CN101776353A - 基于冷却塔的溶液型冷热水机组 - Google Patents

Abstract

基于冷却塔的溶液型冷热水机组包括制冷剂回路和溶液回路：制冷剂回路包括压缩机、四通阀、两个换热器、四个单向阀、两个电磁阀、溶液再生器、储液器、过滤器、电子膨胀阀、气液分离器及其相关连接管道；溶液回路包括冷却塔、三个电磁阀、溶液储液器、变频泵、电动三通调节阀、溶液再生器、第二换热器及其相关连接管道；解决了建筑空调***冷热源初投资较大，冬季水冷冷水机组闲置，空气源热泵夏季制冷性能较低(与水冷冷水机组比)，冬季运行存在结霜现象的问题，是一种可实现夏季水冷制冷，冬季采用冷却塔实现制热，并利用制冷剂过冷所放出热量作为溶液再生热源的溶液型冷热水机组。

Description

基于冷却塔的溶液型冷热水机组

技术领域

本发明涉及一种夏季利用冷却塔散发冷凝热，冬季利用冷却塔，采用溶液在其中与空气进行换热，溶液吸收热量作为热泵热源，同时利用制冷剂过冷所放出热量作为溶液再生热源的制冷/制热方法，及其实现这种方法的装置，属于制冷空调***设计和制造的技术领域。

背景技术

随着化石能源的逐步枯竭，能源问题已成为制约全球经济发展的重要因素。随着经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，建筑空调***的使用越来越广泛，成为人们工作和生活的必要条件之一，因此建筑空调***的节能对缓解能源紧张具有重要意义。

目前建筑中央空调冷热源方案常采用水冷冷水机组+锅炉，或者空气源热泵两种方案。第一种方案中，夏季冷水机组供冷，锅炉闲置，冬季锅炉供热，水冷冷水机组闲置。这种方案造成设备闲置，利用率不高，初投资较大。第二种方案中，夏季空气源热泵制取冷水供冷，同时冬季空气源热泵也制取热水供热，实现一机两用，但空气源热泵夏季制冷时机组COP远小于水冷冷水机组，同时空气源热泵在冬季制热时，存在蒸发器表面结霜的问题，蒸发器表面结霜不仅降低空气源热泵的COP，而且导致机组的安全和可靠性下降。

因此，解决现有建筑供冷/供热方案初投资较大，水冷冷水机组冬季设备闲置浪费，空气源热泵夏季制冷性能系数较低(与水冷冷水机组比)，冬季运行存在结霜现象等问题，设计出一种新型高效的冷热水机组成为本领域技术人员迫切需要解决的技术难题。

发明内容

技术问题：本发明的目的是减少现有建筑供冷/供热方案的初投资，解决夏季、冬季设备闲置，利用率低下，提高空调***性能的问题，提出一种夏季利用冷却塔散发冷凝热，冬季利用冷却塔，采用溶液在其中与空气进行换热，溶液吸收热量作为热源，同时利用制冷剂过冷所放出热量作为溶液再生热源的冷热水机组。

技术方案：本发明基于冷却塔的溶液型冷热水机组中，***包括制冷剂回路和溶液回路。制冷剂回路包括压缩机、四通阀、第一换热器、第一单向阀、第二单向阀、第一电磁阀、第二电磁阀、溶液再生器、储液器、过滤器、电子膨胀阀、第三单向阀、第四单向阀、第二换热器、气液分离器及其相关连接管道。压缩机的输出端接四通阀第一输入端2a，四通阀第一输出端2b接第一换热器的第一输入端3a，第一换热器的第一输出端3b接第一单向阀入口，第一单向阀的出口分成三路，第一路通过第一电磁阀接溶液再生器第一输入端8a，溶液再生器第一输出端8b接储液器的输入端；第二路通过第二电磁阀也接储液器的输入端；第三路接第二单向阀的出口，第二单向阀的入口接第二换热器的第一输入端14a。储液器的输出端通过过滤器接电子膨胀阀的输入端，电子膨胀阀输出端分成两路，一路接第四单向阀的入口，第四单向阀的出口接第二换热器的第一输入端14a，另外一路接第三单向阀的入口，第三单向阀的出口接第一换热器的第一输出端3b，第二换热器的第一输出端14b接四通阀的第二输入端2c，四通阀的第二输出端2d接气液分离器的输入端，而气液分离器的输出端接压缩机的输入端；溶液回路包括冷却塔、第三电磁阀、溶液储液器、第四电磁阀、第五电磁阀、变频泵、电动三通调节阀、溶液再生器、第二换热器及其相关连接管道。冷却塔出口分成两路，一路通过第三电磁阀接溶液储液器入口，溶液储液器的出口通过第五电磁阀接变频泵的入口；另外一路通过第四电磁阀也接变频泵的入口。变频泵出口接电动三通调节阀入口，电动三通调节阀的一路出口接溶液再生器的第二输入端8c，另外一路与溶液再生器的第二输出端8d合并后接第二换热器的第二输入端14c，第二换热器的第二输出端14d与冷却塔的输入口相连。

本发明基于冷却塔的溶液型冷热水机组包括两个回路：制冷剂回路和溶液回路。本发明的具体方法是：

基于冷却塔的溶液型冷热水机组夏季制冷运行时：制冷剂回路为低温低压的制冷剂气体从气液分离器中被压缩机吸入、压缩后变成高温高压过热蒸气排出，经过四通阀进入第二换热器中，制冷剂放出热量，进行冷凝变成液体，再依次经过第二单向阀、第一电磁阀进入溶液再生器，此时溶液再生器起到过冷器的作用，液体制冷剂在其中与冷却水进行换热，制冷剂液体温度进一步降低，变成过冷液体。过冷制冷剂从溶液再生器出来后经过储液器、过滤器、电子膨胀阀后变成低温低压的气液两相，再经过第三单向阀后进入第一换热器，制冷剂在第一换热器中吸热蒸发，制取冷水，制冷剂完全蒸发后变成过热气体从第一换热器出来经过四通阀进入气液分离器，然后再次被吸入压缩机，从而完成制冷循环，制取冷水。此时溶液回路中除溶液储液器外其余都充满冷却水，溶液储存在溶液储存器中，不参与溶液回路的循环。冷却水在溶液回路中从冷却塔出来后，直接通过第四电磁阀进入变频泵，经过变频泵加压后，冷却水进入电动三通调节阀，电动三通调节阀将全部冷却水进入溶液再生器，冷却水在溶液再生器中与制冷剂换热，冷却制冷剂，使制冷剂过冷，冷却水温度稍微升高，冷却水从溶液再生器出来后进入第二换热器中，吸收热量将制冷剂冷凝成液体，自身温度进一步升高后进入冷却塔与空气进行热湿交换，冷却水温度降低后再次从冷却塔流出，如此循环。

基于冷却塔的溶液型冷热水机组冬季制热运行时，制冷剂回路为气液分离器中低温低压的制冷剂气体被压缩机吸入、压缩后排出经过四通阀进入第一换热器，制冷剂在第一换热器中放出热量，制取热水，同时自身冷凝成液体，液体制冷剂从第一换热器出来后，经过第一单向阀、第一电磁阀进入溶液再生器，制冷剂在其中与溶液进行换热，制冷剂放出热量，温度降低，实现过冷。过冷制冷剂从溶液再生器出来后，依次通过储液器、过滤器、电子膨胀阀，被电子膨胀阀节流降压后以气液两相经过第四单向阀进入第二换热器中，在第二换热器中进行蒸发吸热，制冷剂完全蒸发后从第二换热器出来流经四通阀进入气液分离器，最后再次被压缩机吸入、压缩，如此循环。此时溶液回路中充灌着溶液，溶液从冷却塔出来后通过第三电磁阀进入溶液储液器，再经过第五电磁阀后进入变频泵，溶液经变频泵加压后进入电动三通调节阀，溶液被分成两部分，一部分进入溶液再生器，溶液在其中蒸发水分，浓度提高，溶液经过再生后与另一部分溶液混合，进入第二换热器，与制冷剂进行换热，放出热量，自身温度降低，溶液从第二换热器出来后进入冷却塔，高浓度低温的溶液(溶液温度低于空气温度，溶液的水蒸汽分压力小于等于空气中的水蒸汽分压力)在冷却塔中与空气进行热湿交换，溶液从空气中吸收热量，空气中水蒸汽向溶液中凝结，溶液的温度升高，浓度有所降低，然后从冷却塔流出再次参与循环。

在冬季制热运行时，溶液在冷却塔中与空气进行热湿交换，溶液不可避免的存在需要再生的问题，溶液再生是指稀溶液中的水分从溶液中散失，使得溶液的浓度提高，变成浓溶液，从而再次具有吸收空气中水分的能力。常规的溶液再生需要使用较高温度的热源(夏季溶液除湿空调中，因环境温度在30℃以上，溶液再生温度要求在50℃以上)，在冬季，冷热水机组需要制取热水，将高于热水温度的热量用于溶液再生，将减小冷热水机组的供热量，机组的供热性能下降。本发明采用制冷剂过冷所放出的热量作为溶液再生热源(冬季供热时环境温度一般在15℃以下，溶液再生温度比环境空气温度高20℃即可)，不仅实现溶液再生所需热源的低品位化，同时可实现制冷剂过冷，提高机组的供热量和其他性能。具有节能和高效的效果。

有益效果：

1、本发明提出的基于冷却塔的溶液型冷热水机组，在夏季可实现水冷冷水机组功能，相比风冷冷水机组，具有更高的性能系数。在冬季可实现制取热水，在同样环境温度下，相比空气源热泵具有更高的性能系数，同时冷热水机组避免了空气源热泵所不可避免的结霜问题。

2、本发明提出的基于冷却塔的溶液型冷热水机组，在冬季制热运行时，采用制冷剂过冷所放出的热量作为再生热源，不仅实现了溶液再生热源的低品位化，同时实现了制冷剂的过冷。

3、本发明提出的基于冷却塔的溶液型冷热水机组解决了原来冷水机组设备冬季闲置的问题，提高了设备利用率，简化了建筑空调***的冷热源方案，减少了初投资。

附图说明

附图1是本发明基于冷却塔的溶液型冷热水机组示意图。

以上图中有：压缩机1；四通阀2；四通阀第一输入端2a；四通阀第一输出端2b；四通阀第二输入端2c；四通阀第二输出端2d；第一换热器3；第一换热器第一输入端3a；第一换热器第一输出端3b；冷或热水进口31；冷或热水出口32；第一单向阀4；第二单向阀5；第一电磁阀6；第二电磁阀7；溶液再生器8；溶液再生器第一输入端8a；溶液再生器第一输出端8b；溶液再生器第二输入端8c；溶液再生器第二输出端8d；储液器9；过滤器10；电子膨胀阀11；第三单向阀12；第四单向阀13；第二换热器14；第二换热器第一输入端14a；第二换热器第一输出端14b；第二换热器第二输入端14c；第二换热器第二输出端14d；气液分离器15；冷却塔16；第三电磁阀17；溶液储液器18；第四电磁阀19；第五电磁阀20；变频泵21；电动三通调节阀22。

具体实施方式

结合附图1进一步说明本发明的具体实施方式：本发明基于冷却塔的溶液型冷热水机组包括制冷剂回路和溶液回路；具体的连接方法是压缩机1的输出端接四通阀2的第一输入端2a，四通阀2的第一输出端2b接第一换热器3的第一输入端3a，第一换热器3的第一输出端3b接第一单向阀4的入口，第一单向阀4的出口分成三路，第一路通过第一电磁阀6接溶液再生器第一输入端8a，溶液再生器第一输出端8b接储液器9的输入端；第二路通过第二电磁阀7也接储液器9的输入端；第三路接第二单向阀5的出口，第二单向阀5的入口接第二换热器的第一输入端14a。储液器9的输出端通过过滤器10接电子膨胀阀11的输入端，电子膨胀阀11的输出端分成两路，一路接第四单向阀13的入口，第四单向阀13的出口接第二换热器14的第一输入端14a，另一路接第三单向阀12的入口，第三单向阀12的出口接第一换热器第一输出端3b，第二换热器14的第一输出端14b接四通阀2的第二输入端2c，四通阀2的第二输出端2d接气液分离器15的输入端，而气液分离器15的输出端接压缩机1的输入端。

冷却塔16出口分成两路，一路通过第三电磁阀17接溶液储液器18的入口，溶液储液器18的出口通过第五电磁阀20接变频泵21的入口，另外一路通过第四电磁阀19也接变频泵21的入口。变频泵21出口接电动三通调节阀22入口，电动三通调节阀22一路出口接溶液再生器8的第二输入端8c，另外一路出口与溶液再生器8的第二输出端8d合并后接第二换热器14的第二输入端14c，第二换热器14的第二输出端14d与冷却塔16的输入口相连。

夏季制冷运行时：从气液分离器15中出来的低温低压制冷剂气体被压缩机1压缩、排出后经过四通阀2进入第二换热器14中，制冷剂与冷却水进行换热，制冷剂冷凝放出热量变成液体，再依次经过第二单向阀5、第一电磁阀6进入溶液再生器8，此时溶液再生器8起到过冷器的作用，液体制冷剂在其中与冷却水进行换热，制冷剂液体温度进一步降低，变成过冷液体。过冷制冷剂从溶液再生器8出来后经过储液器9、过滤器10、电子膨胀阀11后被节流成低温低压的气液两相，再经过第三单向阀12后进入第一换热器3，制冷剂在第一换热器3中吸热蒸发，制取冷水，制冷剂完全蒸发后变成过热气体从第一换热器3出来通过四通阀2进入气液分离器15，再次被吸入压缩机1进行压缩，完成制冷循环，制取冷水。此时溶液回路中除溶液储液器18外其余都充满冷却水，溶液储存在溶液储存器18中，不参与溶液回路的循环。冷却水在溶液回路中被冷却塔16降温后，从冷却塔16出来，直接通过第四电磁阀19进入变频泵21(此时第三电磁阀17和第五电磁阀20关闭)，经过变频泵21加压后，冷却水进入电动三通调节阀22，电动三通调节阀22将全部冷却水进入溶液再生器8，冷却水在溶液再生器中8与制冷剂换热，冷却制冷剂，使制冷剂过冷，冷却水温度稍微升高，冷却水从溶液再生器8出来后进入第二换热器14中，吸收热量将制冷剂冷凝成液体，自身温度进一步升高后进入冷却塔16与空气进行热湿交换，冷却水温度降低后再次从冷却塔流出，如此循环。

基于冷却塔的溶液型冷热水机组冬季制热运行：从气液分离器15回来的低温低压制冷剂蒸气被压缩机1压缩后变成高温高压的过热蒸气，被压缩机1排出经过四通阀2进入第一换热器3，制冷剂在第一换热器3中放出热量，制取热水，同时自身冷凝成液体，液体制冷剂从第一换热器3出来后，经过第一单向阀4、第一电磁阀6(此时第二电磁阀7关闭)进入溶液再生器8，制冷剂在其中与溶液进行换热，制冷剂放出热量，温度降低，实现过冷。过冷制冷剂从溶液再生器8出来后，依次通过储液器9、过滤器10、电子膨胀阀11，被电子膨胀阀11节流降压后以气液两相经过第四单向阀13进入第二换热器14中，在第二换热器14中进行蒸发吸热，制冷剂完全蒸发后从第二换热器14出来流经四通阀2进入气液分离器15，最后再次被压缩机1吸入、压缩，如此循环。此时溶液回路中充灌着溶液，溶液从冷却塔16出来后通过第三电磁阀17(此时第四电磁阀19关闭)进入溶液储液器18，再经过第五电磁阀20后进入变频泵21，溶液经变频泵21加压后进入电动三通调节阀22，溶液被分成两部分，一部分进入溶液再生器8，溶液在其中蒸发水分，浓度提高，溶液经过再生后与另一部分溶液混合，进入第二换热器14，与制冷剂进行换热，放出热量，自身温度降低，溶液从第二换热器14出来后进入冷却塔16，高浓度低温的溶液(溶液温度低于空气温度，溶液的水蒸汽分压力小于等于空气中的水蒸汽分压力)在冷却塔16中与空气进行热湿交换，溶液从空气中吸收热量，空气中水蒸汽向溶液中凝结，溶液的温度升高，浓度有所降低，然后从冷却塔16流出再次参与循环。

溶液在冷却塔中从空气中吸取热量的关键是：1、保证参与循环的溶液最低温度高于溶液的凝固点温度，从而保证热泵运行过程中溶液不会出现凝固现象，本发明通过调节冷热水机组运行前，注入溶液循环回路中的溶液浓度可以实现；2、进入冷却塔的溶液温度低于空气温度，从而保证热量从空气传给溶液，本发明通过控制变频泵的频率(即控制变频泵的转速)调节进入第二换热器的溶液流量，从而保证进入冷却塔的溶液温度低于空气温度(溶液温度高时，减小溶液流量，溶液温度太低时，增加溶液流量)；3、溶液中水蒸汽分压力小于等于空气中的水蒸汽分压力，使水蒸汽从空气中进入溶液，水蒸汽凝结放出热量给溶液(水蒸汽的分压力差是水蒸汽扩散的驱动力)，在溶液温度一定时溶液中水蒸汽分压力的大小取决于溶液的浓度，控制溶液的浓度也就可以实现溶液中水蒸汽的分压力的控制。本发明通过控制电动三通调节阀，调节进入再生器的溶液流量，从而实现对溶液浓度的控制，溶液浓度较小时加大再生器中溶液再生量，溶液浓度较大时减小再生器中溶液再生量。

当冬季制热运行切换到夏季制冷运行时，可将溶液回路中的溶液全部回收到溶液储液器中，关闭第三电磁阀和第五电磁阀后，再将溶液回路灌满水即可。当夏季制冷运行切换到冬季制热运行时，将原有溶液回路中冷却水排掉，关闭第四电磁阀，打开第三电磁阀和第五电磁阀，放出溶液储液器中溶液即可。

Claims (3)

1.一种基于冷却塔的溶液型冷热水机组，其特征在于该机组包括制冷剂回路和溶液回路；制冷剂回路包括压缩机(1)、四通阀(2)、第一换热器(3)、第一单向阀(4)、第二单向阀(5)、第一电磁阀(6)、第二电磁阀(7)、溶液再生器(8)、储液器(9)、过滤器(10)、电子膨胀阀(11)、第三单向阀(12)、第四单向阀(13)、第二换热器(14)、气液分离器(15)及其相关连接管道；压缩机(1)的输出端接四通阀第一输入端(2a)，四通阀第一输出端(2b)接第一换热器第一输入端(3a)，第一换热器第一输出端(3b)接第一单向阀(4)入口，第一单向阀(4)的出口分成三路，第一路通过第一电磁阀(6)接溶液再生器第一输入端(8a)，溶液再生器第一输出端(8b)接储液器(9)的输入端；第二路通过第二电磁阀(7)也接储液器(9)的输入端；第三路接第二单向阀(5)的出口，第二单向阀(5)的入口接第二换热器第一输入端(14a)；储液器(9)的输出端通过过滤器(10)接电子膨胀阀(11)的输入端，电子膨胀阀(11)输出端分成两路，一路接第四单向阀(13)的入口，第四单向阀(13)的出口接第二换热器第一输入端(14a)，另外一路接第三单向阀(12)的入口，第三单向阀(12)的出口接第一换热器第一输出端(3b)，第二换热器第一输出端(14b)接四通阀第二输入端(2c)，四通阀第二输出端(2d)接气液分离器(15)的输入端，而气液分离器(15)的输出端接压缩机(1)的输入端；

溶液回路包括冷却塔(16)、第三电磁阀(17)、溶液储液器(18)、第四电磁阀(19)、第五电磁阀(20)、变频泵(21)、电动三通调节阀(22)、溶液再生器(8)、第二换热器(14)及其相关连接管道；冷却塔(16)出口分成两路，一路通过第三电磁阀(17)接溶液储液器(18)入口，溶液储液器(18)的出口通过第五电磁阀(20)接变频泵(21)的入口；另外一路通过第四电磁阀(19)也接变频泵(21)的入口。变频泵(21)出口接电动三通调节阀(22)入口，电动三通调节阀(22)的一路出口接溶液再生器第二输入端(8c)，另外一路与溶液再生器第二输出端(8d)合并后接第二换热器第二输入端(14c)，第二换热器第二输出端(14d)与冷却塔(16)的输入口相连。

2.根据权利要求1所述的基于冷却塔的溶液型冷热水机组，其特征是在储液器之前，装有溶液再生器(8)，该溶液再生器(8)可同时实现制冷剂过冷。

3.根据权利要求1所述的基于冷却塔的溶液型冷热水机组，其特征是溶液再生器(8)中溶液再生的热量来源为经过第一换热器(3)冷凝后的制冷剂液体过冷所放出的热量。

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