CN107726665B - 基于化学吸放热可逆的两级压缩制冷热泵循环装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于化学吸放热可逆反应的两级压缩制冷热泵循环装置及方法，该装置包括工质循环回路、工作液体循环回路。被加压的气态工质氨气和二氧化碳进入化学反应冷却器，被工作液体吸收并生成氨基甲酸铵放热，生成物溶于工作液体，混合溶液经回热器、节流装置进入化学反应蒸发器，氨基甲酸铵分解生成氨气和二氧化碳并蒸发出来，吸收热量，氨气和二氧化碳依次经过低压压缩机、高压压缩机，高压压缩机输出被加压的气体工质，形成循环。本发明利用可逆化学反应实现制冷/制热，使用压缩机两级压缩的方式进行气体工质压力提升，可以达到更大的压缩比，更加符合可逆化学反应制冷/热泵循环压力差要求，且能够灵活切换于制冷、制热之间，可冬夏两用。

Description

基于化学吸放热可逆的两级压缩制冷热泵循环装置及方法

技术领域

本发明属于空调设备技术领域，具体涉及一种基于化学吸放热可逆的两级压缩制冷热泵循环装置及方法。

背景技术

电力需求保持快速增长，能源短缺，常规能源可持续供应能力不足，而建筑能耗与工业能耗、交通能耗并称为三大“能源大户”，同时建筑能耗中采暖、空调的比例最大为65％，同时在电力生产方面，以煤炭发电为主，这导致二氧化碳等温室气体大量排放。因此采用能耗较低的制冷空调系统具有重要现实意义和工程应用价值。

目前人工制冷的方法，总的可分为物理方法和化学方法两大类，而绝大多数制冷方法都属于物理方法。其中，利用物质相变的吸热效应制冷应用比较广泛，然而受制冷剂热力性质的影响，相变制冷的单位质量制冷量、性能系数并不高。并且，传统制冷工质多为氟利昂制冷工质，此制冷工质会破坏大气层中的臭氧层，导致过量的紫外线射入地球表面，对人类健康以及植物的生长造成较大威胁。同时此制冷工质是另一个温室气体排放的源头，制冷工质HCFC和HFC的温室效应为二氧化碳的1000多倍。因此，考虑采用化学方法实现制冷。

氨基甲酸铵是合成尿素的中间产物，白色固体，不稳定，加热易发生分解反应。氨基甲酸铵形成二氧化碳和氨的分解反应是高度吸热的，化学反应热为2010KJ/KG。氨基甲酸铵的分解与温度和压力密切相关，可以通过将压力降低到对应于设定温度的饱和压力以下或者将温度提高到对应于设定压力的饱和温度以上实现。二氧化碳与氨气可以在不同温度条件下进行化学反应，可以在室温、一个大气压、无水蒸气参与的情况下，生成氨基甲酸铵(NH₂COONH₄)，合成反应过程放热。因此，可以利用二氧化碳和氨气的可逆化学反应实现制冷或制热。由于氨基甲酸铵合成、分解与温度、压力密切相关，在制冷或制热的工况下，循环的压缩比较大，根据合成反应和分解反应所需要的平衡压力得到其压缩比较大，可能达18以上，需要一种装置来实现工质在较大的压缩比下的升压过程。

中国专利申请201480031214.3公开了一种包括双重制冷剂和液体工作流体的压缩制冷系统，其以氨气和二氧化碳为制冷工质，该系统的局限性在于：此系统采用单个压缩机难以实现制冷时所需要的压缩比，即使勉强实现，单个压缩机会使实际压缩过程大大偏离等熵压缩过程，引起压缩机排气温度升高，效率降低，功耗增大，引起过热损失，甚至造成系统内制冷剂和润滑油分解，运行条件恶化，危害压缩机的正常工作，压缩机寿命下降；并且该循环系统无法实现方便的冷热切换，只能适用于夏季制冷工况。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于化学吸放热可逆反应的两级压缩制冷热泵循环装置，该装置使用压缩机两级压缩的方式进行气体工质压力提升，可以达到更大的压缩比，更加符合此可逆化学反应制冷/热泵循环压力差要求，并且能够灵活切换于制冷、制热之间，可冬夏两用。

本发明的另一个目的是提供一种利用所述循环装置制冷/制热的方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于化学吸放热可逆反应的两级压缩制冷热泵循环装置，包括高压压缩机1、用户侧化学反应蒸发器/冷却器3、第一换热器5、节流装置、第二换热器7、低压压缩机9、第三换热器10、自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器11；

高压压缩机1的出口与用户侧化学反应蒸发器/冷却器3的蒸汽进/出口连接，用户侧化学反应蒸发器/冷却器3的混合溶液进/出口与第一换热器5的混合溶液进/出口连接，第一换热器5的另一侧混合溶液进/出口连接至节流装置进/出口，节流装置另一侧进/出口与第二换热器7的混合溶液进/出口连接，第二换热器7的另一侧混合溶液进/出口与自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器11的混合溶液进/出口相连，自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器11的蒸汽侧进/出口与低压压缩机9的进口连接，低压压缩机9的出口与第三换热器10的蒸汽侧进口连接，第三换热器10的蒸汽侧出口与高压压缩机1的进口连接；

用户侧化学反应蒸发器/冷却器3的工作液体侧进/出口连接至第二换热器7的工作液体侧进口，第二换热器7的工作液体侧出口连接至第三换热器10工作液体侧进/出口，第三换热器10另一侧工作液体进/出口连接至第一换热器5工作液体侧出口，第一换热器5工作液体侧进口连接至自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器11工作液体进/出口。

进一步地，所述循环装置采用的气态制冷工质为氨气和二氧化碳，工作液体为有机醇。

更进一步地，所述的有机醇为丙二醇或乙二醇中的一种或两者的混合物。

进一步地，包括四通换向阀2，四通换向阀2与高压压缩机1的出口、用户侧化学反应蒸发器/冷却器3的蒸汽进/出口、自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器11的蒸汽侧进/出口、低压压缩机9的进口连接。

进一步地，用户侧化学反应蒸发器/冷却器3设有冷冻水或热媒水进出管12，自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器11设有冷却水或低温热源进出管13。

进一步地，所述的节流装置为节流阀、U型管或毛细管，优选为节流阀。

进一步地，包括第一溶液泵4、第二溶液泵8，第一溶液泵4与第一换热器5并联；第二溶液泵8与第二换热器7并联。

利用本发明循环装置制冷制热的方法，包括以下步骤：

步骤1：高压压缩机1输出高温高压状态下的气态制冷工质，气态制冷工质进入用户侧化学反应蒸发器/冷却器3发生反应，反应生成物溶于工作液体形成混合溶液，热量被冷却水或热媒水带走；

步骤2：混合溶液通过第一换热器5与自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器11出来的工作液体换热，然后经节流装置进入自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器11，在低温低压下反应生成物分解吸热，生成气态制冷工质，并从工作液体中蒸发出来，冷量被冷冻水或低温热源带走；

步骤3：气态制冷工质进入低压压缩机9，然后进入第三换热器10与准备进入用户侧化学反应蒸发器/冷却器3的工作液体换热，然后进入高压压缩机1，输出高温高压状态下的气态制冷工质，重复以上步骤形成循环；

或者，

步骤1：高压压缩机1输出高温高压状态下的气态制冷工质，气态制冷工质进入自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器11发生反应，反应生成物溶于工作液体形成混合溶液，热量被冷却水或热媒水带走；

步骤2：混合溶液通过第二换热器7与用户侧化学反应蒸发器/冷却器3出来的工作液体换热，然后经节流装置进入用户侧化学反应蒸发器/冷却器3，在低温低压下反应生成物分解吸热，生成气态制冷工质，并从工作液体中蒸发出来，冷量被冷冻水或低温热源带走；

步骤3：气态制冷工质进入低压压缩机9，然后进入第三换热器10与准备进入自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器11的工作液体换热，然后进入高压压缩机1，输出高温高压状态下的气态制冷工质，重复以上步骤形成循环。

进一步地，通过四通换向阀2对工质蒸汽流向的改变可以使用户侧化学反应蒸发器/冷却器3、自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器11在蒸发、冷却器之间切换，实现所述循环的制冷/制热工作模式的切换。

进一步地，所述的气态制冷工质为氨气和二氧化碳，工作液体为有机醇。

更进一步地，所述的有机醇为丙二醇或乙二醇中的一种或两者的混合物。

有益效果：

(1)本发明使用压缩机两级压缩的方式，相对于使用压缩机一级压缩进行气体工质压力提升的方法，本发明可以达到更大的压缩比，更加符合此可逆化学反应制冷/热泵循环压力差要求，确保压缩机在安全的工作范围内工作，同时提高压缩机输气系数约28％，减少润滑油被带入化学反应冷却器，减少分油器负荷，增强化学反应蒸发器传热。

(2)本发明提出了一种适用于可逆化学反应的能够制冷/热泵切换的新工质循环以及工作液体循环。能够使本系统灵活切换于制冷、制热之间，可冬夏两用。

(3)本发明设置了换热器，化学反应蒸发器出来的工作液体经过换热器将冷却器出来的溶液过冷，回收冷量的同时，提高循环的制冷量和制冷系数。同时由于本发明所用为两级压缩式压力提升方式，工作液体进入化学反应冷却器之前同过另一换热器对低压级出来的气体工质进行中间冷却，减少气体工质过热损失，同时避免高压级压缩机过热工作。

(4)本发明采用氨气和二氧化碳与氨基甲酸铵可逆反应吸放热的制冷循环，制冷工质简单易得，制造成本低，循环系统的能效系数比传统氟利昂系统高63％，负压运行，安全可靠，可极大地降低能耗和排放。同时，二氧化碳为环境友好气体，氨气在负压下泄露风险低，低碳环保无公害，有益于环境保护，减少制冷工质对臭氧层的破坏及温室效应问题。当今环保意识逐渐深入人心，能源短缺的状况突出。工质对大气无破坏作用，因此本系统会面临强劲的市场需求，将会产生产生巨大的经济和社会效益。

附图说明

图1为基于化学吸放热可逆反应的两级压缩制冷热泵循环装置示意图。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

本发明基于化学吸放热可逆反应的两级压缩制冷热泵循环装置包括工质循环回路、工作液体循环回路。

如图1所示，本发明提供的循环装置包括高压压缩机1、用户侧化学反应蒸发器/冷却器3、第一换热器5、节流装置、第二换热器7、低压压缩机9、第三换热器10、自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器11；

需要说明的是，本发明用户侧化学反应蒸发器/冷却器3是指制热工作时，3为用户侧化学反应冷却器，制冷工作时，3为用户侧化学反应蒸发器。自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器11是指制热工作时，11为自然环境冷热源侧化学反应蒸发器，制热工作时，11为自然环境冷热源侧化学反应冷却器。

高压压缩机1的出口与用户侧化学反应蒸发器/冷却器3的蒸汽进/出口连接，用户侧化学反应蒸发器/冷却器3的混合溶液进/出口与第一换热器5的混合溶液进/出口连接，第一换热器5的另一侧混合溶液进/出口连接至节流装置进/出口，节流装置另一侧进/出口与第二换热器7的混合溶液进/出口连接，第二换热器7的另一侧混合溶液进/出口与自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器11的混合溶液进/出口相连，自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器11的蒸汽侧进/出口与低压压缩机9的进口连接，低压压缩机9的出口与第三换热器10的蒸汽侧进口连接，第三换热器10的蒸汽侧出口与高压压缩机1的进口连接；

用户侧化学反应蒸发器/冷却器3的工作液体侧进/出口连接至第二换热器7的工作液体侧进口，第二换热器7的工作液体侧出口连接至第三换热器10工作液体侧进/出口，第三换热器10另一侧工作液体进/出口连接至第一换热器5工作液体侧出口，第一换热器5工作液体侧进口连接至自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器11工作液体进/出口。

本发明用户侧化学反应蒸发器/冷却器3设有冷冻水或热媒水进出管12，自然环境冷热源侧化学反应蒸发/冷却器11设有冷却水或低温热源进出管13，这是本领域技术人员所熟知的。

本发明还包括第一溶液泵4、第二溶液泵8，第一溶液泵4与第一换热器5并联；第二溶液泵8与第二换热器7并联。在一个实施方式中，第一溶液泵4通过三通阀501和502与第一换热器5并联；第二溶液泵8通过三通阀701和702与第二换热器7并联。本发明设置溶液泵用于加压以及运输工作液体、设置阀门用于调节管道线路适用于制冷/制热模式的切换，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明的精神、范围和内容中。相关技术人员明显能在不脱离本发明的内容、精神和范围内对本发明所述的节流装置进行改动或适当变更组合，来实现本发明的技术。

本发明采用氨气和二氧化碳为气态制冷工质，氨基甲酸铵为液态制冷工质，有机醇为工作液体。氨气与二氧化碳在化学反应冷却器中溶入工作液体中放热生成氨基甲酸铵，之后经过换热器预冷后进入节流装置降压至蒸发压力，然后进入化学反应蒸发器中发生分解反应生成氨气与二氧化碳吸收一部分热量，同时氨气与二氧化碳从工作液体中蒸发出来吸收另一部分热量，之后氨气与二氧化碳进入低压压缩机被加压至中间压力，然后进入换热器预热，再进入高压压缩机压至冷却压力，氨气与二氧化碳进入化学反应冷却器形成制冷/热泵循环。

本发明利用氨基甲酸铵的分解过程吸收大量的热量(包含化学反应热和汽化热)进行制冷，在热泵模式下，利用氨基甲酸铵的合成反应过程放热(包含化学反应热和冷凝热)实现制热，制冷量或制热量较大，相比于传统的吸附相变制冷/制热，由于化学反应热比相变潜热大得多，因此拥有更高的性能系数。

氨气和二氧化碳之间的可逆化学反应：

制热工作时，高压压缩机1中出来的气态高压高温制冷工质氨气和二氧化碳进入用户侧化学反应蒸发器/冷却器(此时为化学反应冷却器)3发生放热反应生成氨基甲酸铵并溶于工作液体中，热量被冷冻水或热媒水进出管12带给用户侧，之后混合溶液进入第一换热器5中与自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器(此时为化学反应蒸发器)11出来的工作液体进行换热降温，在节流装置中降压为3.5kpa，再经不工作的第二换热器7，然后进入自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器(此时为化学反应蒸发器)11，并从冷却水或低温热源进出管13吸热发生吸热反应并蒸发出气态制冷工质氨气与二氧化碳，气态制冷工质氨气与二氧化碳被吸入低压压缩机9进行加压，在第三换热器10中准备进入自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器(此时为化学反应蒸发器)11的工作液体对氨气与二氧化碳进行降温，氨气与二氧化碳被降温冷却后进入高压压缩机1继续加压，如此，周而复始，形成工质循环。

液态工作液体从自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器(此时为化学反应蒸发器)11出来，在第一换热器5(此时其与管道联通，第一溶液泵4与管道断开)与来自用户侧化学反应蒸发器/冷却器(此时为化学反应冷却器)3的混合溶液换热后，进入第三换热器10与低压压缩机9出来的氨气和二氧化碳换热，然后进入第二溶液泵8(此时其与管道联通，第二换热器7与管道断开)加压后进入用户侧化学反应蒸发器/冷却器(此时为化学反应冷却器)3吸收气态制冷工质氨气与二氧化碳，经第一换热器5与用户侧化学反应蒸发器/冷却器3出来的工作液体换热后，再经节流装置流入自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器11，周而复始形成工作液体循环。

制冷工作时，高压压缩机1中出来的气态高压高温制冷工质氨气和二氧化碳进入自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器(此时为化学反应冷却器)11发生放热反应，生成氨基甲酸铵并溶于工作液体中，被冷却水或低温热源进出管13中的冷却水带走热量进行冷却，之后混合溶液进入第二换热器7中与用户侧化学反应蒸发器/冷却器(此时为化学反应蒸发器)3出来的工作液体进行换热降温，在节流装置中降压为3.5kpa，再经不工作的第一换热器5，然后进入用户侧化学反应蒸发器/冷却器(此时为化学反应蒸发器)3并从冷冻水或热媒水进出管12吸热发生吸热反应，并蒸发出气态制冷工质氨气与二氧化碳，气态制冷工质氨气与二氧化碳被吸入低压压缩机9进行加压，在第三换热器10中被准备进入用户侧化学反应蒸发器/冷却器(此时为化学反应蒸发器)3的工作液体降温，氨气与二氧化碳被降温冷却后进入高压压缩机1继续加压，如此，周而复始，形成工质循环。

液态工作液体从用户侧化学反应蒸发器/冷却器3(此时为化学反应蒸发器)出来在第二换热器7(此时其与管道联通，第二溶液泵8与管道断开)与来自自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器11(此时为化学反应冷却器)的混合溶液换热后，进入第三换热器10与低压压缩机9出来的氨气和二氧化碳换热，然后进入第一溶液泵4(此时其与管道联通，第一换热器5与管道断开)加压后进入自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器11(此时为化学反应冷却器)吸收气态制冷工质氨气与二氧化碳，经第二换热器7与自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器11出来的工作液体换热后，再经节流装置流入用户侧化学反应蒸发器/冷却器3，周而复始形成工作液体循环。

本发明使用压缩机两级压缩的方式，分别设有低压级压缩机、高压级压缩机，相对于使用压缩机一级压缩进行气体工质压力提升的方法，本发明可以达到更大的压缩比，更加符合此可逆化学反应制冷/热泵循环压力差要求，确保压缩机在安全的工作范围内工作，同时提高压缩机输气系数约28％，减少润滑油被带入化学反应冷却器，减少分油器负荷，增强化学反应蒸发器传热。

本发明还包括四通换向阀2，高压压缩机1的出口与四通换向阀2的201口连接，四通换向阀2的202口与用户侧化学反应蒸发器/冷却器3的蒸汽进/出口连接，自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器11的蒸汽侧进/出口与四通换向阀2的204口连接，四通换向阀2的203口与低压压缩机9的进口连接。

本发明四通换向阀2对工质蒸汽流向的改变可以使用户侧化学反应蒸发或冷却器、自然环境冷热源侧化学反应蒸发或冷却器在蒸发、冷却器之间切换，实现此循环的制冷/制热工作模式的切换。制热工作时，首先将四通换向阀的201与202口联通，203与204口联通，高压压缩机1中出来的气态高压高温制冷工质氨气与二氧化碳进入四通换向阀2中经过导向从202口排出进入用户侧化学反应蒸发器/冷却器(此时为化学反应冷却器)3发生放热反应生成氨基甲酸铵。自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器(此时为化学反应蒸发器)11输出的气态制冷工质氨气与二氧化碳经过四通换向阀2的204口以及203口被吸入低压压缩机9进行加压。制冷工作时，只需将四通换向阀的201与204口联通，202与203口联通，调节三通阀501、502使第一溶液泵4与管道相通，第一换热器5管道断开，调节三通阀701、702使第二溶液泵8与管道断开，第二换热器7与管道接通即可实现由制热到制冷切换。

由此可见，本发明提出了一种适用于此可逆化学反应的能够制冷/热泵切换的新工质循环以及工作液体循环。能够使本系统灵活切换于制冷、制热之间，可冬夏两用。

本发明通过设置第一换热器5、第二换热器7、第三换热器10在对工作液体的利用方面做了改进。化学反应蒸发器出来的工作液体经过换热器将冷却器出来的溶液过冷，回收冷量的同时，提高循环的制冷量和制冷系数。同时由于本发明所用为两级压缩式压力提升方式，工作液体进入化学反应冷却器之前通过另一换热器对低压级出来的气体工质进行中间冷却，减少气体工质过热损失，同时避免高压级压缩机过热工作。

本发明所述的节流装置包括但不限于节流阀、U型管或毛细管。本发明通过设置节流装置用于节流降压，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明的精神、范围和内容中。相关技术人员明显能在不脱离本发明的内容、精神和范围内对本发明所述的节流装置进行改动或适当变更组合，来实现本发明的技术。

本发明的利用循环装置制冷制热的方法，包括以下步骤：

步骤1：高压压缩机1输出高温高压状态下的气态制冷工质，气态制冷工质进入用户侧化学反应蒸发器/冷却器3发生反应，反应生成物溶于工作液体形成混合溶液，热量被冷却水或热媒水带走；

步骤2：混合溶液通过第一换热器5与自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器11出来的工作液体换热，然后经节流装置进入自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器11，在低温低压下反应生成物分解吸热，生成气态制冷工质，并从工作液体中蒸发出来，冷量被冷冻水或低温热源带走；

步骤3：气态制冷工质进入低压压缩机9，然后进入第三换热器10与准备进入用户侧化学反应蒸发器/冷却器3的工作液体换热，然后进入高压压缩机1，输出高温高压状态下的气态制冷工质，重复以上步骤形成循环；

或者，

步骤1：高压压缩机1输出高温高压状态下的气态制冷工质，气态制冷工质进入自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器11发生反应，反应生成物溶于工作液体形成混合溶液，热量被冷却水或热媒水带走；

步骤2：混合溶液通过第二换热器7与用户侧化学反应蒸发器/冷却器3出来的工作液体换热，然后经节流装置进入用户侧化学反应蒸发器/冷却器3，在低温低压下反应生成物分解吸热，生成气态制冷工质，并从工作液体中蒸发出来，冷量被冷冻水或低温热源带走；

步骤3：气态制冷工质进入低压压缩机9，然后进入第三换热器10与准备进入自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器11的工作液体换热，然后进入高压压缩机1，输出高温高压状态下的气态制冷工质，重复以上步骤形成循环。

本发明通过四通换向阀2对工质蒸汽流向的改变可以使用户侧化学反应蒸发器/冷却器3、自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器11在蒸发、冷却器之间切换，实现所述循环的制冷/制热工作模式的切换。

本发明所述的气态制冷工质为氨气和二氧化碳，工作液体为有机醇。

本发明所述的工作液体可以是适合于溶解反应生产物、提高热流密度并且提高化学反应速率的各种试剂中的任意一种。适合的工作液体的实例包括相当广泛的试剂，该试剂具有溶解反应生产物，提高热流密度并且提高化学反应速率的功能。本发明所述的工作液体包括但不限于有机醇。在某些实施方式中，所述的有机醇为丙二醇或乙二醇中的一种或两种的混合物；在优选地实施方式中，有机醇为丙二醇。

本发明可以利用可逆化学反应实现制冷循环，经过放热反应以及冷凝过程而吸收冷热源侧冷量的氨基甲酸铵在低温低压的化学反应蒸发器中分解，生成氨气和二氧化碳，吸收大量的热量进行制冷，包含化学反应热和汽化热。

本发明可以利用可逆化学反应实现热泵循环，经过吸热反应以及蒸发过程而吸收冷热源侧热量的气态制冷工质氨气和二氧化碳在高温高压的化学反应冷却器中反应，生成氨基甲酸铵，包含化学反应热和冷凝热，释放的热量进入热媒水，输出热量。

实施例1

本实施例采用的第一气态制冷工质为氨气，第二气态制冷工质为二氧化碳，工作液体为丙二醇。

如图1所示，本实施例的循环装置包括高压压缩机1，四通换向阀2，用户侧化学反应蒸发器/冷却器3，第一溶液泵4，第一换热器5，节流阀6，第二换热器7，第二溶液泵8，低压压缩机9，第三换热器10，自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器11，冷冻水或热媒水进出管12，冷却水或低温热源进出管13，三通阀501、502、701、702。

高压压缩机1的出口与四通换向阀2的201口连接，四通换向阀2的202口与用户侧化学反应蒸发器/冷却器3的蒸汽进/出口连接，用户侧化学反应蒸发器/冷却器3的混合溶液进/出口与第一换热器5的混合溶液进/出口连接，第一换热器5的另一侧混合溶液进/出口连接至节流阀6进/出口，节流阀6另一侧进/出口与第二换热器7的混合溶液进/出口连接，第二换热器7的另一侧混合溶液进/出口与自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器11的混合溶液进/出口连接，自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器11的蒸汽侧进/出口连接至四通换向阀2的204口，四通换向阀2的203口则连接至低压压缩机9的进口，低压压缩机9的出口与第三换热器10的蒸汽侧进口连接，第三换热器10的蒸汽侧出口与高压压缩机1的进口连接；

用户侧化学反应蒸发器/冷却器3的工作液体侧进/出口连接至第二换热器7的工作液体侧进口，第二换热器7的工作液体侧出口连接至第三换热器10工作液体侧进/出口，第三换热器10另一侧工作液体进/出口连接至第一换热器5工作液体侧出口，第一换热器5工作液体侧进口连接至自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器11工作液体进/出口。

第一溶液泵4通过三通阀501，502与第一换热器5并联，第二溶液泵8通过三通阀701，702与第二换热器7并联。用户侧化学反应蒸发器/冷却器3设有冷冻水或热媒水进出管12，自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器11设有冷却水或低温热源进出管13。

本实施例的制冷/制热方法，包括以下步骤：

制冷模式时：制冷工质依次通过设备1、2、11、7、6、5、3、2、9、10、1形成制冷工质循环，工作液体依次通过3、701、7、702、10、501、4、502、11、7、6、5、3形成工作液体循环；

制热模式时：热泵工质依次通过设备1、2、3、5、6、7、11、2、9、10、1形成热泵工质循环，工作液体依次通过11、502、5、501、10、702、8、701、3、2、9、10、1、2、11形成工作液体循环。

以制热工作为例：首先将四通换向阀2的201与202口联通，203与204口联通，高压压缩机1中出来的气态高压高温制冷工质氨气与二氧化碳进入四通换向阀2中经过导向从202口排出进入用户侧化学反应蒸发器/冷却器(此时为化学反应冷却器)3发生放热反应生成氨基甲酸铵并溶于工作液体中，热量被冷冻水或热媒水进出管12带给用户侧，之后混合溶液进入第一换热器5中与自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器(此时为化学反应蒸发器)11出来的工作液体进行换热降温，在节流阀6中降压为3.5kpa，然后进入自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器(此时为化学反应蒸发器)11并从冷却水或低温热源进出管13吸热发生吸热反应并蒸发出气态制冷工质氨气与二氧化碳，气态制冷工质氨气与二氧化碳经过四通换向阀2的204口以及203口被吸入低压压缩机9进行加压，在第三换热器10中准备进入自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器(此时为化学反应蒸发器)11的工作液体对氨气与二氧化碳进行降温，氨气与二氧化碳被降温冷却后进入高压压缩机1继续加压，如此，周而复始，形成制冷工质循环；液态工作液体从自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器(此时为化学反应蒸发器)11出来在第一换热器5(此时其与管道联通，第一溶液泵4与管道断开)与来自用户侧化学反应蒸发器/冷却器(此时为化学反应冷却器)3的混合溶液换热后，进入第三换热器与低压压缩机9出来的氨气和二氧化碳换热，然后进入第二溶液泵8(此时其与管道联通，第二换热器7与管道断开)加压后进入用户侧化学反应蒸发器/冷却器(此时为化学反应冷却器)3吸收气态制冷工质氨气与二氧化碳，经第一换热器5与用户侧化学反应蒸发器/冷却器3出来的工作液体换热后，再经节流阀6流入自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器11，周而复始形成工作液体循环。

制冷工作时，只需将四通换向阀的201与204口联通，202与203口联通，调节三通阀501、502使第一溶液泵4与管道相通，第一换热器5管道断开，调节三通阀701、702使第二溶液泵8与管道断开，第二换热器7与管道接通即可实现由制热到制冷切换。

Claims (9)

1.一种基于化学吸放热可逆反应的两级压缩制冷热泵循环装置，其特征在于，包括高压压缩机(1)、用户侧化学反应蒸发器/冷却器(3)、第一换热器(5)、节流装置、第二换热器(7)、低压压缩机(9)、第三换热器(10)、自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器(11)、四通换向阀(2)；

高压压缩机(1)的出口与用户侧化学反应蒸发器/冷却器(3)的蒸汽进/出口连接，用户侧化学反应蒸发器/冷却器(3)的混合溶液进/出口与第一换热器(5)的混合溶液进/出口连接，第一换热器(5)的另一侧混合溶液进/出口连接至节流装置进/出口，节流装置另一侧进/出口与第二换热器(7)的混合溶液进/出口连接，第二换热器(7)的另一侧混合溶液进/出口与自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器(11)的混合溶液进/出口相连，自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器(11)的蒸汽侧进/出口与低压压缩机(9)的进口连接，低压压缩机(9)的出口与第三换热器(10)的蒸汽侧进口连接，第三换热器(10)的蒸汽侧出口与高压压缩机(1)的进口连接；

用户侧化学反应蒸发器/冷却器(3)的工作液体侧进/出口连接至第二换热器(7)的工作液体侧进口，第二换热器(7)的工作液体侧出口连接至第三换热器(10)工作液体侧进/出口，第三换热器(10)另一侧工作液体进/出口连接至第一换热器(5)工作液体侧出口，第一换热器(5)工作液体侧进口连接至自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器(11)工作液体进/出口；

四通换向阀(2)与高压压缩机(1)的出口、用户侧化学反应蒸发器/冷却器(3)的蒸汽进/出口、自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器(11)的蒸汽侧进/出口、低压压缩机(9)的进口连接。

2.根据权利要求1所述的循环装置，其特征在于，所述循环装置采用的气态制冷工质为氨气和二氧化碳，工作液体为有机醇。

3.根据权利要求1所述的循环装置，其特征在于，用户侧化学反应蒸发器/冷却器(3)设有冷冻水或热媒水进出管(12)，自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器(11)设有冷却水或低温热源进出管(13)。

4.根据权利要求1所述的循环装置，其特征在于，所述的节流装置为节流阀、U型管或毛细管。

5.根据权利要求1所述的循环装置，其特征在于，包括第一溶液泵(4)、第二溶液泵(8)，第一溶液泵(4)与第一换热器(5)并联；第二溶液泵(8)与第二换热器(7)并联。

6.利用权利要求1～5任意一项所述的循环装置制冷制热的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：高压压缩机(1)输出高温高压状态下的气态制冷工质，气态制冷工质进入用户侧化学反应蒸发器/冷却器(3)发生反应，反应生成物溶于工作液体形成混合溶液，热量被冷却水或热媒水带走；

步骤2：混合溶液通过第一换热器(5)与自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器(11)出来的工作液体换热，然后经节流装置进入自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器(11)，在低温低压下反应生成物分解吸热，生成气态制冷工质，并从工作液体中蒸发出来，冷量被冷冻水或低温热源带走；

步骤3：气态制冷工质进入低压压缩机(9)，然后进入第三换热器(10)与准备进入用户侧化学反应蒸发器/冷却器(3)的工作液体换热，然后进入高压压缩机(1)，输出高温高压状态下的气态制冷工质，重复以上步骤形成循环；

或者，

步骤1：高压压缩机(1)输出高温高压状态下的气态制冷工质，气态制冷工质进入自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器(11)发生反应，反应生成物溶于工作液体形成混合溶液，热量被冷却水或热媒水带走；

步骤2：混合溶液通过第二换热器(7)与用户侧化学反应蒸发器/冷却器(3)出来的工作液体换热，然后经节流装置进入用户侧化学反应蒸发器/冷却器(3)，在低温低压下反应生成物分解吸热，生成气态制冷工质，并从工作液体中蒸发出来，冷量被冷冻水或低温热源带走；

步骤3：气态制冷工质进入低压压缩机(9)，然后进入第三换热器(10)与准备进入自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器(11)的工作液体换热，然后进入高压压缩机(1)，输出高温高压状态下的气态制冷工质，重复以上步骤形成循环。

7.根据权利要求6所述的制冷制热的方法，其特征在于，通过四通换向阀(2)对工质蒸汽流向的改变使用户侧化学反应蒸发器/冷却器(3)、自然环境冷热源侧化学反应蒸发器/冷却器(11)在蒸发器、冷却器之间切换，实现所述循环的制冷/制热工作模式的切换。

8.根据权利要求6所述的制冷制热的方法，其特征在于，所述的气态制冷工质为氨气和二氧化碳，工作液体为有机醇。

9.根据权利要求8所述的制冷制热的方法，其特征在于，所述的有机醇为丙二醇或乙二醇中的一种或两者的混合物。

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