CN1195398A - 压缩吸收混合式热泵 - Google Patents

Abstract

把在再生过程中采用VRC所产生的冷凝水与从再生器送出的浓溶液作为热源对稀溶液进行预热,由此,可增大稀溶液的预热量,提高热泵的制冷系数。此外,把吸收液的冷却热作为供暖来利用,把再生制冷剂液体的一部分储存起来,由此,可以提高供暖时的溶液浓度,使热泵既用作供暖设备又可用作冷气设备。

Description

压缩吸收混合式热泵

                     技术领域

本发明涉及一种压缩吸收混合式热泵，更详细地说，是关于一种以水、氨等作为制冷剂，以溴化锂(LiBr)及水等溶液为吸收剂，并以蒸发器、吸收器、溶液热交换器、再生器及压缩机为主要构成元件的压缩吸收混合式热泵。该压缩吸收混合式热泵可以作为空调(冷暖气设备)及化学过程等的冷冻或加热装置加以利用。

                    背景技术

作为吸收冷冻机的工作媒体，除了采用以水为制冷剂、以LiBr等水溶液为吸收剂的组合之外，还可以利用氨与水、聚四氟乙烯R22与E181以及其他组合。

另外，把压缩机与这种吸收冷冻机组合的压缩吸收混合式热泵也有各种各样的形式，而本发明是把再生器中所产生的制冷剂蒸汽用压缩机进行压缩、再把该压缩蒸汽作为吸收溶液的再生热源加以利用的压缩吸收混合式热泵，并且，在再生器中采用VRC(＝Vapor Re-Compression)。另外，VRC也称作MVR(＝Mechanical Vapor Re-Compression)。

                     发明的公开

本发明是一种把VRC组合到吸收冷冻机的再生过程中的压缩吸收混合式热泵，更详细地说，是一种把再生器再生(浓缩)过程中所产生的蒸汽用压缩机压缩、再把该压缩蒸汽导入再生器中作为再生的热源与稀溶液进行热交换，由此构成再生过程的热源的压缩吸收混合式热泵。

很早就已有关于这种压缩吸收混合式热泵的记载，但是，由于溶液热交换器中浓溶液的流量少于稀溶液的流量，因而，导致稀溶液的预热不足，需要设置辅助预热器，或增大再生器的加热量。

此外，在以水作为制冷剂、以LiBr作为吸收剂的场合，因为吸收冷冻机通常在低压下工作，所以水蒸汽的密度降低，为了把压缩机与这种冷冻机组合，必须使用大型的压缩机。

再者，由于冷却水的温度受到了限制，因此把吸收器的热量作为供暖用热量加以利用是很困难的，不能适用于冷气设备循环。

由于存在着这些问题，所以即使单纯地将压缩式热泵与现有的吸收式冷冻机组合，也不能提高制冷系数，而且结构复杂，混合化效果比较小，尚未见到有实用例。

本发明的第一特征是，通过在再生过程中采用VRC，并把由此所产生的冷凝水与从再生器送出的浓溶液作为热源对稀溶液进行预热，由此可增大稀溶液的预热量，提高冷冻机的制冷系数。即，本发明不仅把从再生器送出的浓溶液作为对溶液热交换器中的稀溶液预热用的热源，并利用再生器中作为热源的蒸汽冷凝液作为对溶液热交换器中的稀溶液预热用的热源。由此，使稀溶液的预热温度上升，因而减少了辅助预热器或再生器的加热量，提高了吸收压缩混合式冷冻机的制冷系数。

本发明的第二特征是，可以抑制压缩机的大型化，使再生压力上升到大气压附近以上，提高了再生蒸汽的密度。

本发明的第三特征是，为以冷气设备及供暖设备两种方式运转，改变冷气设备与供暖设备下的溶液浓度。

                   图面的简单说明

图1是本发明压缩吸收混合式热泵的第一实施例的工作流程图。

图2是图1所示压缩吸收混合式热泵的循环图。

图3是本发明压缩吸收混合式热泵的第二实施例的工作流程图。

图4是图3所示压缩吸收混合式压缩机的循环图。

图5是本发明压缩吸收混合式热泵的第三实施例的工作流程图。

图6是图5所示压缩吸收混合式压缩机的循环图。

图7是本发明压缩吸收混合式热泵的第四实施例的工作流程图。

图8是图7所示压缩吸收混合式压缩机的循环图。

图9是以往的压缩吸收混合式热泵的工作流程图。

图10是以往的压缩吸收混合式热泵的循环图。

               实施发明的最佳形式

在说明本发明实施例之前，首先叙述以往的压缩吸收混合式热泵。

图9及图10是以往技术的一个例子，示出了以往的压缩吸收混合式热泵的工作流程图及循环图(杜林曲线图)，该压缩吸收混合式热泵在以水作为制冷剂、以LiBr水溶液作为吸收剂的单效用吸收冷冻机的再生器中单纯地采用VRC。

图9示出了压缩吸收混合式热泵的工作流程及溶液状态(温度、压力等)，图10是图9的压缩吸收混合式热泵的循环图(杜林曲线图)，其中，ξ表示溶液的浓度。在此，ξ₀表示浓度为零，即纯水状态，ξ₁表示稀溶液浓度，ξ₂表示浓溶液浓度。

如图9所示，在蒸发器21中，制冷剂水12在热交换部211的表面与被送给蒸发器21的冷水13进行热交换、蒸发，将温度由此下降的冷水14送给工作端(图中未示)。

另一方面，在吸收器22中，浓溶液8流到热交换部221的表面，蒸发器21产生的蒸汽1′由该浓溶液8吸收，其溶液浓度降低，变成稀溶液2。这时，为使溶液吸收蒸汽，必须要把溶液温度冷却到预定温度以下，因而用下述方式进行控制，即由送入热交换部221内的冷却水15使浓溶液8的温度成为预定温度。

吸收器22内的稀溶液2由溶液泵24送出，经过溶液热交换器27升温后送给再生器23。在再生器23内，稀溶液由热交换部231内的蒸汽加热、沸腾，仅将溶液中的水分蒸发而再生。这样，溶液浓度上升变成浓溶液4。

在再生器23中，蒸发的水蒸汽4′由压缩机29压缩，压力上升的压缩蒸汽9′被导入再生器23的热交换部231，与再生器23内的稀溶液2进行热交换，由此，对稀溶液2加热，使其再生(浓缩)。

在再生器23内的再生过程中，把浓缩后的溶液即浓溶液4送给溶液热交换器27，使之与稀溶液2进行热交换并降温，变成低温浓溶液8后再循环到吸收器22中，以便在再吸收过程中使用。此外，在再生器23内，制冷剂蒸汽与稀溶液进行热交换后凝缩，变成液态水10，并通过膨胀阀20回流到蒸发器21中，反复进行循环。

图10是图9的工作流程的热循环杜林曲线图，两图中符号一致，其说明省略。

另外，图1是单效用吸收冷冻机与压缩机组合的本发明的压缩吸收混合式热泵的第一实施例的简图，图2是图1的循环图(杜林曲线图)。

在图1～图4、图5及图6的各冷冻机中，与以往技术相同的机器用相同的符号表示。并且蒸发过程、吸收过程与以往技术相同，其说明省略。

在溶液热交换器27中，由溶液泵24从吸收器22送出的稀溶液2由从再生器23送出的冷凝水10及从再生器23送出的浓溶液4加热，使其温度从图2所示的温度T2上升到T7，之后变成稀溶液7，并送到再生器23中。

在再生器23中，稀溶液2由热交换部231内的蒸汽加热，使其温度从T7上升到T4并沸腾，在水分蒸发的同时温度上升，变成浓溶液4并从再生器23送往液体热交换器27。

在再生器23中，从稀溶液蒸发出来的蒸汽4′被送到压缩机29中压缩，升压后的蒸汽9′被再次送到再生器23中，在再生器23内的热交换部231上与溶液进行热交换后凝缩，该冷凝水10被送往溶液热交换器27。

这里，为了在再生过程中产生水蒸汽，而且使溶液温度如图2所示那样上升(T₆→T₄)，因此在再生器23中再生所需要的热量，不仅需要供给前述再生时所产生的蒸汽的潜伏热量，而且还需要供给溶液温度上升时的热量。为此，在再生器内设置辅助加热装置(图中未示)，或者在溶液热交换器与再生器之间设置辅助预热器(图中未示)。

送往上述溶液热交换器27的浓溶液4与稀溶液2热交换后温度变成低温，并变成低温浓溶液8返回吸收器22中。同样，送给该溶液热交换器27的冷凝水10与稀溶液2进行热交换，变成低温水11再经由膨胀阀20返回蒸发器21中。

如上文所述，用于对溶液热交换器27中的稀溶液2进行预热的热源是冷凝水10和浓溶液4两种流体，利用这两种流体可以对稀溶液2预热，使其温度接近再生温度，因而，可以减少辅助预热器或再生器内的辅助加热器的加热量。

从而提高了压缩吸收混合式热泵的制冷系数。

即：在图9所示的以往技术的实例中，送给再生器23的稀溶液7在溶液热交换器27中仅由浓溶液4加热，因而温度为65℃，而在图1所示的本发明的实施例中，在溶液热交换器27中，稀溶液7除了由浓溶液4加热之外，还由冷凝水10加热，因此，其温度上升到80℃。

这样，在再生器23中产生1kg蒸汽所需要的溶液预热器或再生器内的辅助加热量，在以往技术(参见图9)中是稀溶液从65℃加热到85℃所需要的热量，包括蒸发热约0.1KW，而在本发明(参见图1)中仅是稀溶液从80℃加热到89℃所需的热量，减少至0.01KW。对于两个循环中在再生器内产生1kg的发生蒸汽，冷冻输出为0.58KW，压缩机驱动动力为0.140KW。因此，制冷系数从以往技术中的大约2增加到本发明中的大约4，大体增加了一倍。

本发明的第二实施例在图3及图4中示出。在这种情况下，并列设置两个溶液热交换器，分别进行冷凝水—稀溶液、浓溶液—稀溶液的热交换，在图3中示出了装置的流程图，在图4中示出了其循环图(杜林曲线图)。

即：如图3所示，由溶液泵24从吸收器22送出的稀溶液2在管路途中一部分送给溶液热交换器27a，其余部分送给溶液热交换器27b。而作为热源的来自再生器23的冷凝水10则被送给溶液热交换器27a，与稀溶液2的一部分进行热交换之后，再返回蒸发器21中。其余的稀溶液2在溶液热交换器27b中与从再生器23送出的浓溶液4进行热交换后，再与从溶液热交换器27a送出的稀溶液合流，之后送往再生器23。

在这种场合，如图3所示，在把从吸收器22送出的稀溶液2分流到溶液热交换器27a和溶液热交换器27b的管路的一个管路中配设流量调节用节流阀(或节流孔)25，由此，可以根据冷凝水10及浓溶液4的热比率来调整稀溶液2的流量分配。这时的热循环与图2基本相同，性能(制冷系数)也与第一实施例一样。

在第一实施例中，溶液热交换器27是三种流体的热交换器，因此结构稍特殊一些，但是，第二实施例可以通过并列配设两个普通的溶液热交换器来实施。

此外，在图5所示的第三实施例中，再生压力接近大气压。这样与普通的吸收循环的再生压力(50～70mmHg)相比较，蒸汽密度为10到20倍，因而，压缩机29的结构可以小型化。但是，当再生压力上升、蒸汽压力下降时，再生温度与吸收温度之差大幅度地增大，因此必须增加溶液热交换器的传热面积。图6是第三实施例的循环图(杜林曲线图)。

在以上实施例中，叙述了冷气设备运转时的压缩吸收混合式热泵的冷气设备运转。在冷气设备运转的场合，作为压缩吸收混合式热泵，如果压缩机的压缩比越低，压缩机的驱动动力就越小，因而，溶液的浓度越低，这一切就越容易实现。

但是，浓度的下降受吸收过程的冷却水温度的限制，因此，在该实施例中，使用50％溶液。

另一方面，在供暖设备运转的场合，相当于冷却水的散热器必须是供暖的温度，因此，溶液浓度必须高于冷气设备溶液的浓度。

在图7所示的第四实施例中，在供暖设备运转时，把从再生器排出的一部分冷凝制冷剂储存到定量制冷剂贮存器30中。这样，包含在溶液中的制冷剂的一部分被分离出来，因此，工作溶液的浓度变高。图8是图7的循环图(杜林曲线图)。

如图8所示，在该实施例中，供暖时将规定容积的制冷剂储存到制冷剂贮存器30中，由此可使稀溶液的浓度从冷气设备时的50％上升到57％。这样，散热器的温度上升，即使供暖时的温水输出温度为45℃，吸收过程也能正常工作。此外，在供暖时需要考虑冬季情况，热源温度为5℃。如第四实施例所述，利用制冷剂贮存器30可以调整工作溶液的浓度，由此，不论是冷气设备运转还是供暖设备运转都可以进行。

上文叙述了以水为制冷剂、以LiBr等水溶液为吸收剂的吸收冷冻机的再生器中采用VRC的技术，但是，关于以水为制冷剂的吸收冷冻机的吸收剂，除了LiBr之外，还可以采用LiI、LiCl、LiNo₃、KBr、NaBr等及其混合物，其中，LiBr的腐蚀性小、结晶浓度高、性能好、应用广，因此，本发明中只叙述了使用LiBr的情况。

但是，无论使用那一种吸收剂，对本发明的热泵循环都同样适用，因而使用上述吸收剂及其混合物的情况也包括在本发明中。此外，将上述一组吸收剂统称为LiBr等水溶液。

更进一步，本发明也适用于把压缩机与吸收冷冻机组合的组合式结构，这种吸收冷冻机是指把作为制冷剂、吸收溶液组合物的氨/水、聚四氟乙烯F22/E181等组合使用的冷冻机。例如，关于把氨/水组合使用的吸收冷冻机的情况，只是设置有氨精制器，工作温度、压力条件不同，而其原理与先前叙述的以水为制冷剂、以LiBr水溶液为吸收剂的压缩吸收热泵的例子是一样的。

即：如果与本发明一样，在把再生器中产生的制冷剂蒸汽在压缩机中进行压缩并作为再生器的热源加以利用之后，再把冷凝后的制冷剂液体的潜热作为溶液的一部分预热源加以利用，可以得到与本发明同样的效果。

综上所述，根据本发明，可以得到下述效果：

1)因为使冷凝水和浓溶液两种流体作为对溶液热交换器中的稀溶液预热的热源所以能够使稀溶液的预热温度上升。结果，压缩吸收混合式冷冻机的制冷系数比以前有极大地提高。

2)由于设置了制冷剂贮存器，在供暖的情况下，将制冷剂的一部分进行分离储藏，因而可以使供暖情况下的工作溶液的浓度高于冷气设备时的浓度，能够得到在供暖情况下和冷气设备情况下都可运转的制冷系数高的压缩吸收混合式热泵。

Claims (3)

1、一种压缩吸收混合式热泵，使用制冷剂和吸收制冷剂的溶液，并以蒸发器、吸收器、溶液热交换器、再生器及压缩机为主要构成元件，其特征是，把在再生器中产生的蒸汽用压缩机进行压缩，把该压缩蒸汽导入再生器内的热交换部，作为吸收溶液再生的热源加以利用，在溶液热交换器中，把在再生器放出热量并冷凝的冷凝制冷剂液体和从再生器送出的浓溶液作为热源，对从吸收器送出的稀溶液进行预热。

2、根据权利要求1所述的压缩吸收混合式热泵，其特征是，将从吸收器送出的稀溶液的一部分进行分流，在所述再生器内，压缩蒸汽通过热交换而冷凝，把由此产生的冷凝制冷剂液体导入第一溶液热交换器中，对从吸收器送出的上述分流的一部分稀溶液进行预热，把剩余稀溶液导入第二溶液热交换器中，使该剩余稀溶液与再生浓溶液进行热交换，之后，把从第一溶液热交换器和第二溶液热交换器送出的各稀溶液合流并送入再生器中。

3、根据权利要求1或2所述的压缩吸收混合式热泵，其特征是，在供暖情况下，把从再生器送出的冷凝制冷剂的一部分导入贮存器中，储存一定量的该制冷剂液体，由此使工作溶液的浓度上升，使吸收液的冷却温度上升，这样便可将吸收器的冷却热作为供暖使用。

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