CN111397234B - 一种低品位热驱动的混合工质制冷系统 - Google Patents

一种低品位热驱动的混合工质制冷系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低品位热驱动的混合工质制冷系统，该系统包括喷射式制冷单元和精馏型制冷单元；喷射式制冷单元包括发生器、喷射器、冷凝器、液封、节流装置、蒸发冷凝器和循环泵等；精馏型制冷单元包括压缩机、冷凝器、蒸馏柱、蒸发冷凝器、节流装置、制冷剂换热器和蒸发器等；制冷剂在喷射式制冷循环中吸收低品位热源的热量，获得的冷量用于预冷或过冷精馏型制冷循环中的制冷剂，从而获得额外的冷量，本发明既可以实现低品位能源的利用也可以实现较低的蒸发温度，本发明系统结构简单，运行效率及运行稳定性较高。

Description

一种低品位热驱动的混合工质制冷系统
技术领域
本发明属于制冷领域，具体涉及一种低品位热驱动的混合工质制冷系统。
背景技术
实现能源高效利用，是国家工业发展和社会进步的总体要求。消耗能源也带来了大量环境问题，如温室效应。早在2005年，中国温室气体排放总量已经达到世界第一。根据世界银行数据，到2016年，中国人均温室气体排放为8.8吨二氧化碳当量，比G20国家平均值高出17％。而我国的能源利用效率同发达国家相比仍处于落后水平，GDP能耗远高于发达国家。因此，在制冷领域高效利用低品位能源有着重大意义。
目前，喷射式制冷结构简单，无运动部件，且可以广泛地吸收包括太阳能、电厂废热、余热等多种类的低品位热源。但是由于传统的喷射式制冷系统蒸发压力受到限制，无法实现较低的温度。而且，喷射式制冷系统本身的效率就低于蒸气压缩式制冷系统和吸收式制冷系统，而低蒸发温度下的喷射式制冷系统的效率更为低下，无法有效利用低品位热能。
公开号为CN102324266A的专利文献公开了一种双温位的冷变换器。该发明包含了高温间室循环和低温间室循环，通过中间换热器耦合在一起，利用高温间室循环蒸发后饱和气态制冷剂冷量过冷低温间室饱和液态制冷剂，进一步提升冷量品位。该专利对系统的描述较为简单，且无法有效利用低品位热能。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种低品位热驱动的混合工质制冷系统，该系统包括喷射式制冷单元和精馏型制冷单元。用低品位余热驱动喷射式制冷单元，喷射式制冷产生的冷量可以用于预冷精馏型制冷单元，进而使得精馏型制冷单元产生的冷量增加，提高精馏型制冷单元的效率，有效利用了低品位热能，实现了在较高效率下获得较低温度。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：本发明结合了喷射器结构简单、可以广泛利用低品位能源的特点和精馏型制冷系统蒸发温度低、运行效率高的特点。本发明中，制冷剂在喷射式制冷循环中吸收低品位热源的热量，获得的冷量用于预冷或过冷精馏型制冷循环中的制冷剂，从而获得额外的冷量，本发明既可以实现低品位能源的利用也可以实现较低的蒸发温度，而且因为精馏型制冷单元的存在使得系统运行效率较高，因为喷射式制冷单元的存在使得系统结构简单，运行稳定性高。
本发明提供的一种低品位热驱动的混合工质制冷系统，包括喷射式制冷单元和精馏型制冷单元。在喷射式制冷单元中，制冷剂在发生器中吸收低品位热源热量，成为高温高压蒸气(工作流体)，进入喷射器中引射被引射流体，在混合室内混合后进入冷凝器中冷凝，随后经过液封，工作流体经循环泵进入发生器中再度吸收热量，引射流体离开液封进入节流装置经节流后进入蒸发冷凝器换热。在精馏型制冷单元中，混合制冷剂被压缩机压缩后经过冷凝器，在蒸馏柱内分成低沸点组分和高沸点组分，低沸点组分进过制冷剂换热器被预冷后经过节流装置节流，进入蒸发器中产生冷量。高沸点组分经过蒸发冷凝器被冷却后，进入另一节流装置节流，随后同蒸发器出口的低沸点组分一起经过制冷剂换热器冷却节流前的低沸点组分，随后经过蒸馏柱的顶部冷凝器再进入压缩机。
所述喷射式制冷单元包括发生器、喷射器、第一冷凝器、液封、第一节流装置、蒸发冷凝器和循环泵；所述液封工作流体出口依次通过循环泵、发生器、喷射器工作流体入口、第一冷凝器与液封入口连通；所述液封引射流体出口依次通过第一节流装置、蒸发冷凝器冷工质管路、喷射器引射流体入口、第一冷凝器与液封入口连通；
所述精馏型制冷单元包括压缩机、第二冷凝器、蒸馏柱、蒸发冷凝器、第二节流装置、第一制冷剂换热器、第三节流装置和蒸发器；所述蒸馏柱低沸点组分出口依次通过第一制冷剂换热器热工质管路、第三节流装置与蒸发器入口连通；所述蒸发器出口经过第一制冷剂换热器冷工质管路与压缩机入口连通；所述压缩机出口经过第二冷凝器与蒸馏柱入口连通；所述蒸馏柱高沸点组分出口依次通过蒸发冷凝器热工质管路、第二节流装置与第一制冷剂换热器冷工质管路连通。
进一步地，所述液封引射流体出口和喷射器引射流体入口形成第一管路；所述蒸馏柱高沸点组分出口和第一制冷剂换热器冷工质管路形成第二管路；所述第一管路和所述第二管路在蒸发冷凝器中换热，实现了精馏型制冷单元的预冷，提升了系统效率，增加了系统冷量。
进一步地，所述蒸馏柱低沸点组分出口与蒸发器入口形成第三管路；所述蒸发器出口与压缩机入口形成第四管路；所述第三管路和所述第四管路在第一制冷剂换热器中换热，在精馏型制冷单元中形成有效回热，提升了系统效率，增加了系统冷量。
进一步地，所述第一制冷剂换热器冷工质管道出口经蒸馏柱后连通至压缩机入口。
进一步地，该系统还可以增加第二制冷剂换热器和第四节流装置，所述液封引射流体出口可以分成管路一和管路二，管路一通过第一节流装置、蒸发冷凝器的冷工质管道与喷射器引射流体入口相连，该管路中的引射流体在蒸发冷凝器中预冷蒸馏柱出口的高沸点组分；管路二通过新增加的第四节流装置、新增加的第二制冷剂换热器冷工质管路与喷射器的引射流体入口相连，蒸馏柱低沸点组分出口通过第二制冷剂换热器热工质管路与第一制冷剂换热器热工质管路入口连通，该管路中的引射流体在第二制冷剂换热器中预冷蒸馏柱出口的低沸点组分。在引射流体流量足够的条件下，这种方案既可以预冷精馏型制冷单元的高沸点组分，又可以预冷精馏型制冷单元的低沸点组分，进一步提升了系统效率。
进一步地，该系统还可以新增一个制冷剂换热器(第二制冷剂换热器)，所述液封引射流体出口依次通过第二制冷剂换热器热工质管道、第一节流装置与蒸发冷凝器冷工质管道入口连通，所述蒸发冷凝器冷工质管道出口通过第二制冷剂换热器冷工质管道与喷射器引射流体入口连通；蒸发冷凝器冷工质出口与喷射器引射流体入口间形成管路一，液封引射流体出口与第一节流装置入口间形成管路二，管路一和管路二在第二制冷剂换热器中换热，实现喷射式制冷单元的有效回热，提升喷射式制冷单元的效率。
进一步地，第一节流装置出口与蒸发冷凝器冷工质入口之间可以新增一个制冷剂换热器(第三制冷剂换热器)，去掉原有的第二冷凝器；第一节流装置出口通过第三制冷剂换热器冷工质管道与蒸发冷凝器冷工质管道入口连通，压缩机出口经过第三制冷剂换热器热工质管道与蒸馏柱入口连通；第一节流装置出口与蒸发冷凝器冷工质入口之间形成第一管路，压缩机出口与蒸馏柱之间形成第二管路，第一管路与第二管路在第三制冷剂换热器中换热，达到进一步预冷精馏型制冷单元的目的，提升系统整体效率。
进一步地，第一冷凝器出口与循环泵入口、第一节流装置入口间设有一个或多个液封。
进一步地，蒸发冷凝器的冷工质管路出口、第一冷凝器入口、发生器工作流体出口间设有一个或多个喷射器，喷射式制冷循环可以根据热源温度采用单级或多级喷射式制冷来提高低品位热能的利用率。
进一步地，第一冷凝器、第二冷凝器、蒸发冷凝器、制冷剂换热器可以使用板式换热器、壳管式换热器等多种类型换热器，可以根据实际使用时的不同需求选用合适形式和尺寸的换热器，布置换热器流道时选择逆流换热，增加换热效果，提升系统效率；
进一步地，节流装置均可采用毛细管节流或者手动节流，或者自动节流，为保证系统的平稳运行及简单操作，在除特殊需要外，不推荐使用手动节流。
与目前的技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)可以广泛地利用低品位热能，并使之成为喷射式制冷单元的低品位冷量，而通过与精馏型制冷单元的耦合，可以使喷射式制冷单元的低品位冷量转化为精馏型制冷单元的高品位冷量。
(2)采用喷射式制冷单元，极大地简化了系统结构，减少了系统运行部件，降低了系统成本，实现了系统平稳、可靠地运行。
(3)采用精馏型制冷单元，极大地拓宽了喷射式制冷单元的应用温区，且进一步提升了系统效率，使得低品位热能的利用效率得到提升。
附图说明
图1为本发明的一种实施方式的流程图；
图2为本发明的第二种实施方式的流程图；
图3为本发明的第三种实施方式的流程图；
图4为本发明的第四种实施方式的流程图；
图5为本发明的第五种实施方式的流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
图1是本发明的一种实施方式流程图。图1中的低品位热驱动的混合工质制冷系统包括喷射式制冷单元和精馏型制冷单元。
喷射式制冷单元包括发生器1、喷射器2、第一冷凝器3、液封4、第一节流装置5、蒸发冷凝器6、循环泵7。发生器1出口连通喷射器2工作流体入口，喷射器2出口通过第一冷凝器3连通液封4入口，液封4工作流体出口连通循环泵7入口，循环泵7出口连通发生器入口。液封4引射流体出口连通第一节流装置5入口，第一节流装置5出口连通蒸发冷凝器6冷工质管道入口，蒸发冷凝器6冷工质管道出口连通喷射器2引射流体入口。
精馏型制冷单元包括压缩机8、第二冷凝器9、蒸馏柱10、蒸发冷凝器6、第二节流装置11、制冷剂换热器12、第三节流装置13、蒸发器14。压缩机8出口连通第二冷凝器9制冷剂入口，第二冷凝器9制冷剂出口连通蒸馏柱10入口，蒸馏柱10低沸点组分出口连通制冷剂换热器12热工质管道入口，制冷剂换热器12热工质管道出口连通第三节流装置13，第三节流装置13出口连通蒸发器14入口，蒸发器14出口连通制冷剂换热器12冷工质管道入口，制冷剂换热器12冷工质管道出口经蒸馏柱10后连通至压缩机8入口。蒸馏柱10高沸点组分出口连通蒸发冷凝器6热工质管道入入口，蒸发冷凝器6热工质管道出口连通第二节流装置11入口，第二节流装置11出口连通至制冷剂换热器12的冷工质管道。
在本实施示例中，喷射式制冷单元所采用的工质是R134a，制冷剂在发生器1中被低品位热源加热，成为高温高压制冷剂蒸汽，进入喷射器2工作流体入口(喷嘴)，与喷射器2引射流体入口的引射流体在混合室内混合，之后进入到第一冷凝器3中冷凝，冷凝后的制冷剂在液封4中分为两路，一路由循环泵7泵送至发生器1中，另一路经过第一节流装置5降温，在蒸发冷凝器6中冷却精馏型制冷单元中蒸馏柱10出来的高沸点组分，之后进入喷射器2引射流体入口再次进入循环。
精馏型制冷单元所采用的是混合工质(R134a和R22)，压缩机8出口的高温高压混合工质在第二冷凝器9中冷凝，冷凝后的混合工质在蒸馏柱10中被分离为高沸点组分和低沸点组分，低沸点组分为气体，经过制冷剂换热器12被冷却，随后经过第三节流装置13降温，进入到蒸发器14产生冷量。蒸发器14出口的混合工质经过制冷剂换热器14参与回热，之后流经蒸馏柱10顶部换热，进入到压缩机8入口。高沸点组分为液体，经过蒸发冷凝器6被冷却，随后经过第二节流装置11降温，进入到制冷剂换热器12的冷工质管路，参与精馏型制冷单元的回热。
图2是本发明的第二种实施方式，同实施示例1相比，本实施方式在液封4的引射流体出口处新增了一条管路，新增了第二制冷剂换热器15。新增管路由液封4引射流体出口处连通第四节流装置16入口，第四节流装置16出口连通第二制冷剂换热器15的冷工质管道入口，冷工质管道出口连通喷射器2引射流体入口。精馏型制冷单元的蒸馏柱10低沸点组分出口连通第二制冷剂换热器15的热工质管路入口，第二制冷剂换热器15的热工质管路出口连通第一制冷剂换热器12的热工质管路入口。
在本实施示例中，喷射制冷单元与精馏型制冷单元的制冷剂仍分别选取R134a和混合工质(R134a和R23)。与实施示例1相比，在实施示例2中，喷射式制冷单元的液封4出口的R134a分为两路，一路和示例1相同，冷却蒸馏柱10出口的高沸点组分，并回到喷射器2的引射流体入口；另一路则通过第四节流装置16，冷却蒸馏柱10出口的低沸点组分，也回到喷射器2的引射流体出口。该实施示例同时冷却蒸馏柱10的高沸点组分和低沸点组分，提高了系统效率，增加了系统制冷量。
图3是本发明的第三种实施方式，同实施示例1相比，示例3在喷射式制冷单元的液封4后增加了第二制冷剂换热器15，与实施示例2不同的是，液封4后并没有新增管路。液封4的引射流体出口连通第二制冷剂换热器15的热工质管道入口，第二制冷剂换热器15的热工质管道出口连通第一节流装置5入口，第一节流装置5出口连通蒸发冷凝器6的冷工质管道入口，蒸发冷凝器6的冷工质管道出口连通第二制冷剂换热器的15的冷工质管道入口，第二制冷剂换热器15的冷工质管道出口连通喷射器2的引射流体入口。
本实施示例中，喷射式制冷单元和精馏型制冷单元采用和上述相同的制冷剂。液封4引射流体出口处的R134a流体经过第二制冷剂换热器15被进一步过冷后进入第一节流装置5降温，随后进入到蒸发冷凝器6中冷却精馏型制冷单元的蒸馏柱10的高沸点组分流体，之后进入第二制冷剂换热器15中被过热，最终回到喷射器2的引射流体入口。该实施示例中，喷射式制冷单元中存在有效回热模块(第二制冷剂换热器15)，因此喷射式制冷单元的效率有所提高，低品位热能的利用率上升。图4是本发明的第四种实施方式，该实施方式与实施示例1相比，在第一节流装置5后面设置了第二制冷剂换热器15，与实施示例3不同的是，该第二制冷剂换热器15设置在第一节流装置5之后，由第一节流装置5出口与蒸发冷凝器6的冷工质管道入口形成的第一管路和由压缩机8出口与蒸馏柱10入口形成的第二管路在第二制冷剂换热器15内换热。
本实施示例中，喷射式制冷单元和精馏型制冷单元所使用的制冷剂仍是实施示例1中所使用的制冷剂。液封4出口的R134a经过第一节流装置5降温，进入到第二制冷剂换热器15内预冷精馏型制冷单元压缩机8出口的高温高压混合工质。精馏型制冷单元压缩机8出口的混合工质经过第二制冷剂换热器15，被喷射式制冷单元节流后的R134a预冷，比其原先在冷凝器中冷却后的干度进一步降低，进一步提高其效率。图5是本发明的第五种实施方式，同实施示例1不同的是，该实施方式的喷射式制冷单元采用了双级喷射式制冷。具体连接方式为：发生器1工作流体出口分为两路，一路连通喷射器2工作流体入口，喷射器2出口连通喷射器15的引射流体入口，喷射器15的引射流体出口连通液封4的入口；另一路连通喷射器15工作流体入口，喷射器15出口连通液封4的入口。液封4的引射流体出口连通蒸发冷凝器6的冷工质管道入口，蒸发冷凝器6的冷工质管道出口连通喷射器2的引射流体入口。其余连接方式与实施示例1相同。
在本实施示例中，双级喷射式制冷单元和精馏型制冷单元的制冷剂选用和实施示例1中相同的制冷剂。在低品位热源温度较高的时候，由发生器1中出口的高温高压工作流体分为两路，一路经过喷射器2引射蒸发冷凝器6出口的引射流体，混合之后进入到喷射器15的引射流体入口被发生器1中出口的另一路工作流体引射并混合，经第一冷凝器3进入液封4。该实施方式克服了单级喷射式制冷在较高的热源温度下由于背压过高而达不到制冷要求的缺陷，扩展了喷射式制冷单元应用低品位热源的温度区间。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种低品位热驱动的混合工质制冷系统，其特征在于，包括喷射式制冷单元和精馏型制冷单元；
所述喷射式制冷单元包括发生器(1)、喷射器(2)、第一冷凝器(3)、液封(4)、第一节流装置(5)、蒸发冷凝器(6)和循环泵(7)；所述液封(4)工作流体出口依次通过循环泵(7)、发生器(1)、喷射器(2)工作流体入口、第一冷凝器(3)与液封(4)入口连通；所述液封(4)引射流体出口依次通过第一节流装置(5)、蒸发冷凝器(6)冷工质管路、喷射器(2)引射流体入口、第一冷凝器(3)与液封(4)入口连通；
所述精馏型制冷单元包括压缩机(8)、第二冷凝器(9)、蒸馏柱(10)、蒸发冷凝器(6)、第二节流装置(11)、第一制冷剂换热器(12)、第三节流装置(13)和蒸发器(14)；所述蒸馏柱(10)低沸点组分出口依次通过第一制冷剂换热器(12)热工质管路、第三节流装置(13)与蒸发器(14)入口连通；所述蒸发器(14)出口经过第一制冷剂换热器(12)冷工质管路与压缩机(8)入口连通；所述压缩机(8)出口经过第二冷凝器(9)与蒸馏柱(10)入口连通；所述蒸馏柱(10)高沸点组分出口依次通过蒸发冷凝器(6)热工质管路、第二节流装置(11)与第一制冷剂换热器(12)冷工质管路连通。
2.根据权利要求1所述的一种低品位热驱动的混合工质制冷系统，其特征在于，所述液封(4)引射流体出口和喷射器(2)引射流体入口形成第一管路；所述蒸馏柱(10)高沸点组分出口和第一制冷剂换热器(12)冷工质管路形成第二管路；所述第一管路和所述第二管路在蒸发冷凝器(6)中换热。
3.根据权利要求1所述的一种低品位热驱动的混合工质制冷系统，其特征在于，所述蒸馏柱(10)低沸点组分出口与蒸发器(14)入口形成第三管路；所述蒸发器(14)出口与压缩机(8)入口形成第四管路；所述第三管路和所述第四管路在第一制冷剂换热器(12)中换热。
4.根据权利要求1所述的一种低品位热驱动的混合工质制冷系统，其特征在于，所述第一制冷剂换热器(12)冷工质管道出口经蒸馏柱(10)后连通至压缩机(8)入口。
5.根据权利要求1所述的一种低品位热驱动的混合工质制冷系统，其特征在于，所述系统还包括第二制冷剂换热器(15)和第四节流装置(16)，所述液封(4)引射流体出口分为两路，一路连接第一节流装置(5)入口，另一路依次通过第四节流装置(16)、第二制冷剂换热器(15)冷工质管路与喷射器(2)引射流体入口连通；所述蒸馏柱(10)低沸点组分出口通过第二制冷剂换热器(15)热工质管路与第一制冷剂换热器(12)热工质管路入口连通。
6.根据权利要求1所述的一种低品位热驱动的混合工质制冷系统，其特征在于，所述系统还包括第二制冷剂换热器(15)，所述液封(4)引射流体出口依次通过第二制冷剂换热器(15)热工质管道、第一节流装置(5)与蒸发冷凝器(6)冷工质管道入口连通，所述蒸发冷凝器(6)冷工质管道出口通过第二制冷剂换热器(15)冷工质管道与喷射器(2)引射流体入口连通。
7.根据权利要求1所述的一种低品位热驱动的混合工质制冷系统，其特征在于，所述第二冷凝器(9)替换为第二制冷剂换热器(15)，所述第一节流装置(5)出口通过第二制冷剂换热器(15)冷工质管道与蒸发冷凝器(6)冷工质管道入口连通，所述压缩机(8)出口经过第二制冷剂换热器(15)热工质管道与蒸馏柱(10)入口连通。
8.根据权利要求1所述的一种低品位热驱动的混合工质制冷系统，其特征在于，所述第一冷凝器(3)出口与循环泵(7)入口、第一节流装置(5)入口间设有一个液封。
9.根据权利要求1所述的一种低品位热驱动的混合工质制冷系统，其特征在于，所述蒸发冷凝器(6)的冷工质管路出口、第一冷凝器(3)入口、发生器(1)工作流体出口间设有一个或多个喷射器(2)，实现单级或多级喷射式制冷。
10.根据权利要求1所述的一种低品位热驱动的混合工质制冷系统，其特征在于，所述第一冷凝器、第二冷凝器、蒸发冷凝器、制冷剂换热器使用板式换热器、壳管式换热器等，布置换热器流道时选择逆流换热。
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