CN105066502B - 一种回收相变热的直燃式吸收制冷方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种吸收制冷装置及方法，通过直接将高压发生器生成的冷剂水蒸汽引入第一组板式蒸发单元冷，凝冷剂水在器内还原后输出去低压蒸发器再使用，回收的冷剂水蒸汽相变潜热用于加热及汽化器内另一侧的凝结水生成再生蒸汽，再生蒸汽经机械压缩泵压缩增压增温后进入第二组板式蒸发单元去加热进入本组的稀溶液使其蓄热储能后再进入直燃式高压发生器，在发生器内闪蒸分离为两相，汽相为冷剂水蒸汽输出后进入第一组板式蒸发单元，液相为浓缩后的浓液输出后进入吸收器；新方法中的第二级蒸发单元其功能相当为主发生器承担大部分负荷，而原高压发生器为次；本方法主要消耗再生蒸汽所提供的热能，因而大幅度的减少了燃料的消耗。COP可以达到3。

Description

一种回收相变热的直燃式吸收制冷方法及装置

[技术领域]

本发明涉及一种吸收制冷装置及方法，具体设计一种回收相变热的直燃式吸收制冷方法及装置。

[背景技术]

传统的吸收式制冷方法已经有近百年的生产历史，采用基本定型的热力学过程和设备；直燃型溴化锂吸收式制冷循环和用于制冷、空调的氨吸收式制冷循环，由于热源可以采取多种的燃料直燃而获得，方便适应不同的环境使用，故近些年发展较快。近几十年由于受“蒙特利尔协议”规定的影响，减少氟碳化物的使用，以及利用余热作为驱动热源对减少碳排放具有的意义，吸收式制冷方法得到了较大的推广和发展，例如中国专利CN200510060377.7“多能源驱动的溴化锂制冷空调机”专利中，利用了太阳能、微波和燃油(气)多种能源，日本专利2009-236440“Gas heat pup type air conditioning device orrefrigerating device”和2009-236441“Heat pup type refrigerating device”开发了用气体发动机废热作为空调、制冷机热源的吸收式制冷方法。此种制冷方法多应用于低温余热的利用。但这些改进都不能提高吸收式制冷循环本身的能效比。最新的GB 29540-2013《溴化锂吸收式冷水机组能效限定值及能效等级》标准中确定双效溴化锂吸收式制机组的COP为1.12～1.4，而双效溴化锂制冷机的输入热源蒸汽为150℃，直燃式溴化锂吸收式冷水机组能效限定值COP为1.1～1.4.而氨-水吸收式制机组冷COP仅在0.3～0.4。由于蒸汽机械压缩热泵具有能用很小的机械功提升低温余热蒸汽的显热，变为高温蒸汽就可回收其谮热，作为高温热源利用，因此在热能系统中受到重视，在中国专利CN201010198705.0“通过热泵提取电厂余热加热冷凝水系统”；中国专利CN20101063699.5“热电联产耦合热泵实现区域冷热联供系统及方法”；中国专利CN200910223748.7“低温余热发电系统乏汽冷凝过程自耦冷源热泵循环装置”；中国专利CN201010163688.7“电厂循环水热泵耦合热电联产的集中供暖系统及方法”都涉及了利用低温热源，包括水和蒸汽，通过热泵机组提高整个热电联产的发电供热系统的能效比；但都没有涉及到利用蒸汽机械压缩热泵应用于制冷、空调循环中的问题，以提高制冷机组本身的能效比问题。

吸收式制冷方法的能效比低的其中一基本原因是在高压发生器稀溶液进行浓缩时吸热生成的制冷剂蒸汽需要吸收大量的热能，而制冷剂蒸汽所含的热量在冷凝过程中释放出相变热被排放到系统外，得不到回收利用；而制冷剂在冷剂水蒸发器中吸收冷媒循环水的低温热能也没有解决低能效比的问题，因此制冷和采暖的能效比，仍都很低。

吸收式制冷、空调循环造价高的重要原因是，传统上多采用管壳式换热设备和喷淋传质方法，传热、传质系数低，换热面积大，还需要循环泵，反复喷淋吸收溶液和制冷剂，而在中国发明专利ZL 2011 1 0442494.“一种多效板式升膜逆流蒸发浓缩装置和方法”提出了采用板式换热器作为内耦升降膜式换热的办法，闪蒸制取二次蒸汽多级使用，达到高效节能和降低装备投资的目的；中国专利CN200480010361.9“带外部回路的蒸发器和热交换器以及包括该蒸发器或热交换器的热泵系统和空调系统—一种板式换热器”用板式换热器作为蒸发器或冷凝器，以提高换热效率，包括美国专利US6176101 B1“FLAT-PLATEABSORBERS AND EVAPORATORS FOR ABSORPTION COOLERS”则将冷凝器和蒸发器组装在一个板式换热器中，这种设备为回收冷凝热提供了可能，但该专利没有为解决吸收式制冷方法的能效比提高和降低系统造价提出解决方案。

[发明内容]

本发明的目的在于提高直燃式吸收制冷装置的能效比。

为了实现上述目的，提供一种直燃式吸收制冷装置，包括以下设备：

冷剂水蒸发器，包括进口，

吸收器，包括出口和进口，

第二溶液换热器，冷侧进口通过管道连接吸收器，

第一溶液换热器，热侧进口通过管道连接浓溶液换热器热侧出口，热侧出口与吸收器进口连接，冷侧进口连接生活水管，

第二相变换热器，冷侧进口通过管道连接浓溶液换热器冷侧出口，

凝结水换热器，热侧进口通过管道与第二相变换热器的热侧出口连接，冷侧进口与生活水管连接，

凝结水液位器，具有进口、出口以及补液口，进口通过管道与凝结水换热器的热侧出口连接，

直燃式发生器，直燃式发生器具有进口、顶部的气相出口和中部的液相出口，进口通过管道连接第二相变换热器冷侧出口，直燃式发生器液相出口与第一溶液换热器的热侧进口通过管道连接，

第一相变换热器，热侧进口通过管道连接第一直燃式发生器气相出口，冷侧进口通过管道连接凝结水液位器出口，

真空气液分离器，具有进口、顶部的气相出口和不凝气体出口以及底部的液相出口，进口与第一相变换热器的冷侧出口通过管道连接，液相出口与凝结水液位器补液口通过管道连接，

机械蒸汽压缩泵，具有进口和出口，其进口与真空气液分离器的气相出口通过管道连接，出口与第二相变换热器的热侧进口通过管道连接，

板式冷却器，热侧进口与真空气液分离器的不凝气体出口通过管道连接，板式冷却器的冷侧与水管连接，

真空泵，进口与板式冷却器热侧出口通过管道连接。

上述设备还进一步具有如下优化结构：

所述的机械蒸汽压缩泵吸收低温再生蒸汽压缩泵还设置有自动测定再生蒸汽饱和度的自动补水箱。

所述的机械蒸汽压缩泵为单级或多级风机和压缩泵的组合，其结构形式为罗茨式、离心式、往复式、螺杆式。

所述的第一、第二相变换热器为板式内耦合相变换热器、板式蒸发器、板式冷凝器或管壳式换热器。

本发明还包括一种直燃式吸收制冷装置的制冷方法，吸收器中冷剂水稀溶液通过浓溶液换热器预热后进入第二相变换热器中，与来自机械蒸汽压缩泵的蒸汽进行换热后，进入直燃式高压发生器中受热气化，在顶部形成冷剂水蒸汽，在底部形成冷剂水浓溶液，冷剂水浓溶液依次经过浓溶液换热器与冷剂水稀溶液换热，经过溶液换热器与生活水换热后回到吸收器中，第二相变换热器换热后形成凝结水，凝结水进入凝结水换热器与生活水换热后进入凝结水液位器中经过调整液位后进入第一相变换热器，与来自直燃式发生器的冷剂水蒸汽换热，换热后的冷剂水蒸汽形成凝液回到冷剂水蒸发器中，换热后的凝结水形成再生蒸汽进入真空气液分离器，气相为再生蒸汽，液相为凝结水，凝结水进入冷凝水液位器用于补液，再生蒸汽进入机械式蒸汽压缩泵进行循环，真空气液分离装置中的不凝气体随真空泵抽真空经过板式冷却器的水冷后被排出到外界。

该方法还进一步具有如下优化工艺：

所述的稀溶液蒸发浓缩主负荷由第二相变换热器承担，补充负荷由直燃式发生器外部输入燃料直燃承担。

机械蒸汽压缩泵吸入低温再生蒸汽增压升温后输入第二相变换热器的热侧。

所述的第一溶液换热器冷却浓溶液且自动定温同时加热生活用水。

所述的凝结水换热器冷却凝结水且自动定温同时加热生活用水。

本发明的工艺方法改变了原传统的典型路线，通过回收和再利用冷剂水蒸发潜热因而获得超高的能效比，能效比COP3～4，远高于传统直燃机组的COP1.1～1.4。从吸收式制冷的热平衡方程式也可以粗略看到，道理很简单：QL+QR＝QN+QX由于QN＝0则QR＝0+QX-QL

式中：QL-制冷量 QR-输入能量 QN-冷凝排热 QX-吸收排热

而要使得冷凝热排放趋于零，且有效利用再循环是个难题

本方法彻底解决了这个难题。因而对于传统的吸收制冷方式冲击很大，甚至具有颠覆性影响。由于将冷剂水蒸汽冷凝时潜热全部回收，即冷凝热排放为零且又被全部回收利用，即QN＝0，则实际需要输入热量为吸收器排放热与制冷量之差。

2、为了有效事实本方法而重组和构思了新工艺路线，保留传统工艺的冷剂水蒸发器、吸收器和直燃式高压发生器的元器件，原则上该部分的原设计功能得以保存；主要重组了冷剂蒸汽的冷凝系统，这也是节能的主要环节，通过新增第一板式内耦热合相变换器液化冷剂水蒸汽和冷却了冷剂水，与此同时吸收了冷剂水蒸汽的相变潜热和部分显热，用于凝结水的加热和汽化，生成了再生蒸汽。为了维持高压发生器内的绝对压压力，冷剂水的冷凝温度的确定通过设置在凝结水换热器上的全自动温度调节装置来完成，这就要求用于再生蒸汽的凝结水入口温度要保持与冷剂水冷凝温度之间有一个合适的过冷度。

3、再生蒸汽的生成方法及装备

采用了高效率的板式多效组合方式，在第一相变换热器内两侧流体逆流传热，分别以降膜、升膜的状态逆向流动，尤其是在冷侧流体受热过程中分别在对流区、泡核沸腾区获得强化和控制，进而在间壁温差很小，约温差△t＝3～4℃时即可获得良好的热驱动力，生成设定压力、温度下的饱和再生蒸汽，此时的再生蒸汽温度和压力较热源蒸汽尚低一阶位能。

4、机械蒸气压缩泵吸取真空气液分离器的再生蒸汽经过增压增温使得再生蒸汽提高一阶位能成为满足热源饱和蒸汽的条件。机械蒸气压缩内热泵可以选择罗茨型、离心式、往复式等结构形式的；压缩泵进出口两段蒸汽状态的信号及时采集和传输及对应调节反应速度和精准度需要把握得当。真空气液分离器入动力为电力，配置有变频器。由于真空气液分离器在提高蒸汽显热做功时所消耗的电能仅为再生蒸汽潜热的极少一部分，本机组所测算的数值约为1/26，即输入1kw的电力可获得热能26kw。

5、新增的真空泵组用于再生蒸汽在第二板式内耦合相变换热器、真空汽液分离器的不凝气体抽取，以保证该工艺工程的稳定和高效；辅助功能是可以预置系统的真空度与凝结水换热器共偶，调节再生蒸汽的参数，例如压力、温度。

[附图说明]

图1为实施例中的装置流程示意图；

图中1.直燃式高压发生器 2.第一板式内耦合相变换热器 3.凝结水液位器 4.真空汽液分离器 5.第二板式内耦合相变换热器 6.机械蒸汽压缩泵 7.真空泵 8.板式冷却器 9.第二溶液换热器 10.自动补水箱 11.第一溶液换热器 12.冷剂水蒸发器 13.吸收器14.凝结水板式换热器

[具体实施方式]

以下，结合实施例和附图对于本发明做进一步说明，实施例和附图仅用于解释说明而不用于限定本发明的保护范围。

一、如图1所示，本实施例中的工艺流程及装置如下：

1、工艺流程

(1)制冷工质对溴化锂溶液工艺流程：

溴化锂稀溶液----第二溶液换热器-----第二板式内耦合相变换热器----直燃式高压发生器----浓溶液----第二溶液换热器-----第一溶液换热器---吸收器

(2)冷剂水工艺流程：

冷剂水---冷剂水蒸发器---吸收器----溴化锂稀溶液----第二溶液换热器----第二板式内耦合相变换热器----直燃式高压发生器----第一板式内耦合相变换热器-----冷剂水蒸发器----冷剂水蒸汽----吸收器

(3)再生蒸汽工艺流程：

再生蒸汽----第二板式内耦合相变换热器----凝结水换热器----凝结水液位器-----第一板式内耦合相变换热器-----真空汽液分离器----机械蒸气压缩泵-----再生蒸汽

2、主要装置

直燃式高压发生器，直燃式发生器具有进口、顶部的汽相出口和中部的液相出口，进口通过管道连接第二板式内耦合相变换热器冷侧出口，直燃式发生器液相出口与第二溶液换热器的热侧进口通过管道连接，

冷剂水蒸发器，包括进口，

吸收器，包括出口和进口，

浓溶液换热器，冷侧进口通过管道连接吸收器，

溶液换热器，热侧进口通过管道连接浓溶液换热器热侧出口，热侧出口与吸收器进口连接，冷侧进口连接生活水管，

第一板式内耦合相变换热器，热侧进口通过管道连接直燃式高压发生器汽相出口，冷侧进口通过管道连接凝结水液位器出口，

第二板式内耦合相变换热器，冷侧进口通过管道连接第二溶液换热器冷侧出口，

冷剂水蒸发器，内具有冷媒水循环管道和循环喷淋管道。

凝结水板式换热器，热侧进口通过管道与第二板式内耦合相变换热器的热侧出口连接，冷侧进口与生活水管连接，

凝结水液位器，具有进口、出口以及补液口，进口通过管道与凝结水板式换热器的热侧出口连接，

真空气液分离器，具有进口、顶部的气相出口和不凝气体出口以及底部的液相出口，进口与第一板式内耦合相变换热器的冷侧出口通过管道连接，液相出口与凝结水液位器补液口通过管道连接；

机械蒸汽压缩泵，具有进口和出口，其进口与真空气液分离器的汽相出口通过管道连接，出口与第二板式内耦合相变换热器的热侧进口通过管道连接，

板式冷却器，热侧进口与真空气液分离器的不凝气体出口通过管道连接，板式冷却器的冷侧与水管连接，

真空泵，进口与板式冷却器热侧出口通过管道连接。

所述的冷剂水蒸发器内具有冷媒水循环管道和循环喷淋管道。

所述的机械蒸汽压缩泵具有自动补水箱。

二、流程原理说明

采用的工质对为水/溴化锂溶液H₂O/LiBr，也是最常用于吸收式制冷机组；H₂O是工质对的制冷剂，通过水的蒸发和冷凝特性吸收和放出热能，而LiBr沸点很高状态稳定，在本类过程中没有相变，其特点是具有强烈的吸水作用。1是直燃式发生器，通过输入燃料在器内产生燃烧热，加热器内的H₂O/LiBr稀溶液，冷剂水进而脱离溶液汽化为冷剂水蒸汽；脱除部分水分后的溶液浓度增加，称为浓溶液将进入吸收器13。汽化的剂水称为冷剂水蒸汽进入第一板式内耦合相变换热器热侧，冷剂水蒸汽被另一侧称为冷侧的凝结水(再生蒸汽的凝结水，后均简称凝结水)冷凝、冷却还原成冷剂水通过U形管路进入冷剂水蒸发器，第一板式内耦合相变换热器中冷侧的凝结水则因获取热侧的相变潜热和显热，凝结水升温进入真空汽液分离器汽化生成再生蒸汽，再进入机械蒸汽压缩内热泵被增压升温后再进入第二板式内耦合相变换热器热侧,作为新再生热源加热器内自冷侧进入的稀溶液；再生蒸汽转移出能量后冷凝为凝结水。由吸收器输出的稀溶液在经过第二溶液换热器后进入第二板式内耦合换热器的冷侧，稀溶液吸收热侧的潜热后生成过饱和溶液，属于亚稳定状态，在通过配置有止回阀、自平衡调节阀的管线进入直燃式发生器1，最终在直燃式发生器1中闪发为汽液两相，汽相就是冷剂水蒸汽，液相就是浓缩后的溶液。本方法增加的有凝结水换热器，作用是将自第二板式内耦合相变换热器输入的凝结水与生活用水换热，达到凝结水降温，生活水升温的目的。由直燃式发生器输出的高温浓溶液进入第二溶液换热器热侧加热冷侧的稀溶液，由于新方法还使得浓溶液的近一半热量可利用，故浓溶液经过新增加的第一溶液换热器与生活用水换热后再进入吸收器；在吸收器内浓溶液吸收了来自蒸发器的冷剂水蒸汽迅速稀释又变成稀溶液输出，稀溶液在循环泵的泵力下，沿途经过第二溶液换热、第二内耦合相变换热器,最后进入直燃式发生器，冷剂水进入蒸发器后在高真空度下迅速汽化，生成低温剂水蒸汽而后被安置在同一密封壳体内的吸收器浓溶液吸收，生成稀释的H2O/LiBr。蒸发器剂水蒸发时通过器内列管式换热器吸收大量的来自管内冷媒水热量，因而冷媒水被制冷。同样吸收器在吸收冷剂蒸汽凝结时放出的潜热，需要经过吸收器内的列管换热器中的冷却水转移出这部分热量；为了提高和满足蒸发和吸收效果，为冷剂水蒸发器12、吸收器13均配备有喷淋循环泵，按照设定的循环倍率进行喷淋。由于吸收器、蒸发器、和高压发生器均沿用了原有工艺的装备。故原有该部分所配置的装备、仪表等等还可按照原有的运行方式进行。

Claims (9)

1.一种回收相变热的直燃式吸收制冷装置，包括以下设备：

冷剂水蒸发器，包括进口，

吸收器，包括出口和进口，

其特征在于还包括以下设备：

第二溶液换热器，冷侧进口通过管道连接吸收器，

第一溶液换热器，热侧进口通过管道连接第二溶液换热器热侧出口，热侧出口与吸收器进口连接，冷侧进、出口连接生活水管，

第二相变换热器，冷侧进口通过管道连接第二溶液换热器冷侧出口，

凝结水换热器，热侧进口通过管道与第二相变换热器的热侧出口连接，冷侧进出口与生活水管连接，

凝结水液位器，具有进口、出口以及补液口，进口通过管道与凝结水换热器的热侧出口连接，

直燃式发生器，直燃式发生器具有进口、顶部的气相出口和中部的液相出口，进口通过管道连接第二相变换热器冷侧出口，直燃式发生器液相出口与第二溶液换热器的热侧进口通过管道连接，第二溶液换热器热侧出口再通过管道连接第一溶液换热器的热侧进口，

第一相变换热器，热侧进口通过管道连接第一直燃式发生器气相出口，冷侧进口通过管道连接凝结水液位器出口，

真空气液分离器，具有进口、顶部的气相出口和不凝气体出口以及底部的液相出口，进口与第一相变换热器的冷侧出口通过管道连接，液相出口与凝结水液位器补液口通过管道连接，

机械蒸汽压缩泵，具有进口和出口，其进口与真空气液分离器的气相出口通过管道连接，出口与第二相变换热器的热侧进口通过管道连接，

板式冷却器，热侧进口与真空气液分离器的不凝气体出口通过管道连接，板式冷却器的冷侧与水管连接，

真空泵，进口与板式冷却器热侧出口通过管道连接。

2.如权利要求1所述的直燃式吸收制冷装置，其特征在于所述的机械蒸汽压缩泵吸收低温再生蒸汽压缩泵还设置有自动测定再生蒸汽饱和度的自动补水箱。

3.如权利要求1所述的直燃式吸收制冷装置，其特征在于所述的机械蒸汽压缩泵为单级或多级风机和压缩泵的组合，其结构形式为罗茨式、离心式、往复式、螺杆式。

4.如权利要求1所述的直燃式吸收制冷装置，其特征在于所述的第一、第二相变换热器为板式内耦合相变换热器、板式蒸发器、板式冷凝器或管壳式换热器。

5.一种采用如权利要求1所述的直燃式吸收制冷装置的制冷方法，其特征在于吸收器中冷剂水稀溶液通过第二溶液换热器预热后进入第二相变换热器中，与来自机械蒸汽压缩泵的蒸汽进行换热后，进入直燃式高压发生器中受热汽化，在顶部形成冷剂水蒸汽，在底部形成冷剂水浓溶液，冷剂水浓溶液依次经过第二溶液换热器与冷剂水稀溶液换热，经过第一溶液换热器与生活水换热后回到吸收器中，第二相变换热器换热后形成凝结水，凝结水进入凝结水换热器与生活水换热后进入凝结水液位器中经过调整液位后进入第一相变换热器，与来自直燃式发生器的冷剂水蒸汽换热，换热后的冷剂水蒸汽形成凝液回到冷剂水蒸发器中，换热后的凝结水形成再生蒸汽进入真空气液分离器，气相为再生蒸汽，液相为凝结水，凝结水进入冷凝水液位器用于补液，再生蒸汽进入机械式蒸汽压缩泵进行循环，真空气液分离装置中的不凝气体随真空泵抽真空经过板式冷却器的水冷后被排出到外界。

6.如权利要求5所述的制冷方法，其特征在于所述的稀溶液蒸发浓缩主负荷由第二相变换热器承担，补充负荷由直燃式发生器外部输入燃料直燃承担。

7.如权利要求5所述的制冷方法，其特征在于机械蒸汽压缩泵吸入低温再生蒸汽增压升温后输入第二相变换热器的热侧。

8.如权利要求5所述的制冷方法，其特征在于所述的第一溶液换热器冷却浓溶液且自动定温同时加热生活用水。

9.如权利要求5所述的制冷方法，其特征在于所述的凝结水换热器冷却凝结水且自动定温同时加热生活用水。