CN210602326U - 一种利用沸石吸附的多循环制冷系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种利用沸石吸附的多循环制冷系统，包括水源循环管路、冷却工质循环管路以及制冷管路三条回路。水源循环管路包括热源循环管路和冷源循环管路，分别为吸附装置提供高温和低温环境。冷却工质循环管路相当于传统制冷系统中的压缩机系统，吸附装置中填充沸石颗粒，低温环境下吸附装置吸附制冷工质蒸汽，使制冷工质蒸发不断蒸发带走制冷管路中低温冷水的潜热，使其温度降低，从而向外输出冷量，从而达到制冷效果，高温环境下吸附装置脱附制冷工质蒸汽，在冷凝器中冷凝为液态工质。工作中通过控制两位四通换向阀进行热源和冷源水路的切换，从而改变吸附装置的工作状态。

Description

一种利用沸石吸附的多循环制冷系统

技术领域

本实用新型涉及一种新型制冷装置，特别是一种利用沸石吸附的环保节能的制冷装置。

背景技术

制冷装置是给物料持续提供低温环境的设备，通过向物料输送低温的湿空气，使物料保持水分和新鲜度。制冷装置在工业和生活领域例如食品、饲料、化工、医学以及在微电子技术、光纤通信、新型原材料、宇宙开发、生物工程技术这些尖端科学领域中都有广泛的应用。

传统的制冷行业中主要使用的是热泵循环系统，其耗电量大，在夏天给电网造成极大的冲击；循环管路中的制冷工质为氟利昂，导致臭氧层的严重破坏；在安装和维修过程中，制冷工质的泄漏导致爆炸等安全事故。

吸附式制冷作为一种绿色环保的制冷技术，采用低温热源驱动，所使用的制冷剂为自然工质，如水、甲醇等，其臭氧破坏系数和温室效应系数都为零，对环境无污染。

与吸收式制冷相比，驱动热源温度更低，热源在50℃以上的工业废热和太阳能余热就可以驱动制冷，并适用于震动、颠簸等场合，不会产生结晶、堵塞管路等问题，应用范围更广。

与热泵制冷技术相比，其具有结构简单、用电少、运行费用低、无动力部件、噪音小、可靠性高、寿命长等优点。

在能源与环境协调发展的研究背景下，发展和研究吸附式制冷技术，对目前工业中直接排放的大量余热、废热进行热量回收利用，减少对环境的热污染，节约能源具有重要的节能环保意义。

同时，吸附式制冷技术利用低品位的热能驱动，对于目前采用平板型太阳能集热器和真空管型太阳能集热器的热源提供了一种可靠的利用方式，对于低温热源能源品位的提升具有现实的应用前景。

发明专利CN109405395A公布了一种便携式吸附冷藏箱，其在制冷过程中无需外部能源驱动，系统结构简单、性能稳定、体积较小、后期维护成本低，尤其适合于移动式制冷需求。但无法满足工业生产生活中大型制冷场合的需求。

基于上述原因，有必要设计一种高度节能、对外“零排放”以及工作效率高的制冷设备，其在工业生产中的经济效益和环保效益的前景十分广阔。

发明内容

为克服现有技术的不足，本实用新型提出一种利用沸石对冷却工质的吸附能力随温度不同而不同的原理，其在高温时对冷却工质的吸附能力弱，低温时对冷却工质的吸附能力强，通过沸石颗粒对冷却工质蒸汽的吸收和脱附，从而实现制冷效果。

本实用新型达成目的的技术方案是：

一种利用沸石吸附的多循环制冷装置，包括水源循环管路、冷却工质循环管路以及制冷管路。水源循环管路包括冷源循环水路和热源循环水路，两条循环管路同时工作，对冷却工质交替进行吸附和脱附，持续向外输出制冷量。

水源循环管路分为热源水路和冷源水路，包含两个循环水泵、两个两位四通换向阀、两个吸附装置以及管路，冷却工质循环管路包含四个真空阀门、一个循环水泵、一个蒸发器、一个冷凝器、一个喷嘴、一个集液器以及管路，制冷管路由一个蒸发器流路、一个循环水泵以及相应管路组成。

系统主要由四个工作状态：

状态一：冷源经冷源入口、第一循环水泵、第一两位四通换向阀、第二吸附装置、第二两位四通换向阀、冷凝器流路以及冷却水出口构成冷源水路；热源经热源入口、第二循环水泵、第一两位四通换向阀、第一吸附装置、第二两位四通换向阀以及热源出口构成热源水路。

工作时第二真空阀门和第四真空阀门打开，第一真空阀门和第三真空阀门关闭，第二吸附装置与蒸发器连通吸附冷却工质蒸汽，蒸发器流路表面的液态制冷工质被不断蒸发，带走蒸发器流路中水的潜热，使冷水温度降低成为冰水，向外输出制冷量；第一吸附装置与冷凝器连通，脱附出来的制冷工质蒸汽在冷凝器中冷凝为液态通过冷凝器回流管路进入集液器。

状态二：当第一吸附装置脱附过程完成，第二吸附装置吸附接近饱和时，切换第一两位四通换向阀，同时关闭第二真空阀门和第四真空阀门。冷源水先进入第一吸附装置，把其中残存的热水压回热源端，同时热源水进入第二吸附装置，把其中残存的冷源水压出冷源流路，直到吸附装置内残存的热源水和冷源水压出相应的流路，进入下一工作状态。

状态三：切换第二两位四通换向阀，同时打开第一真空阀门和第三真空阀门，此时热源水路流经第二吸附装置，冷源水路流经第一吸附装置。第二吸附装置与冷凝器连通进行脱附再生冷却，第一吸附装置与蒸发器连通进行吸附蒸发制冷。当该过程脱附过程完成，吸附接近饱和时，进入下一状态。

状态四：切换第一两位四通换向阀，同时关闭第一真空阀门和第三真空阀门，把第一吸附装置、第二吸附装置中残存的冷源水和热源水压出相应流路后，切换第二两位四通换向阀，打开第二真空阀门和第四真空阀门，回到状态一，如此循环，实现连续制冷。

本制冷机中冷凝器与冷源水路通过第二两位四通换向阀相连，冷源水流经吸附装置带走吸附热后作为冷却水流入冷凝器，可以提高冷源水的利用率，减少泵消耗的功率，简化循环流路管道结构，减少流路的流阻损失。

本制冷机制冷工质可选择水或甲醇等易挥发工质，制冷工质蒸汽从蒸发器内流入吸附装置被沸石颗粒吸附后，经过脱附进入冷凝器冷凝为液态制冷工质回收到集液器中，经第三循环水泵增压至喷嘴雾化为小液滴均匀喷洒在蒸发器流路表面，部分没来得及蒸发的液滴经蒸发器回流管路回收到集液器中。

本吸附式制冷机在每一次吸附脱附完成后通过把吸附装置循环流路内的热源水和冷源水压回各自源端的方法进行能量回收，有效避免了冷热流体混合造成的能量损失，从而提高设备的工作性能。采用两位四通换向阀门进行切换，有效地减少循环管路的复杂性，从而增加了系统的可靠性。

本实用新型的有益效果是：

1、本制冷机采用沸石作为吸附工质，利用水或甲醇作为制冷工质，与传统的氟利昂制冷剂相比，更安全、成本更低，而且对环境无污染，臭氧破坏系数为零。

2、本制冷机采用两个填充沸石颗粒的吸附床代替传统制冷机中的电动压缩机，整个系统中只有四个循环水泵需要输入能量，能耗更低，符合节能减排的政策。

3、热源水可利用工厂中排放的低品位工业废热，对于工厂来说这部分成本为零，而且可以对工业中直接对外排放的余热、废热进行回收利用，减少对环境的热污染。

4、通过四次状态交替工作，减少了能量损失，提高了制冷机的工作效率，高度节能和零排放的优点使得该实用新型可以广泛应用到很多工业领域。

附图说明

图1为一种利用沸石吸附的多循环制冷装置系统图；

图2为水源循环管路示意图；

图3为冷却工质循环管路示意图；

图4为制冷管路示意图；

图中：1、冷源入口；2、第一循环水泵；3、第一两位四通换向阀；4、第二循环水泵；5、热源入口；6、第三循环水泵；7、冰水出口；8、冷水入口；9、第四循环水泵；10、第一真空阀门；11、蒸发器回流管路；12、集液器；13、第一吸附装置；14、第二真空阀门；15、冷凝器回流管路；16、冷却水出口；17、冷凝器流路；18、第二两位四通阀们；19、热源出口；20、冷凝器；21、第三真空阀门；22、第二吸附装置； 23、第四真空阀门；24、蒸发器流路；25、蒸发器；26、喷嘴。

具体实施方式

本实施例是一种利用沸石吸附的多循环制冷装置。

如图1所示，一种利用沸石吸附的多循环制冷装置，包括冷源入口1、第一循环水泵2、第一两位四通换向阀3、第二循环水泵4、热源入口5、第三循环水泵6、冰水出口7、冷水入口8、第四循环水泵9、第一真空阀门10、蒸发器回流管路11、集液器12、第一吸附装置13、第二真空阀门14、冷凝器回流管路15、冷却水出口16、冷凝器流路17、第二两位四通阀们18、热源出口19、冷凝器20、第三真空阀门21、第二吸附装置22、第四真空阀门23、蒸发器流路24、蒸发器25、喷嘴26。以上部件构成水源循环管路、冷却工质循环管路和制冷管路。

如图2所示，所述的水源循环管路包括冷源入口1、第一循环水泵2、第一两位四通换向阀3、第二循环水泵4、热源入口5、第一吸附装置13、冷却水出口16、冷凝器流路17、第二两位四通阀们18、热源出口19、冷凝器20、第二吸附装置22。其中冷源水路和热源水路通过第一两位四通换向阀3和第二两位四通阀们18进行切换，保证其在第一吸附装置13和第二吸附装置22中交替流动。

如图3所示，所述的冷却工质循环管路包括第四循环水泵9、第一真空阀门10、蒸发器回流管路11、集液器12、第一吸附装置13、第二真空阀门14、冷凝器回流管路15、冷凝器流路17、冷凝器20、第三真空阀门21、第二吸附装置22、第四真空阀门23、蒸发器流路24、蒸发器25、喷嘴26。通过调节第一真空阀门10、第二真空阀门14、第三真空阀门21和第四真空阀门23的开闭状态来控制吸附装置与蒸发器和冷凝器的连接状态，从而与冷源水路和热源水路相匹配，在两个吸附装置中分别进行吸附和脱附过程。

如图4所示，制冷管路包括第三循环水泵6、冰水出口7、冷水入口8、蒸发器流路24和蒸发器25，低温冷水通过第三循环水泵6泵入蒸发器流路24中，选择铜或铜合金作为蒸发器流路，由流路表面的冷却工质蒸发带走低温冷水中的热量，使其温度降低成为冰水，向外输出制冷量。

一种利用沸石吸附的多循环制冷装置的工作过程：以某一次工作为例，冷源水经冷源入口1、第一循环水泵2、第一两位四通换向阀3、第二吸附装置22、第二两位四通换向阀18、冷凝器流路17以及冷却水出口16构成冷源水路；热源水经热源入口5、第二循环水泵4、第一两位四通换向阀3、第一吸附装置13、第二两位四通换向阀18 以及热源出口19构成热源水路。第二真空阀门14和第四真空阀门23打开，第一真空阀门10和第三真空阀门21关闭，使第二吸附装置22与蒸发器25连通，第一吸附装置13与冷凝器20连通。第二吸附装置22在低温状态下不断吸附蒸发器25中的冷却工质蒸汽，造成蒸发器25内蒸汽压力降低，使得冷却工质不断蒸发，从而带走蒸发器流路中冷水的潜热，使冷水温度降低；第一吸附装置13在高温状态下对蒸汽的吸附能力弱，沸石中的冷却工质蒸汽不断脱附，脱附出来的制冷工质蒸汽在冷凝器20中冷凝为液态工质通过冷凝器回流管路15回收到集液器12中。

当第一吸附装置13脱附完成，第二吸附装置22吸附饱和后，关闭第二真空阀门 14和第四真空阀门23，同时切换第一两位四通换向阀3，使冷源水流入第一吸附装置 13，把其中残存的热水压回热源端，同时热源水进入第二吸附装置22，把其中残存的冷源水压出冷源流路，直到第一吸附装置13和第二吸附装置22内残存的热源水和冷源水压出相应的流路，切换第二两位四通换向阀18，同时打开第一真空阀门10和第三真空阀门21，进入下一状态。

这一状态中，冷源水路由冷源入口1、第一循环水泵2、第一两位四通换向阀3、第一吸附装置13、第二两位四通换向阀18、冷凝器流路17以及冷却水出口16组成；热源水路由热源入口5、第二循环水泵4、第一两位四通换向阀3、第二吸附装置22、第二两位四通换向阀18以及热源出口19组成。第一吸附装置13与蒸发器25连通，在低温状态下第一吸附装置13中的沸石不断吸附蒸发器25中的冷却工质蒸汽，造成蒸发器25内蒸汽压力降低，使得冷却工质不断蒸发，从而带走蒸发器流路中冷水的潜热，使冷水温度降低；第二吸附装置22与冷凝器连通，在高温状态下第二吸附装置 22中的沸石对蒸汽的吸附能力弱，沸石中的冷却工质蒸汽不断脱附，脱附出来的制冷工质蒸汽在冷凝器20中冷凝为液态工质通过冷凝器回流管路15回收到集液器12中。

当第一吸附装置13吸附饱和，第二吸附装置22脱附完成后，关闭第一真空阀门 10和第三真空阀门21，同时切换第一两位四通换向阀3，使冷源水流入第二吸附装置 22，把其中残存的热水压回热源端，同时热源水进入第一吸附装置13，把其中残存的冷源水压出冷源流路，直到第一吸附装置13和第二吸附装置22内残存的冷源水和热源水压出相应的流路，切换第二两位四通换向阀18，同时打开第二真空阀门14和第四真空阀门23，开始新一轮循环工作。

本实用新型设计的制冷装置利用工业生产中排放的低于100℃的工业废水驱动，可为车间或者储存仓库提供低温环境，并且能对废热再利用，减少排放到环境中的“热污染”，水或甲醇作为制冷工质对臭氧无破坏。与传统的电动压缩制冷相比耗电更低，成本更低，更适合工业生产和生活中的大型供冷场合。

Claims (7)

1.一种利用沸石吸附的多循环制冷系统，其特征在于：包括水源循环管路、冷却工质循环管路以及制冷管路，水源循环管路包括冷源循环水路和热源循环水路，两条循环管路同时工作，对冷却工质交替进行吸附和脱附，持续向外输出制冷量。

2.根据权利要求1所述的利用沸石吸附的多循环制冷系统，其特征在于：水源循环管路分为热源水路和冷源水路，包含冷源入口、热源入口、第一循环水泵、第二循环水泵、第一两位四通换向阀、第一吸附装置、第二吸附装置、第二两位四通换向阀、热源出口、冷凝器流路、冷却水出口以及相应管路，通过两位四通换向阀的切换控制热源和冷源水路的切换，改变吸附装置的吸附和脱附状态，有效地减少循环管路的复杂性，从而增加了系统的可靠性。

3.根据权利要求1所述的利用沸石吸附的多循环制冷系统，其特征在于：冷却工质循环管路包含第一真空阀门、第二真空阀门、第三真空阀门、第四真空阀门、第一吸附装置、第二吸附装置、第四循环水泵、蒸发器、冷凝器、集液器、喷嘴以及相应管路，通过真空阀门的开闭控制吸附装置与冷凝器和蒸发器的连接状态。

4.根据权利要求1所述的利用沸石吸附的多循环制冷系统，其特征在于：制冷管路包含低温冷水入口、第三循环水泵、蒸发器流路、冰水出口以及相应管路，低温冷水通过蒸发器流路带走冷量，温度降低向外制冷。

5.根据权利要求1所述的利用沸石吸附的多循环制冷系统，其特征在于：冷凝器与冷源水路通过第二两位四通换向阀相连，冷源水流经吸附装置带走吸附热后作为冷却水流入冷凝器，可以提高冷源水的利用率，减少泵消耗的功率，简化循环管路结构，减少管路的流阻损失。

6.根据权利要求1所述的利用沸石吸附的多循环制冷系统，其特征在于：制冷工质选择水或甲醇等易挥发工质，制冷工质蒸汽从蒸发器内流入吸附装置被沸石颗粒吸附后，经过脱附进入冷凝器冷凝为液态制冷工质回收到集液器中，经第三循环水泵增压至喷嘴雾化为小液滴均匀喷洒在蒸发器流路表面，部分没来得及蒸发的液滴经蒸发器回流管路回收到集液器中，冷却工质可以循环使用。

7.根据权利要求1所述的利用沸石吸附的多循环制冷系统，其特征在于：在每一次吸附脱附完成后通过把吸附装置循环流路内的热源水和冷源水压回各自源端的方法进行能量回收，有效避免了冷热流体混合造成的能量损失，从而提高设备的工作性能。

Images