过程中所产生的热量加热，再返回到高压闪蒸箱4中，闪蒸出的冷剂蒸汽进入到高压吸收器3中被溴化锂中间溶液吸收，另一部分液态冷剂水从高压闪蒸箱4中流出，经过第二节流装置8b减压后进入到低压蒸发器6中，从低温热源吸热后蒸发，产生的冷剂蒸汽进入到低压吸收器5中被溴化锂浓溶液吸收，完成冷剂循环。
机组的低压吸收器5采用管壳式换热结构，换热管水平布置，换热管内侧与高压闪蒸箱4连通。溴化锂中间溶液在换热管外低压侧流动，吸收低压蒸发器6中产生的冷剂蒸汽，并将在吸收过程中产生热量传向管内；高压闪蒸箱4流出的液态冷剂水在换热管内侧流动，吸收来自管外的热量后返回高压闪蒸箱4中闪蒸，产生冷剂蒸汽进入到高压吸收器3中，即用低压吸收的热量直接加热高压蒸发的冷剂水。
热水进入机组后，依次经过高压吸收器3和冷凝器2被逐级加热后送出，即机组的供热量为高压吸收器3和冷凝器2两者热负荷之和。
这种倒串联结构流程与串联结构相似，只是浓溶液从发生器流出后在吸收稀释过程中的流程不同，机组采用该种方式同样能够产生出温度高达90℃以上的热水，其能源效率进一步提高，机组体积将大大减小。

Claims (8)

1.一种紧凑型高温吸收式热泵机组，其特征在于：采用了两级蒸发、两级吸收的方式，并用低压吸收器(5)中产生的热量直接加热来自高压闪蒸箱(4)中高压蒸发的冷剂水，该紧凑型高温吸收式热泵机组由发生器(1)、冷凝器(2)、高压吸收器(3)、高压闪蒸箱(4)、低压吸收器(5)、低压蒸发器(6)、高温溶液热交换器(7a)、低温溶液热交换器(7b)、第一节流装置(8a)、第二节流装置(8b)、第一溶液泵(9a)和/或第二溶液泵(9b)、第一冷剂泵(10a)、第二冷剂泵(10b)以及各类连接管路附件组成；发生器(1)和冷凝器(2)同处于一个腔体内，二者被隔板隔开，高压吸收器(3)、高压闪蒸箱(4)、低压吸收器(5)和低压蒸发器(6)处于一个筒体内，所述筒体经隔板分为两个腔体，一个腔体内设置高压吸收器(3)和高压闪蒸箱(4)，另一个腔体内设置低压吸收器(5)和低压蒸发器(6)，高压吸收器(3)和高压闪蒸箱(4)之间、低压吸收器(5)和低压蒸发器(6)之间均采用隔板隔开，所述低压吸收器(5)采用管壳式换热结构，换热管水平布置，管内为蒸发侧，管外为吸收侧，换热管内侧与高压闪蒸箱(4)连通；上述发生器(1)、高温溶液热交换器(7a)、高压吸收器(3)、低温溶液热交换器(7b)、低压吸收器(5)、第一溶液泵(9a)和/或第二溶液泵(9b)通过管路连接构成溶液回路，冷剂回路如下：冷凝器(2)、第一节流装置(8a)、高压闪蒸箱(4)通过管路依次串联连接，高压闪蒸箱(4)冷剂水出口分两路，其中一路经第一冷剂泵(10a)与低压吸收器(5)换热管内侧相连，另一路经第二节流装置(8b)与低压蒸发器(6)相连，低压蒸发器(6)冷剂水出口经第二冷剂泵(10b)连接到低压蒸发器(6)的冷剂蒸汽端。
2.根据权利要求1所述的一种紧凑型高温吸收式热泵机组，其特征在于：所述溶液回路为串联式结构溶液回路或者倒串联式结构溶液回路。
3.根据权利要求2所述的一种紧凑型高温吸收式热泵机组，其特征在于：所述串联式结构溶液回路如下：发生器(1)、高温溶液热交换器(7a)一侧、高压吸收器(3)、低温溶液热交换器(7b)一侧、低压吸收器(5)、第一溶液泵(9a)、低温溶液热交换器(7b)另一侧、高温溶液热交换器(7a)另一侧通过管路依次串联连接构成串联式结构溶液回路。
4.根据权利要求2所述的一种紧凑型高温吸收式热泵机组，其特征在于：所述倒串联式结构溶液回路如下：发生器(1)、高温溶液热交换器(7a)一侧、低温溶液热交换器(7b)一侧、低压吸收器(5)、第一溶液泵(9a)、低温溶液热交换器(7b)另一侧、高压吸收器(3)、第二溶液泵(9b)、高温溶液热交换器(7a)另一侧通过管路依次串联连接构成倒串联式结构溶液回路。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种紧凑型高温吸收式热泵机组，其特征在于：采用两级蒸发和两级吸收的方式，低压蒸发器(6)从低温热源吸取热量，用低压吸收器(5)中产生的热量加热高压闪蒸箱(4)中高压蒸发的冷剂水，最终用高压吸收器(3)和冷凝器(2)中产生的热量来加热热水。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的一种紧凑型高温吸收式热泵机组，其特征在于：热水进入机组后，依次经过高压吸收器(3)和冷凝器(2)被逐级加热后送出，即机组的供热量为高压吸收器(3)和冷凝器(2)两者热负荷之和。
7.根据权利要求1、2、3或4所述的一种紧凑型高温吸收式热泵机组，其特征在于：所述低压吸收器(5)中，溴化锂溶液在换热管外低压侧流动，吸收低压蒸发器(6)产生的冷剂蒸汽，并将在吸收过程中产生热量传向管内，高压闪蒸箱(4)流出的液态冷剂水在换热管内侧流动，吸收来自管外的热量后返回高压闪蒸箱(4)中闪蒸，产生冷剂蒸汽进入到高压吸收器(3)中。
8.根据权利要求1、2、3或4所述的一种紧凑型高温吸收式热泵机组，其特征在于：在发生器(1)中，溴化锂稀溶液被高温蒸汽加热，发生出冷剂蒸汽后变成浓溶液，浓溶液经过溶液热交换器降温后进入到高压吸收器(3)和低压吸收器(5)中，分别吸收来自高压闪蒸箱(4)和低压蒸发器(6)的冷剂蒸汽，放出吸收热，浓溶液变成稀溶液，再在溶液泵的驱动下，经过溶液热交换器升温后返回发生器(1)，完成溶液循环；在冷凝器(2)中，来自发生器(1)的冷剂蒸汽被冷却，冷剂蒸汽变成液态，放出凝结热，液态冷剂水从冷凝器(2)中流出，通过第一节流装置(8a)减压后进入到高压闪蒸箱(4)中，其中，一部分液态冷剂水在第一冷剂泵(10a)的驱动下进入低压吸收器(5)的换热管内侧，冷剂水在换热管内侧流动过程中，被低压吸收器(5)换热管外侧的溶液在吸收过程中所产生的热量加热，再返回到高压闪蒸箱(4)中，闪蒸出的冷剂蒸汽进入到高压吸收器(3)中被溴化锂溶液吸收，另一部分液态冷剂水从高压闪蒸箱(4)中流出，经过第二节流装置(8b)减压后进入到低压蒸发器(6)中，从低温热源吸热后蒸发，产生的冷剂蒸汽进入到低压吸收器(5)中被溴化锂溶液吸收，完成冷剂循环。
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