CN110926052B - 基于压差驱动的吸收式制冷系统及其循环方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于压差驱动的吸收式制冷系统及其循环方法，包括：发生器、分离器、冷凝器、储液罐、蒸发器和多个罐体；发生器和所有罐体内设置有循环工质，分离器布置于发生器内的气相部分；发生器的气相部分、冷凝器、储液罐和蒸发器通过管路依次连接，蒸发器的输出端通过管路分别与所有罐体的液相部分连接；发生器的气相部分通过管路与第二罐体的气相部分连接；罐体间按液相连接气相的方式顺次连接后，最后由第二罐体液相引出管路连接发生器。本发明可以保证系统能够连续输出冷量，可省去高压溶液泵，降低系统功耗，提高系统运行效率。

Description

基于压差驱动的吸收式制冷系统及其循环方法

技术领域

本发明涉及吸收技术和制冷技术领域，具体地，涉及一种基于压差驱动的吸收式制冷系统及其循环方法。

背景技术

近年来，随着能源危机的不断加剧，人们对新能源的开发以及既有能源的高效利用逐渐重视。在我国，能源快速消耗的过程中其利用效率较低，大部分能源以中高温热的形式被排放，如生物质、工业废热等，造成能源浪费。吸收技术是一种有效利用低品位热源实现制冷，发电的环保技术，因此始终受到该领域技术人员的广泛关注。吸收式制冷循环是一种利用非共沸混合工质对之间的吸收和释放作用，使工质产生状态变化，从而形成制冷循环。其中，非共沸工质对的变温蒸发特性可与发生器中的换热过程相匹配，从而降低该过程中的不可逆损失，提高循环效率。传统的吸收式制冷循环主要包括发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、溶液泵、节流阀等部件。其中溶液泵作为该循环中的主要耗能部件，在小型吸收制冷机组中其耗能比例之高尤为显著。因此，寻找降低溶液泵功耗，提高系统的制冷效率和

效率的技术方法尤为重要。

针对该问题，专利CN 110006189A提出了一种针对小型吸收式制冷机的无泵吸收装置。该装置主要由两个可以扣合的壳体，隔板和叶轮组成，可通过驱动叶轮旋转实现溶液在不同隔板分区间转移。该系统虽然省去了溶液泵，但其用于转移溶液的叶轮需由电机驱动，并需考虑叶轮承压问题，且转轴处的密封和防腐所需要求较高。

到目前为止，吸收式系统基本全部都采用溶液泵驱动，大部分研究集中在换热提升和制冷效率优化方面，尚未有人提出取消溶液泵的有效方案。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于压差驱动的吸收式制冷系统及其循环方法。

根据本发明提供的一种基于压差驱动的吸收式制冷系统，包括：发生器2、分离器3、冷凝器7、储液罐8、蒸发器9和多个罐体；

发生器2和所有罐体内设置有循环工质，分离器3布置于发生器2内的气相部分；

发生器2的气相部分、冷凝器7、储液罐8和蒸发器9通过管路依次连接，蒸发器9的输出端通过管路分别与所有罐体的液相相部分连接，并使管路延伸进液相中，且延伸段采用多孔管壁；

发生器2的气相部分通过管路与最下端罐体10的气相部分连接；

罐体间按液相连接气相的方式顺次连接后，最后由第二罐体10液相引出管路连接发生器2；

其中，在竖直方向上，冷凝器7的高度高于储液罐8的高度，储液罐8的高度高于蒸发器9的高度，蒸发器9的高度低于所有罐体的高度，所有罐体的高度高于发生器2的高度，所有罐体按由高至低的顺序排列。

优选地，发生器2内还设置有废热源流路1，位于发生器2内的液相部分。

优选地，最下端罐体10的液相部分连接发生器2的气相部分。

优选地，最上端罐体5的气相部分连接发生器2的液相部分。

优选地，所述循环工质包含多个组分，多个组分中至少有两个组分的沸点不等。

优选地，冷凝器7内设置有第一冷源流路6，每个罐体的液相部分分别设置有冷源流路。

优选地，发生器2与冷凝器7之间的管路上设置有阀门12，储液罐8与蒸发器9之间的管路上设置有阀门13；

蒸发器9的输出端与所有罐体的液相部分之间的管路上设置有阀门14和阀门15；

第二罐体10的气相部分以及液相部分与发生器2的气相部分之间的管路上分别设置有阀门19和阀门17；

第一罐体5的气相部分与发生器2的液相部分之间的管路上设置有阀门18；

连接罐体之间的管路上设置有阀门16。

根据本发明提供的一种基于压差驱动的吸收式制冷系统的循环方法，采用上述的基于压差驱动的吸收式制冷系统，执行步骤：

步骤1：发生器2中的循环工质在废热源流路1的加热下形成蒸汽，通过分离器3提高纯度，在发生器2内气压达到预定压力后，使蒸汽进入冷凝器7冷凝后经储液罐8再进入蒸发器9吸热蒸发，输出冷量，同时使蒸发器9产生的蒸汽进入第二罐体10，被第二罐体10中的循环工质吸收，直至根据温度和气压判断第二罐体10内的循环工质浓度超过预设浓度；

步骤2：使蒸发器9产生的蒸汽进入第一罐体5，使所述第一罐体5顶部的管路与发生器2连通，由于发生器2内气压大于所述第二部分罐体内的气压，使发生器2内的循环工质进入所述第二部分罐体直至到达指定液位；

步骤3：使发生器2的气相部分与第二罐体10的气相部分、液相部分同时连通，使第二罐体10与发生器2内气压平衡后第二罐体10内的循环工质进入发生器2，直至第二罐体10的液位降至指定液位；

步骤4：使蒸发器9产生的蒸汽进入第二罐体10，同时使所述第一罐体5底部与第二罐体10顶部连通，使第一罐体5中液体流入第二罐体10中吸收来自蒸发器9的蒸汽，直至根据温度和气压判断第二罐体10内的循环工质浓度超过预设浓度。

如此重复执行步骤2至步骤4实现循环。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明可以保证系统能够连续地输出冷量，可省去高压溶液泵，降低系统功耗，提高系统运行效率。

2、本发明中使用的循环工质可选用氨水溶液、混合有机工质等非共沸混合工质，极好地扩展了本发明的适用范围。

3、本发明中可对循环工质进行预热，提高对系统内部热能的利用率。

4、本发明成本低廉、制冷效率高。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的结构示意图。

图中：1-废热源流路；2-发生器；3-分离器；4-第二冷源流路；5-第一罐体；6-第一冷源流路；7-冷凝器；8-储液罐；9-蒸发器；10-第二罐体；11-第三冷源流路；12-阀门；13-阀门；14-阀门；15-阀门；16-阀门；17-阀门；18-阀门；19-阀门。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供的一种基于压差驱动的吸收式制冷系统，包括：发生器、分离器、冷凝器、储液罐、蒸发器和多个罐体。

发生器和所有罐体内设置有循环工质，分离器布置于发生器内的气相部分；发生器的气相部分、冷凝器、储液罐和蒸发器通过管路依次连接，蒸发器的输出端通过管路分别与所有罐体的液相部分连接，并使管路延伸进液相中，且延伸段采用多孔管壁；发生器的气相部分通过管路与第二罐体的气相部分连接；罐体间按液相连接气相的方式顺次连接后，最后由第二罐体液相引出管路连接发生器。

如图1所示，本发明提供的基于压差驱动的吸收式制冷系统包含发生器2、分离器3、冷凝器7、储液罐8、蒸发器9、第一罐体5、第二罐体10、阀件以及冷、热源。实施例中，所述阀件包含阀门12至阀门19共八个阀门，其中阀门12、阀门14、阀门15、阀门16、阀门17、阀门18、阀门19共七个阀门为截止阀，阀门13为节流阀。所述冷源包含第一冷源流路6、第二冷源流路4、第三冷源流路11，分别用于对冷凝器7，第一罐体5和第二罐体10进行降温。所述热源包含废热源流路1，用于对发生器2进行加热。基于压差驱动的吸收式制冷系统通过循环混合工质实现输出冷量，所述循环工质包含多个组分，多个组分中至少有两个组分的沸点不等。实施例中，所述循环工质为R134a与DMF的混合溶液。当然，优选例中循环工质可以是氨水溶液或其他有机混合工质等非共沸混合工质。

本发明中每个部件的连接关系如下所述。废热源流路1穿过发生器2，分离器3布置于发生器2内上部空间。由发生器2顶部引出两条气路：其中一路与阀门12、冷凝器7、储液罐8、阀门13、蒸发器9、两个罐体顺次连接形成闭合回路；第二路则直接与第二罐体10连接。具体地，第一罐体5和第二罐体10由高至低布置。由第一罐体5和第二罐体10底部引出两个气路，分别经阀门14和阀门15并联后与蒸发器9出口相连，第一罐体5顶部引出一条液路经阀门18后与发生器2底部相连；第二罐体10由顶部和底部分别引出一条气路和液路，分别经阀门19和阀门17，与发生器2气相连接。

此外，冷凝器7、第一罐体5、第二罐体10上分别设置有第一冷源流路4、第二冷源流路6、第三冷源流路11。

本发明的罐体可以不仅包含第一罐体和第二罐体，还可以包含三个及以上的罐体，从而加快罐体对R134a的吸收速率，但相应地将导致系统成本增加。

R134a与DMF混合溶液在发生器2中生成较纯的R134a蒸气，混合蒸气经分离器3后、获得纯度和压力均较高的R134a蒸气；高压R134a蒸气经冷凝器7降温后经储液罐8进入节流阀13降压；随后进入蒸发器9中蒸发吸热，产生冷量。R134a蒸气由蒸发器9流出后进入第二罐体10中，由来自发生器2中的稀溶液吸收变为浓溶液，此时启用第三冷源流路11，使冷媒流向第二罐体10，降低第二罐体10温度，加快对R134a蒸气的吸收。吸收完成后，开启阀门18，使发生器2中的稀溶液在压差作用下进入第一罐体5，并预吸收来自蒸发器9中流出的R134a蒸气，同时关闭第三冷源流路11，启用第二冷源流路4，使冷媒对第一罐体5进行冷却。待第一罐体5中稀溶液达到指定液位后，关闭阀门18，开启阀门17和阀门19，使第二罐体10中气压与发生器2中达到气压平衡后，吸收完毕的浓溶液在重力作用下经分离器3入口进入发生器2中。由此，通过压差进行稀溶液转移、通过重力作用进行浓溶液补充的循环过程形成。

为保证浓溶液受重力作用由第二罐体10流入发生器2，第二罐体10底部在竖直方向上需高于发生器2顶部。此外，为保证压差驱动稀溶液转移，废热源流路1中热媒连续对发生器2进行加热，使发生器2内始终保持高压。

优选实施方式：以浓度为1:1的R134a-DMF混合溶液为作为循环工质为例，系统运行前，在发生器2中注入50％的R134a-DMF混合溶液，第一罐体5中注入少量20％的R134a-DMF混合溶液，在第二罐体10中注入20％的R134a-DMF混合溶液。实际操作中所用不同工质对的混合溶液浓度不做限制。在系统部件的相对位置上，第二罐体10的底部必须高于发生器2的顶部。

第一步：初始时，启用第一冷源流路6、第二冷源流路4和第三冷源流路11，开启节流阀13，关闭剩余截止阀。废热源流路1中的热媒持续对发生器2进行加热，R134a和少量DMF的混合蒸气经分离器3后，获得纯度更高的R134a蒸气。待发生器中达到预定高压后，开启阀门12和阀门15，使蒸发器9与第二罐体10连通。高温高压的R134a蒸气进入冷凝器7中，与第一冷源流路6中的冷媒换热后变为高压过冷液体进入储液罐8，再经节流阀13后变为低压低温液体，随后进入蒸发器9中吸热蒸发，输出冷量。R134a蒸气流出蒸发器9后进入第二罐体10，被其中的稀溶液吸收，直至由温度和压力判定其变为浓溶液。

第二步：第一步完成后，关闭第三冷源流路11，开启阀门14，关闭阀门15，使蒸发器9与第一罐体5连通，从而将蒸发器9中的蒸气引入第一罐体5。同时开启阀门18，关闭阀门12，使发生器2中液相与第一罐体5中气相连通。由于发生器2中压力高于第一罐体5，发生器2中的稀溶液将在压差驱动下进入第一罐体5中，吸收来自蒸发器9的R134a蒸气，直到第一罐体9中溶液达到指定液位。

第三步：第二步完成后，关闭阀门18，开启阀门17和阀门19，使发生器2中气相与第二罐体10中气相以及液相连通。短暂时间后发生器2与第二罐体10达到气压平衡，第二罐体10中的浓溶液在重力作用下流入发生器2中，直至第二罐体10中液位达到指定位置，关闭阀门17和阀门19。

第四步：第三步完成后，启用第三冷源流路11，关闭阀门14，开启阀门15和阀门16，使蒸发器9以及第一罐体5与第二罐体10连通，从而将蒸发器9中的蒸气由底部引入第二罐体10，将第一罐体5中的液体由顶部引入第二罐体10，使气和液在流动过程中充分接触。一段时间后，第一罐体5中液体完全流入第二罐体10中后，关闭阀门16，此时，第二罐体10中继续进行吸收过程，直至第二罐体10中的溶液由温度和压力判定其变为浓溶液。

此后系统运行重复第二步至第四步，从而整个工作循环得以实现。其中，当发生器中溶液温度达到稳定且气相压力出现骤降时，则判定溶液为稀溶液；当吸收器中溶液温度达到稳定且气相压力出现骤增时，则判定溶液为浓溶液。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (2)

1.一种基于压差驱动的吸收式制冷系统，其特征在于，包括：发生器（2）、分离器（3）、冷凝器（7）、储液罐（8）、蒸发器（9）和多个罐体；

发生器（2）和所有罐体内设置有循环工质，分离器（3）布置于发生器（2）内的气相部分；

发生器（2）的气相部分、冷凝器（7）、储液罐（8）和蒸发器（9）通过管路依次连接，蒸发器（9）的输出端通过管路分别与所有罐体的液相部分连接，并使管路延伸进液相中，且延伸段采用多孔管壁；

发生器（2）的气相部分通过管路与第二罐体（10）的气相部分连接；

罐体间按液相连接气相的方式顺次连接后，最后由第二罐体（10）液相引出管路连接发生器（2）；

其中，在竖直方向上，冷凝器（7）的高度高于储液罐（8）的高度，储液罐（8）的高度高于蒸发器（9）的高度，蒸发器（9）的高度低于所有罐体的高度，所有罐体的高度高于发生器（2）的高度，所有罐体按由高至低的顺序排列；

发生器（2）内还设置有废热源流路（1），位于发生器（2）内的液相部分；

第二罐体（10）的液相部分连接发生器（2）的气相部分；

第一罐体（5）的气相部分连接发生器（2）的液相部分；

第一罐体（5）和第二罐体（10）由高至低布置；

所述循环工质包含多个组分，多个组分中至少有两个组分的沸点不等；

冷凝器（7）内设置有第一冷源流路（6），每个罐体的液相部分分别设置有冷源流路；

发生器（2）与冷凝器（7）之间的管路上设置有阀门（12），储液罐（8）与蒸发器（9）之间的管路上设置有节流阀（13）；

蒸发器（9）的输出端与第一罐体（5）的液相部分之间的管路上设置有阀门（14），蒸发器（9）的输出端与第二罐体（10）的液相部分之间的管路上设置有阀门（15）；

第二罐体（10）的气相部分与发生器（2）的气相部分之间的管路上设置有阀门（19），第二罐体（10）的液相部分与发生器（2）的气相部分之间的管路上设置有阀门（17）；

第一罐体（5）的气相部分与发生器（2）的液相部分之间的管路上设置有阀门（18）；

连接第一罐体（5）和第二罐体（10）之间的管路上设置有阀门（16），在第一罐体（5）中液体完全流入第二罐体（10）中后关闭。

2.一种基于压差驱动的吸收式制冷系统的循环方法，其特征在于，采用权利要求1所述的基于压差驱动的吸收式制冷系统，执行步骤：

步骤1：启用冷凝器（7）的第一冷源流路（6）、第一罐体（5）的第二冷源流路（4）和第二罐体（10）的第三冷源流路（11），开启节流阀（13），关闭剩余的其他阀门；发生器（2）中的循环工质在废热源流路（1）的加热下形成蒸汽，通过分离器（3）提高纯度，在发生器（2）内气压达到预定压力后，开启发生器（2）与冷凝器（7）之间的管路上的阀门（12），开启蒸发器（9）的输出端与第二罐体（10）的液相部分之间管路上的阀门（15），使蒸汽进入冷凝器（7）冷凝后经储液罐（8）再进入蒸发器（9）吸热蒸发，输出冷量，同时使蒸发器（9）产生的蒸汽进入第二罐体（10），被第二罐体（10）中的循环工质吸收，直至根据温度和气压判断第二罐体（10）内的循环工质浓度超过预设浓度；

步骤2：关闭第三冷源流路（11），开启蒸发器（9）的输出端与第一罐体（5）的液相部分之间管路的阀门（14），关闭蒸发器（9）的输出端与第二罐体（10）的液相部分之间管路上的阀门（15），使蒸发器（9）产生的蒸汽进入第一罐体（5），开启第一罐体（5）的气相部分与发生器（2）的液相部分之间管路的阀门（18），关闭发生器（2）与冷凝器（7）之间的管路上的阀门（12），使所述第一罐体（5）顶部的管路与发生器（2）连通，由于发生器（2）内气压大于所述第一罐体内的气压，使发生器（2）内的循环工质进入所述第一罐体直至到达指定液位；

步骤3：关闭第一罐体（5）的气相部分与发生器（2）的液相部分之间管路的阀门（18），开启第二罐体（10）的液相部分与发生器（2）的气相部分之间管路上的阀门（17）和第二罐体（10）的气相部分与发生器（2）的气相部分之间的管路上的阀门（19），使发生器（2）的气相部分与第二罐体（10）的气相部分、液相部分同时连通，使第二罐体（10）与发生器（2）内气压平衡后第二罐体（10）内的循环工质进入发生器（2），直至第二罐体（10）的液位降至指定液位，关闭第二罐体（10）的液相部分与发生器（2）的气相部分之间管路上的阀门（17），关闭第二罐体（10）的气相部分与发生器（2）的气相部分之间的管路上的阀门（19）；

步骤4：启用第三冷源流路（11），关闭蒸发器（9）的输出端与第一罐体（5）的液相部分之间管路的阀门（14），开启蒸发器（9）的输出端与第二罐体（10）的液相部分之间管路上的阀门（15），开启第一罐体（5）和第二罐体（10）之间的管路上的阀门（16），使蒸发器（9）产生的蒸汽进入第二罐体（10），同时使所述第一罐体（5）底部与第二罐体（10）顶部连通，使第一罐体（5）中液体流入第二罐体（10）中吸收来自蒸发器（9）的蒸汽，第一罐体（5）中液体完全流入第二罐体（10）中后，关闭第一罐体（5）和第二罐体（10）之间的管路上的阀门（16），第二罐体（10）中继续进行吸收过程，直至根据温度和气压判断第二罐体（10）内的循环工质浓度超过预设浓度；

如此重复执行步骤2至步骤4实现循环。

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