CN105352218B - 一种基于涡流管的吸收制冷系统及工作方法 - Google Patents

一种基于涡流管的吸收制冷系统及工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于涡流管的吸收制冷系统及工作方法，其中的一种基于涡流管的吸收制冷系统，包括发生器、冷凝器、气液分离器、第一回热器、第一节流阀、蒸发器、涡流管、吸收器、第二溶液调节阀、溶液泵、溶液热交换器、第二回热器和第三节流阀。本发明引入涡流管可有效降低制冷循环的节流损失，有利于提高循环制冷效率；涡流管热端高温气体被再利用可以提高新型吸收制冷循环性能，即利用涡流管的热端高温气体预热来自溶液热交换器的制冷剂富液；利用涡流管的冷端气体过冷来自汽液分离器的制冷剂液体，使之成为过冷液体，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。

Description

一种基于涡流管的吸收制冷系统及工作方法
技术领域
本发明涉及吸收制冷系统，具体涉及一种基于涡流管的吸收制冷系统及工作方法。
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，余热资源充足，但能量密度低，能量利用率低，造成能源浪费和环境污染。
吸收制冷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，针对上述缺陷，本发明提出一种涡流管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。
涡流管是一个结构简单，具有能量分离特性的装置。高压流体进入涡流管后，被涡流管中的喷嘴减压增速，然后在涡流室中高速旋转，在热端管中分为温度不同的两个部分，即低温流体与高温流体。高温流体经过热端调节阀的边缘部分流出，低温流体碰撞热端调节阀中心部位后返流，从涡流室中冷孔板中心孔处流出。涡流管制冷可采用水蒸气、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。涡流管能量分离现象是由法国冶金工程师Ranque发现，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。
随着对涡流管制冷制热机理研究不断深入，涡流管应用进一步深化。1987年，Bruno曾统计涡流管在各种特殊温度控制领域的应用将近10000个。总体上说，涡流管主要用于制冷和分离等方面。2002年Nellis提出一种涡流管压缩制冷系统，利用涡流管的半经验模型进行数值模拟，模拟结果表明与JT制冷循环相比，在相同质量流量、压比和制冷温度的前提下，涡流管压缩制冷系统的制冷量提高将近50％。
在涡流管压缩制冷系统中，该制冷机获得的低温完全以消耗高品位机械能为代价，且对压缩机可靠性要求较高，耗功大。专利号为201410429941的专利公开的智能双涡流管制冷制热系统，即是以消耗高品位机械能为代价。
发明内容
本发明的目的是提供一种节能、降耗、环保的基于涡流管的吸收制冷系统及工作方法。
本发明解决以上技术问题的技术方案为：
一种基于涡流管的吸收制冷系统，包括发生器、冷凝器、气液分离器、第一回热器、第一节流阀、蒸发器、涡流管、吸收器、第二溶液调节阀、溶液泵、溶液热交换器及第二回热器；所述发生器第一出口与冷凝器的进口相连，冷凝器的出口与气液分离器的入口相连，气液分离器的第一出口与第一回热器的第一入口相连，第一回热器的第一出口与第一节流阀的入口相连，第一节流阀的出口与蒸发器的入口相连；气液分离器的第二出口与涡流管的入口相连，涡流管的热端出口与第二回热器的第一入口相连，第二回热器的第一出口与溶液热交换器的第二入口相连，溶液热交换器第二出口与吸收器第二入口相连；涡流管的冷端出口与第一回热器的第二入口相连，第一回热器的第二出口与蒸发器出口汇合后与吸收器第一入口相连，吸收器的第一出口与溶液泵的入口相连，溶液泵的出口与溶液热交换器的第一入口相连，溶液热交换器的第一出口与第二回热器的第二入口相连，第二回热器的第二出口与发生器的入口相连，发生器的第二出口与溶液热交换器的第三入口相连，溶液热交换器的第三出口与第二溶液调节阀的入口相连，第二溶液调节阀的出口与吸收器的第三入口相连。
进一步地，所述一种基于涡流管的吸收制冷系统，包括发生器、冷凝器、气液分离器、第一回热器、第一节流阀、蒸发器、涡流管、吸收器、第二溶液调节阀、溶液泵、溶液热交换器、第二回热器及第三节流阀；所述发生器第一出口分为两路，一路与冷凝器的进口相连，另一路与涡流管的入口相连；冷凝器的出口与气液分离器的入口相连，气液分离器的第一出口与第一回热器的第一入口相连，第一回热器的第一出口与第一节流阀的入口相连，第一节流阀的出口与蒸发器的入口相连，气液分离器第二出口与第三节流阀入口相连；发生器的另一路与涡流管的进口相连，涡流管的热端出口与第二回热器的第一入口相连，第二回热器的第一出口与溶液热交换器的第二入口相连，溶液热交换器第二出口与吸收器第二入口相连；涡流管的冷端出口与第一回热器的第二入口相连，第一回热器的第二出口汇同第三节流阀出口汇合后与蒸发器的出口相连，之后与吸收器第一入口相连；吸收器的第一出口与溶液泵的入口相连，溶液泵的出口与溶液热交换器的第一入口相连，溶液热交换器的第一出口与第二回热器的第二入口相连，第二回热器的第二出口与发生器的入口相连；发生器的第二出口与溶液热交换器的第三入口相连，溶液热交换器的第三出口与第二溶液调节阀的入口相连，第二溶液调节阀的出口与吸收器的第三入口相连。
更进一步地，所述吸收制冷系统的吸收制冷工质对采用CO2-离子液体、CO2-MDEA、氟利昂-吸收剂、氨水中的一种。
更进一步地，所述冷凝器与气体冷却器作用和功效相同。
同时，本发明还提供了一种基于上述涡流管吸收制冷系统的工作方法，包括以下步骤：
S1，吸收制冷工质对采用CO2-[emim][Tf2N]，发生器的制冷剂富液吸收热源热量后产生高温高压制冷剂蒸气，进入气体冷却器冷却放热，热量被冷却水带走，冷却后的气液两相制冷剂CO2进入气液分离器，其中气相制冷剂作为涡流管的工作流体，经涡流管发生温度分离后产生热端气体和冷端气体，热端气体在第二回热器中放出热量，预热来自溶液热交换器的制冷剂富液后进入吸收器，冷端低温气体经第一回热器过冷来自气液分离器的液相制冷剂；
S2，液相制冷剂经节流阀节流后在蒸发器中蒸发制冷，与经换热后的涡流管冷端制冷剂气体一起进入吸收器；
S3，在吸收器中制冷剂蒸气被制冷剂贫液吸收为制冷剂富液，经溶液泵加压后泵入溶液热交换器，在此与来自发生器的高温制冷剂贫液和来自第二回热器(12)涡流管热端气体进行热量交换后，在第二回热器中被来自涡流管热端气体预热后进入发生器；
S4，制冷剂富液在发生器中吸收低品位热源热量产生制冷剂蒸气后成为制冷剂贫液，在溶液热交换器中与来自吸收器制冷剂富液进行热量交换后进入吸收器，吸收来自蒸发器和涡流管冷热端制冷剂气体，从而完成溶液循环和制冷剂循环。
本发明具有如下优点：
本发明依据热力学原理和能量梯级利用原理，将涡流管和吸收制冷系统耦合起来，利用新型涡流管制冷系统将低品位冷端冷量置换为高品位冷量，实现冷量品位间的高效转换；
引入涡流管可有效降低制冷循环的节流损失，有利于提高循环制冷效率；
涡流管热端高温气体被再利用可以提高新型吸收制冷循环性能，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过冷来自汽液分离器的制冷剂液体，使之成为过冷液体，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。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明的一种基于涡流管的吸收制冷系统第一实施例的结构示意图；
图2是本发明的一种基于涡流管的吸收制冷系统第二实施例的结构示意图；
图3是本发明的一种基于涡流管的吸收制冷系统第一实施例的工作方法流程图。
附图标记：
1为发生器、2为冷凝器、3为气液分离器、4为第一回热器、5为第一节流阀、6为蒸发器、7为涡流管、8为吸收器、9为第二溶液调节阀、10为溶液泵、11为溶液热交换器、12为第二回热器、13为第三节流阀。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
参考图1，如图1所示的一种基于涡流管的吸收制冷系统，包括发生器1、冷凝器2、气液分离器3、第一回热器4、第一节流阀5、蒸发器6、涡流管7、吸收器8、第二溶液调节阀9、溶液泵、溶液热交换器11及第二回热器12；所述发生器1第一出口与冷凝器2的进口相连，冷凝器2的出口与气液分离器3的入口相连，气液分离器3的第一出口与第一回热器4的第一入口相连，第一回热器4的第一出口与第一节流阀5的入口相连，第一节流阀5的出口与蒸发器6的入口相连；气液分离器3的第二出口与涡流管7的入口相连，涡流管7的热端出口与第二回热器12的第一入口相连，第二回热器12的第一出口与溶液热交换器11的第二入口相连，溶液热交换器11第二出口与吸收器8第二入口相连；涡流管7的冷端出口与第一回热器4的第二入口相连，第一回热器4的第二出口与蒸发器6出口汇合后与吸收器8第一入口相连，吸收器8的第一出口与溶液泵的入口相连，溶液泵的出口与溶液热交换器11的第一入口相连，溶液热交换器11的第一出口与第二回热器12的第二入口相连，第二回热器12的第二出口与发生器1的入口相连，发生器1的第二出口与溶液热交换器11的第三入口相连，溶液热交换器11的第三出口与第二溶液调节阀9的入口相连，第二溶液调节阀9的出口与吸收器8的第三入口相连。
所述吸收制冷系统的工质采用CO2-离子液体、CO2-MDEA、氟利昂-吸收剂(例如R134a-DMF)、氨水中的一种。
所述冷凝器2与气体冷却器作用相同。
所述基于涡流管的吸收制冷系统工作方法，包括以下步骤：
S1，吸收制冷工质对采用CO2-[emim][Tf2N]，发生器1的制冷剂富液吸收热源热量后产生高温高压制冷剂蒸气，进入气体冷却器冷却放热，热量被冷却水带走，冷却后的气液两相制冷剂CO2进入气液分离器3，其中气相制冷剂作为涡流管7的工作流体，经涡流管7发生温度分离后产生热端气体和冷端气体，热端气体在第二回热器12中放出热量，预热来自溶液热交换器11的制冷剂富液后进入吸收器8，冷端低温气体经第一回热器4过冷来自气液分离器3的液相制冷剂；
S2，液相制冷剂经节流阀5节流后在蒸发器6中蒸发制冷，与经换热后的涡流管7冷端制冷剂气体一起进入吸收器8；
S3，在吸收器8中制冷剂蒸气被制冷剂贫液吸收为制冷剂富液，经溶液泵10加压后泵入溶液热交换器11，在此与来自发生器1的高温制冷剂贫液进行热量交换后，在第二回热器12中被来自涡流管7热端气体预热后进入发生器1；
S4，制冷剂富液在发生器1中吸收低品位热源热量产生制冷剂蒸气后成为制冷剂贫液，在溶液热交换器11中与来自吸收器8制冷剂富液进行热量交换后进入吸收器8，吸收来自蒸发器6和涡流管7冷热端制冷剂气体，从而完成溶液循环和制冷剂循环。
实施例2
参考图2，如图2所示的一种基于涡流管的吸收制冷系统，包括发生器1、冷凝器2、气液分离器3、第一回热器4、第一节流阀5、蒸发器6、涡流管7、吸收器8、第二溶液调节阀9、溶液泵10、溶液热交换器11、第二回热器12及第三节流阀13；所述发生器1第一出口分为两路，一路与冷凝器2的进口相连，另一路与涡流管7的入口相连；冷凝器2的出口与气液分离器3的入口相连，气液分离器3的第一出口与第一回热器4的第一入口相连，第一回热器4的第一出口与第一节流阀5的入口相连，第一节流阀5的出口与蒸发器6的入口相连，气液分离器3第二出口与第三节流阀13入口相连；发生器1的另一路与涡流管7的进口相连，涡流管7的热端出口与第二回热器12的第一入口相连，第二回热器12的第一出口与溶液热交换器11的第二入口相连，溶液热交换器11第二出口与吸收器8第二入口相连；涡流管7的冷端出口与第一回热器4的第二入口相连，第一回热器4的第二出口汇同第三节流阀13出口汇合后与蒸发器6的出口相连，之后与吸收器8第一入口相连；吸收器8的第一出口与溶液泵10的入口相连，溶液泵10的出口与溶液热交换器11的第一入口相连，溶液热交换器11的第一出口与第二回热器12的第二入口相连，第二回热器12的第二出口与发生器1的入口相连；发生器1的第二出口与溶液热交换器11的第三入口相连，溶液热交换器11的第三出口与第二溶液调节阀9的入口相连，第二溶液调节阀9的出口与吸收器8的第三入口相连。
所述吸收制冷系统的吸收制冷工质对采用CO2-离子液体、CO2-MDEA、氟利昂-吸收剂(例如R134a-DMF)、氨水中的一种。
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。
在本实施例中，采用CO2-[bmim][PF6]为制冷工质对。发生器1制冷剂富液吸收热源热量(温度大概280℃-300℃)后产生高温高压制冷剂蒸气，分成两路，一路作为涡流管7的工作流体，经涡流管7发生温度分离后产生热端高温气体和冷端低温气体，热端高温气体在第二回热器12中放出热量，预热来自溶液热交换器11的制冷剂富液后经溶液热交换器11进入吸收器8，冷端低温气体经第一回热器4过冷来自气液分离器3的液相制冷剂；另一路进入气体冷却器冷却放热，热量被冷却水带走，冷却后的气液两相制冷剂CO2进入气液分离器3，其中气相制冷剂经节流阀13节流，与经第一回热器4换热后的冷端气体以及来自蒸发器6的制冷剂蒸气一起进入吸收器；另外液相制冷剂被涡流管7冷端气体过冷，经第一节流阀5节流后进入蒸发器6，在此蒸发制冷，来自蒸发器的制冷剂蒸气与经第一回热器4换热后的来自涡流管7冷端气体以及经第三节流阀13节流后来自气液分离器的气相制冷剂一起被吸收器8中的制冷剂贫液(含少量CO2的[bmim][PF6]混合溶液)吸收成为制冷剂富液，经溶液泵10加压后泵入溶液交换器11，在此与来自发生器1的高温制冷剂贫液和来自第二回热器(12)涡流管热端气体进行热量交换后，在第二回热器12中被来自涡流管7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11中与来自吸收器8制冷剂富液换热后经溶液调节阀进入吸收器8，吸收来自蒸发器6、气液分离器3的制冷剂气体以及涡流管冷热端制冷剂气体，从而完成溶液循环和制冷剂循环。
本发明依据热力学原理，结合涡流管和吸收制冷循环的优势，提出一种基于涡流管的吸收制冷系统，可将低品位能量转化为高品位能量。该流程突出特点是：
(1)利用能量梯级利用原理，将涡流管制取的低品位冷量置换为高品位冷量，新循环将高低品位冷量耦合起来，实现冷量品位间的转换，不仅能实现低品位能源的高效转换利用，而且还可以克服低品位能源自身的缺点。
(2)本项目将涡流管应用在闭式吸收制冷系统中，充分利用涡流管冷端低温气体的冷量和热端高温气体的热量，与传统吸收制冷循环相比，新型涡流管吸收制冷系统具有COP高、制冷温度低的特点，节能效果明显。
(3)在传统吸收制冷循环中引入涡流管，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。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (5)

1.一种基于涡流管的吸收制冷系统，其特征在于，包括发生器(1)、冷凝器(2)、气液分离器(3)、第一回热器(4)、第一节流阀(5)、蒸发器(6)、涡流管(7)、吸收器(8)、第二溶液调节阀(9)、溶液泵、溶液热交换器(11)及第二回热器(12)；所述发生器(1)第一出口与冷凝器(2)的进口相连，冷凝器(2)的出口与气液分离器(3)的入口相连，气液分离器(3)的第一出口与第一回热器(4)的第一入口相连，第一回热器(4)的第一出口与第一节流阀(5)的入口相连，第一节流阀(5)的出口与蒸发器(6)的入口相连；气液分离器(3)的第二出口与涡流管(7)的入口相连，涡流管(7)的热端出口与第二回热器(12)的第一入口相连，第二回热器(12)的第一出口与溶液热交换器(11)的第二入口相连，溶液热交换器(11)第二出口与吸收器(8)第二入口相连；涡流管(7)的冷端出口与第一回热器(4)的第二入口相连，第一回热器(4)的第二出口与蒸发器(6)出口汇合后与吸收器(8)第一入口相连，吸收器(8)的第一出口与溶液泵的入口相连，溶液泵的出口与溶液热交换器(11)的第一入口相连，溶液热交换器(11)的第一出口与第二回热器(12)的第二入口相连，第二回热器(12)的第二出口与发生器(1)的入口相连，发生器(1)的第二出口与溶液热交换器(11)的第三入口相连，溶液热交换器(11)的第三出口与第二溶液调节阀(9)的入口相连，第二溶液调节阀(9)的出口与吸收器(8)的第三入口相连。
2.根据权利要求1所述的基于涡流管的吸收制冷系统，其特征在于，包括发生器(1)、冷凝器(2)、气液分离器(3)、第一回热器(4)、第一节流阀(5)、蒸发器(6)、涡流管(7)、吸收器(8)、第二溶液调节阀(9)、溶液泵(10)、溶液热交换器(11)、第二回热器(12)及第三节流阀(13)；所述发生器(1)第一出口分为两路，一路与冷凝器(2)的进口相连，另一路与涡流管(7)的入口相连；冷凝器(2)的出口与气液分离器(3)的入口相连，气液分离器(3)的第一出口与第一回热器(4)的第一入口相连，第一回热器(4)的第一出口与第一节流阀(5)的入口相连，第一节流阀(5)的出口与蒸发器(6)的入口相连，气液分离器(3)第二出口与第三节流阀(13)入口相连；发生器(1)的另一路与涡流管(7)的进口相连，涡流管(7)的热端出口与第二回热器(12)的第一入口相连，第二回热器(12)的第一出口与溶液热交换器(11)的第二入口相连，溶液热交换器(11)第二出口与吸收器(8)第二入口相连；涡流管(7)的冷端出口与第一回热器(4)的第二入口相连，第一回热器(4)的第二出口汇同第三节流阀(13)出口汇合后与蒸发器(6)的出口相连，之后与吸收器(8)第一入口相连；吸收器(8)的第一出口与溶液泵(10)的入口相连，溶液泵(10)的出口与溶液热交换器(11)的第一入口相连，溶液热交换器(11)的第一出口与第二回热器(12)的第二入口相连，第二回热器(12)的第二出口与发生器(1)的入口相连；发生器(1)的第二出口与溶液热交换器(11)的第三入口相连，溶液热交换器(11)的第三出口与第二溶液调节阀(9)的入口相连，第二溶液调节阀(9)的出口与吸收器(8)的第三入口相连。
3.根据权利要求1或2所述的基于涡流管的吸收制冷系统，其特征在于，所述系统中填充的制冷剂工质对为CO2-离子液体、CO2-MDEA、氟利昂-吸收剂、氨水中的一种。
4.根据权利要求1或2所述的基于涡流管的吸收制冷系统，其特征在于，所述冷凝器(2)为与气体冷却器作用和功效相同。
5.根据权利要求1所述的基于涡流管的吸收制冷系统工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，吸收制冷工质对采用CO2-[emim][Tf2N]，发生器(1)的制冷剂富液吸收热源热量后产生高温高压制冷剂蒸气，进入气体冷却器2冷却放热，热量被冷却水带走，冷却后的气液两相制冷剂CO2进入气液分离器(3)，其中气相制冷剂作为涡流管(7)的工作流体，经涡流管(7)发生温度分离后产生热端气体和冷端气体，热端气体在第二回热器(12)中放出热量，预热来自溶液热交换器(11)的制冷剂富液后进入吸收器(8)，冷端低温气体经第一回热器(4)过冷来自气液分离器(3)的液相制冷剂；
S2，液相制冷剂经节流阀(5)节流后在蒸发器(6)中蒸发制冷，与经换热后的涡流管(7)冷端制冷剂气体一起进入吸收器(8)；
S3，在吸收器(8)中制冷剂蒸气被制冷剂贫液吸收为制冷剂富液，经溶液泵(10)加压后泵入溶液热交换器(11)，在此与来自发生器(1)的高温制冷剂贫液和来自第二回热器(12)涡流管热端气体进行热量交换后，在第二回热器(12)中被来自涡流管(7)热端气体预热后进入发生器(1)；
S4，制冷剂富液在发生器(1)中吸收低品位热源热量产生制冷剂蒸气后成为制冷剂贫液，在溶液热交换器(11)中与来自吸收器(8)制冷剂富液进行热量交换后进入吸收器(8)，吸收来自蒸发器(6)和涡流管(7)冷热端制冷剂气体，从而完成溶液循环和制冷剂循环。
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