一种多级板式蒸发吸收式制冷装置和方法.pdf

本发明涉及多级板式蒸发吸收式制冷方设备及方法。改变吸收式制冷机组原有发生器和冷凝器进行稀溶液浓缩生成冷剂水蒸汽再进行冷凝的方式，而是采用一种由多组板式蒸发单元组合的连续蒸发浓缩稀溶液，稀溶液蒸发过程产生的冷剂水蒸汽的冷凝潜热被完全的回收并利用制成再生蒸汽，再生蒸汽通过机械蒸汽再压缩的方式提高了压力和温度，使得再生蒸汽可以替代原输入的生蒸汽作为热源使用；大大的提高了能效比，COP达到5～6；同时因无冷凝热的排放，减少了50％的冷却水用量；多级蒸发单元的前置几效主要作用于稀溶液的连续浓缩。

权利要求书
1.  一种多级板式蒸发吸收式制冷装置，其特征在于包括：
冷剂水蒸发器，包括进口，
吸收器，包括出口和进口，
其特征在于还包括以下设备：
四路溶液换热器，包括两个冷侧通路：第一和第二冷侧通路，以及一个热侧通路，第一冷侧通路的进口与吸收器的出口通过管道连接，热侧通路的出口与吸收器的进口通过管道连接，第二冷测通路与生活水管道连接，第一冷侧通路的出口为两个：第一冷侧通路的第一出口和第一冷侧通路的第二出口，蒸汽混合器，具有生蒸汽进口、再生蒸汽进口，以及出口，生蒸汽进口与生蒸汽管道连接；
第一相变换热器，其热侧进口通过管道与蒸汽混合器出口连接，冷侧进口与四路溶液换热器的第一冷侧通路的第一出口通过管道连接，
第四板式换热器，热侧进口与第一相变换热器的热侧出口通过管道连接，冷侧进口与生活水管道连接，
第一闪蒸汽液分离器，具有进口，顶部气相出口和底部液相出口，其进口与第一相变换热器的冷侧出口通过管道连接，
第二相变换热器，其热侧进口通过管道与第一闪蒸汽液分离器的气相出口连接，其冷侧进口通过管道与四路溶液换热器的第一冷测通路的第二出口连接，
第二闪蒸汽液分离器，具有进口，顶部气相出口和底部液相出口，其进口与第二相变换热器的冷侧出口通过管道连接；其液相出口与第一闪蒸汽液分离器出口通过管道合并后接入四路溶液换热器的热侧进口连接，
第三相变换热器，其热侧进口与第二闪蒸汽液分离器的气相出口通过管道连 接，其冷侧进口通过管道与第四板式换热器的热侧出口通过管道连接，其热侧出口与第二相变换热器的热侧出口通过管道合并后与冷剂水蒸发器的进口通过管道连接，
凝结水液位控制器，具有出口、进口和排水口，其出口通过管道与第四板式换热器与第三相变换热器之间连接的管道相通；
第三闪蒸汽液分离器，具有进口，顶部气相出口和底部液相出口，其进口与第三相变换热器的冷侧出口通过管道连接，液相出口与凝结水液位控制器的进口通过管道连接；
机械蒸汽压缩泵，其进口与第三闪蒸汽液分离器的气相出口通过管道连接，其出口通过管道与蒸汽混合器的再生蒸汽进口通过管道连接。

2.  如权利要求1所述的多级板式蒸发吸收式制冷装置，其特征在于所述的机械蒸汽压缩泵具有自动测定饱和度的补水箱。

3.  如权利要求1所述的多级板式蒸发吸收式制冷装置，其特征在于所述的第一、第二、第三相变换热器为板式换热器、板式蒸发器、板式冷凝器或管壳式换热器。

4.  如权利要求1所述的多级板式蒸发吸收式制冷装置，其特征在于所述的机械蒸汽压缩泵为单级或多级风机及压缩泵的组合，其结构形式为罗茨式、离心式、往复式或螺杆式。

5.  一种权利要求1所述的多级板式蒸发吸收式制冷装置的制冷方法，其特征在于：
来自吸收器的稀溶液进入四路溶液换热器与浓缩液换热后分别进入所述的第一和第二相变换热器：
来自吸收器的一部分稀溶液进入第一相变换热器进行换热，换热后的冷剂水 进入第一闪蒸汽液分离罐分离成气相的冷剂水蒸汽和液相的浓缩液，
来自吸收器的另一部稀溶液进入第二相变换热器与来自第一闪蒸汽液分离罐的冷剂水蒸汽进行换热，换热后的稀溶液进入第二闪蒸汽液分离罐分离成气相的冷剂水蒸汽和液相的浓缩液，
另一路冷水以及来自吸收罐的冷剂水通过四路溶液换热器吸收来自第一和第二闪蒸汽液分离罐的冷剂水浓缩液的余热产生热水。

6.  如权利要求5所述的余热回收方法，其特征在于在第一相变换热器中换热过的蒸汽混合气进入第三相变换热器吸收来自第二闪蒸汽液分离罐的冷剂水蒸汽相变热后，进入第三闪蒸汽液分离罐，气相的蒸汽混合气进入机械蒸汽压缩泵生成再生蒸汽，与生蒸汽在蒸汽混合罐中进行混合，产生蒸汽混合气进入第一相变换热器中与所述的稀溶液换热。

7.  如权利要求5所述的余热回收方法，其特征在于经过第二和第三相变换热器换热后的冷剂水蒸汽凝液进入吸收器，并被冷媒水冷却。

说明书一种多级板式蒸发吸收式制冷装置和方法
[技术领域]
本发明涉及余热回收装置和方法，具体涉及一种多级板式蒸发吸收式制冷装置和方法。
[背景技术]
传统的吸收式制冷方法已经有近百年的生产历史，采用基本定型的热力学过程和设备；在实际使用中，用得最多的是用于空调的溴化锂吸收式制冷循环和用于制冷、空调的氨吸收式制冷循环。近几十年由于受“蒙特利尔协议”规定的影响，减少氟碳化物的使用，以及利用余热作为驱动热源对减少碳排放具有的意义，吸收式制冷方法得到了较大的推广和发展，例如中国专利CN200510060377.7“多能源驱动的溴化锂制冷空调机”专利中，利用了太阳能、微波和燃油(气)多种能源，日本专利2009-236440“Gas heat pup type air conditioning device or refrigerating device”和2009-236441“Heat pup type refrigerating device”开发了用气体发动机废热作为空调、制冷机热源的吸收式制冷方法。此种制冷方法多应用于低温余热的利用。但这些改进都不能提高吸收式制冷循环本身的能效比。最新的GB 29540-2013《溴化锂吸收式冷水机组能效限定值及能效等级》标准中确定双效溴化锂吸收式制机组的COP为1.12～1.4，而双效溴化锂制冷机的输入热源蒸汽为150℃甚至更高温度，而氨-水吸收式制机组冷COP仅在0.3～0.4。由于蒸汽机械压缩热泵具有能用很小的机械功提升低温余热蒸汽的显热，变为高温蒸汽就可回收其潜热，作为高温热源利用，因此在热能系统中受到重视，在中国专利CN201010198705.0“通过热泵提取电厂 余热加热冷凝水系统”；中国专利CN20101063699.5“热电联产耦合热泵实现区域冷热联供系统及方法”；中国专利CN200910223748.7“低温余热发电系统乏汽冷凝过程自耦冷源热泵循环装置”；中国专利CN201010163688.7“电厂循环水热泵耦合热电联产的集中供暖系统及方法”都涉及了利用低温热源，包括水和蒸汽，通过热泵机组提高整个热电联产的发电供热系统的能效比；但都没有涉及到利用蒸汽机械压缩热泵应用于制冷、空调循环中的问题，以提高制冷机组本身的能效比问题。
吸收式制冷方法的能效比低的其中一基本原因是在高压发生器冷剂水进行浓缩时吸热生成的制冷剂蒸汽需要吸收大量的热能，而制冷剂蒸汽所含的热量在冷凝过程中释放出相变热被排放到系统外，得不到回收利用；而制冷剂在低压蒸发器中吸收冷媒循环水的低温热能进而生成低温低压冷剂蒸汽，该冷剂蒸汽进入吸收器又有汽相转变为液相，相变所释放的热量，通常也被排放到制冷系统外，也没有得到回收利用。在CN201020188184.6“双效第二类溴化锂吸收式热泵机组”中只是开发了一种供热的热泵机组，没有解决上述循环中排放热的回用。在CN200820115165.3“一种冷热双向同时利用的单效型第三种吸收式热泵”，因为利用了一部分的排放热，用于供热，可以同时供冷和供热，COP可达2.2～2.6。但因为并不是重新回用于系统，减少驱动制冷系统能量输入，所以不能根本上解决排放热的回用问题。也没有解决低能效比的问题，因此制冷和采暖的能效比，仍都很低。
吸收式制冷、空调循环造价高的重要原因是，传统上多采用管壳式换热设备和喷淋传质方法，传热、传质系数低，换热面积大，还需要循环泵，反复喷淋吸收溶液和制冷剂，而在中国专利CN200480010361.9“带外部回路的吸收器和热交换器以及包括该吸收器或热交换器的热泵系统和空调系统”用板式换热 器作为吸收器或冷凝器，以提高换热效率，包括美国专利US6176101 B1“FLAT-PLATE ABSORBERS AND EVAPORATORS FOR ABSORPTION COOLERS”则将冷凝器和吸收器组装在一个板式换热器中，这种设备为回收冷凝热提供了可能，但该专利没有为解决吸收式制冷方法的能效比提高和降低系统造价提出解决方案。
[发明内容]
本发明的目的在于提高多级板式蒸发吸收式制冷装置的能效比。
为了实现上述目的，发明一种多级板式蒸发吸收式制冷装置，包括：
冷剂水蒸发器，包括进口，
吸收器，包括出口和进口，
其特征在于还包括以下设备：
四路溶液换热器，包括两个冷侧通路：第一和第二冷侧通路，以及一个热侧通路，第一冷侧通路的进口与吸收器的出口通过管道连接，热侧通路的出口与吸收器的进口通过管道连接，第二冷测通路与生活水管道连接，第一冷侧通路的出口为两个：第一冷侧通路的第一出口和第一冷侧通路的第二出口，
蒸汽混合器，具有生蒸汽进口、再生蒸汽进口，以及出口，生蒸汽进口与生蒸汽管道连接；
第一相变换热器，其热侧进口通过管道与蒸汽混合器出口连接，冷侧进口与四路溶液换热器的第一冷侧通路的第一出口通过管道连接，
第四板式换热器，热侧进口与第一相变换热器的热侧出口通过管道连接，冷侧进口与生活水管道连接，
第一闪蒸汽液分离器，具有进口，顶部气相出口和底部液相出口，其进口与第一相变换热器的冷侧出口通过管道连接，
第二相变换热器，其热侧进口通过管道与第一闪蒸汽液分离器的气相出口连接，其冷侧进口通过管道与四路溶液换热器的第一冷测通路的第二出口连接，
第二闪蒸汽液分离器，具有进口，顶部气相出口和底部液相出口，其进口与第二相变换热器的冷侧出口通过管道连接；其液相出口与第一闪蒸汽液分离器出口通过管道合并后接入四路溶液换热器的热侧进口连接，
第三相变换热器，其热侧进口与第二闪蒸汽液分离器的气相出口通过管道连接，其冷侧进口通过管道与第四板式换热器的热侧出口通过管道连接，其热侧出口与第二相变换热器的热侧出口通过管道合并后与冷剂水蒸发器的进口通过管道连接，
凝结水液位控制器，具有出口、进口和排水口，其出口通过管道与第四板式换热器与第三相变换热器之间连接的管道相通；
第三闪蒸汽液分离器，具有进口，顶部气相出口和底部液相出口，其进口与第三相变换热器的冷侧出口通过管道连接，液相出口与凝结水液位控制器的进口通过管道连接；
机械蒸汽压缩泵，其进口与第三闪蒸汽液分离器的气相出口通过管道连接，其出口通过管道与蒸汽混合器的再生蒸汽进口通过管道连接。
该设备还具有如下优化结构：
所述的机械蒸汽压缩泵具有自动测定饱和度的补水箱。
所述的第一、第二、第三相变换热器为板式换热器、板式蒸发器、板式冷凝器或管壳式换热器。
所述的机械蒸汽压缩泵为单级或多级风机及压缩泵的组合，其结构形式为罗茨式、离心式、往复式或螺杆式。
本发明还包括一种多级板式蒸发吸收式制冷装置的制冷方法：
来自吸收器的稀溶液进入四路溶液换热器与浓缩液换热后分别进入所述的第一和第二相变换热器：
来自吸收器的一部分稀溶液进入第一相变换热器进行换热，换热后的冷剂水进入第一闪蒸汽液分离罐分离成气相的冷剂水蒸汽和液相的浓缩液，
来自吸收器的另一部稀溶液进入第二相变换热器与来自第一闪蒸汽液分离罐的冷剂水蒸汽进行换热，换热后的稀溶液进入第二闪蒸汽液分离罐分离成气相的冷剂水蒸汽和液相的浓缩液，
另一路冷水以及来自吸收罐的冷剂水通过四路溶液换热器吸收来自第一和第二闪蒸汽液分离罐的冷剂水浓缩液的余热产生热水。
上述工艺还具有如下优化方案：
在第一相变换热器中换热过的蒸汽混合气进入第三相变换热器吸收来自第二闪蒸汽液分离罐的冷剂水蒸汽相变热后，进入第三闪蒸汽液分离罐，气相的 蒸汽混合气进入机械蒸汽压缩泵生成再生蒸汽，与生蒸汽在蒸汽混合罐中进行混合，产生蒸汽混合气进入第一相变换热器中与所述的稀溶液换热。
经过第二和第三相变换热器换热后的冷剂水蒸汽凝液进入吸收器，并被冷媒水冷却。
本发明提出了对溴化锂吸收式制冷的最优化设计，使机组可具有超高能效比，COP可达5.5～6。
本发明将热源蒸汽凝结水和浓溶液余热通过板式换热器回收，制成生活热水输出使用。
本发明对各种制冷剂和吸收剂对沸点相差很小的情况，还提出了一种精馏型带蒸汽相变热回收单元组件的吸收式制冷、空调和热泵采暖循环的构思。例如氨-水吸收式制冷机组。
[附图说明]
图1为实施例的设备结构流程图；
图中1.蒸汽混合罐 2.第一板式内耦合相变换热器 3.第一闪蒸分离罐 4.第二板式内耦合相变换热器 5.第二闪蒸分离罐 6.第三板式内耦合相变换热器 7.第三闪蒸分离罐 8.自动补水箱 9.真空泵 10.四路溶液换热器 11.机械蒸汽压缩泵 12.板式换热器 13.生蒸汽进口 14.生活水进出口 15.生活水进出口 16冷媒水进出口 17冷却水进出口 20.凝结水液位器 21冷剂水蒸发器 22低压吸收器 C.补水入口
[具体实施方式]
以下，结合实施例和附图对于本发明做进一步说明，实施例和附图仅用于解释说明而不用于限定本发明的保护范围。
一、如图1所示，本实施例中的装置如下：
如图1所示：
冷剂水蒸发器，包括进口，
吸收器，包括出口和进口，
四路溶液换热器，包括两个冷侧通路：第一和第二冷侧通路，以及一个热侧通路，第一冷侧通路的进口与吸收器的出口通过管道连接，热侧通路的出口与吸收器的进口通过管道连接，第二冷测通路与生活水管道连接，第一冷侧通路的出口为两个：第一冷侧通路的第一出口和第一冷侧通路的第二出口，
蒸汽混合器，具有生蒸汽进口、再生蒸汽进口，以及出口，生蒸汽进口与生蒸汽管道连接；
第一相变换热器，其热侧进口通过管道与蒸汽混合器出口连接，冷侧进口与四路溶液换热器的第一冷侧通路的第一出口通过管道连接，
第四板式换热器，热侧进口与第一相变换热器的热侧出口通过管道连接，冷侧进口与生活水管道连接，
第一闪蒸汽液分离器，具有进口，顶部气相出口和底部液相出口，其进口与第一相变换热器的冷侧出口通过管道连接，
第二相变换热器，其热侧进口通过管道与第一闪蒸汽液分离器的气相出口 连接，其冷侧进口通过管道与四路溶液换热器的第一冷测通路的第二出口连接，
第二闪蒸汽液分离器，具有进口，顶部气相出口和底部液相出口，其进口与第二相变换热器的冷侧出口通过管道连接；其液相出口与第一闪蒸汽液分离器出口通过管道合并后接入四路溶液换热器的热侧进口连接，
第三相变换热器，其热侧进口与第二闪蒸汽液分离器的气相出口通过管道连接，其冷侧进口通过管道与第四板式换热器的热侧出口通过管道连接，其热侧出口与第二相变换热器的热侧出口通过管道合并后与冷剂水蒸发器的进口通过管道连接，
上述的第一、第二、第三相变换热器可以采用板式内耦合相变换热器，也可以采用其他常规的如板式换热器、板式蒸发器、板式冷凝器或管壳式换热器等类型的换热器。
凝结水液位控制器，具有出口、进口和排水口，其出口通过管道与第四板式换热器与第三相变换热器之间连接的管道相通；
第三闪蒸汽液分离器，具有进口，顶部气相出口和底部液相出口，其进口与第三相变换热器的冷侧出口通过管道连接，液相出口与凝结水液位控制器的进口通过管道连接；
机械蒸汽压缩泵，其进口与第三闪蒸汽液分离器的气相出口通过管道连接，其出口通过管道与蒸汽混合器的再生蒸汽进口通过管道连接，机械蒸汽压缩泵具有自动测定饱和度的补水箱，其可以采用常规的蒸汽压缩本，是单级或多级风机及压缩泵的组合，其结构形式可以为罗茨式、离心式、往复式或螺杆式。
本实施例中的原热源是生蒸汽和再生蒸汽的混合物，当然也可以是蒸汽或热水；吸收器中上部具有冷媒管道，图中16为冷媒工质进出口；吸收器的下部具有冷却水管道，图中17为冷却水进出口；C为补水进口。在此机组中采用了包括由蒸汽机械压缩机内热泵11和三组板式内耦合相变换热器2、4、6和与换热器配组的三组闪蒸汽液分离罐3、5、7；前两组组合组主要对冷剂水稀溶液进行加热蒸发完成冷剂水稀溶液的浓缩及生成冷剂水蒸汽；第三组组成了制冷剂蒸汽相变热回收并使之生成再生蒸汽；这三组由板式内耦合相变换热器和闪蒸汽液分离罐组成的系统工作处于真空状态，保持真空度和维持较高的换热效能需配有真空泵组9与其联通，真空泵抽取不凝气体及预置系统真空状态；每组均有与之对应的绝对压值。由第三组板式内耦合相变换热器6、闪蒸汽液分离罐7生成的再生蒸汽(较低位能)进入机械蒸汽压缩泵11，经机械蒸汽压缩泵11闭热增压输出生成高一级位能的饱和蒸汽，经由管道进入蒸汽混合罐1与生蒸汽13混合。进入第一板式内耦合相变换热器2的热源蒸汽与板式内耦合相变换热器内另一侧冷剂水稀溶液换热后凝结为凝结水自管道进入板式换热器12热侧与进入器内另一侧的生活用水换热，升温后的生活热水输出供用户使用，而冷却后的凝结水经由凝结水循环泵输入第三板式内耦合相变换热器6。凝结水在板式内耦合相变换热器和闪蒸汽液分离罐6、8汽化为再生蒸汽。自低压发生器流出的冷剂水稀溶液经由循环泵压入四路板式换热器10，冷剂水稀溶液进入四路板式换热器器内后分配为两路，一路与浓溶液间接换热升温后出换热器后进入第一板式内耦合相变换热器2，另一路在器内调整温度后出换热器进入第二板式内耦合相变换热器4；冷剂水稀溶液进入第一板式内耦合相变换热器2生成汽液混合态进入闪蒸汽液分离罐3分离为汽相和液相，液相即为浓缩溶液，而汽相为二次饱和蒸汽作为下一级的热源进入第二级板式内耦合相变换热器4和第 二闪蒸汽液分离罐5；第二板式内耦合相变换热器4热侧入口为上一级的生成的二次蒸汽(冷剂水蒸汽)与冷侧冷剂水换热后凝结为冷剂水自第二板式内耦合相变换热器4出，经由U管进入蒸发器；第二板式内耦合相变换热器4的另一(冷)侧是来自四路溶液换热器10的冷剂水在器内与热侧的冷剂水蒸汽换热生成汽液混合态进入第二闪蒸汽液分离罐5，第二闪蒸汽液分离罐5分离的液相为浓溶液自下部输返回入四路溶液换热器10，汽相为冷剂水蒸汽自上部出，进入下一级第三级板式内耦合相变换热器6的热侧作为热源；第三级板式内耦合相变换热器6热侧冷剂水蒸汽与冷侧的凝结水换热后相变为冷剂水自第三级板式内耦合相变换热器6的下部出，经过U形管进入蒸发器21；在第三级板式内耦合相变换热器6冷侧的循环凝结在吸收热侧能量后进入汽液分离器7汽化，除去液滴生成较低位能的饱和蒸汽(称为再生蒸汽)；汽液分离器7出来的再生蒸汽进入机械蒸汽压缩泵11,经机械蒸汽压缩泵11闭热增压升温生成高一级位能的再生蒸汽，该再生蒸汽就是进入蒸汽混合罐1、第一板式内耦合相变换热器2的主热源。四路溶液换热器10接受来自闪蒸汽液分离罐3、第二闪蒸汽液分离罐5的较高温度浓溶液其一部分热能与另一侧较低温度的冷剂水稀溶液换热以提高冷剂水稀溶液的温度，而另一部分的热能则加热另一侧冷的生活用水。既有四路溶液换热器10分别有生活水进出，有冷剂水稀溶液一进二出，和浓溶液进出，浓溶液也因此经由四路溶液换热器10降温至设定温度进入吸收器22。
冷剂水进入低压蒸发器21，低压蒸发器21的绝压只有0.00087pa，冷剂水在此低压状态下以5℃左右温度汽化，满足汽化条件时需要同时吸收冷媒循环水中等量的能量，因而冷媒水也因此温度降至接近汽化温度。吸收器22中的冷剂蒸汽进入具有相同真空度的吸收器22，吸收器22中的较高浓度的溴化锂溶液具有强烈的吸收水蒸气的能力，浓溶液充分吸收了冷气蒸汽后稀释为冷剂水被冷 剂水循环泵泵出进入14,为了满足和增进吸收效能，吸收器22还配有冷剂水喷淋循环泵，吸收器22也配置有冷剂水循环泵，以保证冷剂水的蒸发效果。在吸收器22运行的同时将吸入冷剂水蒸汽的相变热，故吸收器配有列管式冷却器，外部冷却水通过冷却器带走冷剂水蒸汽凝结热冷却了溶液。
本发明的工艺路程保留了传统的蒸发型吸收式制冷机组的低压桶式的蒸发器和吸收器装置，保留原工艺过程的相关配置，如：冷剂水泵、冷剂水喷淋泵、冷剂水循环泵、真空不凝性气体排放系统、及相关的原有配置。这样的设计路线有利于对已有吸收式制冷机组的升级改造；有利于本专业或相似专业技术人员的的理解，便于本发明的普及及推广。