CN105066508B - 一种用于冷冻冷藏的高效喷射吸收制冷机 - Google Patents
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Abstract
一种用于冷冻冷藏的高效喷射吸收制冷机，包括发生器，冷凝器，气液分离器，过冷回热器，蒸发器，喷射器，涡流管，吸收器，溶液热交换器；发生器的一个出口分为至少两路，第一路与喷射器连通，第二路依次与冷凝器、气液分离器、过冷回热器、蒸发器、吸收器顺序串连；气液分离器的出口依次与喷射器、涡流管进口顺序串连，涡流管热端出口依次与溶液热交换器、吸收器顺序串连，涡流管冷端出口依次与过冷回热器、溶液热交换器、吸收器顺序串连，吸收器、溶液热交换器、发生器、溶液热交换器、吸收器顺序串连；该系统通过涡流管‑喷射吸收制冷循环来创造生产过程所需的低温环境，既提高能源利用效率又节省高品位电能。
Description
技术领域
本发明涉及一种制冷系统，具体来讲是一种用于冷冻冷藏的高效喷射吸收制冷机。
背景技术
随着社会经济快速发展，在生物工程、制药、食品加工和化工等生产过程中会释放大量废热余热，这种废热、余热资源充足，但能量密度低，能量可直接利用率低，造成能源浪费和环境污染。传统的制冷系统中，被加压的制冷工质经过冷凝器后通过节流阀进行膨胀，在蒸发器中吸热产生制冷效果。节流阀对于液体节流具有较优性能，但是，对于气体节流，其工作效率较低，造成制冷工质为气体的制冷设备的性能下降，因此无法利用废热、余热等低品位能源来工作；在这种情况下，吸收制冷技术被研发出来，吸收制冷技术是利用某些具有特殊性质的工质对，通过一种物质对另一种物质的吸收和释放，产生物质的状态变化，从而伴随吸热和放热过程，该循环具有较高的热转换效率，可有效利用太阳能热、地热以及工业生产过程中产生的大量余热废热等低品位能源制取所需冷量，可有效节省高品位电能；然而传统吸收制冷系统存在制冷效率低、热源不足时运行不稳定等缺陷。涡流管制冷是一种利用低品位热源驱动的制冷方式，可有效利用太阳能热、地热及工业余热、废热等低品位热源；涡流管制冷可采用水蒸汽、氮气、二氧化碳或者氢氟烃类物质做制冷工质，所以涡流管制冷具有节能环保等特点符合全球可持续发展战略要求。涡流管制冷由法国冶金工程师Ranque设计发明，于1932年申请美国专利。1933年，他在法国工程热物理会议上做了有关涡流管装置及其涡旋温度分离效应的报告，由于该报告将流体滞止温度(总温)与静温的概念混淆，受到与会者的普遍质疑，当时涡流管并未引起研究人员的普遍关注。1946年，德国物理学家R.Hilsch从物理结构和工况条件等多方面对涡流管进行研究，证明涡流管确实存在能量分离效应，并提出初步定义制冷效应和制热效应的方法，引起学者们的广泛关注。
浙江大学王征等人提出一种利用喷射器提高涡流管制冷效率的新型制冷系统，申请号为201110191813.X，在申请材料中，申请人对该系统进行了热力学分析，结果表明引入喷射器和涡流管的新型制冷系统性能优于引入喷射器的普通制冷系统和闪蒸气旁通两级压缩制冷系统，但是从文件中不难看出，上述涡流管压缩式制冷循环获得的低温完全以消耗高品位机械能为代价且制冷系统大多是开式系统。
发明内容
本发明所要实现的发明目的是：克服现有技术存在的问题，提供一种用于冷冻冷藏的高效喷射吸收制冷机，通过涡流管-喷射吸收制冷循环来创造生产过程所需的低温环境，既提高能源利用效率又节省高品位电能。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种用于冷冻冷藏的高效喷射吸收制冷机，包括发生器，冷凝器，气液分离器，过冷回热器，蒸发器，喷射器，涡流管，吸收器，溶液热交换器；发生器的一个出口分为至少两路，第一路与喷射器连通，第二路依次与冷凝器、气液分离器、过冷回热器、蒸发器、吸收器顺序串连；气液分离器的出口依次与喷射器、涡流管进口顺序串连，涡流管热端出口依次与溶液热交换器、吸收器顺序串连，涡流管冷端出口依次与过冷回热器、溶液热交换器、吸收器顺序串连，所述吸收器、溶液热交换器、发生器、溶液热交换器、吸收器顺序串连。
本发明进一步限定的技术方案为：
进一步的，发生器的第一出口分为两路，第一路与喷射器第一进口相连，第二路与冷凝器第一进口相连，冷凝器第一出口与气液分离器进口相连，气液分离器的第一出口与过冷回热器第一进口相连，过冷回热器第一出口与蒸发器进口相连，蒸发器出口与吸收器第一进口相连，气液分离器第二出口与喷射器第二进口相连，喷射器出口与涡流管进口相连，涡流管热端出口与溶液热交换器的第一进口相连，溶液热交换器第一出口与吸收器第四进口相连，涡流管冷端出口与过冷回热器第二进口相连，过冷回热器第二出口和溶液热交换器第二进口相连，溶液热交换器第二出口与吸收器第二进口相连，吸收器的第一出口与溶液热交换器第三进口相连，溶液热交换器的第三出口与发生器进口相连，发生器第二出口与溶液热交换器第四进口相连，溶液热交换器第四出口与吸收器第三进口相连。
进一步的，还包括溶液泵，溶液调节阀，第二节流阀，吸收器的第一出口与溶液泵的进口相连，溶液泵出口与溶液热交换器第三进口相连，溶液热交换器第四出口与溶液调节阀进口相连，溶液调节阀出口与吸收器第三进口相连；过冷回热器第一出口与第二节流阀进口相连，第二节流阀出口与蒸发器进口相连。
本发明公开了另一种制冷系统，包括发生器，冷凝器，气液分离器，过冷回热器，蒸发器，喷射器，涡流管，吸收器，溶液热交换器；发生器的一个出口分为两路，一路与喷射器连通，另一路依次与冷凝器、气液分离器、过冷回热器、蒸发器、吸收器顺序串连；气液分离器与蒸发器并联汇入喷射器；喷射器出口依次与涡流管相连；涡流管热端出口与溶液热交换器、吸收器顺序串连，涡流管冷端出口与过冷回热器、溶液热交换器、吸收器顺序串连，所述吸收器、溶液热交换器、发生器、溶液热交换器、吸收器顺序串连。
本发明进一步限定的技术方案为：
进一步的，发生器的第一出口分为两路，第一路与喷射器第一进口相连，第二路与冷凝器第一进口相连，冷凝器第一出口与气液分离器进口相连，气液分离器的第一出口与过冷回热器第一进口相连，过冷回热器第一出口与蒸发器进口相连，蒸发器第一出口与吸收器第一进口相连，蒸发器第二出口与气液分离器第二出口汇合后与喷射器第二进口相连，喷射器出口与涡流管进口相连，涡流管热端出口与溶液热交换器的第一进口相连，溶液热交换器第一出口与吸收器第四进口相连，涡流管冷端出口与过冷回热器第二进口相连，过冷回热器第二出口和溶液热交换器第二进口相连，溶液热交换器第二出口与吸收器第二进口相连，吸收器的第一出口与溶液热交换器第三进口相连，溶液热交换器的第三出口与发生器进口相连，发生器第二出口与溶液热交换器第四进口相连，溶液热交换器第四出口与吸收器第三进口相连。
进一步的，还包括溶液泵、溶液调节阀,第二节流阀和第三节流阀，吸收器的第一出口与溶液泵的进口相连，溶液泵出口与溶液热交换器第三进口相连；溶液热交换器第四出口与溶液调节阀进口相连，溶液调节阀出口与吸收器第三进口相连；过冷回热器第一出口与第二节流阀进口相连，第二节流阀出口与蒸发器进口相连；气液分离器第二出口与第三节流阀进口相连,第三节流阀出口与蒸发器第二出口汇合后与喷射器第二进口相连。
本发明中，本发明制冷系统可采用CO2-离子液体、CO2-MDEA、氟利昂-吸收剂(例如R134a-DMF)、氨水中的一种。
进一步的，冷凝器(2)为气体冷却器。
涡流管是一种结构简单的能量分离装置，是有效利用低品位热源的理想方式之一，其制冷与机械压缩制冷循环、吸收制冷循环机理完全不同；鉴于涡流管具有显著的能量分离特性，国内外学者一直致力于工质替代、涡流管结构设计以及涡流管能量分离机理等方面开展了大量理论和实验研究。
本发明的有益效果为：1.依据热力学原理和能量梯级利用原理，提出利用涡流管喷射复合吸收制冷系统将涡流管制取的低品位冷量置换为高品位冷量，实现冷量品位间的高效转换。2.引入喷射器可提高进入吸收器气体压力，有利于增强溶液吸收效率。3.本发明将涡流管应用在闭式喷射吸收制冷系统中，回收利用涡流管冷端低温气体的冷量和热端高温气体的热量，即利用涡流管的热端高温气体加热来自溶液热交换器的制冷剂富液；利用涡流管的冷端低温气体过冷来自气液分离器的液体，使之成为过冷液体，与传统喷射吸收制冷循环相比，在新循环中引入涡流管，充分回收系统中制冷剂节流过程的膨胀功，减小节流损失，可以有效降低制冷温度、提高循环制冷系数和单位容积制冷量。
附图说明
图1为本发明一种实施例的流程示意图；
图2为本发明另一种实施例的流程示意图。
图中：发生器1，冷凝器(气体冷却器)2，气液分离器3，过冷回热器4，蒸发器5，喷射器6，涡流管7，吸收器8，溶液热交换器9，溶液泵10，溶液调节阀11，第二节流阀12。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。应当明白，以下仅为示例性，并不限制本发明的范围。
实施例1
一种用于冷冻冷藏的高效喷射吸收制冷机，如图1所示，包括发生器1，冷凝器(气体冷却器)2，气液分离器3，过冷回热器4，蒸发器5，喷射器6，涡流管7，吸收器8，溶液热交换器9，溶液泵10，溶液调节阀11，第二节流阀12；其中，发生器1的第一出口分为两路，第一路与喷射器6第一进口相连，第二路与冷凝器(气体冷却器)2第一进口相连，冷凝器(气体冷却器)2第一出口与气液分离器3进口相连，气液分离器3的第一出口与过冷回热器4第一进口相连，过冷回热器4第一出口与蒸发器5进口相连，蒸发器5出口与吸收器8第一进口相连，气液分离器3第二出口与喷射器6第二进口相连，喷射器6出口与涡流管7进口相连，涡流管7热端出口与溶液热交换器9的第一进口相连，溶液热交换器第一出口与吸收器8第四进口相连，涡流管7冷端出口与过冷回热器4第二进口相连，过冷回热器4第二出口和溶液热交换器9第二进口相连，溶液热交换器9第二出口与吸收器8第二进口相连，吸收器8的第一出口与溶液热交换器9第三进口相连，溶液热交换器9的第三出口与发生器1进口相连，发生器1第二出口与溶液热交换器9第四进口相连，溶液热交换器9第四出口与吸收器8第三进口相连；吸收器8的第一出口与溶液泵10的进口相连，溶液泵10出口与溶液热交换器9第三进口相连，溶液热交换器9第四出口与溶液调节阀11进口相连，溶液调节阀11出口与吸收器8第三进口相连；过冷回热器4第一出口与第二节流阀12进口相连，第二节流阀12出口与蒸发器5进口相连。
在本实施例中，工质采用CO2-[emim][Tf2N]混合工质。发生器1制冷剂富液吸收热源热量(温度大概80-110℃)后产生高温高压制冷剂蒸汽，分成两路，一路作为喷射器6的工作流体，另一路进入气体冷却器2冷却放热，热量被冷却水带走，冷却后的气液两相制冷剂CO2进入气液分离器3，其中气相制冷剂作为喷射器6的引射气体被来自发生器1的工作气体引射升压后进入涡流管7，在此发生温度分离后产生热端高温气体和冷端低温气体，热端高温气体在溶液热交换器9中预热制冷剂富液后进入吸收器8，冷端低温气体在过冷回热器4中过冷制冷剂液体后进入溶液热交换器9，与制冷剂贫液(含少量CO2的[emim][Tf2N]混合溶液)换热后进入吸收器8；液相制冷剂在过冷器4中被来自涡流管7冷端气体过冷后，经节流阀12节流后进入蒸发器5蒸发制冷，来自蒸发器5和涡流管7冷热端的制冷剂蒸汽进入吸收器8被制冷剂贫液吸收成为制冷剂富液，经溶液泵10加压后泵入溶液热交换器9，在此与来自发生器1的高温制冷剂贫液和涡流管7热端制冷剂气体进行热量交换后进入发生器1，制冷剂富液在发生器1中吸收热源热量产生制冷剂蒸发后成为制冷剂贫液，在溶液热交换器9中被来自吸收器8制冷剂富液和经过冷器4换热后的制冷剂气体冷却后进入吸收器8，吸收来自蒸发器5和涡流管7的冷热端制冷剂蒸汽，从而完成溶液循环和制冷剂循环。
本发明依据热力学原理和能量梯级利用原理，提出利用涡流管喷射复合吸收制冷系统将涡流管制取的低品位冷量置换为高品位冷量，实现冷量品位间的高效转换；该系统将涡流管应用在闭式喷射吸收制冷系统中，回收利用涡流管冷端低温气体的冷量和热端高温气体的热量，与传统喷射吸收制冷循环相比，新型涡流管-喷射吸收制冷系统具有COP高、制冷温度低的特点，节能效果明显。引入涡流管和喷射器可有效降低制冷循环的节流损失，提高进入吸收器的气体压力，有利于提高循环制冷效率；引入喷射器可提高进入吸收器气体压力，有利于增强溶液吸收效率。
实施例2
一种用于冷冻冷藏的高效喷射吸收制冷机，如图2所示，包括发生器1，冷凝器(气体冷却器)2，气液分离器3，过冷回热器4，蒸发器5，喷射器6，涡流管7，吸收器8，溶液热交换器9，溶液泵10，溶液调节阀11，第二节流阀12；其中，发生器1的第一出口分为两路，第一路与喷射器6第一进口相连，第二路与冷凝器(气体冷却器)2第一进口相连，冷凝器(气体冷却器)2第一出口与气液分离器3进口相连，气液分离器的第一出口与过冷回热器4第一进口相连，过冷回热器4第一出口与蒸发器5进口相连，蒸发器5第一出口与吸收器8第一进口相连，蒸发器5第二出口与气液分离器3第二出口汇同后与喷射器6第二进口相连，喷射器6出口与涡流管7进口相连，涡流管7热端出口与溶液热交换器9的第一进口相连，溶液热交换器第一出口与吸收器8第四进口相连，涡流管7冷端出口与过冷回热器4第二进口相连，过冷回热器4第二出口和溶液热交换器9第二进口相连，溶液热交换器9第二出口与吸收器8第二进口相连，吸收器8的第一出口与溶液热交换器9第三进口相连，溶液热交换器9的第三出口与发生器1进口相连，发生器1第二出口与溶液热交换器9第四进口相连，溶液热交换器9第四出口与吸收器8第三进口相连；吸收器8的第一出口与溶液泵10的进口相连，溶液泵10出口与溶液热交换器9第三进口相连；溶液热交换器9第四出口与溶液调节阀11进口相连，溶液调节阀11出口与吸收器8第三进口相连；过冷回热器4第一出口与第二节流阀12进口相连，第二节流阀12出口与蒸发器5进口相连,气液分离器3与第三节流阀进口相连,第三节流阀出口与蒸发器5第二出口汇合后与喷射器6相连。
在本实施例中，工质采用CO2-[bmim][PF6]为制冷混合工质对。发生器1制冷剂富液吸收热源热量(温度范围在280℃-300℃)后产生高温高压制冷剂蒸汽，分成两路，一路作为喷射器6的工作流体，另一路进入气体冷却器2冷却放热，热量被冷却水带走，冷却后的气液两相制冷剂CO2进入气液分离器3，其中气相制冷剂经节流阀13降压后与来自蒸发器5的制冷剂气体一起作为喷射器6的引射气体被来自发生器1的工作气体引射升压后进入涡流管7，在此发生温度分离后产生热端高温气体和冷端低温气体，热端高温气体在溶液热交换器9中预热制冷剂富液后进入吸收器8，冷端低温气体在过冷回热器4中过冷进入蒸发器5的制冷剂液体后进入溶液热交换器9，与制冷剂贫液(含少量CO2的[bmim][PF6]混合溶液)换热后进入吸收器8；液相制冷剂在过冷器4中被来自涡流管7冷端气体过冷后经节流阀12节流进入蒸发器5蒸发制冷，在此蒸发的制冷剂气体被分成两路，其中一路与经节流阀13节流降压后的制冷剂气体一起作为喷射器6的引射气体，另一路制冷剂气体直接进入吸收器8，与涡流管7冷热端制冷剂气体一起被制冷剂贫液吸收成为制冷剂富液，经溶液泵10加压后泵入溶液热交换器9，在此与来自发生器1的高温制冷剂贫液和涡流管7热端制冷剂气体进行热量交换后进入发生器1，制冷剂富液在发生器1中吸收低品位热源热量产生制冷剂蒸发成为制冷剂贫液，在溶液热交换器9中被来自吸收器8制冷剂富液和经过冷器4换热后的制冷剂气体冷却后进入吸收器8，吸收来自蒸发器5和涡流管7冷热端制冷剂气体，从而完成溶液循环和制冷剂循环。
本发明依据热力学原理和能量梯级利用原理，提出利用涡流管喷射复合吸收制冷系统将涡流管制取的低品位冷量置换为高品位冷量，实现冷量品位间的高效转换；该系统将涡流管应用在闭式喷射吸收制冷系统中，回收利用涡流管冷端低温气体的冷量和热端高温气体的热量，与传统喷射吸收制冷循环相比，新型涡流管-喷射吸收制冷系统具有COP高、制冷温度低的特点，节能效果明显。引入涡流管可有效降低制冷循环的节流损失，有利于提高循环制冷效率；引入喷射器可提高进入吸收器气体压力，有利于增强溶液吸收效率。
Claims (4)
1.一种用于冷冻冷藏的高效喷射吸收制冷机，包括发生器，冷凝器，气液分离器，过冷回热器，蒸发器，喷射器，涡流管，吸收器，溶液热交换器，溶液泵，溶液调节阀，第二节流阀；
发生器的第一出口分为两路，第一路与喷射器第一进口相连，所述喷射器第一进口为喷射器的工作流体入口,第二路依次与冷凝器、气液分离器、过冷回热器、蒸发器、吸收器顺序串连；气液分离器的出口依次与喷射器、涡流管进口顺序串连，涡流管热端出口依次与溶液热交换器、吸收器顺序串连，涡流管冷端出口依次与过冷回热器、溶液热交换器、吸收器顺序串连，所述吸收器、溶液热交换器、发生器、溶液热交换器、吸收器顺序串连；
第二路与冷凝器第一进口相连，冷凝器第一出口与气液分离器进口相连，气液分离器的第一出口与过冷回热器第一进口相连，所述气液分离器的第一出口为所述气液分离器的液相制冷剂出口，过冷回热器第一出口与蒸发器进口相连，蒸发器出口与吸收器第一进口相连，气液分离器第二出口与喷射器第二进口相连，所述气液分离器第二出口为所述气液分离器的气相制冷剂出口，所述喷射器第二进口为所述喷射器的引射流体入口，
喷射器出口与涡流管进口相连，涡流管热端出口与溶液热交换器的第一进口相连，溶液热交换器第一出口与吸收器第四进口相连，在所述溶液热交换器中，溶液热交换器第一进口与溶液热交换器第一出口连通，
涡流管冷端出口与过冷回热器第二进口相连，过冷回热器第二出口和溶液热交换器第二进口相连，溶液热交换器第二出口与吸收器第二进口相连，在所述溶液热交换器中，溶液热交换器第二进口与溶液热交换器第二出口连通，
吸收器的第一出口与溶液热交换器第三进口相连，溶液热交换器的第三出口与发生器进口相连，在所述溶液热交换器中，所述溶液热交换器第三进口与所述溶液热交换器第三出口连通,
发生器第二出口与溶液热交换器第四进口相连，溶液热交换器第四出口与吸收器第三进口相连,在所述溶液热交换器中，所述溶液热交换器第四进口与所述溶液热交换器第四出口连通；
吸收器的第一出口与溶液泵的进口相连，溶液泵出口与溶液热交换器第三进口相连，所述溶液泵用于使得制冷剂富液经溶液泵加压后泵入溶液热交换器，在此与来自发生器的高温制冷剂贫液和涡流管热端制冷剂气体进行热量交换后进入发生器，
溶液热交换器第四出口与溶液调节阀进口相连，溶液调节阀出口与吸收器第三进口相连；
过冷回热器第一出口与第二节流阀进口相连，第二节流阀出口与蒸发器进口相连。
2.一种用于冷冻冷藏的高效喷射吸收制冷机，包括发生器，冷凝器，气液分离器，过冷回热器，蒸发器，喷射器，涡流管，吸收器，溶液热交换器，溶液泵、溶液调节阀,第二节流阀和第三节流阀；发生器的第一出口分为两路，第一路与喷射器第一进口相连，所述喷射器第一进口为喷射器的工作流体入口，第二路依次与冷凝器、气液分离器、过冷回热器、蒸发器、吸收器顺序串连，气液分离器与蒸发器并联汇入喷射器，喷射器出口依次与涡流管相连；涡流管热端出口与溶液热交换器、吸收器顺序串连，涡流管冷端出口与过冷回热器、溶液热交换器、吸收器顺序串连，所述吸收器、溶液热交换器、发生器、溶液热交换器、吸收器顺序串连；
第二路与冷凝器第一进口相连，冷凝器第一出口与气液分离器进口相连，气液分离器的第一出口与过冷回热器第一进口相连，所述气液分离器的第一出口为所述气液分离器的液相制冷剂出口，过冷回热器第一出口与蒸发器进口相连，蒸发器第一出口与吸收器第一进口相连，蒸发器第二出口与气液分离器第二出口汇同后与喷射器第二进口相连，所述气液分离器第二出口为所述气液分离器的气相制冷剂出口，所述喷射器第二进口为所述喷射器的引射流体入口，喷射器出口与涡流管进口相连，
涡流管热端出口与溶液热交换器的第一进口相连，溶液热交换器第一出口与吸收器第四进口相连，在所述溶液热交换器中，溶液热交换器第一进口与溶液热交换器第一出口连通，
涡流管冷端出口与过冷回热器第二进口相连，过冷回热器第二出口和溶液热交换器第二进口相连，溶液热交换器第二出口与吸收器第二进口相连，在所述溶液热交换器中，溶液热交换器第二进口与溶液热交换器第二出口连通，
吸收器的第一出口与溶液热交换器第三进口相连，溶液热交换器的第三出口与发生器进口相连，在所述溶液热交换器中，所述溶液热交换器第三进口与所述溶液热交换器第三出口连通,
发生器第二出口与溶液热交换器第四进口相连，溶液热交换器第四出口与吸收器第三进口相连,在所述溶液热交换器中，所述溶液热交换器第四进口与所述溶液热交换器第四出口连通；
吸收器的第一出口与溶液泵的进口相连，溶液泵出口与溶液热交换器第三进口相连；所述溶液泵用于使得制冷剂富液经溶液泵加压后泵入溶液热交换器，在此与来自发生器的高温制冷剂贫液和涡流管热端制冷剂气体进行热量交换后进入发生器，
溶液热交换器第四出口与溶液调节阀进口相连，溶液调节阀出口与吸收器第三进口相连；
过冷回热器第一出口与第二节流阀进口相连，第二节流阀出口与蒸发器进口相连,气液分离器与第三节流阀进口相连,第三节流阀出口与蒸发器第二出口汇合后与喷射器相连。
3.根据权利要求1或2所述的高效喷射吸收制冷机，其特征在于：该装置中填充的流体工质为CO2-离子液体、CO2-MDEA、氟利昂-吸收剂、氨水中的一种。
4.根据权利要求1或2所述的高效喷射吸收制冷机，其特征在于：所述冷凝器为气体冷却器。
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