基于正逆循環(huán)耦合的復疊式制冷系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于正逆循環(huán)耦合的復疊式制冷系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括動力子循環(huán)、吸收式制冷子循環(huán)和壓縮式制冷子循環(huán)，其中該系統(tǒng)采用中低溫熱源驅動動力子循環(huán)作功，動力子循環(huán)的排熱驅動吸收式制冷子循環(huán)制冷，動力子循環(huán)所作的功驅動壓縮式制冷子循環(huán)制冷，吸收式制冷子循環(huán)與壓縮式制冷子循環(huán)構成復疊式制冷系統(tǒng)，吸收式制冷子循環(huán)工作于高溫區(qū)，壓縮式制冷子循環(huán)工作于低溫區(qū);高溫區(qū)的吸收式制冷子循環(huán)的蒸發(fā)制冷過程為低溫區(qū)的壓縮式制冷子循環(huán)的冷凝過程提供冷卻負荷，二者通過蒸發(fā)-冷凝器相結合。整個系統(tǒng)的輸入能量為中低溫熱源，產品輸出為低溫冷。
【專利說明】基于正逆循環(huán)耦合的復疊式制冷系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及中低溫熱源制冷【技術領域】，特別是一種基于正逆循環(huán)耦合的吸收-壓縮復疊式制冷系統(tǒng)和方法。
【背景技術】
[0002]氨水吸收式制冷技術是一種可以利用低溫余熱資源或太陽能、地熱等低溫可再生能源驅動的制冷技術，其制冷溫度范圍廣，約為10°c?-60°c，廣泛用于空調、冷庫、石油冶煉及其他化工過程中。單級氨水吸收式制冷蒸發(fā)溫度不宜過低，適合于空調、冷庫冷藏以及某些工業(yè)部門。但另外還有一些工業(yè)部門，比如食品加工行業(yè)(食品的速凍、冷凍干燥、長期保鮮等)、某些燃氣(丙烷等)液化、某些低溫環(huán)境實驗室以及固體CO2 (干冰)的制取等，需要使用溫度較低的冷量(比如低于-30°C )，此時單級氨水吸收式制冷已很難滿足要求，需要采用雙級流程。雙級循環(huán)與單級循環(huán)相比，熱力系數(shù)較低，而且系統(tǒng)復雜，設備較多，金屬消耗量較大，另外運行也較為復雜。對于低溫冷量，工業(yè)上還可采用復疊式壓縮制冷循環(huán)來制得，但該循環(huán)高溫區(qū)和低溫區(qū)部采用壓縮式制冷循環(huán)，將會消耗大量功。

【發(fā)明內容】

[0003](一 )要解決的技術問題
[0004]為了克服現(xiàn)有雙級氨水吸收式制冷系統(tǒng)的不足，本發(fā)明提供一種基于正逆循環(huán)耦合的復疊式制冷系統(tǒng)及方法，通過將三個較為簡單的子循環(huán)，即朗肯循環(huán)、單級氨水吸收式制冷循環(huán)以及壓縮式制冷循環(huán)，進行有機結合，來利用中低溫熱源制得低溫冷量。
[0005]( 二 )技術方案
[0006]為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于正逆循環(huán)耦合的復疊式制冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括動力子循環(huán)、吸收式制冷子循環(huán)和壓縮式制冷子循環(huán)，其中該系統(tǒng)采用中低溫熱源驅動動力子循環(huán)作功，動力子循環(huán)的排熱驅動吸收式制冷子循環(huán)制冷，動力子循環(huán)所作的功驅動壓縮式制冷子循環(huán)制冷，吸收式制冷子循環(huán)與壓縮式制冷子循環(huán)構成復疊式制冷系統(tǒng)，吸收式制冷子循環(huán)工作于高溫區(qū)，壓縮式制冷子循環(huán)工作于低溫區(qū)；高溫區(qū)的吸收式制冷子循環(huán)的蒸發(fā)制冷過程為低溫區(qū)的壓縮式制冷子循環(huán)的冷凝過程提供冷卻負荷，二者通過蒸發(fā)-冷凝器相結合。
[0007]上述方案中，所述動力子循環(huán)包括依次連接成環(huán)路的高壓溶液泵1、蒸氣發(fā)生器
2、膨脹機3、再沸器4和第一冷凝器5，其中，來自第一冷凝器5的溶液SI經過高壓泵I加壓后形成S2，進入蒸氣發(fā)生器2中，被外熱源加熱形成過熱蒸氣S3后進入膨脹機3膨脹作功，膨脹機3排氣S4依次進入再沸器4和第一冷凝器5，將冷凝熱的高溫部分用于吸收式制冷子循環(huán)中溶液的加熱過程，冷凝熱的低溫部分排向環(huán)境。
[0008]上述方案中，所述高壓溶液泵I是液體加壓設備，用于提高液體壓力；所述的蒸氣發(fā)生器2和所述再沸器4是流體換熱設備，用于冷熱物流之間的熱量交換；所述膨脹機3是氣體膨脹作功設備，膨脹機3利用高溫高壓蒸氣膨脹作功；所述第一冷凝器5是冷凝設備，用于將動力循環(huán)工質蒸氣進行冷凝，冷凝放熱通過冷卻介質排向環(huán)境。
[0009]上述方案中，所述吸收式制冷子循環(huán)包括吸收器6、低壓溶液泵7、溶液換熱器8、精餾塔9、第二冷凝器10、過冷器11、氨節(jié)流閥12、蒸發(fā)-冷凝器13和溶液節(jié)流閥14，其中:來自吸收器6的濃溶液S6經過低壓溶液泵7加壓、溶液換熱器8預熱后進入精餾塔9，分離成高純度的塔頂氨蒸氣S12和低濃度的塔釜稀溶液S9;塔釜稀溶液S9先經過溶液換熱器8進行熱量回收后再經過溶液節(jié)流閥14節(jié)流降壓，形成的低壓稀溶液Sll進入吸收器6;塔頂氨蒸氣S12進入第二冷凝器10中冷凝成液氨S13后進入過冷器11，與來自蒸發(fā)-冷凝器13的低溫氨蒸氣S16換熱后，形成具有一定過冷度的液氨S14，經過氨節(jié)流閥12節(jié)流降壓后進入蒸發(fā)-冷凝器13蒸發(fā)，形成的低溫低壓氨蒸氣S16在過冷器11中進行冷量回收后進入吸收器6，被稀溶液Sll吸收，重新形成濃溶液S6。
[0010]上述方案中，所述吸收器6是氣液混合吸收設備，采用吸收劑吸收制冷劑蒸氣，吸收過程所放熱量通過冷卻介質排向環(huán)境；所述低壓溶液泵7是液體加壓設備，用于提高液體壓力；所述溶液換熱器8和所述過冷器11是流體換熱設備，用于冷熱物流之間的熱量交換；所述精餾塔9用于實現(xiàn)混合工質的分離與提純，以制得高純度的制冷劑蒸氣和低濃度的吸收劑溶液；所述第二冷凝器10是冷凝設備，用于將制冷劑蒸氣進行冷凝，冷凝放熱通過冷卻介質排向環(huán)境；所述氨節(jié)流閥12和溶液節(jié)流閥14是液體節(jié)流降壓裝置，分別用于實現(xiàn)高溫區(qū)制冷劑氨和塔釜溶液的降壓；所述蒸發(fā)-冷凝器13是吸收式制冷子循環(huán)和壓縮式制冷子循環(huán)的結合點，用于將高溫區(qū)制冷劑在其中吸熱蒸發(fā)，以使低溫區(qū)制冷劑蒸氣冷凝。
[0011]上述方案中，所述壓縮式制冷子循環(huán)包括壓縮機15、CO2節(jié)流閥16、CO2蒸發(fā)器17及蒸發(fā)-冷凝器13，其中:壓縮機15在動力子循環(huán)的膨脹機3的驅動下壓縮低壓制冷劑蒸氣S21，形成高壓制冷劑蒸氣S18，S18進入蒸發(fā)-冷凝器13后冷凝成液態(tài)制冷劑C02，該過程的冷凝熱由吸收式制冷子循環(huán)中的氨制冷劑吸收；所得的液態(tài)CO2經過CO2節(jié)流閥16節(jié)流降壓后進入CO2蒸發(fā)器17蒸發(fā)制冷，所得到的低溫冷量即為該復疊式制冷系統(tǒng)的產品輸出。
[0012]上述方案中，所述壓縮機15是氣體加壓設備，用于將低壓制冷劑蒸氣壓縮達到高壓狀態(tài)，壓縮機15與膨脹機3通過聯(lián)軸器連接，壓縮機15所消耗的壓縮功由膨脹機3提供；所述CO2節(jié)流閥16是液體節(jié)流降壓裝置，用于實現(xiàn)低溫區(qū)制冷劑CO2的降壓；所述CO2蒸發(fā)器17是該復疊制冷系統(tǒng)的制冷部件，用于將低溫區(qū)制冷劑在其中吸熱蒸發(fā)，以制得低溫冷量；所述蒸發(fā)-冷凝器13是與所述吸收式制冷子循環(huán)共用。
[0013]上述方案中，該復疊式制冷系統(tǒng)的能量輸入為工業(yè)余熱、太陽能或地熱的中低溫外熱源，產品輸出為低溫冷量。
[0014]為達到上述目的，本發(fā)明還提供了一種基于正逆循環(huán)耦合的復疊式制冷方法，該方法采用中低溫熱源驅動動力子循環(huán)作功，動力子循環(huán)的排熱驅動吸收式制冷子循環(huán)制冷，動力子循環(huán)所作的功再驅動壓縮式制冷子循環(huán)制冷。其中，所述吸收式制冷子循環(huán)與所述壓縮式制冷子循環(huán)構成復疊式制冷系統(tǒng)，吸收式制冷子循環(huán)工作于高溫區(qū)，壓縮式制冷子循環(huán)工作于低溫區(qū)；高溫區(qū)的吸收式制冷子循環(huán)的蒸發(fā)制冷過程為低溫區(qū)的壓縮式制冷子循環(huán)的冷凝過程提供冷卻負荷，二者通過蒸發(fā)-冷凝器相結合。
[0015](三)有益效果[0016]從上述技術方案看，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0017]1、本發(fā)明提供的這種基于正逆循環(huán)耦合的復疊式制冷系統(tǒng)及方法，以中低品位熱為熱源，既可以是工業(yè)余熱，也可以是太陽能、地熱等中低溫的可再生能源，以達到節(jié)能減排的目的；該系統(tǒng)采用氨水混合物和CO2這兩種自然工質為循環(huán)介質，環(huán)保無污染。
[0018]2、本發(fā)明提供的這種基于正逆循環(huán)耦合的復疊式制冷系統(tǒng)及方法，以氨水混合工質的動力循環(huán)和吸收式制冷循環(huán)為基礎，來系統(tǒng)內外的熱能，將中低溫熱源先通過動力子循環(huán)作功，所作的功再驅動壓縮式制冷子循環(huán)制冷；動力子循環(huán)的排熱用于吸收式制冷；吸收式制冷子循環(huán)和壓縮式制冷子循環(huán)構成復疊式制冷循環(huán)，其中吸收式循環(huán)工作于高溫區(qū)，壓縮式循環(huán)工作于低溫區(qū)，二者通過蒸發(fā)-冷凝器相結合。整個系統(tǒng)的能量輸入為中低溫熱量，輸出為低溫冷量。
[0019]3、本發(fā)明提供的這種基于正逆循環(huán)耦合的復疊式制冷系統(tǒng)及方法，動力子循環(huán)以氨水為工質，蒸發(fā)過程溫度逐漸升高，可以與顯熱熱源進行良好的溫度匹配，減小了動力工質蒸發(fā)過程的不可逆損失；且動力子循環(huán)膨脹機排熱溫度較高，可以在吸收式制冷子循環(huán)中進一步利用。
[0020]4、本發(fā)明提供的這種基于正逆循環(huán)耦合的復疊式制冷系統(tǒng)及方法，流程簡單，各單元技術較為成熟，便于工業(yè)化利用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明提供的基于正逆循環(huán)耦合的復疊式制冷系統(tǒng)實施例的示意圖?！揪唧w實施方式】
[0022]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0023]如圖1所示，圖1是本發(fā)明提供的基于正逆循環(huán)耦合的復疊式制冷系統(tǒng)實施例的示意圖。其中SI至S21表示循環(huán)工質。S22和S23表示熱源介質。該系統(tǒng)包括動力子循環(huán)、吸收式制冷子循環(huán)和壓縮式制冷子循環(huán)，其中該系統(tǒng)采用中低溫熱源驅動動力子循環(huán)作功，動力子循環(huán)的排熱驅動吸收式制冷子循環(huán)制冷，動力子循環(huán)所作的功驅動壓縮式制冷子循環(huán)制冷，吸收式制冷子循環(huán)與壓縮式制冷子循環(huán)構成復疊式制冷系統(tǒng)，吸收式制冷子循環(huán)工作于高溫區(qū)，壓縮式制冷子循環(huán)工作于低溫區(qū)；高溫區(qū)的吸收式制冷子循環(huán)的蒸發(fā)制冷過程為低溫區(qū)的壓縮式制冷子循環(huán)的冷凝過程提供冷卻負荷，二者通過蒸發(fā)-冷凝器相結合。該復疊式制冷系統(tǒng)的能量輸入為工業(yè)余熱、太陽能或地熱的中低溫外熱源，產品輸出為低溫冷量。
[0024]參照圖1，動力子循環(huán)包括依次連接成環(huán)路的高壓溶液泵1、蒸氣發(fā)生器2、膨脹機
3、再沸器4和第一冷凝器5，其中，來自第一冷凝器5的溶液SI經過高壓泵I加壓后形成S2，進入蒸氣發(fā)生器2中，被外熱源加熱形成過熱蒸氣S3后進入膨脹機3膨脹作功，膨脹機3排氣S4依次進入再沸器4和第一冷凝器5，將冷凝熱的高溫部分用于吸收式制冷子循環(huán)中溶液的加熱過程，冷凝熱的低溫部分排向環(huán)境。
[0025]其中，高壓溶液泵I是液體加壓設備，用于提高液體壓力；蒸氣發(fā)生器2和所述再沸器4是流體換熱設備，用于冷熱物流之間的熱量交換；膨脹機3是氣體膨脹作功設備，膨脹機3利用高溫高壓蒸氣膨脹作功；第一冷凝器5是冷凝設備，用于將動力循環(huán)工質蒸氣進行冷凝，冷凝放熱通過冷卻介質排向環(huán)境。
[0026]參照圖1，吸收式制冷子循環(huán)包括吸收器6、低壓溶液泵7、溶液換熱器8、精餾塔9、第二冷凝器10、過冷器11、氨節(jié)流閥12、蒸發(fā)-冷凝器13和溶液節(jié)流閥14，其中:來自吸收器6的濃溶液S6經過低壓溶液泵7加壓、溶液換熱器8預熱后進入精餾塔9，分離成高純度的塔頂氨蒸氣S12和低濃度的塔釜稀溶液S9;塔釜稀溶液S9先經過溶液換熱器8進行熱量回收后再經過溶液節(jié)流閥14節(jié)流降壓，形成的低壓稀溶液Sll進入吸收器6;塔頂氨蒸氣S12進入第二冷凝器10中冷凝成液氨S13后進入過冷器11，與來自蒸發(fā)-冷凝器13的低溫氨蒸氣S16換熱后，形成具有一定過冷度的液氨S14，經過氨節(jié)流閥12節(jié)流降壓后進入蒸發(fā)-冷凝器13蒸發(fā)，形成的低溫低壓氨蒸氣S16在過冷器11中進行冷量回收后進入吸收器6，被稀溶液Sll吸收，重新形成濃溶液S6。
[0027]其中，吸收器6是氣液混合吸收設備，采用吸收劑吸收制冷劑蒸氣，吸收過程所放熱量通過冷卻介質排向環(huán)境；低壓溶液泵7是液體加壓設備，用于提高液體壓力；溶液換熱器8和所述過冷器11是流體換熱設備，用于冷熱物流之間的熱量交換；精餾塔9用于實現(xiàn)混合工質的分離與提純，以制得高純度的制冷劑蒸氣和低濃度的吸收劑溶液；第二冷凝器10是冷凝設備，用于將制冷劑蒸氣進行冷凝，冷凝放熱通過冷卻介質排向環(huán)境；氨節(jié)流閥12和溶液節(jié)流閥14是液體節(jié)流降壓裝置，分別用于實現(xiàn)高溫區(qū)制冷劑氨和塔釜溶液的降壓；蒸發(fā)-冷凝器13是吸收式制冷子循環(huán)和壓縮式制冷子循環(huán)的結合點，用于將高溫區(qū)制冷劑在其中吸熱蒸發(fā)，以使低溫區(qū)制冷劑蒸氣冷凝。
[0028]參照圖1，所述壓縮式制冷子循環(huán)包括壓縮機15、CO2節(jié)流閥16、CO2蒸發(fā)器17及蒸發(fā)-冷凝器13，其中:壓縮機15在動力子循環(huán)的膨脹機3的驅動下壓縮低壓制冷劑蒸氣S21，形成高壓制冷劑蒸氣S18，S18進入蒸發(fā)-冷凝器13后冷凝成液態(tài)制冷劑CO2,該過程的冷凝熱由吸收式制冷子循環(huán)中的氨制冷劑吸收；所得的液態(tài)CO2經過CO2帶流閥16節(jié)流降壓后進入CO2蒸發(fā)器17蒸發(fā)制冷，所得到的低溫冷量即為該復疊式制冷系統(tǒng)的產品輸出。
[0029]其中，壓縮機15是氣體加壓設備，用于將低壓制冷劑蒸氣壓縮達到高壓狀態(tài)，壓縮機15與膨脹機3通過聯(lián)軸器連接，壓縮機15所消耗的壓縮功由膨脹機3提供；C02節(jié)流閥16是液體節(jié)流降壓裝置，用于實現(xiàn)低溫區(qū)制冷劑CO2的降壓；C02蒸發(fā)器17是該復疊制冷系統(tǒng)的制冷部件，用于將低溫區(qū)制冷劑在其中吸熱蒸發(fā)，以制得低溫冷量；蒸發(fā)-冷凝器13是與所述吸收式制冷子循環(huán)共用。
[0030]再次參照圖1，高壓溶液泵I出口依次與蒸氣發(fā)生器2、膨脹機3、再沸器4和第一冷凝器5相連接；吸收器6出口依次與低壓溶液泵7、溶液換熱器8和精餾塔9相連接，精餾塔9塔底溶液出口依次與再沸器4、溶液換熱器8、溶液節(jié)流閥14和吸收器6相連接，精餾塔9的塔頂蒸氣出口依次與第二冷凝器10、過冷器11、節(jié)流閥12和蒸發(fā)-冷凝器13相連接，蒸發(fā)-冷凝器13與過冷器11相連接，過冷器11與吸收器6相連接；壓縮機15與膨脹機3通過聯(lián)軸器連接，壓縮機15高壓蒸氣出口依次與蒸發(fā)-冷凝器13、C02節(jié)流閥16和CO2蒸發(fā)器17相連接。
[0031]高壓溶液泵I和低壓溶液泵7是液體加壓設備，用于提高液體壓力。蒸氣發(fā)生器
2、再沸器4、溶液換熱器8和過冷器11是流體換熱設備，用于冷熱物流之間的熱量交換。膨脹機3和壓縮機15分別是氣體膨脹作功和氣體加壓設備，膨脹機3利用高溫高壓蒸氣膨脹作功，壓縮機15消耗膨脹機3產生的功將低壓制冷劑蒸氣壓縮達到高壓狀態(tài)。第一冷凝器5和第二冷凝器10是冷凝設備，分別用于將動力循環(huán)工質蒸氣和吸收式制冷子循環(huán)中的制冷劑蒸氣進行冷凝，冷凝放熱通過冷卻介質排向環(huán)境。吸收器6是氣液混合吸收設備，采用吸收劑吸收制冷劑蒸氣，吸收過程所放熱量通過冷卻介質排向環(huán)境。精餾塔9用于實現(xiàn)混合工質的分離與提純，以制得高純度的制冷劑蒸氣和低濃度的吸收劑溶液。氨節(jié)流閥12、溶液節(jié)流閥14和CO2節(jié)流閥16是液體節(jié)流降壓裝置，分別用于實現(xiàn)高溫區(qū)制冷劑氨、塔釜溶液和低溫區(qū)制冷劑CO2的降壓。蒸發(fā)-冷凝器13是兩個制冷子循環(huán)的結合點，朋于將高溫區(qū)制冷劑在其中吸熱蒸發(fā)，以便低溫區(qū)制冷劑蒸氣冷凝。CO2蒸發(fā)器17是該復疊制冷系統(tǒng)的制冷部件，用于將低溫區(qū)制冷劑在其中吸熱蒸發(fā)，以制得低溫冷量。
[0032]該復疊式制冷系統(tǒng)采用中低溫熱源驅動，該中低溫熱源可以是工業(yè)余熱、太陽能或地熱。該復疊式制冷系統(tǒng)中，動力子循環(huán)和吸收式制冷子循環(huán)中采用的工作介質可以為氨和水工質對，但不局限于氨和水工質對，也可以是其他工質對；壓縮式制冷子循環(huán)中采用的工作介質可以為CO2，但不局限于CO2，也可以為其他工質。
[0033]該復疊式制冷系統(tǒng)的具體工作流程為:
[0034]動力子循環(huán)中，來自第一冷凝器5的溶液SI經過高壓泵I加壓后形成S2，進入蒸氣發(fā)生器2中，被外熱源加熱形成過熱蒸氣S3后進入膨脹機3膨脹作功，膨脹機排氣S4依次進入再沸器4和第一冷凝器5，依次將冷凝熱的高溫部分用于吸收式制冷子循環(huán)中溶液的加熱過程，冷凝熱的低溫部分排向環(huán)境。
[0035]吸收式制冷子循環(huán)中，來自吸收器6的濃溶液S6經過低壓溶液泵7加壓、溶液換熱器8預熱后進入精餾塔9，分離成高純度的塔頂氨蒸氣S12和低濃度的塔釜稀溶液S9;塔釜稀溶液S9先經過溶液換熱器8進行熱量回收后再經過溶液節(jié)流閥14節(jié)流降壓，形成的低壓稀溶液Sll進入吸收器6;塔頂氨蒸氣S12進入第二冷凝器10中冷凝成液氨S13后進入過冷器11，與來自蒸發(fā)-冷凝器13的低溫氨蒸氣S16換熱后，形成具有一定過冷度的液氨S14，經過氨節(jié)流閥12節(jié)流降壓后進入蒸發(fā)-冷凝器13蒸發(fā)，形成的低溫低壓氨蒸氣S16在過冷器11中進行冷量回收后進入吸收器6，被稀溶液Sll吸收，重新形成濃溶液S6。
[0036]壓縮式制冷子循環(huán)中，壓縮機15在動力子循環(huán)的膨脹機3的驅動下壓縮低壓制冷劑蒸氣S21，形成高壓制冷劑蒸氣S18，S18進入蒸發(fā)-冷凝器13后冷凝成液態(tài)制冷劑C02，該過程的冷凝熱由吸收式制冷子循環(huán)中的氨制冷劑吸收；所得的液態(tài)CO2經過CO2節(jié)流閥16節(jié)流降壓后進入CO2蒸發(fā)器17蒸發(fā)制冷，所得到的低溫冷量即為該復疊式制冷系統(tǒng)的產品輸出。工作于低溫區(qū)的壓縮式制冷子循環(huán)中的壓縮機15所消耗的壓縮功由動力子循環(huán)的膨脹機3提供。整個系統(tǒng)只有中低溫外熱源輸入，不需要輸入功。
[0037]基于圖1所示的基于正逆循環(huán)耦合的復疊式制冷系統(tǒng)，本發(fā)明還提供了一種基于正逆循環(huán)耦合的復疊式制冷方法，以中低溫余熱或太陽能等為驅動熱源。該方法采用中低溫熱源驅動動力子循環(huán)作功，動力子循環(huán)的排熱驅動吸收式制冷子循環(huán)制冷，動力子循環(huán)所作的功再驅動壓縮式制冷子循環(huán)制冷。吸收式制冷子循環(huán)與所述壓縮式制冷了循環(huán)構成復疊式制冷系統(tǒng)，吸收式制冷子循環(huán)工作于高溫區(qū)，壓縮式制冷子循環(huán)工作于低溫區(qū)；高溫區(qū)的吸收式制冷子循環(huán)的蒸發(fā)制冷過程為低溫區(qū)的壓縮式制冷子循環(huán)的冷凝過程提供冷卻負荷，二者通過蒸發(fā)-冷凝器相結合。整個系統(tǒng)的能量輸入為包括余熱、太陽能或地熱的中低溫外熱源，產品輸出為低溫冷量。
[0038]采用Aspen Plus軟件對本實施例進行模擬計算。模擬中假設冷卻水溫度為30°C，吸收式制冷子循環(huán)中液氨蒸發(fā)溫度為-15°C ;蒸發(fā)-冷凝器中換熱溫差為5°C，即CO2壓縮式制冷子循環(huán)中CO2冷凝溫度約為-10°C (壓力為27bar) ;C02蒸發(fā)器中制冷蒸發(fā)溫度約為-63°C (壓力為3.7bar)。在該壓比條件下，CO2壓縮機效為60.6%?；竟r下系統(tǒng)主要部件負荷及系統(tǒng)性能參數(shù)見表I。
[0039]
項目數(shù)據熱源溫度，V350煙氣流量，kg/h3000熱源熱量，kff275.5冷卻介質溫度，°c30氨蒸發(fā)溫度，V-15CO2蒸發(fā)溫度，V-63動力子循環(huán)工質氨濃度0.3吸收式制冷子循環(huán)濃溶液氨濃度0.37蒸氣發(fā)生器負荷，kW159.1排煙損失，kff116.4膨脹機作功量，kff24.1泵耗功，kff2.1壓縮機耗功，kff22再沸器負荷，kw100.3第一冷凝器負荷，kff35.4溶液換熱器負荷，kff153.7第二冷凝器負荷，kw59.1過冷器負荷，kw7.3蒸發(fā)-冷凝器負荷，kW57.9吸收器負荷，kw87.3CO2蒸發(fā)器負荷，kW35.8制冷量(-63°c)，kw35.8壓縮式制冷部分COPc1.63系統(tǒng)整體⑶P0.23系統(tǒng)整體熱效率，%13
[0040]表I
[0041]表I是基礎工況下基于正逆循環(huán)耦合的復疊式制冷系統(tǒng)主要部件負荷及系統(tǒng)性能參數(shù)。
[0042]由表I可以看出，當輸入熱源溫度、冷卻水溫度和最終的制冷溫度分別為350°C、30°C和_63°C，輸入熱源所含熱量為275.5kW，動力子循環(huán)中氨水工質濃度和吸收式制冷子循環(huán)中濃溶液濃度分別為0.3和0.37時，系統(tǒng)排煙溫度為167.1°C，蒸氣發(fā)生器吸熱量為159.lkW，最終制得-63 °C的冷量為35.8kW。壓縮式制冷子循環(huán)的壓縮機耗功為22kW，壓縮式制冷部分的COP。為1.63，整體復疊式制冷系統(tǒng)的COP為0.23;若考慮排煙損失(116.4kW)，系統(tǒng)的整體熱效率為13%。本方法不需要額外消耗功，只需要消耗中低溫熱量即可制得較低溫度的冷量。
[0043]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種基于正逆循環(huán)耦合的復疊式制冷系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括動力子循環(huán)、吸收式制冷子循環(huán)和壓縮式制冷子循環(huán)，其中該系統(tǒng)采用中低溫熱源驅動動力子循環(huán)作功，動力子循環(huán)的排熱驅動吸收式制冷子循環(huán)制冷，動力子循環(huán)所作的功驅動壓縮式制冷子循環(huán)制冷，吸收式制冷子循環(huán)與壓縮式制冷子循環(huán)構成復疊式制冷系統(tǒng)，吸收式制冷子循環(huán)工作于高溫區(qū)，壓縮式制冷子循環(huán)工作于低溫區(qū)；高溫區(qū)的吸收式制冷子循環(huán)的蒸發(fā)制冷過程為低溫區(qū)的壓縮式制冷子循環(huán)的冷凝過程提供冷卻負荷，二者通過蒸發(fā)-冷凝器相結入口 ο
2.根據權利要求1所述的基于正逆循環(huán)耦合的復疊式制冷系統(tǒng)，其特征在于，所述動力子循環(huán)包括依次連接成環(huán)路的高壓溶液泵(I)、蒸氣發(fā)生器(2)、膨脹機(3)、再沸器(4)和第一冷凝器(5)，其中，來自第一冷凝器(5)的溶液SI經過高壓泵(I)加壓后形成S2，進入蒸氣發(fā)生器(2)中，被外熱源加熱形成過熱蒸氣S3后進入膨脹機(3)膨脹作功，膨脹機(3)排氣S4依次進入再沸器(4)和第一冷凝器(5)，將冷凝熱的高溫部分用于吸收式制冷子循環(huán)中溶液的加熱過程，冷凝熱的低溫部分排向環(huán)境。
3.根據權利要求2所述的基于正逆循環(huán)耦合的復疊式制冷系統(tǒng)，其特征在于，所述高壓溶液泵(I)是液體加壓設備，用于提高液體壓力；所述蒸氣發(fā)生器(2)和所述再沸器(4)是流體換熱設備，用于冷熱物流之間的熱量交換；所述膨脹機(3)是氣體膨脹作功設備，膨脹機(3)利用高溫高壓蒸氣膨脹作功；.所述第一冷凝器(5)是冷凝設備，用于將動力循環(huán)工質蒸氣進行冷凝，冷凝放熱通過冷卻介質排向環(huán)境。
4.根據權利要求1所述的基于正逆循環(huán)耦合的復疊式制冷系統(tǒng)，其特征在于，所述吸收式制冷子循環(huán)包括吸收器(6)、低壓溶液泵(7)、溶液換熱器(8)、精餾塔(9)、第二冷凝器(10)、過冷器(11)、氨節(jié)流閥(12)、蒸發(fā)-冷凝器(13)和溶液節(jié)流閥(14)，其中:來自吸收器(6)的濃溶液S6經過低壓溶液泵(7)加壓、溶液換熱器(8)預熱后進入精餾塔(9)，分離成高純度的塔頂氨蒸氣S12和低濃度的塔釜稀溶液S9;塔釜稀溶液S9先經過溶液換熱器(8)進行熱量回收后再經過溶液節(jié)流閥(14)節(jié)流降壓，形成的低壓稀溶液Sll進入吸收器(6);塔頂氨蒸氣S12進入第二冷凝器(10)中冷凝成液氨S13后進入過冷器(11)，與來自蒸發(fā)-冷凝器(13)的低溫氨蒸氣S16換熱后，形成具有一定過冷度的液氨S14，經過氨節(jié)流閥(12)節(jié)流降壓后進入蒸發(fā)-冷凝器(13)蒸發(fā)，形成的低溫低壓氨蒸氣S16在過冷器(11)中進行冷量回收后進入吸收器￠)，被稀溶液Sll吸收，重新形成濃溶液S6。
5.根據權利要求4所述的基于正逆循環(huán)耦合的復疊式制冷系統(tǒng)，其特征在于，所述吸收器(6)是氣液混合吸收設備，采用吸收劑吸收制冷劑蒸氣，吸收過程所放熱量通過冷卻介質排向環(huán)境；所述低壓溶液泵(7)是液體加壓設備，用于提高液體壓力；所述溶液換熱器(8)和所述過冷器(11)是流體換熱設備，用于冷熱物流之間的熱量交換；所述精餾塔(9)用于實現(xiàn)混合工質的分離與提純，以制得高純度的制冷劑蒸氣和低濃度的吸收劑溶液；所述第二冷凝器(10)是冷凝設備，用于將制冷劑蒸氣進行冷凝，冷凝放熱通過冷卻介質排向環(huán)境；所述氨節(jié)流閥(12)和溶液節(jié)流閥(14)是液體節(jié)流降壓裝置，分別用于實現(xiàn)高溫區(qū)制冷劑氨和塔釜溶液的降壓；所述蒸發(fā)-冷凝器(13)是吸收式制冷子循環(huán)和壓縮式制冷子循環(huán)的結合點，用于將高溫區(qū)制冷劑在其中吸熱蒸發(fā)，以使低溫區(qū)制冷劑蒸氣冷凝。
6.根據權利要求1所述的基于正逆循環(huán)耦合的復疊式制冷系統(tǒng)，其特征在于，所述壓縮式制冷子循環(huán)包括壓縮機(15)、C02節(jié)流閥(16)、C02蒸發(fā)器(17)及蒸發(fā)-冷凝器(13)，其中:壓縮機(15)在動力子循環(huán)的膨脹機(3)的驅動下壓縮低壓制冷劑蒸氣S21，形成高壓制冷劑蒸氣S18，S18進入蒸發(fā)-冷凝器(13)后冷凝成液態(tài)制冷劑CO2，該過程的冷凝熱由吸收式制冷子循環(huán)中的氨制冷劑吸收；所得的液態(tài)CO2經過CO2節(jié)流閥(16)節(jié)流降壓后進ACO2蒸發(fā)器(17)蒸發(fā)制冷，所得到的低溫冷量即為該復疊式制冷系統(tǒng)的產品輸出。
7.根據權利要求6所述的基于正逆循環(huán)耦合的復疊式制冷系統(tǒng)，其特征在于，所述壓縮機(15)是氣體加壓設備，用于將低壓制冷劑蒸氣壓縮達到高壓狀態(tài)，壓縮機(15)與膨脹機(3)通過聯(lián)軸器連接，壓縮機(15)所消耗的壓縮功由膨脹機(3)提供；所述CO2節(jié)流閥(16)是液體節(jié)流降壓裝置，用于實現(xiàn)低溫區(qū)制冷劑CO2的降壓；所述CO2蒸發(fā)器(17)是該 復疊制冷系統(tǒng)的制冷部件，用于將低溫區(qū)制冷劑在其中吸熱蒸發(fā)，以制得低溫冷量；所述蒸發(fā)-冷凝器(13)是與所述吸收式制冷子循環(huán)共用。
8.根據權利要求1所述的基于正逆循環(huán)耦合的復疊式制冷系統(tǒng)，其特征在于，該復疊式制冷系統(tǒng)的能量輸入為工業(yè)余熱、太陽能或地熱的中低溫外熱源，產品輸出為低溫冷量。
9.一種基于正逆循環(huán)耦合的復疊式制冷方法，應用于權利要求1至8中任一項所述的復疊式制冷系統(tǒng)，其特征在于，該方法采用中低溫熱源驅動動力子循環(huán)作功，動力子循環(huán)的排熱驅動吸收式制冷子循環(huán)制冷，動力子循環(huán)所作的功再驅動壓縮式制冷子循環(huán)制冷。
10.根據權利要求9所述的基于正逆循環(huán)耦合的復疊式制冷方法，其特征在于，所述吸收式制冷子循環(huán)與所述壓縮式制冷子循環(huán)構成復疊式制冷系統(tǒng)，吸收式制冷子循環(huán)工作于高溫區(qū)，壓縮式制冷子循環(huán)工作于低溫區(qū)；高溫區(qū)的吸收式制冷子循環(huán)的蒸發(fā)制冷過程為低溫區(qū)的壓縮式制冷子循環(huán)的冷凝過程提供冷卻負荷，二者通過蒸發(fā)-冷凝器相結合。
【文檔編號】F25B7/00GK103438598SQ201310364418
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月20日 優(yōu)先權日:2013年8月20日
【發(fā)明者】金紅光, 韓巍, 孫流莉, 陳強, 鄭丹星, 林汝謀, 楊金福, 崔平 申請人:中國科學院工程熱物理研究所