CN102645050A - 一种工质浓度可调的氨水吸收式制冷系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种工质浓度可调的氨水吸收式制冷系统，涉及中低温余热或太阳能利用技术领域。该系统包括溶液泵、溶液换热器、发生器、精馏塔、冷凝器、过冷器、氨节流阀、蒸发器、吸收器、溶液节流阀、液氨储罐、分流器和流量阀，通过监测吸收器压力、冷却介质温度，来控制分流器和流量阀的开关，以改变机组内基础溶液浓度，使其能够随着冷却介质温度变化而变化，达到了提高系统性能的目的。本发明提供的系统及方法可以使机组全年处于最优工况下运行，年节能率可达7.8％。

Description

一种工质浓度可调的氨水吸收式制冷系统及方法
技术领域
本发明涉及氨水吸收式制冷技术领域，特别是一种工质浓度可调的氨水吸收式制冷系统及方法。
背景技术
氨水吸收式制冷技术是一种可以利用低温余热资源或太阳能、地热等低温可再生能源驱动的制冷技术，其制冷温度范围广，约为10℃～-60℃，广泛用于冷库、石油冶炼及其他化工过程中。低温余热驱动发生过程和精馏过程，将基础溶液分离成高纯度的氨蒸气和低浓度的稀氨水溶液，氨蒸气在冷凝器中冷凝为液氨，液氨经过过冷、节流降压后进入蒸发器蒸发制冷，蒸发后的氨蒸气进入吸收器被来自精馏塔塔釜的稀溶液吸收，最终转变成浓溶液，预热后进入发生器，完成一个循环。
现有氨水吸收式制冷机组基础溶液的浓度一般是恒定的，设计时为了保证机组一年中都能稳定工作，往往按照夏季工况(比如环境温度30℃左右)来设计其基础溶液浓度。随着环境的温度降低，吸收器出口基础溶液容易出现过冷现象，实际运行中需要采取一定的措施来避免或减小过冷现象。对于风冷机组，可以通过降低吸收器空气流量和流速来降低吸收器换热量。对于水冷机组，若冷却水是并联进入冷凝器和吸收器的，则可通过减少进入吸收器冷却水量的方式来避免基础溶液的过冷；若冷却水是串联进入冷凝器和吸收器的，则需要对冷却水量进行优化选择，因为若减少流量，则冷凝器中压力会升高，若不减少流量，则吸收器出口溶液会过冷，二者都会对系统性能产生不利影响。
环境温度降低，系统可以采用更高浓度的溶液，更有利于机组性能提高。现有机组中工质浓度恒定，不能充分利用环境温度降低所能带来的好处，使机组未能处于该环境温度下的最优状态运行。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了克服现有氨水吸收式制冷机组的这个缺点，本发明提供一种工质浓度可调的氨水吸收式制冷系统及方法，能够根据环境温度的变化来调节基础溶液浓度，以使其始终处于该环境温度下的最佳工作状态，提高系统全年工况下的性能。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明提供了一种工质浓度可调的氨水吸收式制冷系统，该系统包括：溶液泵1、溶液换热器2、发生器3、精馏塔4、冷凝器5、分流器6、过冷器7、氨节流阀8、蒸发器9、吸收器10、溶液节流阀11、液氨储罐12和流量阀13，其中，吸收器10与溶液泵1相连接，溶液泵1与溶液换热器2相连接，溶液换热器2依次与发生器3和精馏塔4相连接，精馏塔4的顶部依次连接于冷凝器5和分流器6，分流器6分两路，一路依次与过冷器7、氨节流阀8和蒸发器9相连接，另一路依次与液氨储罐12和流量阀13相连接，精馏塔4的底部依次连接于溶液换热器2和溶液节流阀11，过冷器7、溶液节流阀11和流量阀13分别与吸收器10相连接。
上述方案中，所述分流器6是液体分流设备，用于对液氨进行分流；其入口与冷凝器5出口相连接，第一出口与过冷器7热侧入口相连接，第二出口与液氨储罐12入口相连接。
上述方案中，所述流量阀13是一流量控制阀门，用于控制管道开关以及液体流量；其入口与液氨储罐12出口相连接，出口与吸收器10相连接。
上述方案中，所述液氨储罐12是一液体储存装置，用于存放液氨；其入口与分流器6第二出口相连接，出口与流量阀13入口相连接。
上述方案中，所述溶液泵1是液体加压设备，用于提高液体压力；其入口与吸收器10浓溶液出口相连接，出口与溶液换热器2冷侧入口相连接。
上述方案中，所述溶液换热器2和发生器3是换热设备，用于实现冷、热物流间的热量交换；溶液换热器2热侧进口与精馏塔4塔釜再沸器稀溶液出口相连接，出口与溶液节流阀11入口相连接，冷侧进出口分别与溶液泵1出口和发生器3冷侧入口相连接；发生器3热侧为外热源，冷侧出口与精馏塔4入口相连接。
上述方案中，所述精馏塔4用于将发生过程产生的氨水汽液混合物进行精馏分离，其顶部与冷凝器5入口相连接，用于将精馏分离得到的浓氨蒸汽冷凝作为制冷工质；塔釜再沸器热侧为外热源。
上述方案中，所述过冷器7是换热设备，利用来自蒸发器9的低温制冷工质冷却来自分流器6的液氨；其热侧进出口分别连接分流器6第一出口和氨节流阀8入口，冷侧进出口分别连接蒸发器9出口和吸收器10入口。
上述方案中，所述氨节流阀8和溶液节流阀11是液体节流降压装置，用于液氨和稀溶液的降压；氨节流阀8进出口分别与过冷器4和蒸发器9连接，溶液节流阀11进出口分别与溶液换热器2和吸收器10相连接。
上述方案中，所述蒸发器9用于将制冷工质在其中吸热蒸发，实现冷量输出，其进出口分别与氨节流阀8和过冷器7连接。
上述方案中，所述吸收器10热侧包括来自过冷器8的氨蒸汽和来自溶液节流阀11的稀溶液，冷侧为冷却介质。
为了达到上述目的，本发明还提供了一种氨水吸收式制冷系统基础溶液浓度调节方法，该方法包括：
当机组在一个稳定的冷却介质温度下运行时，分流器分流率为0(分流率＝S15/S6)，冷凝器过来的液氨全部进入制冷循环，流量阀关闭，此时机组处于此温度下的稳定工况；
当冷却介质温度降低时，假设冷却介质的流量和流速等不变，则此时吸收器出口溶液温度也随之降低，并处于此温度、压力下的未饱和状态，此时开启流量阀，向吸收器中释放一定量的纯氨(因为液氨储罐处于高压，吸收器处于低压，所以储罐内液氨可以自行进入吸收器)，以使吸收器出口溶液到达到本温度、压力下的饱和状态，然后关闭流量阀；
当冷却介质温度升高时，假设冷却介质的流量和流速等不变，则吸收器内由于吸收不完会导致压力升高，此时开启分流器第二出口，从循环中分流出一定量的液氨进入液氨储罐(液氨储罐压力略低于冷凝器压力，所以液氨可以自行进入液氨储罐)，以使吸收器内压力恢复正常，此时吸收器出口基础溶液处于饱和状态，且吸收器内没有多余的吸收不完的氨蒸汽，然后关闭分流器第二出口。
上述方案中，吸收器10出来的基础溶液S1先经溶液泵1加压、溶液换热器2预热后形成S3，进入发生器3被外热源加热部分蒸发形成汽液混合物S4，S4进入精馏塔4进行精馏分离，精馏过程中塔釜再沸器所需热量来自于外热源，塔顶采出为高纯度的氨蒸气S5，进入冷凝器5中冷凝成液氨后进入分流器6，分流器根据冷却介质温度来控制分流率，当冷却介质温度不变时分流率为零，液氨全部进入制冷循环，即先后经过过冷器7过冷、氨节流阀8降压后进入蒸发器9蒸发制冷，形成的低温低压氨蒸气S10，经过过冷器将液氨过冷后进入吸收器10；精馏塔塔4釜再沸器产出为高温高压稀氨水溶液S12，经溶液换热器2回收热量、溶液节流阀11降压后进入吸收器10，吸收制冷工质氨蒸气形成基础溶液S1，完成一个循环。
上述方案中，当冷却介质温度降低时，打开流量阀13，将液氨储罐12中部分液氨释放到吸收器10中，使出口基础溶液浓度升高，达到该温度、压力下的饱和状态，然后关闭流量阀13；当冷却介质温度升高时，打开分流器6第二出口，将来自冷凝器5的液氨分流一部分进入到液氨储罐12中，以从循环中分离出部分氨工质，减小吸收器10出口基础溶液浓度，达到该温度、压力下的饱和状态，然后关闭分流器6第二出口。
(三)有益效果
从上述技术方案看，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种工质浓度可调的氨水吸收式制冷系统及方法，以中低品位热为热源，既可以是工业余热，也可以是太阳能等中低温的可再生能源，以达到节能减排的目的。
2、本发明提供的这种工质浓度可调的氨水吸收式制冷系统及方法，利用浓度调节装置，使系统内基础溶液浓度始终处于最优状态，即吸收器出口基础溶液浓度始终处于该环境温度下的饱和状态，以避免由环境温度的降低造成的不必要的过冷，进而避免系统性能的降低。
3、本发明提供的这种工质浓度可调的氨水吸收式制冷系统及方法，利用浓度调节装置，在环境温度降低时使基础溶液浓度增加，进而增加循环放气范围，降低循环倍率，提高系统性能。
附图说明
图1是本发明提供的工质浓度可调的氨水吸收式制冷系统实施例的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1是本发明提供的工质浓度可调的氨水吸收式制冷系统实施例的示意图。其中G1至G3表示热源的载热介质，E1和E2表示载冷剂，W1至W4表示冷却水，S1至S16表示循环工质。该系统包括：溶液泵1、溶液换热器2、发生器3、精馏塔4、冷凝器5、分流器6、过冷器7、氨节流阀8、蒸发器9、吸收器10、溶液节流阀11、液氨储罐12和流量阀13，其中，吸收器10与溶液泵1相连接，溶液泵1与溶液换热器2相连接，溶液换热器2依次与发生器3和精馏塔4相连接，精馏塔4的顶部依次连接于冷凝器5和分流器6，分流器6分两路，一路依次与过冷器7、氨节流阀8和蒸发器9相连接，另一路依次与液氨储罐12和流量阀13相连接，精馏塔4的底部依次连接于溶液换热器2和溶液节流阀11，过冷器7、溶液节流阀11和流量阀13分别与吸收器10相连接。
具体流程为：吸收器10出来的基础溶液S1先经溶液泵1加压、溶液换热器2预热后形成S3，进入发生器3被外热源加热部分蒸发形成汽液混合物S4，S4进入精馏塔4进行精馏分离，精馏过程中塔釜再沸器所需热量来自于外热源，塔顶采出为高纯度的氨蒸气S5，进入冷凝器5中冷凝成液氨后进入分流器6，分流器根据冷却水温度来控制分流率，当冷却水温度不变时分流率为零，液氨全部进入制冷循环，即先后经过过冷器7过冷、氨节流阀8降压后进入蒸发器9蒸发制冷，形成的低温低压氨蒸气S10，经过过冷器将液氨过冷后进入吸收器10；精馏塔塔4釜再沸器产出为高温高压稀氨水溶液S12，经溶液换热器2回收热量、溶液节流阀11降压后进入吸收器10，吸收制冷工质氨蒸气形成基础溶液S1，完成一个循环。
当冷却水温度降低时，打开流量阀13，将液氨储罐12中部分液氨释放到吸收器10中，使出口基础溶液浓度升高，达到该温度、压力下的饱和状态，然后关闭流量阀13。
当冷却水温度升高时，打开分流器6第二出口，将来自冷凝器5的液氨分流一部分进入到液氨储罐12中，以从循环中分离出部分氨工质，减小吸收器10出口基础溶液浓度，达到该温度、压力下的饱和状态，然后关闭分流器6第二出口。
本发明还还提供了一种氨水吸收式制冷系统基础溶液浓度调节方法，该方法包括：
当机组在一个稳定的冷却介质温度下运行时，分流器分流率为0(分流率＝S15/S6)，冷凝器过来的液氨全部进入制冷循环，流量阀关闭，此时机组处于此温度下的稳定工况；
当冷却介质温度降低时，假设冷却介质的流量和流速等不变，则此时吸收器出口溶液温度也随之降低，并处于此温度、压力下的未饱和状态，此时开启流量阀，向吸收器中释放一定量的纯氨(因为液氨储罐处于高压，吸收器处于低压，所以储罐内液氨可以自行进入吸收器)，以使吸收器出口溶液到达到本温度、压力下的饱和状态，然后关闭流量阀；
当冷却介质温度升高时，假设冷却介质的流量和流速等不变，则吸收器内由于吸收不完会导致压力升高，此时开启分流器第二出口，从循环中分流出一定量的液氨进入液氨储罐(液氨储罐压力略低于冷凝器压力，所以液氨可以自行进入液氨储罐)，以使吸收器内压力恢复正常，此时吸收器出口基础溶液处于饱和状态，且吸收器内没有多余的吸收不完的氨蒸汽，然后关闭分流器第二出口。
其中，吸收器10出来的基础溶液S1先经溶液泵1加压、溶液换热器2预热后形成S3，进入发生器3被外热源加热部分蒸发形成汽液混合物S4，S4进入精馏塔4进行精馏分离，精馏过程中塔釜再沸器所需热量来自于外热源，塔顶采出为高纯度的氨蒸气S5，进入冷凝器5中冷凝成液氨后进入分流器6，分流器根据冷却介质温度来控制分流率，当冷却介质温度不变时分流率为零，液氨全部进入制冷循环，即先后经过过冷器7过冷、氨节流阀8降压后进入蒸发器9蒸发制冷，形成的低温低压氨蒸气S10，经过过冷器将液氨过冷后进入吸收器10；精馏塔塔4釜再沸器产出为高温高压稀氨水溶液S12，经溶液换热器2回收热量、溶液节流阀11降压后进入吸收器10，吸收制冷工质氨蒸气形成基础溶液S1，完成一个循环。
为了更好的体现本发明所提工质浓度可调的氨水吸收式制冷系统的有益效果，将其和传统的浓度不可调型氨水吸收式制冷系统在全年工况下进行比较。并采用Aspen Plus软件对两种系统进行模拟计算，各物性方程的选取为：氨水体系采用RK-SOAVE方程，热源热空气采用PENG-ROB方程，水采用STEAM-TA方程。表1是两种系统的性能参数。表2是在相同制冷量的前提下，两种系统全年的能耗比较。
模拟计算中假设制冷温度均为-15～10℃，塔顶氨蒸汽纯度均为0.998，并假设稀溶液热量能尽可能完全回收(即高温部分用于发生过程、低温部分用于基础溶液预热过程，溶液换热器冷端温差5℃，模拟中将稀溶液放热过程全部放在溶液换热器中)。
表1两种系统性能参数
Figure BDA0000047453890000072
Figure BDA0000047453890000081
表2两种系统能耗比较
在表1和表2中：A表示本发明所提的工质浓度可调的氨水吸收式制冷系统；B表示传统的浓度不可调型氨水吸收式制冷系统。
由表1可以看出：
1、随着冷却水温度的降低，冷凝压力降低，对于两种系统来说，都会直接带来如下好处(在保持吸收器出口基础溶液都处于饱和状态的前提下)：液氨节流后气化率降低，使单位制冷剂制冷量增大；发生压力也相应降低，进而可使放气范围增大、循环倍率降低，COP增大；对热源温度要求也都降低。
2、冷却水温度降低时，与浓度不可调系统相比，本发明所提的浓度可调系统其基础溶液浓度增大，则放气范围增大幅度、循环倍率降低幅度和COP增大幅度都更大，且对热源温度要求降低程度也更大。即浓度可调系统可以更充分利用环境温度降低带来的好处，使系统处于该条件下的最优状态运行。
由表2可以看出：
1、在全年工况下，浓度可调系统由于可以随着环境温度的变化而调节基础溶液浓度，使其一直处于该冷却水温度、吸收器压力下的饱和状态，在相同制冷量前提下，年节能率可达7.8％。
2、若考虑浓度不可调系统中由于冷却水温度降低而导致的吸收器出口基础溶液过冷所造成的损失，则该系统节能率更高。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种工质浓度可调的氨水吸收式制冷系统，其特征在于，该系统包括：溶液泵(1)、溶液换热器(2)、发生器(3)、精馏塔(4)、冷凝器(5)、分流器(6)、过冷器(7)、氨节流阀(8)、蒸发器(9)、吸收器(10)、溶液节流阀(11)、液氨储罐(12)和流量阀(13)，其中，吸收器(10)与溶液泵(1)相连接，溶液泵(1)与溶液换热器(2)相连接，溶液换热器(2)依次与发生器(3)和精馏塔(4)相连接，精馏塔(4)的顶部依次连接于冷凝器(5)和分流器(6)，分流器(6)分两路，一路依次与过冷器(7)、氨节流阀(8)和蒸发器(9)相连接，另一路依次与液氨储罐(12)和流量阀(13)相连接，精馏塔(4)的底部依次连接于溶液换热器(2)和溶液节流阀(11)，过冷器(7)、溶液节流阀(11)和流量阀(13)分别与吸收器(10)相连接。
2.根据权利要求1所述的工质浓度可调的氨水吸收式制冷系统，其特征在于，所述分流器(6)是液体分流设备，用于对液氨进行分流；其入口与冷凝器(5)出口相连接，第一出口与过冷器(7)热侧入口相连接，第二出口与液氨储罐(12)入口相连接。
3.根据权利要求1所述的工质浓度可调的氨水吸收式制冷系统，其特征在于，所述流量阀(13)是一流量控制阀门，用于控制管道开关以及液体流量；其入口与液氨储罐(12)出口相连接，出口与吸收器(10)相连接。
4.根据权利要求1所述的工质浓度可调的氨水吸收式制冷系统，其特征在于，所述液氨储罐(12)是一液体储存装置，用于存放液氨；其入口与分流器(6)第二出口相连接，出口与流量阀(13)入口相连接。
5.根据权利要求1所述的工质浓度可调的氨水吸收式制冷系统，其特征在于，所述溶液泵(1)是液体加压设备，用于提高液体压力；其入口与吸收器(10)浓溶液出口相连接，出口与溶液换热器(2)冷侧入口相连接。
6.根据权利要求1所述的工质浓度可调的氨水吸收式制冷系统，其特征在于，所述溶液换热器(2)和发生器(3)是换热设备，用于实现冷、热物流间的热量交换；溶液换热器(2)热侧进口与精馏塔(4)塔釜再沸器稀溶液出口相连接，出口与溶液节流阀(11)入口相连接，冷侧进出口分别与溶液泵(1)出口和发生器(3)冷侧入口相连接；发生器(3)热侧为外热源，冷侧出口与精馏塔(4)入口相连接。
7.根据权利要求1所述的工质浓度可调的氨水吸收式制冷系统，其特征在于，所述精馏塔(4)用于将发生过程产生的氨水汽液混合物进行精馏分离，其顶部与冷凝器(5)入口相连接，用于将精馏分离得到的浓氨蒸汽冷凝作为制冷工质；塔釜再沸器热侧为外热源。
8.根据权利要求1所述的工质浓度可调的氨水吸收式制冷系统，其特征在于，所述过冷器(7)是换热设备，利用来自蒸发器(9)的低温制冷工质冷却来自分流器(6)的液氨；其热侧进出口分别连接分流器(6)第一出口和氨节流阀(8)入口，冷侧进出口分别连接蒸发器(9)出口和吸收器(10)入口。
9.根据权利要求1所述的工质浓度可调的氨水吸收式制冷系统，其特征在于，所述氨节流阀(8)和溶液节流阀(11)是液体节流降压装置，用于液氨和稀溶液的降压；氨节流阀(8)进出口分别与过冷器(4)和蒸发器(9)连接，溶液节流阀(11)进出口分别与溶液换热器(2)和吸收器(10)相连接。
10.根据权利要求1所述的工质浓度可调的氨水吸收式制冷系统，其特征在于，所述蒸发器(9)用于将制冷工质在其中吸热蒸发，实现冷量输出，其进出口分别与氨节流阀(8)和过冷器(7)连接。
11.根据权利要求1所述的工质浓度可调的氨水吸收式制冷系统，其特征在于，所述吸收器(10)热侧包括来自过冷器(8)的氨蒸汽和来自溶液节流阀(11)的稀溶液，冷侧为冷却介质。
12.一种氨水吸收式制冷系统基础溶液浓度调节方法，应用于权利要求1所述的系统，其特征在于，该方法包括：
当机组在一个稳定的冷却介质温度下运行时，分流器分流率S15/S6为0，冷凝器过来的液氨全部进入制冷循环，流量阀关闭，此时机组处于此温度下的稳定工况；
当冷却介质温度降低时，假设冷却介质的流量和流速不变，则此时吸收器出口溶液温度也随之降低，并处于此温度、压力下的未饱和状态，此时开启流量阀，向吸收器中释放一定量的纯氨，以使吸收器出口溶液到达到本温度、压力下的饱和状态，然后关闭流量阀；
当冷却介质温度升高时，假设冷却介质的流量和流速不变，则吸收器内由于吸收不完会导致压力升高，此时开启分流器第二出口，从循环中分流出一定量的液氨进入液氨储罐，以使吸收器内压力恢复正常，此时吸收器出口基础溶液处于饱和状态，且吸收器内没有多余的吸收不完的氨蒸汽，然后关闭分流器第二出口。
13.根据权利要求12所述的氨水吸收式制冷系统基础溶液浓度调节方法，其特征在于，吸收器(10)出来的基础溶液S1先经溶液泵(1)加压、溶液换热器(2)预热后形成S3，进入发生器(3)被外热源加热部分蒸发形成汽液混合物S4，S4进入精馏塔(4)进行精馏分离，精馏过程中塔釜再沸器所需热量来自于外热源，塔顶采出为高纯度的氨蒸气S5，进入冷凝器(5)中冷凝成液氨后进入分流器(6)，分流器根据冷却介质温度来控制分流率，当冷却介质温度不变时分流率为零，液氨全部进入制冷循环，即先后经过过冷器(7)过冷、氨节流阀(8)降压后进入蒸发器(9)蒸发制冷，形成的低温低压氨蒸气S10，经过过冷器将液氨过冷后进入吸收器(10)；精馏塔塔(4)釜再沸器产出为高温高压稀氨水溶液S12，经溶液换热器(2)回收热量、溶液节流阀(11)降压后进入吸收器(10)，吸收制冷工质氨蒸气形成基础溶液S1，完成一个循环。
14.根据权利要求13所述的氨水吸收式制冷系统基础溶液浓度调节方法，其特征在于，
当冷却介质温度降低时，打开流量阀(13)，将液氨储罐(12)中部分液氨释放到吸收器(10)中，使出口基础溶液浓度升高，达到该温度、压力下的饱和状态，然后关闭流量阀(13)；
当冷却介质温度升高时，打开分流器(6)第二出口，将来自冷凝器(5)的液氨分流一部分进入到液氨储罐(12)中，以从循环中分离出部分氨工质，减小吸收器(10)出口基础溶液浓度，达到该温度、压力下的饱和状态，然后关闭分流器(6)第二出口。
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