CN104006570B - 基于正逆循环耦合的吸收-压缩复合式制冷系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于正逆循环耦合的吸收‑压缩复合式制冷系统及方法，该系统包括动力子循环和吸收‑压缩复合式制冷子循环。该系统及方法采用中低温热源的较高温部分驱动动力子循环做功，减小了热源直接用于吸收‑压缩复合式制冷系统的换热温差；较低温部分和动力子循环排热作为吸收‑压缩复合式制冷子循环的热源；动力子循环所作的功驱动吸收‑压缩复合式制冷子循环中的压缩机。吸收‑压缩复合式制冷子循环中，压缩机位于蒸发器和吸收器之间，蒸发压力可低于吸收压力，从而使蒸发温度可达到更低，满足低温制冷领域的需求，同时使系统能在较高的冷凝温度条件下正常运行。整个系统的输入能量为中低温热源，产品输出为低温冷量，不需要外界输入功。
Description
技术领域
本发明涉及中低温热源制冷技术领域，特别是一种基于正逆循环耦合的吸收-压缩复合式制冷系统和方法。
背景技术
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-60℃～10℃，广泛用于空调、冷库、石油冶炼及其它化工过程中。常规单级吸收式制冷蒸发温度不能过低，仅适合于空调、冷库冷藏等部分工业部门。但另外还有一些工业部门，比如食品加工行业(食品的速冻、冷冻干燥、长期保鲜等)、某些燃气(丙烷等)液化、某些低温环境实验室以及固体C02(干冰)的制取等，需要使用温度较低的冷量(比如低于-30℃)，此时单级吸收式制冷已很难满足要求，需要采用多级流程。Rogdakis和Antonopoulos提出的双级吸收式制冷循环虽然能制得-70℃～-30℃的冷量，但热力性能系数较低。另外，当采用中低温热能(比如350℃烟气)直接驱动吸收式制冷循环时，热源与工质之间存在较大温差，不可逆损失大。对于低温冷量，工业上还可采用复叠式压缩制冷循环来制得，但该循环高温区和低温区都采用压缩式制冷循环，将会消耗大量功。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了克服现有多级吸收式制冷系统和复叠式压缩制冷循环的不足，本发明提供一种基于正逆循环耦合的吸收-压缩复合式制冷系统及方法，通过将朗肯循环和吸收-压缩复合式制冷循环进行有机耦合，利用中低温热源制得低温冷量，并提高系统热力性能和操作灵活性。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种基于正逆循环耦合的吸收-压缩复合式制冷系统，该系统包括高压溶液泵1、蒸气发生器2、膨胀机3、再沸器4、蒸气换热器5、吸收器6、低压溶液泵7、溶液换热器8、烟气换热器9、精馏塔10、冷凝器11、过冷器12、氨节流阀13、蒸发器14、压缩机15和溶液节流阀16，其中：
高压溶液泵1、蒸气发生器2、膨胀机3、再沸器4和蒸气换热器5依次连接成环路构成动力子循环；蒸气换热器5、吸收器6、低压溶液泵7、溶液换热器8、烟气换热器9、精馏塔10、冷凝器11、过冷器12、氨节流阀13、蒸发器14、压缩机15和溶液节流阀16构成吸收-压缩式复合制冷子循环；
动力子循环和吸收-压缩复合式制冷子循环相互耦合，共用蒸气换热器5，动力子循环由中低温热源的较高温部分驱动进行做功，较低温部分及动力子循环的排热为吸收-压缩复合式制冷子循环提供热负荷。
上述方案中，所述动力子循环中，来自蒸气换热器5的溶液S1经过高压溶液泵1加压后形成溶液S2，进入蒸气发生器2中，被外热源加热形成过热蒸气S3后进入膨胀机3膨胀作功，膨胀机3排气S4依次进入再沸器4和蒸气换热器5，将冷凝热的高温部分用于吸收式制冷子循环中溶液的加热过程，冷凝热的低温部分排向环境。
上述方案中，所述高压溶液泵1是液体加压设备，用于提高液体压力；所述蒸气发生器2、所述再沸器4和蒸气换热器5是流体换热设备，用于冷热物流之间的热量交换；所述膨胀机3是气体膨胀作功设备，膨胀机3利用高温高压蒸气膨胀作功。
上述方案中，所述吸收-压缩式复合制冷子循环中，来自吸收器6的浓溶液S6经过低压溶液泵7加压后分为两股，一股浓溶液S7经过溶液换热器8预热后进入精馏塔10，另一股浓溶液S9依次经过蒸气换热器5和烟气换热器9进入精馏塔10，分离得到高纯度的塔顶制冷剂S12和低浓度的塔釜稀溶液S19；塔顶制冷剂S12进入冷凝器11中冷凝成液态制冷剂S13后进入过冷器12，与来自蒸发器14的低温制冷剂S16换热后，形成具有一定过冷度的液态制冷剂S14，经过节流阀13节流降压后进入蒸发器14蒸发吸热，形成的低温低压制冷剂S16在过冷器12中进行冷量回收后进入压缩机15，压缩到冷凝压力后进入吸收器6；塔釜稀溶液S19先经过溶液换热器8进行热量回收后再经过溶液节流阀16节流降压，形成的低压稀溶液S21进入吸收器6，吸收来自压缩机15的制冷剂蒸气S18，重新形成浓溶液S6进入低压溶液泵7。
上述方案中，所述吸收器6是气液混合吸收设备，采用吸收剂吸收制冷剂蒸气，吸收过程所放热量通过冷却介质排向环境；所述低压溶液泵7是液体加压设备，用于提高液体压力；所述溶液换热器8、所述烟气换热器9和所述过冷器11是流体换热设备，用于冷热物流之间的热量交换；所述精馏塔10用于实现混合工质的分离与提纯，以制得高纯度的制冷剂蒸气和低浓度的吸收剂溶液；所述冷凝器11是冷凝设备，用于将制冷剂蒸气进行冷凝，冷凝放热通过冷却介质排向环境；所述制冷剂节流阀13和溶液节流阀16是液体节流降压装置，分别用于实现制冷剂节流降温和塔釜稀溶液降压；所述蒸发器14是系统的制冷部件，用于制冷剂在其中蒸发吸热，以制得低温冷量；所述压缩机15是气体加压设备，用于将低压制冷剂蒸气压缩达到高压状态，压缩机15与膨胀机3通过联轴器连接，压缩机15所消耗的压缩功由膨胀机3提供。
上述方案中，该系统的能量输入为中低温热源，至少包括烟气余热、工业余热、太阳能或地热，产品输出为低温冷量，不需要外界输入功。
上述方案中，该系统的动力子循环和吸收-压缩复合式制冷子循环中采用的工作介质为非共沸混合工质对。所述非共沸混合工质对为氨和水工质。
为达到上述目的，本发明还提供了一种基于正逆循环耦合的吸收-压缩复合式制冷方法，该方法采用中低温热源的较高温部分驱动动力子循环做功；热源的较低温部分及动力子循环的排热为吸收-压缩复合式制冷子循环提供所需热负荷；动力子循环所作的功驱动吸收-压缩复合式制冷子循环中的压缩机，并为溶液泵提供能量输入。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种基于正逆循环耦合的吸收-压缩复合式制冷系统及方法，仅以中低品位热为热源，既可以是烟气余热、工业余热，也可以是太阳能、地热等中低温的可再生能源，采用系统内部动力子循环为气体压缩过程和溶液加压过程提供动力，可完全避免外界输入功或电能，作为一套独立的余热驱动低温制冷系统运行，以达到节能减排的目的。
2、本发明提供的这种基于正逆循环耦合的吸收-压缩复合式制冷系统及方法，以采用混合工质的动力循环和吸收-压缩复合式制冷循环为基础，工质物流可实现变温换热，减少不可逆损失。
3、本发明提供的这种基于正逆循环耦合的吸收-压缩复合式制冷系统及方法，采用中低温热源的较高温部分驱动动力子循环做功，减小了热源直接用于制冷循环发生过程的换热温差；采用热源的较低温部分及动力子循环的排热为吸收-压缩复合式制冷子循环提供热负荷。该系统及方法实现了能量的梯级利用，提高了系统的整体能量利用效率，减小了系统的不可逆损失。
4、本发明提供的这种基于正逆循环耦合的吸收-压缩复合式制冷系统及方法，吸收-压缩复合式制冷子循环中，压缩机位于蒸发器和吸收器之间，蒸发压力可低于吸收压力，从而使蒸发温度可达到更低，满足低温制冷领域的需求；当吸收器冷却水温度发生变化时，可通过调节压缩机压比，使系统能在较宽范围的吸收冷凝温度条件下正常运行，提高了系统的操作灵活性。
5、本发明提供的这种基于正逆循环耦合的吸收-压缩复合式制冷系统及方法，流程简单，各单元技术较为成熟，便于工业化利用。
附图说明
图1是依照本发明实施例的基于正逆循环耦合的吸收-压缩复合式制冷系统的示意图。
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是依照本发明实施例的基于正逆循环耦合的吸收-压缩复合式制冷系统的示意图。其中S1至S21表示循环工质。G1至G3表示热源介质。该系统包括相互耦合的动力子循环和吸收-压缩复合式制冷子循环。其中，动力子循环由中低温热源的较高温部分来驱动进行做功，中低温热源的较低温部分及动力子循环的排热为吸收-压缩复合式制冷子循环提供热负荷，动力子循环所作的功直接驱动吸收-压缩复合式制冷子循环中的压缩机。
其中，动力子循环由中低温热源的较高温部分来驱动进行做功，减小了热源直接用于吸收-压缩复合式制冷系统的换热温差；中低温热源的较低温部分及动力子循环的排热为吸收-压缩复合式制冷子循环提供热负荷；动力子循环所作的功驱动吸收-压缩复合式制冷子循环中的压缩机。在吸收-压缩复合式制冷子循环中，压缩机位于蒸发器和吸收器之间，蒸发压力可低于吸收压力，从而使蒸发温度可达到更低，满足低温制冷领域的需求，同时也使系统能在较高的冷凝温度条件下正常运行。整个系统的输入能量为中低温热源，产品输出为低温冷量，不需要外界输入功。
参照图1，动力子循环包括依次连接成环路的高压溶液泵1、蒸气发生器2、膨胀机3、再沸器4和蒸气换热器5，其中：来自蒸气换热器5的溶液S1经过高压溶液泵1加压后形成S2，进入蒸气发生器2中，被外热源加热形成过热蒸气S3后进入膨胀机3膨胀作功，膨胀机3排气S4依次进入再沸器4和蒸气换热器5，将冷凝热的高温部分用于吸收式制冷子循环中溶液的加热过程，冷凝热的低温部分排向环境。
其中，所述高压溶液泵1是液体加压设备，用于提高液体压力；所述蒸气发生器2、所述再沸器4和蒸气换热器5是流体换热设备，用于冷热物流之间的热量交换；所述膨胀机3是气体膨胀作功设备，膨胀机3利用高温高压蒸气膨胀作功。
参照图1，吸收-压缩式复合制冷子循环包括吸收器6、低压溶液泵7、溶液换热器8、蒸气换热器5、烟气换热器9、精馏塔10、冷凝器11、过冷器12、氨节流阀13、蒸发器14、压缩机15和溶液节流阀16，其中：来自吸收器6的浓溶液S6经过低压溶液泵7加压后分为两股，一股经过溶液换热器8预热后进入精馏塔10，另一股依次经过蒸气换热器5和烟气换热器9进入精馏塔10，分离得到高纯度的塔顶制冷剂S12和低浓度的塔釜稀溶液S19；塔顶制冷剂S12进入冷凝器11中冷凝成液态制冷剂S13后进入过冷器12，与来自蒸发器14的低温制冷剂S16换热后，形成具有一定过冷度的液态制冷剂S14，经过节流阀13节流降压后形成S15进入蒸发器14蒸发吸热，形成的低温低压制冷剂S16在过冷器12中进行冷量回收后形成S17进入压缩机15，压缩到冷凝压力后形成S18进入吸收器6；塔釜稀溶液S19先经过溶液换热器8进行热量回收后形成S20再经过溶液节流阀16节流降压，形成的低压稀溶液S21进入吸收器6，吸收来自压缩机15的制冷剂蒸气S18，重新形成浓溶液S6进入低压溶液泵7。
其中，所述吸收器6是气液混合吸收设备，采用吸收剂吸收制冷剂蒸气，吸收过程所放热量通过冷却介质排向环境；所述低压溶液泵7是液体加压设备，用于提高液体压力；所述溶液换热器8、所述烟气换热器9和所述过冷器11是流体换热设备，用于冷热物流之间的热量交换；所述精馏塔10用于实现混合工质的分离与提纯，以制得高纯度的制冷剂蒸气和低浓度的吸收剂溶液；所述冷凝器11是冷凝设备，用于将制冷剂蒸气进行冷凝，冷凝放热通过冷却介质排向环境；所述制冷剂节流阀13和溶液节流阀16是液体节流降压装置，分别用于实现制冷剂节流降温和塔釜稀溶液降压；所述蒸发器14是系统的制冷部件，用于制冷剂在其中蒸发吸热，以制得低温冷量并输出；所述压缩机15是气体加压设备，用于将低压制冷剂蒸气压缩达到高压状态，压缩机15与膨胀机3通过联轴器连接，压缩机15所消耗的压缩功由膨胀机3提供。
该基于正逆循环耦合的吸收-压缩复合式制冷系统采用中低温热源驱动，该中低温热源可以是烟气余热、工业余热、太阳能或地热。该系统中，动力子循环和吸收-压缩复合式制冷子循环中采用的工作介质可以为氨和水工质对，但不局限于氨和水工质对，也可以是其它工质对。
该基于正逆循环耦合的吸收-压缩复合式制冷系统的具体工作流程为：
动力子循环包括依次连接成环路的高压溶液泵1、蒸气发生器2、膨胀机3、再沸器4和蒸气换热器5，其中：来自蒸气换热器5的溶液S1经过高压溶液泵1加压后形成S2，进入蒸气发生器2中，被外热源加热形成过热蒸气S3后进入膨胀机3膨胀作功，膨胀机3排气S4依次进入再沸器4和蒸气换热器5，将冷凝热的高温部分用于吸收式制冷子循环中溶液的加热过程，冷凝热的低温部分排向环境。
吸收-压缩式复合制冷子循环包括吸收器6、低压溶液泵7、溶液换热器8、蒸气换热器5、烟气换热器9、精馏塔10、冷凝器11、过冷器12、氨节流阀13、蒸发器14、压缩机15和溶液节流阀16，其中：来自吸收器6的浓溶液S6经过低压溶液泵7加压后分为两股，一股经过溶液换热器8预热后进入精馏塔10，另一股依次经过蒸气换热器5和烟气换热器9进入精馏塔，分离得到高纯度的塔顶制冷剂S12和低浓度的塔釜稀溶液S19；塔顶制冷剂S12进入冷凝器11中冷凝成液态制冷剂S13后进入过冷器12，与来自蒸发器14的低温制冷剂S16换热后，形成具有一定过冷度的液态制冷剂S14，经过节流阀13节流降压后进入蒸发器14蒸发吸热，形成的低温低压制冷剂S16在过冷器12中进行冷量回收后进入压缩机15，压缩到冷凝压力后进入吸收器6；塔釜稀溶液S19先经过溶液换热器8进行热量回收后再经过溶液节流阀16节流降压，形成的低压稀溶液S21进入吸收器6，吸收来自压缩机15的制冷剂蒸气S18，重新形成浓溶液S6。
基于图1所示的基于正逆循环耦合的吸收-压缩复合式制冷系统，本发明还提供了一种基于正逆循环耦合的吸收-压缩复合式制冷方法，以中低温热为驱动热源。该方法采用中低温热源的较高温部分驱动动力子循环做功；热源的较低温部分及动力子循环的排热为吸收-压缩复合式制冷子循环提供所需热负荷；动力子循环所作的功驱动吸收-压缩复合式制冷子循环中的压缩机，并为溶液泵提供能量输入。该方法可使整个系统的输入能量仅为中低温热源，产品输出为低温冷量，不需要外界输入功，使系统热力性能和操作灵活性提高。
为了更好地体现本发明提供的基于正逆循环耦合的吸收-压缩复合式制冷系统及方法的有益效果，将本实施例系统与常规两级氨水吸收式制冷循环在相同热边界条件下进行性能比较。本实施例系统中，动力循环工质采用质量浓度为0.4的氨水溶液，吸收-压缩复合式制冷循环工质采用质量浓度为0.35的氨水溶液；常规两级氨水吸收式制冷循环中，采用质量浓度为0.4的氨水溶液作为工质。模拟中假设烟气热源(采用热空气模拟)温度为350℃，冷却水温度为30℃，吸收-压缩复合式制冷子循环和常规两级氨水吸收式制冷循环中液氨蒸发温度均为-60℃。对本实施例系统和常规系统进行模拟计算，比较结果如表1所示。
表1
表1是基础工况下基于正逆循环耦合的吸收-压缩复合式制冷系统与常规两级氨水吸收式制冷系统的主要部件负荷及系统性能参数比较结果。
由表1可以看出，当输入热源温度、冷却水温度和最终的制冷温度分别为350℃、30℃和-60℃，制冷量均为30kW时，本发明提供的基于正逆循环耦合的吸收-压缩复合式制冷系统通过余热锅炉2、烟气换热器9共吸收烟气热量132.24kW，系统整体COP为0.23；若考虑排烟损失(108.28kW)，系统的整体热效率为16.16％。常规两级氨水吸收式制冷系统整体COP为0.12，系统整体热效率为8.46％。本发明提供的基于正逆循环耦合的吸收-压缩复合式制冷系统及方法不需要额外消耗功，只需要消耗中低温热能即可制得较低温度的冷量，且系统性能明显提升，相对节能率为47.63％。
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 (8)
1.一种基于正逆循环耦合的吸收-压缩复合式制冷系统，其特征在于，该系统包括高压溶液泵(1)、蒸气发生器(2)、膨胀机(3)、再沸器(4)、蒸气换热器(5)、吸收器(6)、低压溶液泵(7)、溶液换热器(8)、烟气换热器(9)、精馏塔(10)、冷凝器(11)、过冷器(12)、氨节流阀(13)、蒸发器(14)、压缩机(15)和溶液节流阀(16)，其中：
高压溶液泵(1)、蒸气发生器(2)、膨胀机(3)、再沸器(4)和蒸气换热器(5)依次连接成环路构成动力子循环；蒸气换热器(5)、吸收器(6)、低压溶液泵(7)、溶液换热器(8)、烟气换热器(9)、精馏塔(10)、冷凝器(11)、过冷器(12)、氨节流阀(13)、蒸发器(14)、压缩机(15)和溶液节流阀(16)构成吸收-压缩式复合制冷子循环；
动力子循环和吸收-压缩复合式制冷子循环相互耦合，共用蒸气换热器(5)，动力子循环由中低温热源的较高温部分驱动进行做功，较低温部分及动力子循环的排热为吸收-压缩复合式制冷子循环提供热负荷；
其中，所述吸收-压缩式复合制冷子循环中，来自吸收器(6)的浓溶液S6经过低压溶液泵(7)加压后分为两股，一股浓溶液S7经过溶液换热器(8)预热后进入精馏塔(10)，另一股浓溶液S9依次经过蒸气换热器(5)和烟气换热器(9)进入精馏塔(10)，分离得到高纯度的塔顶制冷剂S12和低浓度的塔釜稀溶液S19；
塔顶制冷剂S12进入冷凝器(11)中冷凝成液态制冷剂S13后进入过冷器(12)，与来自蒸发器(14)的低温制冷剂S16换热后，形成具有一定过冷度的液态制冷剂S14，经过节流阀(13)节流降压后进入蒸发器(14)蒸发吸热，形成的低温低压制冷剂S16在过冷器(12)中进行冷量回收后进入压缩机(15)，压缩到冷凝压力后进入吸收器(6)；
塔釜稀溶液S19先经过溶液换热器(8)进行热量回收后再经过溶液节流阀(16)节流降压，形成的低压稀溶液S21进入吸收器(6)，吸收来自压缩机(15)的制冷剂蒸气S18，重新形成浓溶液S6进入低压溶液泵(7)。
2.根据权利要求1所述的基于正逆循环耦合的吸收-压缩复合式制冷 系统，其特征在于，所述动力子循环中，来自蒸气换热器(5)的溶液S1经过高压溶液泵(1)加压后形成溶液S2，进入蒸气发生器(2)中，被外热源加热形成过热蒸气S3后进入膨胀机(3)膨胀作功，膨胀机(3)排气S4依次进入再沸器(4)和蒸气换热器(5)，将冷凝热的高温部分用于吸收式制冷子循环中溶液的加热过程，冷凝热的低温部分排向环境。
3.根据权利要求1或2所述的基于正逆循环耦合的吸收-压缩复合式制冷系统，其特征在于，
所述高压溶液泵(1)是液体加压设备，用于提高液体压力；
所述蒸气发生器(2)、所述再沸器(4)和蒸气换热器(5)是流体换热设备，用于冷热物流之间的热量交换；
所述膨胀机(3)是气体膨胀作功设备，膨胀机(3)利用高温高压蒸气膨胀作功。
4.根据权利要求1所述的基于正逆循环耦合的吸收-压缩复合式制冷系统，其特征在于，
所述吸收器(6)是气液混合吸收设备，采用吸收剂吸收制冷剂蒸气，吸收过程所放热量通过冷却介质排向环境；
所述低压溶液泵(7)是液体加压设备，用于提高液体压力；
所述溶液换热器(8)、所述烟气换热器(9)和所述过冷器(12)是流体换热设备，用于冷热物流之间的热量交换；
所述精馏塔(10)用于实现混合工质的分离与提纯，以制得高纯度的制冷剂蒸气和低浓度的吸收剂溶液；
所述冷凝器(11)是冷凝设备，用于将制冷剂蒸气进行冷凝，冷凝放热通过冷却介质排向环境；
所述制冷剂节流阀(13)和溶液节流阀(16)是液体节流降压装置，分别用于实现制冷剂节流降温和塔釜稀溶液降压；
所述蒸发器(14)是系统的制冷部件，用于制冷剂在其中蒸发吸热，以制得低温冷量；
所述压缩机(15)是气体加压设备，用于将低压制冷剂蒸气压缩达到高压状态，压缩机(15)与膨胀机(3)通过联轴器连接，压缩机(15)所消耗的压缩功由膨胀机(3)提供。
5.根据权利要求1所述的基于正逆循环耦合的吸收-压缩复合式制冷系统，其特征在于，该系统的能量输入为中低温热源，至少包括烟气余热、工业余热、太阳能或地热，产品输出为低温冷量，不需要外界输入功。
6.根据权利要求1所述的基于正逆循环耦合的吸收-压缩复合式制冷系统，其特征在于，该系统的动力子循环和吸收-压缩复合式制冷子循环中采用的工作介质为非共沸混合工质对。
7.根据权利要求6所述的基于正逆循环耦合的吸收-压缩复合式制冷系统，其特征在于，所述非共沸混合工质对为氨和水工质。
8.一种基于正逆循环耦合的吸收-压缩复合式制冷方法，应用于权利要求1至7中任一项所述的吸收-压缩复合式制冷系统，其特征在于，该方法采用中低温热源的较高温部分驱动动力子循环做功；热源的较低温部分及动力子循环的排热为吸收-压缩复合式制冷子循环提供所需热负荷；动力子循环所作的功驱动吸收-压缩复合式制冷子循环中的压缩机，并为溶液泵提供能量输入。
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2014
- 2014-06-05 CN CN201410246612.9A patent/CN104006570B/zh active Active
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