CN101929765A - 一种分离式的太阳能吸收式制冷系统 - Google Patents

Abstract

一种分离式太阳能吸收式制冷系统。该系统包括由发生器(1)、冷凝器(2)、稀溶液罐(5)、浓溶液罐(6)、太阳能热管式真空管集热器(9)、集中自然冷源(10)和冷凝水箱(29)以及系统管路组成的能源站，由吸收器(3)、蒸发器(4)和溶液除湿机组(23)以及系统管路组成的多个末端设备，其特征在于将吸收式机组的发生器/冷凝器与吸收器/蒸发器分离为能源站和多个末端设备，将毛细管作为冷凝器(2)、吸收器(3)和蒸发器(4)的换热器材料。该系统将结合吸收式制冷和溶液除湿一体化，将太阳能和低品位自然冷源等可再生能源综合利用，提高了系统能源利用效率，实现能源梯级利用，满足节能减排的要求。

Description

一种分离式的太阳能吸收式制冷系统

技术领域

本发明涉及一种分离式的太阳能吸收式制冷系统，更具体的说，涉及一种采用热管直接蒸发式、采用毛细管塑料材质为换热器、太阳能驱动的分离式溴化锂吸收式制冷/供热与溶液除湿一体化的系统形式。

背景技术

太阳能吸收式制冷技术最早源于20世纪上半叶，作为一种低电耗、无污染和不破坏臭氧层的可再生能源利用技术与吸收式制冷技术的结合，太阳能制冷与空调的关键技术已经成熟。但与压缩式系统相比，太阳能制冷与空调技术还有很多有待提高的地方，比如简化结构、降低成本、优化系统、小型化与多样化。在太阳能制冷中，目前吸收式制冷应用最多。常规系统采用平板或热管型真空管集热器来收集太阳能，用来驱动双效、单效或双级的溴化锂吸收式制冷机，当太阳能不足时采用锅炉来进行辅助加热，这种系统除了能制冷和制热，还能提供生活用的热水。由于吸收式循环在技术上的日趋成熟和多样化，以吸收式循环构建的太阳能空调系统将是今后研究和发展的重点。总的来说，太阳能空调已经进入实用化示范阶段，选择性能更好的制冷工质、对现有系统进一步优化和小型化将是研究者和市场关注的焦点，但由于已经商品化的都是大型的溴化锂吸收式制冷机，目前尚只适用于大型的中央空调，应当积极研发小型的吸收式制冷机，以便将小型制冷机与太阳能集热器配套，逐步进入千家万户。

本发明将提供一种适合小型化吸收式制冷机用户的分离式太阳能吸收式制冷系统，该系统将吸收器/蒸发器与发生器/冷凝器分离，以浓溶液、稀溶液和冷媒水(制冷剂)连接管实现循环，末端采用小型制冷机适合分散用户，而且系统与太阳能溶液除湿相结合，实现溴化锂溶液蓄能和溶液浓度梯级利用，提高了太阳能综合利用小时数和利用效率，系统可满足夏季空调、冬季供热和生活热水需求。

另外，传统的太阳能吸收式制冷热源一般为太阳能集热器间接提供，热源温度低将造成系统效率低，而且，冷凝器仍为外接冷却塔，同样为间接换热。国内外对热管式真空管太阳能集热器进行了深入的研究，取得了较好的应用效果，以玻璃真空管内插热管式太阳集热管为例，内插热管热水系统的升温较快，集热器通过热管传热，热管传热效率非常高，几乎是等温传热，热管内工质热容很小，集热器内的热量很快就被传递到水箱中，所以水箱中的水升温很快，而且玻璃真空管内插热管式太阳集热管在防结垢、防冻以及热性能方面明显优于全玻璃真空管热水系统。因此，本发明采用热管式真空管太阳能集热器作为热源直接加热稀溶液，抑或采用导热油型真空管热管集热装置作为热源，以提高太阳能使用效率，同时，可采用另一组热管直接连接冷凝器散热且冷却水。

同时，传统的太阳能吸收式制冷采用铜管金属换热器，造成设备体积大，作为溴冷机工质的溴化锂溶液是碱性的强腐蚀介质，所以存在各部件换热面易被溶液腐蚀以及由此引起的制冷量衰减等问题。因此，为了解决这些问题，中外学者进行了大量的研究，如在溴化锂溶液中添加缓蚀剂，在换热器的金属管壁上用氟塑料做纳米级的涂层，虽然这些方法取得了一定的成效，但总体效果尚不如人意。有研究者提出采用薄壁细管径聚四氟乙烯塑料(PTFE)传热管代替铜传热管想法，并对塑料管单效溴化锂吸收式制冷机进行理论研究，为塑料管溴冷机的结构设计及实验研究提供了理论依据。通过研究认为，塑料管作为溴化锂吸收式制冷机的换热面是可行的，塑料管单效溴化锂吸收式制冷机的研制成功将会对溴化锂吸收式制冷的发展、应用带来重大变革。聚四氟乙烯塑料的导热系数虽然只有铜材导热系数的1/2529，但其热阻在塑料管管壁较薄时，与溴化锂吸收式制冷机换热部件的管内外放热系数引起的热阻相比，基本上处于同一数量级，可用于溴化锂吸收式制冷机各部件。与传统铜材作为传热管的溴冷机作比较，塑料管溴冷机的各部件传热系数为铜材的1/2～1/5，所需的传热面积是铜材的2～5倍，若进一步采用小管径塑料管，换热器单位体积中能布置的传热面积(即面体比)可以大大增加。因此，本发明进一步提出采用毛细管技术作为溴化锂吸收机组的换热器材料，以聚丙烯毛细管为例，比如管径×壁厚为3.4×0.55mm或4.3×0.8mm的毛细管，毛细管网由两根供回水主管以及若干毛细管组成，主管之间、主管与毛细管之间可以热熔连接，这种结构可以使得换热均匀、水力损失小。制作毛细管网的原料是PP-R、PE-RT、PB和PTFE等可热塑性塑料。可热熔成型绿色环保，同时具有耐高温、耐高压、耐腐蚀的特点，因此有广泛的推广应用领域，是理想的高效换热器。毛细管网薄、柔、轻，管壁面光滑，表面粗糙度小，比摩阻和压力损失小。从建筑材料全生命周期来看，毛细管技术使用的聚丙烯材料是一种可以不断被重复利用的塑料，比起金属，生产聚丙烯时使用的一次能源更少，生产铜消耗的一次能源是聚丙烯的5.5倍。

综上，本发明解决了传统技术存在的重要问题，形成一种太阳能吸收式制冷和供热系统。系统以太阳能作为主要热源，采用热管式真空管和毛细管作为换热方式，提高换热效率的同时降低系统重量，增强了防腐能力，实现机组小型化；同时，该系统将吸收式机组分离为吸收器/蒸发器与发生器/冷凝器两部分，实现多个用户末端，利用溴化锂溶液蓄能，减少了太阳能不连续影响，提高太阳能综合利用效率，结合溶液除湿，实现溶液浓度梯级利用；夏季吸收器、冷凝器可采用室外空气、地源、水源等低位自然热源，提高系统效率；冬季采用第一类增热型吸收式热泵原理供热，蒸发器的冷媒水可以为室外空气、地源、水源等低位自然热源，提取热量，实现可再生能源综合利用。同时，考虑到新型工质的进一步应用，本系统具有腐蚀性小，相变压力较高，真空度要求较低的特点。因此，系统满足节能、减排、舒适和安全等工程要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种适合小型化吸收式制冷机用户的分离式太阳能吸收式制冷和供热系统。

为实现上述目的，本发明的技术方案以太阳能作为主要热源，其它热源形式为辅助热源，采用热管式真空管和毛细管作为换热方式，将吸收式机组分离为吸收器/蒸发器与发生器/冷凝器两部分，实现多个用户末端，同时，系统与太阳能溶液除湿相结合，利用溴化锂溶液蓄能，系统可满足夏季空调、冬季供热和生活热水需求。

在上述技术方案中，系统提供了一种热管式真空管太阳能集热器的换热技术，其特征在于热管式真空管可直接加热稀溶液，另一组热管直接连接冷凝器散热且冷却水，抑或采用导热油型热管式真空管集热装置间接加热稀溶液，冷凝器散热采用冷却塔。

在上述技术方案中，系统采用分离式的吸收式制冷循环，其特征在于发生器/冷凝器与吸收器/蒸发器之间分离，通过浓溶液连接管、稀溶液连接管和冷媒水(制冷剂)连接管实现循环。

在上述技术方案中，系统吸收式制冷机组中由发生器/冷凝器组成的机组部分作为能源站，其特征在于循环的溴化锂浓溶液集中存于浓溶液罐、溴化锂稀溶液集中存于稀溶液罐，冷凝水集中存于冷凝水箱，冷媒水集中供应至分散的蒸发器，其特征还在于设置独立浓溶液-末端-稀溶液系统，浓溶液罐实现蓄能功能，浓溶液依次通过吸收器、溶液除湿装置实现溴化锂溶液的浓度梯级利用。

在上述技术方案中，系统采用小型制冷机分散末端适合多个用户，其特征在于由吸收器/蒸发器组成的小型机组作为分散末端。

在上述技术方案中，系统中吸收式机组冷凝器、吸收器和蒸发器采用毛细管为换热器材料，其特征在于采用PP-R、PE-RT和PTFE等可塑料的毛细管换热器与溴化锂-水溶液进行换热。

综上，本发明所形成的一种太阳能吸收式制冷和供热系统，由于采用发生器/冷凝器与吸收器/蒸发器分离形式，实现了多个用户末端；由于采用热管式真空管集热器提高了热源温度从而提高系统效率；由于采用毛细管作为换热器，降低了系统重量，增强了防腐能力，实现机组小型化；由于采用浓溶液罐的蓄能减少了太阳能不连续影响，提高太阳能综合利用效率；由于结合了溶液除湿，实现溶液浓度梯级利用。

附图说明

下面结合附图，通过具体的系统技术方案加以说明，以使得本发明变得更加清楚。

图1.为本发明的系统图

图2.为本发明的夏季制冷系统图

图3.为本发明的冬季供热系统图

图4.为本发明系统夏季制冷与溶液除湿系统一体化的示意图

图5.为本发明的发生器和冷凝器组成能源站方式一的示意图

图6.为本发明的发生器和冷凝器组成能源站方式二的示意图

图7.为本发明的发生器和冷凝器组成能源站方式三的示意图

图8.为本发明中吸收式循环的毛细管换热器应用示意图

图9.为本发明中毛细管换热器的网栅结构形式一

图10.为本发明中毛细管换热器的网栅结构形式二

附图中标号：1为发生器，2为冷凝器，3为吸收器，4为蒸发器，5为稀溶液罐，6为浓溶液罐，7为溶液热交换器，8为节流阀，9为太阳能热管式真空管集热器，10为自然冷源(冷却塔、地源或水源)，11为浓溶液连接管，12为稀溶液连接管，13为冷媒水连接管，14为自然冷源出水管，蒸发器进水干管(夏季)，15为自然冷源出水管(夏季为蒸发器出水干管)，16为供热回水干管(冬季)，17为供热供水干管(冬季)，18为虹吸管，19为真空发生泵，20为翅片散热器，21为辅助风机，22为导热油型换热器，23为新风溶液除湿机组，24为发生器补燃热源的换热器，25为冷凝器中的毛细管换热器，26为吸收器中毛细管换热器，27为蒸发器中毛细管换热器，28为冷却热管，29为冷凝水箱，30为毛细管网栅的干管，31为毛细管，32为毛细管网栅卡条；P1为浓溶液泵，P2为稀溶液泵，P3为冷媒水泵，P4为冷却水泵(夏季开启)，P5为末端冷媒水泵，P6为冷冻水泵(冬季开启)，P7为供热循环水泵(冬季开启)，P8为溶液除湿循环泵；f1～f10为冬夏季转换阀门。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式详细阐述本发明的内容。应该理解本发明并不局限于下述优选实施方式，优选实施方式仅仅作为本发明的示例性说明。

如图1.所示，分离式的太阳能吸收式制冷/供热系统主要包括由发生器1、冷凝器2、稀溶液罐5、浓溶液罐6、热管式真空管太阳能集热器9、集中自然冷源(冷却塔、地源或水源等)10和冷凝水箱29以及系统管路组成的能源站，由吸收器3和蒸发器4组成以及系统管路组成的末端设备，通过浓溶液连接管11、稀溶液连接管12和冷媒水(制冷剂)连接管13以及浓溶液泵P1、稀溶液泵P2和冷媒水泵P3实现循环。通过阀门控制实现夏季和冬季循环转换，夏季关闭阀门f1、f4、f5、f6、f9和f10，冬季关闭阀门f2、f3、f7和f8。

如图2.的夏季制冷系统所示，太阳光照射在热管式真空管9上，高吸收比的太阳能选择性吸收涂层将太阳辐射能转化为热能，将热管蒸发段内的工质气化，工质上升到热管的冷凝段，冷凝段向蒸发器1中的稀溶液加热，放出气化潜热后冷凝成液体，在重力作用下流回热管蒸发段，达到利用热管内工质的气液相变循环，连续将吸收的太阳辐射能传递到冷凝段加热稀溶液，将水分蒸发，比重较大的浓溶液由虹吸管18从发生器1溶液槽底部吸至集液槽，从集液槽出来的浓溶液先经过溶液热交换器7，与从稀溶液罐5进入发生器的稀溶液进行热交换，然后进入分离的浓溶液罐6储存，制备并经由浓溶液泵P1进入分布式的吸收器3，经过吸收蒸发器4的水蒸气后变为稀溶液返回到稀溶液罐5，形成溶液循环；从蒸发器1产生的水蒸汽进入冷凝器2，由冷却管冷却凝结成冷剂水经过冷媒水泵P3和节流阀8进入蒸发器4，并产生冷冻水用于用户制冷空调；冷却水循环回路从分布式末端依次通过吸收器3的a，b，c，d连接管路储存在冷凝水箱29并流入冷凝器2，经由冷却水泵P4送入自然冷源10冷却送入管路a，形成冷却水循环。

如图3.的冬季供热系统图所示，冬季采用第一类增热型吸收式热泵原理供热，利用太阳能热管式集热器的高温驱动，提取低位可再生自然冷源热量，提供中温供热水或生活热水。与夏季不同的是，蒸发器的冷冻水通过自然冷源出水管14和自然冷源出水管15依次流入蒸发器4和自然冷源10；用户的供热回水从供热回水干管16流入a，依次从吸收器3流经b，c，d连接管路储存在冷凝水箱29并流入冷凝器2实现冷凝升温，再由供热循环水泵P7送入供热用户供水管17。

如图4.的太阳能驱动溴化锂吸收式制冷与溶液除湿一体化系统示意图所示，吸收器3流出的稀溶液经由溶液除湿循环泵P8送入新风溶液除湿机组23后再集中流回稀溶液罐，同时冷却水先经由除湿机组带走除湿机组产生的热量再进入吸收器3，溶液除湿单独分离，可实现多个末端。

如图5.、图6.和图7.所示的分离式能源站方式，能源站主要由发生器1和冷凝器2组成，其中，真空发生泵19用于保证机器真空度，虹吸管18作用是将发生器1中溶液槽底部的浓溶液吸至集液槽，换热器24用于发生器补燃热源与溶液换热，冷凝器中的毛细管换热器25用于冷却发生器产生的水蒸气。方式二是同时采用冷却热管28将热量带入翅片散热器20，通过辅助风机21进行风冷冷却。方式三是鉴于导热油为高温载热体，采用导热油型换热器22将太阳能热管式真空集热器9产生的热量通过导热油与发生器1的溶液进行间接换热。

如图8.、图9.和图10.所示，为了实现多个末端的分离式蒸发器/吸收器，实现机组小型化，降低机组重量同时提供机组防腐能力，系统中吸收式机组的冷凝器2、吸收器3和蒸发器4采用毛细管为换热器材料，毛细管换热器可为聚丙烯PP-R、聚乙烯PE-RT、聚丁烯PB和聚四氟乙烯PTFE塑料材质，比如采用管径×壁厚为3.4×0.55mm或4.3×0.8mm的毛细管31，毛细管换热器由两根供回水主管30以及若干排毛细管网栅组成，同时，采用塑料套管及其配件输送溴化锂浓溶液、溴化锂稀溶液、冷媒水溶液、冷凝水溶液和用户供回水干管和末端等管路系统。

综上，通过具体实施方式，本发明可实现以下几点目的：1)采用热管式真空管集热器提高了热源温度，提高吸收式制冷系统效率；2)采用毛细管作为换热器，实现机组小型化；3)采用发生器/冷凝器与吸收器/蒸发器分离形式，实现多个用户末端；4)溶液除湿与吸收式制冷均采用溴化锂溶液，再生均采用太阳能，均通过浓溶液贮存方式蓄能，溴化锂可共用一套再生、蓄能系统，系统结合溶液除湿，实现溶液浓度梯级利用，采用足够容积的浓/稀溶液储罐结合发生器补热装置(燃烧、电加热)，减少了太阳能不连续的影响。

Claims (10)

1.一种分离式太阳能吸收式制冷系统，该系统包括由发生器(1)、冷凝器(2)、稀溶液罐(5)、浓溶液罐(6)、太阳能热管式真空管集热器(9)、集中自然冷源(10)和冷凝水箱(29)以及系统管路组成的能源站，由吸收器(3)、蒸发器(4)和溶液除湿机组(23)以及系统管路组成的多个末端设备，其特征在于将吸收式机组的发生器/冷凝器与吸收器/蒸发器分离为能源站和末端设备，其特征还在于毛细管(31)作为冷凝器(2)、吸收器(3)和蒸发器(4)的换热器材料。

2.根据权利要求1所述的分离式太阳能吸收式制冷系统，其特征在于发生器(1)采用太阳能热管式真空管集热器(9)，产生的浓溶液由虹吸管(18)导入集液槽储存在浓溶液罐(6)。

3.根据权利要求2所述的分离式太阳能吸收式制冷系统，其特征在于所述太阳能热管式真空管集热器(9)直接加热发生器(1)的稀溶液。

4.根据权利要求2所述的分离式太阳能吸收式制冷系统，其特征在于所述太阳能热管式真空管集热器(9)直接加热导热油装置，通过导热油型换热器(22)间接加热稀溶液。

5.根据权利要求2所述的分离式太阳能吸收式制冷系统，其特征在于所述冷却热管(28)直接连接冷凝器散热且冷却水。

6.根据权利要求1所述的分离式太阳能吸收式制冷系统，其特征在于所述发生器(1)、冷凝器(2)、自然冷源(10)、稀溶液罐(5)、浓溶液罐(6)和和冷凝水箱(29)集中设置在能源站，通过浓溶液连接管(11)、稀溶液连接管(12)和冷媒水连接管(13)，与多个设置在末端的吸收器(3)、蒸发器(4)和溶液除湿机组(23)设备连接循环。

7.根据权利要求1所述的分离式太阳能吸收式制冷系统，其特征在于所述系统循环中溴化锂溶液再生和蓄能系统一体化，溴化锂溶液集中存于稀溶液罐(5)和浓溶液罐(6)，浓溶液串联供应吸收器(3)和溶液除湿机组(23)，溶液浓度梯级利用，冷却水依次通过溶液除湿机组(23)和吸收器(3)，其特征还在于溶液除湿单独分离，多个末端。

8.根据权利要求1所述的分离式太阳能吸收式制冷系统，其特征在于所述毛细管换热器由材料为塑料的毛细管网栅组成，其特征还在于采用的毛细管换热器与溴化锂-水溶液进行换热。

9.根据权利要求8所述的分离式太阳能吸收式制冷系统，其特征在于所述毛细管换热器塑料材料为聚丙烯PP-R、聚乙烯PE-RT、聚丁烯PB和聚四氟乙烯PTFE塑料材质。

10.根据权利要求1所述的分离式太阳能吸收式制冷系统，其特征在于所述低位自然热源(10)夏季提供冷却水用于冷凝器(2)、吸收器(3)和溶液除湿机组(23)，冬季则提取低位自然热源(10)热量用于供热。

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