CN101943501B - 半渗透膜式吸收式制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半渗透膜式吸收式制冷系统，包括高压罐、节流元件、低压罐，所述的高压罐、低压罐之间设有反渗透装置和溶液泵，反渗透装置包括浓溶液箱、制冷剂箱、浓溶液箱与制冷剂箱之间的半渗透膜、浓溶液箱一侧的密封加压装置；制冷剂箱与高压罐内的发生器相连，浓溶液箱与低压罐内的吸收器相连；溶液泵入口与低压罐体底部的吸收器相连，出口与反渗透装置的浓溶液箱相连。本发明工质对适应性更好，能够有效避免原有吸收式制冷系统中普遍存在的腐蚀、结晶或毒性等问题，拓展了工质对的选择范围，本发明能利用更低品位的低温余热废热，且具有较显著的节能性。

Description

半渗透膜式吸收式制冷系统

技术领域

本发明属于吸收式制冷领域，尤其涉及一种半渗透膜式吸收式制冷系统。

背景技术

吸收式制冷系统是一种利用工业废热、余热、太阳能等低品位热能制冷的技术，具有节能环保的优点，在制冷空调以及冷热电联产领域里得到了广泛的应用，花费很少的运转费用，便能获得大量的冷量，具有很好的节能、节电效果，整个装置除了泵以外，没有其它运动部件，振动小、噪声低，在国家“节能减排”的大背景下，具有良好的发展前景。

目前许多学者都开展了关于吸收式制冷系统的研究，并在传统吸收式制冷系统的基础上做了许许多多的改进，提出了许多新的吸收式制冷系统，如多效吸收式制冷系统、多级吸收式制冷系统等。如专利(CN200710151059.0)给出了一种逆串联三效吸收式制冷系统，专利(CN200910096977.7)给出了一种高效的两级吸收式制冷装置。

现有的单效吸收式制冷系统，溶液泵将吸收器中吸收了制冷剂的吸收剂经溶液热交换器送入高压罐内的发生器，制冷剂被加热盘管加热蒸发，浓缩的吸收剂经溶液热交换器冷却回到吸收器上部的喷淋装置。发生器中的制冷剂未经提纯，制冷剂的蒸发相当于一个蒸馏过程，对于吸收剂与制冷剂组成的工质对，其饱和蒸汽压由制冷剂蒸汽分压和吸收剂蒸汽分压组成，同一温度下，吸收剂的质量分数越大，制冷剂蒸汽分压越小。制冷剂吸收剂溶液经过溶液热交换器，需要克服比较大的流动阻力。

这些吸收式制冷系统存在如下问题：

1.对于更低品位的余热(比如低于70℃的热源或者由太阳能产生的低于70℃的热水)不能简单有效利用；

2.吸收式制冷系统对工质对的选取比较苛刻，需要吸收剂和制冷剂之间存在比较大的沸点差，这样在很大程度上影响了吸收式工质对的选取范围；

3.常用的吸收式制冷系统工质对有溴化锂水溶液、氨水溶液及DMF与氢氟烃的混合物等，他们都存在有腐蚀性或毒性等问题，此外，氨水溶液需要精馏器，溴化锂水溶液还存在结晶、制冷温度范围窄等问题，这在一定程度上限制了它的应用；

4.吸收式制冷系统对热源的稳定性要求比较高，不同温度的热源需要有不同形式的吸收式制冷装置与之相匹配，比如为适应比较低的热源开发的两级吸收式制冷系统，为适应比较高的热源开发的两效或多效吸收式制冷系统；

5.吸收式制冷系统的能效比(COP)还有待提高。

发明内容

本发明提供了一种半渗透膜式吸收式制冷系统，该系统可利用更低品位的余热，工质对要求比较低，能效比高。

本发明一种半渗透膜式吸收式制冷系统，是利用半渗透膜的选择透过特性，通过在浓溶液侧施加一定的压力，浓溶液侧的溶剂透过半渗透膜到稀溶液中，以达到浓缩浓溶液、分离溶质与溶剂的目的。本发明的浓溶液箱与制冷剂箱之间用半渗透膜阻隔，通过在浓溶液箱一侧密封加压，维持浓溶液箱与制冷剂箱之间的压力差，驱动浓溶液箱内制冷剂渗透到半渗透膜另一边，进入制冷剂箱，组成反渗透装置，实现吸收剂与制冷剂的分离。

一种半渗透膜式吸收式制冷系统，包括：高压罐、节流元件、低压罐、反渗透装置、溶液泵；

所述的高压罐包括高压罐体、发生器、加热盘管、冷凝盘管、冷凝器，发生器、加热盘管、冷凝盘管、冷凝器封装在高压罐体内，加热盘管在发生器内，发生器位于高压罐体的底部，冷凝盘管在冷凝器内，冷凝器位于高压罐体顶部；

所述低压罐包括低压罐体、蒸发盘管、蒸发器、冷却盘管、吸收器、循环泵，蒸发盘管、蒸发器、冷却盘管、吸收器封装在低压罐体内，蒸发盘管位于蒸发器内，蒸发器位于低压罐体的顶部，冷却盘管位于吸收器内，吸收器位于低压罐体底部，循环泵安装在低压罐体外，进口与低压罐体内的蒸发器下端相连，循环泵出口与位于低压罐体内的蒸发器上端的喷淋装置相连；

所述的节流元件安装在高压罐体与低压罐体之间，高压罐体内的冷凝器下端引出一根管线与节流元件的入口相连，节流元件出口的管线穿过低压罐体的顶部，在蒸发器的上方；

所述的反渗透装置包括浓溶液箱、制冷剂箱、浓溶液箱与制冷剂箱之间的半渗透膜、浓溶液箱一侧的密封加压装置；

所述的溶液泵入口与低压罐体底部的蒸发器相连，出口与反渗透装置的浓溶液箱相连，将吸收了制冷剂的吸收剂输入浓溶液箱；

所述的反渗透装置的制冷剂箱与高压罐内的发生器相连，将分离后的制冷剂输入发生器；

所述的反渗透装置的浓溶液箱与低压罐内的吸收器相连，将浓缩后的吸收剂输入吸收器；所述的反渗透装置的浓溶液箱内还可以设有挡板，将浓溶液箱分为两部分，溶液泵出口位于与半渗透膜相连一侧，与低压罐体相连的管道位于另一侧。

所述的密封加压装置对浓溶液箱进行加压，使浓溶液箱与制冷剂箱之间维持一定的压力差。优选的密封加压装置包括活塞导轨、砝码、活塞、密封圈，砝码位于活塞导轨上，活塞在活塞导轨上滑动，活塞与活塞导轨之间设有密封圈。

所述的半渗透膜式吸收式制冷系统还可设有一套反洗装置，所述的反洗装置包括在低压罐体底部与溶液泵进口之间的管道设置第一电磁阀，制冷剂箱底设置另一根管道通过第二电磁阀与溶液泵进口相连，所述的反洗装置将带入发生器并被累积的吸收剂用制冷剂洗涤，回收到浓溶液箱。

本发明的工作过程如下：

制冷剂工作回路为：废热或太阳能生产的热水或蒸汽通过加热盘管加热发生器中制冷剂，发生器中的制冷剂蒸发，产生高压制冷剂蒸汽，高压制冷剂蒸汽在冷凝器中被冷凝盘管冷凝为高压制冷剂液体；高压制冷剂液体通过冷凝器下端的管道进入节流元件，通过节流元件节流的高压制冷剂液体变为低压制冷剂液体；低压制冷剂液体经过管道进入低压罐体内的蒸发器中，吸收蒸发盘管的热量而气化为低压制冷剂蒸汽，蒸发盘管内的工质被制冷，未完全气化的制冷剂被循环泵不断循环，喷淋在蒸发盘管上，提高了制冷效果；低压制冷剂蒸汽被由浓溶液箱送到吸收器并均匀喷淋在冷却盘管外表的浓溶液吸收。

溶液再生过程为：吸收器中吸收了制冷剂的溶液通过第一电磁阀由溶液泵送入浓溶液箱与半渗透膜相连一侧，该侧相对稀的溶液中的制冷剂在浓溶液箱与制冷剂箱两侧压力差的驱动下，透过半渗透膜进入制冷剂箱，相对浓的溶液溢流到浓溶液箱中的挡板另一侧；制冷剂箱中的制冷剂经过管道进入发生器底部，再次被加热盘管加热气化成高压蒸汽，挡板另一侧相对浓的溶液则通过管道用喷淋装置喷淋到吸收器中的冷却盘管上，吸收来自上部蒸发器的低压制冷剂蒸汽。

反洗过程：当半渗透膜式吸收式制冷系统运行一段时间后，虽然发生器中的制冷剂里只含有微量的吸收剂，其中吸收剂的含量随着时间延长不断积累，达到一定的质量百分数后，会影响此系统的工作效率，需要反洗。反洗就是关闭第一电磁阀，并且关闭加热盘管，打开第二电磁阀，制冷剂箱及发生器中的制冷剂被溶液泵抽吸到浓溶液箱挡板右侧；当制冷剂箱和发生器中制冷剂抽吸完后，打开第一电磁阀，关闭第二电磁阀，等一定时间后，制冷剂箱中制冷剂液位上升，再打开加热盘管，系统恢复制冷运行。

所述加热盘管内流动工质为热水或者蒸汽，冷凝盘管、冷却盘管内流动工质为冷却水，蒸发盘管内流动工质为冷媒。

本发明半渗透膜式吸收式制冷系统，所述半透膜可以选择亲水性半渗透膜、疏水性半渗透膜、分离有机物与有机物的半渗透膜。

所述亲水性半渗透膜主要应用于溴化锂水溶液等以水为制冷剂的工质对，疏水性半渗透膜主要应用于氨水等水为吸收剂的工质对，分离有机物与有机物的半渗透膜主要应用于以DMF与氢氟烃等工质对。

发明效果分析：

对于吸收剂与制冷剂组成的工质对，其饱和蒸汽压由制冷剂蒸汽分压和吸收剂蒸汽分压组成，同一温度下，吸收剂的质量分数越大，制冷剂蒸汽分压越小。

以溴化锂水溶液工质对为例，假设冷却水进水温度32℃，加热盘管内流动工质热水温度为75℃，考虑加热盘管与发生器中溶液换热温差5℃，那么发生器内溶液温度为70℃。

原有吸收式制冷系统为保证溴化锂水溶液不产生结晶，溴化锂水溶液中水的质量分数必须维持在50％以上，实际一般运行范围为64％到59.5％之间，也就是说发生器中的溴化锂水溶液中水的最低质量分数为59.5％。70℃下水质量分数为59.5％的溴化锂水溶液水蒸汽分压为55mmHg(7332Pa)，对应饱和蒸汽压为55mmHg(7332Pa)的纯水的温度为40℃(313K)。

采用本发明半渗透膜式吸收式制冷系统，由于发生器中的制冷剂仅含有少量的吸收剂，饱和蒸汽压相当于纯水，只要纯水的温度达到40℃，水蒸汽分压就可以达到原有溴化锂水溶液吸收式制冷系统70℃下水的质量分数为59.5％的溴化锂水溶液水蒸汽分压。也就是说，本发明半渗透膜式吸收式制冷系统发生器理论上采用45℃热源(同样考虑5℃换热温差)与原有吸收式制冷系统采用75℃热源产生同样的制冷效果。

换言之，本发明半渗透膜式吸收式制冷系统如果冷却水进水温度32℃，可以采用45℃的热源驱动。本发明半渗透膜式吸收式制冷系统能有效利用50℃到70℃的余热废热。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：

1、本发明为利用更低温度的余热、废热比如低于70℃的热源或者由太阳能产生的低于70℃的热水)提供了一种途径，并且不会使得装置过于复杂化。本发明发生器内制冷剂里只含有微量的吸收剂，而原有的吸收式制冷系统发生器内制冷剂里含有大量的吸收剂，在同样的热源温度的情况下，吸收器内制冷剂蒸汽分压要比原有吸收式制冷系统吸收器内制冷剂蒸汽分压高，也就是说本发明可以以更低的热源温度实现制冷循环；

2、良好的节能性：本发明一方面不需要像原有吸收式制冷系统在发生器和蒸发吸收器之间加一个溶液热交换器，这样减少了流动阻力和换热不可逆损失；另一方面，原有吸收式制冷系统发生器中稀溶液制冷剂中富含吸收剂，发生器中发生的相当于是一个蒸馏的过程，而本发明由于半渗透膜的分离作用，发生器中制冷剂只含有微量的吸收剂，其中发生的相当于一个蒸发过程，本发明相当于把原有吸收式制冷系统发生器中的蒸馏过程分解为先分离再蒸发过程，从而具有节能效果；

3、工质对的多样性和环保性：工质对的选取不需要太多考虑吸收剂与制冷剂之间的大沸点差，这样可供选择的工质对很多，可以选择更为环保的吸收式工质对，如其中吸收剂可以是多糖类物质，烃的衍生物及高分子化合物等环保、无腐蚀、不结晶特点的物质，制冷剂可以是氢氟烃、水、烃类物质、二氧化碳等，能够做到对大气无污染，对环境友好；

4、工质对与制冷系统有很好的相容性：由于发生器内制冷剂只含有微量的吸收剂，不会出现原有吸收式制冷系统的结晶性问题，也可有效解决制冷剂蒸汽夹带吸收剂进入冷凝器和蒸发器；

5、具有良好的热源适应性：对热源温度的波动并没有严格的要求。

附图说明

图1是本发明一种半渗透膜式吸收式制冷系统具体实施的结构示意图。

具体实施方式

本实施例的一种半渗透膜式吸收式制冷系统，如图1所示，包括：高压罐27、节流元件5、低压罐26、反渗透装置28、溶液泵16，其中，高压罐27包括高压罐体25、发生器1、加热盘管2、冷凝盘管3、冷凝器4，发生器1、加热盘管2、冷凝盘管3、冷凝器4封装在一个高压罐体25里，加热盘管2位于发生器1内，冷凝盘管3位于冷凝器4内；所述低压罐26包括低压罐体24、蒸发盘管6、蒸发器7、冷却盘管9、吸收器10、循环泵8，蒸发盘管6、蒸发器7、冷却盘管9、吸收器10封装在低压罐体24内，蒸发盘管6位于蒸发器7内，冷却盘管9位于吸收器10内，循环泵8安装在低压罐体24外，循环泵8进口与蒸发器7下端相连，循环泵8出口与位于蒸发器7上端的喷淋装置相连。

所述高压罐体25冷凝器4下端引出一根管线通过节流元件5与低压罐体24的顶部相连，高压罐体25底部引出一根管线与制冷剂箱20底部相连；所述低压罐体24顶部引出一根管线经过节流元件5与高压罐体25的冷凝器4下端相连，低压罐体24底部引出一根管线通过第一电磁阀21溶液泵16进口相连，溶液泵16出口与浓溶液箱11底部内的喷淋装置相连；所述浓溶液箱11左侧底部引出一根管线与吸收器10上部的喷淋装置相连，浓溶液箱11右侧通过第一支撑板17、半渗透膜18、第二支撑板19与制冷剂箱20相连。

所述反渗透装置28包括浓溶液箱11、制冷剂箱20、浓溶液箱11与制冷剂箱20之间夹有一半渗透膜18，半渗透膜18由第一支撑板17、第二支撑板19固定。浓溶液箱11内设有活塞导轨12、砝码13、活塞14、挡板15、密封圈23，砝码13位于活塞导轨12上，活塞14能够在活塞导轨12上滑动，活塞14与活塞导轨12之间靠密封装置23密封。所述浓溶液箱11与制冷剂箱20之间维持一定的压力差，这个压力差由活塞14及上面的砝码13提供。

所述浓溶液箱11中的制冷剂经过半渗透膜18的分离进入制冷剂箱，制冷剂箱有两根出液管，一根通往发生器1，另一根通过第二电磁阀22与溶液泵16进口相连。

实施例：

制冷剂工作回路为：50℃热水，流量0.15L/s，通过加热盘管2加热发生器1中制冷剂水，发生器1中的水蒸发产生7332Pa高压水蒸汽，高压水蒸汽在冷凝器4中被冷凝盘管3内的进口温度32℃、流量0.2L/s冷水冷凝为高压液态水；高压液态水通过冷凝器下端的管道进入自制U形管节流装置5，通过节流的高压液态水变为870Pa低压液态水，同时有少部分水闪蒸；低压液态水经过管道进入蒸发器7中，吸收蒸发盘管中进口温度12℃的冷媒水的热量而变为低压制冷剂蒸汽，从而实现制冷；低压制冷剂蒸汽被由吸收器10送来并通过均匀喷淋在冷却盘管9外表的吸收剂(吸收剂为溴化锂质量分数64％的溴化锂浓溶液)吸收。

溶液再生过程为：吸收器10中吸收了制冷剂的稀溶液，溴化锂质量分数59.5％，通过第一电磁阀21由溶液泵16送入浓溶液箱11挡板15右侧，挡板15右侧相对稀的溶液中的制冷剂在浓溶液箱与制冷机箱两侧压力差20kPa的驱动下，透过醋酸纤维素半渗透膜进入制冷剂箱，制冷剂箱内的制冷剂水经过管道进入发生器1底部，挡板15左侧相对浓的溴化锂溶液则通过管道用喷淋装置喷淋到吸收器10中的冷却盘管上，吸收来自上部蒸发器的水蒸汽。

反洗过程：虽然发生器中的制冷剂里只含有微量的吸收剂，当此系统运行一段时间后，其中吸收剂的含量随着时间延长不断积累，溴化锂质量分数达到20％以上时，会影响此系统进一步的工作，需要反洗。反洗就是关闭第一电磁阀21，并且关闭加热盘管2，打开第二电磁阀22，制冷剂箱中的制冷剂被溶液泵16抽吸到浓溶液箱挡板15右侧。当制冷剂箱和发生器中制冷剂抽吸完后，打开第一电磁阀21，关闭第二电磁阀22，等3分钟，再打开加热盘管，系统恢复制冷运行。

此实施例能够有效利用50℃至70℃的低温余热，传统上，此温度位的余热比较难利用，从而体现了较好的节能性，并且此装置结构比较简单。

Claims (4)

1.一种半渗透膜式吸收式制冷系统，包括高压罐、节流元件、低压罐，所述的高压罐包括高压罐体、发生器、加热盘管、冷凝盘管、冷凝器，发生器、加热盘管、冷凝盘管、冷凝器封装在高压罐体内，加热盘管在发生器内，发生器位于高压罐体的底部，冷凝盘管在冷凝器内，冷凝器位于高压罐体顶部；

所述低压罐包括低压罐体、蒸发盘管、蒸发器、冷却盘管、吸收器、循环泵，蒸发盘管、蒸发器、冷却盘管、吸收器封装在低压罐体内，蒸发盘管位于蒸发器内，蒸发器位于低压罐体的顶部，冷却盘管位于吸收器内，吸收器位于低压罐体底部，循环泵安装在低压罐体外，进口与低压罐体内的蒸发器下端相连，循环泵出口与位于低压罐体内的蒸发器上端的喷淋装置相连；

所述的节流元件安装在高压罐体与低压罐体之间，高压罐体内的冷凝器下端引出一根管线与节流元件的入口相连，节流元件出口的管线穿过低压罐体的顶部，在蒸发器的上方；

其特征在于：所述的高压罐、低压罐之间设有反渗透装置和溶液泵，

所述的反渗透装置包括浓溶液箱、制冷剂箱、浓溶液箱与制冷剂箱之间的半渗透膜、浓溶液箱一侧的密封加压装置；

所述制冷剂箱与高压罐内的发生器相连，将分离后的制冷剂输入发生器；

所述的浓溶液箱与低压罐内的吸收器相连，将浓缩后的吸收剂输入吸收器；

所述的溶液泵入口与低压罐体底部的吸收器相连，出口与反渗透装置的浓溶液箱相连，将吸收了制冷剂的吸收剂输入浓溶液箱。

2.根据权利要求1所述的半渗透膜式吸收式制冷系统，其特征在于：所述的浓溶液箱内设有挡板，将浓溶液箱分为两部分，溶液泵出口位于与半渗透膜相连一侧，与低压罐体相连的管道位于另一侧。

3.根据权利要求1所述的半渗透膜式吸收式制冷系统，其特征在于，所述密封加压装置包括活塞导轨、砝码、活塞、密封圈，砝码位于活塞上，活塞在活塞导轨上滑动，活塞与活塞导轨之间设有密封圈。

4.根据权利要求1所述的半渗透膜式吸收式制冷系统，其特征在于：所述的半渗透膜式吸收式制冷系统设有一反洗装置，所述的反洗装置包括在低压罐体底部与溶液泵进口之间的管道设置第一电磁阀，制冷剂箱底设置另一根管道通过第二电磁阀与溶液泵进口相连。

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