CN107975960B - 一种引射增效的吸收式制冷系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种引射增效的吸收式制冷系统及控制方法，该系统包括发生器，发生器出口连接冷凝器入口，冷凝器出口经节流机构后连接蒸发器入口，蒸发器出口分两路，一路饱和液态冷剂水经工质泵升压后喷淋至蒸发器蛇管外侧；另一路饱和气态冷剂水分两路，一路流向吸收器入口，另一路与驱动热源蒸汽在蒸汽喷射器内混合后分两路，一路进入发生器蛇管内，一路进入超音速蒸汽喷嘴；发生器出口依次连接溶液热交换器、溶液阀和吸收器入口；吸收器出口依次连接溶液泵、溶液热交换器和发生器入口；四个温度传感器和三个流量传感器连接控制器输入端，节流机构和三个蒸汽控制阀连接控制器输出端；本发明还提供了该系统的控制方法，充分利用驱动热源蒸汽的可用能

Description

一种引射增效的吸收式制冷系统及控制方法
技术领域
本发明属于制冷技术领域，具体涉及一种引射增效的吸收式制冷系统及控制方法。
背景技术
节能优先是我国国民经济可持续发展战略。吸收式制冷是一种可以利用余热、废热、太阳能等低品位热源作为驱动方式的制冷方式，吸收式制冷系统通常由两个回路组成，一个是以冷凝器、蒸发器、工质泵、节流阀等组成的制冷剂回路，另一个是以发生器、吸收器、溶液泵、溶液阀、溶液热交换器等组成的溶液回路。目前吸收式制冷系统广泛应用的工质对为氨-水溶液和溴化锂-水溶液，前者主要用于低温系统，后者主要用于空调系统。由于吸收式制冷系统运动部件少、噪声低，与压缩式制冷相比较可以采用低品位热源代替电能制冷，因而得到了广泛的应用。
为充分利用吸收式制冷系统驱动热源蒸汽的可用能提高系统性能，通常采用双效、多效吸收式制冷系统，但双效、多效吸收式制冷系统通常需要增设一个或多个高压发生器、热交换器、循环泵等，结构复杂同时运行可靠性低、投资成本大。
发明内容
为了解决现有技术中存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种引射增效的吸收式制冷系统及控制方法，该系统利用蒸汽喷射器从蒸发器中引射一部分制冷剂低压蒸汽与驱动热源高压蒸汽混合，实现驱动热源能量总量的增值，进而提高吸收式制冷系统的性能。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种引射增效的吸收式制冷系统，包括发生器1，发生器1上端出口连接冷凝器2上端入口，冷凝器2下端出口经节流机构3后连接蒸发器4上端入口，蒸发器4出口分为两路，一路饱和液态冷剂水经工质泵5升压后进入蒸发器4上端喷淋至蒸发器4蛇管外侧；另一路饱和气态冷剂水从蒸发器4上端流出后分为两路，一路流向吸收器6上端入口，另一路经第二蒸汽控制阀11后流向蒸汽喷射器12；驱动热源蒸汽经第一蒸汽控制阀10后与从蒸发器4引射的饱和气态冷剂水在蒸汽喷射器12内混合，然后分为两路，一路进入发生器1蛇管内作为热源，另一路经第三蒸汽控制阀13后进入超音速蒸汽喷嘴14将蒸汽喷至发生器1内蛇管的外侧稀释溴化锂溶液；发生器1下端出口依次连接溶液热交换器8、溶液阀9和吸收器6上端入口；吸收器6下端出口依次连接溶液泵7、溶液热交换器8和发生器1入口；节流后冷剂水温度传感器16、冷媒水出口温度传感器17、冷媒水入口温度传感器18、吸热后冷剂水温度传感器19、第一流量传感器20、第二流量传感器21及第三流量传感器22连接控制器15的输入段，控制器15的输出端连接节流机构3、第一蒸汽控制阀10、第二蒸汽控制阀11和第三蒸汽控制阀13；节流后冷剂水温度传感器16布置在节流机构3出口处，采集节流后冷剂水的温度，冷媒水出口温度传感器17布置在蒸发器4蛇管内冷媒水出口处，采集冷媒水的出口温度，冷媒水入口温度传感器18布置在蒸发器4蛇管内冷媒水入口处，采集冷媒水的入口温度，吸热后冷剂水温度传感器19布置在蒸发器4下端的饱和液态冷剂水中，采集吸热后饱和液态冷剂水的温度；驱动热源蒸汽流量传感器20布置在第一蒸汽控制阀10出口处，采集进入蒸汽喷射器12的驱动热源高压蒸汽量，引射蒸汽流量传感器21布置在第二蒸汽控制阀11出口处，采集从蒸发器4引射的低压蒸汽量，喷射蒸汽流量传感器22布置在第三蒸汽控制阀13出口处，采集喷射至发生器1内蛇管外侧的中压蒸汽量。
所述的发生器1和冷凝器2采用沉浸式蛇管换热器，蒸发器4和吸收器6采用喷淋式蛇管换热器，结构简单、价格低廉、安装维修方便。
所述的节流机构3为电磁膨胀阀，易于调节和控制。
所述的蒸汽喷射器12工作在双临界工况。
所述的蒸汽喷射器12工作原理为：高压蒸汽经喷嘴后加速降压，在喷嘴出口形成低压区，进而将低压蒸汽引射至混合腔；两股蒸汽在混合腔中混合后降速、升压形成中压蒸汽，其实质是利用高压蒸汽的实现对低压蒸汽的引射升压。
通过实时采集节流后冷剂水的温度、冷媒水的出口温度、冷媒水的入口温度和吸热后冷剂水的温度，并用节流机构3和第一蒸汽控制阀10控制蒸发器4的传热温差，减少传热过程中的不可逆损失；通过控制器15控制第二蒸汽控制阀11调节引射的低压蒸汽量，充分利用可用能即进而提高系统性能；通过控制器15调节第三蒸汽控制阀13来控制发生器1中溴化锂溶液的浓度。
所述的一种引射增效的吸收式制冷系统的控制方法，包括如下步骤：
步骤1：制冷系统开启后，首先由冷媒水出口温度传感器17检测蒸发器4中冷媒水的温度TW，与设定的冷媒水目标温度TS对比，若TW-TS≤ΔT，系统不启动；若TW-TS>ΔT，则开启第一蒸汽控制阀10和节流机构3，系统开始运行，并开始计时τ，ΔT范围为1～5℃；
步骤2：基于冷媒水入口温度传感器18、冷媒水出口温度传感器17、节流后冷剂水温度传感器16和吸热后冷剂水温度传感器19采集的工况数据，控制器15计算出蒸发器4换热的对数平均温差ΔTM，与设定的目标温差ΔTO对比，若ΔTM≤ΔTO且TW-TS≤ΔT，即对数平均温差和制冷温度同时达到目标，则进入步骤3；否则，调节第一蒸汽控制阀10和节流机构3，ΔTO范围为1～5℃；
步骤3：基于驱动热源蒸汽流量传感器20和引射蒸汽流量传感器21采集的工况数据，控制器15计算出蒸汽喷射器12的引射比λI,与设定的引射比λS对比，若λI,＝λS，开启并调节第三蒸汽控制阀13，使引射蒸汽流量传感器21和喷射蒸汽流量传感器22采集的工况数据一致；否则，调节第二蒸汽控制阀11；
步骤4：将计算的加热时间τ与设定的目标加热时间τS对比，若τ<τS，返回步骤2，否则，系统关机，完成制冷过程。
步骤2所述的蒸发器4换热的对数平均温差ΔTM的计算公式如下：
Δtc＝t17-t16
Δth＝t18-t19
Δtmax＝max(Δth,Δtc)
Δtmin＝min(Δth,Δtc)
其中：t16指节流后冷剂水温度传感器16采集的冷剂水节流后的温度；
t17指冷媒水出口温度传感器17采集的冷媒水出口温度；
t18指冷媒水入口温度传感器18采集的冷媒水入口温度；
t19指吸热后冷剂水温度传感器19采集的吸热后饱和液态冷剂水的温度；
Δth指蒸发器4热端温差；
Δtc指蒸发器4冷端温差；
Δtmax指蒸发器4热端温差与冷端温差中的较大值；
Δtmin指蒸发器4热端温差与冷端温差中的较小值。
步骤3所述的蒸汽喷射器12的引射比λI的计算公式如下：
其中：q21指引射蒸汽流量传感器21采集的第二蒸汽控制阀11后的流量；
q20指驱动热源蒸汽流量传感器20采集的第一蒸汽控制阀10后的流量。
相对于常规的吸收式制冷系统，本发明引射增效的吸收式制冷系统基于蒸汽喷射器的基本原理，将驱动热源高压蒸汽和低压蒸汽混合，实现驱动热源能量总量的增值，进而提高吸收式制冷系统的性能。该系统仅须在原有的吸收式制冷系统的基础上增设蒸汽喷射器，而蒸汽喷射器本身结构简单、成本低廉、无运动部件，适合于任何流体使用，所以该引射增效的吸收式制冷系统有望取得显著的节能及经济效益。可以达到如下有益效果：
1、该系统通过控制蒸发器4的传热温差，克服了常规的吸收式制冷系统蒸发器传热温差不稳定、传热过程中不可逆损失大等缺点，提高了系统性能。
2、该系统通过蒸汽喷射器12引射蒸发器4部分低压蒸汽与驱动热源高压蒸汽混合，实现驱动蒸汽热源能量总量的增值，提高了系统性能。
3、该系统蒸汽量均采用电动蒸汽控制阀控制，蒸发温度采用电磁膨胀阀控制，控制精准、便于调节。
附图说明
图1是本发明系统的结构示意图。
图2是本发明系统的控制方法流程图。
图3是蒸汽喷射器原理图。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种引射增效的吸收式制冷系统主要由发生器1、冷凝器2、节流机构3、蒸发器4、工质泵5、吸收器6、溶液泵7、溶液热交换器8、溶液阀9、第一蒸汽控制阀10、第二蒸汽控制阀11、蒸汽喷射器12、第三蒸汽控制阀13、超音速蒸汽喷嘴14、控制器15、节流后冷剂水温度传感器16、冷媒水出口温度传感器17、冷媒水入口温度传感器18、吸热后冷剂水温度传感器19、驱动热源蒸汽流量传感器20、引射蒸汽流量传感器21、喷射蒸汽流量传感器22组成，包括制冷循环和控制电路两个部分。
制冷循环：发生器1上端出口连接冷凝器2上端入口，冷凝器2下端出口经节流机构3后连接蒸发器4上端入口，蒸发器4出口分为两路，一路饱和液态冷剂水经工质泵5后进入蒸发器4上端喷淋在蒸发器4蛇管的外侧；另一路饱和气态冷剂水从蒸发器4上端流出后分为两路，一路流向吸收器6上端入口，另一路经第二蒸汽控制阀11后流向蒸汽喷射器12；驱动热源蒸汽经第一蒸汽控制阀10后与从蒸发器4引射的饱和气态冷剂水在蒸汽喷射器12内混合，然后分为两路，一路进入发生器1蛇管内作为热源，另一路经第三蒸汽控制阀13后进入超音速蒸汽喷嘴14将蒸汽喷至发生器1内蛇管的外侧稀释溴化锂溶液；发生器1下端出口依次连接溶液热交换器8、溶液阀9和吸收器6上端入口；吸收器6下端出口依次连接溶液泵7、溶液热交换器8和发生器1入口。
控制电路：节流后冷剂水温度传感器16、冷媒水出口温度传感器17、冷媒水入口温度传感器18、吸热后冷剂水温度传感器19、驱动热源蒸汽流量传感器20、引射蒸汽流量传感器21及喷射蒸汽流量传感器22连接控制器15的输入段，控制器15的输出端连接节流机构3、第一蒸汽控制阀10、第二蒸汽控制阀11和第三蒸汽控制阀13。其中，节流后冷剂水温度传感器16布置在节流机构3出口处，冷媒水出口温度传感器17布置在蒸发器4蛇管内冷媒水出口处，冷媒水入口温度传感器18布置在蒸发器4蛇管内冷媒水入口处，吸热后冷剂水温度传感器19布置在蒸发器4下端饱和液态冷剂水中。驱动热源蒸汽流量传感器20布置在第一蒸汽控制阀10出口处，引射蒸汽流量传感器21布置在第二蒸汽控制阀11出口处，喷射蒸汽流量传感器22布置在第三蒸汽控制阀13出口处；节流后冷剂水温度传感器16采集节流后冷剂水的温度，冷媒水出口温度传感器17采集冷媒水的出口温度，冷媒水入口温度传感器18采集冷媒水的入口温度，吸热后冷剂水温度传感器19采集吸热后饱和液态冷剂水的温度，驱动热源蒸汽流量传感器20采集进入蒸汽喷射器12的驱动热源高压蒸汽量，引射蒸汽流量传感器21采集从蒸发器4引射的低压蒸汽量，喷射蒸汽流量传感器22采集喷射至发生器1蛇管外侧的中压蒸汽量。
本发明引射增效的吸收式制冷系统的具体工作方式如下：驱动热源高压蒸汽在蒸汽喷射器12中与来自蒸发器4的饱和气态冷剂水混合形成中压蒸汽后分为两路，一路进入超音速蒸汽喷嘴14将中压蒸汽喷射至发生器1内蛇管外侧稀释溴化锂溶液，另一路进入发生器1蛇管内加热由溶液泵7输送来的经溶液热交换器8换热后的溴化锂稀溶液，溴化锂稀溶液中冷剂水蒸发出来后进入冷凝器2中，被冷却介质冷凝后经节流机构3节流至蒸发压力，然后进入蒸发器4中吸收蛇管内冷媒水的热量后大部分变成蒸发压力下的饱和气态冷剂水，从蒸发器4中出来的饱和气态冷剂水分为两路，一路进入吸收器6中被经溶液热交换器8换热和溶液阀9节流后的溴化锂浓溶液吸收，另一路进入蒸汽喷射器12中与驱动热源高压蒸汽混合，而蒸发器4中的饱和液态冷剂水则由工质泵5升压后喷淋至蒸发器4内蛇管外侧。
如图2所示，本发明还提供了该引射增效的吸收式制冷系统的控制方法，包括如下步骤：
步骤1：制冷系统开启后，首先由冷媒水出口温度传感器17检测蒸发器4中冷媒水的温度TW，与设定的冷媒水目标温度TS对比，若TW-TS≤ΔT，系统不启动；若TW-TS>ΔT，则开启第一蒸汽控制阀10和节流机构3，系统开始运行，并开始计时τ，ΔT范围一般为1～5℃；
步骤2：基于冷媒水入口温度传感器18、冷媒水出口温度传感器17、节流后冷剂水温度传感器16和吸热后冷剂水温度传感器19采集的工况数据，控制器15计算出蒸发器4换热的对数平均温差ΔTM，与设定的目标温差ΔTO对比，若ΔTM≤ΔTO且TW-TS≤ΔT，即对数平均温差和制冷温度同时达到目标，则进入步骤3；否则，调节第一蒸汽控制阀10和节流机构3，ΔTO范围一般为1～5℃；
步骤3：基于驱动热源蒸汽流量传感器20和引射蒸汽流量传感器21采集的工况数据，控制器15计算出蒸汽喷射器12的引射比λI,与设定的引射比λS对比，若λI,＝λS，开启并调节第三蒸汽控制阀13，使引射蒸汽流量传感器21和喷射蒸汽流量传感器22采集的工况数据一致；否则，调节第二蒸汽控制阀11；
步骤4：将计算的加热时间τ与设定的目标加热时间τS对比，若τ<τS，返回步骤2，否则，系统关机，完成制冷过程；
所述控制器15计算蒸发器4换热的对数平均温差ΔTM的计算公式如下：
Δtc＝t17-t16
Δth＝t18-t19
Δtmax＝max(Δth,Δtc)
Δtmin＝min(Δth,Δtc)
其中：t16指节流后冷剂水温度传感器16采集的冷剂水节流后的温度；
t17指冷媒水出口温度传感器17采集的冷媒水出口温度；
t18指冷媒水入口温度传感器18采集的冷媒水入口温度；
t19指吸热后冷剂水温度传感器19采集的吸热后饱和液态冷剂水的温度；
Δtc指蒸发器4冷端温差；
Δth指蒸发器4热端温差；
Δtmax指蒸发器4热端温差与冷端温差中的较大值；
Δtmin指蒸发器4热端温差与冷端温差中的较小值。
所述控制器15计算蒸汽喷射器12的引射比λI的计算公式如下：
其中：q21指引射蒸汽流量传感器21采集的第二蒸汽控制阀11后的流量；
q20指驱动热源蒸汽流量传感器20采集的第一蒸汽控制阀10后的流量。
如图3所示，所述的蒸汽喷射器12工作原理为：高压蒸汽经喷嘴后加速降压，在喷嘴出口形成低压区，进而将低压蒸汽引射至混合腔；两股蒸汽在混合腔中混合后降速、升压形成中压蒸汽，其实质是利用高压蒸汽的实现对低压蒸汽的引射升压。

Claims (8)

1.一种引射增效的吸收式制冷系统，包括发生器(1)，其特征在于：发生器(1)上端出口连接冷凝器(2)上端入口，冷凝器(2)下端出口经节流机构(3)后连接蒸发器(4)上端入口，蒸发器(4)出口分为两路，一路饱和液态冷剂水经工质泵(5)升压后进入蒸发器(4)上端喷淋至蒸发器(4)内蛇管外侧；另一路饱和气态冷剂水从蒸发器(4)上端流出后分为两路，一路流向吸收器(6)上端入口，另一路经第二蒸汽控制阀(11)后流向蒸汽喷射器(12)；驱动热源蒸汽经第一蒸汽控制阀(10)后与从蒸发器(4)引射的饱和气态冷剂水在蒸汽喷射器(12)内混合，然后分为两路，一路进入发生器(1)蛇管内作为热源，另一路经第三蒸汽控制阀(13)后进入超音速蒸汽喷嘴(14)将蒸汽喷至发生器(1)内蛇管的外侧稀释溴化锂溶液；发生器(1)下端出口依次连接溶液热交换器(8)、溶液阀(9)和吸收器(6)上端入口；吸收器(6)下端出口依次连接溶液泵(7)、溶液热交换器(8)和发生器(1)入口；节流后冷剂水温度传感器(16)、冷媒水出口温度传感器(17)、冷媒水入口温度传感器(18)、吸热后冷剂水温度传感器(19)、驱动热源蒸汽流量传感器(20)、引射蒸汽流量传感器(21)及喷射蒸汽流量传感器(22)连接控制器(15)的输入端，控制器(15)的输出端连接节流机构(3)、第一蒸汽控制阀(10)、第二蒸汽控制阀(11)和第三蒸汽控制阀(13)；节流后冷剂水温度传感器(16)布置在节流机构(3)出口处，采集节流后冷剂水的温度，冷媒水出口温度传感器(17)布置在蒸发器(4)蛇管内冷媒水出口处，采集冷媒水的出口温度，冷媒水入口温度传感器(18)布置在蒸发器(4)蛇管内冷媒水入口处，采集冷媒水的入口温度，吸热后冷剂水温度传感器(19)布置在蒸发器(4)下端的饱和液态冷剂水中，采集吸热后饱和液态冷剂水的温度；驱动热源蒸汽流量传感器(20)布置在第一蒸汽控制阀(10)出口处，采集进入蒸汽喷射器(12)的驱动热源高压蒸汽量，引射蒸汽流量传感器(21)布置在第二蒸汽控制阀(11)出口处，采集从蒸发器(4)引射的低压蒸汽量，喷射蒸汽流量传感器(22)布置在第三蒸汽控制阀(13)出口处，采集喷射至发生器(1)内蛇管外侧的中压蒸汽量。
2.根据权利要求1所述的一种引射增效的吸收式制冷系统，其特征在于：所述的发生器(1)和冷凝器(2)采用沉浸式蛇管换热器，蒸发器(4)和吸收器(6)采用喷淋式蛇管换热器。
3.根据权利要求1所述的一种引射增效的吸收式制冷系统，其特征在于：所述的节流机构(3)为电磁膨胀阀。
4.根据权利要求1所述的一种引射增效的吸收式制冷系统，其特征在于：所述的蒸汽喷射器(12)工作在双临界工况。
5.根据权利要求1所述的一种引射增效的吸收式制冷系统，其特征在于：通过实时采集节流后冷剂水的温度、冷媒水的出口温度、冷媒水的入口温度和吸热后冷剂水的温度，并用节流机构(3)和第一蒸汽控制阀(10)控制蒸发器(4)的传热温差；
通过控制器(15)控制第二蒸汽控制阀(11)调节引射的低压蒸汽量；
通过控制器(15)调节第三蒸汽控制阀(13)来控制发生器(1)中溴化锂溶液的浓度。
6.根据权利要求1至5任一项所述的一种引射增效的吸收式制冷系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：制冷系统开启后，首先由冷媒水出口温度传感器(17)检测蒸发器(4)中冷媒水的温度TW，与设定的冷媒水目标温度TS对比，若TW-TS≤ΔT，系统不启动；若TW-TS>ΔT，则开启第一蒸汽控制阀(10)和节流机构(3)，系统开始运行，并开始计时τ，ΔT范围为1～5℃；
步骤2：基于冷媒水入口温度传感器(18)、冷媒水出口温度传感器(17)、节流后冷剂水温度传感器(16)和吸热后冷剂水温度传感器(19)采集的工况数据，控制器(15)计算出蒸发器(4)换热的对数平均温差ΔTM，与设定的目标温差ΔTO对比，若ΔTM≤ΔTO且TW-TS≤ΔT，即对数平均温差和制冷温度同时达到目标，则进入步骤3；否则，调节第一蒸汽控制阀(10)和节流机构(3)，ΔTO范围为1～5℃；
步骤3：基于驱动热源蒸汽流量传感器(20)和引射蒸汽流量传感器(21)采集的工况数据，控制器(15)计算出蒸汽喷射器(12)的引射比λI与设定的引射比λS对比，若λI＝λS，开启并调节第三蒸汽控制阀(13)，使引射蒸汽流量传感器(21)和喷射蒸汽流量传感器(22)采集的工况数据一致；否则，调节第二蒸汽控制阀(11)；
步骤4：将计算的加热时间τ与设定的目标加热时间τS对比，若τ<τS，返回步骤2，否则，系统关机，完成制冷过程。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：步骤2所述的蒸发器(4)换热的对数平均温差ΔTM的计算公式如下：
Δtc＝t17-t16
Δth＝t18-t19
Δtmax＝max(Δth,Δtc)
Δtmin＝min(Δth,Δtc)
其中：t16指节流后冷剂水温度传感器(16)采集的冷剂水节流后的温度；
t17指冷媒水出口温度传感器(17)采集的冷媒水出口温度；
t18指冷媒水入口温度传感器(18)采集的冷媒水入口温度；
t19指吸热后冷剂水温度传感器(19)采集的吸热后饱和液态冷剂水的温度；
Δth指蒸发器(4)热端温差；
Δtc指蒸发器(4)冷端温差；
Δtmax指蒸发器(4)热端温差与冷端温差中的较大值；
Δtmin指蒸发器(4)热端温差与冷端温差中的较小值。
8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：步骤3所述的蒸汽喷射器(12)的引射比λI的计算公式如下：
其中：q21指引射蒸汽流量传感器(21)采集的第二蒸汽控制阀(11)后的流量；
q20指驱动热源蒸汽流量传感器(20)采集的第一蒸汽控制阀(10)后的流量。
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