CN115164443A - 太阳能驱动吸收式制冷耦合热管换热空气冷却制水装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能驱动吸收式制冷耦合热管换热空气冷却制水装置，包括太阳能集热***、吸收式制冷***和空气冷却制水***，吸收式制冷***接收太阳能集热***传递的辐射热量，完成整个太阳能驱动吸收式制冷的循环过程；空气冷却制水***和吸收式制冷***通过重力式热管换热器进行耦合联接，吸收式制冷***产生的制冷量通过重力式热管换热器传递至空气制水***，与湿空气进行换热产生冷凝水。本发明采用重力式热管代替了传统吸收式制冷机组中的动力泵及蒸发器，依靠重力实现***间的冷量传递和热管内部工质的自循环，无需外部能源的输入，减小了制冷***的整体功耗和体积。使用太阳能作为吸收式制冷***的驱动热源，整体能耗低，节能且环保。
Description
技术领域
本发明属于太阳能驱动的空气冷却制水领域，更具体地，涉及一种太阳能驱动吸收式制冷耦合热管换热空气冷却制水装置。
背景技术
淡水是人类及一切地球生命体赖以生存的重要资源，虽然地球70％的面积被水覆盖，但其中绝大部分是不能直接饮用的咸海水。而伴随着全球人口数量的增长，个人、经济和社会对于淡水资源的需求日趋旺盛，淡水资源的短缺已成为当下急需解决的一个重要问题。
空气冷却制水技术是近年以来研究较为热门的一种解决淡水资源短缺问题的技术方法，其原理是收集地球大气内含量丰富的水蒸汽，通过制冷装置，使空气中水蒸汽冷却凝结为可直接使用的液态水资源。据有关数据统计，地球大气中的总含水量接近13000km3，主要以水蒸汽形式存在，若将它们全部凝结放入到海洋中，能使地球海平面上升约3.8cm。因此，若能针对大气中含量丰富的水资源，根据实际需求从中制取大量能够直接利用的淡水资源，将对解决诸如沙漠、沿海和岛屿等淡水资源匮乏地区的淡水供应问题发挥积极的作用。空气冷却制水技术不仅能够满足空气制水的需求，还能保证冷凝水的水质，避免了传统吸附式空气制水技术由于吸水材料劣化或是在工作过程中析出有毒物质从而影响水质的风险。
目前，常用的空气冷却制冷装置多采用半导体制冷和压缩式制冷机组，它们的缺点在于：半导体制冷的制冷效率低，同时还需要提供足够的散热能力和电力供应，这在普遍位于偏远地理位置的淡水资源匮乏地区难以满足和实现；压缩式制冷机组虽然制冷效率较高，但需要消耗大量的高品位电能，这同样也是偏远地区难以实现的。因此，需要发展一种只需要消耗低品位热能，或是能直接利用自然界提供热能进行空气冷却制水的装置，这对于解决偏远地区淡水供应问题同样具有重要的节能环保意义。
由此可见，现有技术存在体积大、功耗高、无法在保证制冷效率的前提下节约能源的技术问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种太阳能驱动吸收式制冷耦合热管换热空气冷却制水装置，由此解决现有技术存在体积大、功耗高、无法在保证制冷效率的前提下节约能源的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种太阳能驱动吸收式制冷耦合热管换热空气冷却制水装置，包括太阳能集热***、吸收式制冷***和空气冷却制水***，
所述吸收式制冷***由太阳能集热***驱动，吸收式制冷***包括加热器、气液分离器、冷凝器、节流器、一体式蒸发箱和吸收箱，所述加热器与太阳能集热***连接，用于接收太阳能集热***传递的辐射热量加热吸收剂和制冷剂混合的二元稀溶液，所述气液分离器与加热器和冷凝器连接，气液分离器用于将加热后的二元稀溶液分离为吸收剂和制冷剂，冷凝器用于对高温制冷剂进行换热降温，冷凝器通过节流器与一体式蒸发箱和吸收箱相连，节流器用于对冷凝器流出的制冷剂进行节流降温后传递至一体式蒸发箱和吸收箱，一体式蒸发箱和吸收箱用于对节流降温后的制冷剂依次进行换热以及与吸收剂形成二元稀溶液，该二元稀溶液通过管道再进入加热器中吸收来自太阳能集热***的辐射热量，从而完成整个太阳能驱动吸收式制冷的循环过程；
所述空气冷却制水***和吸收式制冷***通过重力式热管换热器进行耦合联接，吸收式制冷***产生的制冷量通过重力式热管换热器传递至空气制水***，与湿空气进行换热产生冷凝水。
进一步地，所述重力式热管换热器包括吸收器热管蒸发段和蒸发器热管冷凝段，
所述蒸发器热管冷凝段和吸收器热管蒸发段位于一体式蒸发箱和吸收箱内；所述蒸发器热管冷凝段用于与降温节流后的制冷剂换热，形成气态制冷剂，吸收器热管蒸发段用于吸收气态制冷剂与吸收剂形成二元稀溶液时产生的热量。
进一步地，所述重力式热管换热器还包括：蒸发器热管蒸发段，所述蒸发器热管蒸发段与蒸发器热管冷凝段相连且布置高度低于蒸发器热管冷凝段，使得蒸发器热管冷凝段内工质降温冷凝后以液态形式自由下落至蒸发器热管蒸发段。
进一步地，所述重力式热管换热器还包括：吸收器热管冷凝段，所述吸收器热管冷凝段与吸收器热管蒸发段相连且布置高度高于吸收器热管蒸发段，使得吸收器热管蒸发段内工质蒸发并自由上升至吸收器热管冷凝段。
进一步地，所述一体式蒸发箱和吸收箱包括蒸发箱和吸收箱，蒸发箱和吸收箱相互连通且安装于一个容器内。
进一步地，所述吸收器热管蒸发段包括多个热管，均匀排列于吸收箱底部，所述蒸发器热管冷凝段包括多个热管，均匀排列于蒸发箱底部。
进一步地，所述太阳能集热***包括太阳能集热器、膨胀水箱和热水泵，所述太阳能集热器为线聚焦太阳能集热器，用于吸收太阳的辐射能产生辐射热量，所述热水泵同时与太阳能集热器、加热器连接，用于将辐射热量加热后的水传递至加热器，使得加热器中的二元稀溶液与热水进行热交换；所述膨胀水箱与热水泵连接，用于储存水。
进一步地，所述空气冷却制水***包括：空气过滤器、空气预冷器、冷凝水接水盘和过滤净化消毒模块，
所述空气过滤器位于风道入口，用于在湿空气在进行换热产生冷凝水前，对湿空气进行过滤净化处理；
所述空气预冷器位于空气过滤器下方，用于在湿空气在进行换热产生冷凝水前，将处理后的湿空气与风道出口段的干空气进行换热降温后进入位于空气预冷器下方的蒸发器热管蒸发段内，吸收经由重力式热管传递至该处的制冷量，完成冷凝结露过程，同时所产生的冷凝水经由位于蒸发器热管蒸发段下方的冷凝水接水盘收集，所述过滤净化消毒模块与冷凝水接水盘连接，用于对冷凝水进行过滤净化消毒后，形成淡水资源，冷凝结露后产生的低温干空气，将在风机作用下，依次流经空气预冷器、吸收器热管冷凝段、冷凝器和溶液冷却器进行冷量的进一步回收利用，完成空气冷却制水过程。
进一步地，所述冷凝器和溶液冷却器为翅片管换热器，均安装于风道出口处。
进一步地，所述吸收器热管冷凝段为翅片管，安装于风道出口处，蒸发器热管蒸发段为翅片管。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明中空气冷却制水***和吸收式制冷***通过重力式热管换热器进行耦合联接。重力式热管代替了传统吸收式制冷机组中的动力泵及蒸发器，依靠重力实现***间的冷量传递和内部工质自循环，无需外部能源的输入，减少了制冷***的整体功耗，缩小了装置体积。吸收式制冷***使用太阳能作为驱动热源，整体能耗低，节能且环保。本发明装置可以在保证制冷效率的前提下节约能源。
(2)本发明采用重力式热管换热器代替传统吸收式制冷机组中的动力泵及蒸发器，减少了制冷机组的整体能耗和体积大小，解决了传统吸收式制冷机组由于其喷淋式蒸发器形式，不能直接与湿空气进行冷却换热而产生冷凝水的问题。本发明中的重力式热管依靠自然重力完成液态工质的自然下落，以及与制冷***中交换的热量完成气态工质的自然生成而上升，无需外部能源驱动，设备运行简单、可靠、高效。
(3)本发明中蒸发箱与吸收箱相互连通，安装于一个容器内，有利于制冷剂的蒸发和吸收。蒸发器热管冷凝段均匀排列于蒸发箱底部，其高度需控制在较低位置，以保持制冷剂水的液位维持在较低水平，防止因液位过高导致的底部静压过大，进而使制冷剂蒸发温度过高引起的制冷失效问题。吸收器热管采用重力式热管，吸收器热管冷凝段需布置高于吸收器热管蒸发段，以使热管内部冷凝后的工质液体能利用重力自由下降，而蒸发后的工质气体能自由上升。
(4)本发明吸收式制冷***采用低品位太阳能作为驱动热源，太阳能需要先转换为热能再作为吸收式制冷***的驱动热源，因此先通过太阳能集热器吸收太阳能来加热水，再通过热水泵将加热后的水输送到吸收式制冷***的热交换器中，在热交换器中热水和二元稀溶液进行换热，冷却后的水再回到太阳能集热器中进行下一次循环。节能且环保，不仅可以应用于电力供应困难而太阳能资源丰富的沙漠、沿海和岛屿地区等，解决这些地区的淡水供应问题，还可根据不同环境特点和需求进行改造，如大型航海商船、海上钻井平台等，适用范围广泛。
(5)本发明中的空气冷却制水***，在风道入口处安装有空气预冷器，在风道出口处安装包括制冷***冷凝器在内的多个换热器，充分回收***冷量进行再利用，既提高了***热效率又降低了热管换热器蒸发段的热负荷，实现了能耗的进一步降低。空气冷却制水***在风道入口处的空气过滤器之后安装有空气预冷器，使潮湿空气在产生冷凝水前，先与干冷空气进行换热降温，提高***制冷量的利用率。同时配备冷凝水收集、过滤和消毒模块，保证冷凝水质量。
(6)本发明中冷凝器和溶液冷却器为翅片管换热器，均安装于风道出口处，有利于高温水蒸气和高温溶液的冷却和干冷空气冷量的充分利用。吸收器热管冷凝段为翅片管，安装于风道出口处，利于回收冷量。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种太阳能驱动吸收式制冷耦合热管换热空气冷却制水装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一体式吸收箱及蒸发箱容器内热管排列布置及制冷剂液位高度截面图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1为太阳能集热器，2为膨胀水箱，3为热水泵，4为加热器，5为气液分离器，6为冷凝器，7为节流器，8为蒸发箱，9为吸收箱，10为溶液泵，11为分流阀，12为溶液回热器，13为溶液冷却器，14为风机，15为吸收器热管蒸发段，16为吸收器热管冷凝段，17为空气过滤器，18为空气预冷器，19为蒸发器热管蒸发段，20为蒸发器热管冷凝段，21为冷凝水接水盘，22为过滤净化消毒模块，23为风道。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明装置包括太阳能集热***、吸收式制冷***和空气冷却制水***，其中制冷***和制水***通过重力式热管换热器进行耦合联接。太阳能集热***包括太阳能集热器1、膨胀水箱2和热水泵3；吸收式制冷***由上述太阳能吸热***驱动，***中制冷剂采用水-溴化锂工质对，包括吸收箱9、蒸发箱8、溶液回热器12、加热器4、气液分离器5和冷凝器6；空气冷却制水***包括空气过滤器17、空气预冷器18、蒸发器19、冷凝水收集模块21；用于耦合联接***的重力式热管换热器包括吸收器热管蒸发段15、吸收器热管冷凝段16、蒸发器热管蒸发段19和蒸发器热管冷凝段20。
太阳的辐射能由太阳能集热器1聚集并吸收，通过膨胀水箱2和热水泵3将辐射热量传递至加热器4与水-溴化锂的二元稀溶液进行换热，升温后的二元稀溶液进入气液分离器5进行制冷剂和吸收剂的分离，其中低沸点的制冷剂以高温气态从分离器上部流出，剩余的高温吸收剂溴化锂浓溶液从分离器侧边流出，高温气态制冷剂流出后将进入冷凝器6中在风机作用下与风道23出口处的低温干空气进行换热降温并回收冷量，接着在U型管节流器7进一步节流降温，随后以低温液态形式进入蒸发箱8内与蒸发器热管冷凝段20换热，升温后的制冷剂蒸发进入连通的吸收箱9，而蒸发器热管内的工质降温冷凝后以液态形式自由下落至蒸发器热管蒸发段19，进入吸收箱9内的气态制冷剂被喷淋进入的吸收剂溴化锂浓溶液和部分喷淋回流进行再吸收的稀溶液吸收形成二元稀溶液，与此同时吸收箱内布置的吸收器热管蒸发段15吸收热量，使内部工质蒸发并自由上升至吸收器热管冷凝段16，在风机作用下与风道23出口处的低温干空气进行降温冷凝并回流至吸收箱9，而吸收箱9内的二元稀溶液在溶液泵10的作用下，进入溶液回热器12中与从气液分离器5流出的高温浓溶液进行预加热，同时部分二元稀溶液将由分流阀11回流至吸收箱9，预加热后的二元稀溶液再进入加热器4中吸收来自太阳的辐射能量，从而完成整个太阳能驱动吸收式制冷的循环过程。
在上述太阳能集热***和吸收式制冷***完成制冷循环过程的同时，所产生的制冷量将通过重力式热管换热器传递至空气制水***，与高温的湿空气进行换热。而高温湿空气在进行换热产生冷凝水前，将首先通过风道入口处的空气过滤器17进行净化的预处理，接着在风机作用下，在空气预冷器18中与风道23出口段的低温干空气进行换热，完成预降温并回收***制冷量，接着再进入蒸发器热管蒸发段19内，吸收经由重力式热管传递至该处的制冷量，完成冷凝结露过程，同时所产生的冷凝水经由冷凝水接水盘21、过滤净化消毒模块22的处理和收集后，便可成为能直接利用的淡水资源，冷凝结露后产生的低温干空气，将在风机14作用下，分别流经空气预冷器18、吸收器热管冷凝段16、冷凝器6和溶液冷却器13进行冷量的进一步回收利用，完成空气冷却制水过程。
需要指出的是，由于吸收器热管和蒸发器热管均采用重力式热管，因此吸收器热管冷凝段16需布置高于吸收器热管蒸发段，同理蒸发器热管。如图1中所示，沿重力竖直方向上，设备的布置高度2要高于设备的布置高度1，以使热管内部冷凝后的工质液体能利用重力自由下降，而蒸发后的工质气体能自由上升。此外，吸收器热管蒸发段15均匀排列于吸收箱内，与用于吸收制冷剂的溴化锂浓溶液进行换热，蒸发器热管冷凝段20均匀排列于蒸发箱底部，其高度需控制在较低位置，如图2所示，以保持制冷剂水的液位维持在较低水平，防止因液位过高导致的底部静压过大，进而使制冷剂蒸发温度过高引起的制冷失效问题。
本发明中的吸收式制冷***采用低品位太阳能作为驱动热源，节能且环保，可以用于解决电力供应困难而太阳能资源丰富的沙漠、沿海和岛屿等地区的淡水供应问题，还可根据不同环境特点和需求进行改造，装置适用范围广泛。同时通过采用重力式热管换热器代替传统吸收式制冷机组中的动力泵及蒸发器，减小了制冷机组的整体能耗和体积大小，解决了传统吸收式制冷机组由于其喷淋式蒸发器结构形式导致的不能直接与湿空气进行冷却换热的问题。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种太阳能驱动吸收式制冷耦合热管换热空气冷却制水装置，其特征在于，包括太阳能集热***、吸收式制冷***和空气冷却制水***，
所述吸收式制冷***由太阳能集热***驱动，吸收式制冷***包括加热器(4)、气液分离器(5)、冷凝器(6)、节流器(7)、一体式蒸发箱和吸收箱，所述加热器(4)与太阳能集热***连接，用于接收太阳能集热***传递的辐射热量加热吸收剂和制冷剂混合的二元稀溶液，所述气液分离器(5)与加热器(4)和冷凝器(6)连接，气液分离器(5)用于将加热后的二元稀溶液分离为吸收剂和制冷剂，冷凝器(6)用于对高温制冷剂进行换热降温，冷凝器(6)通过节流器(7)与一体式蒸发箱和吸收箱相连，节流器(7)用于对冷凝器(6)流出的制冷剂进行节流降温后传递至一体式蒸发箱和吸收箱，一体式蒸发箱和吸收箱用于对节流降温后的制冷剂依次进行换热以及与吸收剂形成二元稀溶液，该二元稀溶液通过管道再进入加热器(4)中吸收来自太阳能集热***的辐射热量，从而完成整个太阳能驱动吸收式制冷的循环过程；
所述空气冷却制水***和吸收式制冷***通过重力式热管换热器进行耦合联接，吸收式制冷***产生的制冷量通过重力式热管换热器传递至空气制水***，与湿空气进行换热产生冷凝水。
2.如权利要求1所述的一种太阳能驱动吸收式制冷耦合热管换热空气冷却制水装置，其特征在于，所述重力式热管换热器包括吸收器热管蒸发段(15)和蒸发器热管冷凝段(20)，
所述蒸发器热管冷凝段(20)和吸收器热管蒸发段(15)位于一体式蒸发箱和吸收箱内；所述蒸发器热管冷凝段(20)用于与降温节流后的制冷剂换热，形成气态制冷剂，吸收器热管蒸发段(15)用于吸收气态制冷剂与吸收剂形成二元稀溶液时产生的热量。
3.如权利要求2所述的一种太阳能驱动吸收式制冷耦合热管换热空气冷却制水装置，其特征在于，所述重力式热管换热器还包括：蒸发器热管蒸发段(19)，所述蒸发器热管蒸发段(19)与蒸发器热管冷凝段(20)相连且布置高度低于蒸发器热管冷凝段(20)，使得蒸发器热管冷凝段(20)内工质降温冷凝后以液态形式自由下落至蒸发器热管蒸发段(19)。
4.如权利要求2所述的一种太阳能驱动吸收式制冷耦合热管换热空气冷却制水装置，其特征在于，所述重力式热管换热器还包括：吸收器热管冷凝段(16)，所述吸收器热管冷凝段(16)与吸收器热管蒸发段(15)相连且布置高度高于吸收器热管蒸发段(15)，使得吸收器热管蒸发段(15)内工质蒸发并自由上升至吸收器热管冷凝段(16)。
5.如权利要求2-4任一所述的一种太阳能驱动吸收式制冷耦合热管换热空气冷却制水装置，其特征在于，所述一体式蒸发箱和吸收箱包括蒸发箱(8)和吸收箱(9)，蒸发箱(8)和吸收箱(9)相互连通且安装于一个容器内。
6.如权利要求5所述的一种太阳能驱动吸收式制冷耦合热管换热空气冷却制水装置，其特征在于，所述吸收器热管蒸发段(15)包括多个热管，均匀排列于吸收箱(9)底部，所述蒸发器热管冷凝段(20)包括多个热管，均匀排列于蒸发箱(8)底部。
7.如权利要求1-4任一所述的一种太阳能驱动吸收式制冷耦合热管换热空气冷却制水装置，其特征在于，所述太阳能集热***包括太阳能集热器(1)、膨胀水箱(2)和热水泵(3)，所述太阳能集热器(1)为线聚焦太阳能集热器，用于吸收太阳的辐射能产生辐射热量，所述热水泵(3)同时与太阳能集热器(1)、加热器(4)连接，用于将辐射热量加热后的水传递至加热器(4)，使得加热器(4)中的二元稀溶液与热水进行热交换；所述膨胀水箱(2)与热水泵(3)连接，用于储存水。
8.如权利要求3所述的一种太阳能驱动吸收式制冷耦合热管换热空气冷却制水装置，其特征在于，所述空气冷却制水***包括：空气过滤器(17)、空气预冷器(18)、冷凝水接水盘(21)和过滤净化消毒模块(22)，
所述空气过滤器(17)位于风道入口，用于在湿空气在进行换热产生冷凝水前，对湿空气进行过滤净化处理；
所述空气预冷器(18)位于空气过滤器(17)下方，用于在湿空气在进行换热产生冷凝水前，将处理后的湿空气与风道出口段的干空气进行换热降温后进入位于空气预冷器(18)下方的蒸发器热管蒸发段(19)内，吸收经由重力式热管传递至该处的制冷量，完成冷凝结露过程，同时所产生的冷凝水经由位于蒸发器热管蒸发段(19)下方的冷凝水接水盘(21)收集，所述过滤净化消毒模块(22)与冷凝水接水盘(21)连接，用于对冷凝水进行过滤净化消毒后，形成淡水资源，冷凝结露后产生的低温干空气，将在风机作用下，依次流经空气预冷器(18)、吸收器热管冷凝段(16)、冷凝器(6)和溶液冷却器(13)进行冷量的进一步回收利用，完成空气冷却制水过程。
9.如权利要求1-4任一所述的一种太阳能驱动吸收式制冷耦合热管换热空气冷却制水装置，其特征在于，所述冷凝器(6)和溶液冷却器(13)为翅片管换热器，均安装于风道(23)出口处。
10.如权利要求8所述的一种太阳能驱动吸收式制冷耦合热管换热空气冷却制水装置，其特征在于，所述吸收器热管冷凝段(16)为翅片管，安装于风道(23)出口处，蒸发器热管蒸发段(19)为翅片管。
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| CN202210631839.XA CN115164443A (zh) | 2022-06-02 | 2022-06-02 | 太阳能驱动吸收式制冷耦合热管换热空气冷却制水装置 |
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2022
- 2022-06-02 CN CN202210631839.XA patent/CN115164443A/zh active Pending
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