CN108759160B - 一种基于增压喷射的无机械泵吸收式制冷循环系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于吸收式制冷循环领域，并具体公开了一种基于增压喷射的无机械泵吸收式制冷循环系统及方法，其中发生器中的工质对溶液被加热至沸腾状态产生制冷剂蒸气，制冷剂蒸气分为两路，其中一路冷凝成制冷剂液体，并经蒸发吸热转变为制冷剂蒸气，工质对溶液产生制冷剂蒸气后浓缩为浓溶液，以作为动力流体引射制冷剂蒸气并与制冷剂蒸气混合，混合后经换热获得工质对稀溶液；另一路制冷剂蒸气作为动力蒸气引射工质对稀溶液，并混合获得混合液体，混合液体经吸热后送回发生器以此完成循环。本发明具有结构简单，易控制的优点，适用于中小型吸收式制冷循环中。

Description

一种基于增压喷射的无机械泵吸收式制冷循环系统及方法

技术领域

本发明属于吸收式制冷循环领域，更具体地，涉及一种基于增压喷射的无机械泵吸收式制冷循环系统及方法。

背景技术

余热回收是提升一次能源利用效率的重要技术，可再生能源利用则是实现社会可持续发展的重要途径。吸收式制冷技术因其热驱动的特点，在余热回收和可再生能源(太阳能、生物质能等)利用领域发挥着不可替代的重要作用。与此同时，吸收式制冷系统所倾向采用的制冷剂是水(R718)和氨(R717)，均为自然工质，不破坏臭氧层也不具有高的温室效应。因此，在节能和环保领域，吸收式制冷技术的应用和发展意义重大。

目前商业化应用的吸收式制冷技术主要有水-溴化锂空调机组以及氨-水吸收式制冷机组，两者均为大型机组，适合于大型制冷量场合，循环主要由低品位热能驱动，但是系统中机械式溶液泵仍然消耗高品位能源，未能实现100％热能驱动，在中小制冷负荷需求场合，吸收式制冷技术尚未能实现大规模应用，且机械式溶液泵在中小型吸收式制冷循环中应用具有诸多缺点，包括运行可靠性降低，振动噪声，消耗高品位能源，隔膜式溶液泵体积重量较大，造价昂贵等。而中小冷量的应用场合由于其数量庞大而总能耗巨大，例如太阳能驱动的家用空调器，尾气余热驱动的汽车空调、车载冷冻冷藏装置、船用冷冻冷藏装置等，尤其在汽车空调领域，数量庞大的常规蒸气压缩式汽车空调将导致巨大能源消耗，因此结构简单紧凑、运行高效的新型尾气余热驱动的小型吸收式制冷技术在汽车空调领域的应用将会带来巨大的节能效应。在大型吸收式制冷机组，溶液泵的能耗相对于整机制冷量来说微不足道，但是在中小型机组，溶液泵消耗高品位的电能或者机械能，其能耗相对于整机制冷量来说不可忽略，而且很多中小型制冷量的应用场合不希望采用高品位能源作为补偿，直接采用100％低品位热能来驱动系统运行。因此，实际应用场合的低品位能源一般都为余热或者废热，不加以利用的情况下将直接排放掉，这种情况下，100％低品位热能驱动吸收式制冷技术更具有市场潜力。

在中小型制冷场合，现有的无机械泵吸收式制冷技术主要分为两种，一种为吸收-扩散式制冷技术，另一种为采用了气泡泵的吸收式制冷技术。但这两种吸收式制冷技术仍然存在一些缺陷，对于吸收-扩散式循环，由于系统工质中含有氢气，氢气易燃易爆，因此其充灌量受到限制，目前只在小型甚至微型冰箱中使用，难以应用在较大的制冷量的场合；对于采用了气泡泵的吸收式制冷循环，其以热能为动力驱动气泡泵输送溶液进而完成溶液循环，气泡泵采用的是汽化的制冷剂气泡向上运动来举起上部溶液进入发生器，气泡泵适用于小压差的水溴化锂吸收式制冷场合，同时气泡泵结构复杂，内部含有换热器，体积较大，不适合在汽车空调等对空间要求比较严格的应用场合。此外，现有技术中还提出了喷射吸收式制冷循环，该制冷循环根据喷射器的安装方式不同分为三种，其一为气-气喷射器以发生器出口高温高压蒸气作为动力引射蒸发器出口制冷剂蒸气进入吸收器，以消耗一部分发生器出口蒸气为代价提高吸收压力，增强了系统低温制冷能力；其二为液-气喷射器替代溶液管路节流机构的喷射-吸收制冷循环，喷射器以发生器出口高压浓溶液为动力引射蒸发器出口制冷剂蒸气进入吸收器；其三为气-气喷射器以发生器出口高压蒸气为动力引射部分蒸发器出口制冷剂蒸气进入冷凝器，使得制冷剂循环量增大，从而提升循环制冷能力。上述结构的喷射-吸收制冷循环，由于喷射器的灵活安装可实现不同的目的，但是系统中仍然采用溶液泵，其缺点与常规吸收式制冷循环的缺点相同。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于增压喷射的无机械泵吸收式制冷循环系统及方法，其通过增压喷射器实现制冷循环，并通过增压喷射器与吸收器入口的液-气喷射器配合减小耗气量，提高效率，具有结构简单，易控制的优点，适用于吸收式制冷循环中，尤其适用于中小型吸收式制冷循环中。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了基于增压喷射的无机械泵吸收式制冷循环系统，其包括发生器、溶液热交换器、增压喷射器、液-气喷射器、吸收器、蒸发器和冷凝器，其中，工质对溶液中的制冷剂在发生器中被外界的低品位热能加热至沸腾状态以产生制冷剂蒸气，产生的制冷剂蒸气分为两路，其中一路进入冷凝器中被冷凝成制冷剂液体，制冷剂液体节流后进入蒸发器变为制冷剂蒸气，该制冷剂蒸气被液-气喷射器吸入后进入吸收器中；发生器中产生制冷剂蒸气后剩余的工质对溶液经溶液热交换器换热后送入液-气喷射器中，以作为动力流体引射来自蒸发器的制冷剂蒸气，并与制冷剂蒸气一起进入吸收器中以混合均匀获得工质对稀溶液，该工质对稀溶液送入增压喷射器中；发生器产生的另一路制冷剂蒸气进入增压喷射器，以作为动力蒸气引射来自吸收器的工质对稀溶液，并与工质对稀溶液混合以在增压喷射器出口获得混合液体，该混合液体克服流动阻力进入溶液热交换器吸热，并回到发生器以完成循环。

作为进一步优选的，冷凝器出口的制冷剂液体经节流阀节流降压后进入蒸发器中。

作为进一步优选的，蒸发器出口的制冷剂蒸气的温度及压力低于发生器出口的制冷剂蒸气的温度及压力。

作为进一步优选的，增压喷射器用于引射吸收器出口的工质对稀溶液，并对混合液体进行增压喷射，增压大小由克服溶液交换器和连接管道的流动阻力确定。

作为进一步优选的，工质对溶液为氨-水、水-溴化锂、氨-硫氰酸钠、氨-硝酸锂或其他通用吸收工质对。

按照本发明的另一方面，一种基于增压喷射的无机械泵吸收式制冷循环方法，其中发生器内工质对溶液被低品位热能加热至沸腾状态产生制冷剂蒸气，产生的制冷剂蒸气分为两路，其中一路冷凝成制冷剂液体，节流降压后经蒸发吸热后转变制冷剂蒸气，发生器内工质对溶液产生制冷剂蒸气后剩余的溶液经溶液热交换器换热后作为动力流体引射制冷剂蒸气，并与制冷剂蒸气混合后进入吸收器，在吸收器内混合均匀形成工质对稀溶液；另一路制冷剂蒸气作为动力蒸气引射工质对稀溶液，并与工质对稀溶液混合形成混合液体，该混合液体克服流动阻力后进入发生器，以此完成循环。

作为进一步优选的，发生器由热源直接或间接驱动，进而产生制冷剂蒸气，该制冷剂蒸气作为增压喷射器的动力蒸气。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明设置的增压喷射器由发生器出口蒸气驱动，引射来自吸收器出口溶液，增压后进入发生器完成溶液循环，其不仅能够应用在任何常规吸收式制冷循环中，同时可以应用于喷射-吸收式制冷循环中，是一种通用型替代机械式溶液泵的技术。

2.本发明在系统中采用增压喷射器，同时在吸收器入口设置液-气喷射器以入口高压浓溶液作为动力流体引射蒸发器出口制冷剂蒸气，提高吸收压力的同时减小增压喷射器耗气量，优化提升循环效率，解决在中小型制冷场合吸收式制冷循环的无机械泵运行的技术难题，使得系统实现纯热驱动，而无需电能或者机械能等高品位能源输入作为补偿。

3.本发明相对于常规吸收式制冷循环来说，无需机械式溶液泵，无需高品位能源补偿即可完成循环运行，增压喷射器相对于机械式溶液泵，其由热能驱动无需高品位能源消耗，结构简单，成本低，无运动部件，运行可靠，寿命长；相对于气泡泵，结构简单，成本低，适应性广，尤其在高压差场合气泡泵无法运行的情况下增压喷射器更具优势。

4.本发明的增压喷射器消耗一部分发生器出口的高温高压制冷剂蒸气，会导致系统效率下降，为了最大限度提升系统效率，在吸收器入口增加液-气喷射器，提高吸收压力，强化吸收的同时可以最大程度的减小增压喷射器耗气量，从而提升系统总体效率，本发明系统结构简单，控制容易。

5.本发明的增压喷射器出口溶液压力高于发生器内溶液压力，确保增压喷射器出口溶液能够克服管道和溶液热交换器流动阻力回流至发生器，增压喷射器用以替代传统的机械式溶液泵，将吸收器出口稀溶液输送至发生器。

附图说明

图1是增压喷射器工作原理图；

图2是本发明实施例提供的一种基于增压喷射的无机械泵吸收式制冷循环系统的示意图。

1-发生器，2-溶液热交换器，3-增压喷射器，4-液-气喷射器，5-吸收器，6-蒸发器，7-节流阀，8-冷凝器。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

目前商业化应用的吸收式制冷技术主要有水-溴化锂空调机组以及氨-水吸收式制冷机组，两者均为大型机组，在中小制冷负荷需求场合，吸收式制冷技术尚未能实现大规模应用。中小型吸收式制冷技术的推广应用面临的一个重要实际困难就是系统虽然主要由低品位的热能驱动运行，但是系统中仍然需要采用溶液泵来驱动溶液循环。溶液泵一般为机械泵，消耗电能或者机械能等高品位能源，同时溶液泵也是一个运动部件，运行可靠性低，在高压差的应用场合，如氨水系统和氨盐系统等，溶液泵需要采用隔膜泵，隔膜泵体积重量都较大，造价昂贵，且需要定期更换隔膜片，不适合在小型吸收式系统中应用。因此，本发明提出一种基于增压喷射的无机械泵吸收式制冷循环，其利用增压喷射器采用蒸气喷射的方式实现溶液循环，同时在吸收器入口设置液-气喷射器提高吸收压力，强化吸收的同时降低增压喷射器的耗气量，解决在中小型制冷场合吸收式制冷循环的无机械泵运行的技术难题，使得系统能够100％实现热驱动而无需电能或者机械能等高品位能源输入。

本发明所提出的基于增压喷射的无机械泵吸收式制冷循环，可由低品位热能直接驱动而无需高品位能源补偿，通过增压喷射器应用于吸收式制冷循环中实现制冷剂的循环，克服现有机械式溶液泵的缺陷。图1是增压喷射器的工作原理图，如图1所示，增压喷射器以高温高压的动力蒸气引射低温低压的液体，混合后蒸气冷凝，在喷射器出口可获得压力高于动力蒸气入口压力的混合液体，从压力在喷射器各个位置的分布情况可看出，增压喷射器出口压力比入口压力高，增压喷射器应用于吸收式制冷循环中，利用发生器出口高温高压制冷剂蒸气作为动力蒸气，引射吸收器出口低温低压的稀溶液，可驱动溶液克服流动阻力回流至发生器进而完成循环。因此，增压喷射器在吸收式制冷循环中替代机械式溶液泵的应用技术上是可行的。

如图2所示，本发明实施例提供的一种基于增压喷射的无机械泵吸收式制冷循环系统，其包括发生器1、溶液热交换器2、增压喷射器3、液-气喷射器4、吸收器5、蒸发器6和冷凝器8，其中，发生器1中的工质对溶液被外界的低品位热能(例如太阳能，工业余热，尾气余热等温度为100℃左右或者更低的中低温热源)加热至沸腾状态，产生制冷剂蒸气，此时制冷剂蒸气为高温高压状态，产生的制冷剂蒸气分为两路，其中一路通过连接管道进入冷凝器8中向环境放热自身被冷凝成制冷剂液体，制冷剂液体节流后从冷凝器8的出口进入蒸发器6，在蒸发器6中蒸发吸热后转变为制冷剂蒸气，此时的制冷剂蒸气相较于发生器1出口的制冷剂蒸气而言，其温度和压力略低，因此此处也可称为低温低压的制冷剂蒸气，而低温低压的制冷剂蒸气的温度和压力可由实际需求进行确定，该低温低压的制冷剂蒸气送入液-气喷射器4入口中；产生制冷剂蒸气后发生器1中剩余的工质对溶液从发生器1的出口进入溶液热交换器2换热后，通过连接管道送入液-气喷射器4的入口，并在喷射器入口处作为动力流体引射来自蒸发器6出口的低温低压制冷剂蒸气，以将制冷剂蒸气送入液-气喷射器4中，并且动力流体与制冷剂蒸气在液-气喷射器4中混合，然后从液-气喷射器4的出口进入吸收器5中，在吸收器5中两者充分混合吸收，吸收热通过吸收器的换热器排放至环境，最终获得工质对稀溶液(只是称为工质对稀溶液，具体浓度可实际测定)，此时工质对稀溶液为常温低压状态，工质对稀溶液送入增压喷射器3的入口中；发生器1产生的另一路制冷剂蒸气通过连接管道进入增压喷射器3的入口，作为动力蒸气引射来自吸收器5出口的工质对稀溶液，以将工质对稀溶液送入增压喷射器3中，该动力蒸气在增压喷射器中与工质对稀溶液混合，并在增压喷射器出口获得混合液体，该混合液体的压力高于增压喷射器入口蒸气压力，具体增压的量可由流动阻力确定，即增压喷射器出口的混合液体的压力比增压喷射器入口的动力蒸气压力高，增加的压力可克服混合液体在溶液热交换器和连接管道的流动阻力，使该混合液体能够顺利进入发生器完成循环，该混合液体可定义为高压混合液体，该高压混合液体在增压喷射器的作用下进入溶液热交换器2中吸热，然后回到发生器1以完成循环。在增压喷射器中引射来自吸收器出口的常温低压稀溶液，动力蒸气与被引射稀溶液混合，其中动力蒸气被稀溶液降温后冷凝，冷凝热转化为混合液体的压力能，在增压喷射器出口获得压力高于增压喷射器入口动力蒸气压力的混合液体，高压的混合液体进入溶液热交换器吸热，同时克服流动阻力后回到发生器完成工质对溶液循环和制冷剂循环。

其中，工质对溶液为吸收式制冷工质对，可为氨-水、水-溴化锂、氨-硫氰酸钠或氨-硝酸锂等任意吸收式制冷工质对，其中工质对中沸点高的为吸收剂，沸点低的为制冷剂。具体的，冷凝器8出口的制冷剂液体经节流阀7节流降压后进入蒸发器6中。

下面以氨-硝酸锂为工质对的增压喷射无机械泵吸收式制冷循环为例对本发明的制冷系统的工作过程进行说明。

驱动热源温度约为115℃左右，将发生器内工质对溶液加热至105℃，产生温度为90℃左右，压力为1783kPa的高温高压制冷剂蒸气，一路制冷剂蒸气进入冷凝器冷凝成温度为45℃，压力为1783kPa的制冷剂液体，该制冷剂液体经节流阀节流降压后获得温度为5℃，压力为515kPa的制冷剂湿蒸气并进入蒸发器中蒸发吸热获得温度为13℃，压力为681kPa的低温低压制冷剂蒸气；发生器出口的温度为105℃，压力为1783kPa的浓溶液经溶液热交换器降温后进入液-气喷射器作为动力流体引射来自蒸发器出口的温度为13℃，压力为681kPa的低温低压制冷剂蒸气，并与制冷剂蒸气混合后进入吸收器完成吸收过程，在吸收器出口获得温度为45℃，压力为515kPa的工质对稀溶液；发生器出口另一路高温高压制冷剂蒸气进入增压喷射器作为动力蒸气引射吸收器出口工质对稀溶液，混合后在增压喷射器出口获得压力稍高于1783kPa的混合溶液，该混合溶液克服管路和溶液热交换器的流动阻力后进入发生器，后被热源重新加热发生，完成循环。

本发明的制冷系统相对于常规吸收式制冷系统，由于采用增压喷射器，并在吸收器入口设置液-气喷射器，提高吸收压力，强化吸收的同时可以减小增压喷射器耗气量。采用了增压喷射器后，动力蒸气引射吸收器出口稀溶液升压克服流动阻力后回到发生器，使得吸收式制冷循环完全摒弃机械式溶液泵，从而实现纯热驱动，通过增压喷射器与吸收器入口的液-气喷射器配合，可以最大限度的提高循环总体能效。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于增压喷射的无机械泵吸收式制冷循环系统，其特征在于，包括发生器(1)、溶液热交换器(2)、增压喷射器(3)、液-气喷射器(4)、吸收器(5)、蒸发器(6)、节流阀(7)和冷凝器(8)，其中，工质对溶液中的制冷剂在发生器(1)中被外界的低品位热能加热至沸腾状态以产生制冷剂蒸气，产生的制冷剂蒸气分为两路，其中一路进入冷凝器(8)中被冷凝成制冷剂液体，制冷剂液体经节流阀(7)节流降压后进入蒸发器(6)变为制冷剂蒸气，该制冷剂蒸气被液-气喷射器(4)吸入后进入吸收器(5)中；发生器(1)中产生制冷剂蒸气后剩余的工质对溶液经溶液热交换器(2)换热后送入液-气喷射器(4)中，以作为动力流体引射来自蒸发器(6)的制冷剂蒸气，并与制冷剂蒸气一起进入吸收器(5)中以混合均匀获得工质对稀溶液，该工质对稀溶液送入增压喷射器(3)中；发生器产生的另一路制冷剂蒸气进入增压喷射器(3)，以作为动力蒸气引射来自吸收器(5)的工质对稀溶液，并与工质对稀溶液混合以在增压喷射器(3)出口获得混合液体，该混合液体克服流动阻力进入溶液热交换器(2)吸热，并回到发生器(1)以完成循环；所述基于增压喷射的无机械泵吸收式制冷循环系统利用增压喷射器采用蒸气喷射的方式实现溶液循环，同时在吸收器入口设置液-气喷射器提高吸收压力，强化吸收的同时降低增压喷射器的耗气量。

2.如权利要求1所述的基于增压喷射的无机械泵吸收式制冷循环系统，其特征在于，蒸发器(6)出口的制冷剂蒸气的温度及压力低于发生器(1)出口的制冷剂蒸气的温度及压力。

3.如权利要求1所述的基于增压喷射的无机械泵吸收式制冷循环系统，其特征在于，增压喷射器(3)用于引射吸收器出口的工质对稀溶液，并对混合液体进行增压喷射，增压大小由克服溶液交换器和连接管道的流动阻力确定。

4.如权利要求1所述的基于增压喷射的无机械泵吸收式制冷循环系统，其特征在于，工质对溶液为氨-水、水-溴化锂、氨-硫氰酸钠、氨-硝酸锂或其他通用吸收工质对。

5.一种基于增压喷射的无机械泵吸收式制冷循环方法，其特征在于，采用如权利要求1-4任一项所述的基于增压喷射的无机械泵吸收式制冷循环系统实现，发生器内工质对溶液被低品位热能加热至沸腾状态产生制冷剂蒸气，产生的制冷剂蒸气分为两路，其中一路冷凝成制冷剂液体，节流降压后经蒸发吸热后转变制冷剂蒸气，发生器内工质对溶液产生制冷剂蒸气后剩余的溶液经溶液热交换器换热后作为动力流体引射制冷剂蒸气，并与制冷剂蒸气混合后进入吸收器，在吸收器内混合均匀形成工质对稀溶液；另一路制冷剂蒸气作为动力蒸气引射工质对稀溶液，并与工质对稀溶液混合形成混合液体，该混合液体克服流动阻力后进入发生器，以此完成循环。

6.如权利要求5所述的基于增压喷射的无机械泵吸收式制冷循环方法，其特征在于，发生器由热源直接或间接驱动，进而产生制冷剂蒸气，该制冷剂蒸气作为增压喷射器的动力蒸气。

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