CN113701393B - 一种采用膜蓄能器的太阳能单/双效切换吸收式制冷系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于制冷系统技术领域，具体涉及一种采用膜蓄能器的太阳能单/双效切换吸收式制冷系统，主体结构包括：太阳能集热器、单效发生装置、双效发生装置、吸收式制冷系统和膜蓄能器，单效发生装置或双效发生装置分别与太阳能集热器、吸收式制冷系统的低温溶液热交换器和低压气液分离器管道连接；膜蓄能器的入口分别与吸收式制冷系统的蒸发器和低温溶液热交换器管道连接，膜蓄能器的出口与吸收式制冷系统的吸收器管道连接；将膜蓄能器应用于太阳能吸收式制冷系统中，能够延长制冷时间，提高太阳能利用率；能够根据热源温度实现内部的单/双效切换，合理利用太阳能并能够得到更高的循环效率；其结构简单，原理科学，能源利用率高，市场前景广阔。
Description
技术领域：
本发明属于制冷系统技术领域，具体涉及一种采用膜蓄能器的太阳能单/双效切换吸收式制冷系统，将膜蓄能器应用于太阳能吸收式制冷系统中，能够延长制冷时间，提高太阳能利用率。
背景技术：
太阳能在制冷领域的应用，是节约传统能源以及保护自然环境的重大突破。由于吸收式制冷系统可以由热直接驱动，太阳能吸收式制冷系统可以实现光热转换并实现制冷。对于制冷领域中太阳能的利用，当前研究的重点是太阳辐射强度随昼夜和季节交替变化不稳定等问题的消除。国内外学者为解决太阳辐射强度不稳定的问题，最常见的是增加辅助能源或热源，或者采用将蓄能系统与制冷系统结合的方法。因此太阳能热利用技术和太阳能储存与转换利用技术的结合能够提高太阳能的利用率。
经检索，中国专利申请号为2016203858023的实用新型专利公开了一种太阳能吸收式制冷与吸附式制冷复合的制冷系统，主要包括太阳能集热器、水阀、太阳能集热器吸附床总成、发生器、冷凝器、水泵、储热箱、辅助热源、溶液热交换器、储液瓶、冷水箱、溶液泵、节流阀、浓度调节阀、吸收器、排气阀、储气罐、第一蒸发器、第二蒸发器、冷库、回流阀、引射器和必要的连接管道，在白天或阳光充足的条件下，可通过太阳能吸收式制冷实现白天制冷的需求；在晚上，可通过白天工质对吸附积攒的能量进行制冷；在无日照的情况下，可通过辅助热源来驱动吸收式制冷和吸附式制冷，实现制冷需求；但其设备结构复杂，成本高，不适用大规模推广；中国专利申请号为202020128358.3的实用新型专利公开了一种带储能功能的溴化锂吸收式制冷系统，提供了一种带储能功能的溴化锂吸收式制冷系统，通过在以往溴化锂吸收式制冷系统基础上增设一只冷却水调节阀，或者冷却水泵的电机采用变频电机并配置冷却水泵变频器，或者冷却塔风机采用变频风机并配置风机变频器。当冷负荷较小时，通过调节控制冷却水调节阀，或调节控制冷却水泵转速，或调节控制冷却塔风机转速，以减小溴化锂吸收式制冷机冷却水量或提高溴化锂吸收式制冷机冷却水进口温度，从而提高溴化锂吸收式制冷机循环溶液浓度，并析出、存储更多冷剂水，使溴化锂吸收式制冷机储备制冷能量，具备短时间内超负荷制冷条件，但是该发明的储能原理为显热储能，储能密度小且与环境发生热交换会造成冷量损失。
现有必要研发一种储能密度大，且结构简单、效率高的太阳能吸收式制冷系统。
发明内容：
本发明的目的是为了克服现有技术的缺点，提供一种采用膜蓄能器的太阳能单/双效切换吸收式制冷系统，其储能密度大，结构简单，能够有效延长制冷时间，提高太阳能利用率。
为了达到上述目的，本发明提供一种采用膜蓄能器的太阳能单/双效切换吸收式制冷系统，其主体结构包括：太阳能集热器、单效发生装置、双效发生装置、吸收式制冷系统和膜蓄能器，其中单效发生装置分别与太阳能集热器、吸收式制冷系统的低温溶液热交换器和低压气液分离器管道连接；双效发生装置分别与太阳能集热器、吸收式制冷系统的低温溶液热交换器和低压气液分离器管道连接；膜蓄能器的入口分别与吸收式制冷系统的蒸发器和低温溶液热交换器管道连接，膜蓄能器2的出口与吸收式制冷系统的吸收器管道连接。
进一步地，膜蓄能器的工作原理为：当太阳能充足时，来自低压气液分离器的部分浓溶液从低温溶液热交换器经第二节流阀后进入膜蓄能器，并储存在膜蓄能器中，完成蓄能过程；溶液的浓度越大，吸收制冷剂蒸汽的潜力越大，在一个吸收式制冷系统中的制冷潜能就越大；当太阳能不足时，吸收式制冷系统的制冷潜能较小，储存在膜蓄能器中的溶液浓度较高，制冷潜能大，进入吸收器中完成吸收过程，实现制冷。
进一步地，单效发生装置为单效发生器，由太阳能集热器加热后的热水驱动，单效发生器为热水与稀溶液的热交换装置。
进一步地，双效发生装置由高压发生器、高压气液分离器、低压发生器和高温溶液热交换器组成，高压发生器、高压气液分离器和低压发生器依次通过管道连接；高压发生器与太阳能集热器管道连接；高温溶液热交换器分别与高压发生器、高压气液分离器、低压发生器和吸收式制冷系统的低温溶液热交换器管道连接；低压气液分离器也与吸收式制冷系统的低温溶液热交换器管道连接。
进一步地，吸收式制冷系统包括低压气液分离器、冷凝器、蒸发器、吸收器、低温溶液热交换器和制冷剂泵，冷凝器与蒸发器之间设置有第一节流阀；吸收器与低温溶液热交换器之间设置有第二储液器和溶液泵；蒸发器和制冷剂泵直接还设置有第一储液器，第一储液器内存储制冷剂液体。
进一步地，所述制冷剂为水；所述溶液为溴化锂-水溶液。
进一步地，当热源温度较低时，系统为单效运行，热源驱动单效发生装置以完成制冷循环；当热源温度较高时，系统双效运行，热源驱动双效发生装置以完成制冷循环。
膜蓄能器分别与低温溶液热交换器出口浓溶液、吸收器入口及蒸发器出口相连，当太阳能充足时，多余的浓溶液通入膜蓄能器中并以溶液化学势能的形式储存起来；当太阳能不足时，膜蓄能器中的浓溶液被通入吸收器中，吸收蒸气，完成制冷循环；热源温度较低时，热水驱动单效发生器，采用单效循环；当热源温度高时，采用双效循环，热水切换至高压发生器侧，以获得更高的效率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：膜蓄能器的蓄能原理是溶液浓度差蓄能，具有蓄能密度高且无热损的优点，将膜蓄能器应用于太阳能吸收式制冷系统中，能够延长制冷时间，提高太阳能利用率；能够根据热源温度实现内部的单/双效切换，合理利用太阳能并能够得到更高的循环效率；其结构简单，原理科学，能源利用率高，市场前景广阔。
附图说明：
图1为本发明提供的采用膜蓄能器的太阳能单/双效切换吸收式制冷系统的整体结构原理示意图；
图2为本发明实施例1提供的采用膜蓄能器的太阳能单/双效切换吸收式制冷系统的结构原理示意图；
图3为本发明实施例2提供的采用膜蓄能器的太阳能单/双效切换吸收式制冷系统的结构原理示意图。
具体实施方式：
下面通过具体实施方式并结合附图对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
本实施例涉及采用膜蓄能器的太阳能单/双效切换吸收式制冷系统，其主体结构包括：太阳能集热器1、单效发生装置、双效发生装置、吸收式制冷系统和膜蓄能器2，其中单效发生装置分别与太阳能集热器1、吸收式制冷系统的低温溶液热交换器12和低压气液分离器8管道连接；双效发生装置分别与太阳能集热器1、吸收式制冷系统的低温溶液热交换器12和低压气液分离器8管道连接；膜蓄能器2的入口分别与吸收式制冷系统的蒸发器10和低温溶液热交换器12管道连接，膜蓄能器2的出口与吸收式制冷系统的吸收器11管道连接。
所述单效发生装置为单效发生器3，由太阳能集热器1加热后的热水驱动，单效发生器3为热水与稀溶液的热交换装置，热水在单效发生器3内对流入单效发生器3的稀溶液进行加热。制冷剂(水)在单效发生器3内以溴化锂-水稀溶液内溶剂的形式存在，被加热后的高温的稀溶液流入低压气液分离器8后发生出制冷剂(水)蒸汽。
所述双效发生装置由高压发生器4、高压气液分离器5、低压发生器6和高温溶液热交换器7组成，高压发生器4、高压气液分离器5和低压发生器6依次通过管道连接；高压发生器4与太阳能集热器1管道连接；高温溶液热交换器7分别与高压发生器4、高压气液分离器5、低压发生器6和吸收式制冷系统的低温溶液热交换器12管道连接；低压气液分离器也与吸收式制冷系统的低温溶液热交换器12管道连接。
所述太阳能集热器1与单效发生器3共同构成一个单效太阳能热水循环系统。热水在太阳能集热器1内被加热后进入单效发生器3，热水在单效发生器3内对来自低温溶液热交换器12的稀溶液进行加热。在单效发生器3内放热后的热水流回太阳能集热器，完成单效太阳能热水循环。
所述太阳能集热器1与高压发生器4共同构成一个双效太阳能热水循环系统。热水在太阳能集热器1内被加热后进入高压发生器4，热水在高压发生器4内对来自高温溶液热交换器7的稀溶液进行加热。在高压发生器4内放热后的热水流回太阳能集热器，完成双效太阳能热水循环。
所述吸收式制冷系统包括低压气液分离器8、冷凝器9、蒸发器10、吸收器11、低温溶液热交换器12和制冷剂泵13，冷凝器9与蒸发器10之间设置有第一节流阀14；吸收器11与低温溶液热交换器12之间设置有第二储液器15和溶液泵16；蒸发器10和制冷剂泵13直接还设置有第一储液器17，第一储液器17内存储制冷剂(水)液体。
制冷剂为水，制冷剂(水)循环过程为：制冷剂泵13为蒸发器10提供制冷剂，低压制冷剂(水)进入蒸发器10吸收冷冻水热量后蒸发，蒸发后的制冷剂(水)蒸汽进入吸收器11被吸收器11内的溴化锂-水浓溶液吸收，浓溶液被稀释后进入第二储液器15，经溶液泵16泵入低温溶液热交换器12，最后溴化锂-水溶液进入单效发生器3或低压发生器6，单效发生器3或低压发生器6内的溴化锂-水溶液被加热至发生温度，后进入低压气液分离器8内发生出制冷剂(水)蒸汽。制冷剂蒸汽进入冷凝器9与另一侧冷却水换热后，制冷剂(水)蒸汽冷凝成制冷剂(水)冷凝液，冷凝液经第一节流阀14节流降压后成为低压制冷剂(水)，低压制冷剂(水)进入蒸发器10吸收冷冻水热量后蒸发，实现制冷。蒸发后的制冷剂(水)蒸汽进入吸收器11被吸收器11内的溴化锂-水浓溶液吸收，然后制冷剂(水)以溴化锂-水溶液中的溶剂的形式完成循环。浓溶液被稀释后进入第二储液器15，经溶液泵16泵入低温溶液热交换器12和高温溶液热交换器7，低温溶液热交换器12和高温溶液热交换器7都是对吸收器11出口的低温溴化锂-水稀溶液进行预热从而预防低温溶液结晶。
所述膜蓄能器2为中国专利CN107362689A中的膜蓄能器，所述膜蓄能器2所储存的能量为热能，其蓄能原理为溶液浓度差蓄能，溶液浓度差即低压气液分离器8出口浓溶液与吸收器11出口稀溶液的浓度差，其工作原理为：膜蓄能器2分别与低温溶液热交换器12浓溶液出口和吸收器11以及蒸发器10相连，当太阳能充足时，第一电动阀18开启，来自低压气液分离器8出口的部分浓溶液从低温溶液热交换器12经第二节流阀19后进入膜蓄能器2，并储存在膜蓄能器2中，完成蓄能过程。此流动过程依据溶液浓度差蓄能原理，又叫作变质量能量的转换和储存原理，依靠该原理，将收集到的太阳能转换为溶液的化学势能，溶液的浓度越大，吸收制冷剂(水)蒸汽的潜力越大，在一个吸收式制冷系统中的制冷潜能就越大；当太阳能不足时，由于热量不足，被热水加热的高压发生器4和单效发生器3中的溶液不能够达到发生温度，因此在高压气液分离器5和低压气液分离器8中发生后的溶液浓度较低，吸收水蒸气的能力较弱，在吸收式制冷系统中的制冷潜能较小。第二电动阀20开启，储存在膜蓄能器2中的溶液浓度较高，制冷潜能大，进入吸收器11中完成吸收过程。吸收器11内溶液浓度过低或溶液流量过小，都会造成吸收器11中吸收制冷剂(水)蒸汽的能力减弱，吸收式制冷系统的吸收率降低。吸收率降低会导致制冷剂(水)蒸汽在吸收器11内无法被及时吸收而囤积，蒸汽囤积导致吸收器11以及与吸收器11通过蒸汽通道相连的蒸发器10内压力升高，从而导致蒸发速率减小，从而导致制冷效果减弱。当膜蓄能器2内溶液浓度过高或温度过低导致溶液结晶时，将蒸发器10内蒸汽通入膜蓄能器2，溶液吸收蒸汽后释放溶解热使结晶溶解。膜蓄能器2的作用是利用溶液浓度差蓄能原理实现热能与溶液化学势能的转换，在太阳能不足时也能够保证吸收器11内吸收过程的顺利进行，并利用半透膜结构进行溶晶，防止管路堵塞。
本实施例涉及的采用膜蓄能器的太阳能单/双效切换吸收式制冷系统还包括若干电动阀23和若干手动阀24，若干电动阀23的作用是实现吸收式制冷系统单、双效的切换及膜蓄能器2充、放能过程的自动控制，若干手动阀24是起到旁通和蒸汽疏水阀的作用。
本实施例涉及的采用膜蓄能器的太阳能单/双效切换吸收式制冷系统的单/双效切换发生在内部，当热源温度较低时，系统为单效运行，单效电动阀21开启，双效电动阀22关闭，热源驱动单效发生器3以完成制冷循环；当热源温度较高时，系统双效运行，单效电动阀21关闭，双效电动阀22开启，热源驱动高压发生器4以完成制冷循环。
实施例2：
本实施例为采用膜蓄能器的太阳能单/双效切换吸收式制冷系统的单效运行工作过程，参见图2，其具体流程为：
当太阳能集热器1加热后的热水温度低于130℃时，单效电动阀23开启，双效电动阀23关闭，系统为单效运行，经太阳能集热器1加热后的热水驱动单效发生器3，溴化锂-水溶液流经单效发生器3后加热至发生温度，后经低压气液分离器8进行发生过程，分离出的制冷剂(水)蒸汽进入冷凝器9，冷凝相变放热后成制冷剂(水)液体，制冷剂(水)液体经第二节流阀19节流降压后，进入蒸发器10，制冷剂(水)液体蒸发吸热成蒸汽，实现制冷；蒸汽随后进入吸收器11被吸收器11中的浓溶液吸收，后制冷剂(水)以溴化锂-水溶液中的溶剂的形式完成循环。
发生后的(低压气液分离器8分离蒸汽后的)浓度较高的溴化锂-水溶液经低温溶液热交换器12放热后进入吸收器11吸收来自蒸发器10的制冷剂(水)蒸汽后浓度降低，浓度较低的稀溶液流经溶液泵16后温度较低，为防止溴化锂-水溶液结晶，稀溶液进入低温溶液热交换器12，在低温溶液热交换器12内被低压气液分离器8出口的高温浓溶液加热，最后溴化锂-水溶液进入单效发生器3完成循环。热水在单效发生器3内对溴化锂-水溶液进行加热，放热后的热水流回太阳能集热器1后继续被加热。
实施例3：
本实施例涉及采用膜蓄能器的太阳能单/双效切换吸收式制冷系统的双效运行工作过程，参见图3，其具体流程为：
当太阳能集热器1加热后的热水温度高于130℃时，经集热器1加热后的热水驱动高压发生器4，溴化锂-水溶液流经高压发生器4后经高压气液分离器5进行气液分离，分离出的制冷剂(水)蒸汽，制冷剂(水)蒸汽进入低压发生器6对低压发生器6内溴化锂-水溶液进行加热，低压发生器6内溶液进入低压气液分离器8进行气液分离，分离出的制冷剂(水)蒸汽进入冷凝器9，冷凝相变放热后成制冷剂(水)液体，制冷剂(水)液体经第一节流阀14节流降压后，进入蒸发器10，制冷剂(水)液体蒸发吸热成蒸汽，实现制冷；蒸汽随后进入吸收器11被吸收器11中的浓溶液吸收，后制冷剂(水)以溴化锂-水溶液中的溶剂的形式完成循环。
发生后的(低压气液分离器8分离蒸汽后的)浓度较高的溴化锂-水溶液经低温溶液热交换器12放热后进入吸收器11吸收来自蒸发器10的制冷剂(水)蒸汽后浓度降低，浓度较低的稀溶液流经溶液泵16后温度较低，为防止溴化锂-水溶液结晶，稀溶液先进入低温溶液热交换器12，在低温溶液热交换器12内被低压气液分离器8出口的高温浓溶液加热。之后稀溶液再进入高温溶液热交换器7，在高温溶液热交换器7内被高压气液分离器5出口的高温浓溶液继续加热，最后溴化锂-水稀溶液进入高压发生器4完成循环。
实施例2与实施例3中的单效与双效运行，依赖于不同的热源温度，热源温度较高时，则系统为双效运行。双效运行时对高压气液分离器5产生的蒸汽进行冷凝热回收，由冷凝热再次驱动低压发生器6内溶液发生，获得双效制冷，同时获得更高的制冷性能系数。在单效和双效运行中，膜蓄能器2的工作原理相同。当太阳能充足时，第一电动阀18开启，部分经低压气液分离器8内发生出溶剂水后的浓度增大的溶液，浓溶液从低温溶液热交换器12经第二节流阀19后进入蓄能器2，并储存在膜蓄能器2中，完成蓄能过程。当太阳能不足时，第二电动阀20开启，储存在膜蓄能器2中的溶液浓度较高，制冷潜能大，进入吸收器11中完成吸收过程。
本发明的一种采用膜蓄能器的太阳能单/双效切换吸收式制冷系统具有提高太阳能利用率、延长制冷时间的优势。
Claims (4)
1.一种采用膜蓄能器的太阳能单/双效切换吸收式制冷系统，其特征在于，主体结构包括：太阳能集热器、单效发生装置、双效发生装置、吸收式制冷系统和膜蓄能器，其中单效发生装置分别与太阳能集热器、吸收式制冷系统的低温溶液热交换器和低压气液分离器管道连接；双效发生装置分别与太阳能集热器、吸收式制冷系统的低温溶液热交换器和低压气液分离器管道连接；膜蓄能器的入口分别与吸收式制冷系统的蒸发器和低温溶液热交换器管道连接，膜蓄能器的出口与吸收式制冷系统的吸收器管道连接；单效发生装置为单效发生器，由太阳能集热器加热后的热水驱动，单效发生器为热水与稀溶液的热交换装置；双效发生装置由高压发生器、高压气液分离器、低压发生器和高温溶液热交换器组成，高压发生器、高压气液分离器和低压发生器依次通过管道连接；高压发生器与太阳能集热器管道连接；高温溶液热交换器分别与高压发生器、高压气液分离器、低压发生器和吸收式制冷系统的低温溶液热交换器管道连接；低压气液分离器也与吸收式制冷系统的低温溶液热交换器管道连接；
膜蓄能器的工作原理为：当太阳能充足时，来自低压气液分离器的部分浓溶液从低温溶液热交换器经第二节流阀后进入膜蓄能器，并储存在膜蓄能器中，完成蓄能过程；溶液的浓度越大，吸收制冷剂蒸汽的潜力越大，在一个吸收式制冷系统中的制冷潜能就越大；当太阳能不足时，吸收式制冷系统的制冷潜能较小，储存在膜蓄能器中的溶液浓度较高，制冷潜能大，进入吸收器中完成吸收过程，实现制冷。
2.根据权利要求1所述的采用膜蓄能器的太阳能单/双效切换吸收式制冷系统，其特征在于，吸收式制冷系统包括低压气液分离器、冷凝器、蒸发器、吸收器、低温溶液热交换器和制冷剂泵，冷凝器与蒸发器之间设置有第一节流阀；吸收器与低温溶液热交换器之间设置有第二储液器和溶液泵；蒸发器和制冷剂泵之间还设置有第一储液器，第一储液器内存储制冷剂液体。
3.根据权利要求1所述的采用膜蓄能器的太阳能单/双效切换吸收式制冷系统，其特征在于，所述制冷剂为水；所述溶液为溴化锂-水溶液。
4.根据权利要求1所述的采用膜蓄能器的太阳能单/双效切换吸收式制冷系统，其特征在于，当热源温度较低时，系统为单效运行，热源驱动单效发生装置以完成制冷循环；当热源温度较高时，系统为双效运行，热源驱动双效发生装置以完成制冷循环。
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