帶有附加元件的熱量吸收轉換系統的製作方法
2023-06-09 05:43:01 4
專利名稱：帶有附加元件的熱量吸收轉換系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種與權利要求1的前序部分相對應的熱量吸收轉換系統，在下文中將簡稱為吸收系統，它可用於制冷機械、熱泵和傳熱器(heat transformer)以及它們的組合等單級或多級設計，以便製冷和/或制熱(參見G.Alefeld和R.Radermacher在CRC出版物，Boca Raton(1994)上發表的「熱量轉換系統」)。Niebergall，W在斯普林格、柏林、紐約再次印刷(1981)的《製冷工程手冊》第7卷上發表的「吸收式制冷機」、H.v.Cube和F.Steimle在杜塞道夫VDI-出版物(1984)上發表的「熱泵」中也揭示了熱量吸收轉換系統。吸收系統的性能數據中的一個關鍵因素是所採用的蒸發器、吸收器、冷凝器、發生器、解吸器、再吸收器等主要元件的互換傳熱係數的總和(P.Riesch和G.Alefeld在海德堡，(1990)的DKV學會報告(論文集)第17卷569頁以下中描述)。由於在吸收時的傳質較差，所以吸收器和再吸收器特別需要相對較大的傳熱表面。在這種情況下，就像在蒸發器、發生器或解吸器中發生沸騰的情況一樣，對於溶液的完全混合進而對於吸收器或再吸收器內的傳質和熱交換而言，溶液內的湍流度是非常重要的。傳質和熱交換時的湍流度是通過熱交換器在單位面積上的高能交換，即單位面積上的高負載來實現的。在下文中，通用術語吸收式熱交換器是指非絕熱的，即被冷卻的吸收器或再吸收器，例如配有管束式或板式熱交換器的滴流式吸收器(又稱作降膜式吸收器)、配有盤管式或板式熱交換器的沉浸式吸收器(又稱作沸騰吸收器)，例如參見Niebergall，W在斯普林格、柏林、紐約再次印刷(1981)，的《製冷工程手冊》第7卷上379頁以下發表的「吸收式制冷機」。
已知的是，可以例如通過結構化的管子(N.Isshiki和K.Ogawa在慕尼黑討論會的會刊上發表的「吸收式熱傳遞的加強」(1994)中提及)或添加劑如辛醇(Y.Nagaoka等人在維也納(1987)的第XVII屆臨時的製冷專業會議的會刊上發表)來加強吸收式熱交換器的熱傳遞。在隨後出版的F.Summerer的論文中(TU慕尼黑，第65頁，1996)給出了一個關於在吸收器內熱傳遞過程的較佳論述。溶液和冷媒之間的熱交換通常不會對吸收過程有所限制，但是會受到傳質的限制。為了藉助較大的表面積來加強傳質而在吸收器/再吸收器內配置一個大的熱交換面積會增大吸收器的成本，並且會在熱交換器上產生潤溼的問題(J.Tang等人在蒙特婁的第18屆臨時的製冷專業會議(1991)的會刊第519頁；I.Greiter在TU慕尼黑討論會(1995)會刊的第36-37頁上提及)。對於較佳的熱傳遞而言，熱交換器需要完全的潤溼。此外，在較大的熱交換面積或較低的輸入熱量溫度，進而是每單位熱交換面積上較低的能量交換(短時間內每單位面積上的負載)的情況下，吸收式熱交換器內能促進熱交換的溶液內湍流度和添加劑的作用相對較為急劇地下降(K.J.Kim在亞利桑那州立大學論文集(1992)第150頁上提及)。吸收式熱交換器內每單位面積上的較低的負載還會對其它主要元件的每單位面積上的負載起反作用，並且會導致相對較高的總系統的單位熱交換面積，因而會增大系統的成本。
如上所述，還已知的是，在具有例如滴流式吸收器之類的吸收式熱交換器的吸收系統內較低輸入熱量溫度下所需的大的熱交換面積，會增大潤溼的危險性。這樣會增大溶液在吸收器和相應發生器之間或者是在吸收器再循環時的循環速率，從而反過來使系統的效率下降(H.v.Cube和F.Steimle在杜塞道夫VDI-出版物(1984)第195頁上發表的「熱泵」)。當在吸收器處再循環的情況下，由於吸收作用受到傳質限制的緣故，排出至吸收式熱交換器收集器的溶液是再冷卻的，該溶液被泵送返回吸收式熱交換器的分配裝置。特別是，介質的吸收系統和配備了具有低管束高度的吸收式熱交換器的小容量機組需要大的再循環，以便完全潤溼。相應於分離吸收熱量以及在吸收式熱交換器處的熱量傳遞所需的一個儘可能高的溫度，大的再循環會產生反作用，這是因為產生熱傳遞的溫度差會受到稀和濃溶液之間的溫度差的影響而降低(I.Greiter，TU慕尼黑論文集第36-37頁)。
另一種已知的方法是，利用絕熱式吸收器使吸收器/再吸收器內的傳質和熱交換之間解除聯繫(W.A.Ryan在紐奧良臨時舉行的吸收式熱泵專業會議的會刊(AES-Vol.31，第155頁，1994年)上發表)。因此，無需大的熱交換面積就可以提供傳質所需的大的表面積。熱交換是在再循環迴路內的一個冷卻器內進行的。絕熱式吸收器的一個缺點是，由於吸收熱量的比熱比溶液的比熱容量高得多，所以吸收的熱量會導致通過傳質給吸收器內溶液的熱量較為急劇。這樣就需要一個高的再循環速率和/或溶液的再冷卻，致使冷卻水和絕熱式吸收器內吸收劑溫度之間產生一較高的驅動溫度差，並帶來了一些相關的問題，例如高的輸入熱量溫度、溫度升高的損失，等等(F.Summerer在1996年的TU慕尼黑論文集第83頁上提及)。
以上描述的用於加強吸收的方法共有的問題是，需要為傳質提供最大可能的表面積，這樣就限制了吸收。這可以通過提供大的吸收式熱交換器面積，諸如管束，或例如藉助密封件(packings)在絕熱式吸收器內來實現。
本發明的目的在於，藉助一種低成本的方法，通過加強吸收器和/或再吸收器內的傳質和熱交換，來改善吸收系統內的各種性能。
根據本發明，上述目的可通過權利要求1所述的特徵來實現。根據這些特徵，採用了至少一個冷卻的，即非絕熱的吸收式熱交換器來作為吸收器和/或再吸收器，它們具有作為附加元件的連接在一個再循環迴路內的至少一個溶液冷卻器和一個泵。在吸收式熱交換器處排出的工作介質的濃再冷溶液藉助至少一個泵和至少一個溶液冷卻器而至少部分地再循環至吸收式熱交換器的入口。本發明的這種配置源出於這樣一個概念，即，通過使溶液強烈地再冷卻而實現吸收式熱交換器內的一個較佳的傳質。藉助這種方法，可以在例如吸收式熱交換器內的吸收滴流液膜的蒸汽壓力和由吸收式熱交換器內的蒸發器所產生的蒸汽壓力之間產生一個高梯度，它可以促進吸收時溶液內的湍流。所述湍流有助於加強溶液在吸收式熱交換器內的混合，在所述熱交換器內，溫度梯度和濃度梯度發生重疊。這對於吸收式熱交換器內的傳質和熱交換起了有利的作用，因而有利於該吸收系統的各種性能。溶液在某一給定冷卻水溫度下的急劇地再冷卻是由再循環迴路內的一個溶液再冷卻器，例如液/液熱交換器來實現的。溶液冷卻器的高達5000W/m2K的k值明顯地高於吸收式熱交換器的僅為500至2000W/m2K之間的k值。與上述的再循環相反，本發明的再循環基本上不用來保證潤溼或部分的負載控制，按照權利要求1所形成的溶液迴路主要可用於使溶液通過溶液冷卻器再循環，藉以使溶液再冷卻，從而使吸收式熱交換器內的傳質和熱交換更加湍動。這種帶有溶液冷卻器的吸收式熱交換器的配置是這樣一種系統它藉助其相互作用，使得在吸收式熱交換器內進行吸收時的傳質和熱交換得到加強。由本發明所帶來的效果和優點並不是簡單地來自於各個元件、溶液冷卻器和吸收式熱交換器的各種作用之和。
藉助吸收式熱交換器和溶液冷卻器之間的相互作用，可以在沒有一溶液冷卻器的情況下實現下列技術上的可能性和優點。
按照這一構思，可以將例如管束熱交換器之類的吸收器/再吸收器內的昂貴的熱交換器表面，做得比較小，作為液/液熱交換器的溶液冷卻器可以是緊湊、高效以及低成本的，例如一板式熱交換器。
由於傳質和熱交換得以改善，而其它的條件沒有改變，所以在吸收時釋放的熱量可將冷卻水加熱至一個較高的溫度。這樣有利於使通過吸收式熱交換器和溶液冷卻器的冷媒流減少，和/或使來自吸收式熱交換器及溶液冷卻器的廢熱在較高的溫度下釋放，以例如供加熱之用。
如上所述，在某一給定容量下，冷卻水溫度可以升高，這樣就可以在某些特定的條件下，更為經濟地直接利用空氣冷卻或乾式再冷卻器。
此外，可以採用某些材料對，當只單獨採用吸收式熱交換器時，這些材料對因為其高粘度的緣故而具有不充分的熱傳遞。
在某一給定的冷媒溫度下，吸收器內的蒸汽壓力可以下降，從而可以有利地降低用來產生製冷效果的蒸發器溫度。
類似地，由於利用一溶液冷卻器在吸收式熱交換器內實現了高的傳質和熱交換，所以可使單級和多級系統內的輸入熱量溫度下降。這樣特別可以有效地利用低溫熱量來作為驅動熱量，例如利用廢熱或來自區域供熱、發動機、太陽能收集器的低溫熱量。
在高效率的兩級吸收式制冷機中，輸入熱量的溫度可以降至大約130℃。迄今為止，只有單級的吸收式制冷機可以在這一溫度下較為經濟地工作。由於即使是兩級吸收式製冷系統也能在130℃的溫度下高效地工作，所以特性係數從0.7升至1.2，因而該系統即使在例如低壓蒸汽格柵(grid)的情況下也較為有效和有利。
根據本發明，在一個三級吸收式制冷機中，高壓發生器內的輸入熱量溫度可以高效地降至大約150℃。以前，只有兩級吸收式制冷機可以在該溫度下工作。將高壓發生器內的溫度升高至160℃以上在技術上是行不通的，這是因為關於抗腐蝕劑和材料選擇等未加解釋的問題造成的。由於三級吸收式製冷系統的特性係數高達1.6，所以即使在藉助油或燃氣直接燃燒的情況下，也同樣可以作為壓縮機製冷系統的主要能量。
還可以顯著地減少帶有不含溶液冷卻器的再循環迴路的那種吸收式熱交換器或絕熱式吸收器的缺陷，並且可以在熱傳遞中有利地達到一個較低的驅動溫度差。特別是，通過像權利要求1所述的那樣將溶液冷卻器和吸收式熱交換器相結合，就可以有利地將吸收式熱交換器在系統內的每單位面積上的負載設定成一個較高的值，這對於低的輸入熱量或製冷溫度或高的冷媒溫度而言是一個非常關鍵的優點。
本發明的另一個較佳實施例如權利要求2所述將再循環泵直接設置在吸收式熱交換器的下遊和溶液冷卻器的上遊，可以使在溶液冷卻器處獲得一個相對較高的壓力差成為可能，從而在溶液冷卻器內的溶液中產生湍流。因此，能較為有利地加強溶液冷卻器處的熱傳遞，並能顯著地減小溶液冷卻器的尺寸。較佳的是，在例如水之類的工作介質具有一較低的蒸汽壓力的情況下，可將溶液冷卻器設置在再循環泵的下遊，與權利要求3的配置相反，在這種配置下，可以在溶液冷卻器內達到較高的壓力差，並且不會在溶液冷卻器內產生溶液空穴現象。
本發明的另一個較佳實施例如權利要求3所述例如在工作介質具有較高蒸汽壓力的情況下，如果將再循環泵設置在溶液冷卻器的下遊，首先是溶液可以被再冷卻，以便在吸收式熱交換器內進行較佳的傳質和熱交換，其次是這樣可以確保溶液不會因為泵的抽送而產生空穴。還可以提及的一個優點是，它可以減少所需的抽吸頭，或者可以避免採用相對較為複雜的、具有所謂導流(inducer)裝置的專門的泵。
權利要求2和3的組合也是有利的例如，一第一溶液冷卻器將再循環泵的抽吸側連接於吸收式熱交換器的出口，一具有相對較高壓力差的第二溶液冷卻器將泵的壓力側連接於吸收式熱交換器的入口。這種配置的優點是，既可降低對再循環泵的要求又可在第二溶液冷卻器處獲得一較高的熱傳遞。顯然，所述的兩個溶液冷卻器也可以簡單地通過一個具有合適通過量的溶液冷卻器的單個熱交換器來實現。
本發明的另一個較佳實施例如權利要求4所述來自吸收式熱交換器的僅被略微再冷的溶液的溶液迴路泵的入口通常需要一個合適的抽吸頭和一個不受空穴影響的複雜的泵。較為有利的是，可將具有一遠在沸騰壓力之上、用於供給溶液迴路泵的入口壓力的局部液流從如權利要求1-3所述的再循環泵分流，從而使該溶液迴路泵不再受到任何有關泵設計的特殊需要的限制。因此，可以採用簡單的、特別是具有較小入口橫截面的標準泵來作為相應發生器的溶液迴路泵。另一個較為有利的方面是，充當供給泵的再循環泵還可以與一泵殼內的溶液再循環泵的下一級聯合使用。
本發明的另一個較佳實施例如權利要求5所述如果由溶液迴路泵施加的蒸汽壓力差不超過再循環泵的壓力升高，那麼無需用一個單獨的溶液迴路泵將溶液傳送至蒸汽發生裝置。特別是當工作介質具有較低的蒸汽壓力，例如是水或乙醇時，這樣做是較為有利的。
本發明的另一個較佳實施例如權利要求6所述必須將來自相關溶液迴路的熱或冷的溶液供給至吸收器裝置或再吸收器裝置，以便維持吸收過程。運送熱溶液的管道較有利地連接於溶液冷卻器的入口。這意味著在溶液被供給至吸收式熱交換器之前，將由於其較佳的傳熱係數而在溶液冷卻器內得以有效地冷卻。在採用含鹽的液體吸收介質的情況下，通過使來自蒸汽發生裝置的濃的熱溶液(它們在節流或冷卻時會發生結晶)在溶液冷卻器的入口處與來自吸收式熱交換器出口的溶液相混合，就可以使所述熱溶液降壓或冷卻。用來在溶液迴路中的發生器和溶液冷卻器之間進行節流的一控制閥可以被省略。如果採用具有較低蒸汽壓力的工作介質，例如水，就可以有利地使來自溶液熱交換器的溶液壓力在溶液熱交換器的入口處升高至來自再循環泵的溶液的水平，並通過一附加的溶液泵而使之例如在發生器和溶液熱交換器之間混合。或者，如果從發生器經過溶液熱交換器而來的稀溶液與來自再循環泵上遊的吸收式熱交換器的溶液相混合，就可以省略附加的溶液泵。
如果來自一溶液迴路的解吸器的冷溶液被充分地再冷卻至再吸收器的壓力水平，就可將運送冷溶液的管道有利地連接於充當再吸收器的吸收式熱交換器的入口。
本發明的另一個較佳實施例如權利要求7所述所述再循環迴路可以被用作能控制吸收式熱交換器內的傳熱係數的一種控制配置，這是通過利用一再循環泵將經過溶液冷卻器的溶液流速設定為一個合適的值而實現的。這意味著可以在很寬的範圍內控制吸收式熱交換器內的傳質和熱交換。這樣可以較為有利地用來使系統匹配，例如季節性地改變冷卻水的溫度。於是，可以省略藉助返回液流的混合而相對較為複雜地控制冷卻水流溫度的步驟。
本發明的另一個較佳實施例如權利要求8所述通常，吸收系統的容量是通過輸入熱量的溫度來控制的，即，對部分負載而言，輸入熱量的溫度是下降的。為了加強部分負載的效率，在這種情況下，溶液的循環速率應該儘可能與容量成正比地下降。根據本發明，由於在吸收式熱交換器內的傳質和熱交換是可控的，所以包括一溶液冷卻器的再循環迴路是一個較佳的可控制系統容量的控制配置，所述控制是通過設定流經溶液冷卻器的冷卻介質的流速或溶液的流速而實現的。這意味著較為有利的是，第一，系統的能量交換是可以控制的；第二，即使溶液的循環速率實際為零，仍可以確保吸收式熱交換器完全潤溼。
本發明的另一個較佳實施例如權利要求9所述由於藉助溶液冷卻器和吸收式熱交換器提高了傳熱效率，所以在吸收器處只需要相對較小的驅動溫度，因而即使只有較小的溫度差用於其它元件中的熱交換，還是可以獲得足以用於發生器、蒸發器和解吸器的滿液(flooded)工作的驅動溫度差。因此，採用結構簡單並且技術構造較為便利的滿液式熱交換器對如權利要求1所述的吸收系統特別有利。
本發明的另一個較佳實施例如權利要求10所述為了提高降膜吸收式熱交換器的傳熱係數，在很多吸收系統中，在每單位面積高負載(＝容量/熱交換面積)的吸收式熱交換器內添加了例如2-乙基己醇之類的添加劑，這樣就可以使傳熱係數增大數倍。然而，當每單位面積上低負載時，添加劑而帶來的改善將大幅下降，降低到一個沒有施加添加劑的水平。通過本發明，儘管輸入熱量的溫度有所下降，但是吸收式熱交換器內每單位面積上的負載仍然保持為一個相對較高的值，從而可以很大程度地維持添加劑對熱傳遞的加強作用。這樣就允許吸收系統在只能被相應的大型和/或耐腐蝕的熱交換器利用的輸入熱量、有用熱量、冷媒或有用製冷劑的溫度範圍內工作。
本發明的另一個較佳實施例如權利要求11所述含鹽的液體吸收劑經常有這樣一個缺點，即，在工作介質中稀溶液的蒸發溫度和吸收溫度之間的最大溫度差受到因結晶或者是因接近結晶的溶液的高揮發狀況而產生的限制。根據本發明，在如權利要求1所述的一個系統中，由於通過溶液冷卻器的高度再循環，在吸收式熱交換器內只有鹽含量變化最小的工作介質的高濃度現象發生。有利的是，這樣會產生一個能防止在接近結晶極限的工作點上工作的吸收式熱交換器內發生結晶的很大的安全係數。再循環流速可以獨立於相關溶液迴路或整個系統的其它過程參數來設定。對接近結晶極限的高揮發溶液而言，還有一個決定因素是，在吸收式熱交換器或溶液冷卻器內可以達到相對較佳的傳質和熱交換。因此，可以將吸收器的工作點設定為接近結晶極限，並使吸收器內的蒸汽壓力保持在某一給定的冷媒溫度上，特別是對較窄的溶解範圍。
本發明的另一個較佳實施例如權利要求12所述由於當冷媒的溫度高於在相應外界空氣條件下蒸發的冷卻水的溫度時，空氣沒有被水蒸汽飽和，所以在乾冷的情況下，吸收的熱量必須在一個高於蒸發冷卻情況的溫度下釋放。由於吸收式熱交換器內的傳質和熱交換由溶液冷卻器加強，所以在某一給定的蒸發器或發生器溫度下，可藉助冷媒帶走較高溫度的吸收系統的廢熱。這樣就可以藉助幹的空氣在輸入熱量溫度、蒸發溫度和空氣溫度下使冷凝器或再吸收器、吸收器和溶液冷卻器直接製冷。此外，在只具有較窄溶解範圍的含鹽液體吸收劑的情況下，所述吸收式熱交換器可以在實際高達凝固極限的溫度水平或濃度的情況下工作。在一水/溴化鋰吸收式制冷機的情況下，在5℃的蒸發溫度下，最大的可得濃溶液溫度是大約50℃，因而還是可以特別有效地傳遞廢熱，並且有利的是溶液冷卻器或吸收式熱交換器內的空氣具有足夠的溫度差。因此，溶液冷卻器、吸收式熱交換器和冷凝器可以構造成帶有幹空氣冷卻的熱交換器。
有利的是，根據權利要求13，在沒有採用根據本發明配置的、可用於直接空氣冷卻的吸收式熱交換器和溶液冷卻器的情況下，不能較為經濟地利用乾式製冷，這時，為了使冷凝器和/或吸收式熱交換器和/或溶液冷卻器冷卻，採用乾式再冷器也是有效的。
根據權利要求12和13的直接和間接空氣冷卻相結合也是特別有利的。例如，溶液冷卻器和冷凝器可以由空氣直接冷卻，而在設計成一個標準的滴流式吸收器的吸收式熱交換器的情況下，可以利用藉助流經一乾式再冷器的空氣而冷卻的液體來進行冷卻工作。
根據本發明的配置，如上所述的那樣將吸收器的工作點設置在結晶極限附近，根據權利要求14，可以將溴化鋰/水吸收式製冷系統有效地用於製冰和鹽水製冷。因此，在蒸發器內的一個零下5℃的蒸發器溫度下，吸收器可以在35℃的溫度下工作，這樣還可以有效地將熱量傳遞給冷卻水。
如權利要求15所述，用液體噴射泵作再循環泵是有利的，因為噴射泵比電動的液體泵便宜得多。發生器或溶液熱交換器出口和吸收器之間的壓力差可以被用作原動能，以便利用來自發生器的溶液流作為噴射泵的動力液流，送至噴射泵的抽吸液體是在吸收式熱交換器的出口處排出的溶液，並且可選擇地流經一溶液冷卻器。利用混合噴嘴處的比吸收式熱交換器內的壓力大的超壓，可以在位於噴射泵的各混合噴嘴和吸收式熱交換器的入口之間的一個溶液冷卻器內有利地實現一個較佳的熱傳遞。在例如水之類的工作介質具有較低蒸汽壓力的情況下，必須利用最好是配置在發生器和溶液熱交換器之間的一個溶液泵來產生原動的噴射壓力。
下面將結合說明性的實施例來描述可以達到的各種優點。在附圖中，通過舉例更詳細地描述了本發明。
圖1示出了一個單級吸收系統，其主要元件是冷凝器、蒸發器、吸收器和發生器；圖2a示出了一個單級吸收系統，其主要元件是再吸收器、解吸器、吸收器和發生器；圖2b示出了一個單級吸收系統，其主要元件是一個再吸收器、解吸器、吸收器和發生器，以及兩個作為再循環泵的噴射泵；圖3a-3c示出了用於單級和多級系統的壓力-溫度關係圖。
下面將結合圖1來描述本發明的吸收系統。作為一個例子，圖中所述的一吸收系統只具有一個溶液迴路12，其主要元件是冷凝器1、蒸發器2、構造成一個冷卻的吸收式熱交換器3的吸收器3、和發生器4。冷凝器1和發生器4通過一蒸汽管道11連接，蒸發器2和吸收器3通過一蒸汽管道11連接，工作介質在管道9內傳送，而溶液在溶液迴路12內傳送。標號5表示介質的節流閥，6和19表示控制閥，7表示溶液迴路泵，8表示溶液熱交換器，而21表示一個可選擇配備的溶液泵。根據本發明設置的附加元件是例如兩個溶液冷卻器13/16、另一個泵14、另一個控制閥20和一連接管道18，它們在吸收式熱交換器3的周圍形成了一個再循環迴路。由於作為液/液冷卻器並具有較高傳熱係數的溶液冷卻器13和16可以有利地使溶液再冷卻，並只需要一個較有利的低的驅動溫度差來進行熱傳遞，所以與如上所述的沒有溶液冷卻器13/16的配置情況相比，藉助再冷器的溶液流在吸收式熱交換器3內的強烈地再循環，可以顯著地增加每單位面積的負載或傳質和熱交換。因此，溶液冷卻器13/16和吸收器熱交換器3之間的相互作用可以加強吸收器3內的傳質和熱交換。在這種情況下，再循環的主要作用不是確保吸收式熱交換器3內的潤溼或者是為了控制，而是可以使溶液通過溶液冷卻器13/16再循環，令溶液再冷卻。吸收式熱交換器3內的每單位面積上較高的負載可以較為有利地、間接地導致發生器4和蒸發器2內產生每單位面積上較高的負載，從而加強吸收系統的性能。通過如圖1所示的具有溶液冷卻器13/16和吸收式熱交換器3的本發明的配置，可以較為有利地實現上述的種種技術上的可能性。
如圖1所示，將再循環泵14設置在溶液冷卻器13的上遊是較為有利的，這樣可以在溶液冷卻器13處產生一個高的壓力差，從而在溶液冷卻器13內獲得有利於傳熱的湍流。因此，可以非常緊湊並廉價地來構造溶液冷卻器13，溶液冷卻器16可以選擇地加以省略。在工作介質具有較低在蒸汽壓力，例如水的情況下，設置溶液冷卻器13是較佳的，因為溶液冷卻器16處存在相應的高壓力差，在溶液冷卻器16內將產生空穴。
另一個較佳的實施例是將溶液冷卻器16設置在再循環泵14的上遊，例如在工作介質具有較高蒸汽壓力的情況下，這樣第一可以冷卻溶液，第二可以確保溶液在抽吸時不發生空穴。因此，有利的是，可以省略泵14抽吸頭或技術上較複雜的導流設備。
如圖1所示，在泵14的抽吸側設置一第一溶液冷卻器16，在泵14的壓力側設置一個具有相對較高壓力損失的第二溶液冷卻器13，這種組合是較為有利的。如上所述，這種配置可以使對再循環泵的要求較低，並且可以在第二溶液冷卻器13內導致一較高的熱傳遞。有利的是，可以在某個具有相應數量通道的熱交換器殼體內將溶液冷卻器13和16組合使用。
有利的是，泵14同時還可以充當溶液迴路泵7的供給泵。由於泵14的下遊的入口壓力遠在溶液的沸騰壓力之上，一部分液流可以有利地被用來供給溶液迴路泵7，因而該泵無需任何有關泵設計的專門的要求，特別是可以具有一較小的入口橫截面。有利的是，充當供給泵的再循環泵14和溶液迴路泵7可以組合在一個殼體內。
根據吸收器3和發生器4的壓力，較有利的是可以用一單個的泵來替換再循環泵14和溶液迴路泵7，這時，經過連接管道18以及在溶液迴路12內的溶液的流速是通過控制閥19和20在泵的出口處設定的。特別是當吸收器和發生器4之間具有較小的蒸汽壓力差的情況下，也就是與在吸收系統內採用具有較低蒸汽壓力的工作介質，例如水或乙醇時發生的情況一樣，這樣的方案是可以構想的。
如圖1所示，較有利的是，為了維持吸收器3內的吸收過程，將來自發生器4的工作介質的熱稀溶液供給至溶液冷卻器13的入口處。在這種情況下，較為便利的是，當溶液被供給至吸收式熱交換器3之前，熱的溶液已在溶液冷卻器13內冷卻，該冷卻器作為一液/液冷卻器，藉助其較佳的傳熱係數有效地使溶液冷卻。在含鹽的液體吸收介質的情況下，將來自發生器4的非常稀的熱溶液與從吸收式熱交換器3經過管道18而來的溶液相混合的有利之處在於，鹽分在節流時從溶液中結晶出來，因而可以防止溶液在溶液冷卻器13內進一步地冷卻。有利的是，這樣就可以將控制閥6省略，或是將它安裝在溶液冷卻器13的下遊。在工作介質於發生器4和吸收器3之間具有一較低的蒸汽壓力差的情況下，必須在發生器4和溶液熱交換器8之間安裝一個附加的溶液泵21。由此，可以在溶液冷卻器13的入口處將來自發生器4的溶液的壓力升高至與來自循環泵14的溶液相同，同時在溶液熱交換器8內還可以實現較佳的熱交換。或者，如果來自溶液熱交換器8的工作介質的稀溶液是在再循環泵14的上遊或是在溶液冷卻器16的入口處混合，就可以省略溶液泵21。
此外，包括溶液冷卻器13/16、泵14和控制閥20的再循環迴路形成了一個用於控制吸收式熱交換器3內熱傳遞的控制配置。例如，通過設定冷媒和/或溶液流經溶液冷卻器13/16時的流速，就可以在很寬的範圍內改變吸收器3內每單位面積的負載或熱傳遞。這可以較為有利地使該系統能令吸收器3和溶液冷卻器13/16內的冷卻水溫度發生變化。因此，可以省略採用一個相對較為複雜的、利用吸收器3內的返回液流來控制冷卻水流溫度的裝置。
包括溶液冷卻器13/16、再循環泵14和控制閥19及20的再循環迴路還可以是一個用於控制系統容量的控制配置。如上所述，通過設定溶液或冷媒流經溶液冷卻器13/16的流速，就可以有利地設定系統的能量交換，但是另一方面，即使當再循環迴路12內的溶液循環速度實際為零，還是可以確保吸收式熱交換器3的完全潤溼。
由於通過如圖1所示之實施例的裝置中的溶液冷卻器13/16和吸收式熱交換器3可以實現高效地傳質和熱交換，所以只需要一個相對較小的驅動溫差即可。因此，即使在一個較低的輸入溫度下，對冷凝器1、蒸發器2和發生器4之類其它元件內的熱傳遞而言，仍然有足夠用於一滿液式蒸汽發生器熱交換器4或蒸發器熱交換器2較高的溫度差。因此，技術結構上非常簡單而且便利的滿液式熱交換器2和4構成了一個對如權利要求1所述的吸收系統特別有利的技術方案。
根據實施例1的系統的另一個優點是，由於結合了例如2-乙基己醇之類的添加劑，所以能提高諸如降膜吸收式熱交換器之類的吸收器3的傳熱係數，所述添加劑可在每單位面積高負載的情況下將傳熱係數提高數倍，但在每單位面積低負載的情況下只有非常小的作用或沒有什麼作用。根據本發明，通過圖1中所示的如權利要求1所述的配置，儘管輸入熱量溫度在發生器4處下降，但是吸收式熱交換器3內的每單位面積的負載仍然保持為一個相對較高的值，從而可以最優化地維持添加劑的加強傳熱的效果。這樣就可以使吸收系統在迄今為止只能利用相應較大和/或耐腐蝕的熱交換器才能達到的輸入熱量、有用熱量、冷媒或有用製冷的溫度範圍內工作。
當在如圖1所示的那個系統的溶液迴路12中採用含鹽的液體吸收介質時，可以較有利地防止工作介質的稀溶液在蒸發器2內的蒸發溫度和在吸收器3內的吸收溫度之間的最大溫差因為結晶限制或高揮發的緣故而受到限制。根據本發明，在這樣一個系統中，由於可通過循環泵14來調節溶液的流速，所以在吸收式熱交換器3內只有鹽份含量變化最小的濃的工作介質才會發生強烈的集中。有利的是，這樣可以在吸收式熱交換器3內獲得一個防止結晶的很高的安全係數。經過溶液冷卻器13/16的較高的再循環流速可以獨立於溶液迴路12或總系統內的其它過程參數來穩定地控制。特別是，在溶液因為接近結晶點而變得非常粘稠，因而在吸收式熱交換器3內的熱傳遞較差的情況下，藉助本發明的吸收式熱交換器3和溶液冷卻器13/16可以達到較佳的傳質和熱交換。因此，可以將例如溴化鋰/水型吸收製冷系統有效地用於鹽水製冷和製冰。例如當蒸發器2內的蒸發器溫度為零下5℃時，可以獲得的工作介質的濃溶液的溫度仍然是35℃，它可以有效地傳遞給冷卻水，原因如上所述。
如上所述，由於對冷媒的熱傳遞得到增強，所以本發明使得在吸收系統內用幹空氣製冷的範圍有所擴大，在這種情況下，冷凝器1和/或吸收式熱交換器3和/或溶液冷卻器13/16被構造成具有幹空氣製冷的熱交換器。出於上述原因，在採用含鹽液體吸收介質的情況下，可以較為有利地將該吸收式熱交換器3的工作點設定為結晶溶液的凝固極限，如上所述，這樣就可以使具有直接或間接空氣製冷的吸收製冷系統的利用範圍擴大。例如，當用溴化鋰/水材料組合的吸收制冷機的蒸發器2內處於5℃的蒸發溫度時，工作介質濃溶液在吸收器3內可以獲得的最大溫度是大約50℃。通過根據本發明而設置溶液冷卻器13/16和吸收式熱交換器3，需要從冷凝器和吸收器除去的熱量還是可以直接或間接地傳遞給空氣，而且仍然有效並有利地具有足夠的溫差，即使當鹽分集中因而溶液非常粘稠仍然如此。有利的是，就製冷而言，例如溶液冷卻器13/16和吸收式熱交換器3，在沒有溶液冷卻器13/16就不能有效地進行乾式製冷的情況下，可以採用一乾式再冷器。
根據本發明的另一個說明性實施例如圖2a所示的再吸收式制冷機所示。代替冷凝器1和蒸發器2的是，本發明具有一作為吸收式熱交換器31的再吸收器31、一解吸器32、以及另一個溶液迴路42、溶液熱交換器38、迴路泵37和控制閥36和49。有利的是，該系統不但在吸收器3處具有如上結合圖1所述的、由吸收式熱交換器3和溶液冷卻器13/16組成的本發明的配置，而且作為吸收式熱交換器31的再吸收器以及溶液冷卻器43及46、管道48、泵44和控制閥50也形成了一個再循環迴路。在吸收器3處的再循環迴路可以達到像以上結合圖1描述的本發明第一實施例一樣的效果。
在一單級系統中，泵44不能用作溶液迴路泵37的供給泵，也不能像泵7和14那樣將泵37和44較有利地設計成一個泵。相反，在多級系統中，較有利的是，可以用泵44作為上一級下遊的供給泵或者是作為溶液迴路泵。在吸收器3和在再吸收器31處分別連接由溶液冷卻器13/16和43/46以及泵14和44組成的再循環迴路是較有利的，因為它們可以像圖3a解釋的那樣額外降低輸入熱量的溫度。當再吸收傳熱器或者是多級再吸收制冷機的情況下，另一個有利之處在於，它能送給來自壓力較高的或者是處於溶液冷卻器43的入口溫度下的熱溶液流，因為可以在溶液冷卻器43內有效地去除熱量，圖2b示出了一個與圖2a類似的吸收系統，其主要的區別在於，用液體噴射泵14和44分別代替了機械的溶液泵14和44。用於噴射泵14和44的動力液體是來自溶液迴路12內的發生器4的溶液或在溶液迴路42內由泵37賦予相應壓力的溶液。因此，在噴射泵的情況下，可利用發生器4和吸收器3之間的壓力差，這個壓力差在例如氨/水型吸收系統的情況下足夠大。在發生器4和吸收器3之間只有較小壓力差的材料組合下，例如溴化鋰/水，可藉助發生器4和溶液熱交換器8之間的一個溶液泵21而在溶液熱交換器8內實現較佳的熱傳遞。較有利的是，可以以這樣一種方式來設計溶液泵21，即，除了溶液熱交換器8內的壓力差之外，該泵還可以提供足以用於噴射泵14的動力液體的壓力。在噴射泵14和44的抽吸側，溶液分別從吸收式熱交換器3或溶液冷卻器46的出口送給。在噴射泵14或44的混合出口處，可以利用比吸收式熱交換器3或31內的壓力大的超壓，分別在溶液冷卻器13或43內實現較佳的熱傳遞。在該再循環迴路內可以省略比噴射泵14或44昂貴的溶液泵。
結合圖3a-c所示的壓力-溫度關係圖，可以看出將本發明應用於單級和多級吸收制冷機時熱量轉換的溫度水平。各箭頭示出了各種溫度水平，並說明了是否供給或除去熱量。對圖3a所示的一單級吸收制冷機而言，在解吸器和發生器處供給的熱量分別由60以及62和62』表示，而在解吸器和發生器處除去的熱量的內部處理溫度則分別由61和61』，以及63和63』表示。在不具有包括一溶液冷卻器的再循環迴路的情況下，在發生器處供給的溫度為62』，在吸收器處被除去的內部處理溫度是61』，在再吸收器處被除去的內部處理溫度是63』。藉助根據本發明而在再循環迴路內附加的溶液冷卻器，可以較為有利地將熱量被除去時的內部處理溫度變成較低的內部處理溫度，由於增大了再吸收器和吸收器內的傳熱係數，所以可將蒸發器處的輸入熱量也變成較低的輸入溫度。在發生器處的溫度變化由62」表示，有利的是，它可以由在吸收器處的溫度變化61」和在再吸收器處的溫度變化63」疊加而成。相反，如果輸入熱量溫度停留在初始值62』處，那麼整個系統的容量就增大了。也就是說，在蒸發器和發生器處每單位熱交換面積上的能量轉換也相應地增大，因而使它們的傳熱係數也同樣增大。相反，如果系統的容量保持恆定，可以選擇使所需輸入熱量62或62』或者是在解吸器或蒸發器處可獲得的製冷容量60的溫度降低。相應地，對單級的傳熱器而言，在絕熱式吸收器或再吸收器處採用溶液冷卻器可以有選擇地降低所述的輸入熱量溫度或冷卻水溫度，或者是增大可獲得的負載溫度。藉助至少一個具有一溶液冷卻器的吸收式熱交換器的單級系統而能實現的優點，同樣也可以由下文中結合圖3b和3所描述的多級系統的例子來實現。
圖3b所示的一個壓力-溫度示關係圖說明了將本發明應用於一兩級式吸收制冷機的例子。在該吸收制冷機中，輸入熱量是以比單級系統高的溫度62和62』供給的，並在該系統中連續使用兩次以萃取溶液，因此可以將特性係數提高到大約1.2。例如，只需藉助一個根據本發明的具有一附加溶液冷卻器的吸收式熱交換器，就可以使吸收器處用於隔絕吸收器熱量的內部處理溫度從61』下降61」至61，致使該兩級吸收和再吸收制冷機所需的輸入熱量溫度至少下降大約61」的兩倍，即約等於從62』至62的62」。根據本發明，這樣就可以藉助低壓蒸汽格柵在大約130℃的溫度下驅動效率較高的兩級吸收制冷機。可選擇的是，在與單級系統一樣的輸入熱量溫度和有用製冷溫度的情況下，用於去除冷凝器或吸收器內熱量的冷媒的溫度可被升高，因而可以在無需消耗冷卻水的情況下藉助幹空氣來冷卻系統。
在圖3c所示的壓力-溫度關係圖中，說明了一個高效的三級吸收制冷機。通過進一步地提高輸入熱量溫度，可將吸收制冷機的特性係數從兩級系統的1.2提高至大約1.5。在此，例如通過吸收器處的一個具有一溶液冷卻器的吸收式熱交換器，就可以使用於隔絕吸收器熱量的內部處理溫度從溫度61』處下降61」至61，致使這些系統的高溫發生器在62處所需的發生器溫度下降了大約61」的兩倍。通過在高溫吸收器處另外添加一個根據本發明的再循環迴路，就可以使該溫度總地再下降大約61」的三倍，即62」。根據本發明，即使在三級的吸收或再吸收系統中，也能使62處的發生器溫度保持為在已知的腐蝕極限溫度150至160℃以下，因而能維持這種類型系統的正常工作。
標號清單1冷凝器2蒸發器3吸收器，設計成冷卻的吸收式熱交換器4發生器5工作介質節流閥6控制閥7溶液迴路泵8溶液熱交換器
9管道10蒸發器與解吸器和吸收器之間的蒸汽管道11發生器和冷凝器或再吸收器之間的蒸汽管道12溶液迴路13溶液冷卻器14再循環泵，構造成機械的液體泵或者是在圖2b中示出的液體噴射泵16溶液冷卻器18連接管道19控制閥20控制閥21溶液泵31再吸收器，構造成冷卻的吸收式熱交換器32解吸器36控制閥37溶液迴路泵42溶液迴路43溶液冷卻器44再循環泵，構造成機械的液體泵，或者是在圖2b中示出的液體噴射泵46溶液冷卻器48管道49控制閥50控制閥60在解吸器或蒸發器處供給的熱量61在設有溶液冷卻器的吸收器處除去的熱量的內部處理程溫度61』在沒有設置溶液冷卻器的吸收器處除去的熱量的內部處理溫度61」在吸收器處變化的溫度62當在吸收器或再吸收器處設有溶液冷卻器時，在發生器處供給的熱量62』當在吸收器或再吸收器處沒有溶液冷卻器時，在發生器處供給的熱量62」在發生器處的溫度變化63在設有溶液冷卻器的再吸收器或者是在冷凝器處除去的熱量的內部處理溫度63』在沒有溶液冷卻器的再吸收器或者是在冷凝器處除去的熱量的內部處理溫度63」在再吸收器處的溫度變化
權利要求
1.單級或多級的熱量吸收轉換系統，例如熱泵、製冷系統或傳熱器，具有至少一個構造成冷卻吸收式熱交換器的吸收器(3)和/或在吸收器(31)，其特徵在於，在所述至少一個冷卻吸收式熱交換器(3或31)的周圍形成了一個再循環迴路，它具有至少一個溶液冷卻器(13，16或43，46)和至少一個泵(14或44)。
2.如權利要求1所述的熱量吸收轉換系統，其特徵在於，所述至少一個再循環泵(14或44)連接在吸收式熱交換器(3或31)的出口和溶液冷卻器(13或43)的入口之間。
3.如上述權利要求中任一項所述的熱量吸收轉換系統，其特徵在於，所述至少一個再循環泵(14或44)連接在吸收式熱交換器(3或31)的入口和溶液冷卻器(16或46)之間。
4.如上述權利要求中任一項所述的熱量吸收轉換系統，其特徵在於，所述至少一個再循環泵(14)可以是用於一下遊溶液迴路泵(7)的供給泵或第一級。
5.如上述權利要求中任一項所述的熱量吸收轉換系統，其特徵在於，所述至少一個再循環泵(14)同時是一個溶液迴路泵(7)。
6.如上述權利要求中任一項所述的熱量吸收轉換系統，其特徵在於，用於來自一溶液迴路(12或42)的熱或冷溶液的管道連接至溶液冷卻器(13)或吸收式熱交換器(31)的入口。
7.如上述權利要求中任一項所述的熱量吸收轉換系統，其特徵在於，所述至少一個再循環泵(14或44)和/或至少一個溶液冷卻器(13，16或43，46)是一種在吸收式熱交換器(3或31)傳熱的控制配置。
8.如上述權利要求中任一項所述的熱量吸收轉換系統，其特徵在於，所述再循環迴路(13，16，14，18，20或43，46，44，48，50)是一種系統容量的控制配置。
9.如上述權利要求中任一項所述的熱量吸收轉換系統，其特徵在於，至少一個蒸發器(2)和/或一發生器(4)和/或一解吸器(32)是一個滿液式的熱交換器。
10.如上述權利要求中任一項所述的熱量吸收轉換系統，其特徵在於，在所述至少一個吸收式熱交換器(3或31)內具有可加強熱傳遞的添加劑。
11.如上述權利要求中任一項所述的熱量吸收轉換系統，其特徵在於，在所述熱量吸收轉換系統內具有含鹽的液體吸收介質。
12.如上述權利要求中任一項所述的熱量吸收轉換系統，其特徵在於，所述至少一個冷凝器(1)和/或至少一個吸收式熱交換器(3或31)和/或至少一個溶液冷卻器(13，16或43，46)的熱交換從技術上是構造成能藉助空氣來冷卻。
13.如上述權利要求中任一項所述的熱量吸收轉換系統，其特徵在於，所述至少一個冷凝器(1)和/或至少一個吸收式熱交換器(3或31)和/或至少一個溶液冷卻器(13，16或43，46)的冷媒連接件與至少一個乾式再冷卻器的冷媒連接件相連。
14.如上述權利要求中任一項所述的熱量吸收轉換系統，其特徵在於，所述系統是一個用於製冰和/或鹽水製冷的吸收製冷系統。
15.如上述權利要求中任一項所述的熱量吸收轉換系統，其特徵在於，所述再循環泵(14或44)是構造成一液體噴射泵(14或44)，動力介質連接於溶液迴路(12或42)，溶液噴嘴通過一管道(18或48)連接於再循環迴路，而混合噴嘴連接於溶液冷卻器(13或43)或吸收式熱交換器(3或31)的入口。
全文摘要
本發明涉及一種熱量吸收轉換系統,具有一單級或兩級的制熱或制冷機組,該機組具有設計成吸收式熱交換器的至少一個吸收器(3)和/或再吸收器(3),其附加元件包括至少一個溶液冷卻器(13)和/或(16)以及一泵(14),它們與吸收式熱交換器(3)、管道(18)和控制閥(20)一起形成了一個再循環迴路。
文檔編號B60H1/32GK1199456SQ96197608
公開日1998年11月18日 申請日期1996年10月14日 優先權日1995年10月14日
發明者P·裡奇 申請人:阿伯索泰克節能體系有限兩合公司