CN204513843U - 一种跨临界循环提供两级吸收循环发生热的复合制冷系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种跨临界循环提供两级吸收循环发生热的复合制冷系统，由跨临界压缩子系统、高压吸收子系统和低压吸收子系统组成，是一种新型闭式压缩吸收复合系统，通过合理的能量耦合，使高压吸收子系统和低压吸收子系统的发生热量全部来自于跨临界压缩子系统，同时使两级吸收低压级可利用余热品味降低，提高了跨临界压缩机出口排气余热量的利用率，使吸收式子系统无需额外的热量输入，仅需压缩机等必须的电能输入，具有良好的独立性和适用范围；与单纯跨临界压缩循环相比，复合系统循环COP可提高约30％～40％，具有良好的经济性。

Description

一种跨临界循环提供两级吸收循环发生热的复合制冷系统

技术领域

本实用新型属于制冷领域，涉及一种压缩/两级吸收复合制冷系统，具体涉及一种跨临界循环提供两级吸收循环发生热的复合制冷系统。

背景技术

随着节能环保的理念深入人心，跨临界制冷循环因其可以利用温室效应潜能值较高但环保的氟利昂类工质如R23、R508B或者自然工质如CO₂、N₂O的优点得到了广泛的关注。跨临界制冷循环有着排气温度高、温度滑移大的特点，具有高温且大量的冷凝热可供回收利用，早在2001年，corona公司和Dens公司联合开发的第一个CO₂热泵热水器就可以在较高能效比下提供65℃的热水；此外，由于CO₂的单位容积制冷量大，跨临界循环具有较高的制冷效率(COP可达3.0以上)。综合以上特点，有效利用高温排气余热来减小系统本身的制冷能耗、进一步提高性能系数可以扩大跨临界循环的优势，更好地节能，是极具潜力的应用方式之一。

早在上世纪50年代，吸收式系统与压缩式系统复合制冷已有相应的研究，这种系统可以利用压缩系统的冷凝余热，并提高制冷效率，而跨临界循环作为压缩循环的一种具有更高的余热量和品味，十分适用于这类复合系统。然而，现有的吸收/压缩复合制冷循环多釆用开式循环，吸收和压缩制冷子循环使用相同的工作介质，由于这两种制冷方式对工质的要求有许多不同之处，釆用相同的工质不可避免地要牺牲其中一方的性能，甚至两种制冷方式的性能都会受到影响，从而导致复合循环的性能降低。

在现有复合制冷发展基础上，申请号为201210147756.X的中国专利文献公开了利用低品位热的跨临界/吸收复合制冷装置，这是一个闭式的跨临界压缩吸收复合系统，分别采用不同的工质，两系统只进行能量的交换，能充分地利用跨临界循环的高温冷凝热，且大幅提高跨临界制冷效率。然而，因系统循环特性，高压级发生器只可利用65℃以上的冷凝余热，而理论上可利用至40℃以下，余热利用并不充分。此外，低压级发生器虽然可以利用一般被浪费掉的50℃～60℃的极低品位热源，但仍需要大量的外部能量输入，不适用于无法提供大量余热的普通建筑环境。

实用新型内容

本实用新型提供了一种跨临界循环提供两级吸收循环发生热的复合制冷系统，通过跨临界压缩子系统与高压吸收子系统、低压吸收子系统间合理的能量耦合，使高低压发生所需热量全部来自跨临界压缩子系统的冷凝余热，将其充分利用。

本实用新型的技术方案为：

一种跨临界循环提供两级吸收循环发生热的复合制冷系统，由跨临界压缩子系统、高压吸收子系统和低压吸收子系统组成，其中，

所述的高压吸收子系统的高压发生器的蒸汽出口与冷凝器的入口相连，冷凝器的出口与第一节流装置的进口相连，第一节流装置的出口与冷凝蒸发器的液体入口相连，高压吸收器的液体出口与第一循环泵的进口相连，第一循环泵的出口与第一溶液换热器的第一通道入口相连，第一溶液换热器的第一通道出口与高压发生器的液体入口相连，高压发生器的液体出口与第一溶液换热器的第二通道入口相连，第一溶液换热器的第二通道出口与第二节流装置的入口相连，第二节流装置的出口与高压吸收器的液体入口相连；

所述的低压吸收子系统的低压发生器的出口分为两路，一路与高压吸收器的气体入口连通，另一路与冷凝蒸发器的气体入口相连，冷凝蒸发器的液体出口与第三节流装置的进口相连，第三节流装置的出口与第一蒸发器的入口相连，第一蒸发器的出口与低压吸收器的气体入口相连，低压吸收器的液体出口与第二循环泵的进口相连，第二循环泵的出口与第二溶液换热器的第一通道入口相连，第二溶液换热器的第一通道出口与低压发生器的液体入口相连，低压发生器的液体出口与第二溶液换热器的第二通道入口相连，第二溶液换热器的第二通道出口与第四节流装置的入口相连，第四节流装置的出口与低压吸收器的液体入口相连；

高压发生器内设有第一盘管换热器，所述低压发生器内设有第二盘管换热器；

所述的跨临界压缩子系统的压缩机的出口与第一盘管换热器的入口相连，第一盘管换热器的出口与第二盘管换热器的入口相连，第二盘管换热器的出口与气冷器的进口相连，气冷器的出口与回热器的第一通道进口相连，回热器的第一通道出口与第五节流装置的进口相连，第五节流装置的出口与第二蒸发器的进口相连，第二蒸发器的出口与回热器的第二通道进口相连，回热器的第二通道出口与压缩机的吸气口相连。

所述跨临界压缩子系统的工作流体依次经过压缩机、第一盘管换热器、第二盘管换热器、气冷器、回热器第一通道、第五节流装置、第二蒸发器、回热器第二通道后回到压缩机，完成压缩制冷子循环。

作为优选，所述气冷器和冷凝器的内部均设有冷却盘管，所述冷却盘管的进、出口与冷却介质源连通。所述冷却盘管中充注的冷却介质为水、空气或者其他介质。所述高压吸收器(12)、第二蒸发器(7)、第一蒸发器(18)和低压吸收器(19)内部的盘管也都设有冷却盘管。

所述的跨临界循环提供两级吸收热的复合制冷系统，其工作流程如下：

对于跨临界压缩子系统，经过压缩机做功之后的过热制冷剂蒸汽，在高压发生器内部设置的第一盘管换热器放热冷凝降温，然后进入低压发生器内部设置的第二盘管换热器放热进一步冷凝降温，再经过气冷器进一步冷却，接着通过回热器第一通道与第二通道中的制冷剂蒸汽交换热量，然后经第五节流装置进入第二蒸发器中吸热蒸发，产生第一部分冷量。

蒸发后的制冷剂蒸汽经回热器第二通道交换热量后，回到压缩机，开始新的循环。

所述的第一盘管换热器和第二盘管换热器既分别在高压发生器和低压发生器中加热溶液产生制冷剂蒸汽，又作为跨临界压缩子系统的冷凝装置冷却高温排气。

跨临界压缩子系统同时为高压吸收子系统和低压吸收子系统提供吸收热，不再需要大量的外部能量输入。

对于高压吸收子系统和低压吸收子系统，在跨临界压缩子系统的冷凝余热的驱动下，高压发生器中的工作流体产生高温高压的制冷剂蒸汽，该蒸汽从高压发生器的气体出口进入冷凝器中冷凝降温。

同时高压发生器中的浓溶液进入第一溶液换热器的第二通道换热降温后经第二节流装置进入高压吸收器，所述浓溶液作为吸收器的吸收溶液。所述浓溶液吸收后变成稀溶液经第一循环泵升压后经过第一溶液换热器第一通道预热并回到高压发生器。

高温高压的制冷剂蒸汽在冷凝器中冷凝降温后经第一节流装置进入冷凝蒸发器。低压发生器在跨临界压缩冷凝余热的驱动下产生的制冷剂蒸汽，一部分进入冷凝蒸发器与来自冷凝器的工作流体发生热量交换，另一部分则通向高压吸收器的气体入口后被吸收。

通过冷凝蒸发器调节容器中气、液两相的组成比例之后，以液相存在的制冷剂经冷凝蒸发器的液体出口经第三节流装置节流降压后进入第一蒸发器进行蒸发，产生第二部分冷量。

第一蒸发器内蒸发后的制冷剂蒸汽经低压吸收器的气体入口进入低压吸收器，被其中的吸收溶液吸收。低压吸收器内吸收制冷剂蒸汽后的稀溶液经第二循环泵升压后进入第二溶液换热器的第一通道进行预热，然后进入低压发生器。低压发生器发生后产生的浓溶液经过第二溶液热交换器第二通道，再经第四节流装置节流降压后回到低压吸收器。

作为优选，所述高压吸收子系统和低压吸收子系统所用工作流体为制冷剂和吸收剂的组合。所述制冷剂组分具有低沸点，所述吸收剂组分具有高沸点。

作为优选，所述高压吸收子系统和低压吸收子系统所用工作流体为离子液体或盐与水组成的工质对。离子液体的正离子包括:烷基季铵离子、烷基季瞵离子、1,3-二烷基取代的咪唑离子和N-烷基取代的吡啶离子这四类；其负离子包括卤化盐和BF4。离子液体相较于溴化锂水溶液可以大幅度降低对金属部件的腐蚀性，并可根据运行工况设计所需要的离子液体的组成，具有更好的工况适应性。

作为工作流体的进一步优选，所述高压吸收子系统和低压吸收子系统所用工作流体为溴化锂-水溶液或者氨水。

作为制冷剂的优选，所述制冷剂为氟利昂类制冷剂。

作为吸收剂的优选，所述吸收剂是二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺或三乙二醇二甲醚或吡咯烷酮。二氧化碳作为一种安全可靠的天然工质，近些年已引起广泛关注，在跨临界循环中的应用也发展迅速；一氧化二氮作为另一种天然工质，其物理性质与二氧化碳相似，二者的分子量，临界温度，临界压力接近；一氧化二氮的三相点温度-90.82℃，远低于二氧化碳的-55.58℃，可以应用于低温领域。

作为优选，所述跨临界压缩子系统的工作流体为二氧化碳或者一氧化二氮。

作为优选，所述跨临界压缩子系统的工作流体为R23、R41、R32、R290或者R508B。所述工作流体也可以为R23的混合物、R41的混合物或者R32与R290混合物。

R23、R41、R32、R290和R508B属于温室效应潜能值较高但环保的氟利昂类工质，对环境危害小。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型的一种跨临界循环提供两级吸收循环发生热的复合制冷系统，是一种新型闭式压缩吸收复合系统，通过合理的能量耦合，使高低压级的发生热量全部来自于跨临界压缩系统，提高了压缩系统冷凝余热的利用率，且无需额外的能量输入，具有良好的独立性和适用范围。通过系统冷凝蒸发器的调节，低压级可利用余热品味可低至50℃左右，提高了跨临界压缩机出口排气可利用余热量；与单纯跨临界压缩循环相比，系统循环COP可提高约30～40％，具有良好的经济性。

附图说明

图1为实施例1的跨临界循环提供两级吸收热的复合制冷系统的示意图，图中：1为压缩机、2为第一盘管换热器、3为第二盘管换热器、4为气冷器、5为回热器、6为第五节流装置、7为第二蒸发器、8为高压发生器、9为冷凝器、10为第二节流装置、11为冷凝蒸发器、12为高压吸收器、13为第一循环泵、14为第一溶液换热器、15为第二节流装置、16为低压发生器、17为第三节流装置、18为第一蒸发器、19为低压吸收器、20为第二循环泵、21为第二溶液换热器、22为第四节流装置；a、b和c分别为高压发生器的液体入口、气体出口和液体出口，d和e分别为第一盘管换热器的出口和入口，f、g和h分别为高压吸收器的液体入口、气体入口和液体出口，i、j和k分别为低压发生器的气体出口、液体入口和液体出口，l和m分别为第二盘管换热器的入口和出口，n、o和p分别为低压吸收器的液体入口、气体入口和液体出口，q、r和s分别为冷凝蒸发器的液体入口、液体出口和气体入口。

图2为实施例1的跨临界循环提供两级吸收热的复合制冷系统的COP随冷凝蒸发器温度变化图，Tg1为高级发生温度，Tg2为低压级发生温度，t_m为冷凝蒸发器温度，COPmt为复合系统性能系数；

图3为对比例1的制冷系统的示意图；

图4为实施例1跨临界循环提供两级吸收热的复合制冷系统和对比例1跨临界循环提供单级溴化锂-水吸收式复合制冷系统的COP随发生温度变化图，Tg为发生温度，COPhp为单纯跨临界压缩循环性能系数，COPmt为复合系统性能系数。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例1

如图1所示，一种跨临界循环提供两级吸收热的复合制冷系统，由跨临界压缩子系统、高压吸收子系统和低压吸收子系统组成；

其中高压吸收子系统的高压发生器8的蒸汽出口b与冷凝器9的入口相连，冷凝器9的出口与第一节流装置10的进口相连，第一节流装置10的出口与冷凝蒸发器11的液体入口q相连，高压吸收器12的液体出口h与第一循环泵13的进口相连，第一循环泵13的出口与第一溶液换热器14的第一通道入口相连，第一溶液换热器14的第一通道出口与高压发生器8的液体入口a相连，高压发生器8的液体出口c与第一溶液换热器14的第二通道入口相连，第一溶液换热器14的第二通道出口与第二节流装置15的入口相连，第二节流装置15的出口与高压吸收器12的液体入口f相连；

低压吸收子系统的低压发生器16的出口i分为两路，一路与高压吸收器12的气体入口g连通，另一路与冷凝蒸发器11的气体入口s相连，冷凝蒸发器11的液体出口r与第三节流装置17的进口相连，第三节流装置17的出口与第一蒸发器18的入口相连，第一蒸发器18的出口与低压吸收器19的气体入口o相连，低压吸收器19的液体出口p与第二循环泵20的进口相连，第二循环泵20的出口与第二溶液换热器21的第一通道入口相连，第二溶液换热器21的第一通道出口与低压发生器16的液体入口j相连，低压发生器16的液体出口k与第二溶液换热器21的第二通道入口相连，第二溶液换热器21的第二通道出口与第四节流装置22的入口相连，第四节流装置22的出口与低压吸收器19的液体入口n相连；

高压发生器8内设有第一盘管换热器2，低压发生器16内设有第二盘管换热器3；

跨临界压缩子系统的压缩机1的出口与第一盘管换热器2的入口d相连，第一盘管换热器2的出口e与第二盘管换热器3的入口l相连，第二盘管换热器3的出口m与气冷器4的进口相连，气冷器4的出口与回热器5的第一通道进口相连，回热器5的第一通道出口与第五节流装置6的进口相连，第五节流装置6的出口与第二蒸发器7的进口相连，第二蒸发器7的出口与回热器5的第二通道进口相连，回热器5的第二通道出口与压缩机1的吸气口相连。

下面以溴化锂-水溶液作为高压吸收子系统和低压吸收子系统循环的工作流体，水为制冷剂；以二氧化碳作为跨临界压缩子系统的工作流体说明系统的工作过程：

对于跨临界压缩子系统，经过压缩机1做功之后产生过热的二氧化碳蒸汽，过热的二氧化碳蒸汽首先在高压发生器8内部设置的第一盘管换热器2处放热冷凝降温，然后进入低压发生器16内部设置的第二盘管换热器3放热进一步冷凝降温，再经过气冷器4进一步冷却，接着流经回热器5内的第一通道与第二通道内的二氧化碳蒸汽交换热量，后经第五节流装置6后变为低温低压的二氧化碳液体，之后进入第二蒸发器7中吸热蒸发，产生第一部分冷量。蒸发后的二氧化碳蒸汽经回热器5的第二通道交换热量后，回到压缩机1。

对于高压吸收子系统和低压吸收子系统，高压发生器8中的溴化锂-水溶液在跨临界高温排气加热下产生水蒸汽(制冷剂)和溴化锂浓溶液(吸收剂)。

水蒸汽先进入冷凝器9冷凝降温后经第二节流装置10节流后进入冷凝蒸发器11闪蒸、降温，同时与来自低压发生器16在跨临界高温排气加热下产生的部分制冷剂水蒸汽混合。而来自低压发生器16的制冷剂水蒸汽的另一部分则通向高压吸收器12被吸收，吸收水蒸汽后的溴化锂稀溶液经过第一循环泵13的升压进入第一溶液换热器14的第一通道预热后回到高压发生器8。

高压发生器8发生后的溴化锂浓溶液则通过第一溶液换热器14的第二通道冷却后，再经第二节流装置15节流降压后进入高压吸收器12。冷凝蒸发器11中的液相制冷剂水经第三节流装置17进入第一蒸发器18内蒸发制冷，然后进入低压吸收器19被来自低压发生器16发生后的溴化锂浓溶液吸收，后经第二循环泵20升压后经第二溶液换热器21的第一通道预热后回到低压发生器16内。低压发生器16发生后的溴化锂浓溶液则通过第二溶液换热器21的第二通道预冷后经第四节流装置22进入低压吸收器19作为吸收溶液。

为了进一步说明本实用新型的跨临界循环提供两级吸收热的复合制冷系统的优点，在以下工况下进行测试：压缩机1的出口压力为9MPa，蒸发温度7℃，气冷器温度为35℃；两级吸收系统的冷凝温度为35℃，高低压吸收温度为35℃，蒸发温度为7℃。跨临界循环提供两级吸收热的复合制冷系统的COP随冷凝蒸发器温度变化如图2所示。

单纯跨临界压缩循环在设定的冷凝温度、蒸发温度、出口压力情况下COP为3.2，而由图2可知，当高低压级温度适宜时，复合循环的COP可达4以上，例如图中当高压吸收温度为70℃，低压吸收温度为48℃时，COP值达到4.1，相比于单纯跨临界循环性能提升28.1％以上。

对比例1

传统两级溴化锂-水吸收式制冷可以利用70℃以上的热源，循环的COP能达到0.38左右；而单级溴化锂-水吸收式制冷系统的循环COP约为0.7～0.8，但是使用的热源温度较高。

下面以跨临界循环提供单级溴化锂-水吸收式复合制冷系统作为对比，复合系统由跨临界子系统和单级溴化锂-水吸收式子系统组成，以CO₂作为跨临界循环工质，简单的工作流程与所述实施例1系统类似，如图3所示，

对于跨临界压缩子系统，经过压缩机做功之后的过热二氧化碳蒸汽，在发生器内部设置的盘管换热器放热冷凝降温，后进入气冷器进一步冷却，接着通过回热器、第一节流装置后变为低温低压的二氧化碳液体，之后进入第一蒸发器中吸热蒸发，产生第一部分冷量。蒸发后的二氧化碳蒸汽经回热器回到压缩机。

对于单级吸收式子系统，发生器在跨临界高温排气余热加热下产生制冷剂水蒸汽经冷凝器、第二节流装置到达第二蒸发器蒸发产生第二部分冷量，出口蒸汽回到吸收器被吸收。

当压缩机的出口压力为9MPa，蒸发温度7℃，气冷器温度为35℃；单级吸收式制冷子系统冷凝温度为35℃，吸收器温度为35℃，蒸发温度为7℃时，复合系统循环COP变化如图4所示。图4中，在发生温度达到要求(80℃以上)以及高压级放气范围合理的情况下，性能系数最高可达3.7，相比单纯跨临界循环的性能提升17.1％，随着发生温度的升高，发生器可以利用的跨临界循环高温排气的余热量减少，COP反而下降，同工况下相比于所述的两级吸收热的复合制冷系统性能提升效果略有欠缺，相差11％左右。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种跨临界循环提供两级吸收循环发生热的复合制冷系统，由跨临界压缩子系统、高压吸收子系统和低压吸收子系统组成，其特征在于，

所述的高压吸收子系统的高压发生器(8)的蒸汽出口(b)与冷凝器(9)的入口相连，冷凝器(9)的出口与第一节流装置(10)的进口相连，第一节流装置(10)的出口与冷凝蒸发器(11)的液体入口(q)相连，高压吸收器(12)的液体出口(h)与第一循环泵(13)的进口相连，第一循环泵(13)的出口与第一溶液换热器(14)的第一通道入口相连，第一溶液换热器(14)的第一通道出口与高压发生器(8)的液体入口(a)相连，高压发生器(8)的液体出口(c)与第一溶液换热器(14)的第二通道入口相连，第一溶液换热器(14)的第二通道出口与第二节流装置(15)的入口相连，第二节流装置(15)的出口与高压吸收器(12)的液体入口(f)相连；

所述的低压吸收子系统的低压发生器(16)的出口(i)分为两路，一路与高压吸收器(12)的气体入口(g)连通，另一路与冷凝蒸发器(11)的气体入口(s)相连，冷凝蒸发器(11)的液体出口(r)与第三节流装置(17)的进口相连，第三节流装置(17)的出口与第一蒸发器(18)的入口相连，第一蒸发器(18)的出口与低压吸收器(19)的气体入口(o)相连，低压吸收器(19)的液体出口(p)与第二循环泵(20)的进口相连，第二循环泵(20)的出口与第二溶液换热器(21)的第一通道入口相连，第二溶液换热器(21)的第一通道出口与低压发生器(16)的液体入口(j)相连，低压发生器(16)的液体出口(k)与第二溶液换热器(21)的第二通道入口相连，第二溶液换热器(21)的第二通道出口与第四节流装置(22)的入口相连，第四节流装置(22)的出口与低压吸收器(19)的液体入口(n)相连；

高压发生器(8)内设有第一盘管换热器(2)，所述低压发生器(16)内设有第二盘管换热器(3)；

所述的跨临界压缩子系统的压缩机(1)的出口与第一盘管换热器(2)的入口(d)相连，第一盘管换热器(2)的出口(e)与第二盘管换热器(3)的入口(l)相连，第二盘管换热器(3)的出口(m)与气冷器(4)的进口相连，气冷器(4)的出口与回热器(5)的第一通道进口相连，回热器(5)的第一通道出口与第五节流装置(6)的进口相连，第五节流装置(6)的出口与第二蒸发器(7)的进口相连，第二蒸发器(7)的出口与回热器(5)的第二通道进口相连，回热器(5)的第二通道出口与压缩机(1)的吸气口相连。

2.如权利要求1所述的一种跨临界循环提供两级吸收循环发生热的复合制冷系统，其特征在于，所述气冷器(4)和冷凝器(9)的内部均设有冷却盘管，所述冷却盘管的进、出口与冷却介质源连通。

3.如权利要求1所述的一种跨临界循环提供两级吸收循环发生热的复合制冷系统，其特征在于，所述高压吸收子系统和低压吸收子系统所用工作流体为制冷剂和吸收剂的组合。

4.如权利要求3所述的一种跨临界循环提供两级吸收循环发生热的复合制冷系统，其特征在于，所述高压吸收子系统和低压吸收子系统所用工作流体为离子液体或盐与水组成的工质对。

5.如权利要求3所述的一种跨临界循环提供两级吸收循环发生热的复合制冷系统，其特征在于，所述高压吸收子系统和低压吸收子系统所用工作流体为溴化锂-水溶液或者氨水。

6.如权利要求3所述的一种跨临界循环提供两级吸收循环发生热的复合制冷系统，其特征在于，所述制冷剂为氟利昂类制冷剂。

7.如权利要求6所述的一种跨临界循环提供两级吸收循环发生热的复合制冷系统，其特征在于，所述吸收剂是二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、三乙二醇二甲醚或吡咯烷酮。

8.如权利要求1所述的一种跨临界循环提供两级吸收循环发生热的复合制冷系统，其特征在于，所述跨临界压缩子系统的工作流体为二氧化碳或者一氧化二氮。

9.如权利要求6所述的一种跨临界循环提供两级吸收循环发生热的复合制冷系统，其特征在于，所述制冷剂为R23、R508B、R32、R290、或者R41。