CN105091401A - 一种具有深冷效果的喷射吸收制冷装置 - Google Patents

一种具有深冷效果的喷射吸收制冷装置 Download PDF

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王丽芳
王征
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一种具有深冷效果的喷射吸收制冷装置，包括发生器，冷凝器，涡流管，气液分离器，蒸发器，喷射器，吸收器，溶液热交换器和回热器；发生器的出口分为两路，一路与喷射器进口相连；第二路依次与冷凝器、气液分离器、蒸发器、吸收器顺序连通；发生器另一出口分别与溶液热交换器、吸收器顺序连通；涡流管的进口与气液分离器相连；涡流管的热端出口与回热器、溶液热交换器、吸收器顺序连通；涡流管冷端出口依次与冷凝器、喷射器、吸收器连接；吸收器、溶液热交换器、回热器、发生器、溶液热交换器、吸收器顺序串连。该装置既提高能源利用效率又节省高品位电能。

Description

一种具有深冷效果的喷射吸收制冷装置
技术领域
本发明涉及一种制冷装置，具体来讲是一种具有深冷效果的喷射吸收制冷装置。
背景技术
随着社会经济快速发展，在生物工程、制药、食品加工和化工等生产过程中会释放大量废热余热，这种废热、余热资源充足，但能量密度低，能量可直接利用率低，造成能源浪费和环境污染。传统的制冷系统中，来自发生器的高温高压的制冷工质经过冷凝器后通过节流阀进行膨胀，在蒸发器中吸热产生制冷效果。节流阀对于液体节流具有较优性能，但是，对于气体节流，其工作效率较低，造成制冷工质为气体的制冷设备的性能下降，因此无法利用废热、余热等低品位能源来工作；在这种情况下，吸收制冷技术被研发出来，吸收制冷技术是利用某些具有特殊性质的工质对，通过一种物质对另一种物质的吸收和释放，产生物质的状态变化，从而伴随吸热和放热过程，该循环具有较高的热转换效率，可有效利用太阳能热、地热以及工业生产过程中产生的大量余热废热等低品位能源制取所需冷量，可有效节省高品位电能；然而传统吸收制冷系统存在制冷效率低、热源不足时运行不稳定等缺陷。涡流管制冷是一种利用低品位热源驱动的制冷方式，可有效利用太阳能热、地热及工业余热、废热等低品位热源；涡流管制冷可采用水蒸汽、氮气、二氧化碳或者氢氟烃类物质做制冷工质，所以涡流管制冷具有节能环保等特点符合全球可持续发展战略要求。涡流管制冷由法国冶金工程师Ranque设计发明，于1932年申请美国专利。1933年，他在法国工程热物理会议上做了有关涡流管装置及其涡旋温度分离效应的报告，由于该报告将流体滞止温度(总温)与静温的概念混淆，受到与会者的普遍质疑，当时涡流管并未引起研究人员的普遍关注。1946年，德国物理学家R.Hilsch从物理结构和工况条件等多方面对涡流管进行研究，证明涡流管确实存在能量分离效应，并提出初步定义制冷效应和制热效应的方法，引起学者们的广泛关注。
天津商业大学提出一种涡流管与喷射器组合的CO2制冷系统，申请号为201410708107.1，在申请材料中，申请人仅仅是将涡流管与喷射器简单的组合在一起，从文件中也不难看出，该压缩制冷系统的驱动力是高品位电能，没有发挥涡流管与喷射器的优越性能，没有什么技术革新。
发明内容
本发明所要实现的发明目的是：克服现有技术存在的问题，提供一种具有深冷效果的喷射吸收制冷装置，通过涡流管-喷射吸收制冷循环来创造生产过程所需的低温环境，既提高能源利用效率又节省高品位电能。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种具有深冷效果的喷射吸收制冷装置，包括发生器，冷凝器，涡流管，气液分离器，蒸发器，喷射器，吸收器，溶液热交换器和回热器；发生器的一个出口分为两路，一路与喷射器相连；另一路依次与冷凝器、气液分离器、蒸发器、吸收器顺序串连；发生器的另一个出口分别与溶液热交换器、吸收器顺序串连；涡流管的进口与气液分离器连通；涡流管的热端出口与回热器、溶液热交换器、吸收器顺序串连；涡流管的冷端出口依次与冷凝器、喷射器、吸收器顺序串联，所述吸收器、溶液热交换器、回热器、发生器、溶液热交换器、吸收器顺序串连。
该装置进一步限定的技术方案为：
进一步的，发生器的第一出口分为两路，第一路与喷射器第一进口相连，第二路与冷凝器的第一进口相连，冷凝器的第一出口与气液分离器的进口相连，气液分离器的第一出口与蒸发器进口相连，蒸发器出口与吸收器第二进口相连，气液分离器的第二出口与涡流管的进口相连，涡流管的热端出口与回热器的第一进口相连，回热器的第一出口与溶液热交换器的第一进口相连，溶液热交换器的第一出口与吸收器第一进口相连，涡流管的冷端出口与冷凝器第二进口相连，冷凝器第二出口与喷射器第二进口相连，喷射器出口与吸收器第三进口相连，吸收器的第一出口与溶液热交换器的第二进口相连，溶液热交换器的第二出口与回热器的第二进口相连，回热器的第二出口与发生器的进口相连，发生器的第二出口与溶液热交换器第三进口相连，溶液热交换器的第三出口与吸收器的第四进口相连。
进一步的，还包括溶液泵、第一溶液调节阀和第二节流阀，气液分离器的第一出口通过第二节流阀与蒸发器进口连通；吸收器的第一出口通过溶液泵与溶液热交换器的第二进口连通；溶液热交换器的第三出口通过第一溶液调节阀与吸收器的第四进口连通。
本发明公开了另一种制冷装置，一种具有深冷效果的喷射吸收制冷装置，包括发生器，冷凝器，涡流管，气液分离器，蒸发器，喷射器，吸收器，溶液热交换器和回热器，发生器的一个出口分为两路，一路与喷射器相连；另一路依次与冷凝器、气液分离器、蒸发器、吸收器顺序串连；发生器的一个出口依次与溶液热交换器、吸收器顺序串连；涡流管的进口与气液分离器连通；涡流管的热端出口依次与回热器、溶液热交换器、吸收器顺序串连；涡流管的冷端出口依次与冷凝器、溶液热交换器、喷射器、吸收器顺序串联，所述吸收器，溶液热交换器、回热器、发生器、溶液热交换器、吸收器顺序串连。
该结构进一步限定的技术方案为：
进一步的，发生器的第一出口分为两路，第一路与喷射器进口相连，第二路与冷凝器的第一进口相连，冷凝器的第一出口与气液分离器的进口相连，气液分离器的第一出口与蒸发器进口相连，蒸发器出口与吸收器第二进口相连，气液分离器的第二出口与涡流管的进口相连，涡流管的热端出口与回热器的第一进口相连，回热器的第一出口与溶液热交换器的第一进口相连，溶液热交换器的第一出口与吸收器第一进口相连，涡流管的冷端出口与冷凝器第二进口相连，冷凝器第二出口与溶液热交换器第四进口相连，溶液热交换器第四出口与喷射器第二进口相连，喷射器出口与吸收器第三进口相连，吸收器的第一出口与溶液热交换器的第二进口相连，溶液热交换器的第二出口与回热器的第二进口相连，回热器的第二出口与发生器的进口相连，发生器的第二出口与溶液热交换器第三进口相连，溶液热交换器的第三出口与吸收器的第四进口相连。
进一步的，还包括溶液泵、第一溶液调节阀和第二节流阀；吸收器的第一出口通过溶液泵与溶液热交换器的第二进口连通；溶液热交换器的第三出口通过第一溶液调节阀与吸收器的第四进口连通；气液分离器的第一出口通过第二节流阀与蒸发器进口相连。
本发明中，本发明制冷系统可采用CO2-离子液体、CO2-MDEA、氟利昂-吸收剂(例如R134a-DMF)、氨水中的一种吸收制冷工质对。
本发明发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、回热器、气液分离器、溶液热交换器均为换热器，换热器为列管式、沉浸式或喷淋式，换热器中的换热管采用普通管或强化换热管。
进一步的，在制冷系统中冷凝器和气体冷却器为同一种设备，实现相同的功能和作用。
涡流管是一种结构简单的能量分离装置，可有效利用太阳能、地热、余热等低品位热源，其制冷机理与机械压缩制冷循环、吸收制冷循环机理完全不同；鉴于涡流管具有显著的能量分离特性，国内外学者一直致力于工质替代、涡流管结构设计以及涡流管能量分离机理等方面开展了大量理论和实验研究。
本发明的有益效果为：1.依据热力学原理和能量梯级利用原理，提出利用涡流管喷射复合吸收制冷系统将涡流管制取的低品位冷量置换为高品位冷量，实现冷量品位间的高效转换。2.引入喷射器可提高进入吸收器气体压力，有利于增强溶液吸收效率，可有效提高系统制冷性能。3.本发明将涡流管应用在闭式喷射吸收制冷系统中，回收利用涡流管冷端低温气体的冷量和热端高温气体的热量，即利用涡流管的热端高温气体加热来自溶液热交换器的制冷剂富液；利用涡流管的冷端低温气体冷却来自发生器的高温高压制冷剂蒸汽，与传统喷射吸收制冷循环相比，在新循环中引入涡流管，充分回收系统中制冷剂节流过程的膨胀功，减小节流损失，可以有效降低制冷温度、提高循环制冷系数和单位容积制冷量。
附图说明
图1为本发明一种实施方式的流程示意图；
图2为本发明第二种实施方式的流程示意图。
图中：发生器1，冷凝器(气体冷却器)2，涡流管3，气液分离器4，蒸发器5，喷射器6，吸收器7，溶液泵8，第一溶液调节阀9，溶液热交换器10，回热器11，第二节流阀12。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。应当明白，以下仅为示例性，并不限制本发明的范围。
实施例1
一种具有深冷效果的喷射吸收制冷装置，如图1所示，包括发生器1，冷凝器(气体冷却器)2，涡流管3，气液分离器4，蒸发器5，喷射器6，吸收器7，溶液泵8，第一溶液调节阀9，溶液热交换器10，回热器11和第二节流阀12；其中，发生器1的第一出口分为两路，第一路与喷射器6第一进口相连，第二路与冷凝器(气体冷却器)2的第一进口相连，冷凝器(气体冷却器)2的第一出口与气液分离器4的进口相连，气液分离器4的第一出口与第二节流阀12进口相连，第二节流阀12出口与蒸发器5进口相连，蒸发器5出口与吸收器7第二进口相连，气液分离器4的第二出口与涡流管3的进口相连，涡流管3的热端出口与回热器11的第一进口相连，回热器11的第一出口与溶液热交换器10的第一进口相连，溶液热交换器10的第一出口与吸收器7第一进口相连，涡流管3的冷端出口与冷凝器(气体冷却器)2第二进口相连，冷凝器(气体冷却器)2第二出口与喷射器6第二进口相连，喷射器6出口与吸收器7第三进口相连，吸收器7的第一出口与溶液泵8的进口相连，溶液泵8的出口与溶液热交换器10的第二进口相连，溶液热交换器10的第二出口与回热器11的第二进口相连，回热器11的第二出口与发生器1的进口相连，发生器1的第二出口与溶液热交换器10第三进口相连，溶液热交换器10的第三出口与第一溶液调节阀9的入口相连，第一溶液调节阀9的出口与吸收器7的第四进口相连。
在本实施例中，工质采用CO2-[emim][Tf2N]混合工质。发生器1制冷剂富液吸收热源热量(温度大概80-110℃)后产生高温高压制冷剂蒸汽，分成两路，一路作为喷射器6的工作流体，另一路进入气体冷却器2冷却放热，热量被来自涡流管冷端气体和冷却水带走，冷却后的气液两相制冷剂CO2进入气液分离器4，其中气相制冷剂经涡流管3发生温度分离后产生热端高温气体和冷端低温气体，热端高温气体在回热器11中放出热量，预热来自溶液热交换器10的制冷剂富液后经溶液热交换器10后进入吸收器7，冷端低温气体经气体冷却器2降温冷却来自发生器1的高温高压气体，升温后的冷端气体作为喷射器6的引射气体,被来自发生器1的工作流体引射，升压为较高压混合气体进入吸收器7，液相制冷剂经节流阀12节流后在蒸发器5中蒸发制冷，制冷剂气体被吸收器7中的制冷剂贫液(含少量CO2的[emim][Tf2N]混合溶液)吸收成为制冷剂富液，经溶液泵8加压后泵入溶液交换器10，在此与来自发生器1的高温制冷剂贫液进行热量交换后，在回热器11中被来自涡流管3热端流体预热后进入发生器1，制冷剂富液在发生器1中吸收热源热量产生制冷剂蒸发后成为制冷剂贫液，在溶液热交换器10中与来自吸收器7制冷剂富液换热后进入吸收器7，吸收来自蒸发器5和喷射器6的制冷剂蒸汽，从而完成溶液循环和制冷剂循环。
本发明依据热力学原理和能量梯级利用原理，提出利用涡流管喷射复合吸收制冷系统将涡流管制取的低品位冷量置换为高品位冷量，实现冷量品位间的高效转换；该系统将涡流管应用在闭式喷射吸收制冷系统中，回收利用涡流管冷端低温气体的冷量和热端高温气体的热量，与传统喷射吸收制冷循环相比，新型涡流管-喷射吸收制冷系统具有COP高、制冷温度低的特点，节能效果明显，引入涡流管和喷射器可有效降低制冷循环的节流损失，有效提高进入吸收器的气体压力，有利于提高循环制冷效率。
实施例2
一种具有深冷效果的喷射吸收制冷装置，如图2所示，包括发生器1，冷凝器(气体冷却器)2，涡流管3，气液分离器4，蒸发器5，喷射器6，吸收器7，溶液泵8，第一溶液调节阀9，溶液热交换器10，回热器11和第二节流阀12；其中，发生器1的第一出口分为两路，第一路与喷射器6进口相连，第二路与冷凝器(气体冷却器)2的第一进口相连，冷凝器(气体冷却器)2的第一出口与气液分离器4的进口相连，气液分离器4的第一出口与第二节流阀12进口相连，第二节流阀12出口与蒸发器5进口相连，蒸发器5出口与吸收器7第二进口相连，气液分离器4的第二出口与涡流管3的进口相连，涡流管3的热端出口与回热器11的第一进口相连，回热器11的第一出口与溶液热交换器10的第一进口相连，溶液热交换器10的第一出口与吸收器7第一进口相连，涡流管3的冷端出口与冷凝器(气体冷却器)2第二进口相连，冷凝器(气体冷却器)2第二出口与溶液热交换器10第四进口相连，溶液热交换器10第四出口与喷射器6第二进口相连，喷射器6出口与吸收器7第三进口相连，吸收器7的第一出口与溶液泵8的进口相连，溶液泵8的出口与溶液热交换器10的第二进口相连，溶液热交换器10的第二出口与回热器11的第二进口相连，回热器11的第二出口与发生器1的进口相连，发生器1的第二出口与溶液热交换器10第三进口相连，溶液热交换器10的第三出口与第一溶液调节阀9的入口相连，第一溶液调节阀9的出口与吸收器7的第四进口相连。
在本实施例中，工质采用CO2-[bmim][PF6]为制冷混合工质对。发生器1制冷剂富液吸收热源热量(温度范围在280℃-300℃)后产生高温高压制冷剂蒸汽，分成两路，一路作为喷射器6的工作流体，另一路进入气体冷却器2冷却放热，热量被来自涡流管冷端气体和冷却水带走，冷却后的气液两相制冷剂CO2进入气液分离器4，其中气相制冷剂经涡流管3发生温度分离后产生热端高温气体和冷端低温气体，热端高温气体在回热器11中放出热量，预热来自溶液热交换器10的制冷剂富液后经溶液热交换器10后进入吸收器7，冷端低温气体经气体冷却器2降温冷却来自发生器1的气体，升温后的冷端气体在溶液热交换器10中预冷进入吸收器7的制冷剂贫液(含少量CO2的[bmim][PF6]混合溶液)，换热后的制冷剂气体作为喷射器6的引射气体,被来自发生器1的工作流体引射，升压为较高压混合气体进入吸收器7，液相制冷剂经节流阀12节流后在蒸发器5中蒸发制冷，制冷剂气体被吸收器7中的制冷剂贫液吸收成为制冷剂富液，经溶液泵8加压后泵入溶液交换器10，在此与来自发生器1的高温制冷剂贫液进行热量交换后，在回热器11中被来自涡流管3热端流体预热后进入发生器1，制冷剂富液在发生器1中吸收热源热量产生制冷剂蒸发后成为制冷剂贫液，在溶液热交换器10中与来自吸收器7制冷剂富液和来自气体冷却器2制冷剂气体换热后进入吸收器7，吸收来自蒸发器5和喷射器6的制冷剂蒸汽，从而完成溶液循环和制冷剂循环
本发明依据热力学原理和能量梯级利用原理，利用涡流管喷射复合吸收制冷系统将涡流管制取的低品位冷端冷量置换成高品位冷量，实现冷量品位间的高效转换；引入喷射器可提高进入吸收器气体压力，有利于增强溶液吸收效率；该系统将涡流管应用在闭式喷射吸收制冷系统中，回收利用涡流管冷端低温气体的冷量和热端高温气体的热量，即利用涡流管的热端高温气体加热来自溶液热交换器的制冷剂富液；利用涡流管的冷端低温气体冷却来自发生器的高温高压的制冷剂蒸汽；利用溶液热交换器回收来自涡流管冷端低温气体的剩余冷量，进一步有效降低进入吸收器的溶液温度，有利于提高制冷循环性能；在新循环中引入涡流管和喷射器，充分回收系统中制冷剂节流过程的膨胀功，减小节流损失，提高进入吸收器的气体压力，可以有效降低制冷温度、提高循环制冷系数和单位容积制冷量。

Claims (8)

1.一种具有深冷效果的喷射吸收制冷装置，包括发生器(1)，冷凝器(2)，涡流管(3)，气液分离器(4)，蒸发器(5)，喷射器(6)，吸收器(7)，溶液热交换器(10)和回热器(11)；其特征在于，发生器(1)的一个出口分为两路，一路与喷射器(6)相连；另一路依次与冷凝器(2)、气液分离器(4)、蒸发器(5)、吸收器(7)顺序串连；发生器(1)的一个出口分别与溶液热交换器(10)、吸收器(7)顺序串连；涡流管(3)的进口与气液分离器(4)连通；涡流管(3)的热端出口与回热器(11)、溶液热交换器(10)、吸收器(7)顺序串连；涡流管(3)的冷端出口依次与冷凝器(2)、喷射器(6)、吸收器(7)、溶液热交换器(10)、回热器(11)、发生器(1)顺序串连。
2.根据权利要求1所述的具有深冷效果的喷射吸收制冷装置，其特征在于：发生器(1)的第一出口分为两路，第一路与喷射器(6)第一进口相连，第二路与冷凝器(2)的第一进口相连，冷凝器(2)的第一出口与气液分离器(4)的进口相连，气液分离器(4)的第一出口与蒸发器(5)进口相连，蒸发器(5)出口与吸收器(7)第二进口相连，气液分离器(4)的第二出口与涡流管(3)的进口相连，涡流管(3)的热端出口与回热器(11)的第一进口相连，回热器(11)的第一出口与溶液热交换器(10)的第一进口相连，溶液热交换器(10)的第一出口与吸收器(7)第一进口相连，涡流管(3)的冷端出口与冷凝器(2)第二进口相连，冷凝器(2)第二出口与喷射器(6)第二进口相连，喷射器(6)出口与吸收器(7)第三进口相连，吸收器(7)的第一出口与溶液热交换器(10)的第二进口相连，溶液热交换器(10)的第二出口与回热器(11)的第二进口相连，回热器(11)的第二出口与发生器(1)的进口相连，发生器(1)的第二出口与溶液热交换器(10)第三进口相连，溶液热交换器(10)的第三出口与吸收器(7)的第四进口相连。
3.根据权利要求2所述的具有深冷效果的喷射吸收制冷装置，其特征在于：还包括溶液泵(8)、第一溶液调节阀(9)和第二节流阀(12)，所述气液分离器(4)的第一出口通过第二节流阀(12)与蒸发器(5)进口连通；所述吸收器(7)的第一出口通过溶液泵(8)与溶液热交换器(10)的第二进口连通；所述溶液热交换器(10)的第三出口通过第一溶液调节阀(9)与吸收器(7)的第四进口连通。
4.一种具有深冷效果的喷射吸收制冷装置，包括发生器(1)，冷凝器(2)，涡流管(3)，气液分离器(4)，蒸发器(5)，喷射器(6)，吸收器(7)，溶液热交换器(10)和回热器(11)，其特征在于：所述发生器(1)的一个出口分为两路，一路与喷射器(6)相连；另一路依次与冷凝器(2)、气液分离器(4)、蒸发器(5)、吸收器(7)顺序串连；所述发生器(1)的一个出口依次与溶液热交换器(10)、吸收器(7)顺序串连；所述涡流管(3)的进口与气液分离器(4)连通；所述涡流管(3)的热端出口依次与回热器(11)、溶液热交换器(10)、吸收器(7)顺序串连；涡流管(3)的冷端出口依次与冷凝器(2)、溶液热交换器(10)、喷射器(6)、吸收器(7)、溶液热交换器(10)、回热器(11)、发生器(1)顺序串连。
5.根据权利要求4所述的具有深冷效果的喷射吸收制冷装置，其特征在于：发生器(1)的第一出口分为两路，第一路与喷射器(6)进口相连，第二路与冷凝器(2)的第一进口相连，冷凝器(2)的第一出口与气液分离器(4)的进口相连，气液分离器(4)的第一出口与蒸发器(5)进口相连，蒸发器(5)出口与吸收器(7)第二进口相连，气液分离器(4)的第二出口与涡流管(3)的进口相连，涡流管(3)的热端出口与回热器(11)的第一进口相连，回热器(11)的第一出口与溶液热交换器(10)的第一进口相连，溶液热交换器(10)的第一出口与吸收器(7)第一进口相连，涡流管(3)的冷端出口与冷凝器(2)第二进口相连，冷凝器(2)第二出口与溶液热交换器(10)第四进口相连，溶液热交换器(10)第四出口与喷射器(6)第二进口相连，喷射器(6)出口与吸收器(7)第三进口相连，吸收器(7)的第一出口与溶液热交换器(10)的第二进口相连，溶液热交换器(10)的第二出口与回热器(11)的第二进口相连，回热器(11)的第二出口与发生器(1)的进口相连，发生器(1)的第二出口与溶液热交换器(10)第三进口相连，溶液热交换器(10)的第三出口与吸收器(7)的第四进口相连。
6.根据权利要求3所述的具有深冷效果的喷射吸收制冷装置，其特征在于：还包括溶液泵(8)、第一溶液调节阀(9)和第二节流阀(12)；所述吸收器(7)的第一出口通过溶液泵(8)与溶液热交换器(10)的第二进口连通；所述溶液热交换器(10)的第三出口通过第一溶液调节阀(9)与吸收器(7)的第四进口连通；所述气液分离器(4)的第一出口通过第二节流阀与蒸发器(5)进口相连。
7.根据权利要求1-6任一权利要求所述的一种具有深冷效果的喷射吸收制冷装置，其特征在于：该装置中填充的流体工质为CO2-离子液体、CO2-MDEA、氟利昂-吸收剂、氨水中的一种。
8.根据权利要求1或2或4或5所述的一种具有深冷效果的喷射吸收制冷装置，其特征在于：冷凝器(2)为气体冷却器。
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