CN102141322A - 一种吸附-机械压缩耦合制冷及蓄冷*** - Google Patents

一种吸附-机械压缩耦合制冷及蓄冷*** Download PDF

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Abstract

本发明属于制冷及蓄冷技术领域，是一种吸附-机械压缩耦合制冷及蓄冷***。它包括吸附床、解吸阀、冷却器、压缩机、冷凝器、高压储液罐、节流阀、低压储液罐、蒸发器、吸附阀；吸附床内设有吸附床换热器，吸附床内填充有吸附剂；吸附床出口与解吸阀进口连接，解吸阀出口与冷却器进口连接，冷却器出口与压缩机进口连接，压缩机出口与冷凝器进口连接，冷凝器出口与高压储液罐进口连接，高压储液罐出口与节流阀进口连接，节流阀出口与低压储液罐进口连接，低压储液罐出口与蒸发器进口连接，蒸发器出口与吸附阀进口连接，吸附阀出口与吸附床进口连接。本发明可利用低品位热源，实现无冷损蓄冷，明显降低***功耗和运行成本。

Description

一种吸附-机械压缩耦合制冷及蓄冷***
技术领域
本发明属于制冷及蓄冷技术领域，具体是一种吸附-机械压缩耦合制冷及蓄冷***。
背景技术
为了缓解我国的电力供应紧张问题，提高能源和电力资源的利用效率，降低电网的投资成本和运行成本，优化调整能源结构，我国推行了峰谷分时电价制度。目前降低制冷机组的运行成本的一个主要途径就是蓄冷，但添加蓄冷装置又面临额外投资成本高、冷量损耗高、循环泵耗费大量电能、共晶蓄冷剂产生腐蚀等一系列问题。吸附式制冷技术具有环境友好、可利用低品位热源、运行费用低和可实现冷量长期储存等明显优势，符合当前社会对环保要求，满足经济可持续发展的需要。与吸收式制冷技术相比，吸附式制冷不需要溶液泵或精馏装置，也不存在结晶和精馏等问题，但是吸附式制冷仍旧不能有效利用低于80℃的废热进行-10℃以下制冷。另外，一些温度波动较大的热源，如太阳能，驱动吸附式制冷***并不能输出连续稳定的冷量，这些问题都大大限制了吸附式制冷的应用范围。
经对现有技术的公开文献检索发现，N.D.Banker在international journal ofrefrigeration(2008：3：1398-1406)上发表了“Performance studies on mechanical+adsorption hybrid compression refrigeration cycles with HFC 134a”，该文章提出了吸附+机械压缩的复合制冷循环***，该***利用R134a作为制冷剂，活性炭作为吸附剂。其原理是首先利用活性炭吸附来自蒸发器的低压制冷剂蒸汽，然后利用90℃热源来加热吸附剂，解吸产生中压蒸汽，接着进入压缩机压缩到高压蒸汽，并进入冷凝器在40℃冷凝。由于该***采用物理吸附工质对，循环吸附量小，吸附剂冷热交替热损大，导致***驱动热源温度要求高且整体运行效率不高。另外，该***并未利用吸附式制冷***的间歇制冷特性，开发合适的蓄冷***，导致该***并无蓄冷优势。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种可利用高于40℃的热源和电能耦合驱动或电能单独驱动、无冷损方式蓄冷的吸附-机械压缩耦合制冷及蓄冷***。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种吸附-机械压缩耦合制冷及蓄冷***，包括吸附床、解吸阀、冷却器、压缩机、冷凝器、高压储液罐、节流阀、低压储液罐、蒸发器、吸附阀；吸附床内设有吸附床换热器，冷却器设有冷却器换热盘管，冷凝器内设有冷凝器换热盘管，吸附床内填充有吸附剂；其特征是：吸附床位于蒸发器与压缩机之间；吸附床出口与解吸阀进口连接，解吸阀出口与冷却器进口连接，冷却器出口与压缩机进口连接，压缩机出口与冷凝器进口连接，冷凝器出口与高压储液罐进口连接，高压储液罐出口与节流阀进口连接，节流阀出口与低压储液罐进口连接，低压储液罐出口与蒸发器进口连接，蒸发器出口与吸附阀进口连接，吸附阀出口与吸附床进口连接。
吸附剂在环境温度下可发生吸附现象的压力小于制冷剂在制冷温度下的蒸发压力，从而通过吸附床内的吸附剂吸附制冷剂蒸汽达到制冷的目的，吸附剂可添加一些固化成型、强化传热的辅料，以便制作成型，在强化导热的同时又防止吸附剂粉末或颗粒进入压缩机内部。
吸附床数量为1～20个，不同吸附床之间制冷剂气体通道采用并联连接达到回质目的；不同吸附床换热器之间采用串联方式连通，以达到回收较高温度吸附热和控制吸附制冷剂速率的目的。
压缩机一般采用干式压缩机；压缩机为含油压缩机时，在压缩机出口装有油分器，蒸发器与吸附床之间装有滤油装置，防止润滑油污染吸附剂。
在小型制冷装置中可不安装低压储液罐，节流阀出口直接与蒸发器进口连接，以便节省投资，提高运行效率。
高压储液罐在本***中既有普通压缩制冷***中储存高压制冷剂，又具有适应变工况时制冷***中所需制冷剂量的变化的功能，又起着无冷损蓄冷的重要作用。
本***中制冷剂依次经过蒸发器、吸附阀、吸附床、解吸阀、冷却器、压缩机、冷凝器、高压储液罐、节流阀、低压储液罐，再回到蒸发器，形成一个环状的流动循环回路。
本***中，对于同一个吸附床，其蒸发制冷-吸附过程与解吸-压缩-冷凝过程分开进行。比如在电价较贵的尖峰、峰及平时段，***只进行蒸发制冷-吸附过程，高压储液罐中高压常温制冷剂通过节流阀进入蒸发器，制冷剂蒸发制冷，并被吸附床吸附；在电价便宜的谷时段，***进行解吸-压缩-冷凝过程，吸附床解吸出的制冷剂被压缩机压缩后进入冷凝器冷凝为常温高压液体，然后进入高压储液罐中储存。
本***中在蒸发制冷-吸附过程中，制冷剂在蒸发器中蒸发制冷，并被吸附床内吸附剂吸附，吸附床换热器通入常温流体，带走吸附剂吸附制冷剂过程放出的热量。
本***的解吸-压缩-冷凝过程中的解吸方法有两种：第一种方式是吸附床换热器通入高于40℃的低品位热源流体加热吸附完毕的吸附床，解吸出的制冷剂蒸汽，先经过冷却器冷却，进入压缩机压缩，然后进入冷凝器冷凝；第二种方式是吸附床换热器通入低温流体，通过压缩机抽吸作用，降低吸附床内压力，达到制冷剂解吸目的，同时制冷剂在解吸过程从吸附床换热器内低温流体吸收热量，形成第二次制冷，即输入一次电功，产生两次制冷的效果。第二种解吸方法，吸附-机械压缩耦合制冷及蓄冷***不需要冷却器，解吸阀与压缩机直接相连。
本发明的有益效果：其一，根据吸附式制冷***的间歇制冷特点，结合机械压缩制冷原理，本发明设计的吸附-机械压缩耦合制冷及蓄冷***的蒸发制冷-吸附过程与解吸-压缩-冷凝过程可在不同时段运行，并通过高压储液罐储存高压制冷剂实现了无冷损蓄冷，使得机组在峰谷分时电价制度下运行费用大大降低；其二，本发明设计的吸附-机械压缩耦合制冷及蓄冷***可先利用高于40℃废热来解吸吸附剂，可以提高压缩机进气压力，从而提高了压缩机的等熵效率和容积效率，显著降低了压缩机功耗；其三，本发明设计的吸附-机械压缩耦合制冷及蓄冷***对热源品位及稳定性要求不高，在无废热源场合安装普通太阳能集热装置收集的低品位热量既可保证机组低成本运行，因此本发明大大拓展了吸附制冷***的应用范围；其四，本发明设计的吸附-机械压缩耦合制冷及蓄冷***可采用单纯电能驱动，输入一次电功，输出两次冷量，分别为制冷剂汽化吸热制冷和吸附剂变压解吸吸热制冷。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图中：1吸附床、2吸附剂、3吸附床换热器、4解吸阀、5冷却器、6冷却器换热盘管、7压缩机、8冷凝器、9冷凝器换热盘管、10高压储液罐、11节流阀、12低压储液罐、13蒸发器、14吸附阀。
图中实线箭头表示制冷剂的流动方向，虚线箭头方向表示换热盘管中传热流体的流动方向。
具体实施方案
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一
如图1所示，本实施例包括：吸附床1、吸附剂2、吸附床换热器3、解吸阀4、冷却器5、冷却器换热盘管6、压缩机7、冷凝器8、冷凝器换热盘管9、高压储液罐10、节流阀11、低压储液罐12、蒸发器13、吸附阀14。
本实施例中，在传统的压缩式制冷***蒸发器与压缩机之间添加吸附床1，吸附床1出口与解吸阀4进口连接，解吸阀4出口与冷却器5进口连接，冷却器5出口与压缩机7进口连接，压缩机7出口与冷凝器8进口连接，冷凝器8出口与高压储液罐10进口连接，高压储液罐10出口与节流阀11进口连接，节流阀11出口与低压储液罐12进口连接，低压储液罐12出口与蒸发器13进口连接，蒸发器13出口与吸附阀14进口连接，吸附阀14出口与吸附床1进口连接；吸附床1内设有吸附床换热器3，冷却器5设有冷却器换热盘管6，冷凝器11内设有冷凝器换热盘管9；吸附床1内填充有吸附剂2。
本实施例中，吸附床1数量为2个，不同吸附床之间制冷剂气体通道采用并联方式连接，达到回质目的；不同吸附床换热器之间采用串联方式连通，以达到回收较高温度吸附热和控制吸附制冷剂速率的目的。
本实施例中，压缩机7为动磁式直线压缩机。
本实施例中，高压储液罐13在本***中既有普通压缩制冷***中储存高压制冷剂，又具有适应工况变化时制冷***中所需制冷剂量的变化的功能，又起着无冷损蓄冷的重要作用。
本实施例中，制冷剂依次经过蒸发器13、吸附阀14、吸附床1、解吸阀4、冷却器5、压缩机7、冷凝器8、高压储液罐10、节流阀11、低压储液罐12，再回到蒸发器13，形成一个环状的流动循环回路。对于同一个吸附床，其蒸发制冷-吸附过程与解吸-压缩-冷凝过程分开进行。
本实施例中，在电价较贵的尖峰、峰及平时段，***中2个吸附床进行进行蒸发制冷-吸附过程，高压储液罐10中高压常温制冷剂通过节流阀11进入低压储液罐12、然后进入蒸发器13蒸发制冷，并被吸附床吸附；在电价便宜的谷时段，2个吸附饱和的吸附床进行解吸-压缩-冷凝过程，该过程中利用60℃的热源加热吸附床1，吸附床1解吸出的制冷剂经冷却器5冷却后，被压缩机7压缩并进入冷凝器8冷凝为常温高压液体，然后进入高压储液罐10中储存蓄冷。为保证***继续制冷，可另外添加一辅助机械压缩制冷机组，继续制冷。
本实施例中，制冷温度为-20℃，根据吸附剂在环境温度下可发生吸附现象的压力小于制冷剂在制冷温度下的蒸发压力的要求，选择吸附剂为CaCl2，制冷剂为氨。在该工况下，相比单纯氨压缩式制冷***，本***可降低60％的运行成本。
实施例二
本实施例中，吸附床数量为4个，不同吸附床之间制冷剂气体通道采用并联方式连接，达到回质目的；不同吸附床换热器之间采用串联方式连通，以达到回收较高温度吸附热和控制吸附制冷剂速率的目的。
本实施例中，压缩机7为含油螺杆压缩机，为防止压缩机用润滑油污染吸附剂，在压缩机出口装有油分器，蒸发器与吸附床之间装有滤油装置。
本实施例中，在电价较贵的尖峰、峰及平时段，***中4个吸附床进行进行蒸发制冷-吸附过程，高压储液罐10中高压常温制冷剂通过节流阀11进入低压储液罐12、然后进入蒸发器13蒸发制冷，并被吸附床吸附，通过开启和关闭不同吸附床吸附阀，达到控制制冷速率的目的。在电价便宜的谷时段，4个吸附饱和的吸附床在压缩机抽吸作用下进行低压解吸，并在吸附床换热盘管3中低温工质吸收热量，产生第二次冷量，吸附床1解吸，被压缩机7压缩并进入冷凝器8冷凝为常温高压液体，然后进入高压储液罐10中储存蓄冷。
本实施例中，由于解吸出吸附剂温度低，不需进行冷却，所以该***部安装冷却器5，吸附床1出口直接与压缩机6进口相连。
本实施例中，制冷温度为-10℃，根据吸附剂在环境温度下可发生吸附现象的压力小于制冷剂在制冷温度下的蒸发压力的要求，选择吸附剂为BaCl2，制冷剂为氨。
本实施例其余过程与实施例一相同。
本实施例中，在该工况下，相比单纯氨压缩式制冷***，本***可降低50％的运行成本。
实施例三
本实施例中，吸附床1数量为10个，不同吸附床之间制冷剂气体通道采用并联方式连接，达到回质目的；不同吸附床换热器之间采用串联方式连通，以达到回收较高温度吸附热和控制吸附制冷剂速率的目的。
本实施例中，压缩机7为动磁式直线压缩机。
本实施例中，在电价较贵的尖峰、峰及平时段，***中7个吸附床进行进行蒸发制冷-吸附过程，高压储液罐10中高压常温制冷剂通过节流阀11进入低压储液罐12、然后进入蒸发器13蒸发制冷，并被吸附床吸附；另外3个吸附床仅在电价较便宜的平时段进行解吸-压缩-冷凝过程，该过程中利用70℃的热源加热吸附床1，吸附床1解吸出的制冷剂经冷却器5冷却后，被压缩机7压缩并进入冷凝器8冷凝为常温高压液体，然后进入高压储液罐10中储存蓄冷。在电价便宜的谷时段，解吸完成的3个吸附床进行蒸发制冷-吸附过程；7个吸附饱和的吸附床进行解吸-压缩-冷凝过程，该过程中利用60～70℃的热源加热吸附床1，吸附床1解吸出的制冷剂经冷却器5冷却后，被压缩机7压缩并进入冷凝器8冷凝为常温高压液体，然后进入高压储液罐10中储存蓄冷。
本实施例中，制冷温度为-30℃，根据吸附剂在环境温度下可发生吸附现象的压力小于制冷剂在制冷温度下的蒸发压力的要求，选择吸附剂为SrCl2与活性炭混合的复合吸附剂，制冷剂为氨。
本实施例其余过程与实施例一相同。
本实施例中，在该工况下，相比单纯氨压缩式制冷***，本***可降低50％的运行成本。
实施例四
本实施例中，吸附床1数量为20个，不同吸附床之间制冷剂气体通道采用并联方式连接，达到回质目的；不同吸附床换热器之间采用串联方式连通，以达到回收较高温度吸附热和控制吸附制冷剂速率的目的。
本实施例中，压缩机7为含油活塞压缩机，为防止压缩机用润滑油污染吸附剂，在压缩机出口装有油分器，蒸发器与吸附床之间装有滤油装置。
本实施例中，在电价较贵的尖峰、峰及平时段，***中20个吸附床进行进行蒸发制冷-吸附过程，高压储液罐10中高压常温制冷剂通过节流阀11进入低压储液罐12、然后进入蒸发器13蒸发制冷，并被吸附床吸附，通过开启和关闭不同吸附床吸附阀，达到控制制冷速率的目的。在电价便宜的谷时段，20个吸附饱和的吸附床在压缩机抽吸作用下进行低压解吸，并在吸附床换热盘管3中低温工质吸收热量，产生第二次冷量，吸附床1解吸，被压缩机7压缩并进入冷凝器8冷凝为常温高压液体，然后进入高压储液罐10中储存蓄冷。
本实施例中，由于解吸出吸附剂温度低，不需进行冷却，所以该***部安装冷却器5，吸附床1出口直接与压缩机6进口相连。
本实施例中，制冷温度为-10℃，根据吸附剂在环境温度下可发生吸附现象的压力小于制冷剂在制冷温度下的蒸发压力的要求，选择吸附剂为金属有机骨架材料MOF-177，制冷剂为二氧化碳。
本实施例其余过程与实施例一相同。
本实施例中，在该工况下，相比单纯二氧化碳压缩式制冷***，本***可降低40％的运行成本。

Claims (6)

1.一种吸附-机械压缩耦合制冷及蓄冷***，包括吸附床(1)、解吸阀(4)、冷却器(5)、压缩机(7)、冷凝器(8)、高压储液罐(10)、节流阀(11)、低压储液罐(12)、蒸发器(13)、吸附阀(14)；吸附床(1)内设有吸附床换热器(3)，冷却器(5)设有冷却器换热盘管(6)，冷凝器(8)内设有冷凝器换热盘管(9)，吸附床(1)内填充有吸附剂(2)；其特征是：吸附床(1)位于蒸发器(13)与压缩机(7)之间；吸附床(1)出口与解吸阀(4)进口连接，解吸阀(4)出口与冷却器(5)进口连接，冷却器(5)出口与压缩机(7)进口连接，压缩机(7)出口与冷凝器(8)进口连接，冷凝器(8)出口与高压储液罐(10)进口连接，高压储液罐(10)出口与节流阀(11)进口连接，节流阀(11)出口与低压储液罐(12)进口连接，低压储液罐(12)出口与蒸发器(13)进口连接，蒸发器(13)出口与吸附阀(14)进口连接，吸附阀(14)出口与吸附床(1)进口连接。
2.根据权利要求1所述的吸附-机械压缩耦合制冷及蓄冷***，其特征是，所述的吸附床(1)数量为1～20个，不同吸附床(1)之间制冷剂气体通道采用并联方式连接，不同吸附床换热器(3)之间采用串联方式连通。
3.根据权利要求1所述的吸附-机械压缩耦合制冷及蓄冷***，其特征是制冷及蓄冷***中的制冷剂依次经过蒸发器(13)、吸附阀(14)、吸附床(1)、解吸阀(4)、冷却器(5)、压缩机(7)、冷凝器(8)、高压储液罐(10)、节流阀(11)、低压储液罐(12)，再回到蒸发器(13)，形成一个环状流动循环回路。
4.根据权利要求3所述的吸附-机械压缩耦合制冷及蓄冷***，其特征是，环状流动循环回路对于同一个吸附床(1)，其蒸发制冷-吸附过程与解吸-压缩-冷凝过程分开进行。
5.根据权利要求4所述的吸附-机械压缩耦合制冷及蓄冷***，其特征是，在蒸发制冷-吸附过程中，制冷剂在蒸发器(13)中蒸发制冷，并被吸附床(1)内吸附剂(2)吸附，吸附床换热器(3)通入常温流体，带走吸附剂(2)吸附制冷剂过程放出的热量。
6.根据权利要求4所述的吸附-机械压缩耦合制冷及蓄冷***，其特征是，解吸-压缩-冷凝过程分为两种方式：第一种方式是吸附床换热器(3)通入低品位热源流体加热吸附完毕的吸附床(1)，解吸出的制冷剂蒸汽，先经过冷却器(5)冷却，进入压缩机(7)压缩，然后进入冷凝器(8)冷凝；第二种方式是吸附床换热器(3)通入低温流体，通过压缩机(7)抽吸作用，降低吸附床(1)内压力，达到制冷剂解吸目的，同时制冷剂在解吸过程从吸附床换热器(3)内低温流体吸收热量，形成第二次制冷。
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