CN106969542A - 吸收式热泵循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种吸收式热泵循环系统，其根据热源温度在单效模式、1.n级模式和两极模式间自适应变化。本发明包括一个具有吸收发生换热的第二溶液回路和一个第一溶液回路，吸收发生换热的第二溶液回路所产生的冷量用来冷却第一溶液回路的第一吸收器。吸收发生换热的温度重叠范围由热源温度决定：当该温度重叠范围覆盖整个发生过程时，循环为单效热泵工作模式；当该温度重叠范围为零时，循环为两级热泵工作模式；其他情况下循环为1.n级热泵工作模式。本发明可以扩大吸收式热泵的输出温度范围，并可在不同输出温度下保证最优的系统效率，为低品位热源驱动的热泵系统提供了一种优选方案。

Description

吸收式热泵循环系统

技术领域

本发明涉及热泵系统，尤其涉及一种利用低品位热源驱动的吸收式热泵循环系统。

背景技术

能源和环境问题是困扰当前人类社会的两大难题之一。例如当前我国大部分地区采用的燃煤采暖系统不但消耗大量化石能源，而且燃煤燃烧所产生的排放物也是雾霾天气的重要原因之一。如采用空调系统采暖，则有可能使用造成臭氧层破坏和温室效应的制冷剂作为工质，并且需要消耗很多电能。

吸收式热泵和制冷技术可以利用热量输入得到热量或冷量输出，热源可以来自燃气燃烧、工业余热、内燃机缸套水余热或太阳能蒸汽热水等，得到的热量可以用于采暖，得到的冷量可以用在空调系统。吸收式热泵和制冷技术所使用的余热回收或太阳能利用也可以同时减少能源消耗并减少能源使用时带来的环境污染。因此吸收式热泵和制冷技术是对现行能源和环境问题的一个较好解决方案。

吸收式热泵和制冷技术是已经商业化的成熟技术，传统的吸收式热泵和制冷技术中已经存在很多种循环，例如最常见的的单效循环和双效循环，其他循环方式包括两级循环、三效循环等。这些循环均具有使用价值并已经在实际产品中应用。

吸收式热泵和制冷技术也存在自己的问题，这些包括工质方面和循环方面的局限。例如，溴化锂吸收机组的运行受冰点和结晶的限制，并在高温时受腐蚀问题限制；而氨水吸收机组的运行则由于系统压力较高，如果出现泄露会对人造成一定危害。此外，常规的吸收式循环所能适应的热源温度范围不大，系统效率也相对恒定，这导致了当热源温度介于两级循环和单效循环之间或单效循环和双效循环之间时，并没有针对这些中间热源温度的最优的系统设计。同理在热源温度恒定的情况下，传统两级、单效和双效热泵的输出温度范围不大，没有针对中间输出温度的系统设计。这对于低品位热源的利用是不利的。

发明内容

为了改进常规吸收式热泵循环系统可工作的热输出范围较窄的现状，本发明提供一种吸收式热泵循环系统。

一种可以对热源温度和输出温度有较好适应性的吸收式热泵循环系统，是由以下分别属于三个等级的各个部件组成的：高压部分包括第一发生器、第二发生器和冷凝器，中压部分包括第二吸收器和第二蒸发器，低压部分包括第一吸收器和第一蒸发器。其他次要部件包括不同部件间的节流阀、溶液管路和溶液泵。可选的部件包括溶液管路间的回热器。

所述吸收式热泵循环系统的热量输入输出方式如下：所述第一发生器的热输入来自热源，所述第二发生器的热输入来自热源和所述第二吸收器的吸收热回收，所述冷凝器为热输出部件，所述第二吸收器的吸收热包括被所述第二发生器回收和对外热输出两部分，所述第二蒸发器的冷量用于冷却所述第一吸收器，所述第一蒸发器吸收来自环境或低温热源的热输入。

所述吸收式热泵循环系统中溶液和制冷剂的流动方式如下：在第一溶液回路中，溶液依次经过所述第一发生器、节流阀、第一吸收器和溶液泵并回到所述第一发生器。在第二溶液回路中，溶液依次经过所述第二发生器、节流阀、第二吸收器和溶液泵并回到所述第二发生器。所述第一发生器和所述第二发生器产生的制冷剂蒸汽进入所述冷凝器，制冷剂蒸汽在所述冷凝器中冷凝成液体制冷剂并经过节流进入所述第二蒸发器，所述第二蒸发器中没有蒸发的液体制冷剂经过节流进入所述第一蒸发器，所述第一蒸发器和所述第二蒸发器中的液体制冷剂被加热成制冷剂蒸汽并分别被所述第一吸收器和所述第二吸收器吸收。

所述吸收式热泵循环系统的关键换热过程在于所述第二发生器和所述第二吸收器之间的换热过程。除去热源驱动的热输出，该换热过程也可以驱动所述第二发生器的发生进而得到额外热输出，从而提升系统效率。该换热过程可以通过所述第二发生器出口的溶液先流经所述第二吸收器完成换热，再经过所述第二节流阀进入所述第二吸收器。该换热过程也可以通过所述第二发生器和所述第二吸收器之间添加额外的换热回路完成。

所述吸收式热泵循环系统的另一个关键换热过程在于所述第二蒸发器和所述第一吸收器之间的换热过程。该换热过程可以通过所述第二蒸发器的制冷剂吸收所述第一吸收器的吸收热进行过热闪蒸完成，也可以通过在所述第二蒸发器和所述第一吸收器之间添加额外换热回路完成。

所述吸收式热泵循环系统的可调节性主要体现在两方面：所述第二蒸发器和所述第一吸收器之间换热过程的温度可根据热源温度进行调整；所述第二发生器和所述第二吸收器之间换热过程的温度滑移范围，即所述第二发生器和所述第二吸收器的温度重叠范围可根据所述第二吸收器的压力以及热源温度共同调整。整体上，在高热源温度下所述第一吸收器所需要冷却的温度高，所述第二蒸发器的温度高，所述第二吸收器的压力高，进一步导致所述第二吸收器和所述第二发生器之间的温度重叠范围大，循环内回热增加，效率升高，循环级数1.n接近1，接近单效循环模式。反之在低热源温度下，所述第二吸收器和所述第二发生器之间的温度重叠范围小，循环内回热减弱，效率降低，循环级数1.n接近2，接近两极循环模式。因此，所述吸收式热泵循环系统的可调节性是从所述两个关键换热过程配合所得到的，并且是由热源温度所决定的自发过程。循环的效率由热源温度决定，表现在所述第二发生器和所述第二吸收器的温度重叠范围上。

所述吸收式热泵循环系统在热源温度较低时，可能产生所述第二吸收器和所述第二发生器之间没有温度重叠的情况，此时系统以两极模式运行，达到循环最低效率。

所述吸收式热泵循环系统在热源温度满足单效热泵循环的情况下，可以关闭所述第二吸收器和所述第二发生器之间的所述第二溶液泵，系统以单效模式运行，从而避免所述第二吸收器和所述第二发生器在循环过程中的热耗散，达到热源温度下的最优系统效率。

所述吸收式热泵循环系统在热源温度恒定的情况下，可以根据输出温度的变化进行系统的自适应调整，达到相应工况的最优效率。系统的效率随输出温度的上升而降低，反之亦然。

所述吸收式热泵循环系统在所述冷凝器和所述第二吸收器被环境冷却的情况下，可以通过所述第一蒸发器进行冷量输出。系统的循环方式不变，效率依然根据热源温度进行自适应调整。

本发明所描述的循环，可以使用溴化锂溶液作为循环工质，也可以在添加精馏装置后采用氨水作为工质。

本发明提供了一种吸收式热泵循环系统，该系统可以根据热源温度或输出温度的高低进行自适应调整，并具有两极、1.n级和单效模式，从而实现在不同温度热源或不同输出温度下的系统效率最优化。

本发明的积极进步效果在于：提供了一种解决吸收式热泵循环系统对热源温度和输出温度适应性差的解决方案，并为吸收式回收采暖提供了一种高效的循环方式。

附图说明

图1为本发明一实施例的吸收式热泵循环系统以1.n级模式运行的流程图；

图2为本发明一实施例的吸收式热泵循环系统以两极模式运行的流程图；

图3为本发明一实施例的吸收式热泵循环系统以单效模式运行的流程图。

图中，1-第一发生器；2-热源驱动段；3-吸收热驱动段；4-冷凝器；5-内部输出段；6-外部输出段；7-第二蒸发器；8-第一吸收器；9-第一蒸发器；10-第一溶液泵；11-第一节流阀；12-第二溶液泵；13-第二节流阀；14-第三节流阀；15-第四节流阀。其中，实线代表液体流动，虚线代表气体流动，箭头代表流动方向，部件吸收热驱动段3和内部输出段5之间以及部件第二蒸发器7和第一吸收器8之间的箭头代表循环内部热量流动。

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，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。

吸收式热泵循环系统的系统部件结构如图1所示，该系统主要部件间的连接如下：第一发生器1连接第一溶液泵10、第一节流阀11和冷凝器4；第二发生器的热源驱动段2和吸收热驱动段3为同一部件不同部分：热源驱动段2连接第二溶液泵12和冷凝器4，吸收热驱动段3连接第二节流阀13和冷凝器4，吸收热驱动段3和第二吸收器的内部输出段5有热交换；冷凝器4除以上连接外和第三节流阀14连接；第二吸收器的内部输出段5和外部输出段6为同一部件不同部分：内部输出段5连接第二溶液泵12和第二蒸发器7，外部输出段6连接第二节流阀13和第二蒸发器7；第二蒸发器7除以上连接外和第四节流阀15连接，并和第一吸收器8有热交换；第一吸收器8连接第一溶液泵10、第一节流阀11和第一蒸发器9。

其中，以下几个部件涉及到内部换热：第二发生器的吸收热驱动段3和第二吸收器的内部输出段5之间有循环内部换热，第二蒸发器7和第一吸收器8之间有循环内部换热。第二发生器的吸收热驱动段3和第二吸收器的内部输出段5之间的换热可以通过第二发生器出口的溶液先流经第二吸收热完成换热，再经第二节流阀13进入第二吸收器。该换热过程也可以通过在第二发生器和第二吸收器之间添加额外的换热回路完成。第二蒸发器7和第一吸收器8之间的换热可以通过第二蒸发器7中的制冷剂吸收第一吸收器8的吸收热进行过热闪蒸完成，也可以通过在第二蒸发器7和第一吸收器8之间添加额外换热回路完成。

进一步地，吸收式热泵循环系统以1.n级模式运行时，存在以下自适应条件过程：如果热源温度升高或输出温度降低，则第一吸收器8的吸收温度升高，导致第二蒸发器7的蒸发温度升高，第二吸收器的内部输出段5和外部输出段6的压力升高，最终导致第二发生器的吸收热驱动段3和第二吸收器的内部输出段5之间的温度重叠增加，内部回热增加，系统效率上升，反之亦然。

进一步地，吸收式热泵循环系统在热源温度较低时以两级模式运行，流程如图2所示。此时，由于热源温度低，第一吸收器8的吸收温度低，导致第二蒸发器7的蒸发温度低，第二吸收器的内部输出段5和外部输出段6的压力低，最终导致第二发生器的吸收热驱动段3和第二吸收器的内部输出段5之间并没有温度重叠，二者之间的换热无法进行。此时第二发生器全部发送过程由热源驱动，只保留了第二发生器的热源驱动段2，第二吸收器全部吸收过程为对外热输出，只保留了第二吸收器的外部输出段6。

进一步地，吸收式热泵循环系统在热源温度较高时以单效模式运行，流程如图3所示。此时，由于热源温度高，第二发生器的热源驱动段2和吸收热驱动段3和第二吸收器的内部输出段5和外部输出段6之间的循环总是会带来热量损耗，所以停止第二溶液泵12的工作，从而使循环以单效模式运行。

本发明的吸收式热泵循环系统的工作介质溶液包括工作介质和制冷剂，其中制冷剂的质量分数会随制冷剂的发生和吸收而变化。例如，工作介质溶液为溴化锂水溶液，其中工作介质为溴化锂，制冷剂为水，而当本发明的吸收式热泵循环系统还包括精馏装置时，工作介质溶液可以为氨水，其中工作介质为水，制冷剂为氨。在此不具体为特定的工作介质溶液来描述。

作为可选的实施方式，回热器设在第一发生器1和第一溶液泵10、第一节流阀11之间。低温的工作介质溶液从第一吸收器8的出口被第一溶液泵10泵入回热器并在回热器中被加热，温度升高，成为高温的工作介质溶液并进入第一发生器1；进入第一发生器1的工作介质溶液被热源加热，产生高压气态的制冷剂，并且其质量分数下降成为高温低质量分数的工作介质溶液；该高温低质量分数的工作介质溶液通过回热器以及第一节流阀11回到第一吸收器8，温度下降，成为低温低质量分数的工作介质溶液。

回热器中的工作介质可采取逆流式或其他换热方式。第一发生器1和第二发生器可采取池式沸腾或其他的吸收方式。由于换热方式以及吸收、发生方式是本领域的现有技术，在此不赘述。

以输出温度为45℃和5℃环境温度的典型热泵工况为例，当发生温度(即热源温度)为100℃以上时，吸收式热泵循环系统采用单效模式；当发生温度为70℃以下时，吸收式热泵循环系统采用两级模式；当发生温度在70℃至100℃时，吸收式热泵循环系统采用1.n级模式。

具体地，检测装置测量发生器出口溶液的温度：当检测到发生温度(即热源温度)高于100℃时，停止第二溶液泵12的运行并切断第二节流阀13，使系统进入单效模式；当发生温度在从100℃降低到70℃时，通过变频器增加第二溶液泵12的频率，使系统在1.n级模式下工作；当发生温度在70℃以下时，第二溶液泵12的运行频率达到最高，此时第二溶液泵12的流量基本等于第一溶液泵10的流量，系统以两极模式运行。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种吸收式热泵循环系统，其特征在于：包括冷凝器、第一蒸发器、第二蒸发器、第一溶液回路和第二溶液回路，所述第一溶液回路、冷凝器、第二蒸发器和第一蒸发器之间依次连通形成冷凝蒸发回路，所述第二溶液回路包括第二发生器和第二吸收器，所述第二发生器包括热源驱动段和吸收热驱动段，所述第二吸收器包括内部输出段和外部输出段，所述热源驱动段、吸收热驱动段分别与所述冷凝器连通，所述内部输出段、外部输出段分别与所述第二蒸发器连通，所述吸收热驱动段与所述外部输出段之间连接一第二节流阀，所述热源驱动段与所述内部输出段之间连接一第二溶液泵；

所述吸收式热泵循环系统的工作模式包括单效模式、1.n级模式以及两极模式，其中：

当所述热源驱动段、吸收热驱动段、内部输出段以及外部输出段均不工作时，所述吸收式热泵循环系统工作在单效模式下；

当所述热源驱动段与所述外部输出段工作，所述吸收热驱动段与所述内部输出段不工作时，所述吸收式热泵循环系统工作在两极模式下；

当所述热源驱动段、吸收热驱动段、内部输出段以及外部输出段均工作时，所述吸收式热泵循环系统工作在1.n级模式下。

2.如权利要求1所述的吸收式热泵循环系统，其特征在于：所述第一溶液回路包括第一发生器、第一节流阀、第一吸收器和第一溶液泵，溶液依次经过所述第一发生器、第一节流阀、第一吸收器和第一溶液泵并回到所述第一发生器，所述第一发生器和所述第二发生器产生的制冷剂蒸汽进入所述冷凝器，制冷剂蒸汽在所述冷凝器中冷凝成液体制冷剂并经过节流进入所述第二蒸发器，所述第二蒸发器中没有蒸发的液体制冷剂经过节流进入所述第一蒸发器，所述第二蒸发器和所述第一蒸发器中的液体制冷剂被加热形成制冷剂蒸汽并分别被所述第二吸收器和所述第一吸收器吸收。

3.如权利要求2所述的吸收式热泵循环系统，其特征在于：当所述第一发生器的发生温度高于100℃时，所述第二溶液泵被停止且所述第二节流阀被切断，所述吸收式热泵循环系统进入单效模式；当所述第一发生器的发生温度在70℃到100℃范围时，通过变频器调节所述第二溶液泵的频率，使所述吸收式热泵循环系统在1.n级模式下工作；当所述第一发生器的发生温度在70℃以下时，所述第二溶液泵的运行频率达到最高，所述吸收式热泵循环系统以两极模式运行。

4.如权利要求3所述的吸收式热泵循环系统，其特征在于：所述第一发生器的热输入来自热源，所述第二发生器的热输入来自热源和所述第二吸收器的吸收热，所述冷凝器向外热输出，所述第二吸收器的吸收热对所述第二发生器和所述第二蒸发器热输出，所述第二蒸发器的冷量用于冷却所述第一吸收器，所述第一蒸发器吸收来自环境或低温热源的热输入。

5.如权利要求1至4中任一所述的吸收式热泵循环系统，其特征在于：所述第二发生器和所述第二吸收器之间存在换热过程，该所述换热过程通过所述第二发生器出口的溶液先流经第二吸收器完成换热，再经过所述第二节流阀进入所述第二吸收器完成。

6.如权利要求2至4中任一所述的吸收式热泵循环系统，其特征在于：所述第二蒸发器和所述第一吸收器之间存在换热过程，该换热过程通过所述第二蒸发器中的制冷剂吸收所述第一吸收器的吸收热进行过热闪蒸完成。

7.如权利要求1至4中任一所述的吸收式热泵循环系统，其特征在于：采用溴化锂溶液作为工质，或者在添加精馏装置后采用氨水作为工质。

8.如权利要求2至4中任一所述的吸收式热泵循环系统，其特征在于：所述第一溶液回路还包括回热器，溶液依次经过所述第一发生器、回热器、第一节流阀、第一吸收器、第一溶液泵和所述回热器并回到所述第一发生器。