CN1095813A - 压缩-吸收复合循环制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压缩-吸收复合循环制冷系 统，系统内使用一种或一种以上的吸收剂和一种或一 种以上的制冷剂作循环工质，以机械能和热能作为制 冷的动力，可在不改变设备的情况下，实现单纯的压 缩循环或单纯的吸收循环的操作转换。解决了现有 技术中使用能源单一、综合能量效率低及经济性差等 问题。本发明适合于使用制冷技术的各工业领域和 民用，尤其适合于具有低温余热和其它能方便地转换 为热能的低位能利用的场合。

Description

本发明涉及一种制冷系统，尤其是压缩-吸收复合循环制冷系统。

在现有技术中，已有一些制冷系统。一种是蒸汽压缩循环制冷系统，该系统中使用一种制冷剂为循环工质，它在较高压力时能在较高温度下液化，在较低压力时又可在较低温度下汽化，该系统通常由制冷剂的节流、蒸发、压缩及冷凝等几个主要步骤组成，该制冷系统所消耗的能量基本上是压缩步骤的压缩功即机械能，具有如下缺点：（1）、需全部消耗高位能即机械能，而不能使用热能，特别是不能使用低温余热或其它能方便地转换为热能的低位能源;（2）、对于制取较低温度冷源的系统，单位制冷量所耗功较大，制冷系数低;（3）、由于上述缺点，导致其在某些情况下应用时的综合能量效率与经济性均较差。另外一种是吸收循环制冷系统，在该系统中使用两种或两种以上互溶物为循环工质（“工质对”），其中一种为制冷剂，以获取冷量，另一种为吸收剂，用以吸收溶解制冷剂蒸汽，本制冷系统通常由制冷剂的节流、蒸发，吸收剂的吸收、溶液蒸馏及制冷剂的冷凝等几个主要步骤组成，该系统所消耗的能量主要是溶液蒸馏步骤所需的热量，该系统具有如下缺点：（1）、它虽然能直接使用热量，但单纯的吸收制冷循环通常热效率较低;（2）、当所需制取的冷源温度较低时，则溶液蒸馏步骤的温度要求较高，这仍将使低温余热的利用带来困难;因此，在某些情况下，其综合能量效率和经济性也较低。还有一种复迭式压缩循环制冷系统，使用两种不同的制冷剂分别各自组成压缩循环回路，其中一种制冷剂的蒸发温度应比另一种低，本系统由两种制冷剂分别经过与前述压缩循环相同步骤，所不同的是：在低蒸发温度制冷剂的蒸发步骤获得冷源，而高蒸发温度制冷剂的蒸发步骤为低蒸发温度制冷剂的冷凝步骤提供冷源，它可以制取较低温度的冷源而获得较高的制冷效率，该系统的缺点是仍要消耗机械能，不能利用低温余热，故在某些情况下其经济性仍较差。

本发明的目的在于设计一种制冷系统，它即能利用各种低温余热或其它能方便地转换为热能的低位能，又能获得充分低温的冷源，以提高综合能量效率及操作灵活性。

本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：即系统采用吸收剂封闭循环回路和制冷剂封闭循环回路的复合而构成，系统中除使用二种循环回路的必要设备外，使用一种或几种吸收剂和一种或几种制冷剂作循环工质，各循环工质可以彼此互相溶解。

本发明较好的技术方案（方案1）可以由以下几个步骤组成：（1）、温度为常温或低于常温，压力为对应温度的饱和压力的液态制冷剂节流而减压至所需冷源温度所对应的压力，其中一部分液体汽化而使制冷剂降低到相应的饱和温度;（2）、节流减压后的制冷剂吸收需冷物质的热量而蒸发，由此获得低温与冷源;（3）、由蒸发产生的制冷剂气体应压缩而提压，温度也相应提高，必要时要进行冷却;（4）、压缩后的气体从（8）返回（图1），又经（6）换热而降温的贫含制冷剂的吸收剂溶液吸收，同时使用相当环境温度或可利用的低于环境温度的介质如水、空气或其它可得到的物质冷却溶液，排除吸收步骤产生的大量热，以维持吸收步骤在尽可能低的温度下进行;（5）、吸收制冷剂气体后的富含制冷剂溶液，通过泵或其它输液机械提压以使之能送入（8）;（6）、提压后的溶液与自（8）返回的热贫溶液进行热交换，温度升到接近热溶液的进口温度;（7）、换热后的溶液用某种可利用的热源加热，使部分制冷剂（也可能有部分吸收剂）汽化，温度达到把溶液蒸馏到必要浓度的数值，压力达后述（9）步骤所必需的值;（8）、加热后的溶液与蒸汽混合物进行蒸馏或精馏，把气相中的吸收剂最大限度地分离开进入液相，必要时需从（9）述步骤中回流一定液体制冷剂使精馏达到要求，蒸馏后的贫溶液返回（6）和（4）作为吸收剂;（9）、蒸馏后的纯制冷剂气体在与（8）步骤相同的压力和接近环境温度或可达到的低于环境的温度下冷凝为液体，采用环境温度或可利用的低于环境温度的介质如冷却水、空气等进行冷却以排出制冷剂冷凝热。上述（7）步骤可分步进行，而（8）、（9）步骤又可合并进行。对于所采用的“工质对”中吸收剂蒸汽压极低的情况，只需加热从溶液中蒸发出制冷剂，无需再经蒸馏步骤。

本发明较好的技术方案（方案2）也可以是：它与方案1的步骤大体相似，但有以下几点不同：（1）、方案1中的（2）步骤制冷剂的蒸发为分成若干不同的压力等级进行，由此可获得不同温度的冷源;（2）、方案1中的（3）步骤制冷剂蒸汽的压缩可只对最低蒸发压力的一级进行，也可分别对各级进行;（3）、方案1中的（4）步骤制冷剂的吸收也可分成若干不同的压力等级进行，以最贫含制冷剂的吸收剂溶液为最低压力级的吸收剂，然后依次逐级进行。

本发明较好的技术方案（方案3）又可以是：它仍采用与方案1大体相似的步骤，但将制冷剂的吸收直接放在蒸发之后进行，并把压缩放在溶液蒸馏之后进行，此时溶液蒸馏压力可低于制冷剂的冷凝压力，然后经压缩再把它提到冷凝压力。

本发明较好的技术方案（方案4）还可以是：系统由一个单纯的压缩循环和一个单纯的吸收循环回路构成。两个回路的制冷剂可以不同，也可以相同，它在压缩循环的蒸发步骤中获得冷源，而吸收循环的蒸发过程为压缩循环的制冷剂冷凝提供冷源。本方案的压缩循环部分可由以下过程组成：（1）、液体制冷剂节流至蒸发压力和温度;（2）、节流后的制冷剂吸收被冷物质的热量而蒸发，获得所需的冷源;（3）、蒸汽压缩提压;（4）、压缩后的气体被吸收循环部分的制冷剂蒸发传热而冷凝。本方案的吸收循环部分又由以下几个过程组成：（1）、液体制冷剂节流至蒸发压力和温度;（2）、节流后的制冷剂吸收压缩循环制冷剂的冷凝热而蒸发;（3）、蒸发后的制冷剂用从后述（4）步骤返回的吸收剂溶液吸收，使用环境介质冷却排出产生的热;（4）、吸收制冷剂的富液使用可利用的热源加热蒸馏;（5）、蒸馏后的纯制冷剂气体被环境介质冷却而冷凝。

本发明根据前述的原则，还可以采用各种不同的技术方案。

本发明的制冷系统，可以依据需要，在不改变任何设备的情况下，任意实现单纯压缩循环或单纯吸收循环的操作转换。例如：方案1和2中，只要停止加热蒸馏而把压缩和冷凝过程直接相连，即可实现单纯压缩循环制冷操作;反之，若停止压缩过程，即可实现单纯吸收循环制冷操作。又如，方案3中，只要把蒸发及压缩过程直接相连，停止吸收、加热蒸馏过程，即可实现单纯压缩循环制冷操作;反之，若停止压缩过程，也可以实现单纯的吸收循环制冷操作。再如，方案4中，只要停止吸收制冷循环各步，改用环境介质作为压缩循环部分冷凝过程的冷却介质，即可实现单纯的压缩循环操作;反之，若停止压缩循环各步，以需冷介质作为吸收制冷循环制冷剂的蒸发热源，即可实现单纯的吸收制冷循环操作。

本发明的系统内所采用的循环工质，包括吸收剂和制冷剂，必须彼此能够互溶，其主要特征要求为：（1）、制冷剂应较易于实现气态和液态之间的互相转换，且其液化的温度应尽可能高，压力应尽可能低，而气化的压力应尽可能高，温度应尽可能低;（2）、吸收剂对制冷剂的溶解度应尽可能大;（3）、制冷剂与吸收剂的混合溶液的蒸发温度应尽可能低，蒸汽压尽可能高，并且两者的沸点差即相对挥发度应尽可能大，以便于蒸馏分离。能满足以上主要特征要求的工质对是很多的，其中典型的列于表1。

本发明的方案1和方案2中，制冷剂蒸汽在溶液吸收时的压力应高于其前面的蒸发压力，它是通过压缩机，按照适当的压缩比，进行压缩来升高其压力的。

本发明的方案3中，制冷剂蒸汽冷凝时的压力应高于其前面的

表1 典型的工质对举例

吸收剂	制冷剂
		水（H20)	氨(NH3),甲胺（CH3NH2)
硫代氰酸氨（NH4CS)	氨(NH3)
		氰硫酸钠（NaSCN)	氨(NH3)
硝酸锂氨(LiNO3 (NH3)X)	氨(NH3)
		氢氧化钾(KOH),氢氧化钠（NaOH)	水(H2O)
溴化锂(LiBr)	水(H2O)
		硫酸(H2SO4)	水(H2O)
四氯乙烷(C2H2CL4)	氯乙烷(C2H5CL)
		石蜡族滑油	甲苯(C6H5CH3),戊烷（C5H12)
乙二醇C2H4(OH)2	甲胺(CH3NH2)
		二甲基四乙醚CH3 (OCH2CH2)4OCH3	二氯－氟甲烷（CHFCL2)
二甲基四乙醚CH3 (OCH2CH2)4OCH3	二氯二氟甲烷(CF2CL2)
		二甲基四乙醚CH3 (OCH2CH2)4OCH3	三氯一氟甲烷(CF3Br)

蒸馏压力，它是通过压缩机，按照一定的压缩比，进行压缩来升高其压力的。

显然，本发明的方案1-4中，工质在其系统中的循环，其压力的增加是分别由机械能（压缩功）和热能（蒸馏热）共同实现的。

与现有技术相比，本发明具有以下突出的优点：

1、制取的冷源温度低，由于采用了复合热力循环，可使制冷剂的蒸发温度更低，与单纯的吸收制冷或压缩制冷相比，在其它条件相同的情况下，制冷温度通常可低几十度。

2、对使用能源的适应性和操作的灵活性增加，本发明可以设计为同时使用热能和机械能操作，也可以切换为上述两种能源的一种操作或任意调整两种能源的分配比例。

3、可利用更低温度的余热资源，具有优化资源利用，节约能源的显著效果，由于采用了复合热力循环，所以在制冷温度相同的条件下与单纯吸收制冷剂相比，其使用的热源温度可以降一倍以上。

4、具有更高的能量效率（即能效比或制冷系数）和经济性，由于可以利用低温余热大大节省了机械能，因而提高了系统的能量利用效率。在一般情况下，与单纯的压缩制冷比较，能量效率可提高50-100%;相应地，也具有较高的经济性。

图1，2，3，4分别是方案1，2，3，4的系统构成示意图，图中d为节流器，v是蒸发器，p为压缩机，a为吸收器，j为泵，x为换热器，h为加热器，s为蒸馏器，c为冷凝器，cv为冷凝蒸发器。

以下结合具体的实施方式对本发明作进一步详细的描述：

例1：

参见图1，系统内用氨作制冷剂，水作吸收剂。饱和氨液先经管线1进入（d）减压降温后，经管线2送至（v）在此吸热汽化，汽化后的氨经管线3进（p）提压后，经管线4进入（a），用从（s）返回的含少量氨的水溶液吸收，出（a）的富含氨水溶液经管线5进入（j）提压后，自管线6进入（x），与（s）返回的热贫水溶液换热，温度升高后的富含氨水溶液再经管线8进入（h），用加热热源蒸发溶液，部分蒸发后的溶液气液混合物经管线9进入（s）蒸馏，蒸馏后的贫含氨溶液经管线10返回（x），经管线7进入（a），（s）出口纯氨气体经管线11进入（c），用环境介质冷却而冷凝为液体，一部分经管线12返回（s）的顶部作为回流液，另一部分再进入（d）循环利用。如需要切换为单纯压缩循环操作时，可把（p）出口气直接经管线13进入（c），如需切换单纯吸收循环操作时，则经管线14走（p）旁路。

本例的工艺参数如下：

1、节流：

前压力（Mpa）：1.55  前温度（℃）：40

后压力（Mpa）：0.103  后温度（℃）：-33

（压力参数均为绝对压力，以下同）

2、蒸发：

压力（Mpa）：0.103  温度（℃）：-33

3、压缩比：3.2

4、吸收：

压力（Mpa）：0.33  温度（℃）：35

5、蒸馏

压力（Mpa）：1.55  温度（℃）：110

6、冷凝：

压力（Mpa）：1.55  温度（℃）：40

其中吸收压力（0.33Mpa）高于蒸发压力（0.103Mpa），其压力升高是由压缩机压缩（压缩比3.2）来实现的。

例2：

参见图2，系统内用二氯一氟甲烷作制冷剂，用二甲基四乙醚做吸收剂。液态制冷剂经管线1进（d）减压降温，然后分别经管线2，3，4进入（v1）、（v2）、（v3），（v1）出来的气体经管线5进入（p），与（v2）经管线6送来的气体混合后，经管线8进入（a1），（v3）出来的气体经管线7进入（a2），（a1）的吸收液来自（s）的贫液，（a2）的吸收液来自经管线9的半贫液，出（a2）的溶液经管线10进（j）提压后，经管线11进入（x），与自（s）返回的贫液换热，出来的溶液经管线13进入（h），使用热源蒸发部分溶液，汽液混合物经管线14进入（s），出（s）的贫液经管线15返回（x），经管线12返回（a1），出（s）的纯制冷剂气体经管线16进入（c），用环境介质冷却冷凝为液体，根据需要可将一部分液体经管线18返回（s）顶部作回流液，其余部分进入（d）循环使用。如需切换为单纯的压缩循环操作，则经管线17直接连接（p）出口与（c）入口即可;如需切换为单纯吸收循环操作，则可经管线19走（p）旁路即可。

本例的工艺参数如下：

1、节流：

前压力（Mpa）：0.3  前温度（℃）：40

1后压力（Mpa）：0.05  1后温度（℃）：-9

2后压力（Mpa）：0.09  2后温度（℃）：5

3后压力（Mpa）：0.42  3后温度（℃）：10

2、蒸发：

1压力（Mpa）：0.05  1温度（℃）：-9

2压力（Mpa）：0.09  2温度（℃）：5

3压力（Mpa）：0.11  3温度（℃）：10

3、压缩比：1.8

4、吸收：

1压力（Mpa）：0.09  1温度（℃）：38

2压力（Mpa）：0.11  2温度（℃）：40

5、蒸馏

压力（Mpa）：0.3  温度（℃）：180

6、冷凝：

压力（Mpa）：0.3  温度（℃）：40

本例中，制冷剂蒸汽在溶液各步吸收时的压力均高于其前的蒸发压力，压力提高是通过压缩机压缩（压缩比1.8）来实现的。

例3：

参见图3，系统内用氨作制冷剂，用硫代氰酸氨作吸收剂。液氨制冷剂经管线1进入（d）降温减压，再经管线2进入（v），自（v）出的蒸汽经管线3进入（a），用（s）返回的贫液吸收，吸收后的富液经管线4进入（j）提压后自管线5进入（x），与（s）返回的热贫液换热后经管线6进入（h），加热蒸发部分溶液，汽液混合物经管线8进入（s），出（s）的贫液经管线9和7返回（a），出（s）的纯制冷剂气体再经管线10进入（p），提压后自管线12进入（c），使用环境介质冷却冷凝为液体，必要时将一部分液体液体经管线13返回（s）顶部作回流液，其余部分进入（d）循环使用。如需切换为单纯的压缩循环操作时，可经管线11把（v）与（p）直接相连，如需切换为单纯的吸收循环操作时，可经管线14走（p）旁路。

本例的工艺参数如下：

1、节流：

前压力（Mpa）：1.55  前温度（℃）：40

后压力（Mpa）：0.098  后温度（℃）：-34

2、蒸发：

压力（Mpa）：0.098  温度（℃）：-34

3、压缩比：3.44

4、吸收：

压力（Mpa）：0.098  温度（℃）：30

5、蒸馏

压力（Mpa）：0.45  温度（℃）：80

6、冷凝：

压力（Mpa）：1.55  温度（℃）：40

本例中制冷剂冷凝时压力（1.55MPa）高于其前的蒸馏压力（0.45MPa），压力升高是由压缩机压缩（压缩比3.44）来实现的。

例4：

参见图4，系统内用三氟一溴甲烷作压缩循环部分的制冷剂，用水作吸收循环部分的制冷剂，用溴化锂作吸收循环部分的吸收剂。三氟一溴甲烷经管线3进入（d）减温降压后，经管线4进入（v），蒸发后的气体经管线1进入（p）提压，然后经管线2进入（cv）的冷凝侧，被水蒸发产生的冷量冷凝为液体，水经管线9进入（d1），然后经管线10进入（cv）的蒸发侧蒸发，产生的水蒸汽经管线5进入（a），出（a）的溶液经管线6进入（s），出（s）的贫液经管线7返回（a），出（s）的纯制冷剂气体（水）经管线8进入（c），使用环境介质冷却冷凝为液体，然后经管线9进入（d1）循环使用。如需实现单纯的压缩循环操作，可停止吸收剂冷循环各步，改用环境介质作为压缩循环部分冷凝过程的冷却介质;如需实现单纯的吸收制冷循环操作，可停止压缩循环各步，以需冷介质作为吸收制冷循环制冷剂的蒸发热源即可。

本例的工艺参数如下：

一、压缩循环部分：

1、节流：

前压力（Mpa）：1.3  前温度（℃）：15

后压力（Mpa）：0.05  后温度（℃）：-72

2、蒸发：

压力（Mpa）：0.05  温度（℃）：-72

3、压缩比：26

4、冷凝：

压力（Mpa）：1.3  温度（℃）：15

二、吸收循环部分：

1、节流：

前压力（Mpa）：0.014  前温度（℃）：55

后压力（Mpa）：0.0012  后温度（℃）：10

2、蒸发：

压力（Mpa）：0.0012  温度（℃）：10

3、吸收：

压力（Mpa）：0.0012  温度（℃）：35

4、蒸馏

压力（Mpa）：0.014  温度（℃）：180

5、冷凝：

压力（Mpa）：0.014  温度（℃）：55

与前述三个例子相同，本例中工质在系统内的循环过程中，压力的增加是由机械能（压缩功）和热能（蒸馏热）共同完成的。

Claims (10)

1、一种制冷系统，具有制冷设备和循环工质，本发明的特征在于：系统由吸收剂封闭循环回路和制冷剂封闭循环回路的复合而构成，系统内使用一种或几种吸收剂和一种或几种制冷剂作循环工质，各循环工质易于互溶。

2、根据权利要求1所述的制冷系统，其特征在于：系统具有节流器（d）、蒸发器（v）、压缩机（p）、吸收器（a）、泵（j）、换热器（x）、加热器（h）、蒸馏器（s）和冷凝器（c），制冷剂经（d）减压降温后进入（v）吸热汽化，然后进入（p）加压后进入（a），被自（s）返回的贫含制冷剂溶液吸收而成富含制冷剂溶液，由（j）升压后进入（x）升温，再进入（h），其部分汽化液进入（s）蒸馏，蒸馏后的贫含制冷剂溶液返经（x）进入（a），纯制冷剂气体自（s）出口进入（c）被冷凝为液体，该液体一部分返回（s）顶部作回流液，其余部分再进入（d）循环使用。

3、根据权利要求1所述的制冷系统，其特征在于：系统具有节流器（d）、蒸发器（v1、v2、v3）、压缩机（p）、吸收器（a1、a2）、泵（j）、换热器（x）、加热器（h）、蒸馏器（s）和冷凝器（c），液态制冷剂经（d）减压降温后分别进入（v1）、（v2）、（v3）吸热汽化，（v1）出来的气体进入（p），并与（v2）出来的气体混合后经（a1）进入（a2），（v3）出来的气体直接进入（a2），（a2）的溶液进入（j）提压后进入（x），与（s）返回的贫液换热后再进入（h），其汽液混合物再进（s），出（s）的贫液返经（x）进入（a1），其纯制冷剂气体进入（c），被冷凝为液体，该液体一部分返回（s）顶端作回流液，其余部分再进入（d）循环使用。

4、根据权利要求1所述的制冷系统，其特征在于：系统具有节流器（d）、蒸发器（v）、吸收器（a）、泵（j）、换热器（x）、加热器（h）、蒸馏器（s）、压缩机（p）和冷凝器（c），液态制冷剂进入（d）减压后进入（v），其蒸汽进入（a），用（s）返回的贫液吸收，吸收后的富液经（j）提压后进入（x），再进入（h），其汽液混合物进入（s），出（s）的贫液返至（a），出（s）的纯制冷剂气体进入（p）提压，然后进入（c）被冷凝为液体，该液体一部分返回（s）顶端作回流液，其余部分再进入（d）循环使用。

5、根据权利要求1所述的制冷系统，其特征在于：系统具有节流器（d，d1）、蒸发器（v）、压缩机（p）、冷凝蒸发器（cv）、吸收器（a）、蒸馏器（s）和冷凝器（c），压缩循环部分的液态制冷剂进入（d）减温降压后进入（v），其气体进入（p）提压后进入（cv）的冷凝侧，被吸收循环部分的制冷剂蒸发产生的冷量冷凝为液体，吸收循环部分的液态制冷剂进入（d1），再进入（cv）的蒸发侧蒸发，蒸发后的气体进入（a）后再进入（s），出（s）的贫液返回（a），其纯制冷剂气体进入（c），使用环境介质冷却冷凝为液体，制冷剂循环使用。

6、根据权利要求1-5之一所述的制冷系统，其特征在于：系统在不改变设备情况下，能实现单纯的压缩循环或单纯的吸收循环的操作转换。

7、根据权利要求1-5之一所述的制冷系统，其特征在于循环工质的组合必须满足以下条件：

（1）用作制冷剂的物质必须易于实现气液两态的相互转换，和

（2）制冷剂和吸收剂的混合溶液必须易于实现蒸馏分离。

8、根据权利要求1-3之一所述的制冷系统，其特征在于：制冷剂蒸汽在溶液吸收时的压力高于其前的蒸发压力，且该压力升高是由压缩机压缩来实现的。

9、根据权利要求1或4所述的制冷系统，其特征在于：制冷剂蒸汽冷凝时的压力高于其前的蒸馏压力，且该压力升高是由压缩机压缩来实现的。

10、根据权利要求1-5之一所述的制冷系统，其特征在于：工质在系统内的循环过程中，压力的增加是由机械能（压缩功）和热能（蒸馏热）共同完成的。

Images