CN202938398U - 太阳能直驱氨水吸收式空气能热泵空调系统 - Google Patents

太阳能直驱氨水吸收式空气能热泵空调系统 Download PDF

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余建伟
史文彬
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Abstract

本实用新型的一种太阳能直驱氨水吸收式空气能热泵空调系统，包括太阳能供热回路和热泵，热泵的发生器中的太阳能换热器将太阳能输入到太阳能热泵装置中，提供机组运行的动力。通过空气源热交换盘管吸收空气中的能量，这两部分的能量通过制冷剂蒸汽的冷凝和制冷剂蒸汽与稀溶液的熔解热释放出来，传递给热水，提高能源利用率。融霜时，利用进入空气源热交换盘管的制冷剂蒸汽除霜后与稀溶液溶解后放出的溶解热，保证了在除霜时仍然能够稳定地提供热量的方案。本实用新型的有益效果是：本装置以太阳能热源直接作为驱动能源，不需要消耗电能将太阳能转化为高品位能源，节省了大量的投资成本，同时大大提高了太阳能转热的热能的效率。

Description

太阳能直驱氨水吸收式空气能热泵空调系统
技术领域
本实用新型涉及一种太阳能直驱氨水吸收式空气能热泵供热系统。 
背景技术
目前，在一般民用建筑物，空调的能耗占了58%以上，给电力供应带来很大的压力。我国已经把太阳能利用作为后续能源战略中可再生能源的重要组成部分，并出台了一系列的政策指导性文件鼓励和支持太阳能转化研究和应用事业的发展。 
传统的空气源热泵装置，采用压缩机作为机组的驱动部件，磨损程度大，噪音大，使用寿命短。例如：中国专利：CN 102012129A中的一种节能型太阳能空气源热泵多功能机，使用压缩机作为驱动部件。 
传统的吸收式热泵装置大多数采用天然气、工业余热作为机组的驱动力，需要驱动能源购买成本，增加运行费用。例如：中国专利CN 201561564 U所公开的技术内容中，就是一燃气作为机组运行动力的。传统吸收热泵采用天然气作为驱动力，产生的烟气中带走了大量的热量，能源的利用率低， 并且传统热泵机组所用的制冷剂工质的性质决定了其不能在低温下稳定运行。 
发明内容
为解决以上技术上的不足，本实用新型提供了一种节能减排，热利用率高的太阳能直驱氨水吸收式空气能热泵空调系统。 
本实用新型是通过以下措施实现的： 
本实用新型的一种太阳能直驱氨水吸收式空气能热泵供热系统，包括太
阳能供热回路和热泵，所述太阳能供热回路包括通过导热油管路连接的槽式太阳能集热器、循环油泵、油气分离器、辅助热源和太阳能换热器；
所示热泵包括：
发生器，其顶部设置有液膜蒸发段、提馏段和溶液匀布结构Ⅰ，所述太
阳能换热器设置在发生器内；
精馏器，其介质入口与发生器顶部的介质出口连通，精馏器的介质出口
接有换热盘管Ⅲ，精馏器内设有换热盘管Ⅰ，所述换热盘管Ⅰ的入口连接有溶液泵，换热盘管Ⅰ的出口分成两路，一路接发生器的溶液匀布结构Ⅰ，另一路接有换热盘管Ⅱ；
二次冷却器，内设有换热盘管Ⅳ；
 间壁水冷冷凝器，设置有冷水进口和热水出口，所述换热盘管Ⅲ设置
在间壁水冷冷凝器内，换热盘管Ⅲ的出口连接换热盘管Ⅳ；
空气源热交换盘管，配有风机，空气源热交换盘管的入口连接换热盘管Ⅳ的出口且之间设置有节流装置，空气源热交换盘管的出口连接二次冷却器的介质入口；
膜式吸收器，顶部设置有溶液匀布结构Ⅱ，膜式吸收器的介质入口与二
次冷却器的介质出口连接， 所述换热盘管Ⅱ设置在膜式吸收器内，换热盘管Ⅱ的出口连接发生器的提馏段，所述溶液匀布结构Ⅱ连接发生器的液膜蒸发段且之间设置有稀溶液电磁阀；以及
   降膜式换热器，设置有冷水进口和热水出口，其介质入口连接膜式吸收器的介质出口，降膜式换热器的介质出口连接溶液泵。
上述精馏器的介质出口连接空气源热交换盘管的入口且之间设置有除霜阀门。 
上述稀溶液电磁阀连接有控制模块，所述控制模块连接有温度传感器、液位传感器，控制模块根据接收到的温度信号和液位信号控制稀溶液电磁阀的开度，以控制通过稀溶液电磁阀的溶液流量。 
上述溶液匀布结构Ⅰ为U形分流管或者圆盘溢流管，所述U形分流管为碳钢管或不锈钢管，所述圆盘溢流管上设置有10-15个通孔和10-15个铆钉，所述溶液匀布结构Ⅱ为环形分流管。 
上述精馏器内的换热盘管Ⅰ内不规则排布有填料环。 
上述膜式吸收器内设置有GAX高效换热器，所述GAX高效换热器为等距螺纹管，等距螺纹管均匀双层紧密排布在膜式吸收器内。 
上述发生器内设置有螺旋导流管和螺旋折流板。 
本实用新型的有益效果是： 1.本装置以太阳能热源直接作为驱动能源，不需要消耗电能将太阳能转化为高品位能源，节省了大量的投资成本，同时大大提高了太阳能转热的热能的效率。2.本装置以隔膜式溶液泵作为机组的驱动部件，为吸收式制热，没有运动部件的磨损，使用寿命长、噪音小。3.本装置不以天然气或者工业余热作为驱动能源，采用太阳能直驱的方式供热，解决了传统吸收式热泵能源使用率低的问题，使能源的一次利用率提高到85%以上。4.本装置提高了机组能源的利用率，进而提高制热热率，使其COP高达1.8~2.0。5.本装置融霜时，利用进入空气源热交换盘管的制冷剂蒸汽除霜后与稀溶液溶解后放出的溶解热，保证了在除霜时仍然能够稳定地提供热量。 
附图说明
图1 为本实用新型的结构示意图。 
图2为本实用新型的热泵结构示意图。 
其中：A槽式太阳能集热器，B热泵，C辅助热源，D循环油泵，E油气分离器，F膨胀罐，G循环泵，H空调末端，1发生器，1-1液膜蒸发段，1-2提馏段，1-3溶液匀布结构Ⅰ，1-4螺旋导流管和螺旋折流板，2精馏器，2-1换热盘管Ⅰ，3间壁水冷冷凝器，3-1换热盘管Ⅲ，4二次冷却器，4-1换热盘管Ⅳ，5空气源热交换盘管，6风机，7膜式吸收器，7-1溶液匀布结构Ⅱ，7-2换热盘管Ⅱ，7-3GAX高效换热器，8降膜式换热器，9溶液泵，10稀溶液电磁阀，11除霜阀门，12太阳能换热器，13节流装置。 
具体实施方式
如图1、2所示，本实用新型的太阳能直驱氨水吸收式空气能热泵供热系统，以天然能源太阳能作为机组的驱动能源，包括太阳能供热回路和热泵B，太阳能供热回路包括通过导热油管路连接的槽式太阳能集热器A、循环油泵D、油气分离器E、辅助热源C和太阳能换热器12，油气分离器E连接有膨胀罐F。
发生器1中的太阳能换热器12将太阳能输入到太阳能热泵装置中，提供机组运行的动力。通过空气源热交换盘管5吸收空气中的能量，这两部分的能量通过制冷剂蒸汽的冷凝和制冷剂蒸汽与稀溶液的熔解热释放出来，传递给热水，提高能源利用率。融霜时，利用进入空气源热交换盘管5的制冷剂蒸汽除霜后与稀溶液溶解后放出的溶解热，保证了在除霜时仍然能够稳定地提供热量的方案。 
具体结构包括发生器1、精馏器2、二次冷却器4、间壁水冷冷凝器3、空气源热交换盘管、膜式吸收器7和降膜式换热器8。其中发生器1内设有太阳能换热器12，发生器1顶部设置有液膜蒸发段1-1、提馏段1-2和溶液匀布结构Ⅰ1-3。精馏器2的介质入口与发生器1顶部的介质出口连通，精馏器2的介质出口接有换热盘管Ⅲ3-1，精馏器2内设有换热盘管Ⅰ2-1，换热盘管Ⅰ2-1的入口连接有溶液泵9，换热盘管Ⅰ2-1的出口分成两路，一路接发生器1的溶液匀布结构Ⅰ1-3，另一路接有换热盘管Ⅱ7-2。二次冷却器4内设有换热盘管Ⅳ4-1。间壁水冷冷凝器3设置有冷水进口和热水出口，换热盘管Ⅲ3-1设置在间壁水冷冷凝器3内，换热盘管Ⅲ3-1的出口连接换热盘管Ⅳ4-1。空气源热交换盘管5配有风机6，空气源热交换盘管5的入口连接换热盘管Ⅳ4-1的出口且之间设置有节流装置13，空气源热交换盘管5的出口连接二次冷却器4的介质入口。膜式吸收器7顶部设置有溶液匀布结构Ⅱ7-1，膜式吸收器7的介质入口与二次冷却器4的介质出口连接， 换热盘管Ⅱ7-2设置在膜式吸收器7内，换热盘管Ⅱ7-2的出口连接发生器1的提馏段1-2，溶液匀布结构Ⅱ7-1连接发生器1的液膜蒸发段1-1且之间设置有稀溶液电磁阀10。降膜式换热器8设置有冷水进口和热水出口，其介质入口连接膜式吸收器7的介质出口，降膜式换热器8的介质出口连接溶液泵9。精馏器2的介质出口连接空气源热交换盘管的入口且之间设置有除霜阀门11。
本发明内部包括两个循环，制冷剂循环和吸收剂循环。其中从降膜式换热器8出来的浓溶液经过溶液泵9加压后送入精馏器2中与高温高压的氨气进行热交换，浓溶液被加热，高温高压的氨气被冷却，获得热量的浓溶液分为两部分，一部分直接进入发生器1上部提馏段1-2，一部分进入降膜式吸收器7的GAX高效换热器7-3与混合后的高温稀溶液进行热交换。进入提馏段1-2的浓溶液经过提馏段1-2后，和来自吸收器的GAX高效换热器7-3的浓溶液一起进入发生器1，在发生器1中浓溶液继续吸取来自发生器1中加热换热器输入的热量，氨气从溶液中不断蒸发，溶液浓度逐渐降低，成为稀溶液。 
稀溶液经过稀溶液电磁阀10进入膜式吸收器7后，一方面吸收来自二次冷却器4的过热氨气并且释放熔解热；一方面混合后与进入GAX高效换热器7-3的浓溶液进行热量交换，温度不断降低，浓度不断升高，之后进入降膜式换热器8，与空调回水进行热交换（制取热量）后进入下一个吸收剂的循环。 
高温高压的氨气从精馏器2出来后进入间壁水冷冷凝器3，与间壁水冷冷凝器3中的空调回水进行热交换（制取热量），高温高压的氨气冷凝为液氨之后进入二次冷却器4，与来自空气源热交换器的氨气进行热量交换成为过冷的氨水溶液，过冷的氨水溶液然后经过节流装置13节流后进入空气源热交换器，吸收空气中的热量（制冷）后进入二次冷却器4变为过热的氨气，然后进入膜式吸收器7被稀溶液吸收，变为浓溶液，又进入下一制冷剂的循环。融霜时，利用进入空气源热交换盘管5的制冷剂蒸汽除霜后与稀溶液溶解后放出的溶解热，保证了在除霜时仍然能够稳定地提供热量。降膜式换热器8或者空气源热交换盘管5作为空调末端H，管路上接有循环泵G。 
具体地说，从降膜式换热器8出来的浓溶液经过溶液泵9加压后送入精馏器2中精馏器2热交换盘管中与从发生器1中出来的高温高压的氨气在精馏器2进行热交换，精馏器2空腔中充满填料环通过不规则排布及其特殊结构，加强了传热、传质的交换。制冷剂经加热、提馏、精馏后的纯度99.2%~99.9%之间。发生器1内蒸发后剩余的制冷剂浓度为3%~8%。优选的，制冷剂在发生器1内经加热、提馏、精馏后制冷剂蒸汽浓度为99.8%，发生器1内蒸发后剩余的制冷剂浓度为4%。 
溶液匀布结构Ⅰ1-3采用U形分流管或者圆盘溢流管，U形分流管为碳钢管或不锈钢管，圆盘溢流管上设置有10-15个通孔和10-15个铆钉，溶液匀布结构Ⅱ7-1为环形分流管。精馏器2内获得热量的浓溶液分为两部分，一部分直接进入发生器1提馏段1-2，通过发生器1顶部的U型分流管或者圆盘溢流管使浓溶液均匀的分布，一部分进入膜式吸收器7的GAX高效换热器7-3与从发生器1中进入吸收器的稀溶液与制冷剂蒸汽混合后的溶解热进行热交换，充分利用系统内部的热量交换来提高能源的利用率。 
进入提馏段1-2的浓溶液经过在提馏段1-2的进一步换热，和来自膜式吸收器7的GAX高效换热器7-3的浓溶液一起进入发生器1的中间部位，在发生器1中浓溶液通过螺旋导流管和螺旋折流板1-4向下流动，在向下流动的过程中继续吸取通过加热换热器输入系统内部的太阳能的热量，不断地在液膜蒸发部位进行充分的蒸发，溶液浓度逐渐降低，成为稀溶液，浓度为3%~8%，稀溶液通过螺旋导流管、稀溶液电磁阀10进入膜式吸收器7顶部。稀溶液进入吸收的量由热源温度或出水温度等组成的控制逻辑来进行控制，保证稀溶液的量与制冷剂蒸汽的量实现最佳匹配。 
稀溶液进入膜式吸收器7后，一方面在GAX高效换热器7-3表面吸收来自二次冷却器4的过热氨气并且释放熔解热；一方面混合后与进入GAX高效换热器7-3的浓溶液进行热量交换，温度不断降低，浓度不断升高，之后进入降膜式换热器8，与空调回水进行热交换后进入下一次循环。 
高温高压的氨气从精馏器2出来后进入间壁水冷冷凝器3，与间壁水冷冷凝器3中的空调回水进行热交换，高温高压的氨气冷凝为液氨之后进入二次冷却器4，与来自空气源热交换器的氨气进行热量交换，成为过冷的氨水溶液，然后经过节流装置13节流后进入空气源热交换器，吸收空气中的能量后进入二次冷却器4变为过热的氨气，然后进入膜式吸收器7被稀溶液吸收，变为浓溶液，又进入下一次循环。除霜时，融霜时除霜阀打开，通过空气源热交换盘管5上的温传，控制热气流量，保证用最少的热量将空气热交换盘管的霜层去掉，同时融霜用的制冷剂蒸汽在空气热交换盘管除霜后通过二次冷却器4进入膜式吸收器7，与膜式吸收器7顶部环形分流管将吸收剂均匀地喷在膜式吸收器7中的GAX高效换热器7-3上面，实现吸收剂与制冷剂最大程度的吸收。吸收剂与制冷剂混合之后变为高温的浓溶液，这部分高温的浓溶液进入降膜式换热器8与降膜式换热器8中冷却水进行热量传递，从而可以实现除霜时仍然生产热水的功能，解决了传统热泵机组除霜时不制热的问题，大大提高了能源的使用效率，高效环保，有利于能源结构的调整。 
膜式吸收器7内的GAX高效换热器7-3为等距螺纹管，等距螺纹管均匀双层紧密排布在膜式吸收器7内。GAX高效换热器7-3吸收式机组中发生器1与吸收器进行内部回热，将吸收过程中放出的吸收热回收，并送至发生器1以供发生之用，从而提高机组的热效率，改善循环性能。稀溶液电磁阀10连接有控制模块，控制模块连接有温度传感器、液位传感器，控制模块根据接收到的温度信号和液位信号控制稀溶液电磁阀10的开度，以控制通过稀溶液电磁阀10的溶液流量，从而控制整个循环系统的循环量。发生器1内设置有螺旋导流管或者螺旋折流板，提高了换热效率。 
本发明所需的制冷剂不采用氟利昂改用氨水溶液。从环保意义上说，它适合当今的环保要求。减少CFC 的排放量,即减少产生温室效应的气体，保护了臭氧层，对降低温室效应起了积极的作用。采用太阳能作为热源带动空调系统， 将在环保上发挥巨大作用。采用纯氨作为制冷剂，由于氨的凝固点为—77.7℃，可以在-20℃的低温下持续稳定地提供热水。 

Claims (7)

1.一种太阳能直驱氨水吸收式空气能热泵空调系统，其特征在于：包括太阳能供热回路和热泵，所述太阳能供热回路包括通过导热油管路连接的槽式太阳能集热器、循环油泵、油气分离器、辅助热源和太阳能换热器；
所示热泵包括：
发生器，其顶部设置有液膜蒸发段、提馏段和溶液匀布结构Ⅰ，所述太阳能换热器设置在发生器内；
精馏器，其介质入口与发生器顶部的介质出口连通，精馏器的介质出口接有换热盘管Ⅲ，精馏器内设有换热盘管Ⅰ，所述换热盘管Ⅰ的入口连接有溶液泵，换热盘管Ⅰ的出口分成两路，一路接发生器的溶液匀布结构Ⅰ，另一路接有换热盘管Ⅱ；
二次冷却器，内设有换热盘管Ⅳ；
 间壁水冷冷凝器，设置有冷水进口和热水出口，所述换热盘管Ⅲ设置在间壁水冷冷凝器内，换热盘管Ⅲ的出口连接换热盘管Ⅳ；
空气源热交换盘管，配有风机，空气源热交换盘管的入口连接换热盘管Ⅳ的出口且之间设置有节流装置，空气源热交换盘管的出口连接二次冷却器的介质入口；
膜式吸收器，顶部设置有溶液匀布结构Ⅱ，膜式吸收器的介质入口与二次冷却器的介质出口连接， 所述换热盘管Ⅱ设置在膜式吸收器内，换热盘管Ⅱ的出口连接发生器的提馏段，所述溶液匀布结构Ⅱ连接发生器的液膜蒸发段且之间设置有稀溶液电磁阀；以及
   降膜式换热器，设置有冷水进口和热水出口，其介质入口连接膜式吸收器的介质出口，降膜式换热器的介质出口连接溶液泵。
2.根据权利要求1所述太阳能直驱氨水吸收式空气能热泵空调系统，其特征在于：所述精馏器的介质出口连接空气源热交换盘管的入口且之间设置有除霜阀门。
3.根据权利要求1所述太阳能直驱氨水吸收式空气能热泵空调系统，其特征在于：所述稀溶液电磁阀连接有控制模块，所述控制模块连接有温度传感器、液位传感器，控制模块根据接收到的温度信号和液位信号控制稀溶液电磁阀的开度，以控制通过稀溶液电磁阀的溶液流量。
4.根据权利要求1所述太阳能直驱氨水吸收式空气能热泵空调系统，其特征在于：所述溶液匀布结构Ⅰ为U形分流管或者圆盘溢流管，所述U形分流管为碳钢管或不锈钢管，所述圆盘溢流管上设置有10-15个通孔和10-15个铆钉，所述溶液匀布结构Ⅱ为环形分流管。
5.根据权利要求1所述太阳能直驱氨水吸收式空气能热泵空调系统，其特征在于：所述精馏器内的换热盘管Ⅰ内不规则排布有填料环。
6.根据权利要求1所述太阳能直驱氨水吸收式空气能热泵空调系统，其特征在于：膜式吸收器内设置有GAX高效换热器，所述GAX高效换热器为等距螺纹管，等距螺纹管均匀双层紧密排布在膜式吸收器内。
7.根据权利要求1所述太阳能直驱氨水吸收式空气能热泵空调系统，其特征在于：所述发生器内设置有螺旋导流管和螺旋折流板。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN103822322A (zh) * 2014-03-13 2014-05-28 上海理工大学 风光联合驱动热泵的冷热联供系统及工作方法
CN112503782A (zh) * 2021-01-18 2021-03-16 南京工业大学 一种应用太阳能与溴化锂热泵的油田余热回收系统及方法

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