CN101344345A - 压缩-吸收-扩散复合式制冷装置及其制冷循环方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种压缩－吸收－扩散复合式制冷装置及采用该装置的制冷循环方法，属于制冷设备技术领域。该装置由吸收制冷***、压缩制冷***、扩散制冷***串联耦合，共用换热设备、节流设备和制冷工质构成；含有以管路依次连通的储液器、溶液泵、发生器、精馏器、一、二级冷凝器、压缩机、节流阀、蒸发器、吸收器。氨蒸汽在扩散制冷***与吸收制冷***中完成一次升压，进入一级冷凝器冷却后经管线进入压缩机，完成二次升压，随后进入二级冷凝器冷却成液氨，经节流阀进入蒸发器，在蒸发器扩散剂的作用下蒸发制冷，并和扩散剂混合进入吸收器，在吸收器中氨被吸收，扩散剂沿管路回到蒸发器。该发明装置适用于小型低品位余热制冷场合。

Description

压缩-吸收-扩散复合式制冷装置及其制冷循环方法

技术领域

本发明属于制冷设备技术领域，具体涉及一种压缩-吸收-扩散复合式制冷装置及其制冷循环方法。

背景技术

目前常用的制冷方式为相变制冷，而相变制冷的实质就是：获得一个相对高压和一个相对低压，使得气态工质在相对高压(冷凝器)下液化放热，冷凝下来的液态工质又可以在相对低压(蒸发器)下汽化吸热。市场上常用的制冷设备采用的制冷方式按照实现相对低压与高压的技术手段不同可以分为压缩制冷、吸收制冷、喷射制冷以及扩散制冷等。这几种制冷方式各具特点，其中应用最广泛的为压缩制冷，即利用压缩机来获得相对高压和相对低压，效率高、同等制冷量下体积小，但缺点对能源品位要求高，一般需要靠消耗电能或动力功来维持运行，无法采用低品位的余热驱动。吸收制冷是利用发生器和吸收器代替了压缩机，效率较压缩制冷低，但其可以利用品位较低的热能来制冷。吸收制冷又根据吸收工质对不同，分为溴化锂吸收制冷和氨水吸收制冷，溴化锂吸收制冷由于制冷工质水的汽化潜热相对较小，体积较大，适合应用于大型中央空调制冷和一些对体积没有限制的场合；而氨水吸收制冷***中，高压与低压之间压差较大，氨水从处于低压吸收器到处于高压的发生器需要克服较大的压头，需要一个高压溶液泵(体积较大)，导致其无法应用于小型制冷，另外相对于溴化锂制冷，它对余热温度要求较高，无法回收品位较低的余热。扩散制冷主要是在氨水吸收制冷的基础上，引入扩散气体，实现在整体***压差较小的状态下，利用不同制冷部件中制冷工质浓度不同进而实现分压力不同来维持相对高压(冷凝器)和相对低压(蒸发器)，其不需要溶液泵，体积较小，但同时扩散气体的循环会消耗有效制冷量，效率较吸收制冷较低。喷射制冷利用发生器的蒸气引射制冷工质，来获得相对高压和相对低压，其效率低、对热源温度要求高，工作时噪音较大。

随世界人口的增长，能源消费日益增加，人类面临着严峻的能源危机；另一个方面，随人们生活水平的提高，对制冷产品的需求越来越大，制冷设备消耗了大量能源，发展低品位余热制冷技术可以有效缓解能源危机。在低品位余热制冷方面，单一的常规制冷方式，很难满足要求，一般会采用多种方式复合制冷，如东南大学杜凯、张小松等人申请的“氨水吸收与压缩复合制冷循环***及制冷循环方法”(专利号为200710022954.2)提出了一种将吸收***与压缩***进行串联耦合的制冷循环***，其可以在品位较低的余热源下高效运行，但该***仍需采用高压溶液泵，较适合应用与大型制冷***，而在一些小型制冷设备或则对体积要求较为严格的场合使用受到限制。

到目前为止，市场上尚未见到小型低品位余热驱动的制冷设备。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供压缩-吸收-扩散复合式制冷装置及采用该装置的制冷循环方法，实现低品位余热制冷设备的小型化，且保证了设备的高效运行，扩大余热利用范围，达到降低电能消耗的目的。

本发明所提供的一种压缩-吸收-扩散复合式制冷装置，以氨-水为工质对，以氢气或氦气为扩散剂，其特征在于：该装置由吸收制冷***、压缩制冷***、扩散制冷***串联耦合，共用换热设备、节流设备和制冷工质构成；该装置具体含有以管路依次连通的储液器(1)、溶液泵(2)、溶液热交换器(3)、发生器(4)、精馏器(5)、一级冷凝器(6)、压缩机(7)、二级冷凝器(8)、制冷剂节流阀(9)、蒸发器(10)、吸收器(12)；在发生器(4)与吸收器(12)之间经溶液热交换器(3)设有循环管路，该循环管路用于稀氨水的回流，在该循环管路中设有溶液节流阀(13)；在吸收器(12)与蒸发器(10)之间经气体热交换器(11)设有循环管路，该循环管路用于扩散剂的回流，在该循环管路中设有气体扩散泵(14)；所述吸收制冷***由储液器(1)、溶液泵(2)、发生器(4)、精馏器(5)、一、二级冷凝器(6、8)、制冷剂节流阀(9)、蒸发器(10)、吸收器(12)组成，所述压缩制冷***由压缩机(7)、一级冷凝器(6)、二级冷凝器(8)、制冷剂节流阀(9)及蒸发器(10)组成，所述扩散制冷***由储液器(1)、发生器(4)、精馏器(5)、蒸发器(10)、吸收器(12)、气体循环泵(14)与吸收器(12)与蒸发器(10)之间的循环管路组成。

上述压缩-吸收-扩散复合式制冷装置，所采用的制冷循环方法为：储液器出来的浓氨水溶液借助溶液泵获得一定的动力，在其推动下，浓氨水溶液首先进入的是溶液换热器与回流的稀氨水溶液进行热交换，经过预热氨水溶液进入发生器，在发生器中加热沸腾产生氨蒸气进入精馏器，氨蒸发后剩下的稀氨水溶液顺着发生器与吸收器之间循环管路经溶液换热器和溶液节流阀回到吸收器中；氨蒸气在精馏器精馏后，氨蒸气质量分数进一步提高，得到接近于纯组分高温高压氨蒸气进入一级冷凝器，进行一次冷却，而后进入压缩机，此时设置在一级冷凝器中的压力传感装置会对此时的压力进行检测，若压力低于冷凝压力，则压缩机开启对氨蒸气进行二次加压；当压力满足要求时时，二级压缩机可以保持停机状态，满足压力要求的氨蒸气进入二级冷凝器，在二级冷凝器中，氨蒸气冷凝成氨液，氨液经制冷剂节流阀后进入蒸发器，在蒸发器中是氨和扩散剂的混合气体，扩散剂的浓度较高，氨的分压力低于其饱和压力，氨液蒸发成氨蒸气，该过程吸热达到制冷的目的；氨液蒸发后，在蒸发器中形成含氨浓度较大的混合气体，混合气体经气体换热器进入吸收器，其中的氨被吸收，而扩散剂与未被吸收的氨沿吸收器与蒸发器之间的循环通路经气体热交换器在气体循环泵的作用下重新回到蒸发器，完成制冷循环。可以利用低品位余热(工业废热、内燃机余热)或则太阳能为所述吸收制冷***机构和扩散制冷***机构共用的发生器供能。

本发明的有益效果：(1)本装置复合了压缩制冷***、吸收制冷***、扩散制冷***，实现了动力制冷与热制冷的有机结合；由于压缩制冷***的存在，扩散制冷***与吸收制冷***所需提供的制冷剂蒸气压力降低了，其意味着降低了制冷***对能源品位的要求，为低品位余热的利用提供了可能，另一方面，制冷剂蒸气进入压缩机前，已经过了扩散制冷***、吸收制冷***的一次加压，蒸气所需压缩比下降，压缩机所需消耗的的功降低，达到降低电能消耗的目的。(2)体积小，制冷***的扩散气体降低了***压差，使得***无需采用高压溶液泵，缩小了制冷***整体体积，为回收汽车发动机余热、渔船尾气余热提供了可能。(3)能源使用效率高，制冷***充分体现了能源分级利用的原则，由低品位余热驱动吸收***、由电能获动力功驱动压缩***，使得各级能源均得到有效利用。(4)本装置复合了扩散制冷***的相对节流与吸收制冷***、压缩制冷***的节流阀绝对节流，与单一的扩散制冷相比，其所需扩散剂循环量降低，从吸收剂带来的热负荷小，***的热损失也较小，与单一的吸收制冷***、压缩制冷***的节流阀绝对节流相比，其节流阀前后压差较小，所需的节流部件体积较小，且不会出现节流阀冰塞现象。(5)适用范围广，其可以根据不同的能源结构、不同能源品位特点进行适时调整，在余热量大、温度高时，压缩***自动停止，在余热不足、温度较低时，压缩***将自动运行，保证制冷***的制冷量。(6)制冷***采用的制冷剂为自然工质，对臭氧层无不良影响，也无温室效应，利于环境的保护。

附图说明

图1是本发明的压缩-吸收-扩散复合式制冷装置结构示意图。

图中：储液器1，溶液泵2，溶液换热器3，发生器4，精馏器5，一级冷凝器6，压缩机7，二级冷凝器8，制冷剂节流阀9，蒸发器10，气体换热器11，吸收器12，溶液节流阀13，气体循环泵14。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明装置及其制冷方法做进一步说明。

如图1所示，储液器1、溶液泵2、溶液换热器3、发生器4、精馏器5、一级冷凝器6、二级冷凝器8、制冷剂节流阀9、蒸发器10、吸收器12依次用无缝钢管或不锈钢材料的管路焊接连通，并从发生器4底部与吸收器12上部经溶液换热器3用管路联通构成循环通路，在储液器1中，加入制冷工质对氨-水即完成了氨水吸收制冷***机构加工；在所述的一级冷凝器6与二级冷凝器8之间设有压缩机7，一级冷凝器6出口与压缩机7的吸气口相连，压缩机7的出气口与二级冷凝器8的进气口相连通，这样所述压缩机7与所述的一级冷凝器6、二级冷凝器8、制冷剂节流阀9、蒸发器10可以构成压缩***；吸收器12上部与蒸发器10的上部经气体换热器11用循环管路连通，构成循环通路，并设置气体循环泵14，气体循环泵14进气口与吸收器相连通，而出气口与蒸发器向连通；并从蒸发器处向设备中***中充入扩散剂，结合所述的储液器1、发生器4、精馏器5、一级冷凝器6、二级冷凝器9、蒸发器10、吸收器12则组成了扩散制冷***。上述各部件构成压缩吸收***、扩散***、压缩***串联耦合、共用换热、节流设备与制冷工质的压缩-吸收-扩散复合制冷设备。所述压缩机7由一级冷凝器6的蒸气出口压力间接控制，压力高于所需设置的压力(一般略高于当地温度下冷凝压力10kPa)时，压缩机7将停止工作，当压力低于设置压力时，压缩机将启动对蒸气二次压缩，所述压缩机的压缩比在1.1～1.8之间。本发明的压缩-吸收-扩散复合式制冷装置采用的制冷工质对氨-水的质量浓度在0.25～0.45之间，要求的制冷温度越低，选择的浓度一般就越低，一般冷藏、冷冻用的制冷设备注入的氨水选择0.29左右，一般空调用制冷***氨水浓度选择0.35左右。本发明的压缩-吸收-扩散复合式制冷设备采用的扩散剂为氢气或则为氦气，一般制冷量小于2.5kW时，采用氢气，而大于2.5kW时，考虑到安全问题选择氦气；一般扩散剂的充装量主要时充装压力决定，注入扩散剂时，应保证停机状态下应扩散剂压强在60～90kPa，冷藏、冷冻用制冷设备需要的扩散剂压强较高，一般在85kPa左右，空调用扩散剂停机压强一般在65kPa左右。所述发生器4置于热源之中。

本发明的压缩-吸收-扩散复合式制冷装置的制冷循环方法：储液器出来的浓氨水溶液借助溶液泵获得一定的动力，在其推动下，浓氨水溶液首先进入的是溶液换热器与回流的稀氨水溶液进行热交换，经过预热氨水溶液进入发生器，在发生器处加热沸腾产生氨蒸气进入精馏器，氨蒸发后剩下的稀氨水溶液顺着稀氨水溶液回流通路经溶液换热器和溶液节流阀回到吸收器中；氨蒸气在精馏器精馏后的氨气质量分数进一步提高，得到接近于纯组分高温高压氨气进入一级冷凝器，进行一次冷却，而后进入压缩机，此时设置在一级冷凝器中的压力传感装置会对此时的压力进行检测，若压力低于冷凝压力，则压缩机开启对氨蒸气进行二次加压；当压力满足要求时时，二级压缩机可以保持停机状态，满足压力要求的氨蒸气进入二级冷凝器，在二级冷凝器中，氨蒸气冷凝成氨液，氨液经制冷剂节流阀后进入蒸发器，在蒸发器中是氨和扩散剂的混合气体，扩散剂的浓度较高，氨的分压力低于其饱和压力，氨液蒸发成氨蒸气，该过程吸热达到制冷的目的；氨液蒸发后，在蒸发器中形成含氨浓度较大的混合气体，混合气体经气体换热器进入吸收器，其中的氨被吸收，而扩散剂沿扩散通路在气体循环泵的作用下回到蒸发器，完成制冷循环。

本发明的压缩-吸收-扩散复合式制冷装置中，精馏器5、一级冷凝器6、二级冷凝器8、吸收器12为放热部件，可以配备风机对其进行风冷，也可以配备冷却塔进行水冷；蒸发器10产生的冷量可以通过风机或则载冷剂送到目的地。

本发明的压缩-吸收-扩散复合式制冷装置降低了对能源品位的要求，其可以利用90℃左右低品位余热(工业废热、内燃机余热)或则低能量密度的能源如太阳能为所述吸收***和扩散***共用的发生器供能；利用电能作为驱动所述压缩***的压缩机的能源。在余热温度较高时，其可以主要依靠余热驱动；在余热温度较低或则余热总量不足时，其可以采用电能补充，保证了***的正常运行。与现有的压缩制冷相比，其通过对余热的利用，达到了降低电力消耗的目的；与吸收制冷、扩散制冷相比，其对能源品位的要求较低，扩大了余热利用范围，且相对于氨吸收制冷，本发明压缩-吸收-扩散复合式制冷***无需高压泵，缩小了体积；相对与扩散制冷***，其减少了扩散剂灌装量，提高了效率。本发明的压缩-吸收-扩散复合式制冷***在小型低品位余热利用上有较大优势。

Claims (3)

1、一种压缩-吸收扩散复合式制冷装置，该装置以氨-水为工质对，以氢气或氦气为扩散剂，其特征在于：该装置由吸收制冷***、压缩制冷***、扩散制冷***串联耦合，共用换热设备、节流设备和制冷工质构成；该装置具体含有以管路依次连通的储液器(1)、溶液泵(2)、溶液热交换器(3)、发生器(4)、精馏器(5)、一级冷凝器(6)、压缩机(7)、二级冷凝器(8)、制冷剂节流阀(9)、蒸发器(10)、吸收器(12)；在发生器(4)与吸收器(12)之间经溶液热交换器(3)设有循环管路，该循环管路用于稀氨水的回流，在该循环管路中设有溶液节流阀(13)；在吸收器(12)与蒸发器(10)之间经气体热交换器(11)设有循环管路，该循环管路用于扩散剂的回流，在该循环管路中设有气体扩散泵(14)；所述吸收制冷***由储液器(1)、溶液泵(2)、发生器(4)、精馏器(5)、一、二级冷凝器(6、8)、制冷剂节流阀(9)、蒸发器(10)、吸收器(12)组成，所述压缩制冷***由压缩机(7)、一级冷凝器(6)、二级冷凝器(8)、制冷剂节流阀(9)及蒸发器(10)组成，所述扩散制冷***由储液器(1)、发生器(4)、精馏器(5)、蒸发器(10)、吸收器(12)、气体循环泵(14)与吸收器(12)与蒸发器(10)之间的循环管路组成。

2、如权利要求1所述的压缩-吸收-扩散复合式制冷装置所采用的制冷循环方法，其特征在于该方法具体如下：

储液器(1)出来的浓氨水溶液借助溶液泵(2)获得一定的动力，在其推动下，浓氨水溶液首先进入的是溶液换热器(3)与回流的稀氨水溶液进行热交换，经过预热氨水溶液进入发生器(4)，在发生器(4)中加热沸腾产生氨蒸气进入精馏器(5)，氨蒸发后剩下的稀氨水溶液顺着发生器(4)与吸收器(12)之间循环管路经溶液换热器(3)和溶液节流阀(13)回到吸收器(12)中；氨蒸气在精馏器(5)精馏后，氨蒸气质量分数进一步提高，得到接近于纯组分高温高压氨蒸气进入一级冷凝器(6)，进行一次冷却，而后进入压缩机(7)，此时设置在一级冷凝器中的压力传感装置会对此时的压力进行检测，若压力低于冷凝压力，则压缩机(7)开启对氨蒸气进行二次加压；当压力满足要求时时，二级压缩机可以保持停机状态，满足压力要求的氨蒸气进入二级冷凝器(8)，在二级冷凝器(8)中，氨蒸气冷凝成氨液，氨液经制冷剂节流阀(9)后进入蒸发器(10)，在蒸发器中是氨和扩散剂的混合气体，扩散剂的浓度较高，氨的分压力低于其饱和压力，氨液蒸发成氨蒸气，该过程吸热达到制冷的目的；氨液蒸发后，在蒸发器中形成含氨浓度较大的混合气体，混合气体经气体换热器(11)进入吸收器(12)，其中的氨被吸收，而扩散剂与未被吸收的氨沿吸收器(12)与蒸发器(10)之间的循环通路经气体热交换器(11)在气体循环泵(14)的作用下重新回到蒸发器(10)，完成制冷循环。

3、如权利要求2所述的制冷循环方法，其特征在于：利用低品位余热或太阳能为所述吸收制冷***和扩散制冷***共用的发生器(4)提供能量。

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