CN108562066A - 一种膜式接触装置及吸收式制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种膜式接触装置及吸收式制冷系统。膜式接触装置包括第一流道和第二流道，在所述第一流道和第二流道之间设有仅允许水蒸气通过的膜式结构。吸收式制冷系统包括形成闭环的加热器、发生器、冷凝器、膨胀阀、蒸发器、控制阀和吸收器，其中发生器设有一个热液出口和一个蒸汽出口，蒸汽出口与冷凝器连通，热液出口通过热液回收管与吸收器连通；还包括蓄能器，蓄能器前述膜式接触装置，其第一流道的进、出口分别通过进、出液管与热液回收管连通，在进、出液管上均设有控制阀；膜式接触装置的第二流道的进口和出口连通一起并通过管道与第四控制阀和蒸发器之间的管道连通。它们具有蓄能效率和能源利用率高、节能环保等优点。

Description

一种膜式接触装置及吸收式制冷系统

技术领域

本发明属于制冷技术领域，具体涉及一种膜式接触装置及吸收式制冷系统。

背景技术

在经济快速发展的当代社会，环境危机和能源问题给我们的生活造成的困扰日渐严峻，最理想的解决方案就是开发和利用可再生能源。而在空调制冷领域，吸收式制冷技术凭借其利用低品位热能、不含有对环境有污染物质等优势而具有较大的推广和应用价值。

一般的，传统的吸收式制冷技术采用燃油或者燃气为动力，这样不仅消耗大量珍贵的不可再生资源，而且矿物质燃烧还会对环境造成污染。

对于现阶段的蓄能技术方面，绝大部分是利用工作介质状态的变化过程中所具有的显热和潜热或者化学反应中的反应热进行能量存储。显热蓄冷应用最广泛的是水蓄冷蓄能技术，水蓄冷利用蓄水温度变化(显热变化)进行蓄冷，通过维持尽可能大的蓄水温差来获得最大的蓄能效率，它可使常规的空调机组实现蓄冷、蓄热双重作用。潜热蓄热的利用以冰蓄冷技术为例。利用水的相变凝固潜热来储存冷量的蓄能技术称为冰蓄冷技术，水凝固时相变潜热大，蓄能密度远大于水蓄冷的蓄能密度。但冰蓄冷技术的缺点也很明显：相变凝固温度较低，且制冰时要求存在较大的过冷度，因此在制冰过程中，空调机组必须在较低的工作温度范围运行，造成空调机组的效率下降。蓄能温度与环境温度相比较存在传热温差，所以需要采用绝热措施，并且蓄能密度有待于提高。由于这两种蓄能方式的原理都是基于水的显热，装置比较庞大，并且考虑到蓄能的热水或冷媒水的温度与环境温度之间存在较大的温差，故热损失较大，效率低，为实现空调的小型化和商品化增加了难度。

利用热化学反应过程实现蓄能的技术称之为热化学蓄冷技术。在热化学蓄冷技术中主要利用常规制冷剂与水形成气体水合物。气体水合物蓄冷是一种新兴的空调蓄冷技术，它不仅与空调工况相吻合，蓄冷密度高，而且蓄冷、放能时传热效率高。但目前此项技术还有一系列问题等待解决，仍处在实验阶段。

浓度差蓄能方式不同于常规的显热或者潜热的蓄能方式，它采用存储工质化学势能的形式代替冷能或者热能。在能量转换和存储过程中，工作介质只有物理变化，没有化学变化。浓度差蓄能技术无需采用绝热措施，在常温下能量就能够长期地存储，而且储存设备结构简单。

在蓄能装置中，在蓄能阶段，得到的浓盐溶液储存在蓄能器中，是溶液浓度差蓄能的最后一环，在放能阶段，膜蓄能器则是放能过程的第一个环节。当膜蓄能器中的溶液由于浓度过高或者温度过低时，会发生结晶。由于膜蓄能器作为蓄能阶段的最后一环，因此出现结晶对蓄能阶段溶液循环没有影响；但是结晶对放能阶段影响较大。结晶体会阻碍溶液流动，堵塞管路，大大降低放能速率。因此在蓄能系统的放能阶段，需要对结晶进行溶晶处理，可以让结晶的浓溶液直接吸收蒸发器产生的水蒸气，稀释溶液，实现溶晶。但这将使得传统蓄能器结构变得复杂，增加蓄能器的体积。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种膜式接触装置及吸收式制冷系统，旨在解决现有技术中能源消耗大、能量保存困难等技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种膜式接触装置，包括第一流道和第二流道，在所述第一流道和第二流道之间设有仅允许水蒸气通过的膜式结构。

作为膜式接触装置的一种方式，包括壳体，所述壳体中设有密闭空腔，在所述密闭空腔中设置有作为第一流道的中空纤维膜管，所述中空纤维膜管的两端分别与第一流道进管和第一流道出管的一端连通，所述第一流道进管和第一流道出管的另一端穿出所述的壳体，分别形成进口和出口；所述壳体还设置有与密闭空腔连通的第二流道进管和第二流道出管，所述第二流道进管、密闭空腔和第二流道出管构成第二流道，所述第二流道进管和第二流道出管分别作为第二流道的进口和出口。

进一步，所述壳体呈圆柱形，所述第二流道进管和第二流道出管分别连通在该圆柱形的两个底面。

更进一步，所述的中空纤维膜管为多根，所述的中空纤维膜管与壳体的轴线平行且均匀地设置在所述的密闭空腔中；所述中空纤维膜管的两端与所述圆柱形的底面保持设定距离；多根所述的中空纤维膜管的两端分别与所述第一流道进管和第一流道出管的一端连通，形成并联结构。

作为膜式接触装置的另一种方式，该膜式接触装置为平板式换热器结构，所述第一流道和第二流道均为多个；多个所述的第一流道和第二流道交叠且贴合设置，所述第一流道和第二流道的接触面上设置有通口，通口上覆有仅允许水蒸气通过的选择半透性膜。

进一步，所述第一流道和第二流道的进口方向垂直，所述第一流道和第二流道的出口方向垂直。

一种吸收式制冷系统，包括依次由管道连通的加热器、发生器、冷凝器、膨胀阀、蒸发器、第四控制阀和吸收器；所述加热器、冷凝器和蒸发器均为换热器结构；所述发生器和吸收器分别通过管道与所述加热器的同一流道的两端连通，形成闭合的循环制冷管路；所述发生器设有一个热液出口和一个蒸汽出口，所述蒸汽出口与所述冷凝器连通，所述热液出口通过热液回收管与所述吸收器连通；还包括蓄能循环管路，所述蓄能循环管路包括蓄能器，所述蓄能器为上述任一膜式接触装置，该膜式接触装置的第一流道的进口通过进液管与所述热液回收管连通，所述膜式接触装置的第一流道的出口通过出液管与所述热液回收管连通，在所述进液管和出液管上分别设置有第一控制阀和第二控制阀；所述膜式接触装置的第二流道的进口和出口连通一起并通过管道与所述第四控制阀和蒸发器之间的管道连通。

进一步，所述发生器为上述任一膜式接触装置，所述膜式接触装置的第一流道的进口和出口连通一起作为蒸汽出口，并通过管道与所述冷凝器连通；所述膜式接触装置的第二流道的进口通过管道与所述加热器连通，所述膜式接触装置的第二流道的出口作为热液出口与所述进液管连通。

进一步，还包括热交换器，所述热交换器为换热器结构，该换热器的一个流道串联在进液管和出液管与所述热液回收管连通处之间的热液回收管上，另一个流道串联于所述吸收器和所述加热器之间的管道上。

进一步，所述加热器为废热加热器。

本发明所使用的中空纤维膜或平板膜是将膜技术应用在蒸汽吸收式制冷系统中，可以应用于发生器中，使水蒸气蒸发并透过疏水膜，此外，膜组件制成的发生器更小、更轻，因为前者是由聚合物纤维膜或薄板制成，而后者是由不锈钢管或者水箱制成。

溶液浓度差蓄能则是通过改变工作溶液的浓度，是将收集到热能转换成工作溶液的化学势能并储存起来，储存溶液的化学势能可在需要时方便地转换成冷能和热能。能量过剩时，多余的能量被用于加热稀溶液产生浓溶液，能量以制冷潜能的形式储存于溶液储罐内；当热能不足时，储存在溶液储罐内的浓溶液吸收水蒸气变成稀溶液，制冷潜能被转换成冷能，以保证用户的用冷需求。

显然，与显热和潜热蓄能方式相比，浓度差蓄能并非直接储存冷或热能，而是储存工作溶液的化学势能。与热化学蓄能方式相比，在能量转换和储存过程中，工作介质只有物理(温度、压力和浓度)变化，无化学变化。因此与潜热/显热蓄能技术、热化学蓄能技术相比，溶液浓度差蓄能技术具有比较突出的优点，蓄能系统因为采用浓度差蓄能，溶液温度的降低不会减小储存能量，所以不需要采用绝热保温措施。把能量以溶液化学能的形式储存起来，能量可以在常温下无限期储存。此外，驱动吸收式制冷循环的热源温度较低，可利用废热进行驱动。

与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明的膜式接触装置采用浓度差蓄能，即将热能转化为浓溶液的化学势能，有利于在热量充足时将能量储存起来以满足热能短缺时对热能的需求。

2、本发明的膜式接触装置包括中空纤维膜式和平板膜式两种具体的结构，两者都是将浓溶液存储于溶液流道中以储能，需要放能时再通入蒸汽进入蒸汽流道，利用半透膜只允许水蒸气通过的特性，水蒸气在蒸汽压差的作用下进入浓溶液中实现溶晶，从而实现能量的释放，与热化学蓄能方式相比，在能量转换和储存过程中，工作介质只有物理(温度、压力和浓度)变化，无化学变化，能量在转化过程中损耗小。

3、本发明的吸收式制冷系统中，发生器为一种膜式发生器，其结构与蓄能器相同，相较于传统的吸收式制冷循环的发生器，膜式发生器具有体积更小、重量更轻等优点。

附图说明

图1为本发明的一种形式的膜式接触装置的结构示意图；

图2为本发明的另一种形式的膜式接触装置的结构示意图；

图3为本发明的吸收式制冷系统的结构示意图。

附图中：1—蒸发器；2—膨胀阀；3—蓄能器；4—冷凝器；5—第一控制阀；6—发生器；7—加热器；8—热交换器；9—第二控制阀；10—吸收器；11—第三控制阀；12—第四控制阀；13—第一流道；131—第一流道进管；132—中空纤维膜管；133—第一流道出管；14—第二流道；141—第二流道进管；142—第二流道出管。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

一种膜式接触装置，包括第一流道13和第二流道14，在所述第一流道13和第二流道14之间设有仅允许水蒸气通过的膜式结构。

具体而言，可以设计为以下两种结构：

如图1所示，膜式接触装置可以采用中空纤维膜管132，包括壳体，所述壳体中设有密闭空腔，在所述密闭空腔中设置有作为第一流道13的中空纤维膜管132，所述中空纤维膜管132的两端分别与第一流道进管131和第一流道出管133的一端连通，所述第一流道进管131和第一流道出管133的另一端穿出所述的壳体，分别形成进口和出口；所述壳体还设置有与密闭空腔连通的第二流道进管141和第二流道出管142，所述第二流道进管141、密闭空腔和第二流道出管142构成第二流道14，所述第二流道进管141和第二流道出管142分别作为第二流道14的进口和出口。

优选地，所述壳体呈圆柱形，所述第二流道进管141和第二流道出管142分别连通在该圆柱形的两个底面。

更优选地，所述的中空纤维膜管132为多根，所述的中空纤维膜管132与壳体的轴线平行且均匀地设置在所述的密闭空腔中；所述中空纤维膜管132的两端与所述圆柱形的底面保持设定距离；多根所述的中空纤维膜管132的两端分别与所述第一流道进管131和第一流道出管133的一端连通，形成并联结构。

作为蓄能器3使用时，因第一流道13具有更大的储存空间，故以第一流道13作为溶液流道，蓄能时，浓溶液从第一流道13进口进入并存储，由于中空纤维膜管132的管壁仅允许水蒸气通过，使得水蒸气不断进入第二流道14，而使第一流道13中的溶液得以浓缩，使热能以浓度并的形式被保留下来。由于储存过程中溶液浓度会高于饱和极限，溶液中就会出现结晶，这在一定程度上会进一步提高蓄能的效能。当放能时，需要先将蒸汽通入到第二流道14，在蒸汽压差的作用下，蒸汽透过中空纤维膜管132进入到第一流道13的浓溶液中，蓄能器3中的浓溶液变为热的稀溶液排出，使蓄存的能量得以释放。当溶液中有结晶时，晶体直接流出并流入到管道中，会造成管道堵塞，因此，在放能时有结晶，则需要第二流道14中的蒸汽使结晶充分放出溶解热后再排出，这不仅可以加热溶液，还能实现快速溶晶，当结晶融化后，溶液流出蓄能器3并进行使用。

当作为发生器6时，第一流道13作为蒸汽流道，第二流道14作为溶液流道，工作时，经过加热的溶液进入各个中空纤维膜管132中，在蒸汽压差的作用下，溶液中的水分蒸发透过纤维膜进入第一流道13，此时，第一流道13的进、出口均作为蒸汽出口使用。

如图2所示，膜式接触装置还可以为平板式换热器结构，所述第一流道13和第二流道14均为多个；多个所述的第一流道13和第二流道14交叠且贴合设置，所述第一流道13和第二流道14的接触面上设置有通口，通口上覆有仅允许水蒸气通过的选择半透性膜。

优选地，各个第一流道13的进口可以汇集成一个总管，作为第一流道13进口，各个第一流道13的出口也可以汇集成一个总管，作为第一流道13出口；同理，各个第二流道14的进口可以汇集成一个总管，作为第二流道14进口，各个第二流道14的出口也可以汇集成一个总管，作为第二流道14出口。

优选地，所述第一流道13和第二流道14的进口方向垂直，所述第一流道13和第二流道14的出口方向垂直。

在使用中，平板式换热器结构作为蓄能器3与发生器6的原理与采用中空纤维膜管132的膜式蓄能装置基本相同，当一个流道作为溶液流道时，另一个流道即作为蒸汽流道。

一种吸收式制冷系统，包括依次由管道连通的加热器7、发生器6、冷凝器4、膨胀阀2、蒸发器1、第四控制阀12和吸收器10；所述加热器7、冷凝器4和蒸发器1均为换热器结构；所述发生器6和吸收器10分别通过管道与所述加热器7的同一流道的两端连通，形成闭合的循环制冷管路；所述发生器6设有一个热液出口和一个蒸汽出口，所述蒸汽出口与所述冷凝器4连通，所述热液出口通过热液回收管与所述吸收器10连通；还包括蓄能循环管路，所述蓄能循环管路包括蓄能器3，所述蓄能器3为上述膜式接触装置，该膜式接触装置的第一流道13的进口通过进液管与所述热液回收管连通，所述膜式接触装置的第一流道13的出口通过出液管与所述热液回收管连通，在所述进液管和出液管上分别设置有第一控制阀5和第二控制阀9；所述膜式接触装置的第二流道14的进口和出口连通一起并通过管道与所述第四控制阀12和蒸发器1之间的管道连通。

其中，吸收器10为一可供汽、液混合的箱体，设置有两个进口和一个出口，进口分别与热液作回收管和第四控制阀12连通，出口则与加热器7连通。

作为优化，为了进一步回收热能。所述发生器6为上述膜式接触装置，所述膜式接触装置的第一流道13的进口和出口连通一起作为蒸汽出口，并通过管道与所述冷凝器4连通；所述膜式接触装置的第二流道14的进口通过管道与所述加热器7连通，所述膜式接触装置的第二流道14的出口作为热液出口与所述进液管连通。

作为优化，还包括热交换器8，所述热交换器8为换热器结构，该换热器的一个流道串联在进液管和出液管与所述热液回收管连通处之间的热液回收管上，另一个流道串联于所述吸收器10和所述加热器7之间的管道上。

作为优化，为了提高能源利用率，所述加热器7为废热加热器。

实际使用时，如图3所示，稀溶液先在加热器7中进行加热，然后通入到发生器6中，其中发生的水蒸气流入到冷凝器4中，被流入冷凝器4另一流道的冷却水降温冷凝为饱和液体，饱和液体流入到膨胀阀2中使液体压力降至蒸发压力，使其可以在一个较低温度蒸发，之后流入到蒸发器1中进行蒸发吸热，对待冷却物体进行冷却，此时第四控制阀12处于打开状态，而第二控制阀9和第三控制阀11处于关闭状态，蒸发器1出来的蒸汽通过第四控制阀12流入到吸收器10中，在冷却水的冷却冷凝后，被从发生器6中剩余的浓溶液吸收(浓溶液流入吸收器10前经过热交换器8进行换热)，吸收了水蒸气冷凝液的浓溶液变为稀溶液，之后与流经热交换器8的从发生器6流出的热浓溶液进行热交换得到预热，再流入到加热器7中，利用废热进行加热，再流入发生器6中重复循环。

当废热热量充足时，发生器6可产生过量的浓溶液，此时，打开第一控制阀5，将浓溶液存储于蓄能器3中。当废热热能不足时，打开第三控制阀11并关闭第四控制阀12，令蒸发器1中蒸汽通过第三控制阀11流入蓄能器3，之后打开第二控制阀9，使蓄能器3中的浓溶液变为热的稀溶液进入吸收器10中来提高混合后的液体的温度，以此来补充热能的不足，使得废热热量供应不足时也可以进行制冷循环。

本发明的上述实施例仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种膜式接触装置，其特征在于，包括第一流道和第二流道，在所述第一流道和第二流道之间设有仅允许水蒸气通过的膜式结构。

2.根据权利要求1所述的膜式接触装置，其特征在于，包括壳体，所述壳体中设有密闭空腔，在所述密闭空腔中设置有作为第一流道的中空纤维膜管，所述中空纤维膜管的两端分别与第一流道进管和第一流道出管的一端连通，所述第一流道进管和第一流道出管的另一端穿出所述的壳体，分别形成进口和出口；所述壳体还设置有与密闭空腔连通的第二流道进管和第二流道出管，所述第二流道进管、密闭空腔和第二流道出管构成第二流道，所述第二流道进管和第二流道出管分别作为第二流道的进口和出口。

3.根据权利要求2所述的膜式接触装置，其特征在于，所述壳体呈圆柱形，所述第二流道进管和第二流道出管分别连通在该圆柱形的两个底面。

4.根据权利要求3所述的膜式接触装置，其特征在于，所述的中空纤维膜管为多根，所述的中空纤维膜管与壳体的轴线平行且均匀地设置在所述的密闭空腔中；所述中空纤维膜管的两端与所述圆柱形的底面保持设定距离；多根所述的中空纤维膜管的两端分别与所述第一流道进管和第一流道出管的一端连通，形成并联结构。

5.根据权利要求1所述的膜式接触装置，其特征在于，该膜式接触装置为平板式换热器结构，所述第一流道和第二流道均为多个；多个所述的第一流道和第二流道交叠且贴合设置，所述第一流道和第二流道的接触面上设置有通口，通口上覆有仅允许水蒸气通过的选择半透性膜。

6.根据权利要求5所述的膜式接触装置，其特征在于，所述第一流道和第二流道的进口方向垂直，所述第一流道和第二流道的出口方向垂直。

7.一种吸收式制冷系统，包括依次由管道连通的加热器、发生器、冷凝器、膨胀阀、蒸发器、第四控制阀和吸收器；所述加热器、冷凝器和蒸发器均为换热器结构；所述发生器和吸收器分别通过管道与所述加热器的同一流道的两端连通，形成闭合的循环制冷管路；其特征在于，所述发生器设有一个热液出口和一个蒸汽出口，所述蒸汽出口与所述冷凝器连通，所述热液出口通过热液回收管与所述吸收器连通；

还包括蓄能循环管路，所述蓄能循环管路包括蓄能器，所述蓄能器为权利要求1-6任一所述的膜式接触装置，该膜式接触装置的第一流道的进口通过进液管与所述热液回收管连通，所述膜式接触装置的第一流道的出口通过出液管与所述热液回收管连通，在所述进液管和出液管上分别设置有第一控制阀和第二控制阀；所述膜式接触装置的第二流道的进口和出口连通一起并通过管道与所述第四控制阀和蒸发器之间的管道连通。

8.根据权利要求7所述的吸收式制冷系统，其特征在于，所述发生器为权利要求1-6任一所述的膜式接触装置，所述膜式接触装置的第一流道的进口和出口连通一起作为蒸汽出口，并通过管道与所述冷凝器连通；所述膜式接触装置的第二流道的进口通过管道与所述加热器连通，所述膜式接触装置的第二流道的出口作为热液出口与所述进液管连通。

9.根据权利要求7所述的吸收式制冷系统，其特征在于，还包括热交换器，所述热交换器为换热器结构，该换热器的一个流道串联在进液管和出液管与所述热液回收管连通处之间的热液回收管上，另一个流道串联于所述吸收器和所述加热器之间的管道上。

10.根据权利要求7所述的吸收式制冷系统，其特征在于，所述加热器为废热加热器。