CN102538286A

CN102538286A - 太阳能制冷系统及其制冷方法

Info

Publication number: CN102538286A
Application number: CN2012100113886A
Authority: CN
Inventors: 张兴娟; 白清源; 宋博杰; 杨春信
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2012-01-13
Filing date: 2012-01-13
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2032-01-13
Also published as: CN102538286B

Abstract

本发明公开了一种太阳能制冷系统及其制冷方法，集热系统A、热泵系统B和吸收式制冷系统C三个系统，首先采用集热系统收集热量，然后热泵系统热量提升；然后吸收式制冷系统制冷，得到冷冻水实现制冷。本发明减小了对集热系统的要求，可缓解气候因素变化对集热系统的影响，可满足光照不足的天气情况下制冷系统工作，保证了太阳能制冷系统工作的稳定性和高效性。

Description

太阳能制冷系统及其制冷方法

技术领域

本发明属于太阳能制冷系统改进设计技术领域。具体涉及提升太阳能热量应用的品位，以提高其驱动的制冷系统性能。

背景技术

建筑领域采用的太阳能制冷系统主要是通过吸收式、吸附式和喷射式等制冷方式实现的。经过近年来的发展，吸收式与吸附式制冷技术越来越成熟。但仍存在不足：制冷效率相对较低，不足以满足人们的需求；制冷系统性能受太阳能集热系统的影响显著，对集热系统的集热效率与温度提出了较高要求；制冷系统性能与气象条件息息相关，在太阳光照不足的情况下，集热系统达不到预期的集热效果与热量，从而影响了制冷系统的性能系数。

发明内容

本发明目的在于提出利用集热系统、热泵系统和吸收式制冷系统组成的太阳能制冷系统设计方案。为了减小因天气环境对太阳能制冷带来的较大影响并降低对集热系统的要求，提出在原有太阳能制冷系统中加入用于提升太阳能热量应用品位的热泵系统。利用平板型集热器收集太阳辐射能，收集到的热源温度较直接利用集热-制冷的系统收集热源温度较低，通过热泵系统将低品位热量提升到高品位热量，再将此热量用于驱动吸收式制冷实现制冷。

本发明的太阳能制冷系统包括集热系统A、热泵系统B和吸收式制冷系统C三个系统，所述的集热系统A包括顺序通过管路连接的第一蓄热器、第一泵、集热器、第二蓄热器和第二泵，其中第一泵用于将第一蓄热器中的较低温度的集热工质水泵出后，使得集热工质水经过集热器的加热后，获得热量，然后储存在第二蓄热器中，所述的第二泵用于将第二蓄热器中的较高热量的集热工质水泵出，提供给热泵系统B，较高热量的集热工质水经过热泵系统B中的第一蒸发器后温度降低，返回到第一蓄热器中。

所述的热泵系统B包括通过管路顺次连接的第一蒸发器、压缩机、第一冷凝器和第一膨胀阀，其中第一蒸发器中的工质通过第二蓄热器中的较高温度的集热工质水加热蒸发，然后通过压缩机形成高温高压气体，高温高压气体通过第一冷凝器冷却降温释放热量，并通过第一膨胀阀回流到第一蒸发器，如此循环；其中第一冷凝器中的高温高压气体释放热量传递给传热工质水，传热工质水在第三泵的带动下在第一冷凝器和吸收式制冷系统C中的发生器之间循环。

所述的吸收式制冷系统C包括发生器、第二冷凝器、第二膨胀阀、溶液热交换器、减压阀、吸收器和第四泵，其中，吸收器出口的较低浓度的溶液经过第四泵泵出后，经过溶液热交换器后进入发生器，发生器产生的较高浓度溶液经过溶液热交换器后，流经减压阀回到吸收器中；所述的发生器中的较高浓度溶液由于吸收传热工质水的热量而发生溶剂蒸发，作为高压制冷剂蒸汽通过第二冷凝器，在第二冷凝器中被冷却水冷却后降温，然后通过第二膨胀阀回到第二蒸发器，在第二蒸发器中对冷冻水进行冷却，得到低温冷冻水。应用所述的太阳能制冷系统进行制冷的方法为：利用集热器捕获太阳辐射能，将集热工质水温度升高，获得热量；这部分热量利用蓄热装置储存，再持续提供给热泵系统的蒸发器，热泵工质吸收集热工质水的热量，集热工质水温度降低，流回集热器重新吸收太阳能，开始新的循环；热泵系统利用集热系统热量提供给蒸发器，通过压缩机形成高温高压的气体，进入到冷凝器较高温度范围内冷却，释放热量，再通过第一膨胀阀返回到第一蒸发器，完成一个循环。热泵系统在此循环中，将以较低温度储存在第一蒸发器端的热量提升到温度较高的能量储存在第一冷凝器，实现低品位能向高品位能的转换。热泵系统冷凝过程释放的热量由传热工质水吸收，再通过传热工质水传递给吸收式制冷系统。传热工质水提供热量给吸收式制冷系统中的发生器，加热后制冷剂蒸发，产生高压蒸汽，进入第二冷凝器冷凝形成高压饱和液，经过第二膨胀阀后到第二蒸发器中吸热气化，达到制冷效果，制冷剂到吸收器再吸收；发生器内产生的高浓度溶液经溶液热交换器到吸收器内吸收制冷剂形成低浓度溶液，再经由溶液热交换器到发生器，形成溶液循环。

在传统制冷系统中直接利用集热的高温热源驱动制冷系统，对集热系统要求过高，同时制冷效率受天气条件较大。而采用本发明设计的新型太阳能制冷系统，一方面减小了对集热系统的要求，另一方面可缓解气候因素变化对集热系统的影响，可满足光照不足的天气情况下制冷系统工作，保证了太阳能制冷系统工作的稳定性和高效性。

附图说明

图1是本发明的太阳能制冷系统及制冷方法示意图；

图2是南京地区典型日太阳总辐射强度曲线图；

图3是每平方米产集热工质水①水量随时间变化图。

图中：

1、第一蓄热器；2、第一泵；3、集热器；4、第二蓄热器；5、第二泵；6、第一蒸发器；7、压缩机；8、第一冷凝器；9、第一膨胀阀；10、第三泵；11、发生器；12、第二冷凝器；13、第二膨胀阀；14、第二蒸发器；15、溶液热交换器；16、减压阀；17、吸收器；18、第四泵。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明提供的新型太阳能制冷系统设计方案进行详细说明。

如图1所示的是本发明提供的设计方案示意图，本发明提供的太阳能制冷系统包括集热系统A、热泵系统B和吸收式制冷系统C三个系统，图中虚线框标明。所述的集热系统A包括顺序通过管路连接的第一蓄热器1、第一泵2、集热器3、第二蓄热器4和第二泵5，其中第一泵2用于将第一蓄热器1中的较低温度的集热工质水①泵出后，使得集热工质水①经过集热器3的加热后，获得热量，然后储存在第二蓄热器4中，所述的第二泵5用于将第二蓄热器4中的较高热量的集热工质水①泵出，提供给热泵系统B，较高热量的集热工质水经过热泵系统B中的第一蒸发器6后温度降低，返回到第一蓄热器1中。所述的集热器3根据所需太阳能的辐照情况，可以选则一个以上的集热器3组成集热器组，并列连接在第一泵2和第二蓄热器4之间，进行太阳能热量的获得。

所述的热泵系统B包括通过管路顺次连接的第一蒸发器6、压缩机7、第一冷凝器8和第一膨胀阀9，其中第一蒸发器6中的工质通过第二蓄热器4中的较高温度的集热工质水①加热蒸发，然后通过压缩机7形成高温高压气体，高温高压气体通过第一冷凝器8冷却降温释放热量，并通过第一膨胀阀9回流到第一蒸发器6，如此循环。其中第一冷凝器8中的高温高压气体释放热量传递给传热工质水②，传热工质水②在第三泵10的带动下在第一冷凝器8和吸收式制冷系统C中的发生器11之间循环。传热工质水②经过发生器11时释放热量，温度降低。

所述的吸收式制冷系统C包括发生器11、第二冷凝器12、第二膨胀阀13、溶液热交换器15、减压阀16、吸收器17和第四泵18，其中，吸收器17中的较低浓度的溶液经过第四泵18泵出后，在溶液热交换器15中与发生器11出口较高浓度溶液进行热交换后进入发生器11，发生器11中较高浓度溶液经过溶液热交换器15后，流经减压阀16回到吸收器17中，所述的吸收器17中的溶液因为吸收了第二蒸发器14中的制冷剂(低压蒸汽)而具有较低的浓度，而所述的发生器中的溶液由于吸收热量后溶剂蒸发而具有较高的浓度。

所述的发生器11中的较高浓度溶液由于吸收传热工质水的热量而发生溶剂蒸发，作为高压制冷剂蒸汽通过第二冷凝器12，在第二冷凝器12中被冷却水③冷却后降温，然后通过第二膨胀阀13回到第二蒸发器14，在第二蒸发器14中对冷冻水④进行冷却，得到低温冷冻水④。

应用上述的太阳能制冷系统进行制冷的制冷方法，具体通过如下步骤实现：

步骤一、集热系统收集热量；

集热器3的入口是较低温度的集热工质水①，利用集热器3捕获太阳辐射能，集热工质水①通过集热器3获得热量，在出口处水温提高。通过第一泵2带动集热工质水①的循环，从而将捕获的太阳能储存在第二蓄热器4中，再予以利用。系统制冷时，第二泵5运转，将集热器3出口处储存的集热工质水①中的能量提供给热泵系统B；太阳辐照时，利用第一泵2将第一蓄热器1中的水抽取经过集热器3吸热后储存于第二蓄热器4中，没有太阳辐照时，第一泵2不工作。

步骤二、热泵系统热量提升；

利用热量获得型热泵，将步骤一中储存在第二蓄热器4的能量作为低品位的能量运输到高品位中，具体为：热泵系统B通过压缩机7形成高温高压的气体，进入到第一冷凝器8温度降低，气体冷凝释放热量，再通过第一膨胀阀9返回到第一蒸发器6，完成一个循环。第一蒸发器6通过第二蓄热器4输出的较高温度的集热工质水①加热蒸发，同时集热工质水①温度降低，而后再回到第一蓄热器1。上述循环过程中，第一冷凝器8将热量传递给传热工质水②使其升温，得到高温度的传热工质水②，由第三泵10带动再利用。

步骤三、吸收式制冷系统制冷。

传热工质水②通过热泵系统B中的第一冷凝器8而升温获得热量，并将热量提供给吸收式制冷系统C中的发生器11，驱动吸收式制冷系统C工作。

制冷剂循环：由第二蒸发器14出来的低压蒸汽进入吸收器17，被吸收剂强烈吸收，吸收过程中放出的热量被冷却水③带走，形成的溶液由第四泵18泵出，流经溶液热交换器15送入发生器11中，在发生器11中溶液被热源(传热工质水②)加热后，溶液中的溶剂蒸发，产生高压制冷剂蒸汽，进入第二冷凝器12冷凝形成高压饱和液体，经第二膨胀阀13节流到蒸发压力进入第二蒸发器14内吸热(冷冻水④释放热量)汽化，达到制冷目的。

溶液的循环：从第二蒸发器14引来的低压制冷剂蒸汽在吸收器17中被喷淋；在发生器11中利用外热源(传热工质水②)对溶液加热，产生制冷剂蒸汽，剩余的高浓度溶液流经溶液热交换器15通过减压阀16降压后返回吸收器17，形成循环。冷却水③采用串联的方式，冷却水③先流入吸收器17吸收热量后，温度仍然是低于由发生器11出口的制冷剂蒸汽温度，因此可以流入第二冷凝器12中对制冷剂蒸汽进行降温。

所述的溶液热交换器15用来对发生器11出口的高浓度溶液和吸收器17出口的较低浓度溶液进行热交换，可以使得较高浓度的溶液得到预降温，较低浓度的溶液得到预升温，这样可以充分利用系统中的热量。

步骤四、冷冻水系统。

吸收式制冷系统C中的第二蒸发器14吸收冷冻水④的热量。冷却水④温度降低后流至室内的风机盘管中，将冷量散发到室内，从而使室温降低，达到制冷。

实施例

应用本发明提供的设计方案在南京地区典型日的太阳辐照情况下进行设计计算。南京地区典型日全天太阳总辐射强度如图2所示。

集热系统：太阳辐照强度不同时，利用第一泵2使流经集热器3的集热工质水①流量不同，以达到集热器3出口水温t₂为65℃。假定入口水温t₁为55℃，平均集热效率为0.52。1m²集热面积产出集热工质水①流量随时间变化如图3所示。在白天(6点～19点)日照情况单位平方米收集到热量11921.6kJ，用于提供全天的制冷量。

R134a热泵系统：R134a压缩机效率经查找相关文献，查到QD70压缩机经验值η为0.63，以此数值计算。蒸发温度t₆为60℃，冷凝温度t₄为93℃，对热泵系统进行计算，结果为：单位质量吸热量76.6kJ/kg；单位质量压缩功20.8kJ/kg；单位质量制热量97.4kJ/kg；供热系数：4.7。

溴化锂吸收式制冷系统：发生器11处热源来源于热泵的冷凝器8。R134a热泵冷凝器8温度为93℃，传热工质水②在冷凝器8处换热吸收热量，再传递给制冷系统的发生器11，考虑换热损失，取两者温差为3℃，发生器11处热源温度t₁₁，为90℃。制冷系统中蒸发温度t₁₄为10℃。冷却水③的进口温度为t₂₂＝32℃，选用吸收器17和冷凝器12总温差为4℃，则冷凝器12冷却水③出口为t₂₃＝36℃。由蒸发温度查出蒸发压力为1227Pa，吸收压力小于蒸发压力0.2～0.6mmHg，吸收压力p_a＝p_o-Δp_o，可取为1170Pa。冷凝温度一般比冷凝器12的冷却水③出口温度高3-6℃，取温差为4℃，因此，冷凝温度t₁₉为40℃。根据冷凝温度查冷凝压力为p_k＝7370Pa，一般取发生压力略大于冷凝压力，这里取压差为30Pa。因此，发生器11压力p_g为7400Pa。发生器11出口浓溶液的温度t₁₅＝t_11’-Δt₁₅，其中加热热源温度与发生器11出口浓溶液的温度差Δt₁₅＝8-12℃，取Δt₁₅为10℃，则t₁₅＝80℃，查溴化锂溶液的物性图可知：发生器11出口浓溶液的浓度ξ_s＝57.5％，焓h₁₅＝337.5kJ/kg。吸收器17出口稀溶液的温度t₁₂＝t₂₂+Δt₁₂，其中Δt₁₂为吸收器17出口稀溶液温度与冷却水③出口温度差，一般为3～9℃。取Δt₁₂为8℃，则t₁₂为40℃，查物性图可知：吸收器17出口稀溶液的浓度ξ_w＝54.9％，焓h₁₂＝274.5kJ/kg。t₁₆＝t₁₂+Δt_ex，Δt_ex为溶液热交换器15出口浓溶液与进口稀溶液的温度差，一般为15～25℃，取Δt_ex为15℃，可算得溶液热交换器15出口浓溶液温度t₁₆＝55℃。查物性图可知：溶液热交换器15出口浓溶液焓h₁₆＝297.2kJ/kg。溶液循环倍率f＝22.1。溶液热交换器15出口稀溶液温度t₁₄＝61.5℃和焓h₁₄为313.0kJ/kg。蒸发器14内单位质量吸热量为2344.4kJ/kg。发生器11内单位质量吸热量为3190.9kJ/kg。理论循环制冷系数为0.734。

设计方案为提供全天制冷量10kW，需要加入的机械功为2.90kW，集热器搜集热量为926208kJ，集热器面积为77.7m²。

Claims

1.太阳能制冷系统，其特征在于：包括集热系统A、热泵系统B和吸收式制冷系统C三个系统，所述的集热系统A包括顺序通过管路连接的第一蓄热器、第一泵、集热器、第二蓄热器和第二泵，其中第一泵用于将第一蓄热器中的较低温度的集热工质水泵出后，使得集热工质水经过集热器的加热后，获得热量，然后储存在第二蓄热器中，所述的第二泵用于将第二蓄热器中的较高热量的集热工质水泵出，提供给热泵系统B，较高热量的集热工质水经过热泵系统B中的第一蒸发器后温度降低，返回到第一蓄热器中；

所述的热泵系统B包括通过管路顺次连接的第一蒸发器、压缩机、第一冷凝器和第一膨胀阀，其中第一蒸发器中的工质通过第二蓄热器中的较高温度的集热工质水加热蒸发，然后通过压缩机形成高温高压气体，高温高压气体通过第一冷凝器冷却降温释放热量，并通过第一膨胀阀回流到第一蒸发器，如此循环；其中第一冷凝器中的高温高压气体释放热量传递给传热工质水，传热工质水在第三泵的带动下在第一冷凝器和吸收式制冷系统C中的发生器之间循环；

所述的吸收式制冷系统C包括发生器、第二冷凝器、第二膨胀阀、溶液热交换器、减压阀、吸收器和第四泵，其中，吸收器中的较低浓度的溶液经过第四泵泵出后，经过溶液热交换器后进入发生器，发生器中较高浓度溶液经过溶液热交换器后，流经减压阀回到吸收器中；所述的发生器中的较高浓度溶液由于吸收传热工质水的热量而发生溶剂蒸发，作为高压制冷剂蒸汽通过第二冷凝器，在第二冷凝器中被冷却水冷却后降温，然后通过第二膨胀阀回到第二蒸发器，在第二蒸发器中对冷冻水进行冷却，得到低温冷冻水。

2.应用权利要求1所述的太阳能制冷系统进行制冷的方法，其特征在于具体通过如下步骤实现：

步骤一、集热系统收集热量；

利用第一泵将第一蓄热器1中的水抽取经过集热器吸热后储存于第二蓄热器中；

步骤二、热泵系统热量提升；

热泵系统B通过压缩机形成高温高压的气体，进入到第一冷凝器温度降低，气体冷凝释放热量，再通过第一膨胀阀返回到第一蒸发器，完成一个循环，第一蒸发器通过第二蓄热器输出的较高温度的集热工质水加热蒸发，同时集热工质水温度降低，而后再回到第一蓄热器；上述循环过程中，第一冷凝器将热量传递给传热工质水使其升温，得到高温度的利用第三泵带动的传热工质水再利用；

步骤三、吸收式制冷系统制冷；

传热工质水②通过热泵系统B中的第一冷凝器而升温获得热量，并将热量提供给吸收式制冷系统C中的发生器，驱动吸收式制冷系统C工作；

制冷剂循环：由第二蒸发器出来的低压蒸汽进入吸收器，被吸收剂强烈吸收，吸收过程中放出的热量被冷却水带走，形成的溶液由第四泵泵出，流经溶液热交换器送入发生器中，在发生器中被热源加热后溶液中的溶剂蒸发，产生高压制冷剂蒸汽，进入第二冷凝器冷凝形成高压饱和液体，经第二膨胀阀节流到蒸发压力进入第二蒸发器内吸热汽化，达到制冷目的；

溶液的循环：从第二蒸发器引来的低压制冷剂蒸汽在吸收器中被喷淋；在发生器中利用外热源对溶液加热，产生制冷剂蒸汽，剩余的高浓度溶液流经溶液热交换器通过减压阀降压后返回吸收器，形成循环；

步骤四、冷冻水系统；

吸收式制冷系统C中的第二蒸发器吸收冷冻水的热量，冷冻水温度降低后流至室内的风机盘管中，将冷量散发到室内，从而使室温降低，达到制冷。

3.根据权利要求2所述的制冷方法，其特征在于：冷却水采用串联的方式，冷却水先流入吸收器吸收热量后，温度仍然是低于由发生器出口的制冷剂蒸汽温度，因此可以流入第二冷凝器中对制冷剂蒸汽进行预降温。

4.根据权利要求2所述的制冷方法，其特征在于：所述的溶液热交换器用来对发生器出口的高浓度溶液和吸收器出口的较低浓度溶液进行热交换，使得较高浓度的溶液得到预降温，较低浓度的溶液得到预升温。