CN104567078B - 一种中间冷却式的两级吸收式制冷系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中间冷却式的两级吸收式制冷系统，包括高压发生器、冷凝器、第一节流装置、中间冷却器、高压吸收器、第一循环泵、第二节流装置、第一溶液换热器、第三节流装置、蒸发器、低压吸收器、第二循环泵、第四节流装置、第二溶液换热器和低压发生器，相比于传统两级吸收式制冷系统，本发明加入了中间冷却器并改变了连接管路，通过低压发生器出口蒸汽的合理分配促成中间冷却器内部合理的能量耦合实现中间温度的变化，有效调节高低压级发生温度和发生器热量输入以及相应的制冷剂流量分配，使低压级可以利用极低品味热源，从而增大两级吸收余热利用范围，使其适用性更广泛、调节更灵活；此外，通过合理的中间温度调节，循环性能系数可达0.4以上。
Description
技术领域
本发明属于制冷领域，具体涉及一种中间冷却式的两级吸收式制冷系统。
背景技术
随着能源问题日益严峻，如何回收利用生产和生活中废蒸汽、废热水等废热以及利用可再生但品味不高的热能如太阳能、地热能等已成为可持续发展的研究热点，而吸收式制冷系统可以由热能直接驱动，是主要的余热回收方式之一，且装置简单，是空调领域中极具潜力的应用方式。
传统的单效吸收式制冷系统由发生器、冷凝器、节流阀、蒸发器、吸收器、循环泵、溶液换热器组成，发生器内溶液经一定温度的废蒸汽、废热水等热源加热产生制冷剂蒸汽经循环产生冷量后被较低温度的吸收器中溶液吸收，产生循环动力，然而，受到冷凝温度、吸收温度以及蒸发温度的制约，例如单效溴化锂循环往往需要用到85℃以上的热源才能达到理想的COP，适用性有限。
两级吸收式系统则能改善这一点，文献Theoretical analysis of low-temperature hotsource driven two-stageLiBr/H2O absorption refrigerationsystem,W.B.Ma,S.M.Deng.Refrig.Vol.19,No.2,pp.141-146中公开了传统两级溴化锂吸收式制冷装置可以利用70℃～86℃的热能在蒸发温度为9℃的情况下使COP达到0.38，相比于单效吸收制冷系统，可利用的热能降低10℃左右。
然而，由于传统两级系统的制冷剂蒸汽自高压级发生器产生，经冷凝器、节流阀直接进入低压级吸收器被吸收，而低压级发生器产生的制冷剂蒸汽则直接被高压级吸收器吸收，两级系统类似于串接，为保证循环性能，往往使高低压级发生温度保持一致，输入的热量及制冷剂流量也相应地保持不变，缺乏灵活的调控手段，只能用于较为稳定的工况，可利用热源温度范围仍然有限(约70℃以上)且效率较低(COP约0.38)。
发明内容
本发明目的是针对传统两级吸收式制冷系统的不足，提供了一种中间冷却式的两级吸收式制冷系统，可以有效调节高低压级温度和热量输入以及相应的制冷剂流量分配，使高低压级输入热源工况发生变化的情况下起到有效的调节作用，保证系统的稳定运行，适应于更复杂的热源提供环境。
本发明解决问题的技术方案为：
一种中间冷却式的两级吸收式制冷系统，包括高压吸收子系统和低压吸收子系统，其中：
所述的高压吸收子系统的高压发生器的气体出口与冷凝器的入口相连，冷凝器的出口与第一节流装置的进口相连，第一节流装置的出口与中间冷却器的液体入口相连，高压吸收器的液体出口与第一循环泵的进口相连，第一循环泵的出口与第一溶液换热器的第一通道入口相连，第一溶液换热器的第一通道出口与高压发生器的液体进口相连，高压发生器的液体出口与第一溶液换热器的第二通道入口相连，第一溶液换热器的第二通道出口与第二节流装置的入口相连，第二节流装置的出口与高压吸收器的液体入口相连。
所述的低压吸收子系统的低压发生器的气体出口分为两路，一路与高压吸收器的气体进口相连，另一路与中间冷却器的气体入口相连，中间冷却器的液体出口与第三节流装置的进口相连，第三节流装置的出口与蒸发器的入口相连，蒸发器的出口与低压吸收器的气体入口相连，低压吸收器的液体出口与第二循环泵进口相连，第二循环泵出口与第二溶液换热器第一通道入口相连，第二溶液换热器第一通道出口与低压发生器液体进口相连，低压发生器液体出口与第二溶液换热器的第二通道入口相连，第二溶液换热器的第二通道出口与第四节流装置的入口相连，第四节流装置的出口与低压吸收器的液体入口相连。
作为优选，所述高压发生器和低压发生器的内部均设有盘管，所述盘管的进、出口与低品位热源连通。
作为优选，所述冷凝器、高压吸收器、蒸发器和低压吸收器的内部均设有冷却盘管，所述冷却盘管的进、出口与冷却介质源连通。所述冷却盘管中充注的冷却介质为水、空气或者其他介质。
本发明的中间冷却式的两级吸收式制冷系统，其工作流程如下：
高压发生器中的工作流体在外部低品位能的驱动下产生高温高压的制冷剂蒸汽和浓度较高的液体，一方面制冷剂蒸汽进入冷凝器中冷凝降温，然后经过第一节流装置节流降压后进入中间冷却器，与来自低压发生器的制冷剂蒸汽发生热量交换。
另一方面，高压发生器中的浓度较高的液体通过液体出口进入第一溶液换热器的第二通道换热降温后经第二节流装置进入高压吸收器，作为高压吸收器的吸收溶液；高压吸收器中的吸收溶液经过第一循环泵升压后进入第一溶液换热器的第一通道，吸收溶液在第一溶液换热器的第一通道内预热后回到高压发生器。
所述中间冷却器中气、液两相的组成比例可调。以液相存在的制冷剂从中间冷却器液体出口流出，经第三节流装置节流降压后进入蒸发器中进行蒸发，产生冷量。蒸发后的制冷剂蒸汽经低压吸收器的气体入口进入低压吸收器，被其中的吸收溶液吸收。吸收制冷剂蒸汽后的吸收溶液经第二循环泵升压后进入第二溶液换热器的第一通道，在第二溶液换热器的第一通道预热回到低压发生器。
低压发生器中的工作流体在外部低品位能的驱动下产生高温高压的制冷剂蒸汽和浓溶液，低压发生器产生的制冷剂蒸汽一部分进入高压吸收器，另一部分进入高压吸收器被吸收。所述低压发生器出口蒸汽的合理分配促成中间冷却器内部合理的能量耦合实现中间温度的变化，有效调节高低压级发生温度和发生器热量输入以及相应的制冷剂流量分配，使低压级可以利用极低品味热源。
低压发生器发生后产生的浓溶液进入第二溶液热交换器的第二通道，并经第四节流装置节流降压后回到低压吸收器。
作为优选，所述高压吸收子系统和低压吸收子系统所用工作流体为制冷剂和吸收剂组成的工质对。
吸收式制冷的工作流体为高沸点组分和低沸点组分的混合物，其中高沸点组分作为吸收剂，低沸点组分作为制冷剂，优选地，所述高压吸收子系统和低压吸收子系统所用工作流体是离子液体或盐与水组成的工质对。盐与水组成的工质对有多种选择，例如溴化锂-水溶液，其中溴化锂作为吸收剂，水作为制冷剂。离子液体的正离子包括:烷基季铵离子、烷基季瞵离子、1,3-二烷基取代的咪唑离子和N-烷基取代的吡啶离子这四类；其负离子包括卤化盐和BF4。离子液体相较于溴化锂水溶液可以大幅度降低对金属部件的腐蚀性，并可根据运行工况设计所需要的离子液体的组成，具有更好的工况适应性。
作为另一种优选方式，所述制冷剂为氟利昂类制冷剂。氟利昂类制冷剂较溴化锂水工质对可以进一步降低对驱动热源的温度要求，并容易获得0℃以下的制冷温度，拓展两级吸收制冷的应用范围。
作为进一步优选，所述吸收剂是二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺或三乙二醇二甲醚或吡咯烷酮。
作为制冷系统的优选，还包括分别对所述高压发生器和低压发生器的制冷剂蒸汽进行精馏的第一精馏装置和第二精馏装置。
作为优选，所述第一精馏装置和第二精馏装置分别设置在所述高压发生器和低压发生器内。所述高压发生器和低压发生器的底部具有液态制冷剂，所述高压发生器内的液态制冷剂受热产生制冷剂蒸汽后首先经过第一精馏装置精馏纯化后再从高压发生器的气体出口排出。同理，所述低压发生器内的液态制冷剂受热产生制冷剂蒸汽后首先经过第二精馏装置精馏纯化后再从低压发生器的气体出口排出。
基于第一精馏装置和第二精馏装置对制冷剂蒸汽精馏纯化的目的，所述第一精馏装置和第二精馏装置也可以连接在高压发生器和低压发生器的外部，所述第一精馏装置和第二精馏装置分别连接在高压发生器和低压发生器的气体出口。所述第一精馏装置和第二精馏装置的气体出口分别与高压发生器和低压发生器的气体出口对应的管路连通。
在设置了精馏装置的前提下，优选地，所述高压吸收子系统和低压吸收制冷子系统所用工作流体是氨水溶液。其中水作为吸收剂，氨作为制冷剂。精馏装置使氨水蒸汽中的水蒸气冷凝回流得到更纯净的制冷剂。
本发明的有益效果在于：
本发明的中间冷却式的两级吸收式制冷系统中，所述中间冷却器既作为高压吸收子系统的蒸发器，又作为低压吸收子系统的冷凝器，通过低压发生器出口蒸汽的合理分配促成中间冷却器内部合理的能量耦合实现中间温度的变化，有效调节高低压级发生温度和发生器热量输入以及相应的制冷剂流量分配，使低压级可以利用极低品位热源，从而增大两级吸收余热利用范围，使其适用性更广泛、调节更灵活，使所述系统相比于传统两级吸收系统性能提升5％～15％。
本发明的中间冷却式的两级吸收式制冷系统大幅度拓展低品位热源的利用范围，在低压级可以有效利用45℃左右的极低品味热源，使得可利用热源温度相比于传统两级吸收降低25℃。
附图说明
图1为实施例1的中间冷却式的两级吸收式制冷系统示意图，图中：1为高压发生器、2为冷凝器、3为第一节流装置、4为中间冷却器、5为高压吸收器、6为第一循环泵、7为第二节流装置、8为第一溶液换热器、9为第三节流装置、10为蒸发器、11为低压吸收器、12为第二循环泵、13为第四节流装置、14为第二溶液换热器、15为低压发生器，a、b和c分别为高压发生器的气体出口、液体进口和液体出口，d、e和f分别为高压吸收器的液体入口、气体进口和液体出口，g、h和o分别为中间冷却器4的液体入口、液体出口和气体入口，i、j和k分别为低压发生器气体出口、液体进口和液体出口，l、m和n分别为低压吸收器的液体入口、气体入口和液体出口；
图2为实施例2的中间冷却式的两级吸收式制冷系统示意图，图中：16为第一精馏装置，17为第二精馏装置；
图3是本发明的中间冷却式的两级吸收式制冷系统高低压级最低理论发生温度随中间冷却器温度调节下的变化曲线，其中t_m为中间温度，Tg1min为高压级理论最低发生温度，Tg2min为低压级理论最低发生温度；
图4为本发明的中间冷却式的两级吸收式制冷在不同中间温度下性能系数COP变化图，其中t_m为中间温度，Tg1为高压级发生温度，Tg2为低压级发生温度。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
如附图1所示，一种中间冷却式的两级吸收式制冷系统，其中溴化锂-水溶液作为系统循环的工作流体，溴化锂为吸收剂，水为制冷剂。整个系统，包括高压吸收子系统和低压吸收子系统，其中：
高压吸收子系统的高压发生器1的气体出口a与冷凝器2的入口相连，冷凝器2的出口与第一节流装置3的进口相连，第一节流装置3的出口与中间冷却器4的液体入口g相连，高压吸收器5的液体出口f与第一循环泵6的进口相连，第一循环泵6的出口与第一溶液换热器8的第一通道入口相连，第一溶液换热器8的第一通道出口与高压发生器1的液体进口b相连，高压发生器1的液体出口c与第一溶液换热器8的第二通道入口相连，第一溶液换热器8的第二通道出口与第二节流装置7的入口相连，第二节流装置7的出口与高压吸收器5的液体入口d相连。
低压吸收子系统的低压发生器15的气体出口i分为两路，一路与高压吸收器5的气体进口e相连，另一路与中间冷却器4的气体入口o相连，中间冷却器4的液体出口h与第三节流装置9的进口相连，第三节流装置9的出口与蒸发器10的入口相连，蒸发器10的出口与低压吸收器11的气体入口m相连，低压吸收器11的液体出口n与第二循环泵12进口相连，第二循环泵12出口与第二溶液换热器14第一通道入口相连，第二溶液换热器14第一通道出口与低压发生器15液体进口j相连，低压发生器15液体出口k与第二溶液换热器14的第二通道入口相连，第二溶液换热器14的第二通道出口与第四节流装置13入口相连，第四节流装置13的出口与低压吸收器11的液体入口l相连。
高压发生器1、中间冷却器4、高压吸收器5、低压吸收器11和低压发生器15的内部均设有内腔。
高压发生器1的气体出口、液体进口和液体出口均与高压发生器1的内腔相互连通；中间冷却器4的液体入口、液体出口和气体入口均与中间冷却器4的内腔相互连通；高压吸收器5的液体入口、气体出口和液体出口均与高压吸收器5的内腔相互连通；低压吸收器11的液体进口、气体入口和液体出口均与低压吸收器11的内腔相互连通；低压发生器15的气体出口、液体进口和液体出口均与低压发生器15的内腔相互连通。
高压发生器1和低压发生器15的内部均设有盘管，盘管的进、出口与低品位热源连通。
冷凝器2、高压吸收器5、蒸发器10和低压吸收器11的内部均设有冷却盘管，冷却盘管的进、出口与冷却介质源连通，所述冷却盘管中充注的冷却介质为水或空气。
系统的工作过程如下：
高压发生器1中的溴化锂-水溶液在外部低品位热源的驱动下产生制冷剂水蒸汽和溴化锂浓溶液。
低压发生器15在外部低品位热源的驱动下产生水蒸汽和溴化锂浓溶液，低压发生器15产生的水蒸汽分为两路，一路进入中间冷却器4，另一路进入高压吸收器5。
来自高压发生器1的水蒸汽先进入冷凝器2冷凝降温后经第一节流装置3节流后进入中间冷却器4闪蒸、降温，同时与来自低压发生器15的部分制冷剂水蒸汽混合；低压发生器15的另一部分水蒸汽进入高压吸收器5被其中的溴化锂浓溶液吸收，溴化锂浓溶液吸收水蒸汽后变成溴化锂稀溶液，并经第一循环泵6的升压通过第一溶液换热器8的第一通道预热后回到高压发生器1。
高压发生器1产生的溴化锂浓溶液则进入第一溶液换热器8的第二通道冷却，然后经第二节流装置7节流降压后进入高压吸收器5。
低压发生器15产生的溴化锂浓溶液则通过第二溶液换热器14的第二通道预冷后经第四节流装置13进入低压吸收器11作为吸收溶液。
中间冷却器4中的液相制冷剂水经第三节流装置9进入蒸发器10内蒸发制冷变成水蒸汽，该水蒸汽进入低压吸收器11被来自低压发生器15发生后的溴化锂浓溶液吸收，后经第二循环泵12升压后经第二溶液换热器14的第一通道预热后回到低压发生器15内。
实施例2：
如图2所示，一种中间冷却式的两级吸收式制冷系统，与实施例1相比分别在高压发生器1和低压发生器15内设置了第一精馏装置16和第二精馏装置17。
本实施例中制冷系统采用的工质对是氨水溶液，相比于实施例1，本实施例的制冷系统加入了两个精馏装置，使发生器产生的制冷剂蒸汽更纯，加强了制冷剂与吸收剂的分离，系统的工作流程如下：
高压发生器1底部的氨水溶液在外部低品位热源的驱动下产生带水的浓氨蒸汽和氨水浓溶液。浓氨蒸汽在第一精馏柱16内进行精馏，浓氨蒸汽中的水蒸气变成液态水并回到高压发生器底部，精馏提纯后的制冷剂氨气经上部气体出口b排出，该制冷剂氨气先进入冷凝器2冷凝降温，然后经第一节流装置3节流后进入中间冷却器4闪蒸、降温，同时与来自低压发生器15的部分制冷剂氨气混合。
低压发生器15底部的氨水溶液在外部低品位热源的驱动下产生氨水浓溶液和带水的浓氨蒸汽。带水的浓氨蒸汽先进入第二精馏装置17进行精馏，精馏提纯后的制冷剂氨气经气体出口i排出，浓氨蒸汽中的水蒸气变成液态水并回到低压发生器15。
经过第二精馏装置17提纯后的氨气分为两股，一股从气体入口o进入中间冷却器4，另一股从气体进口e进入高压吸收器5。
进入高压吸收器5的氨气被其中的氨水浓溶液吸收，氨水浓溶液并变成氨水稀溶液，氨水稀溶液经第一循环泵6的升压并通过第一溶液换热器8的第一通道预热后回到高压发生器1。高压发生器1发生后的氨水浓溶液则通过第一溶液换热器8的第二通道冷却后经第二节流装置7节流降压后进入高压吸收器5。
低压发生器15发生后的氨水浓溶液则通过第二溶液换热器14的第二通道预冷后经第四节流装置13进入低压吸收器11作为吸收溶液。中间冷却器4中的液相制冷剂氨经第三节流装置9进入蒸发器10内蒸发制冷，然后进入低压吸收器11被来自低压发生器15发生后的氨水浓溶液吸收，最后经第二循环泵12升压后经第二溶液换热器14的第一通道预热后回到低压发生器15内。
应用例
本发明在两级吸收系统中加入了中间冷却器，并对低压发生器出口的制冷剂蒸汽进行合理分配，一部分进入高压吸收器，一部分进入中间冷却器，制冷剂蒸汽质量之比会影响到中间冷却器内部溶液的能量平衡进而影响中间温度，而中间冷却器内的溶液温度(中间)越低会使中间压力越低，从而使低压发生器发生压力和温度降低，同时影响整个循环制冷性能。因此，本发明通过中间温度的调节来适应高低压级发生器温度和热量输入变化造成的影响。
图3所示为不同中间温度下高低压级理论最低发生温度图，当制冷工质为溴化锂-水溶液，制冷温度(蒸发温度)为7℃，冷凝温度为35℃，高低压级吸收温度为35℃时，由图3可见，随着中间温度的变化，高低压级的理论最低发生温度得到相应的改变，中间冷却器的加入使得高低压级可用余热温度在最低发生温度以上的范围内变化，相应的热量输入以及制冷剂流量也得到有效地调节，随着中间温度的降低，理论上低压级可用的余热品味甚至可低至50℃以下。
图4所示为本发明的制冷系统在不同中间温度下COP变化图，由图4可知，本发明的循环COP可达0.43以上，与传统的两级吸收式系统相比可提升13％左右。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种中间冷却式的两级吸收式制冷系统，包括高压吸收子系统和低压吸收子系统，其特征在于，
所述的高压吸收子系统的高压发生器(1)的气体出口(a)与冷凝器(2)的入口相连，冷凝器(2)的出口与第一节流装置(3)的进口相连，第一节流装置(3)的出口与中间冷却器(4)的液体入口(g)相连，高压吸收器(5)的液体出口(f)与第一循环泵(6)的进口相连，第一循环泵(6)的出口与第一溶液换热器(8)的第一通道入口相连，第一溶液换热器(8)的第一通道出口与高压发生器(1)的液体进口(b)相连，高压发生器(1)的液体出口(c)与第一溶液换热器(8)的第二通道入口相连，第一溶液换热器(8)的第二通道出口与第二节流装置(7)的入口相连，第二节流装置(7)的出口与高压吸收器(5)的液体入口(d)相连；
所述的低压吸收子系统的低压发生器(15)的气体出口(i)分为两路，一路与高压吸收器(5)的气体进口(e)相连，另一路与中间冷却器(4)的气体入口(o)相连，中间冷却器(4)的液体出口(h)与第三节流装置(9)的进口相连，第三节流装置(9)的出口与蒸发器(10)的入口相连，蒸发器(10)的出口与低压吸收器(11)的气体入口(m)相连，低压吸收器(11)的液体出口(n)与第二循环泵(12)进口相连，第二循环泵(12)出口与第二溶液换热器(14)第一通道入口相连，第二溶液换热器(14)第一通道出口与低压发生器(15)液体进口(j)相连，低压发生器(15)液体出口(k)与第二溶液换热器(14)的第二通道入口相连，第二溶液换热器(14)的第二通道出口与第四节流装置(13)入口相连，第四节流装置(13)的出口与低压吸收器(11)的液体入口(l)相连；
所述高压发生器(1)和低压发生器(15)的内部均设有盘管，所述盘管的进、出口与低品位热源连通。
2.如权利要求1所述的中间冷却式的两级吸收式制冷系统，其特征在于，所述冷凝器(2)、高压吸收器(5)、蒸发器(10)和低压吸收器(11)的内部均设有冷却盘管，所述冷却盘管的进、出口与冷却介质源连通。
3.如权利要求1～2任一项所述的中间冷却式的两级吸收式制冷系统，其特征在于，还包括分别对所述高压发生器(1)和低压发生器(15)的制冷剂蒸汽进行精馏的第一精馏装置(16)和第二精馏装置(17)。
4.如权利要求3所述的中间冷却式的两级吸收式制冷系统，其特征在于，所述第一精馏装置(16)和第二精馏装置(17)分别设置在所述高压发生器(1)和低压发生器(15)内。
5.如权利要求1所述的中间冷却式的两级吸收式制冷系统，其特征在于，所述高压吸收子系统和低压吸收子系统所用工作流体为制冷剂和吸收剂组成的工质对。
6.如权利要求1所述的中间冷却式的两级吸收式制冷系统，其特征在于，所述高压吸收子系统和低压吸收子系统所用工作流体是离子液体或盐与水组成的工质对。
7.如权利要求5所述的中间冷却式的两级吸收式制冷系统，其特征在于，所述制冷剂为氟利昂类制冷剂。
8.如权利要求7所述的中间冷却式的两级吸收式制冷系统，其特征在于，所述吸收剂是二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、三乙二醇二甲醚或吡咯烷酮。
9.如权利要求3所述的中间冷却式的两级吸收式制冷系统，其特征在于，所述高压吸收子系统和低压吸收制冷子系统所用工作流体是氨水溶液。
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