CN101995112B - 一种高效gax吸收式制冷装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效GAX吸收式制冷装置，由发生器的气相出口依次与高温发生吸收热交换器-发生器、低温发生吸收热交换器-发生器、精馏器、冷凝器、第一节流元件、蒸发吸收器、气液分离器、第二节流元件、蒸发器、低压吸收器、第一溶液泵、溶液冷却吸收器、低温发生吸收热交换器-吸收器、高温发生吸收热交换器-发生器连接；发生器的液相出口依次与第三节流元件、高温发生吸收热交换器-吸收器、低温发生吸收热交换器-吸收器、溶液冷却吸收器、低压吸收器、蒸发吸收器、第二溶液泵、高压吸收器、第三溶液泵、低温发生吸收热交换器-发生器连接；气液分离器与高压吸收器相连接。本发明装置能够大幅度提高高温热源的利用效率，且能在更低的热源温度或更低的蒸发温度下较好工作。

Description

一种高效GAX吸收式制冷装置
技术领域
本发明属于制冷技术领域，尤其涉及一种高效GAX吸收式制冷装置。
背景技术
近年来由于环境问题得到人们的普遍关注，吸收式制冷装置作为一种对环境友好的制冷方式受到人们越来越普遍的关注。目前用于吸收式制冷装置中的工质对主要是氨-水以及水-锂。氨-水吸收式制冷装置主要用于制取0摄氏以下的冷量。一般热为当热源温度较高的时候，一般采用GAX吸收式制冷装置来提高氨-水吸收式制冷装置的效率，如“基于发生器吸收器热量交换的吸收式制冷循环的综述(Generator absorber heat exchangebased absorption cycle-A review)”(《可再生及可持续能源综述》Renewable and Sustainable Energy Reviews.2010；14：2372-2382)所述。但是传统的GAX吸收式制冷装置需要较高温度的驱动热源并且只能利用吸收热中温度较高的那一部分，这影响了GAX吸收式制冷装置的性能，并限制了它的应用范围。文献“先进复合GAX循环的性能分析(Performanceanalysis of advanced hybrid GAX cycles)”(《国际制冷学报》InternationalJournal of Refrigeration.2004；27：442-448)公布了一种命名HGAX的吸收压缩耦合吸收式制冷装置。该装置通过在标准GAX吸收式制冷装置的吸收器和蒸发器之间或者冷凝器和发生器之间增加一个压缩机来改善标准GAX吸收式制冷装置的性能，但是该装置需要消耗较多的额外电能，而且增加压缩机这种运动部件也会影响装置的可靠性。
发明内容
本发明针对现有GAX吸收式制冷装置存在的不足和缺陷，提出一种高效的GAX吸收式制冷装置，通过利用较低温度的吸收热来提高GAX吸收式制冷装置的性能。
一种高效GAX吸收式制冷装置，发生器的气相出口依次与高温发生吸收热交换器-发生器、低温发生吸收热交换器-发生器、精馏器、冷凝器、第一节流元件、蒸发吸收器、气液分离器、第二节流元件、蒸发器、低压吸收器、第一溶液泵、溶液冷却吸收器、低温发生吸收热交换器-吸收器、高温发生吸收热交换器-发生器连接；发生器的液相出口依次与第三节流元件、高温发生吸收热交换器-吸收器、低温发生吸收热交换器-吸收器、溶液冷却吸收器、低压吸收器、蒸发吸收器、第二溶液泵、高压吸收器、第三溶液泵、低温发生吸收热交换器-发生器连接；气液分离器与高压吸收器相连接；蒸发器与蒸发吸收器相连接。
其工作流程如下，低温发生吸收热交换器-发生器出口的蒸汽流到精馏器，精馏器出口的高纯度蒸汽流到冷凝器被冷凝成液体。冷凝器出口液体被第一节流元件节流到中间压力。该股流体流到蒸发吸收器，部分液体在此蒸发制取中间温度的冷量，该冷量被用来平衡吸收侧释放的热量。蒸发吸收器出口的制冷流体流到气液分离器被分离成气液两相。气液分离器气相出口饱和蒸汽流到高压吸收器被吸收。气液分离器液相出口流体被第二节流元件节流到蒸发压力，然后在蒸发器中完全蒸发从而制取所需要的冷量。部分蒸发器出口的蒸汽流到蒸发吸收器被吸收，另外一部分蒸汽则被低压吸收器吸收。部分低压吸收器出口溶液流到蒸发吸收器吸收部分蒸发器出口的蒸汽，蒸发吸收器出口的溶液被第二溶液泵加压到中间压力后流到高压吸收器吸收来自气液分离器的蒸汽，高压吸收器出口的溶液被第三溶液泵增压到发生压力后和精馏器出口的溶液一块流到低温发生吸收热交换器-发生器发生。低压吸收器出口另外一部分溶液被第一溶液泵增压到发生压力，第一溶液泵出口溶液经过溶液冷却吸收器低温发生吸收热交换器-吸收器预热后和低温发生吸收热交换器-发生器出口的溶液都流到高温发生吸收热交换器-发生器发生。高温发生吸收热交换器-发生器出口的溶液流到发生器被外界高温热源进一步加热。发生器出口溶液被第三节流元件节流到吸收压力后，依次流到高温发生吸收热交换器-吸收器、低温发生吸收热交换器-吸收器和溶液冷却吸收器吸收蒸汽。装置完成一次工作过程。
冷凝器、高压吸收器，低压吸收器由外界冷源冷却。
第三溶液泵出口的溶液可以与精馏器出口溶液混合后流到低温发生吸收热交换器-吸收器，也可各自独立流到低温发生吸收热交换器-吸收器。低温发生吸收热交换器-吸收器出口的溶液可与低温发生吸收热交换器-吸收器口溶液混合后流到高温发生吸收热交换器-吸收器，也可各自独立流到高温发生吸收热交换器-吸收器。
低温发生吸收热交换器-吸收器释放的热量用来加热低温发生吸收热交换器-发生器释放的热量，高温发生吸收热交换器-吸收器释放的热量用来加热高温发生吸收热交换器-发生器释放的热量。
作为一种优选，发生器与高温发生吸收热交换器-发生器之间设有溶液加热发生器；高温发生吸收热交换器-发生器与溶液加热发生器相连；溶液加热发生器与第三节流元件相连接；发生器，溶液加热发生器与第三节流元件依次连接。
上述优选的高效GAX吸收式制冷装置，其与一种高效GAX吸收式制冷装置的工作流程区别在于，高温发生吸收热交换器-发生器经过溶液加热发生器发生后再流到发生器，发生器出口蒸汽经过溶液加热发生器流到高温发生吸收热交换器-发生器，发生器出口溶液经过溶液加热发生器预冷后再流到第三节流元件被节流到吸收压力。由于有了溶液发生器，使得发生器出口的高温蒸汽包含的较高品位的精馏热以及发生器出口的高温溶液包含的较高品位的显热得到更加高效的利用，从而使得该装置的效率进一步提高。
作为一种次优选，第二溶液泵与高压吸收器之间设有溶液换热器；溶液换热器稀制冷剂溶液入口与低压吸收器相连接；溶液换热器稀制冷剂溶液出口与蒸发吸收器相连接；溶液换热器浓制冷剂溶液入口与第二溶液泵相连接；溶液换热器浓制冷剂溶液出口与高压吸收器相连接；
上述次优选的高效GAX吸收式制冷装置，其工作流程与优选的高效GAX吸收式制冷装置区别在于低压吸收器出口的溶液经过第二溶液泵出口的溶液预冷后再流到蒸发吸收器。这样做的好处是在相同情况下可以降低蒸发吸收器中液体的蒸发量。从而是的蒸发器的制冷量提高，进而是的装置的效率更高。
作为一种最优选，高压吸收器依次溶液冷却吸收器、第三溶液泵相连接。
上述最优选的高效GAX吸收式制冷装置，其工作流程与次优选的高效GAX吸收式制冷装置的区别在于高压吸收器出口溶液经过溶液冷却吸收器释放的热量预热后再被第三溶液泵加压到发生压力。这样做的好处是使得低温发生吸收热交换器-发生器入口溶液比焓增加，从而降低发生单位质量制冷剂需要的热量，进而使得装置的效率进一步提高。
相比标准GAX吸收式制冷装置，本发明装置能够利用低温发生吸收热交换器-吸收器释放的较低品位的热量，该热量被用来驱动相应的低温发生吸收热交换器-发生器从而产生额外的制冷剂蒸气。部分额外的制冷剂蒸气将在蒸发器直接蒸发制冷，并被蒸发吸收器吸收从而产生额外的制冷量，其余由低温发生吸收热交换器-发生器发生的制冷剂将在较高的温度下蒸发，冷量被用来平衡蒸发吸收器释放的热量，这些制冷剂蒸发后将被高压吸收器吸收。由于该装置能够利用不能被标准GAX吸收式制冷装置利用的吸收热来制取冷量，因而拥有比标准GAX吸收式制冷装置更高的效率。
本发明能够用来改进各种现有GAX吸收式制冷装置的性能。
附图说明
图1是本发明装置一种可实施的系统流程图；
图2是本发明装置一种优选的系统流程图；
图3是本发明装置一种次优选的系统流程图；
图4是本发明装置一种最优选的系统流程图；
附图标记说明：
1-精馏器           2-冷凝器        3-第一节流元件
4-蒸发吸收器       5-气液分离器    6-第二节流元件
7-蒸发器           8-低压吸收器    9-第一溶液泵
10-溶液冷却吸收器  11-低温发生吸收热交换器-吸收器
12-高温发生吸收热交换器-吸收器     13-第三节流元件
14-低温发生吸收热交换器-发生器
15-高温发生吸收热交换器-发生器     16-发生器
17-第二溶液泵      18-高压吸收器19-第三溶液泵
20-溶液加热发生器  21-溶液换热器
具体实施方式
如图1所示，一种高效GAX吸收式制冷装置，发生器16的气相出口依次与高温发生吸收热交换器-发生器15、低温发生吸收热交换器-发生器14、精馏器1、冷凝器2、第一节流元件3、蒸发吸收器4、气液分离器5、第二节流元件6、蒸发器7、低压吸收器8、第一溶液泵9、溶液冷却吸收器10、低温发生吸收热交换器-吸收器11、高温发生吸收热交换器-发生器12连接；发生器16的液相出口依次与第三节流元件13、高温发生吸收热交换器-吸收器12、低温发生吸收热交换器-吸收器11、溶液冷却吸收器10、低压吸收器8、蒸发吸收器4、第二溶液泵17、高压吸收器18、第三溶液泵19、低温发生吸收热交换器-发生器14连接；气液分离器5与高压吸收器18相连接；蒸发器7与蒸发吸收器4相连接。
低温发生吸收热交换器-发生器14气相出口的蒸汽流到精馏器1，精馏器1气相出口的高纯度蒸汽流到冷凝器2被冷凝成液体。冷凝器2出口的液体被第一节流元件3节流到中间压力。该股中间压力的流体流到蒸发吸收器4，部分液体在此蒸发制取中间温度的冷量，该冷量被用来平衡吸收侧释放的热量。蒸发吸收器4出口的制冷流体流到气液分离器5被分离成气液两相。气液分离器5气相出口饱和蒸汽流到高压吸收器18被吸收。气液分离器5液相出口流体被第二节流元件6节流到蒸发压力，然后在蒸发器7中完全蒸发从而制取所需要的冷量。蒸发器7出口的部分蒸汽流到蒸发吸收器4被吸收，另外一部分蒸汽则被低压吸收器8吸收。低压吸收器8液相出口的部分溶液流到蒸发吸收器4吸收来自蒸发器7出口的部分蒸汽，蒸发吸收器4出口的溶液被第二溶液泵17加压到中间压力后，流到高压吸收器18吸收来自气液分离器5的蒸汽，高压吸收器18出口的溶液被第三溶液泵19增压到发生压力后，和精馏器1出口的溶液一块流到低温发生吸收热交换器-发生器14发生。低压吸收器8液相出口的另外一部分溶液被第一溶液泵9增压到发生压力，第一溶液泵9出口的溶液经过溶液冷却吸收器10低温发生吸收热交换器-吸收器11预热后，和低温发生吸收热交换器-发生器14出口的溶液一起流到高温发生吸收热交换器-发生器15发生。高温发生吸收热交换器-发生器15出口的溶液流到发生器16，被外界高温热源进一步加热。发生器16液相出口的溶液被第三节流元件13节流到吸收压力后，依次流到高温发生吸收热交换器-吸收器12、低温发生吸收热交换器-吸收器1和溶液冷却吸收器10吸收蒸汽。装置完成一次工作过程。低温发生吸收热交换器-吸收器11的吸收热被用来驱动低温发生吸收热交换器-发生器14，高温发生吸收热交换器-吸收器12释放的热量被用来驱动高温发生吸收热交换器-发生器15。
如图2所示，一种优选的高效GAX吸收式制冷装置，在图1所示装置的基础上，发生器16与高温发生吸收热交换器-发生器15之间还设有溶液加热发生器20；发生器16的液相出口与溶液加热发生器20、第三节流元件13依次连接。
作为一种优选的高效GAX吸收式制冷装置，其与图1所示的高效GAX吸收式制冷装置的工作流程区别在于，高温发生吸收热交换器-发生器15液相出口的溶液经过溶液加热发生器20发生后再流到发生器16，发生器16气相出口的蒸汽经过溶液加热发生器20流到高温发生吸收热交换器-发生器15，发生器16液相出口的溶液经过溶液加热发生器20预冷后再流到第三节流元件13被节流到吸收压力。
如图3所示，一种次优选的高效GAX吸收式制冷装置，在图2所示装置的基础上，第二溶液泵17与高压吸收器18之间设有溶液换热器21；溶液换热器21的稀制冷剂溶液入口与低压吸收器8相连接；溶液换热器21的稀制冷剂溶液出口与蒸发吸收器4相连接；溶液换热器21的浓制冷剂溶液入口与第二溶液泵17相连接；溶液换热器21浓的制冷剂溶液出口与高压吸收器18相连接。
作为一种次优选的高效GAX吸收式制冷装置，其工作流程与图2所示的优选的高效GAX吸收式制冷装置区别在于：低压吸收器8出口的溶液经过第二溶液泵17出口的溶液预冷后再流到蒸发吸收器4。
如图4所示，一种最优选的高效GAX吸收式制冷装置，在图3所示装置的基础上，高压吸收器18依次与溶液冷却吸收器10、第三溶液泵19相连接。
作为一种最优选的高效GAX吸收式制冷装置，其工作流程与图3所示的次优选的高效GAX吸收式制冷装置的区别在于：高压吸收器18出口的溶液经过溶液冷却吸收器10释放的热量预热后，再被第三溶液泵19加压到发生压力。
应用例1
以氨-水工质对作为工质，对本发明图4所示装置以及标准GAX吸收式制冷装置的性能进行了模拟计算，计算的假设条件如下：(1)系统处于稳定工作状态；(2)忽略管路压降和漏热；(3)发生器出口溶液、低压吸收器出口溶液、高压吸收器出口溶液、高温发生吸收热交换器-发生器出口溶液、低温发生吸收热交换器-发生器出口溶液、高温发生吸收热交换器-吸收器出口溶液、低温发生吸收热交换器-吸收器出口溶液都是饱和溶液；(4)高温发生吸收热交换器-发生器与高温发生吸收热交换器-吸收器冷端换热温差为0℃，低温发生吸收热交换器-发生器与低温发生吸收热交换器-吸收器冷端换热温差为0℃；(5)蒸发吸收器冷端换热温差为5℃，溶液换热器的冷端换热温差为5℃；(6)冷凝器出口液体为饱和液体，蒸发器出口为饱和蒸气，精馏器效率为0.7；(7)冷凝温度为40℃，高温吸收器出口溶液以及低温吸收器出口溶液为40℃。
表1本发明装置以及标准GAX吸收式装置在不同发生温度下的性能对比
  工况   tG(℃)   COPSGAX   COPPGAX   η(％)
  工况1   140   0.65144   0.75641   16.11353
  工况2   142.5   0.65417   0.78378   19.81289
  工况3   145   0.65700   0.80812   23.00152
  工况4   147.5   0.65992   0.82895   25.61371
  工况5   150   0.66295   0.84707   27.77283
  工况6   152.5   0.66608   0.86331   29.61056
  工况7   155   0.66932   0.87723   31.06287
  工况8   157.5   0.68146   0.89196   30.88956
  工况9   160   0.69478   0.90593   30.39092
  工况10   162.5   0.70759   0.92015   30.03999
  工况11   165   0.71987   0.93297   29.60257
  工况12   167.5   0.73167   0.94566   29.24679
  工况13   170   0.74299   0.95781   28.91291
  工况14   172.5   0.75383   0.96943   28.60061
  工况15   175   0.76417   0.9805   28.30915
  工况16   177.5   0.77405   0.99105   28.03436
  工况17   180   0.78347   1.00108   27.77515
表1是在蒸发温度为-5℃时，本发明装置以及标准GAX吸收式装置在不同发生温度下的性能对比。tG指的是发生终了温度，COPSGA指的是标准GAX装置的性能系数，COPPGAX指的是本发明装置的性能系数，η指的是本发明装置的性能系数相对标准GAX吸收式制冷装置性能系数的提高幅度。从表1中可以看出由于本发明装置能够利用标准GAX吸收式制冷装置能够利用低品位吸收热制取所需要的冷量，因而本发明装置的性能系数要较标准GAX吸收式制冷装置高得多。当发生温度大于145℃的时候，本发明装置在所有模拟工况下的COP都较标准GAX吸收式制冷装置高20％以上。当发生温度大于147.5℃的时候，本发明装置在所有模拟工况下的COP都较标准GAX吸收式制冷装置高25％以上。相对于标准GAX已经较高的COP来说，这是一个极大的提高的幅度。
表2本发明装置以及标准GAX吸收式装置在不同蒸发温度下的性能对比
  工况   tE(℃)   COPSGAX   COPPGAX   η(％)
  工况1   -20   0.51295   0.57258   11.62491
  工况2   -17.5   0.53940   0.64129   18.88951
  工况3   -15   0.56649   0.70564   24.56354
  工况4   -12.5   0.59429   0.76451   28.64258
  工况5   -10   0.62292   0.81075   30.15315
  工况6   -7.5   0.66151   0.86668   31.0154
  工况7   -5   0.71987   0.93297   29.60257
  工况8   -2.5   0.78243   0.99786   27.53345
  工况9   0   0.84929   1.06571   25.48246
  工况10   2.5   0.92042   1.13781   23.61857
  工况11   5   0.99589   121112   21.61182
表2是在发生温度为165℃时，本发明装置以及标准GAX吸收式装置在不同蒸发温度下的性能对比。tE指的是发生终了温度，COPSGA指的是标准GAX装置的性能系数，COPPGAX指的是本发明装置的性能系数，η指的是本发明装置的性能系数相对标准GAX吸收式制冷装置性能系数的提高幅度。从表2中可以看出由于本发明装置能够利用标准GAX吸收式制冷装置能够利用低品位吸收热制取所需要的冷量，因而本发明装置的性能系数要较标准GAX吸收式制冷装置高得多。当蒸发温度大于-20℃的时候，本发明装置在所有模拟工况下的COP都较标准GAX吸收式制冷装置高20％以上。

Claims (4)

1.一种高效GAX吸收式制冷装置，包括精馏器(1)、冷凝器(2)、第一节流元件(3)、蒸发吸收器(4)、气液分离器(5)、第二节流元件(6)、蒸发器(7)、低压吸收器(8)、第一溶液泵(9)、溶液冷却吸收器(10)、低温发生吸收热交换器-吸收器(11)、高温发生吸收热交换器-吸收器(12)、第三节流元件(13)、低温发生吸收热交换器-发生器(14)、高温发生吸收热交换器-发生器(15)、发生器(16)、第二溶液泵(17)、高压吸收器(18)和第三溶液泵(19)，其特征在于：所述的发生器(16)的气相出口依次与高温发生吸收热交换器-发生器(15)、低温发生吸收热交换器-发生器(14)、精馏器(1)、冷凝器(2)、第一节流元件(3)、蒸发吸收器(4)、气液分离器(5)、第二节流元件(6)、蒸发器(7)、低压吸收器(8)、第一溶液泵(9)、溶液冷却吸收器(10)、低温发生吸收热交换器-吸收器(11)、高温发生吸收热交换器-发生器(15)连接；发生器(16)的液相出口依次与第三节流元件(13)、高温发生吸收热交换器-吸收器(12)、低温发生吸收热交换器-吸收器(11)、溶液冷却吸收器(10)、低压吸收器(8)、蒸发吸收器(4)、第二溶液泵(17)、高压吸收器(18)、第三溶液泵(19)、低温发生吸收热交换器-发生器(14)连接；气液分离器(5)与高压吸收器(18)相连接；蒸发器(7)与蒸发吸收器(4)相连接；所述的精馏器(1)出口的溶液流到低温发生吸收热交换器-发生器(14)发生；所述的低温发生吸收热交换器-发生器(14)出口的溶液流到高温发生吸收热交换器-发生器(15)发生；所述的高温发生吸收热交换器-发生器(15)出口的溶液流到发生器(16)，被外界高温热源进一步加热。
2.如权利要求1所述的高效GAX吸收式制冷装置，其特征在于：所述的发生器(16)与高温发生吸收热交换器-发生器(15)之间设有溶液加热发生器(20)，分别与高温发生吸收热交换器-发生器(15)、发生器(16)相连；发生器(16)的液相出口与溶液加热发生器(20)及第三节流元件(13)依次连接。
3.如权利要求2所述的高效GAX吸收式制冷装置，其特征在于：所述的第二溶液泵(17)与高压吸收器(18)之间设有溶液换热器(21)；溶液换热器(21)的稀制冷剂溶液入口与低压吸收器(8)相连接；溶液换热器(21)的稀制冷剂溶液出口与蒸发吸收器(4)相连接；溶液换热器(21)的浓制冷剂溶液入口与第二溶液泵(17)相连接；溶液换热器(21)的浓制冷剂溶液出口与高压吸收器(18)相连接。
4.如权利要求3所述的高效GAX吸收式制冷装置，其特征在于：所述的高压吸收器(18)的出口连接溶液冷却吸收器(10)后再与第三溶液泵(19)连接。
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