CN102022854A - 一种复合制冷及热泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于制冷及热泵技术领域，尤其是一种解吸-机械压缩-再吸附复合制冷及热泵系统。它包括反应器组、三向阀组、回质阀组、压缩机，反应器组内各反应器设有换热盘管，反应器组内各反应器内填充有吸附剂，其特征是：反应器组内各反应器上口与三向阀组内对应三向阀下口连接，三向阀组内各三向阀上口与压缩机进口连接，压缩机出口与三向阀组内各三向阀右口连接，反应器组内各反应器下口与回质阀组内对应回质阀上口连接，回质阀组内各回质阀下口用一管道相互连通，形成回质通道。本发明利用吸附放热和解吸吸热原理，在不同工况下，通过选择恰当的吸附剂，保证系统在合适的压力及压比下安全运行，且运行效率明显高于单纯的蒸汽压缩式系统。

Description

一种复合制冷及热泵系统

技术领域

本发明属于制冷及热泵技术领域，尤其是一种解吸-机械压缩-再吸附复合制冷及热泵系统。

背景技术

常用的制冷或热泵方式其实质为液态制冷剂在低温蒸发吸收热量成为低压蒸汽，低压蒸汽再经过一些方式变成高压状态蒸汽，在高压状态冷凝放出热量。目前实现制冷剂蒸汽从低压状态向高压状态转变的制冷或热泵方式有机械压缩制冷或热泵、吸附制冷或热泵和吸收式制冷或热泵等，主流的制冷或热泵方式为机械压缩制冷或热泵。由于CFCs对臭氧层和大气变暖的重要影响，保护环境、实现CFCs替代等成为全世界共同关注的问题，而目前并没有找到一系列性能达到或超过CFCs的环保制冷剂。吸收及吸附式制冷或热泵系统所用制冷剂一般为天然工质，基本不存在环境问题，但仅仅适用于具有大量余热和空间的地方，这就严重限制了这两类系统的应用范围。

经对现有技术的公开文献检索发现，申请号为200310108923的中国专利，公开了氨压缩-吸收复合热泵循环装置及循环方法，该专利申请采用氨水作为吸收剂，氨作为制冷剂，发生器、压缩机和吸收器串联连接，通过解吸吸热及吸附放热来代替相变方式的蒸发冷凝过程。由于氨水吸收及解吸过程为双变量控制的过程，在无热源时并不适合制冷过程，并且在相同工况下氨压缩-吸收复合机组运行效率明显低于氨蒸汽压缩机组；另外，吸收式制冷及热泵系统需要循环泵、精馏塔等装置，耗费大量高品位能源，并且存在制冷剂污染、不抗震动、溶液结晶及对金属腐蚀等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种运行效率高、可满足不同工况的解吸-机械压缩-再吸附复合制冷及热泵系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种复合制冷及热泵系统，包括反应器组、三向阀组、回质阀组、压缩机，反应器组内各反应器设有换热盘管，反应器组内各反应器内填充有吸附剂；其特征是：反应器组内各反应器上口与三向阀组内对应三向阀下口连接，三向阀组内各三向阀上口与压缩机进口连接，压缩机出口与三向阀组内各三向阀右口连接，反应器组内各反应器下口与回质阀组内对应回质阀上口连接，回质阀组内各回质阀下口用一管道相互连通，形成回质通道。

吸附剂主要包括物理吸附剂(如活性炭、活性炭纤维、沸石分子筛、硅胶、金属有机骨架材料等)和化学吸附剂(金属卤化物、金属氧化物等)和混合/复合吸附剂。结合运行工况和吸附剂特性，选择系统的吸附剂，保证压缩机进出口压比处于一个合适状态，且即使系统作为热泵产生200℃以上的高温时，系统运行依然高效且安全。

本发明所述复合制冷及热泵系统的压缩机为干式压缩机；若为含油压缩机时，系统需在压缩机出口添加油分器，防止润滑油污染吸附剂。

反应器组内反应器数量为2～20个，反应器组内每个反应器随系统运行一周期有四种存在状态，依次为解吸态、低压回质态、吸附态和高压回质态。处于解吸态的各反应器对应的三向阀组内的三向阀连通反应器与压缩机进口，对应的回质阀组内回质阀关闭，对应的换热盘管串联连接并通入低温热源流体，以减小换热温差；处于低压回质态的各反应器对应的三向阀组内的三向阀截止，对应的回质阀组内回质阀连通，对应的换热盘管不通入流体；处以吸附态的各反应器对应的三向阀组内的三向阀连通压缩机出口与反应器，对应的回质阀组内回质阀截止，对应的换热盘管串联连接并通入高温热源流体，以减小换热温差；处于高压回质态的各反应器对应的三向阀组内的三向阀截止，对应的回质阀组内回质阀连通，对应的换热盘管不通入流体。

反应器组内处于解吸态的反应器从对应的换热盘管内低温流体吸收热量，解吸出低压制冷剂蒸汽，低压制冷剂蒸汽进入压缩机后被压缩成高压制冷剂气体，高压制冷剂气体被反应器组内处于吸附态的反应器吸附，并向对应的换热盘管内高温流体放出热量；解吸态的反应器解吸完毕时处于低温低压状态，然后进入低压回质态；吸附态的反应器吸附完毕时处于高温高压状态，然后进入高压回质态；处于低压回质态的反应器与处于高压回质态的反应器通过对应的回质阀组内回质阀连通，进行质量回收，全部变为中温中压状态；低压回质态的反应器回质完毕，进入吸附态；高压回质态的反应器回质完毕，进入解吸态。

处于解吸态反应器内吸附剂从对应的换热盘管内低温流体吸收热量而解吸出制冷剂蒸汽是固体吸附剂吸热解吸过程，而不是蒸发；处于吸附态反应器内吸附剂吸附制冷剂蒸汽并向对应的换热盘管内高温流体放出热量的过程是固体吸附剂吸附放热过程，而不是冷凝。

本发明的有益效果：其一，制冷剂为自然工质，对环境无危害；其二，低温端的吸热为解吸作用吸热而非液体相变为气体的吸热，高温端的放热为吸附作用放热而非气体相变为液体的吸热，其吸、放热量远比相变热大，能明显减少制冷剂灌充量和循环量，并大大提高系统运行效率；其三，由于吸附剂选择多样，可以根据工况要求选择不同吸附剂，始终保证压缩机在合适的压比和安全的压力下高效运行；其四，若采用化学吸附剂，吸附解吸过程为单变量控制过程，运行过程与现有蒸发冷凝式机械压缩机组运行基本相同，具有结构简单，便于控制等优点，且容易改造；其五，系统无液体，抗震性能好，不会污染吸附剂。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图中：1是反应器、2是吸附剂、3是换热盘管、4是三向阀组、5是压缩机、6是回质阀组。

图中实线箭头表示制冷剂的流动方向，虚线箭头方向表示换热盘管中传热流体的流动方向。

具体实施方案

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：反应器组1、吸附剂2、换热盘管3、三向阀组4、压缩机5和回质阀组6。反应器组1代替了传统压缩式制冷/热泵系统的蒸发器和冷凝器；反应器组1内各反应器上口与三向阀组4内对应三向阀下口连接，三向阀组4内各三向阀上口与压缩机5进口连接，压缩机5出口与三向阀组4内各三向阀右口连接，反应器组1内各反应器下口与回质阀组6内对应回质阀上口连接，回质阀组6内各回质阀下口用一管道相互连通，形成回质通道。反应器组1内各反应器设有换热盘管3；反应器组1内各反应器内填充有吸附剂2。

本实施例中，吸附剂2为石墨与BaCl₂组成的混合吸附剂，吸附剂为BaCl₂，石墨为了强化导热系数，缓解BaCl₂吸附性能衰减，制冷剂为氨；压缩机5为干式动磁时直线压缩机。

本实施例中，反应器组1内反应器数量为2个，反应器组1内每个反应器随系统运行一周期有四种存在状态，依次为解吸态、低压回质态、吸附态和高压回质态。当一个反应床为解吸态时，另外一个为吸附态。解吸态的反应床解吸完毕时进入低压回质态，吸附态的反应床同时吸附完毕进入高压回质态，压缩机停止工作。

本实施例中，解吸态各反应器对应的三向阀组4内的三向阀连通反应器与压缩机进口，对应的回质阀组6内回质阀关闭，对应的换热盘管串联连接并通入低温热源流体，以减小换热温差；低压回质态各反应器对应的三向阀组4内的三向阀截止，对应的回质阀组6内回质阀连通，对应的换热盘管3不通入流体；吸附态各反应器对应的三向阀组4内的三向阀连通压缩机出口与反应器，对应的回质阀组6内回质阀截止，对应的换热盘管串联连接并通入高温热源流体，以减小换热温差；高压回质态各反应器对应的三向阀组4内的三向阀截止，对应的回质阀组4内回质阀连通。

本实施例中，反应器组1内处于解吸态的反应器从对应的换热盘管3内低温流体吸收热量，解吸出低压制冷剂蒸汽，低压制冷剂蒸汽进入压缩机5后被压缩成高压制冷剂气体，高压制冷剂气体被反应器组1内处于吸附态的反应器吸附，并向对应的换热盘管3内高温流体放出热量；解吸态的反应器解吸完毕时处于低温低压状态，然后进入低压回质态；吸附态的反应器吸附完毕时处于高温高压状态，然后进入高压回质态；处于低压回质态的反应器与处于高压回质态的反应器通过对应的回质阀组6内回质阀连通，进行质量回收，全部变为中温中压状态；低压回质态的反应器回质完毕，进入吸附态；高压回质态的反应器回质完毕，进入解吸态。处于解吸态的反应器从对应换热盘管3内低温流体吸收的热量不是汽化潜热，而是解吸热；处于吸附态的反应器向对应的换热盘管3内高温流体放出的热量不是气体冷凝热，而是吸附热。

本实施例中，低温热源温度为5℃，高温热源温度40℃，其运行效率要比氨机械压缩式制冷系统提高30％。

实施例2

本实施例中，吸附剂2为活性炭与CaCl₂混合组成的复合吸附剂，制冷剂为氨；压缩机5为含油压缩机，其出口添加了润滑油分离器。

本实施例中，反应器组1内反应器数量为4个，反应器组1内每个反应器随系统运行一周期有四种存在状态，依次为解吸态、低压回质态、吸附态和高压回质态。在每一个时刻，总有一个反应器处于解吸态，一个反应器处于低压回质态，一个反应器处于吸附态，一个反应器处于高压回质态。

本事实例中，其它实施条件和过程与实施例1相同。

本实施例中，低温热源温度为40℃，高温热源温度为100℃，其运行效率要比氨机械压缩式热泵系统提高1倍以上，且压机进口压力约为100KPa，出口压力约600KPa，完全可安全运行。

实施例3

本实施例中，吸附剂2为金属有机骨架材料MOF-177，制冷剂为二氧化碳；压缩机5为含油压缩机，其出口添加了润滑油分离器。

本实施例中，反应器组1内反应器数量为20个，反应器组1内每个反应器随系统运行一周期有四种存在状态，依次为解吸态、低压回质态、吸附态和高压回质态。在每一个时刻，总有8个反应器处于解吸态，2个反应器处于低压回质态，8个反应器处于吸附态，2个反应器处于高压回质态。

本事实例中，其它实施条件和过程与实施例1相同。

本实施例中，低温热源温度为0℃，高温热源温度为40℃，其运行效率要比二氧化碳机械压缩式热泵系统提高1.5倍以上，且压机进口压力约为1MPa，出口压力约6MPa，可安全运行。

Claims (4)

1.一种复合制冷及热泵系统，包括反应器组(1)、三向阀组(4)、回质阀组(6)、压缩机(5)，反应器组(1)内各反应器设有换热盘管(3)，反应器组(1)内各反应器内填充有吸附剂(2)，其特征是：反应器组(1)内各反应器上口与三向阀组(4)内对应三向阀下口连接，三向阀组(4)内各三向阀上口与压缩机(5)进口连接，压缩机(5)出口与三向阀组(4)内各三向阀右口连接，反应器组(1)内各反应器下口与回质阀组(6)内对应回质阀上口连接，回质阀组(6)内各回质阀下口用一管道相互连通，形成回质通道。

2.根据权利要求1所述的复合制冷及热泵系统，其特征是，反应器组(1)内反应器数量为2～20个，反应器组(1)内每个反应器随系统运行一周期有四种存在状态，依次为解吸态、低压回质态、吸附态和高压回质态。

3.根据权利要求2所述复合制冷及热泵系统，其特征是处于解吸态的各反应器对应的三向阀组(4)内的三向阀连通反应器与压缩机进口，对应的回质阀组(6)内回质阀关闭，对应的换热盘管(3)之间串联连接并通入低温热源流体；处于低压回质态的各反应器对应的三向阀组(4)内的三向阀截止，对应的回质阀组(6)内回质阀连通，对应的换热盘管(3)不通入流体；处于吸附态的各反应器对应的三向阀组(4)内的三向阀连通压缩机出口与反应器，对应的回质阀组(6)内回质阀截止，对应的换热盘管(3)之间串联连接并通入高温热源流体；处于高压回质态的各反应器对应的三向阀组(4)内的三向阀截止，对应的回质阀组(6)内回质阀连通，对应的换热盘管(3)不通入流体。

4.根据权利要求2或3所述的复合制冷及热泵系统，其特征是，反应器组(1)内处于解吸态的反应器从对应的换热盘管(3)内低温流体吸收热量，解吸出低压制冷剂蒸汽，低压制冷剂蒸汽进入压缩机(5)后被压缩成高压制冷剂气体，高压制冷剂气体被反应器组(1)内处于吸附态的反应器吸附，并向对应的换热盘管(3)内高温流体放出热量；解吸态的反应器解吸完毕时处于低温低压状态，然后进入低压回质态；吸附态的反应器吸附完毕时处于高温高压状态，然后进入高压回质态；处于低压回质态的反应器与处于高压回质态的反应器通过对应的回质阀组(6)内回质阀连通，进行质量回收，全部变为中温中压状态；低压回质态的反应器回质完毕，进入吸附态；高压回质态的反应器回质完毕，进入解吸态。

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