CN120868638A - 一种蒸气透平溶液提压的吸收式制冷系统及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了吸收式制冷技术领域的一种蒸气透平溶液提压的吸收式制冷系统及工艺，包括：发生器、吸收器、冷凝器与蒸发器，所述吸收式制冷系统还包括提压组件；所述提压组件用于利用发生器制取的制冷剂蒸气的压力能以将吸收器中的富溶液提压输送到发生器中；本发明通过透平结构将氨蒸气膨胀过程的压力能转化为机械能，直接驱动溶液泵提压，彻底摆脱了对外部供电的依赖，使得吸收式制冷系统能够在电力不稳定甚至无电的场景下使用，取代了溶液泵的电机，使吸收式制冷系统不需要电能驱动，适用于光热直驱制冷场景以及小型无电冷库等应用。

Description

一种蒸气透平溶液提压的吸收式制冷系统及工艺

技术领域

本发明涉及吸收式制冷领域，具体涉及一种蒸气透平溶液提压的吸收式制冷系统及工艺。

背景技术

吸收式制冷系统发展至今已有两百多年的历史。相较于压缩式制冷系统，吸收式制冷系统能够以热能为驱动能源，完成制冷循环，这能够大幅降低制冷系统对电力的消耗；因此在有余热的场景下，吸收式制冷系统有着明显的经济性。

在吸收式制冷系统中，溶液泵作为将低压系统内升压送入高压系统的以完成制冷循环的管件部件，一直受到广泛的研究；吸收式制冷系统虽然能够大幅降低电能的消耗，但溶液泵本身仍属于耗电部件；因此，在无电或电力系统不稳定的区域，吸收式制冷系统的应用受到极大的限制。

有人提出一种扩散吸收式制冷系统，通过气泡泵来完成溶液循环，但气泡泵的扬程较低，需要在低压系统内填充大量的氢气或氦气作为平衡气体，以提高低压系统的压力；这种方式虽然可以使吸收式制冷系统运行时不消耗电能，但有两点较大的弊端：1.在低压系统内，氢气或氦气作为平衡气体，但同时作为不凝气，会严重影响吸收效率，降低制冷系统的性能；2.气泡泵利用加热时的蒸汽产生的浮力，使整体高温溶液的平均密度降低，通过密度差完成循环，但气泡泵的动力有限，无法做大，因此只适用于家用冰箱等小型制冷装置；

也有人提出过一种冷电联供的吸收式制冷系统，通过发生器产生的高压制冷剂蒸汽进行透平发电，以完成制冷及供电两种工况的调节及切换，这种制冷系统虽然可以在用冷负荷不足时通过增加电力输出来完成低品位热的充分利用，但机组本身还是要消耗电能的，而且整体发电效率较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种蒸气透平溶液提压的吸收式制冷系统及工艺，其解决了现有吸收式制冷系统在无电或电力系统不稳定区域的问题。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种蒸气透平溶液提压的吸收式制冷系统，包括：发生器、吸收器、冷凝器与蒸发器，所述吸收式制冷系统还包括提压组件；

所述提压组件包括溶液泵、透平膨胀机以及用于连接溶液泵与透平膨胀机的联动轴，所述透平膨胀机用于利用发生器制取的制冷剂蒸气的压力能驱使溶液泵工作，以将吸收器中的富溶液提压输送到发生器中。

优选的，所述溶液泵的进出口分别与吸收器、发生器连通，所述透平膨胀机的进出口分别与发生器、吸收器连通。

优选的，所述吸收式制冷系统还包括换热器，所述换热器用于将发生器输入到吸收器中的贫液与溶液泵输入到发生器中的富溶液换热。

优选的，所述吸收式制冷系统还包括引射器，所述引射器用于利用发生器排出的贫液引射吸收透平膨胀机排出的制冷剂蒸气并输入到吸收器中。

优选的，所述溶液泵为离心泵或容积式泵。

优选的，所述冷凝器的液态制冷剂出口与蒸发器的液态制冷剂进口之间依次设有缓冲罐与制冷剂减压阀，所述换热器的贫液出口与吸收器的贫液进口之间设有工质液减压阀。

优选的，所述吸收器内设有用于与贫液进口连通的布液组件。

优选的，所述冷凝器与吸收器采用水冷或风冷。

优选的，所述发生器、吸收器、蒸发器、缓冲罐、溶液泵上设有检测器。

优选的，一种蒸气透平溶液提压的吸收式制冷工艺，利用上述的一种蒸气透平溶液提压的吸收式制冷系统，包括以下步骤：

热源进入发生器中，加热富溶液工质，制取制冷剂蒸汽，一股制冷剂蒸汽进入到冷凝器中，另一股制冷剂蒸汽进入到提压组件中；

制冷剂蒸汽经冷凝器冷凝后，进入到蒸发器中用于制取冷量，再导入到吸收器中被发生器排出的贫液吸收形成富溶液；

透平膨胀机利用制冷剂蒸汽的压力能驱使溶液泵工作，对富溶液提压将其输入到发生器中，使用后的制冷剂蒸汽与发生器排出的贫液混合。

本发明的有益效果在于：

1、通过透平结构将氨蒸气膨胀过程的压力能转化为机械能，直接驱动溶液泵提压，彻底摆脱了对外部供电的依赖，使得吸收式制冷系统能够在电力不稳定甚至无电的场景下使用，取代了溶液泵的电机，使吸收式制冷系统不需要电能驱动，适用于光热直驱制冷场景以及小型无电冷库等应用；

2、由于发生器出口的高温制冷剂蒸汽为过热蒸汽，其含有更高的能量密度，其直接进入冷凝器会造成能量的浪费，进入透平机械做功后有更高的㶲效率，在失去能量后制冷剂蒸汽不会直接冷凝，因此不会影响做功效率，且避免了冷凝后产生的液滴对叶轮的腐蚀；

3、引射器利用发生器排出的高压贫液对做功后的低压制冷剂蒸汽进行引射吸收，对高压贫溶液具有的能量进行回收，增加了提压组件的效率；

4、本吸收式制冷系统在对不同工况的适应性强，在系统负荷较低时，高压系统压力较低，高低压系统压差较小，透平机械做功较低，循环量减小，有利于维持系统的高效率；在机组负荷升高时，高低压系统压差增加，做功量增加，溶液循环量增加，有利于增加系统负荷。

附图说明

图1为本发明蒸气透平溶液提压的吸收式制冷系统示意图；

图2为本发明提压组件结构示意图；

图3为本发明提压组件在不同负荷下的做功量示意图；

图4为本发明制冷系统的冷凝压力-负荷关系图。

图中：1、发生器；2、换热器；3、吸收器；4、冷凝器；5、缓冲罐；6、蒸发器；7、提压组件；701、溶液泵；702、透平膨胀机；703、联动轴；8、制冷剂减压阀；9、引射器；10、工质液减压阀；11、布液组件。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。

实施例1

请参阅图1，一种蒸气透平溶液提压的吸收式制冷系统，包括：发生器1、吸收器3、冷凝器4、蒸发器6与提压组件7；吸收式制冷系统还包括缓冲罐5、制冷剂减压阀8与工质液减压阀10；提压组件7包括溶液泵701、透平膨胀机702以及联动轴703，联动轴703的两端分别与溶液泵701与透平膨胀机702的轴连接；

其中，发生器1的壳体上设有气态制冷剂出口、贫液出口、富液进口，冷凝器4的壳体上设有气态制冷剂进口与液态制冷剂出口，蒸发器6的壳体上设有液态制冷剂进口与气态制冷剂出口，吸收器3的壳体上设有气态制冷剂进口、贫液进口与富液出口；发生器1的气态制冷剂出口分别与冷凝器4的气态制冷剂进口、透平膨胀机702连通，发生器1的贫液出口通过工质液减压阀10与吸收器3的贫液进口连通，发生器1的富液进口与溶液泵701连通，冷凝器4的液态制冷剂出口与缓冲罐5连通，缓冲罐5的出口通过制冷剂减压阀8与蒸发器6的液态制冷剂进口，蒸发器6的气态制冷剂出口与吸收器3的气态制冷剂进口，吸收器3的富液出口与溶液泵701连通；透平膨胀机702的气态制冷剂出口与吸收器3连通。

一种蒸气透平溶液提压的吸收式制冷工艺，包括以下步骤：

热源进入发生器1中，加热富溶液，将其中的制冷剂解析出来，形成高压气态制冷剂（氨蒸汽），解析后的贫溶液进入吸收器3中；

从发生器1出来的高压气态制冷剂分为两路，一路进入冷凝器4中，与冷却介质换热后，冷凝为高压液态制冷剂，并进入缓冲罐5中，再经制冷剂减压阀8减压后进入蒸发器6中，与载冷剂换热蒸发（载冷剂温度降低用于对外界供冷），变为低压气态制冷剂蒸汽，进入吸收器3中被贫溶液（来自发生器1）吸收；

从发生器1出来的高压气态制冷剂另一路进入提压组件7中做功，做功后变为低压气态制冷剂并进入吸收器3中被吸收，提压组件7做功后产生动力，对吸收器3排出的富溶液进行升压并输入到发生器1中进行循环。

在本实施例中，作为进一步优化的方案，请参阅图1和图2，溶液泵701的进出口分别与吸收器3的富液出口、发生器1的富液进口连通，透平膨胀机702的进出口分别与发生器1的气态制冷剂出口、吸收器3的气态制冷剂进口连通；发生器1制取的高压气态制冷剂有部分进入到透平膨胀机702中，利用自身的压力能驱使透平膨胀机702工作，并带着联动轴703转动；由于联动轴703转动，溶液泵701中的叶轮带着转动，用于对吸收器3排出的富溶液进行升压，将富溶液输送到发生器1中。

实施例2

作为实施例1进一步优化的方案，请参阅图1，吸收式制冷系统还包括换热器2，换热器2的管程进出口分别与发生器1的贫液出口、吸收器3的贫液进口连通，换热器2的壳程进出口分别与溶液泵701的出口、发生器1的富液进口连通；换热器2用于将发生器1输入到吸收器3中的贫液与溶液泵701输入到发生器1中的富溶液换热，对富溶液进行升温，并降低贫液的温度。

在本实施例中，作为进一步优化的方案，请参阅图1，吸收式制冷系统还包括引射器9，引射器9的出口与吸收器3的贫液进口连通，引射器9的一个进口与透平膨胀机702的出口连通，引射器9的另一个进口与换热器2的管程出口连通；引射器9用于利用发生器1排出的贫液引射吸收透平膨胀机702排出的制冷剂蒸气并将其吸收，对高压贫液具有的能量进行回收，增加了提压组件7的效率。

在本实施例中，作为进一步优化的方案，请参阅图1，溶液泵701为离心泵或容积式泵。

在本实施例中，作为进一步优化的方案，请参阅图1，吸收器3的内腔顶部设有布液组件11（包括管道以及设在管道上的喷头），布液组件11与贫液进口连通；布液组件11用于将输入到吸收器3内部的贫液进行雾化，使其能与吸收器3内部的换热管充分接触。

在本实施例中，作为进一步优化的方案，请参阅图1，冷凝器4与吸收器3的换热管道内流通有气体或液体，冷凝器4与吸收器3采用水冷或风冷，用于对冷凝器4与吸收器3降温的换热介质可以是气体或液体（气体可以是空气，液体可以是水）。

在本实施例中，作为进一步优化的方案，请参阅图1，发生器1、吸收器3、蒸发器6、缓冲罐5、溶液泵701上设有检测器，检测器是指压力、温度、液位、流量仪表（P指压力、T指温度、L指液位、Q指流量）；发生器1上设有压力仪表，发生器1的贫液出口管道上设有温度仪表，溶液泵701的富液排出管道上设有流量仪表，蒸发器6的气态制冷剂出口管道上设有压力仪表，蒸发器6的载冷剂管道上设有温度仪表，缓冲罐5上设有液位仪表，缓冲罐5的出口管道设有流量仪表。

需要说明的是，吸收式制冷系统的启动方法为：

1、初始状态下，发生器1与吸收器3的压力基本平衡，系统内溶液分布于发生器1与吸收器3中；

2、吸收器3与冷凝器4的冷却系统开启，蒸发器6的供冷系统开启；

3、发生器1通入热源，发生器1压力升高；

4、发生器1压力升高至设定值后，发生器1至吸收器3的工质液减压阀10开启，提压组件7开启，系统内溶液开始循环；

5、持续加入热源，发生器1的压力达到设定值后，冷凝器4内高压气态制冷剂开始冷凝，冷凝后的液态制冷剂进入缓冲罐5；

6、在缓冲罐5液位达到设定值后，制冷剂减压阀8开启，液态制冷剂减压进入蒸发器6蒸发，系统开始制冷。

还需要说明的是，吸收式制冷系统的负荷调整方法为：制冷系统需要增加负荷时，热源输入量增加；发生器1出口贫液温度增加，气态制冷剂解析量增加，发生器1的压力提高；发生器1压力提高，透平膨胀机702做功量增加，溶液泵701做功增加；溶液循环量增加，吸收器3吸收气氨量增加，发生器1出口贫液温度降低，系统达到新的平衡；此时，气态制冷剂解析量增加，蒸发器6气氨蒸发量增加，系统制冷量增加；系统需要降低制冷负荷时相反；

其中，提压组件7在不同负荷下的做功量（在以氨为制冷剂，制冷温度-15℃，蒸汽膨胀机内效率70%的额定状态下，如图3所示），冷凝压力-负荷关系（以氨为制冷剂，环境温度20℃为额定状态，如图4所示）。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种蒸气透平溶液提压的吸收式制冷系统，包括：发生器（1）、吸收器（3）、冷凝器（4）与蒸发器（6），其特征在于，所述吸收式制冷系统还包括提压组件（7）；

所述提压组件（7）包括溶液泵（701）、透平膨胀机（702）以及用于连接溶液泵（701）与透平膨胀机（702）的联动轴（703），所述透平膨胀机（702）用于利用发生器（1）制取的制冷剂蒸气的压力能驱使溶液泵（701）工作，以将吸收器（3）中的富溶液提压输送到发生器（1）中。

2.根据权利要求1所述的一种蒸气透平溶液提压的吸收式制冷系统，其特征在于，所述溶液泵（701）的进出口分别与吸收器（3）、发生器（1）连通，所述透平膨胀机（702）的进出口分别与发生器（1）、吸收器（3）连通。

3.根据权利要求2所述的一种蒸气透平溶液提压的吸收式制冷系统，其特征在于，所述吸收式制冷系统还包括换热器（2），所述换热器（2）用于将发生器（1）输入到吸收器（3）中的贫液与溶液泵（701）输入到发生器（1）中的富溶液换热。

4.根据权利要求2所述的一种蒸气透平溶液提压的吸收式制冷系统，其特征在于，所述吸收式制冷系统还包括引射器（9），所述引射器（9）用于利用发生器（1）排出的贫液引射吸收透平膨胀机（702）排出的制冷剂蒸气并输入到吸收器（3）中。

5.根据权利要求2所述的一种蒸气透平溶液提压的吸收式制冷系统，其特征在于，所述溶液泵（701）为离心泵或容积式泵。

6.根据权利要求3所述的一种蒸气透平溶液提压的吸收式制冷系统，其特征在于，所述冷凝器（4）的液态制冷剂出口与蒸发器（6）的液态制冷剂进口之间依次设有缓冲罐（5）与制冷剂减压阀（8），所述换热器（2）的贫液出口与吸收器（3）的贫液进口之间设有工质液减压阀（10）。

7.根据权利要求1所述的一种蒸气透平溶液提压的吸收式制冷系统，其特征在于，所述吸收器（3）内设有用于与贫液进口连通的布液组件（11）。

8.根据权利要求1所述的一种蒸气透平溶液提压的吸收式制冷系统，其特征在于，所述冷凝器（4）与吸收器（3）采用水冷或风冷。

9.根据权利要求6所述的一种蒸气透平溶液提压的吸收式制冷系统，其特征在于，所述发生器（1）、吸收器（3）、蒸发器（6）、缓冲罐（5）、溶液泵（701）上设有检测器。

10.一种蒸气透平溶液提压的吸收式制冷工艺，利用如权利要求1-9任一项所述的一种蒸气透平溶液提压的吸收式制冷系统，其特征在于，包括以下步骤：

热源进入发生器（1）中，加热富溶液工质，制取制冷剂蒸汽，一股制冷剂蒸汽进入到冷凝器（4）中，另一股制冷剂蒸汽进入到提压组件（7）中；

制冷剂蒸汽经冷凝器（4）冷凝后，进入到蒸发器（6）中用于制取冷量，再导入到吸收器（3）中被发生器（1）排出的贫液吸收形成富溶液；

透平膨胀机（702）利用制冷剂蒸汽的压力能驱使溶液泵（701）工作，对富溶液提压将其输入到发生器（1）中，使用后的制冷剂蒸汽与发生器（1）排出的贫液混合。