CN1254821A - 一种垂直降膜吸收式单泵制冷机组 - Google Patents

Abstract

垂直降膜吸收式单泵制冷机组,由各换热设备和相应部配件组合而成。其特征在于耦合的热质交换发生在垂直流动和不断更新的液膜介面上。传热传质系数高。使设备紧凑,结构简单,操作方便可靠,体积小,充液量少,重量轻,耗料少。实现单泵制,运转设备少,节电1/2以上,启动快。无冷剂水被污染之虞。不易发生结晶。采用竖立安装,占地面积小,利于小型化,模块化和空冷化。是一种紧凑型高效节能制冷机组。

Description

一种垂直降膜吸收式单泵制冷机组

本发明属于吸收式制冷机。它涉及在吸收式冷水机组，吸收式冷热水机组和吸收式热泵中采用垂直降膜方法以强化热质交换的原理、流程和设备。

制冷的方法有多种多样，目前主要使用两类：液体蒸发法(吸收式)和气体膨胀法(压缩式)。

吸收式制冷是依靠液态制冷剂蒸发成汽态吸收热量而制冷(蒸发过程)，汽态的冷剂蒸汽被浓吸收剂吸收(吸收过程)变成稀溶液，用加热的方法浓缩稀溶液分离出冷剂蒸汽(发生过程)，冷剂蒸汽经过冷凝变成液态制冷剂(冷凝过程)，然后再去蒸发完成了一个工作循环。将实现以上四个过程的发生器、冷凝器、蒸发器和吸收器以及溶液换热器，相应的泵、阀、管道以及测量安全仪表有机地组合在一起，就构成了一个制冷机组。

吸收式制冷机以热能为动力。能源可选范围广泛，用电少，噪音低，运行安全可靠，变负荷性能优越。在中央空调以及化工、纺织、制药、信息产业、冶金等行业得到广泛地应用。特别是近年来世界各国普遍关注CFCs系列制冷剂对环境造成严重危害，因此吸收式制冷机组的应用愈来愈广。

人们把吸收剂和制冷剂的组合称为工质对。吸收式制冷机的工质对有多种。目前大量使用的为水-盐工质对(制取高于0℃的冷源)和氨-水工质对(制取低于0℃的冷源)。为论述上简便，本发明在下面的论述中只以水-盐工质对中水-溴化锂为代表(以下简称溴冷机组)，来描述垂直降膜吸收法在吸收式制冷机上的应用原理和结构。它们也基本上适用于其它工质对以及吸收式冷热水机组和吸收式热泵。

我们知道，机组中四个主要过程即发生、冷凝、蒸发、吸收都发生着冷剂水分子的物质传递过程。发生过程是冷剂水分子从溶液中逸出过程(需补充蒸发热)，冷凝过程是汽态冷剂水分子成液态水的凝聚过程(需取走冷凝热)，蒸发过程是液态冷剂水分子变为汽态冷剂分子的逸出过程(需补充蒸发热)，而吸收过程是汽态冷剂水分子溶入浓溶液的凝聚过程(需取走吸收热)。为使传质能够进行的必要和充分条件是：在一定压力、浓度条件下，要保持***具有一定的温度，需不断从***中取走热量(冷凝和吸收)或补充热量(发生和蒸发)，就是说需要进行热交换。热交换是保证传质的过程顺利进行手段。显然这和溶液换热器中所发生的单纯换热过程是有区别的。

上述四个主要过程的传质是在汽液两相的介面间进行的。在保证足够的热量交换的前提下，增加汽、液两相接触介面的面积和接触时间，使介面不断更新，强化液相内部扩散和对流，减少分子的逸出功和增加凝结核的生成是强化传质的有效措施。

尽管商业化了的溴冷机组采用的循环和流程以及结构型式多种多样。但它们都是由管壳式换热器组成的集合体。传热管都是水平放置，机组为卧式布置。这种布置带来了一系列重大缺点：

1.在同样工作条件下，传热、传质效果远不如垂直降膜。致使机组的自重、体积、充液量、启动运转性能、可量化指标都不如垂直降膜机组。

2.由于溶液和冷剂水在水平管束间由上而下逐列喷淋时，会产生飞溅，不能采用流动阻力很小的贯流布置。

3.喷淋密度大，需使用循环泵增加喷淋量，加大电耗。

4.使布液均匀十分困难。

5.机组占地面积大。

6.限制了机组向小型化、模块化和空冷化发展。

近年来，将垂直降膜技术用于溴冷机，特别是用于其中的吸收过程，已成为国内外研究的热点，但尚属于基础研究和小型台架试验。关于商业性开发特别是垂直降膜技术全方位地应用在溴冷机组的发生、冷凝、蒸发、吸收四个过程中尚未见报导。

本发明的目的，旨在提供一种适于商业开发的垂直降膜制冷机组。将垂直降膜传热传质方法引用到溴冷机组中的发生、冷凝、蒸发、吸收等过程中。它的循环流程，各总成部件的作用和匹配方式与现有的已商业化了的机组基本相同。也是由高、低压发生器，冷凝器，蒸发器，吸收器，溶液换热器，热水器，凝水换热器等换热设备，冷却水系，冷媒水系，溶液回路，冷剂水回路等流体管路，配套的泵阀，自控测量***，安全装置以及附属的部配件组合而成。其特征在于使用垂直降膜方法，使耦合的传热传质过程发生在垂直向下流动和不断更新的液膜介面上。蒸发和吸收使用垂直管外降膜，管束采用贯流布置。发生和冷凝使用垂直多圈式降膜。传热管和多圈传热板可以因地制宜地采用增加翅片、表面磨砂、加工成沟槽、缠丝、包覆丝网、烧结或热喷涂多孔材料等办法强化。采用专门设计的布液装置以保证液膜能均匀润湿传热面。由于降膜蒸发和吸收只需较小的喷淋密度，能实现单流型蒸发和吸收，可省去蒸发(循环)泵和吸收(循环)泵，只需一台发生泵，实现单泵制。

蒸发器到吸收器间的汽阻，对吸收和制冷量有较大的影响。试验证明：其间的汽阻每增加1-1.4毫米水柱，蒸发温度就会变化2.5-3℃。为最大限度地降低汽阻，我们的办法是：1取消挡液板或采用新型的流阻特小的挡液装置；2减少管排数；3使冷剂蒸汽行程最短。为此我们提出了以下具体技术措施：

(1)在蒸发器管和吸收器管外采用特制的首次布液器和再次布液器，保证冷剂水和溶液呈薄膜状均匀下降，不发生飞溅现象。

(2)在蒸发器管外采用机械加工或缠绕成螺纹状，增加液体润湿性(喷涂或磨砂)的办法提高冷剂水的匀展性。

(以上两项是取消挡液板的前提)

(3)沿冷剂蒸汽流动方向上管排数宜少。

(4)在吸收器管外缠绕丝网材料，以强化吸收。

(5)尽量缩短从蒸发到吸收的冷剂蒸汽的行程以减少流阻，为此使蒸发器和吸收器横截面上是贯通的，冷剂蒸汽呈贯流流动。

(6)即使需用挡液装置，采用流阻很小(每米不到10Pa)的规整填料。

商业化了的溴冷机组都采用三泵制或至少二泵制。只有上海申马公司成功地开发了第一台卧式单泵机组。其主要特征在于蒸发器采用自润湿管。冷剂水滴到此种管上即自动在铜管表面上充分扩展。须待此管表面润湿后才向下一排管子滴下，保证在无泵的条件下使全部蒸发器管充分润湿，并稳定快速蒸发吸热制冷。

本发明在蒸发器管外设有螺旋槽条，使成膜下降的冷剂水由上而下均匀充分润湿。显然这此水平管自润湿容易得多。在设计时，应保证在名义工况下呈降膜的冷剂水全部蒸发。冷剂水不循环，从而取消了蒸发泵。在吸收器管外缠绕丝网，溶液也不循环，从而取消了吸收泵，实现了单泵制。

发生器和冷凝器间的汽阻对过程影响较小。但是，由液柱深所引起的沸点升高和防止冷剂水被污染对操作控制影响很大。本发明对此给以足够的关注。此外为了强化传热，提高紧凑性，以板代管，降低成本，发生器和冷凝器采用垂直多圈式降膜结构。同时采用了以下具体措施：

1.采用高效低流阻挡液装置，如规整填料。

2.设置高效翅片，特别是冷凝器的冷却水侧效果更明显。

3.采用相套型结构，取消水盘，也缩短蒸汽路程。

4.特大型机组发生器和冷凝器也可以分成若干段，层叠放置，每段间有通气间隔。

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

图1是相互关联的蒸发器-吸收器俯视剖面示意图，图2是正视剖面示意图。图中是单圈布置，即一个蒸发器和一个吸收器匹配。一个在内，另一个相套在外。适用于小型机组。

在低压筒1内布置有蒸发器2(布置在内圈)和吸收器3(相套在外圈)。实际上它们的位置可以互换。蒸发器和吸收器都用列管式结构，兹分述如下：

蒸发器  蒸发器管束7固定在具管板的上、下两封头箱4之间。传热管的内外均经强化。实验证明管内插弹簧管外缠绕弹簧是一种有效的强化办法。在紧靠上封头箱设有首次布液器5。它是一个底部为管板的槽。管板上装有首次布液套管(参见图4)。其上沿开有齿状溢流口，与管子间有间隙和螺旋槽道以使液体沿管子周向均布。为保证管子垂直方向上亦能均匀布液，还设有再次布液器6。再次布液套管示于图5中。

冷剂水由入口8进入到首次布液器5中。由上而下垂直降膜并迅速蒸发，吸收管内的冷媒水热量达到制冷的目的。应保证在名义工况下，冷剂水完全蒸发干净，不落入底部的稀溶液中。采用单流(无循环)蒸发，省略了一台蒸发(循环)泵。

吸收器  吸收器管束14固定在具管板的两环形封头箱11之间。传热管的内外亦均强化。实验证明管内插弹簧管外包覆一层特制冲压网是较为有效的强化办法。吸收器的喷淋密度远比蒸发器大，所用的首次布液套管与传热管间的间隙较大，而且再次布液器13的数目也较少。

浓溶液由入口18进入到首次布液器12和再次布液器13，由上而下垂直降膜均布于管外。吸收蒸发器来的冷剂蒸汽，成为稀溶液，存于底部。然后由出口17流出。吸收热由入口15流进由出口16送出的冷却水带走。采用单流(无循环)吸收，省略了一台吸收(循环)泵。蒸发器产生的冷剂蒸汽沿径向贯流进入吸收器。这样流动使流道短，流阻小，有利于吸收。在吸收器内设有抽气管19以抽取不凝气。

对于大型和特大型机组，可采用如图3所示的多环布置。将蒸发器和吸收器交替相套而成。图3中为3个蒸发器和3个吸收器组成。其工作原理和流体流动与单圈布置相同，故不再赘述。

图6是相互关联的发生器和冷却器正视剖面示意图。在高压筒20内，布置有低压发生器21(在内圈)和冷凝器32(在外圈)实际上内外圈可以互换。低压发生器和冷凝器都采用多圈式结构。兹分述如下：

低压发生器  低压发生器21为多圈式换热器。由互不相通的内腔流道22和外腔流道23圈圈相套而成。内外腔均设置翅片，以扩展二次换热面。内腔流体是高发来的一效冷剂蒸汽，从入口27进从出口28送去冷凝。一效蒸汽在内腔冷凝放出的热量加热外腔的中间溶液，使其发生(浓缩)。中间溶液由入口管25经布液支管26均布于布液口24中。布液口在内腔流道上外方，其边沿呈齿状溢流口，以保证中间溶液成膜均布于外腔的传热面上。发生的二效冷剂蒸汽向上并折向四周，经挡液装置31除去液滴后，进入到冷凝器32的空间，挡液装置为百叶窗式，内填低流阻高效规整填料，以确保冷剂水不被污染。浓溶液向下集于底部的浓溶液液槽中。经出口管29送往低温溶液换热器。在浓溶液槽中还设有一溢流管30。当浓溶液管路***中发生结晶，液面随即上升，溢流去溶晶管自动溶晶。

冷凝器  冷凝器32亦为多圈式换热器。由互不相通的内腔流道33和外腔流道34圈圈相套而成。内外腔均设置翅片，以扩展二次换热面。冷却水由入口35出口36带走冷凝热。外腔的冷剂蒸汽被冷凝成冷剂水集中于底部冷剂水槽中。由出口37送往低压筒去蒸发。为减少冷剂蒸汽在冷凝器中行程长和流阻，大型机组可以将低压发生器和冷凝器分成若干独立的段，每段之间留有通汽间隔，并把它们成层叠加放置。为减少高温的浓溶液和低温的冷剂水间发生热交换造成冷量损失，它们间设置有隔热圈堰38。

和卧式吸收式制冷机组相似，垂直降膜吸收式单泵制冷机组热源上有热水、蒸汽、燃油、燃气之分，效数上有单效、双效、三效和多效之分，循环上有串联、并联、并串联和倒串联之分，工质对也有不同。但这些不属于本发明应涉及的范围。下面我们只以一台直燃溴化锂双效串联机组为代表，来说明垂直降膜方法的应用原理和流程。图7为其制冷循环的流程图。通过切换阀47(A和B)亦可实现制热循环。

吸收后的稀溶液用发生泵40抽出，经低温溶液换热器41，高温溶液换器42加热后送往直燃式高压发生器43中。这里我们推荐溶液换热器使用申请人发明的“一种新型热交换装置——多圈式换热器”(ZL-95215477.3)直燃式高压发生器使用申请人发明的“一种直燃角型高压发生器”(CN98242333.0)。发生后的中间溶液经高温溶液换热器42，调节阀48送往汽液分离器44中，闪蒸产生的部份冷剂蒸汽经管路46送往冷凝器32的外腔。饱和的中间溶液经U型管45、管路25送往低压发生器21的布液口，在外腔二效发生。被浓缩的浓溶液集存于浓溶液槽中，再由管路29，低温溶液换热器41降温后由管路18送往吸收器3的首次布液器12中。成膜下降吸收冷剂蒸汽变成稀溶液，完成了溶液循环。

由高发分离出来的一效蒸汽经管路27送往低压发生器21的内腔。加热外腔的中间溶液，并使其发生。产生的二效冷剂蒸汽经挡液装置31进入到冷凝器32的外腔。在低发内腔一效蒸汽冷凝的饱和水由管路28亦进入冷凝器32的外腔。这两股冷剂都被冷凝成冷剂水。集于底部冷剂水槽中。由管路37节流后再经管路8送往蒸发器2的首次布液器5，成膜下降并在蒸发器中完全蒸发变成冷剂蒸汽。再被浓溶液吸收成稀溶液完成了冷剂水循环。

冷媒水和冷却水循环，图7中已表示得十分明确，不再赘述。

不凝气由集气室39，和抽气管19用直空泵抽出。

为防止浓溶液***中发生结晶，浓溶液槽中的液面上升到高于溢流管30时，高温的浓溶液溢流到熔晶管(图7中来表示)。

当供应制冷机组的能源是蒸汽(或热水)时，需使用蒸汽(或热水)型高压发生器。其结构与上述低压发生器相似，也采用多圈式换热器。不同的是内腔走热源蒸汽，而不是一效蒸汽；其次是工作温度和压力比低压发生器要高。图8为使用蒸汽为热源的多圈式垂直降膜高压发生器附汽液分离器的示意图。图9为高压发生器横剖面示意图。稀溶液由入口管54经分配支管55，布液口56成膜均布于外腔52传热面上。被内腔53的热源蒸汽(或热水)加热发生。发生的一效蒸汽和被浓缩的溶液由上而下进入到分离器57内。中间溶液由出口60送往高温换热器，一效蒸汽经挡液装置58分离液滴后由出口59送往低压发生器的内腔，作为二效热源。热源蒸汽(或热水)由入口管50送往内腔，凝水(或回水)由51送出。和卧式机组一样，为吸收热量亦可设置凝水换热器。为区别管道中流体的种类，图7中：稀溶液用单线 代表  中间溶液用双线   

代表浓溶液用三线

代表  冷剂水(液)用点划线—·—·—·代表冷剂蒸汽用双点划线—··—··—··代表  冷剂汽液混合用×划线—X—X—X代表冷媒水用汉语拼音LM—LM—LM—LM代表        冷却水用汉语拼音LQ—LQ—LQ代表抽气管用虚线        —————代表

垂直降膜溴冷机组省去了蒸发(循环)泵和吸收(循环)泵和相应的配管，只需一台发生泵，实现了单泵制。带来如下优点：(1)省却循环泵集水盘和相应的管路阀门，使结构更简单，操作更方便；(2)使运转部件减少一半，既节省电耗的1/2又提高了机组运行的可靠性；(3)即使由于在高压筒内除液滴效果恶化，冷剂水被污染，由于无冷剂水循环，溴化锂不能集积，只能进入到稀溶液中去，因此可以取消冷剂水旁通管路及阀门，使结构更简单。运行更可靠；(4)当有冷剂水循环时，如因设备漏气、冷负荷突然下降.....使吸收过程受阻，稀溶液浓度将上升，经发生后浓溶液浓度过高，易在溶液换热器中结晶。而现在，由于取消了冷剂水循环***，当发生上述不正常情况时，蒸发与吸收两过程同时受阻，使未蒸发尽的冷剂水自动落入溶液中，只表现为冷量下降，而稀溶液浓度不致上升，大大减小了结晶的可能性；(5)启动时间可缩短1/2～1/3。因无冷剂水循环只要冷凝器一有冷剂水流到蒸发器即可进入制冷工况，无需等待到蒸发器内积存一定量的冷剂水启动冷剂循环泵后才能制冷。其次由于将传热和传质两个耦合过程同时强化所需传热面积缩小，设备紧凑性好，体积小，重量轻，充液量小，极大地改善了启动运转性能，占地面积小，有利于机组向小型化、模块化和空冷化发展。如果再与申请人发明的多圈式换热器(ZL95215477.3)和直燃式角形高压发生器(CN98242333.0)配套使用。更能相得益彰，构成一种理想的直燃双效溴冷机组。

Claims (4)

1.一种垂直降膜吸收式单泵制冷机组，是由高低压发生器，冷凝器，蒸发器，吸收器，溶液换热器，凝水换热器等换热设备，冷却水系，冷媒水系，溶液回路，冷剂水回路等流体管路，配套的泵阀，自控测量***，安全装置以及附属的部配件组合而成。其特征在于耦合的热质交换是在垂直流动和不断更新的液膜介面上进行的。

2.一种如权利要求1所述的垂直降膜吸收式单泵制冷机组，其特征在于冷凝器和吸收器采用列管式结构，管内外均经强化，实行管外壁垂直降膜，冷剂蒸汽实现贯流流动。

3.一种如权利要求1所述的垂直降膜吸收式单泵制冷机组，其特征在于发生器和冷凝器采用多圈式结构，内外腔均经强化，实行外腔道壁面垂直降膜，发生器和冷凝器可以分段设置。

4.一种如权利要求1所述的垂直降膜吸收式单泵制冷机组，其特征在于吸收器和蒸发器都采用单流操作(溶液和冷剂水不循环)不需要吸收(循环)泵和蒸发(循环)泵，只需一台发生泵，实现了单泵制。

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