CN102080899B - 串联型双吸收器低温制冷机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种串联型双吸收器低温制冷机，包括自复叠制冷模块与溶液循环模块。本发明串联型双吸收器低温制冷机基于自复叠制冷原理，来自发生器的稀溶液首先吸收由来自蒸发器的制冷剂，最大程度的利用了稀溶液的吸收能力，降低了蒸发压力，较已有的自复叠吸收制冷装置拥有更优的性能系数及最低制冷温度。本发明串联型双吸收器低温制冷机可由太阳能、地热、工业废热和余热等可再生热能或低品位热能驱动，获得常规吸收式制冷机无法达到的-60～-70℃以下的制冷温度，大大拓展了吸收式制冷机在深度冷冻领域中的应用范围，在化工、生物、食品加工、制药等既需要深度冷冻又存在大量工业废热和余热的领域内有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于制冷领域，具体涉及一种低吸收式低温制冷机。
背景技术
自复叠吸收制冷装置结合了自复叠制冷循环理论与吸收式制冷循环理论，以蒸汽、燃气、燃油、热水等多种热能形式为动力，消耗的机械功较少，并可获得传统吸收式制冷机无法达到的较低的制冷温度。此技术对于将以热能为驱动力的吸收式制冷循环应用于深度冷冻领域具有重要的指导意义。在化工、生物、食品加工、制药等既需要深度冷冻又存在大量工业废热和余热的领域内有广泛的应用前景。
专利号为ZL02110940.0的中国专利公开了一种深度冷冻吸收制冷装置，其循环流程中仅有一个吸收器，两股制冷剂混合后进入吸收器并被稀溶液吸收。该流程中两股制冷剂在混合前压力相等，难以对吸收过程进行强化，同时也限制了蒸发压力的降低，难以获得较低的制冷温度。同时，制冷剂的混合过程所产生的不可逆性损失，会造成冷量的损耗。这些不足限制了该发明装置的性能，也说明其性能仍有较大提高的可能。
专利号为ZL03115631.2的中国专利公开了一种吸收式低温制冷机，其循环流程中采用两个吸收器以强化吸收过程。稀溶液依次流经两个吸收器，前一级吸收器内的压力要高于后一级。这使得前一级吸收器在理论上就不能达到饱和状态；否则，流入后一级吸收器后制冷剂即会从吸收剂中挥发出来。因此，此装置的前一级吸收器无法充分利用溶液的吸收能力，也容易导致后一级吸收器无法正常工作。因此，采用专利号为ZL03115631.2的中国专利公开的双吸收器流程来强化吸收过程仍然有较大的局限性。相应地，其循环的整体性能仍然有所限制。
申请号为CN200910304102.1的中国专利申请提出利用引射器对吸收器的吸收过程进行增压以期强化吸收过程和获得较低制冷温度。这种方式由 于引射器的效率比较低，引射器利用的驱动能来自发生终了的稀溶液，驱动流体的能量密度低，引射器的引射比很低，能被引射器引射的制冷剂量也少。增压强化吸收过程以及获得低制冷温度的效果很有限。
发明内容
本发明提供了一种串联型双吸收器低温制冷机，其性能系数更高、制冷温度更低，克服了现有技术中存在的不足和缺陷。
一种串联型双吸收器低温制冷机，包括自复叠制冷模块和溶液循环模块；其中，所述自复叠制冷模块包括：冷凝器、汽液分离器、第一制冷剂换热器、第二制冷剂换热器、第一制冷剂减压装置、蒸发器、第三制冷剂换热器和第二制冷剂减压装置，所述溶液循环模块包括：发生器、溶液减压装置、第一吸收器、第一溶液泵、第二吸收器、第二溶液泵和溶液换热器；
所述自复叠制冷模块中，所述冷凝器的出口与所述汽液分离器的入口相连，所述汽液分离器的汽相制冷剂出口依次与所述第一制冷剂换热器的高压侧通道、所述第二制冷剂换热器的高压侧通道、所述第一制冷剂减压装置、所述蒸发器、所述第二制冷剂换热器的低压侧通道、所述第三制冷剂换热器的低压侧通道、所述第一吸收器的制冷剂入口相连；所述汽液分离器的液相制冷剂出口依次与所述第三制冷剂换热器的高压侧通道、所述第二制冷剂减压装置、所述第一制冷剂换热器的低压侧通道、所述第二吸收器的制冷剂入口相连；
所述溶液循环模块中，所述发生器的稀溶液出口依次与所述溶液换热器的稀溶液侧通道、所述溶液减压装置、所述第一吸收器、所述第一溶液泵、所述第二吸收器、所述第二溶液泵、所述溶液换热器的浓溶液侧通道、所述发生器的浓溶液进口相连，所述发生器的制冷剂蒸汽出口与所述冷凝器的入口相连。
本发明中，所述的第一吸收器、第一溶液泵、第二吸收器、第二溶液泵以串联的方式连接。所述的第一吸收器和第二吸收器中，吸收剂为N，N-二甲基甲酰胺(DMF)或四甘醇二甲醚(DMRTEG)等有机溶剂。所述的两个吸收器(第一吸收器和第二吸收器)可以是喷淋式、填料式、降膜式，也可以是其它形式的吸收器。
所述的制冷剂为与环境友好的二元或多元非共沸混合制冷剂，可以为四氟乙烷(R134a)和二氟甲烷(R32)组成的混合物、或四氟乙烷(R134a)和三氟甲烷(R23)组成的混合物，其中四氟乙烷(R134a)作为高温制冷剂，二氟甲烷(R32)或三氟甲烷(R23)作为低温制冷剂；也可以为四氟乙烷(R134a)、二氟甲烷(R32)和三氟甲烷(R23)组成的三元混合物，其中四氟乙烷(R134a)为高温制冷剂，二氟甲烷(R32)为中温制冷剂，三氟甲烷(R23)为低温制冷剂。
本发明中，所述的四个换热器(第一制冷剂换热器、第二制冷剂换热器、第三制冷剂换热器和溶液换热器)可以是列管式、套管式，也可以是其它形式，其换热管可以是普通管，也可以是强化管。
本发明中，所述的三个减压装置(第一制冷剂减压装置、第二制冷剂减压装置和溶液减压装置)的作用是让流过的工质减压膨胀，可以是毛细管、自动或手动装置。
本发明中，串联型双吸收器低温制冷机中所述发生器可由太阳能、地热、工业废热和余热等可再生热能或低品位热能驱动。
本发明的串联型双吸收器低温制冷机基于自复叠制冷原理，来自发生器的稀溶液首先吸收由来自蒸发器的制冷剂，最大程度的利用了稀溶液的吸收能力，降低了蒸发压力，较已有的自复叠吸收制冷装置拥有更优的性能系数及最低制冷温度。本发明的串联型双吸收器低温制冷机，可由太阳能、地热、工业废热和余热等可再生热能或低品位热能驱动(即所述发生器可由太阳能、地热、工业废热和余热等可再生热能或低品位热能驱动)，获得常规吸收式制冷机无法达到的-60～-70℃以下的制冷温度，大大拓展了吸收式制冷机在深度冷冻领域中的应用范围。在化工、生物、食品加工、制药等既需要深度冷冻又存在大量工业废热和余热的领域内有广泛的应用前景。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
通过两个吸收器以及溶液泵的串联连接，在相同工况和溶液浓度下，其蒸发压力将进一步降低。由非共沸混合工质的性质可知，随着蒸发压力的降低，可增大蒸发器进出口制冷剂的焓差，其COP(Coefficient ofPerformance，性能系数)较现有吸收式低温制冷机可提高20％以上；同时 其制冷温度的范围将进一步向更低的温度区间延伸，容易获得-60～-70℃以下的制冷温度。本发明串联型双吸收器低温制冷机中，两个吸收器共用了一个溶液减压阀，结构更简单，成本更节省，同时仍然取得非常好的强化效果。
附图说明
图1是本发明的串联型双吸收器低温制冷机的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。如图1所示，一种串联型双吸收器低温制冷机，包括自复叠制冷模块和溶液循环模块。其中，自复叠制冷模块包括：冷凝器8、汽液分离器9、第一制冷剂换热器10、第二制冷剂换热器11、第一制冷剂减压装置12、蒸发器13、第三制冷剂换热器15和第二制冷剂减压装置14，溶液循环模块包括：发生器1、溶液减压装置6、第一吸收器2、第一溶液泵4、第二吸收器3、第二溶液泵5和溶液换热器7；
自复叠制冷模块中，冷凝器8的出口与汽液分离器9的入口相连，汽液分离器9的汽相制冷剂出口依次与第一制冷剂换热器10的高压侧通道、第二制冷剂换热器11的高压侧通道、第一制冷剂减压装置12、蒸发器13、第二制冷剂换热器11的低压侧通道、第三制冷剂换热器15的低压侧通道、第一吸收器2的制冷剂入口相连；汽液分离器9的液相制冷剂出口依次与第三制冷剂换热器15的高压侧通道、第二制冷剂减压装置14、第一制冷剂换热器10的低压侧通道、第二吸收器3的制冷剂入口相连；
溶液循环模块中，发生器1的稀溶液出口依次与溶液换热器7的稀溶液侧通道、溶液减压装置6、第一吸收器2、第一溶液泵4、第二吸收器3、第二溶液泵5、溶液换热器7的浓溶液侧通道、发生器1的浓溶液进口相连，发生器1的制冷剂蒸汽出口与冷凝器8的入口相连。
上述的串联型双吸收器低温制冷机的工作过程如下：
发生器1产生的高温高压混合制冷剂蒸汽，经水冷冷凝器8后，以汽液两相的状态进入汽液分离器9，汽液分离器9中汽相成分为富含低沸点制冷剂的混合制冷剂即汽相制冷剂(制冷剂蒸汽)，液相成分为富含高沸点制 冷剂的混合制冷剂即液相制冷剂(制冷剂液体)。
汽液分离器9中的液相制冷剂经第三制冷剂换热器15并被预冷，随后经第二制冷剂减压装置14进入第一制冷剂换热器10，随后进入第二吸收器3被吸收剂吸收。
汽液分离器9中的汽相制冷剂经第一制冷剂换热器10并被预冷后，进入第二制冷剂换热器11并得到进一步的预冷，随后经第一制冷剂减压装置12，进入蒸发器13中蒸发吸热提供所需的制冷量。从蒸发器13出来的低温制冷剂蒸汽依次经过第二制冷剂换热器11和第三制冷剂换热器15被回收冷量后温度持续升高。最后，进入第一吸收器2被吸收剂吸收。
发生器1中产生的稀溶液经溶液换热器7的稀溶液通道被预冷，再经溶液减压装置6进入第一吸收器2吸收来自蒸发器13的富含低沸点组分的制冷剂蒸汽后变为浓溶液。第一吸收器2中的浓溶液经第一溶液泵4输运到第二吸收器3进一步吸收来自第一制冷剂换热器10的富含高沸点组分的制冷剂蒸汽，其浓度进一步提高。第二吸收器3中的浓溶液经第二溶液泵5输运到溶液换热器7，被预热后进入发生器1，从而完成溶液环路的循环。
上述的串联型双吸收器低温制冷机在运行过程中，来自溶液减压装置6的稀溶液首先进入第一吸收器2，第一吸收器2同时吸收来自第三制冷剂换热器15的制冷剂，使得第一吸收器2处于较低的工作压力，意味着蒸发器13中的压力也相应地降低。由非共沸混合制冷剂的特性可知：通过两个吸收器以及溶液泵的串联连接方式，一方面可增大蒸发器13进出口制冷剂的焓差，从而提高上述的串联型吸收式低温制冷机整体的性能效率；另一方面，随着蒸发压力的降低，上述的串联型吸收式低温制冷机的制冷温度范围将进一步的向更低的温度区间延伸。与此同时，第一吸收器2与第二吸收器3在理论上均可达到饱和状态，更加充分地利用了稀溶液的吸收能力。
上述的串联型双吸收器低温制冷机中，发生器1可由太阳能、地热、工业废热和余热等可再生热能或低品位热能驱动，四个换热器(第一制冷剂换热器10、第二制冷剂换热器11、第三制冷剂换热器15和溶液换热器7)可以是列管式、套管式，也可以是其它形式，其换热管可以是普通管，也可以是强化管。三个减压装置(第一制冷剂减压装置12、第二制冷剂减压装置14和溶液减压装置6)的作用是让流过的工质减压膨胀，可以是毛细 管、自动或手动装置。两个吸收器(第一吸收器2和第二吸收器3)可以是喷淋式、填料式、降膜式，也可以是其它形式的吸收器。
上述的串联型双吸收器低温制冷机中，制冷剂为四氟乙烷(R134a)和二氟甲烷(R32)组成的混合物，四氟乙烷(R134a)作为高温制冷剂，二氟甲烷(R32)作为低温制冷剂。(制冷剂也可以为四氟乙烷(R134a)和三氟甲烷(R23)组成的混合物，四氟乙烷(R134a)作为高温制冷剂，三氟甲烷(R23)作为低温制冷剂；或者，也可以为四氟乙烷(R134a)、二氟甲烷(R32)和三氟甲烷(R23)组成的三元混合物，其中四氟乙烷(R134a)为高温制冷剂，二氟甲烷(R32)为中温制冷剂，三氟甲烷(R23)为低温制冷剂。)
上述的串联型双吸收器低温制冷机中，第一吸收器2和第二吸收器3中，采用N，N-二甲基甲酰胺(DMF)有机溶剂为吸收剂(也可以采用四甘醇二甲醚(DMETEG)有机溶剂为吸收剂)。
上述的串联型双吸收器低温制冷机获得-60～-70℃的制冷温度，且具有0.1～0.15的COP。
Claims (6)
1.一种串联型双吸收器低温制冷机，其特征在于，包括自复叠制冷模块和溶液循环模块；其中，所述自复叠制冷模块包括：冷凝器(8)、汽液分离器(9)、第一制冷剂换热器(10)、第二制冷剂换热器(11)、第一制冷剂减压装置(12)、蒸发器(13)、第三制冷剂换热器(15)和第二制冷剂减压装置(14)，所述溶液循环模块包括：发生器(1)、溶液减压装置(6)、第一吸收器(2)、第一溶液泵(4)、第二吸收器(3)、第二溶液泵(5)和溶液换热器(7)；
所述自复叠制冷模块中，所述冷凝器(8)的出口与所述汽液分离器(9)的入口相连，所述汽液分离器(9)的汽相制冷剂出口依次与所述第一制冷剂换热器(10)的高压侧通道、所述第二制冷剂换热器(11)的高压侧通道、所述第一制冷剂减压装置(12)、所述蒸发器(13)、所述第二制冷剂换热器(11)的低压侧通道、所述第三制冷剂换热器(15)的低压侧通道、所述第一吸收器(2)的制冷剂入口相连；所述汽液分离器(9)的液相制冷剂出口依次与所述第三制冷剂换热器(15)的高压侧通道、所述第二制冷剂减压装置(14)、所述第一制冷剂换热器(10)的低压侧通道、所述第二吸收器(3)的制冷剂入口相连；
所述溶液循环模块中，所述发生器(1)的稀溶液出口依次与所述溶液换热器(7)的稀溶液侧通道、所述溶液减压装置(6)、所述第一吸收器(2)、所述第一溶液泵(4)、所述第二吸收器(3)、所述第二溶液泵(5)、所述溶液换热器(7)的浓溶液侧通道、所述发生器(1)的浓溶液进口相连，所述发生器(1)的制冷剂蒸汽出口与所述冷凝器(8)的入口相连。
2.如权利要求1所述的串联型双吸收器低温制冷机，其特征在于：所述的制冷剂为二元或多元非共沸混合制冷剂。
3.如权利要求2所述的串联型双吸收器低温制冷机，其特征在于：所述的制冷剂为四氟乙烷和二氟甲烷组成的混合物、或四氟乙烷和三氟甲烷组成的混合物，其中四氟乙烷作为高温制冷剂，二氟甲烷或三氟甲烷作为低温制冷剂。
4.如权利要求2所述的串联型双吸收器低温制冷机，其特征在于：所述的制冷剂为四氟乙烷、二氟甲烷和三氟甲烷组成的三元混合物，其中四氟乙烷为高温制冷剂，二氟甲烷为中温制冷剂，三氟甲烷为低温制冷剂。
5.如权利要求1所述的串联型双吸收器低温制冷机，其特征在于：所述的第一吸收器(2)和第二吸收器(3)中，吸收剂为N，N-二甲基甲酰胺或四甘醇二甲醚。
6.如权利要求1所述的串联型双吸收器低温制冷机，其特征在于：所述的第一制冷剂换热器(10)、第二制冷剂换热器(11)、第三制冷剂换热器(15)和溶液换热器(7)为列管式或套管式。
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