CN1356517A - 一种吸收式制冷循环方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种吸收式制冷循环方法及装置,该方法是通过提高全部冷剂蒸汽压力来实现发明目的,它可以用于改进现有的各种吸收式制冷循环方法。本装置只需在现有的吸收式制冷装置中的蒸发器与吸收器之间、或者在发生器与冷凝器之间、或者在蒸发器与吸收器之间和发生器与冷凝器之间、或者在高压发生器的出口处设置增压装置即可。本发明适用于制冷工况和热泵工况,它适合应用于没有高品位热源即热源温度低于传统吸收式循环所要求的最低驱动热源温度以及热源温度有波动的场合,可促进吸收式制冷系统的大量普及。
Description
技术领域
本发明属于制冷技术，具体地说它涉及一种由热能及电能共同驱动的吸收式制冷循环的方法及其装置。本发明所使用的“制冷”一词是从广义上解释，它包括狭义的制冷以及热泵。
背景技术
吸收式制冷循环有别于蒸汽压缩式制冷循环，它基本上是由热能驱动。在有余热可供利用的场合使用吸收式制冷机可节省大量电力，能有效地缓解发展中国家能源紧张的局面。传统吸收式制冷循环对驱动热源的要求很高，在冷却条件不变时驱动热源温度的下降会对制冷效果即冷水出口温度和制冷量产生严重的负面影响，导致制冷系数下降甚至不能工作；传统吸收式热泵循环同样也要求有稳定的驱动热源来保证输出热的温度和数量。降低在相同蒸发温度以及相同冷却条件下所必须的驱动热源温度，使吸收式循环能利用更低品位的热源是吸收式制冷机大量普及的关键，也是吸收式制冷技术发展的热点之一。
现有技术中有不少关于制冷循环方法与装置的文献。中国专利申请86106784公开了一种“压缩—吸收式制冷系统”，该系统利用压缩机排气作为吸收式制冷机的驱动热源。中国专利申请93106255公开了一种“压缩—吸收复合循环制冷系统”，该系统可在不改变设备的情况下，实现单纯的压缩循环或单纯的吸收循环的操作转换。中国专利申请97109240公开了“一种吸收式制冷循环”，它可增大驱动热水进出口温差。这些吸收式循环方法及装置均有各自特色，但都不适合应用于没有高品位热源即热源温度低于传统吸收式循环所要求的最低驱动热源温度的场合以及热源温度有波动的场合。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种由热能及电能共同驱动的新型吸收式循环的方法，该方法可以降低在相同蒸发温度以及相同冷却条件下所必须的驱动热源温度，使吸收式循环能利用更低品位的热源。该方法可适用于改进现有的各种吸收式制冷循环方法，包括制冷工况和热泵工况；本发明还提供了实现该方法的装置。
为实现上述发明目的，本发明的吸收式制冷循环方法依次包括下述步骤：
(1)工作介质被驱动热源加热解吸出冷剂蒸汽；
(2)对于工作介质进行下述步骤2.1，对于冷剂蒸汽进行下述步骤2.2中的各步骤；
(2.1)降低经历过步骤1的工作介质的压力或升高经历过步骤1的工作介质的压力；
(2.2)冷剂蒸汽依次进行下述步骤：
(2.2.1)提高冷剂蒸汽的压力；
(2.2.2)使冷剂蒸汽放热凝结为冷剂液体；
(2.2.3)降低冷剂液体的压力或升高冷剂液体的压力；
(2.2.4)使冷剂液体吸热蒸发为冷剂蒸汽
(3)冷剂蒸汽被经历步骤2.1后的工作介质吸收；
(4)将完成步骤3的工作介质压力调整为步骤1过程中工作介质的压力；
(5)重复上述步骤，直至关机。
本发明也可以将步骤2.2.1移至步骤2.2.4之后进行，或者在步骤2.2.4之后增加一个过程：即提高冷剂蒸汽的压力，然后再进入下一步骤。
实现上述发明方法的基本装置，包括增压装置、发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、热交换器、节流装置和冷剂泵、溶液泵。其特征在于：所述发生器与冷凝器之间设置有增压装置。
本发明装置也可以在所述蒸发器与吸收器之间设置有增压装置；或者在所述发生器与冷凝器之间和所述蒸发器与吸收器之间均设置有增压装置。
现有溴化锂单效吸收式制冷循环在蒸发温度(≤5℃)、冷凝温度(≥40℃)条件下，经济运行所要求的驱动热源的温度较高(＞90℃)，现有溴化锂两级吸收式制冷循环虽然可以将在蒸发温度(≤5℃)、冷凝温度(≥40℃)条件下的驱动热源温度降至75℃以下，但溴化锂两级吸收式循环的制冷系数过低(仅0.3-0.4左右)且设备复杂。这些原因限制了吸收式制冷机的大量普及。
根据吸收式工作介质(如溴化锂—水、氨—水等)溶液性质：平衡状态下，溶液温度T、压力P、浓度ξ三个状态参数只有两个是独立的，且T一定，ξ与P呈反方向增长；P一定，ξ与T呈同方向增长；ξ一定，T与P呈同方向增长。本发明就是利用吸收式工作介质溶液的性质创造出来的一种新的制冷循环方法。本发明的特点是通过提高发生过程或蒸发过程产生的冷剂蒸汽的压力达到降低驱动热源温度的发明效果，若只提高一部分由发生过程产生的冷剂蒸汽的压力并使增压后的这部分冷剂蒸汽被发生过程中的工作介质冷凝，虽然可以达到减小驱动热源负荷的效果即用电能补偿热能的数量，但是这种方法仍然要求有高品位的驱动热源，此外由于使用这种方法增压冷剂蒸汽所需压比很大会导致即使只增压很小数量的冷剂蒸汽也会消耗大量的电能。有鉴于此，本发明中提及的“提高冷剂蒸汽压力”均是指该处的全部冷剂蒸汽。
本发明的特点是以少量电能为补偿使驱动热源温度大幅下降，下面以运行在制冷工况下的单效单级增压的本发明装置为例说明它与现有单效循环相比存在的优势。此例是利用增压装置使发生器工作压力低于冷凝压力，实质上是等效于用比实际冷却水温更低温度的冷却水来冷却冷剂蒸汽。
表1、表2中所示数据的计算条件：对比循环为现有单效循环装置，新循环为本发明循环装置，即在上述对比循环中的发生器与冷凝器之间增设增压装置，工作介质为溴化锂—水，令蒸发温度为5度，吸收器稀溶液出口浓度为58％、发生器浓溶液出口浓度为62％，增压过程视为理想绝热过程即等熵过程。
表1 相同发生压力(0.04bar/30mmHg)、不同冷凝温度，
新循环与对比循环效果比较
| 冷凝温度(℃) | 41 | 39 | 36 | 33 |
| 冷凝压力(bar/mmHg) | 0.08/60 | 0.07/52 | 0.06/45 | 0.05/37.5 |
| 增压装置压比 | 2 | 1.75 | 1.5 | 1.25 |
| 增压装置负荷(Kj/Kg) | 120 | 98 | 70 | 38 |
| 增压装置负荷占制冷量百分比(％) | 5.1 | 4.2 | 3.0 | 1.6 |
| 新循环浓溶液出口温度(℃) | 77 | |||
| 对比循环浓溶液出口温度(℃) | 93 | 89 | 86 | 82 |
| 新循环降低驱动热源温度的幅度(℃) | 16 | 12 | 9 | 5 |
从表1中可以得出结论：发生压力一定时，随着冷凝温度的上升，增压装置负荷也相应增大但产生的驱动热源温度的降幅也越大。
表2 相同冷凝温度(41度)、不同发生压力，
新循环与对比循环效果比较表
| 冷凝压力(bar/mmHg) | 0.08/60 | ||||
| 发生压力(bar/mmHg) | 0.07/52.5 | 0.06/45 | 0.05/37.5 | 0.04/30 | 0.03/22.5 |
| 增压装置压比 | 1.14 | 1.33 | 1.6 | 2 | 2.7 |
| 增压装置负荷(Kj/Kg) | 22 | 48 | 80 | 120 | 160 |
| 增压装置负荷占制冷量百分比(％) | 0.94 | 2 | 3.4 | 5.1 | 6.8 |
| 新循环浓溶液出口温度(℃) | 89 | 86 | 82 | 77 | 71 |
| 对比循环浓溶液出口温度(℃) | 93 | ||||
| 新循环降低驱动热源温度的幅度(℃) | 4 | 7 | 11 | 16 | 22 |
从表2中可以得出结论：冷凝温度一定时，要使驱动热源温度的降幅增大必须使增压装置压比增大，增压装置负荷也随着压比的增大而增大。
注：表1、表2中原始数据均由水蒸汽焓—熵图查得。表2中增压比小于等于2时，计算增压装置负荷的条件是在其入口处不设热交换器，增压比大于2时，计算增压装置负荷的条件是在其入口处设置热交换器，增压装置负荷为160kj/kg时对应的增压器吸汽温度为50度。
热力系数COP是评价吸收式制冷机性能的重要指标，下面定性的比较两种循环的热力系数：
表3 本发明循环装置与现有单效吸收式循环装置
各换热设备的单位热负荷比较
| 单效单级增压循环 | 现有单效循环 | 负荷比较 | |
| 蒸发器 | qO＝h1′-h3 | qO＝h1′-h3 | 完全相等 |
| 冷凝器 | qK＝h3′-h3 | qK＝h3′-h3 | 本循环稍大于现有循环 |
| 发生器 | qG＝hv+(a-1)h4-ah7 | qG＝h3′+(a-1)h4-ah7 | 本循环与现有循环近似 |
| 吸收器 | qA＝h1′+(a-1)h8-ah2 | qA＝h1′+(a-1)h8-ah2 | 本循环与现有循环近似 |
| 溶液热交换器 | qT＝a(h1-h2) | qT＝a(h7-h2) | 本循环小于现有循环 |
| 增压装置 | 增压装置入口无热交换器时wY＝h3′-hv | 无 | 当增压装置压比∈(1.14，2)时wY∈(0.01qo，0.05qo) |
表3中的各状态点见图7及图8。图7是本发明循环方法的焓—浓图，图中Po为蒸发压力、Pk为冷凝压力、Pe为等效冷凝温度所对应的饱和冷剂蒸汽压。图8是现有单效吸收式循环方法的焓—浓图，图中Po为蒸发压力、Pk为冷凝压力。
在不记机组泵功的前提下，
定义新循环的制冷系数
定义传统循环的制冷系数
注：式(1)中qG′的含义是驱动热源的负荷，在增压器出口设置热交换器时即以热能的形式回收大部分增压装置所消耗的电能时，其值小于对应的发生器负荷；在增压器出口不设置热交换器时，其值为对应的发生器负荷。
由表3中分析可定性的得出由式(1)及式(2)计算出的COP的数值大小近似，但是二者的驱动热源品位不同。新循环以少量电能为补偿使驱动热源温度大幅下降，降低了吸收式循环的最低驱动温度，扩大了吸收式的应用范围。因此可得出结论：在没有高品位热源可供利用的场合以及在一些驱动热源温度有波动的场合，本发明较现有循环方法和装置具有明显优势。
附图说明
图1为带止逆装置的单效单级增压的本发明装置结构示意图；
图2为带止逆装置的单效双级增压的本发明装置结构示意图；
图3为带储液子系统的单效双级增压的本发明装置结构示意图；
图4为带储液子系统的双效双级增压的本发明装置结构示意图；
图5为增压装置与发生器或蒸发器之间的连接方式示意图；
图6为储液子系统结构示意图；
图7为本发明图1所示循环方法的焓—浓图；
图8为现有单效吸收式循环方法的焓—浓图。
具体实现方式
本发明提供的吸收式制冷循环方法为：
(1)工作介质被驱动热源加热解吸出冷剂蒸汽，工作介质可为任何已知的二元或多元吸收式制冷工质(称制冷工质中低沸点的组分为冷剂)；
(2)对于工作介质进行下述步骤2.1，对于冷剂蒸汽进行下述步骤2.2中的各步骤；
(2.1)降低经历过步骤1的工作介质的压力或升高经历过步骤1的工作介质的压力；其中，对于制冷工况、第一类吸收式热泵为降低工作介质的压力；对于第二类吸收式热泵则升高工作介质的压力；
(2.2)冷剂蒸汽依次进行下述步骤：
(2.2.1)提高冷剂蒸汽的压力；
(2.2.2)使冷剂蒸汽放热凝结为冷剂液体；
(2.2.3)降低冷剂液体的压力或升高冷剂液体的压力，其中，对于制冷工况、第一类吸收式热泵为降低冷剂液体的压力；对于第二类吸收式热泵则升高冷剂液体的压力；
(2.2.4)使冷剂液体吸热蒸发为冷剂蒸汽
(3)冷剂蒸汽被经历步骤2.1后的工作介质吸收；
(4)将完成步骤3的工作介质压力调整为步骤1过程中工作介质的压力；
(5)重复上述步骤，直至关机。
本发明也可以将步骤2.2.1移至步骤2.2.4之后进行，或者在步骤2.2.4之后增加一个过程：即提高冷剂蒸汽的压力，然后再进入下一步骤。从实质上来说，本发明就是通过提高冷剂蒸汽压力来实现发明目的，因此可以根据实际情况选择在上述步骤2.2.1时增加“提高冷剂蒸汽的压力”的过程，也可以选择在上述步骤2.2.4之后增加“提高冷剂蒸汽的压力”的过程，或者在上述二处均增加“提高冷剂蒸汽的压力”的过程。
(请补充说明“提高冷剂蒸汽压力”的参数范围或条件，下述关于“压比”的说明是针对装置而言的，就方法来说，最好用方法特征来限定。)
若是提高发生过程中解吸出的冷剂蒸汽的压力，则必须将冷剂蒸汽的压力提高到在下一步骤的冷凝过程所对应的冷剂饱和压力；若是提高蒸发过程中产生的冷剂蒸汽的压力，则必须将冷剂蒸汽的压力提高到在下一步骤的吸收过程所对应的压力。
本发明方法是利用电能补偿热能品位的一种新的热力循环方法。依据这种方法可以衍生出适用于不同工况下的多种具体循环方式，如两级*单(双)级**增压、单效单(双)级增压、双效单(多)级增压、多效单(多)级增压等等。需要说明的是，工作介质不同，能实现的具体循环方式的种类也不同。上述标“*”处的“级”、“效”的含义与现有循环方法和装置中所使用的相同；上述标“**”处的“级”的含义定义为冷剂蒸汽在不同位置被增压的次数，如果冷剂蒸汽在一处被增压为单级增压，在两处被增压为双级增压；以此类推。
本发明方法应用于第二类热泵工况时，热力系数比现有的压缩—吸收式循环低，但本发明方法与现有的压缩—吸收式循环相比消耗更少的电能。
本发明装置与现有吸收式循环装置相比较的特点是在蒸发器与吸收器之间或者在发生器与冷凝器之间或者在高压发生器出口处(两效或多效系统中)设置了增压装置。在蒸发器与吸收器之间、在发生器与冷凝器之间设置增压装置是为了维持吸收器与蒸发器、冷凝器与发生器之间的压差；在高压发生器出口处设置增压装置的目的是使增压后的冷剂蒸汽能在低压发生器中冷凝。
为了防止增压装置启动时发生器压力或蒸发器压力波动过大，增压装置入口前应设有压力缓冲箱也可以加大发生器、蒸发器的容积达到压力缓冲箱的效果。
对于以溴化锂—水为工作介质的系统，由于水蒸汽的比容很大以及绝对压力很小，增压装置应尽量选用叶轮式压气机，最好为轴流式。对于以氨—水为工作介质的系统，增压装置可选用透平压缩机或其它形式压缩机。增压装置与发生器或蒸发器之间的连接与机组容量即冷剂蒸汽循环量有关，冷剂蒸汽量较小时可只用一台增压装置、冷剂蒸汽量较大时可用多台增压装置。
在吸收器与蒸发器之间的增压装置的设计压头为吸收器压力与蒸发器压力之间的压力差，在冷凝器与发生器之间的增压装置的设计压头为冷凝器压力与发生器压力之间的压力差；在高压发生器出口处的增压装置的出口压力为冷剂在低压发生器中冷凝的温度对应的饱和蒸汽压。增压装置压比(增压装置进出口冷剂蒸汽压力之比)的大小直接影响增压装置负荷，出于经济性考虑一般应使增压装置总负荷不超过用电制冷方式制取相同冷量或热量所需电能的二分之一，单级增压压比一般不应大于3。根据这一原则，可确定增压装置进、出口冷剂蒸汽压力。
为了提高新循环经济性，可采用以下两种方案：第一种方案，当压比大于2时、为了减小增压装置负荷可在增压装置入口前增设热交换器，让冷却水冷却冷剂蒸汽即减小增压装置入口冷剂蒸汽过热度；第二种方案，在增压装置出口增设热交换器，让增压装置出口冷剂蒸汽加热放热后的(即回程的)驱动热源，此种方案可以以热能的形式回收大部分增压装置压缩功。由于在这两种方案中，在热交换器中交换的是显热且冷剂蒸汽质量流量很小，所以热交换器的负荷很小。
对于本发明装置应采取措施防止停机时间过久后再次启动困难，下面提供三种可选方案。第一种方案，在增压装置入口或出口处设置止逆装置，一般应在增压装置出口处设置止逆装置，因为增压装置出口处口径要小于入口口径；第二种方案，在系统中设置储液子系统，它包括一个或多个储液箱、一个或多个截止阀门及复位机构，在停机时将冷凝器、蒸发器或发生器、冷凝器中的液相冷剂或工作介质(因为冷剂数量少故一般储存冷剂)引入至储液箱，再次启动时使用复位机构将其输送至原处；第三种方案，通过调节设备使溶液浓度恢复至运行工况下的所需值。
止逆装置的工况及形式为：工作介质为冷剂蒸汽(通常为水蒸汽或氨蒸汽)，工作压力小于增压装置出口冷剂蒸汽压力，工作温度一般小于200度。可根据口径、工况选用恰当的阀门，如截止阀、止回阀、真空阀等，也可采用其它结构。
图1、图2、图3和图4列举出本发明运行于制冷工况的装置的具体结构示意图。
图1所示的循环装置为带止逆装置的单效单级增压的本发明装置，即技术效果部分所选用的与现有单效吸收式制冷循环装置相对比的本发明装置。图1显示，驱动热源1与发生器2之间以及冷凝器3、蒸发器4、吸收器5、溶液泵6、节流装置71、72、溶液热交换器91之间的连接关系与本领域公知技术所描述的连接方式相同，增设的增压装置8位于发生器2与冷凝器3之间。为再次开机方便，在增压装置8与冷凝器3之间可增设有止逆装置93。
图2所示的是带止逆装置的单效双级增压的本发明装置结构示意图。与图1相同，除去增压装置81、82，图2中驱动热源与发生器2之间，冷凝器3、节流装置72、蒸发器4之间，吸收器5、溶液泵6、节流装置71、溶液热交换器91之间的连接关系与本领域公知技术所描述的连接方式相同，增设的增压装置81位于发生器2与冷凝器3之间，增压装置82位于蒸发器4与吸收器5之间。
图3带储液子系统的单效双级增压的本发明装置结构示意图。图3中，除储液子系统外，其余部件连接关系与图2相同，储液子系统连接关系如图6所示。
图4为带储液子系统的双效双级增压的本发明装置结构示意图。与前面三个实施例对应部分相同，驱动热源1与高压发生器22之间，冷凝器3、节流装置72、蒸发器4之间，吸收器5、溶液泵6、节流装置71、73、溶液热交换器91、92之间的连接关系与本领域公知技术所描述的连接方式相同，增设的增压装置81位于低压发生器22和冷凝器3之间，增压装置82位于蒸发器4和吸收器5之间。储液子系统连接关系如图6所示。
图1-4重点展示本发明与现有循环技术的不同之处，图中未示意公知的、与现有循环相同的冷却水流程、工作介质和冷剂在发生器、吸收器内部以及冷剂在冷凝器、蒸发器内部的流程及所需溶液泵、冷剂泵。其次，若循环采用氨—水这类组分沸点相近的工作介质时，应在发生器出口设置精馏装置。再次，双(多)效单(多)级增压循环系统中，工作介质在发生器、吸收器之间有与现有循环相同的多种流程(并联、串联、倒串联、串并联)，图4是示意的是串联方式。最后要说明的是在单(多)级增压循环系统中，增压装置可以处于的位置有：高压发生器出口处、低压发生器出口处、蒸发器出口处，图1示意的是增压装置位于发生器出口处，图4示意的是增压装置位于低压发生器出口处和蒸发器出口处。
图5是增压装置与发生器或蒸发器之间的一种连接方式示意图。图5-1的是当冷剂蒸汽量较小时，采用一台增压装置时的连接方式。如果冷剂蒸汽量较大时采用多台增压装置时其连接方式可以采用如图5-2所示的方式连接。图中导管99具有缓冲压力的作用。
图6是储液子系统与冷凝器或蒸发器之间的一种连接方式示意图。图中复位机构100的作用是在机组再次启动时将储存在储液箱中冷剂压至冷凝器或蒸发器中。
总之，本发明适用于改进现有的各种吸收式制冷循环方法和现有的各种吸收式制冷循环装置，只需要在现有循环方法中相应的步骤增加“提高冷剂蒸汽压力”这一过程，或者在现有循环装置中相应位置增设增压装置及其辅助装置(止逆器或储液子系统)即可，因而，凡是利用“提高冷剂蒸汽压力”改进现有循环方法和增设增压装置改进现有循环装置的各种变化形式，均属于本发明的范围。
Claims (10)
1.一种吸收式制冷循环方法，依次包括下述步骤，其特征在于：
(1)工作介质被驱动热源加热解吸出冷剂蒸汽；
(2)对于工作介质进行下述步骤2.1，对于冷剂蒸汽进行下述步骤2.2中的各步骤；
(2.1)降低经历过步骤1的工作介质的压力或升高经历过步骤1的工作介质的压力；
(2.2)冷剂蒸汽依次进行下述步骤：
(2.2.1)提高冷剂蒸汽的压力；
(2.2.2)使冷剂蒸汽放热凝结为冷剂液体；
(2.2.3)降低冷剂液体的压力或升高冷剂液体的压力；
(2.2.4)使冷剂液体吸热蒸发为冷剂蒸汽
(3)冷剂蒸汽被经历步骤2.1后的工作介质吸收；
(4)将完成步骤3的工作介质压力调整为步骤1过程中工作介质的压力；
(5)重复上述步骤，直至关机。
2.根据权利要求1所述的吸收式制冷循环方法，其特征在于：在步骤2.2.4之后增加步骤2.2.5，提高冷剂蒸汽的压力。
3.根据权利要求1所述的吸收式制冷循环方法，其特征在于：将步骤2.2.1移至步骤2.2.4之后进行。
4.一种实现权利要求1所述循环方法的吸收式制冷循环装置，包括增压装置、发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、热交换器、节流装置和冷剂泵、溶液泵，其特征在于：所述发生器与冷凝器之间设置有增压装置。
5.根据权利要求4所述的吸收式制冷循环装置，其特征在于：所述蒸发器与吸收器之间设置有增压装置。
6.根据权利要求4或5所述的吸收式制冷循环装置，其特征在于：所述增压装置的出口处设置有止逆装置。
7.一种实现权利要求3所述循环方法的吸收式制冷循环装置，包括增压装置、发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、热交换器、节流装置和冷剂泵、溶液泵，其特征在于：所述蒸发器与吸收器之间设置有增压装置。
8.根据权利要求7所述的吸收式制冷循环装置，其特征在于：所述增压装置的出口处设置有止逆装置。
9.一种实现权利要求1所述循环方法的两(多)效吸收式制冷循环装置，包括增压装置、高压发生器、低压发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、热交换器、节流装置和冷剂泵、溶液泵，其特征在于：所述高压发生器的出口处设置有增压装置。
10.根据权利要求9所述的吸收式制冷循环装置，其特征在于：所述蒸发器与吸收器之间设置有增压装置。
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|---|---|---|---|
| CN 01138273 CN1356517A (zh) | 2001-12-11 | 2001-12-11 | 一种吸收式制冷循环方法及装置 |
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| CN 01138273 CN1356517A (zh) | 2001-12-11 | 2001-12-11 | 一种吸收式制冷循环方法及装置 |
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