CN114963611A - 一种海洋温差能制冷系统及制冷方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋温差能制冷系统及制冷方法，制冷系统包括制冷循环模块、储冷模块和海水循环模块；制冷循环模块采用压缩辅助多级蒸发吸收制冷循环，包括吸收器、溶液泵、溶液热交换器、具有气液分离功能的发生器、冷凝器、第一级过冷器、第二级过冷器、第一级制冷剂节流阀、第一级蒸发器、第二级制冷剂节流阀、第二级蒸发器、压缩机以及溶液节流阀；发生器由板式发生器和气液分离器串联构成；气液分离器内置带毛细自驱动疏液结构的除沫装置，除沫装置由外密内稀的多孔结构卷式丝网柱状吸液芯构成。本发明为热带岛屿冷库设施提供了一种“就地取能、海能海用”的可再生能源制冷模式，清洁、高效地解决了岛屿海产品冷冻冷藏制冷需求。

Description

一种海洋温差能制冷系统及制冷方法

技术领域

本发明涉及可再生能源的热转换领域，具体涉及一种海洋温差能制冷系统。

背景技术

海产品运输存储过程中通常面临巨大的制冷需求，传统依靠渔船动力制冷进行存储 输运的模式限制了渔船作业范围和渔业产量，既不高效又不环保，因此有必要建设以岛屿为节点的海上冷链物流体系。以南海岛屿作为远洋渔业运输的中转站，开发建设一个 中转冷库，既可以满足海产品冷冻冷藏需求，又可以避免渔船长途运输带来的低效率问 题。

常规的冷库制冷设施通常采用压缩式制冷循环和吸收式制冷循环。然而，以电驱动 的蒸汽压缩式制冷系统压缩机通常会消耗大量电能，这为能源供应紧张的南海偏远岛屿 带来了严峻挑战。对于吸收式制冷系统尽管电能消耗更少，但需要提供额外的热源。以化石燃料为热源的吸收式制冷系统显然是不利于海岛经济发展的，而以太阳能热驱动的吸收式制冷系统，则需要大面积的集热储热设施以克服其低密度、间歇性供能的缺点， 对陆地面积有限的海岛依然很不友好。考虑到海洋作为一种巨大的、免费的“太阳能储 热器”，利用海洋温差能作为驱动热源的吸收式制冷系统，对于岛礁冷库建设具有巨大 的开发利用价值和潜力。

海洋温差能是指海洋表层温海水和深层冷海水(水平面以下1000m处)之间由温差而导致的热能。它是一种蕴藏丰富、供能稳定的清洁可再生能源。日、美等国相继建 成海洋温差能示范电站，由此可见海洋温差能发电的在工程上是可行的。但是对于海洋 温差能转化利用岸基系统，通常需要沿大陆架长距离布置保温管道输送深层冷海水，由 此导致输送冷海水过程中能量损失较大，系统自耗大(约为系统发电量的40％)。为了 避免直接提升输送海洋内深层冷海水供给海洋温差能驱动吸收式制冷系统，造成的过大 的冷海水泵功耗，最佳的方式是利用海洋温差能电站排放的深层冷海水(通常7～11℃) 作为制冷系统冷源，利用其与表层温海水之间的温差作为吸收式制冷系统驱动热源，以 承担冷库基本制冷负荷。但是，由于海洋温差能固有的可用温差低(冷热源温差约为23℃ 左右)的缺陷，以单效氨水吸收式制冷循环为基础的海洋温差能制冷系统面临制冷温度 高(0℃左右)，难以应用于海产品冷冻冷藏需求的挑战。而且，又由于传统单效氨水吸 收式制冷机组普遍采用的管壳式发生器传热端差大，机组运行过程中温差传热不可逆损 失大，进一步降低了海洋温差能制冷系统热有效系数。此外，由于发生器中工质沸腾过 程产生的氨制冷剂蒸气通常携带有液体雾滴，实现制冷剂蒸气与液体雾滴之间的分离是 保证制冷循环可靠运行的必要前提。因此，吸收式制冷机组发生器出口通常与气液分离 器相连以实现气液分离。常规的气液分离器设计是基于离心分离、丝网过滤的原理，首 先通过向下旋流离心分离除去其中较大的液滴，然后汽流经上升管进入丝网除沫器以除 去夹带的雾沫。然而，传统的丝网除沫器存在液体返混现象(即，雾沫与丝网接触过程 中，在丝网节点逐渐汇聚成较大液滴，在重力的作用下，液滴下落与上升的汽流掺混)， 造成气液分离效率低、流动阻力损失大等问题，从而降低制冷机组效率。

还需要指出的是，对于岛屿冷链仓储冷库系统，冷库的制冷负荷需求随海产品补充 量和进出货量的变化而波动变化。而对于吸收式制冷机组，由于制冷循环是耦合溶液循环和制冷剂循环两个循环，任何一个循环的改变都会破坏另一个循环的稳定。从一个稳 态运行工况变化稳定至另一个稳态运行工况所需的时间较为漫长，因此制冷循环通常是 维持在额定制冷负荷下工作。即使可以变负荷工作，其变制冷负荷运行工况范围也十分 有限。为了匹配制冷机组制冷负荷和冷库制冷负荷需求，克服负荷需求在时间上的波动 性，制冷系统通常设置储冷设备存储冷量。其中，相变储冷器以其储能密度大、储能温 度稳定的优点成为储冷技术研究的热点。相变储能技术关键技术问题主要集中在相变材 料和储能结构上。一般来说，根据所需的储冷温度可以选择合适的相变储冷材料。在此 基础上，结合传热学、流体力学等学科知识进行储能结构优化，发展紧凑高效的相变储 冷换热器、强化冷输运过程中的能量转化效率是发展储冷技术亟需解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种海洋温差能制冷系统。海洋温差能制冷系统 采用压缩辅助的海洋温差能驱动并联多级蒸发吸收式制冷循环，所提出的制冷循环高效 利用了海洋温差能，可以获得多种低温下的冷量；此外，所提出的制冷系统，采用一种新型的具有毛细自驱动疏液结构除沫装置，该除沫装置能大幅提高气液分离器分离效率，减少气液分离过程阻力损失，提升制冷循环效率；同时，制冷系统采用一种优化的三维 层次流道结构的潜热储能器，既大大提高了储冷器的热有效性，又保证了制冷装置连续 稳定运行，达到高效储冷和节能作用，本发明的制冷系统面向热带岛屿低温制冷需求(冷 冻/冷藏需求)，实现海洋温差能低热力参数下的低温高效节能制冷。

本发明采用以下技术方案：

一种海洋温差能制冷系统，包括制冷循环模块、储冷模块和海水循环模块；所述制冷循环模块与所述海水循环模块连接，利用表层温海水和深层冷海水之间温差作为驱动热源，完成混合工质吸收-发生过程，实现制冷剂蒸汽热压缩过程；其特征在于：

所述制冷循环模块采用压缩辅助多级蒸发吸收制冷循环，包括吸收器、溶液泵、溶液热交换器、具有气液分离功能的发生器、冷凝器、第一级过冷器、第二级过冷器、第 一级制冷剂节流阀、第一级蒸发器、第二级制冷剂节流阀、第二级蒸发器、压缩机以及 溶液节流阀；所述具有气液分离功能的发生器由板式发生器和气液分离器串联构成；所 述气液分离器内置带毛细自驱动疏液结构的除沫装置，除沫装置由外密内稀的多孔结构 卷式丝网柱状吸液芯构成，实现雾沫的截留，截留聚集在丝网上的液体在毛细力的作用 下沿径向汇聚至气液分离器内壁面，并在重力的作用下沿壁面回落；所述溶液泵、溶液 热交换器冷流体侧及板式发生器工质侧依次连接形成氨水浓溶液回路，其中溶液泵用于 升压输送吸收器出口浓氨水溶液，随后浓氨水溶液进入溶液热交换器冷流体侧回收循环 内部热量，回热后的氨水浓溶液进入板式发生器与表层温海水换热形成气液两相混合物， 气相制冷剂从气液分离器上部气相出口流出，液态稀氨水从气液分离器下部液相出口流 出；所述气液分离器下部液相出口、溶液热交换器热流体侧、溶液节流阀、吸收器稀溶 液进口依次连接形成氨水稀溶液回路；所述气液分离器气相出口高温高压的制冷剂蒸汽 在冷凝器中与冷海水换热凝结形成液态制冷剂，在压差的驱动下，依次进入第一级过冷 器和第二级过冷器中与蒸发后的低温制冷剂换热降温，降温后的过冷液态制冷剂分流后 分别经过第一级制冷剂节流阀、第二级制冷剂节流阀减压进入第一级蒸发器、第二级蒸 发器中蒸发，产生制冷效应，其中，在第一级蒸发器中蒸发后的处在中间压力下的制冷 剂蒸汽，经过第一级过冷器回收冷量，而在第二级蒸发器中蒸发后的低压制冷剂蒸汽， 在第二级过冷器中回收冷量，第二级过冷器出口制冷剂蒸汽经压缩机升压至中间压力与 第一级过冷器出口制冷剂汇合，随后进入吸收器中被氨水稀溶液吸收，吸收过程释放的 热量由冷海水带走，确保形成氨水浓溶液。

本发明海洋温差能制冷系统的制冷循环模块，采用压缩辅助多级蒸发吸收制冷循环， 制冷循环利用单发生器、单吸收器、多组并联蒸发器实现多蒸发压力(对应不同制冷温度)同时运行，其中高压蒸发制冷循环(制取高温冷量)完全由海洋温差能驱动，并联 的低压蒸发制冷循环(制取低温冷量)梯级耦合了海洋温差能热驱动吸收制冷循环和机 械压缩制冷循环，通过机械压缩辅助，弥补了海洋温差能热驱动吸收-发生热压缩过程 中冷热源温差低导致低压气态制冷剂压力提升不足的劣势，进一步降低制冷循环制冷剂 蒸发压力，实现了制冷温度可调、可控、不受热驱动过程冷热源温差限制；所述的制冷 循环模块内置一种带毛细自驱动疏液结构除沫装置的气液分离器，所述的除沫装置由外 密内稀的多孔结构卷式丝网柱状吸液芯构成，使得除沫装置截留的雾沫在毛细力的作用 下由内向外沿径向流动至气液分离器内壁面，并沿着金属壁面回流，避免了除沫装置聚 集的液滴直接掉落与上升的蒸汽混合(即液体返混：雾沫与丝网接触过程中，在丝网节 点逐渐汇聚成较大液滴，在重力的作用下，液滴下落与上升的汽流掺混)，提升了气液 分离效率，降低了流动阻力损，从而提高制冷机组效率；所述储冷模块采用三维层次流 道结构的潜热储能器，存储所述制冷循环模块在低制冷负荷下多余的制冷量，弥补高制 冷负荷下所述制冷循环模块制冷量不足劣势，实现制冷系统在所述制冷循环稳定运行条 件下制冷负荷的动态调控，通过设置储冷模块，提前储存冷量，小机组可实现短时大制 冷量供应需求；所述海水循环模块用于输送表层温海水和深层冷海水，分别作为所述制 冷循环模块的热源和冷源，其中进行海水换热的换热器使用石墨烯包裹钛纳米离子膜板 式换热器，可实现防腐防结垢，保护海水侧换热效果；所述的海洋温差能制冷系统直接 利用海洋温差能发电系统排放的深层冷海水，实现冷海水的综合利用，避免了长距离提 升输送深层冷海水的能量消耗。

进一步的，所述气液分离器设置有气液混合工质入口、气相出口和液相出口的壳体，以及位于壳体内部的隔板、旋流导向板、旋流换向管、带毛细自驱动疏液结构的丝 网除沫装置、导液管、挡液板；隔板倾斜固定在壳体内壁面上，将气液分离器分隔成离 心分离室和丝网除沫室，其中气液混合工质从隔板以下入口进入离心分离室，在固定在 旋流换向管外壁和壳体内壁之间的旋流导向板的作用下形成自上而下的旋流，受到离心 力较大的液滴沿径向分离并顺着壳体内壁滑落；旋流换向管竖直贯穿并伸出隔板一段， 离心分离后的蒸汽顺着旋流换向管从离心分离室上升进入丝网除沫室，并通过丝网除沫 装置实现气液完全分离；丝网除沫装置嵌入多孔结构的卷式丝网柱状吸液芯，所述的吸 液芯式是由不同目数(1英寸长度拥有的孔数)的片状铜丝网组成；所述的丝网以气液 分离器中心轴线为轴心旋转包裹形成的柱状结构，其中，远离中心轴线的丝网目数越高， 丝网密集，网孔越小，对应吸液芯的毛细抽吸力越大；蒸汽中的雾沫首先被丝网截流聚 集形成液滴，然后在毛细抽吸力的作用下沿径向扩散至外侧，最终顺着壳体内壁和隔板 流入导液管，这样便可以避免截留的液体在重力作用下直接下落与上升气流混合，从而 提升气液分离效率。

进一步的，所述储冷模块由一种三维层次流道结构的潜热储能器构成，通过控制载 冷剂的流动实现冷量的存储和释放，所述的潜热储能器包括三维层次流道、相变材料和保温外壳，其中相变材料填充在保温外壳和三维层次流道外壁之间的相变材料填充区域；所述的潜热储能器为卧式布置(即潜热储能器轴线保持水平)；所述的三维层次流道由 构形换热流体管束、主连通管道和支连通管道构成，所述的构形换热流体管束沿潜热储 能器轴线呈平行层状排列，换热流体管束在每一层上布置多级分叉连接管道，在每一层 所述的换热管束内，换热管通过分叉产生越来越多的分支，使得载冷剂与管道对流换热 面积大幅增加；此外，换热流体管束每一层的多级分叉连接管道呈“上稀下密”的层次 布局，轴线以下的下部区域换热管的布置较为密集，下部区域载冷剂与相变材料之间的 传热面积较大，加强了相变材料熔化/凝固过程的热传导，轴线以上的上部区域换热管 的布置相对较稀疏，强化了熔化后期相变材料的自然对流，这是由于相变材料熔化过程， 随着液相相变材料份额不断增长，上部区域自然对流逐步取代热传导成为主导的热传输 机制；综上，三维层次流道结构的潜热储能器既强化了蓄冷过程(相变材料凝固过程) 下部相变材料导热性能，又缓解了释冷过程(即相变材料熔化过程)上部相变材料自然 对流衰减速率，整体提升了储能器蓄冷、释冷性能；所述的换热流体管束通过主/支连 通管道连接实现层与层之间的连接，所述的主连通管道至少为两段，且在相邻两段的相 向两端布置构形换热流体管束，主连通管道连接构形换热流体管束的第一级分叉连接管 道，支连通管道连接两端构形换热流体管束的末级分叉连接管道末梢，主连通管道和支 连通管道平行，且垂直于分叉连接管道；所述的分叉连接管至少为两级且每级分叉至少 含有两个分叉管道，分叉连接管道每一级管径和管长逐级递减，且相邻两级分叉管道管 径和管长之比分别为N-1/Δ和N^-1/d，其中：N为每级分叉管道数目，直径维数Δ在区间 [N，N+1]取值，长度维数d取为1到2之间的实数。

进一步的，所述海水循环模块包括温海水泵、冷海水泵和冷海水分配管路，温海水泵输送表层温海水进入板式发生器中，作为热源释放热量；冷海水泵输送深层低温冷海水，并通过冷海水分配管路分别进入吸收器和冷凝器，作为冷源吸收热量。

进一步的，换热器海水侧采用石墨烯包裹钛纳米离子膜包覆结构，可实现防腐防结 垢，保护换热效果。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明基于“海能海用，就地取能”的思想，提出一种海洋温差能制冷系统， 利用海洋温差能热驱动压缩辅助吸收式制冷循环进行低温制冷，满足用户侧制冷负荷， 并将额外的冷量存储在储冷模块中，保证制冷机组稳定、连续、高效地运行。

2、制冷循环模块有机地耦合了吸收式制冷循环和压缩制冷循环，通过压缩机进一步降低蒸发压力，克服了海洋温差能低热参数下制冷温度高的挑战，极大地降低了制冷 系统所能实现的制冷温度，拓展了制冷系统的应用范围。

3、针对传统丝网过滤原理的气液分离器可能出现的液体返混现象，提出一种内置毛细自驱动疏液结构除沫装置的气液分离器，除沫装置由外密内稀的多孔结构卷式丝网柱状吸液芯构成，截留的雾沫在毛细力的作用下由内向外沿径向流动至气液分离器内壁面，并沿着金属壁面回流，避免了除沫装置聚集的液滴直接掉落与上升的蒸汽混合，同 时减少了蒸汽上升的阻力。

4、针对储冷模块，提出一种三维层次流道结构的潜热储能器，强化了蓄冷过程中相变材料导热性能，缓解了释冷过程相变材料自然对流衰减速率，整体提高了储能器蓄冷、释冷性能。

5、制冷系统可以与其他海洋温差能转化利用系统梯级耦合实现冷海水的复合利用， 即制冷系统直接以表层温海水作为驱动热源，以海洋温差能电站排放冷海水作为低温冷 源，避免了长距离提升输送海洋内深层冷海水所需的能量损耗。

附图说明

图1是本发明实施例制冷系统整体结构示意图；

图2是本发明实施例南海海水温度随垂直深度的变化示意图；

图3是本发明实施例海洋温差能热驱动压缩辅助吸收式制冷循环原理图；

图4是本发明实施例海洋温差能热驱动压缩辅助吸收式制冷循环温压图；

图5是本发明实施例气液分离器结构示意图；

图6是本发明实施例除沫装置工作原理图；

图7是本发明实施例潜热储能器结构示意图；

图8是本发明实施例三维层次流道单层构形换热流体管束结构示意图；

图9是本发明实施例潜热储能器三维层次流道换热管束工作原理图；

图10是本发明实施例用户冷库设施制冷负荷需求动态变化特性示意图。

其中：TD1-南海1月份海水温度随深度变化；TD2-南海7月份海水温度随深度变化；101-制冷循环模块；102-吸收器；103-溶液泵；104-溶液热交换器；105-板式发生器；106-气液分离器；107-冷凝器；108-第一级过冷器；109-第二级过冷器；110-第一级节流阀；111-第一级蒸发器；112-第二级节流阀；113-第二级蒸发器；114-压缩机；115-溶液 节流阀；116-表层温海水；117-深层冷海水；118-温海水泵；119-冷海水泵；120-表层温 海水管道；121-深层冷海水管道；122-管道固定夹套；123-高温载冷剂；124-低温载冷 剂；201-气液分离器两相工质入口；202-气液分离器气相出口；203-气液分离器液相出 口；204-隔板；205-旋流导向板；206-旋流换向管；207-丝网除沫装置；208-导液管；209- 挡液板；210-轴心区域小目数丝网吸液芯；211-夹心区域中目数丝网吸液芯；212-外缘 区域大目数丝网吸液芯；213-蒸汽；214-液体；301-潜热储能器；302-主连通管道；303- 支连通管道；304-换热流体管束；305-相变材料；306-保温筒体；307-相变材料注入口； 308-分叉节点；309-分叉连接管；401-冷库冷藏室；402-冷库冷冻室；501-大陆架；502- 海平面；S1-吸收器出口浓溶液状态点；S2-溶液泵出口浓溶液状态点；S3-板式发生器入 口浓溶液状态点；S4-板式发生器出口制冷剂气液两相状态点；S5-气液分离器气相出口 制冷剂状态点；S6-冷凝器出口制冷剂状态点；S7-第一级过冷器热侧流体出口状态点； S8-第二级过冷器热侧流体出口状态点；S9-第一级制冷剂节流阀出口状态点；S10-第一 级蒸发器出口制冷剂状态点；S11-第一级过冷器冷侧流体出口状态点；S12-第二级制冷 剂节流阀出口状态点；S13-第二级蒸发器出口制冷剂状态点；S14-第二级过冷器冷侧流 体出口状态点；S15-压缩机出口制冷剂状态点；S16-气液分离器液相出口稀溶液状态点； S17-溶液热交换器热侧出口稀溶液状态点；S18-溶液节流阀出口稀溶液状态点；P-压力； T-温度；t-时间；Q_ref-制冷量。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用 于解释本发明，并不构成对本发明的保护范围的限定。

图1展示了一种适用于热带岛屿冷库设施的海洋温差能制冷系统，包括海水循环模 块、利用表层温海水和深层冷海水之间温差所构成的海洋热能驱动的制冷循环模块101和储存冷量的储冷模块，其中，制冷循环装置101、储冷模块和用户侧冷库设施(冷藏 室401和冷冻室402通过载冷剂有机结合，实现绿色高效的制冷。

海水循环模块包括温海水泵118、冷海水泵119和对应的海水分配管路，温海水泵118通过表层温海水管道120输送表层温海水116作为制冷装置热源，冷海水泵119通 过冷海水管道121输送深层冷海水117作为制冷装置热源，其中冷海水管道121通过定 位夹套122沿着大陆架501敷设并延伸至海底深处[通常在距海平面(502)600m以下]。

制冷循环模块101采用压缩辅助吸收式制冷循环装置。

储冷模块采用一种三维层次流道结构的潜热储能器301，通过控制载冷剂在储冷装 置中的流向以控制其蓄冷、释冷过程，储冷模块用以匹配制冷装置制冷量和用户侧冷库设施制冷量需求，以保证制冷系统稳定高效运行。制冷系统不仅可以抽取深层冷海水作 为冷源，还可以直接利用岸基海洋温差能电站排放的冷海水(温度通常为7～11℃)作为 冷源，如此便可以避免长距离提升输送海洋内深层冷海水所需的能量损耗，实现深层冷 海水的温度梯级利用。

图2展示了南海海水温度随垂直深度的变化，海水温度随着垂直深度的增加而降低， 其中表层海水(海平面以下0～50m处)温度常年维持在25℃以上，深层海水(600m以下)温度常年低于7℃，制冷循环装置利用表层海水和深层海水之间温度差所蕴藏的热 能进行制冷。

图3给出了海洋温差能热驱动压缩辅助吸收式制冷循环原理图，制冷循环采用非共 沸氨水混合工质；吸收器102、溶液泵103、溶液热交换器104冷侧及板式发生器105 依次连接形成氨水浓溶液回路；由于氨和水的沸点差距，氨水浓溶液在板式发生器105 中从温海水116中吸收热量而挥发出浓度较高的制冷剂蒸汽(氨浓度高于99.9％wt.)， 并形成浓度较低的稀氨水溶液，板式发生器105出口的气液两相混合工质在气液分离器 106中完成气液分离；气液分离器106液相出口、溶液热交换器104热侧、溶液节流阀 115依次连接形成稀溶液回路；气液分离器气相出口气态制冷剂经冷凝器107与深层冷 海水117换热凝结成饱和液态制冷剂；饱和液态制冷剂依次经过第一级过冷器108和第 二级过冷器109实现过冷；过冷的液态制冷剂分流并联进入第一级制冷剂节流阀110和 第二级制冷剂节流阀112节流降压至中间压力和低压，而后在第一级蒸发器111和第二 级蒸发器113中完全蒸发产生制冷效应；载冷剂分别经过第一级蒸发器111和第二级蒸 发器113形成高温载冷剂123和低温载冷剂，以满足冷库冷藏室401和冷冻室402冷量 需求；中压蒸发和低压蒸发后的制冷剂分别进入第一级过冷器108和第二级过冷器109 过冷液态制冷剂，其中处于低压状态的气态制冷剂在经过第二级过冷器109后由压缩机 114升压至中间压力后，与第一级过冷器出口的气态制冷剂混合进入吸收器102中，并 最终被稀溶液吸收完全，吸收过程释放的热量由深层冷海水117带走。

图4展示了上述海洋温差能热驱动压缩辅助吸收式制冷循环各状态点的温度压力变 化。

图5展示了带毛细自驱动疏液结构除沫装置的气液分离器，气液分离器结合了离心 分离和丝网过滤原理，并采用一种新型的带毛细自驱动疏液结构除沫装置。气液两相混合工质首先从入口201进入离心分离室，在隔板204和旋流导向板205的作用下形成自 上而下的旋流，受到离心力较大的液体沿径向分离并顺着壳体内壁滑落汇集至下部液相 出口，位于离心分离室内下部离心分离后的蒸汽经旋流换向管(206)上升进入丝网除 沫室，并通过丝网除沫装置207实现气液完全分离。与常规单独依靠丝网过滤原理的气 液分离器不同，气液分离器除沫装置由外密内稀的多孔结构卷式丝网柱状吸液芯构成， 可以避免出现气液分离过程中液体返混现象。

图6给出了除沫装置的工作原理图，除沫装置嵌入多孔结构吸液芯。考虑到铜材质具有较优的表面润湿能力，因此吸液芯采用不同目数的片状铜丝网绕气液分离中心轴线旋转包裹形成。为了保证液体在吸液芯上具有优良的扩散特性，需要确保丝网填料具有 足够的目数。液体在吸液芯从轴心区域向外缘区域径向的流动主要依靠与丝网表面垂直 的毛细压头，毛细压头主要受到丝网网孔尺寸的影响(即ΔP＝2σ/ω，其中ΔP是与丝网 表面垂直的毛细压头，σ是液体表面张力，ω是丝网网孔尺寸)，丝网网孔尺寸越小，垂 直丝网表面的毛细压头越大，丝网吸液芯径向的抽吸力越大。如图6所示，由轴心区域 至外缘区域丝网目数逐渐增大，表现出的毛细抽吸作用也越强，因此在丝网上凝结的液 体214在毛细抽吸作用下沿轴心区域径向流动至外缘区域，并顺着壳体内壁流走，如此 便能够避免液体垂直滴下形成的返混现象，提升了气液分离效率，同时又降低了流动阻 力。

在图6所示的除沫装置中，采用具有三个目数的片状铜丝，三个目数分别为40、80、200，根据公式ΔP＝2σ/ω得到所述丝网对应的垂直丝网表面的毛细压头为570Pa、900Pa和2157Pa。

图7展示了本发明提出的三维层次流道结构的潜热储能器结构示意图，潜热储能器 为卧式布置(即潜热储能器轴线保持水平)，主要由三维层次流道、相变材料305和保 温外壳306等组成。潜热储能器储冷/释冷过程主要通过控制载冷剂在三维层次流道管 内的流动实现。三维层次流道主要包括主连通管道302、支连通管道303和构形换热流 体管束304；构形换热流体管束304沿壳体轴线平行层状排列，且通过主/支连通管道连 接实现层与层之间的连接；主连通管道302至少为两段，且在相邻两段的相向两端垂直 布置第一级分叉连接管道；支连通管道连接末级分叉连接管道，且与主连通管道平行。

图8展示了本发明潜热储能器三维层次流道单层构形换热流体管束结构示意图，通 过布置分叉连接管道，使得载冷剂与相变材料之间的传热面积大幅增加，强化了相变材料熔化/凝固过程的热传导；此外，从图中可以看出，分叉连接管道在每一层呈“上稀 下密”层次布局，需要指出的是，释冷过程后期(即相变材料熔化后期)，随着液相相 变材料份额不断增长，上部区域自然对流逐步取代热传导成为主导的热传输机制，因此， 上疏下密层次布局的树状流道管束可以缓解相变材料熔化后期上部相变材料自然对流 衰减速率，提升相变材料熔化释冷速率。

图9给出了潜热储能器三维层次流道换热管束工作原理图，主连通管道302用来连接换热管束层与层之间的初级分叉节点，支连通管道303用来连接换热管束层与层之间 的分叉结构末梢。如图9所示，主连通管道被分成了三段，所以形成了4层构形换热流 体管束。需要指出的是，主连通管道可以被分成2～N段(N为大于2的整数)，这样就 会形成(N-1)×2层构形换热流体管束，树状层数越多，储释冷速率越快。

图10展示了用户冷库设施制冷负荷需求动态变化特性，用户冷库设施的制冷负荷由海产品补充量及进出货量决定，当进出货量稳定时，用户冷库设施长时稳定在较低的 制冷负荷，此时制冷负荷主要承担环境向系统散热、系统通风换热、货物冻结存储自身 热量以及系统电机散热决定；当海产品瞬时补充量大于额定量时(t₀时刻)，由于进出 货物净量大幅增加，用户冷库设施短时间需要较高的制冷负荷以实现海产品冻结，之后， 在进出货量恢复稳定后，用户冷库设施的制冷负荷又稳定在较低的制冷负荷(一般在额 定负荷的±20％之间波动)。

上述实施例的具体工作过程如下：

如图1所示，制冷系统直接抽取表层温海水作为热源，深层冷海水作为冷源，利用表层温海水和深层冷海水之间的温差驱动制冷循环装置101进行制冷。图2展示了南海 海水温度随垂直深度的变化，海水温度随着垂直深度的增加而降低，其中表层海水(海 平面以下0～50m处)温度常年维持在25℃以上，深层海水(600m以下)温度常年低于 7℃。

海洋温差能驱动压缩辅助吸收式制冷循环的具体过程如下：

海洋温差能制冷系统采用一种海洋温差能驱动压缩辅助吸收式制冷循环，如图3所 示，氨水浓溶液在溶液泵103的驱动下升压进入溶液热交换器预热(状态点3)，预热后的氨水浓溶液进入板式发生器105中与表层温海水换热形成气液两相混合物(状态点 S4)，随后气液两相混合物在气液分离器106中分离出气态制冷剂蒸汽(状态点S5)和 氨水稀溶液(状态点S16)；冷剂蒸汽在冷凝器107中与冷海水117换热凝结形成液态 制冷剂(状态点S6)，在压差的驱动下，依次进入第一级过冷器108和第二级过冷器109 中与蒸发后的低温制冷剂换热降温，降温后的过冷液态制冷剂(状态点S8)分流后分 别经过第一级制冷剂节流阀110、第二级制冷剂节流阀112减压进入第一级蒸发器111、 第二级蒸发器113中蒸发，产生制冷效应；制冷剂在第一级蒸发器中蒸发压力较高，蒸 发温度也较高，产生的载冷剂123温度较高，可用于冷库冷藏室401，而在第二级蒸发 器中蒸发压力较低，蒸发温度也较低，产生的载冷剂124温度较低，可用于冷库冷冻室 402；在第一级蒸发器111中蒸发后的处在中间压力下的制冷剂蒸汽(状态点S10)，经过 第一级过冷器108回收冷量，而在第二级蒸发器113中蒸发后的低压制冷剂蒸汽(状态 点S13)，在第二级过冷器109中回收冷量，第二级过冷器109出口制冷剂蒸汽(状态 点S14)经压缩机114升压至中间压力与第一级过冷器108出口制冷剂汇合，随后进入 吸收器102中被回热降压后的氨水稀溶液(状态点S18)吸收，吸收过程释放的热量由 冷海水117带走，确保形成氨水浓溶液(状态点S1)；氨水浓溶液继续由工质泵103输 送进入发生器，如此循环往复。

以南海海域为例，供给制冷循环装置的热源(表层温海水116)温度为28℃，冷源(深层冷海水117)温度为7℃；制冷系统设计同时制取0℃和-15℃制冷温度下各10kW 的制冷量。

制冷循环模块，采用氨水溶液作为循环工质。氨水浓溶液在溶液泵103驱动下升压至0.68MPa，而后在溶液热交换器104中预热至19℃后进入板式发生器105与28℃的 表层温海水116逆流换热，形成温度25℃、压力0.65MPa的制冷剂蒸汽和氨水稀溶液 的气液两相混合物，并在气液分离器106中实现气液分离；温海水116在板式发生器105 中放热，温度降低2℃；气液分离器106液相出口的氨水稀溶液经过溶液热换器104回 收热量后，温度降低至16.5℃，随后经过溶液节流阀115降压至0.466MPa后进入吸收 器102吸收氨气并向冷海水117释放热量形成12℃的饱和氨水浓溶液，其中，吸收器中 冷海水温升设计为2℃；气液分离器气相出口的高温高压制冷剂(温度25℃，压力0.65 MPa，氨质量浓度99.96％wt)在冷凝器中与7℃的深层冷海水逆流换热，冷海水在冷凝 器内温升设计为2℃；冷凝后的液态制冷剂经过第一级过冷器降温至10℃，而后经过第 二级过冷器进一步降温至6℃；过冷后的液态制冷剂分流部分进入第一级制冷剂节流阀 110降压至中间压力0.466MPa，并在第一级蒸发器中完全蒸发产生制冷效应，对应的制 冷温度为0℃；剩余液态制冷剂则进入第二级制冷剂节流阀112降压至低压0.236MPa， 并在第二级蒸发器中完全蒸发产生制冷效应，对应的制冷温度为-15℃；第一级和第二 级蒸发器蒸发后的制冷剂蒸汽分别进入第一级过冷器和第二级过冷器预冷液态制冷剂， 其中低压制冷剂蒸汽经过预冷器后，在压缩机的作用下升压至中间压力0.466MPa，而 后与中压制冷剂蒸汽混合进入吸收器中被氨水稀溶液吸收形成氨水浓溶液。海洋温差能 驱动压缩辅助吸收式制冷循环各状态点位置如图4所示，对应的热力学参数如表1所示。

表1海洋温差能驱动压缩辅助吸收式制冷循环主要状态点热力学参数

根据表1的热力学参数可知，制冷循环的循环倍率f为：

其中，ξ₁₆、ξ₁、ξ₅分别为发生终了稀氨水溶液、吸收终了浓氨水溶液以及冷凝开始气态 氨制冷剂的浓度。

设计制冷温度0℃和-15℃下对应的制冷量E均为10kW，则进入第一级和第二级蒸发器中氨制冷剂流量m_NH3,1和m_NH3,2应分别为：

其中，h_j表示制冷循环状态点j的焓值，h_s9和h₅₁₀分别是第一级蒸发器111进口和出口 制冷剂焓值，h_s12和h_s13分别是第二级蒸发器113进口和出口制冷剂焓值。

因此，浓氨水溶液的循环质量流量m_NH3·H2O为：

m_NH3·H2O＝f·(m_NH3,1+m_NH3,2)＝0.11298kg/s

进一步根据状态点焓值变化计算制冷循环主要设备热负荷或功耗，发生器热负荷Q_g为：

Q_g＝(m_NH3,1+m_NH3,2)·[h_s5-h_s3+(f-1)·(h_s16-h_s3)]

＝(0.00789+0.00798) ·(-2723.86-(-7057.33)+(7.119-1)·(-7527.8-(-7057.33)))

＝23kW

其中，h_s3是发生器进口浓氨水焓值，h_s5是发生器气相出口制冷剂焓值，h_s16是发生器 液相出口稀氨水溶液焓值

考虑换热器15％的散热损失，因此，所需的温海水流量m_SWS为：

其中，c_p是海水的比热容，ΔT是温海水在换热器中的温降，γ是换热器的散热损失。

吸收器热负荷Q_a为：

Q_a＝m_NH3,1·(h_s11-h_s1)+m_NH3,2·(h_s15-h_s1)+(m_NH3,1+m_NH3,2)·(f-1) ·(h_s18-h_s1)

＝0.00789·(-2751.81-(-7090.07))+0.00798 ·(-2630.82-(-7090.07))+(0.00789+0.00798)·(7.119-1) ·(-7565.42-(-7090.07))＝23kW

其中，h_s1是吸收器102出口浓氨水焓值，h_s11是第一级过冷器出口气态制冷剂焓值，h_s15是压缩机114出口气态制冷剂焓值，h_s18是溶液节流阀115出口稀氨水溶液焓值。

冷凝器热负荷Q_c为:

Q_c＝(m_NH3,1+m_NH3,2)·(h₅-h₆)＝(0.00789+0.00798)·(-2723.86-(-4008.30))

＝20kW

其中，h₅是发生器出口气相制冷剂(即冷凝器进口气相制冷剂)焓值，h₆是冷凝器出口 液态制冷剂焓值。

所需的冷海水流量为m_DCS为：

压缩机功耗W_compr为:

其中，η_compr是压缩机效率。

制冷循环工质侧循环功耗主要包括压缩机和溶液泵功耗，由于溶液泵输入功较小， 因此热平衡计算中可忽略不计。对于冷热源侧，还需考虑海水泵的输送功耗，若以温差能电站排放的冷海水作为冷源，则不需要考虑长距离提升输送深层冷海水的能量损耗， 只需要考虑海水在工厂内部的能量损耗。因此，本计算例中以海洋温差能电站冷排水直 接作为制冷系统冷源，冷海水泵的能量损耗主要用于克服工厂内部海水分配管道以及换 热器的流动阻力。在设计工厂内部海水分配管道以及换热器时，保证温海水和冷海水侧 的总损失水头都是4m，因此，温海水泵和冷海水功耗W_pump,SWS和W_pump,DCS分别为：

式中，g是重力加速度，H_sWS和H_DCS分别是海水侧和冷水侧的总损失水头，η_pump是 泵效率。

表2海洋温差能驱动压缩辅助吸收式制冷循环主要部件热负荷和功耗

本发明实施例中展示了10kW海洋温差能驱动压缩辅助吸收式制冷装置的具体设计参数，设计技术参数可以是但不限于实施例，设计过程中要结合以下因素：1)结合 实际海域表层文海随温度、可利用的深层冷海水温度和系统所需的制冷温度进行循环热 力设计，确保循环热力性能最优；2)冷海水的温度随深度的增加而增加，更低的冷海 水温度意味着更高的冷热源温差，相同情况下，压缩机的功耗也会越小，但这也会导致 冷海水管材成本的增加和冷海水输送功耗的增加；3)若依托现有的海洋温差能电站， 可利用其排放的深层冷海水(依然具有8～11℃的低温)作为制冷系统冷源，可大幅节省 管道投资成本和海水输送功耗，提升系统整体经济性。

本发明旨在提出一种有利于构建以岛屿为节点的绿色节能冷链物流体系的利用海 洋温差能的制冷系统，通过有机结合热驱动吸收式制冷技术和机械压缩制冷技术，实现“低品位”海洋热能驱动下的压缩辅助吸收式制冷循环高效制冷；通过潜热储能技术， 控制储冷装置对冷量的吸收以及释放，实现制冷负荷的动态调控，降低运营成本。对岛 屿制冷技术提供了有力的技术支撑。

上述具体实施方式，仅为说明本发明的技术构思和结构特征，目的在于让熟悉此项 技术的相关人士能够据以实施，但以上内容并不限制本发明的保护范围，凡是依据本发明的精神实质所作的任何等效变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种海洋温差能制冷系统，包括制冷循环模块、储冷模块和海水循环模块；所述制冷循环模块与所述海水循环模块连接，利用表层温海水和深层冷海水之间温差作为驱动热源，完成混合工质吸收-发生过程，实现制冷剂蒸汽热压缩过程；其特征在于：

所述制冷循环模块采用压缩辅助多级蒸发吸收制冷循环，包括吸收器、溶液泵、溶液热交换器、具有气液分离功能的发生器、冷凝器、第一级过冷器、第二级过冷器、第一级制冷剂节流阀、第一级蒸发器、第二级制冷剂节流阀、第二级蒸发器、压缩机以及溶液节流阀；所述具有气液分离功能的发生器由板式发生器和气液分离器串联构成；所述气液分离器内置带毛细自驱动疏液结构的除沫装置，除沫装置由外密内稀的多孔结构卷式丝网柱状吸液芯构成，实现雾沫的截留，截留聚集在丝网上的液体在毛细力的作用下沿径向汇聚至气液分离器内壁面，并在重力的作用下沿壁面回落；所述溶液泵、溶液热交换器冷流体侧及板式发生器工质侧依次连接形成氨水浓溶液回路，其中溶液泵用于升压输送吸收器出口浓氨水溶液，随后浓氨水溶液进入溶液热交换器冷流体侧回收循环内部热量，回热后的氨水浓溶液进入板式发生器与表层温海水换热形成气液两相混合物，气相制冷剂从气液分离器上部气相出口流出，液态稀氨水从气液分离器下部液相出口流出；所述气液分离器下部液相出口、溶液热交换器热流体侧、溶液节流阀、吸收器稀溶液进口依次连接形成氨水稀溶液回路；所述气液分离器气相出口高温高压的制冷剂蒸汽在冷凝器中与冷海水换热凝结形成液态制冷剂，在压差的驱动下，依次进入第一级过冷器和第二级过冷器中与蒸发后的低温制冷剂换热降温，降温后的过冷液态制冷剂分流后分别经过第一级制冷剂节流阀、第二级制冷剂节流阀减压进入第一级蒸发器、第二级蒸发器中蒸发，产生制冷效应，其中，在第一级蒸发器中蒸发后的处在中间压力下的制冷剂蒸汽，经过第一级过冷器回收冷量，而在第二级蒸发器中蒸发后的低压制冷剂蒸汽，在第二级过冷器中回收冷量，第二级过冷器出口制冷剂蒸汽经压缩机升压至中间压力与第一级过冷器出口制冷剂汇合，随后进入吸收器中被氨水稀溶液吸收，吸收过程释放的热量由冷海水带走，确保形成氨水浓溶液。

2.如权利要求1所述的海洋温差能制冷系统，其特征在于：所述储冷模块采用三维层次流道结构的潜热储能器，存储所述制冷循环模块在低制冷负荷下多余的制冷量，弥补高制冷负荷下所述制冷循环模块制冷量不足劣势，实现制冷系统在所述制冷循环稳定运行条件下制冷负荷的动态调控，通过设置储冷模块，提前储存冷量，小机组可实现短时大制冷量供应需求。

3.如权利要求1所述的海洋温差能制冷系统，其特征在于：所述海水循环模块用于输送表层温海水和深层冷海水，分别作为所述制冷循环模块的热源和冷源，其中进行海水换热的换热器使用石墨烯包裹钛纳米离子膜板式换热器。

4.如权利要求1所述的海洋温差能制冷系统，其特征在于：所述气液分离器包括设置有气液混合工质入口、气相出口和液相出口的壳体，以及位于壳体内部的隔板、旋流导向板、旋流换向管、丝网除沫装置、导液管和挡液板；所述隔板倾斜固定在壳体内壁面上，将气液分离器分隔成离心分离室和丝网除沫室，其中气液混合工质从隔板以下入口进入离心分离室，在固定在旋流换向管外壁和壳体内壁之间的旋流导向板的作用下形成自上而下的旋流，受到离心力较大的液滴沿径向分离并顺着壳体内壁滑落；旋流换向管竖直贯穿并伸出隔板一段，离心分离后的蒸汽顺着旋流换向管从离心分离室上升进入丝网除沫室，并通过丝网除沫装置实现气液完全分离；丝网除沫装置嵌入多孔结构的卷式丝网柱状吸液芯，所述的吸液芯式是由不同目数的片状铜丝网组成；所述丝网以气液分离器中心轴线为轴心旋转包裹形成柱状结构，其中，远离中心轴线的丝网目数越高，丝网越稀疏，网孔越大，对应吸液芯的毛细抽吸力越大；蒸汽中的雾沫被丝网截流聚集形成液滴，在毛细抽吸力的作用下沿径向扩散至外侧，最终顺着壳体内壁和隔板流入导液管。

5.如权利要求2所述的海洋温差能制冷系统，其特征在于：所述潜热储能器，包括三维层次流道、相变材料和保温外壳，其中相变材料填充在保温外壳和三维层次流道外壁之间的相变材料填充区域；所述三维层次流道由构形换热流体管束、主连通管道和支连通管道构成，所述构形换热流体管束沿潜热储能器轴线呈平行层状排列，换热流体管束在每一层上布置多级分叉连接管道，每一层的多级分叉连接管道呈“上稀下密”的层次布局，所述主连通管道至少为两段，且在相邻两段的相向两端布置构形换热流体管束，主连通管道连接构形换热流体管束的第一级分叉连接管道，支连通管道连接两端构形换热流体管束的末级分叉连接管道末梢，主连通管道和支连通管道平行，且垂直于分叉连接管道；所述分叉连接管至少为两级且每级分叉至少含有两个分叉管道，分叉连接管道每一级管径和管长逐级递减，且相邻两级分叉管道管径和管长之比分别为N-1/Δ和N^-1/d，其中：N为每级分叉管道数目，直径维数Δ在区间[N，N+1]取值，长度维数d取为1到2之间的实数。

6.如权利要求1所述海洋温差能制冷系统，其特征在于，所述海水循环模块包括温海水泵、冷海水泵和冷海水分配管路，温海水泵输送表层温海水进入发生器，作为热源释放热量；冷海水泵输送深层低温冷海水，并通过冷海水分配管路分别进入吸收器和冷凝器，作为冷源吸收热量。

7.如权利要求6所述海洋温差能制冷系统，其特征在于，在发生器、吸收器和冷凝器海水流动侧采用石墨烯包裹钛纳米离子膜包覆结构。

8.一种海洋温差能制冷方法，其特征在于，采用权利要求1-7任一所述海洋温差能制冷系统进行制冷。

9.根据权利要求8所述的海洋温差能制冷方法，其特征在于，包括：

氨水浓溶液在溶液泵的驱动下升压进入溶液热交换器预热，预热后的氨水浓溶液进入板式发生器中与表层温海水换热形成气液两相混合物；

随后气液两相混合物在气液分离器中分离出气态制冷剂蒸汽和氨水稀溶液；

冷剂蒸汽在冷凝器中与冷海水换热凝结形成液态制冷剂，在压差的驱动下，依次进入第一级过冷器和第二级过冷器中与蒸发后的低温制冷剂换热降温，降温后的过冷液态制冷剂分流后分别经过第一级制冷剂节流阀、第二级制冷剂节流阀减压进入第一级蒸发器、第二级蒸发器、中蒸发，产生制冷效应；制冷剂在第一级蒸发器中蒸发压力较高，蒸发温度也较高，产生的载冷剂温度较高，用于冷库冷藏室，而在第二级蒸发器中蒸发压力较低，蒸发温度也较低，产生的载冷剂温度较低，用于冷库冷冻室；在第一级蒸发器中蒸发后的处在中间压力下的制冷剂蒸汽，经过第一级过冷器回收冷量，而在第二级蒸发器中蒸发后的低压制冷剂蒸汽，在第二级过冷器中回收冷量，第二级过冷器出口制冷剂蒸汽经压缩机升压至中间压力与第一级过冷器出口制冷剂汇合，随后进入吸收器中被回热降压后的氨水稀溶液吸收，吸收过程释放的热量由冷海水带走，确保形成氨水浓溶液；

氨水浓溶液继续由工质泵输送进入发生器，如此循环往复。

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