CN102147165A

CN102147165A - 水喷射-压力闪蒸真空冷水机

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Publication number: CN102147165A
Application number: CN 201110087637
Authority: CN
Inventors: 魏仕英
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-04-08
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2031-04-08
Also published as: CN102147165B

Abstract

水喷射-压力闪蒸真空冷水机，设压力闪蒸蒸发器、冷负载和水泵构成一个封闭的冷媒水循环系统；蒸发器内装水喷头，通过壳体外环形水室将压力水通入水喷头并在壳体内进行喷雾蒸发，获得闪蒸汽和冷水；同时设由旋流喷射真空泵或多扩散管水喷射器、水箱、水泵、冷却塔、水泵构成抽真空的水热力循环系统，且闪蒸汽出口与真空泵连通。本冷水机用真空蒸发、水为工质和制冷剂制冷，用热力闪蒸和旋流喷射提高了水喷射的真空度，用压力闪蒸提高冷媒水的蒸发汽温和汽压，做到直接用水喷射抽吸闪蒸汽，无压缩过程，大大降低制冷能耗。制备7～20℃的循环冷媒水，制冷系数为16.8，是现行螺杆式冷水机4倍以上，溴化锂制冷机10倍以上。可广泛用于制冷、空调和化工工艺等部门。

Description

水喷射-压力闪蒸真空冷水机

(一)技术领域：水喷射-压力闪蒸真空冷水机是以水为工质和制冷剂的水喷射压力闪蒸真空制冷技术，属制冷设备(F25B)。

(二)背景技术：7-25℃的冷媒水是化工生产、制冷与空调设备中广泛使用的冷水。按照国家空调标准的要求，室内干球温度为26℃，相对湿度65％，湿球温度18℃，若能获得18℃的廉价低温冷媒水，便获得了节能环保的健康空调。目前广泛使用的制备冷媒水的设备有：螺杆式压缩机涡轮制冷机和溴化锂冷水机，前者的制冷系数为3.7，后者的制冷系数仅0.8-1.2。若能用水直接廉价制冷，将为制冷与空调技术开辟新的途径。水具有最大的汽化潜热，水因蒸发而降温，水份每蒸发1％水温降6℃。用水蒸发制冷的关键问题是要获得廉价的蒸发真空，并且要廉价地将蒸发出的水蒸汽排出系统，例如：7℃、18℃和25℃水的饱和蒸汽压强分别为1.0KPa、2.1KPa和3.2KPa，比容分别是129m³/kg、65m³/kg和43m³/kg，若要使水蒸汽蒸发，必须获得高于上述值的真空。这样，若用真空泵将水蒸汽抽排至大气中，相应地压缩比分别为100、49和32，显然这是极其耗能的。为了降低压缩比，一种顺理成章的想法是用水喷射真空泵抽水汽，按照现有水喷射真空泵的理轮，其极限真空度等于工作水温所对应的饱和水蒸汽压强，这样若工作水温为32℃，压缩比分别降至4.8、2.3、1.5，绝对压缩量分别为3.8KPa、2.7KPa和1.6KPa，即只需对水蒸汽进行微压缩。

中国专利“水喷射-喷射推进真空冷水机”(ZL200410021799.9)按这一思想设计，结果发现，在高真空状态下要获得这样的压缩量并非易事，而且能耗也不低。若假定压缩过程为等温过程，且取水泵效率为0.65，按气体等温压缩功率公式N＝QΔP/η，当压缩水蒸汽量为1000Kg/h，即制冷量为700kwh时，上述三种状态的功耗分别为209kwh、75kwh、29kwh，此功耗仍不低，也不是本发明追求的能耗指标。针对这一问题，中国专利“旋转射流喷雾增压冷水制备方法及冷水机”(ZL200710048757.8)进行了改进，试图以喷雾增焓增压的方式来降低能耗，但试验中发现难以解决的增压水蒸汽从增压区向蒸发器回流的问题。

(三)发明内容

本发明提供的水喷射-压力闪蒸真空冷水机，就是要解决现有中国专利“水喷射-喷射推进真空冷水机”(ZL200410021799.9)在高真空状态下难以获得水蒸汽的压缩量，且能耗较高，不能满足当今节能减排需求的问题。本发明的目的是，提供一种以水为工质和制冷剂的毋需对水蒸汽压缩的高效节能的真空冷水机。其技术方案如下：

水喷射-压力闪蒸真空冷水机，其特征是：

1)设压力闪蒸蒸发器1、冷负载2和水泵6构成一个封闭的冷媒水循环系统；其中，压力闪蒸蒸发器1有如下结构：在壳体内沿周向均布1支以上水喷头1.5，壳体外表设装有进水管1.3a的环形水室1.3，水喷头进液管与环形水室连通，水泵通过环形水室向水喷头提供压力水；壳体上、下方分别设闪蒸蒸汽出口1.1和冷液出口1.7；2)设旋流喷射真空泵3，有如下结构：泵体内竖直安装水管3.3上方固定下喷喷雾推进抽风装置3.2，此抽风装置3.2外泵体侧壁开进汽管3.8；上部泵体为真空室3.1；泵体中部为扩散锥管3.7，其内的安装水管3.3中部外周固定扩散管整流锥3.4；扩散锥管3.7下端装扩容减压锥3.5，扩容减压锥3.5末端为出水管3.9；安装水管上装连通的总进水管3.6；3)旋流喷射真空泵3出水管3.9插入水箱4内，水箱4排水管4.1外管路4.2上装水泵7，并与冷却塔5进水口5.1连通；冷却塔5的出水口5.2外管路5.3上装水泵8并与旋流喷射真空泵3总进水管3.6连通；由此构成一个冷却水的热力循环系统；4)压力闪蒸蒸发器1蒸汽出口1.1用真空管1A与旋流喷射真空泵3进汽管3.8连通。

上述旋流喷射真空泵3可以用多扩散管水喷射器3A替换。上述冷水机可选如下参数：压力闪蒸蒸发器1的闪蒸压力P₁取300Kpa，蒸发比n取为0.6，闪蒸汽温t₁为40℃，冷却塔工作水温t₅为32℃。

本发明的研制和有益效果：

1)本发明目的是提供以水为工质和制冷剂的毋需对水蒸汽压缩的高效节能真空冷水机。解决途径是通过同时提高旋流喷射真空泵或水喷射器的真空度和闪蒸汽的压强。中国专利“多扩散管水喷射器”(ZL00259988.0)的运行实践对突破现行水射流泵的理论界限，进一步提高其真空度提供了技术途径；与本专利同时申请的中国专利申请“喷射增焓回热式蒸发器”提供的压力闪蒸原理为提高本发明闪蒸汽温提供了理论依据。水喷射真空泵的抽气机理是水喷射流表面的横向湍动所产生的卷吸作用，水喷射器的极限真空为水温所对应的饱和水蒸汽压强。从物理学的基本原理，物质间的热质传递只能有对流、扩散、传导和辐射。由长期实践得出：水喷射流表面的饱和水蒸汽压强与被抽气体之间的压力差是水喷射器抽气的动力，即水喷射器是以压差对流的机理抽气，而水蒸汽压强又取决于水射流的闪蒸蒸发比，蒸发比越大，闪蒸汽压强越低，所以，水喷射器的极限真空度可以高于工作水温对应的极限真空度。表1是对“多扩散管水喷射器”(中国专利ZL00259988.0)的实测数据表1

工作水温℃	喷射口温度℃	真空度(KPa)	出水口压力(KPa)	干球温度℃	湿球温度℃
						29.5	27	-0.097	-0.005	33.5	29.5
21.5	19	-0.098	-0.005	33.5	29.5
						18.5	14.5	-0.100	-0.005	33.5	29.5
15.5	10.5	-0.100	-0.005	33.5	29.5
						11.0	5.0	-0.100	-0.005	33.5	29.5

表2是在热力闪蒸和压力闪蒸条件下的闪蒸水温、水压、蒸发比和闪蒸汽温间关系。

表2

表2指出，在热力闪蒸的条件下，采用大蒸发比可以大幅度地提高水喷射的真空度；在压力闪蒸的条件下，采用小蒸发比，可以大幅度地提高闪蒸汽温。一般说来，水喷射的工作水温为32℃，闪蒸汽即可被抽吸并冷凝。本发明在上述研制基础上获得了实现非压缩方式的水的节能制冷。

2)本冷水机以液态水为工质和制冷剂，利用热力闪蒸原理提高水喷射的真空度(通过设置的旋流喷射真空泵3或多扩散管水喷射器3实现)；利用压力闪蒸原理提高冷媒水的蒸发汽温和汽压，做到直接用水喷射流抽吸并冷凝闪蒸蒸汽，没有压缩过程(通过设置的压力闪蒸蒸发器1、冷负载2和水泵6构成一个封闭的冷媒水循环系统实现)，故大大降低了制冷能耗。本冷水机的全部能量来自水泵的压力势能。例如：①制备17～20℃的循环冷媒水，闪蒸汽温取40℃(蒸汽出口1.1处)按表2，蒸发比为0.6％，蒸发器闪蒸水压为300KPa，蒸发1T/h水，即获得700KWh制冷量，所需冷媒水泵6流量167T/h，取水泵效率为0.65，这样水泵6、水泵7和水泵8的功耗分别为21.4KWh、6.4KWh和15.7KWh。冷水机制冷系数为16.8(700/21.4+6.4+15.7)。②同样制备9～12℃的循环冷媒水的制冷系数为14.4，若不计冷却塔能耗，制冷系数可达20，是现行螺杆式冷水机4倍以上，是溴化锂制冷机10倍以上。3)众所周知，获得了廉价的18℃的低温循环水，就等于获得了健康节能的空调。因此本发明的实施成功将导致空调节能技术的重大变革。4)采用旋流喷射真空泵3是利用喷雾推进雾化好，喷射流边界层更新速度快的优点，加大射流的闪蒸蒸发比，从而获得大大高于工作水温对应的真空。5)扩散管整流锥3.4的功能是保证水在出口段满流，从而使下游不会影响上游的真空。6)扩容减压锥3.5的功能是降低水箱4内的增温水的背压对上游的影响。

(四)附图说明

图1本发明实施例1结构及流程图；

图2图1中压力闪蒸蒸发器中旋流雾化喷头1.5结构图；

图3图1中旋流喷射真空泵3和水箱4放大图；

图4图3中局部放大图M(下喷式喷雾推进抽风装置3.2)；

图5本发明实施例2结构及流程图。

(五)具体实施方式

实施例1：见图1-图4

1)见图1，设压力闪蒸蒸发器1、冷负载2和水泵6构成一个封闭的冷媒水循环系统。其中，冷负载2为需要冷媒水的用户的设备，如水冷却空调。其中压力闪蒸蒸发器1有如下结构：在壳体1.4内沿周向装1支以上水喷头1.5，本实施例选用旋流雾化喷头1.5，壳体外表装带进水管1.3a的环形水室1.3，旋流雾化喷头进液管1.51与环形水室连通；壳体内上方设闪蒸蒸汽出口1.1、除雾器1.2和封头1.10，下方设溅水筛板1.6、溅水筛板支承1.9、圆锥管1.8和冷液出口1.7。其中，旋流雾化喷头1.5可采用中国专利“大流量吸气式多层旋流雾化喷头”(ZL89105926)公开的结构，现已是公知技术，这里简述如下：见图2，旋流雾化喷头1.5包括顺次水汽路连通的进液管1.51、大直径环状旋流室1.52、簿壁扩张管1.53和多个环形喷头1.54、1.55和1.56以及它们与吸气室1.58之间的多层旋流和环形喷液流道。2)见图3，旋流喷射真空泵3如下组成：泵体内竖直安装水管3.3上方固定下喷式喷雾推进抽风装置3.2，此抽风装置3.2外泵体侧壁开进汽管3.8；上部泵体为真空室3.1；泵体中部为扩散锥管3.7，其内的安装水管3.3中部外周固定扩散管整流锥3.4；扩散锥管3.7下端装扩容减压锥3.5，扩容减压锥3.5末端为出水管3.9；安装水管上装连通的总进水管3.6。其中下喷式喷雾推进抽风装置3.2采用中国专利公开的“外旋式喷雾推进抽风装置”(ZL00112630.X)(现已是公知技术)，本发明选该专利中公开的实施例4的结构：即旋转叶片在旋转水室上方，且向下抽风，雾化喷头向下喷。具体结构见图4：设空心旋转水室3.21外表面对称装两个以上的下喷的旋转雾化喷头3.23，其上方固定向下抽风的旋转叶片3.24，在中心有静止的进液机构3.22通过径向通道3.22a与水室3.21连通；静止的进液机构3.22和旋转水室3.21间装设上下水轴承3.25，旋转水室上下端面开有与水轴承连通的轴向水通过孔3.26，3.27；静止的进液机构3.22上端装有轴向限位的静止磨擦环3.22a、压盖3.22b、下方的中心轴3.22c和底座法兰3.22d。见图3，下方安装水管3.3通过法兰与底座法兰3.22d连接，将进入下方进水管3.6的冷水引入抽风装置3.2进行喷雾推进抽真空。3)见图1，旋流喷射真空泵3下方的出水管3.9插入下方的水箱4内，水箱4排水管4.1外管路4.2上装水泵7，并与冷却塔5下方进水口5.1连通；冷却塔5的出水口5.2外管路5.3上装水泵8并与旋流喷射真空泵3总进水管3.6连通；由此构成一个冷却水的热力循环系统。4)压力闪蒸蒸发器1蒸汽出口1.1用真空管1A与旋流喷射真空泵3进汽管3.8连通。5)冷却塔5可采用现有市售产品。冷却塔5内冷却介质热风可采用从塔顶上方排出。

工作过程：

1)见图1，关闭水阀F1和水泵6；开水阀F2和F3，开水泵7和8，旋流喷射真空泵3和冷却塔5进入工作状态。循环冷水经水泵8送入真空泵3总进水管3.6；见图3、图4，冷水经静止的总进水管3.6、安装水管3.3、中心轴3.22c、径向通道3.22a顺次进入旋转水室3.21、旋转雾化喷头3.23，以雾状形式向下喷出，产生喷雾推力，带动旋转水室3.21和旋转叶片3.24同时旋转(喷头产生的离心增压进一步加大喷雾推动，以取得良好喷雾推进效果。)产生向下的风和聚焦于扩散管3.7与整流锥3.4之间的环形截面的旋转射流，在旋转射流出口附近，射流因雾化和强制通风而大量闪蒸，其结果形成了大大低于进水温度对应的饱和蒸汽压强，即产生了冷媒水蒸发所需的真空压强。在旋流喷射真空泵真空的作用下，蒸发器1内的不凝气被抽除至冷媒水闪蒸所需的真空压强。2)见图1，然后开启水阀F1和水泵6，冷媒水经蒸发器1、冷负载2、水泵6、进水管1.3a、环形水室1.3，旋流雾化喷头进液管1.51，见图2，冷媒水从进液管1.51进入旋流雾化喷头1.5进行带压喷雾闪蒸，在壳体1.4内，多个环形喷头、多层旋流和环形喷液流道喷雾闪蒸后的闪蒸蒸汽穿过除雾器1.2流向上方蒸汽出口1.1，闪蒸后的冷液经下方溅水筛板1.6后落入下方冷液出口1.7，即闪蒸结果同时得到闪蒸冷水和闪蒸蒸汽。在设计中旋流雾化喷头的喷雾水压约200～350Kpa，在蒸发器1中，闪蒸后的水压降至约-100Kpa，因此水的压力势能在蒸发器中转换成热能，此热能使闪蒸蒸汽增温增压；由于在设计状态冷水机的闪蒸蒸发比取0.4％～0.8％，故闪蒸汽温约40℃(见表2)，40℃的闪蒸蒸汽被工作水温32℃(根据冷却塔标准)的旋流喷射真空泵3抽吸并冷凝。

实施例2；见图5，图2

在实施例1中，将图1中旋流喷射真空泵3用“多扩散管水喷射器3A”替换便成为实施例2，即图5所示。也就是说实施例2除旋流喷射真空泵3不同，其余与实施例1完全相同。

“多扩散管水喷射器3A”为中国专利ZL00259988。其结构简述如下：见图5，多扩散管水喷射器3A设有压力水室3.2A、与它连通并向混合室3.4A喷射水的多个并联的水喷嘴3.3A、混合室外与水喷嘴配合的多个并联扩散管3.5A；下方有稳压管3.7A、整流管3.8A和圆柱形尾管3.9A，圆柱形尾管3.9A插入下方下部水箱4中，水箱4排水管4.1外管路4.2上装水泵7，并与冷却塔5下方进水口5.1连通；冷却塔5的出水口5.2外管路5.3上装水泵8并与多扩散管水喷射器3A顶端进水管3.21A连通。混合室壁开抽气管3.1A通过真空管1A与压力闪蒸蒸发器1蒸汽出口1.1连通。

Claims

1.水喷射-压力闪蒸真空冷水机，其特征是：

1)设压力闪蒸蒸发器(1)、冷负载(2)和水泵(6)构成一个封闭的冷媒水循环系统；其中，压力闪蒸蒸发器(1)有如下结构：在壳体内沿周向均布1支以上水喷头(1.5)，壳体外表设装有进水管(1.3a)的环形水室(1.3)，环形水室与水喷头进液管(1.51)连通；壳体上、下方分别设闪蒸蒸汽出口(1.1)和冷液出口(1.7)；

2)设旋流喷射真空泵(3)，有如下结构：泵体内竖直安装水管(3.3)上方固定下喷喷雾推进抽风装置(3.2)，此抽风装置(3.2)外泵体侧壁开进汽管(3.8)；上部泵体为真空室(3.1)；泵体中部为扩散锥管(3.7)，其内的安装水管中部外周固定扩散管整流锥(3.4)；扩散锥管(3.7)下端装扩容减压锥(3.5)，扩容减压锥(3.5)末端为出水管(3.9)；安装水管上装连通的总进水管(3.6)；3)旋流喷射真空泵(3)出水管(3.9)插入水箱(4)内，水箱排水管(4.1)外管路(4.2)上装水泵(7)，并与冷却塔(5)进水口(5.1)连通；冷却塔的出水口(5.2)外管路(5.3)上装水泵(8)并与旋流喷射真空泵总进水管(3.6)连通；

4)压力闪蒸蒸发器蒸汽出口(1.1)用真空管(1A)与旋流喷射真空泵3进汽管(3.8)连通。

2.按权利要求1所述真空冷水机，其特征是所述旋流喷射真空泵(3)用有如下结构的多扩散管水喷射器(3A)替换：设有压力水室(3.2A)、与它连通并向混合室(3.4A)喷射水的多个并联的水喷嘴(3.3A)、混合室外与水喷嘴配合的多个并联扩散管(3.5A)；下方有稳压管(3.7A)、整流管(3.8A)和圆柱形尾管(3.9A)，圆柱形尾管插入下方水箱(4)中；混合室壁开抽气管(3.1A)通过真空管(1A)与压力闪蒸蒸发器1蒸汽出口(1.1)连通。

3.按权利要求1或2所述真空冷水机，其特征是压力闪蒸蒸发器(1)的闪蒸压力P₁取300Kpa，蒸发比n取为0.6，闪蒸汽温t₁为40℃，冷却塔工作水温t₅为32℃。