CN109631415A - 一种蒸气压缩与化学吸附复叠循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蒸气压缩与化学吸附复叠循环系统，包括第一反应器(1)、第二反应器(2)、蒸发器(3)、冷凝器(4)、蒸气压缩循环(5)和中温水环(6)，所述的第一反应器(1)和第二反应器(2)中均装填有吸附剂，所述的第一反应器(1)和第二反应器(2)中分别设有第一换热管(11)和第二换热管(21)，第一换热管(11)和第二换热管(21)均连接于中温水环(6)中，通过中温水环(6)中的热量可交替实现制冷剂在第一反应器(1)或第二反应器(2)中的吸附，吸附过程产生的热量用于加热高温流体。与现有技术相比，本发明具本发明结合了蒸气压缩循环和化学吸附循环的优点，解决了压缩机排气温度过高的问题。

Description

一种蒸气压缩与化学吸附复叠循环系统

技术领域

本发明涉及一种热泵技术，尤其是涉及一种蒸气压缩与化学吸附复叠循环系统。

背景技术

热泵技术对于工业应用、农业应用以及家庭供热都有重要意义。所谓热泵技术，就是通过消耗一定的高品位能源，如电能、机械能等，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。目前，最成熟且常见的热泵技术是蒸气压缩式热泵。图1是简单蒸气压缩循环示意图。蒸气压缩式热泵运行时，低温低压的液态制冷剂在蒸发器内吸热蒸发为气态，再经由压缩机压缩升温升压，高温高压的蒸气在冷凝器中放热冷凝，冷凝后的液体经由膨胀阀膨胀降压后回到蒸发器。蒸气压缩式热泵在中低温供热领域内性能较好，应用广泛。

但对于供热温度高于90℃的情况，蒸气压缩式热泵循环将受到压缩机和制冷剂等因素的限制。过高的冷凝温度导致压缩机排气压力升高，压比增大，从而使压缩机的排气温度大幅度增加，可能导致润滑油变质，有烧毁电机的风险。同时，压缩机自身的效率也会随着压比增大而下降，导致热泵系统的制热量和制热能效比急剧下滑。如天津大学刘昭云研究发现，制约压缩机高温化的主要原因就是压缩机润滑油的热稳定性和压缩机排气温度限制，并提出通过双级压缩可以降低压缩机排气温度并且改善系统性能。[刘昭云.蒸气压缩式中高温热泵系统性能优化研究[D].天津大学,2013.]。对于高温制热，尽管采用双级压缩降低了各级压缩机的压比，高冷凝压力造成的高排气温度依旧限制蒸气压缩热泵循环的应用。

对于制取90℃以上的热水或蒸汽，目前较成熟的技术是第二类吸收式热泵，利用中高温热源(80℃废热水)驱动，在采用冷却水的条件下，可获得比废热源温度高40℃高温热媒(高温热水或蒸汽)，但是系统能效比低，一般仅为0.4-0.5。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种蒸气压缩与化学吸附复叠循环系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种蒸气压缩与化学吸附复叠循环系统，包括第一反应器、第二反应器、蒸发器、冷凝器、蒸气压缩循环和中温水环，所述的蒸发器包括蒸发器第一换热通道和蒸发器第二换热通道，所述的蒸发器第一换热通道流通有低温流体，所述的冷凝器包括冷凝器第一换热通道和冷凝器第二换热通道，所述的蒸发器第二换热通道和冷凝器第一换热通道均连接于蒸气压缩循环中，所述的冷凝器第二换热通道连接于中温水环中，所述的第一反应器和第二反应器间并联设有第一制冷剂流路和第二制冷剂流路，所述的第一制冷剂流路和第二制冷剂流路间设有连通于两者中部的第三制冷剂流路，所述的第一反应器和第二反应器中均装填有吸附剂，所述的第一反应器和第二反应器中分别设有第一换热管和第二换热管，第一换热管和第二换热管均连接于中温水环中，所述的中温水环中还连接有高温流体入口和高温流体出口，通过中温水环中的热量可交替实现制冷剂在第一反应器或第二反应器中的吸附，吸附过程产生的热量用于加热高温流体。两个反应器完全相同，可以通过四通水阀和制冷剂阀切换工作状态。

进一步地，所述的中温水环中设有第一四通阀和第二四通阀，所述的冷凝器第二换热通道的出口端连接于第二四通阀的第一接口上，所述的第二换热管的入口端连接于第二四通阀的第二接口上，所述的高温流体入口连接于第二四通阀的第三接口上，所述的第一换热管的入口端连接于第二四通阀的第四接口上，所述的高温流体出口连接于第一四通阀的第一接口上，所述的第二换热管的出口端连接于第一四通阀的第二接口上，所述的第二换热管的出口端连接于第一四通阀的第三接口上，所述的第一换热管的出口端连接于第一四通阀的第四接口上。

进一步地，所述的中温水环中还设有缓冲水罐，所述的缓冲水罐一端与冷凝器第二换热通道的出口端连接，另一端与第二四通阀的第一接口连接。

进一步地，所述的第一制冷剂流路中设有第一制冷剂阀和第二制冷剂阀，管路贯穿第一制冷剂阀并与第一反应器内部的吸附剂相通，管路贯穿第二制冷剂阀并与第二反应器内部的吸附剂相通。

进一步地，所述的第二制冷剂流路中设有第三制冷剂阀和第四制冷剂阀，管路贯穿第三制冷剂阀并与第一反应器内部的吸附剂相通，管路贯穿第四制冷剂阀并与第二反应器内部的吸附剂相通。

进一步地，所述的第三制冷剂流路中设有冷却器和第二压缩机，所述的冷却器的入口端连接于第一制冷剂阀与第二制冷剂阀之间，出口端与第二压缩机的入口端连接，所述的第二压缩机的出口端连接于第一制冷剂阀与第二制冷剂阀之间。

进一步地，所述的蒸气压缩循环中设有膨胀阀和第一压缩机，所述的第一压缩机的入口端与蒸发器第二换热通道的出口端连接，所述的第一压缩机的出口端与冷凝器第一换热通道的入口端连接，所述的膨胀阀的入口端与冷凝器第一换热通道的出口端连接，所述的膨胀阀的出口端与蒸发器第二换热通道的入口端连接。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明将蒸气压缩循环和化学吸附有机结合，通过蒸气压缩循环制取中温水，再利用化学吸附制取高温水。低温级采用蒸气压缩循环，具有高效率、低成本等优势；高温级采用化学吸附循环，利用了氨气与固体吸附剂反应放热的特点，利用吸附热替代冷凝热，降低了制冷剂的放热压力，结合压缩机进气前冷却，有效地解决了压缩机排气温度过高的问题。

2.采用两个反应器交替进行吸附和解吸过程，一定程度上解决了化学吸附循环不能连续工作的问题。

3.通过中温水环将两个循环复叠起来，使得系统能实现非常大的温度提升，采用缓冲水罐，能够更好地保证两个循环间协同工作。

附图说明

图1为现有技术中蒸气压缩循环接的结构示意图；

图2为本发明中蒸气压缩与化学吸附复叠循环系统的结构示意图。

图中：1、第一反应器，2、第二反应器，3、蒸发器，4、冷凝器，5、蒸气压缩循环，6、中温水环，7、第一制冷剂流路，8、第二制冷剂流路，9、第三制冷剂流路，11、第一换热管，21、第二换热管，31、蒸发器第一换热通道，32、蒸发器第二换热通道，41、冷凝器第一换热通道，42、冷凝器第二换热通道，51、膨胀阀，52、第一压缩机，61、第一四通阀，62、第二四通阀，63、缓冲水罐，63、缓冲水罐，71、第一制冷剂阀，72、第二制冷剂阀，81、第一制冷剂阀，82、第二制冷剂阀，91、冷却器，92、第二压缩机。

具体实施方式

以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例

蒸气压缩与化学吸附复叠循环系统，包括第一反应器1、第二反应器2、蒸发器3、冷凝器4、蒸气压缩循环5和中温水环6，参见图2。

蒸发器3与冷凝器4部分：包括蒸发器第一换热通道31和蒸发器第二换热通道32，所述的蒸发器第一换热通道31流通有低温流体，所述的冷凝器4包括冷凝器第一换热通道41和冷凝器第二换热通道42，所述的蒸发器第二换热通道32和冷凝器第一换热通道41均连接于蒸气压缩循环5中，所述的冷凝器第二换热通道42连接于中温水环6中，所述的第一反应器1和第二反应器2间并联设有第一制冷剂流路7和第二制冷剂流路8，所述的第一制冷剂流路7和第二制冷剂流路8间设有连通于两者中部的第三制冷剂流路9，

反应器部分：所述的第一反应器1和第二反应器2中均装填有吸附剂，所述的第一反应器1和第二反应器2中分别设有第一换热管11和第二换热管21，第一换热管11和第二换热管21均连接于中温水环6中，所述的中温水环6中还连接有高温流体入口和高温流体出口，通过中温水环6中的热量可交替实现制冷剂在第一反应器1或第二反应器2中的吸附，吸附过程产生的热量用于加热高温流体。

中温水环部分：其中设有第一四通阀61和第二四通阀62，所述的冷凝器第二换热通道42的出口端连接于第二四通阀62的第一接口上，所述的第二换热管21的入口端连接于第二四通阀62的第二接口上，所述的高温流体入口连接于第二四通阀62的第三接口上，所述的第一换热管11的入口端连接于第二四通阀62的第四接口上，所述的高温流体出口连接于第一四通阀61的第一接口上，所述的第二换热管21的出口端连接于第一四通阀61的第二接口上，所述的第二换热管21的出口端连接于第一四通阀61的第三接口上，所述的第一换热管11的出口端连接于第一四通阀61的第四接口上。所述的中温水环6中还设有缓冲水罐63，所述的缓冲水罐63一端与冷凝器第二换热通道42的出口端连接，另一端与第二四通阀62的第一接口连接。

制冷剂流路部分：第一制冷剂流路7中设有第一制冷剂阀71和第二制冷剂阀72，管路贯穿第一制冷剂阀71并与第一反应器1内部的吸附剂相通，管路贯穿第二制冷剂阀72并与第二反应器2内部的吸附剂相通。所述的第二制冷剂流路8中设有第三制冷剂阀81和第四制冷剂阀82，管路贯穿第三制冷剂阀81并与第一反应器1内部的吸附剂相通，管路贯穿第四制冷剂阀82并与第二反应器2内部的吸附剂相通。所述的第三制冷剂流路9中设有冷却器91和第二压缩机92，所述的冷却器91的入口端连接于第一制冷剂阀81与第二制冷剂阀82之间，出口端与第二压缩机92的入口端连接，所述的第二压缩机92的出口端连接于第一制冷剂阀71与第二制冷剂阀72之间。

蒸汽压缩循环部分：蒸气压缩循环5中设有膨胀阀51和第一压缩机52，所述的第一压缩机52的入口端与蒸发器第二换热通道32的出口端连接，所述的第一压缩机52的出口端与冷凝器第一换热通道41的入口端连接，所述的膨胀阀51的入口端与冷凝器第一换热通道41的出口端连接，所述的膨胀阀51的出口端与蒸发器第二换热通道32的入口端连接。

在运行之前，蒸气压缩循环回路5中充注有制冷剂—R134a，缓冲水罐63中充注有载冷剂—水，两个反应器内装填固化吸附剂，且充注有制冷剂—氨。

蒸气压缩循环运行时，蒸发器第二换热通道32与蒸发器第一换热通道31中的低温流体换热，蒸发出低温低压的R134a气体，经过第一压缩机52压缩后成为高温高压的R134a气体，之后在冷凝器第一换热通道41中放热冷凝，冷凝后生成R134a液体并通过膨胀阀51降压降温回到蒸发器第二换热通道32中，蒸气压缩循环完成。

蒸气压缩循环和化学吸附循环通过中温水环6实现复叠。化学吸附循环主要由第一反应器1和第二反应器2构成第一反应器1和第二反应器2交替地工作在吸附和解吸两个过程。当第一反应器1进行吸附过程时，此时氨气被吸附于第二反应器2中，通过第一四通阀61和第二四通阀62的调整使得第一换热管11中通入高温水，向第二换热管21中通入中温水，打开第四制冷剂阀82和第一制冷剂阀71，关闭第三制冷剂阀81和第二制冷剂阀72，使得位于第二反应器2中的氨气脱附，并流向第一反应器1中，进行吸附过程，吸附过程产生的热量用于加热高温流体。

当第二反应器2进行吸附过程时，此时氨气被吸附于第一反应器中，通过第一四通阀61和第二四通阀62的调整使得第二换热管21中通入高温水，向第一换热管11中通入中温水，打开第三制冷剂阀81和第二制冷剂阀72，关闭第四制冷剂阀82和第一制冷剂阀71，使得位于第一反应器1中的氨气脱附，并流向第二反应器2中，进行吸附过程，吸附过程产生的热量用于加热高温流体。之后通过切换四通水阀和制冷剂阀，可以改变两个反应器的工作状态，使每个反应器都交替进行吸附和解吸过程，实现连续制热，化学吸附循环完成。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种蒸气压缩与化学吸附复叠循环系统，其特征在于，包括第一反应器(1)、第二反应器(2)、蒸发器(3)、冷凝器(4)、蒸气压缩循环(5)和中温水环(6)，所述的蒸发器(3)包括蒸发器第一换热通道(31)和蒸发器第二换热通道(32)，所述的蒸发器第一换热通道(31)流通有低温流体，所述的冷凝器(4)包括冷凝器第一换热通道(41)和冷凝器第二换热通道(42)，所述的蒸发器第二换热通道(32)和冷凝器第一换热通道(41)均连接于蒸气压缩循环(5)中，所述的冷凝器第二换热通道(42)连接于中温水环(6)中，所述的第一反应器(1)和第二反应器(2)间并联设有第一制冷剂流路(7)和第二制冷剂流路(8)，所述的第一制冷剂流路(7)和第二制冷剂流路(8)间设有连通于两者中部的第三制冷剂流路(9)，所述的第一反应器(1)和第二反应器(2)中均装填有吸附剂，所述的第一反应器(1)和第二反应器(2)中分别设有第一换热管(11)和第二换热管(21)，第一换热管(11)和第二换热管(21)均连接于中温水环(6)中，所述的中温水环(6)中还连接有高温流体入口和高温流体出口，通过中温水环(6)中的热量可交替实现制冷剂在第一反应器(1)或第二反应器(2)中的吸附，吸附过程产生的热量用于加热高温流体。

2.根据权利要求1所述的一种蒸气压缩与化学吸附复叠循环系统，其特征在于，所述的中温水环(6)中设有第一四通阀(61)和第二四通阀(62)，所述的冷凝器第二换热通道(42)的出口端连接于第二四通阀(62)的第一接口上，所述的第二换热管(21)的入口端连接于第二四通阀(62)的第二接口上，所述的高温流体入口连接于第二四通阀(62)的第三接口上，所述的第一换热管(11)的入口端连接于第二四通阀(62)的第四接口上，所述的高温流体出口连接于第一四通阀(61)的第一接口上，所述的第二换热管(21)的出口端连接于第一四通阀(61)的第二接口上，所述的第二换热管(21)的出口端连接于第一四通阀(61)的第三接口上，所述的第一换热管(11)的出口端连接于第一四通阀(61)的第四接口上。

3.根据权利要求2所述的一种蒸气压缩与化学吸附复叠循环系统，其特征在于，所述的中温水环(6)中还设有缓冲水罐(63)，所述的缓冲水罐(63)一端与冷凝器第二换热通道(42)的出口端连接，另一端与第二四通阀(62)的第一接口连接。

4.根据权利要求1所述的一种蒸气压缩与化学吸附复叠循环系统，其特征在于，所述的第一制冷剂流路(7)中设有第一制冷剂阀(71)和第二制冷剂阀(72)，管路贯穿第一制冷剂阀(71)并与第一反应器(1)内部的吸附剂相通，管路贯穿第二制冷剂阀(72)并与第二反应器(2)内部的吸附剂相通。

5.根据权利要求4所述的一种蒸气压缩与化学吸附复叠循环系统，其特征在于，所述的第二制冷剂流路(8)中设有第三制冷剂阀(81)和第四制冷剂阀(82)，管路贯穿第三制冷剂阀(81)并与第一反应器(1)内部的吸附剂相通，管路贯穿第四制冷剂阀(82)并与第二反应器(2)内部的吸附剂相通。

6.根据权利要求5所述的一种蒸气压缩与化学吸附复叠循环系统，其特征在于，所述的第三制冷剂流路(9)中设有冷却器(91)和第二压缩机(92)，所述的冷却器(91)的入口端连接于第一制冷剂阀(81)与第二制冷剂阀(82)之间，出口端与第二压缩机(92)的入口端连接，所述的第二压缩机(92)的出口端连接于第一制冷剂阀(71)与第二制冷剂阀(72)之间。

7.根据权利要求1所述的一种蒸气压缩与化学吸附复叠循环系统，其特征在于，所述的蒸气压缩循环(5)中设有膨胀阀(51)和第一压缩机(52)，所述的第一压缩机(52)的入口端与蒸发器第二换热通道(32)的出口端连接，所述的第一压缩机(52)的出口端与冷凝器第一换热通道(41)的入口端连接，所述的膨胀阀(51)的入口端与冷凝器第一换热通道(41)的出口端连接，所述的膨胀阀(51)的出口端与蒸发器第二换热通道(32)的入口端连接。