利用低品位废热制取冷冻水的制冷系统及方法与流程

技术领域

本发明涉及一种制冷系统，具体是一种利用低品位废热制取冷冻水的制冷系统及方法，属于低温与制冷技术领域。

背景技术：

工业生产过程伴随产生大量的低温废热，其温度一般低于100℃，由于其能量品位较低通常无法被工业生产再次利用。合理有效的利用这些低品位废热，对提升工业生产过程的能源利用效率、降低生产能源耗费具有重要意义。

吸收式制冷技术可以通过低温废热驱动系统运行，并对外提供冷量。目前常用的吸收式制冷系统包括溴化锂吸收式制冷系统和氨水吸收制冷系统。溴化锂吸收制冷系统以水为制冷剂，由于受水的凝固点限制，其制冷温度通常不低于5℃，因此一般仅适用于空调制冷。氨水吸收式制冷是以氨水为工质对进行制冷，其制冷温度可低于0℃，不仅可用于空调供冷，而且还可提以供低温冷冻水。

在制取低温冷冻水时，常规的氨水吸收式制冷系统对驱动热源的温度要求较高；且冷冻水温度越低，所需要的驱动热源温度越高。采用常规氨水吸收制冷系统制取0~-30℃的冷冻水时，其所要求的驱动热源温度范围在110~200℃。如采用100℃以下的低品位废热作为驱动热源时，传统氨水吸收式制冷系统将无法制取低于0℃的冷冻水。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述已有技术存在的不足，提供一种能够利用100℃以下低温废热制取0℃以下低温冷冻水的制冷系统及方法。

一种利用低品位废热制取冷冻水的制冷系统，包括发生器，精馏器，冷凝器，过冷器，节流阀，蒸发器，吸收器，溶液泵，溶液回热器，高压侧压缩机，低压侧压缩机；

所述发生器的排气口与精馏器的进气口相连，精馏器出气口连接至冷凝器入口，冷凝器出口与过冷器高压入口相连，过冷器高压出口与蒸发器入口相连，在过冷器与蒸发器的连接管上安装节流阀；蒸发器出口与过冷器的低压入口相连，过冷器的低压出口与与吸收器进气口相连；吸收器的浓溶液出口与溶液回热器的浓溶液进口相连，并在连接管路上安装溶液泵；溶液回热器的浓溶液出口与发生器的浓溶液进口相连；发生器的稀溶液出口与溶液回热器的稀溶液进口相连；溶液回热器的稀溶液出口与吸收器的稀溶液进口相连；该制冷系统还包括以下两种部件之一或都全部：安装于所述精馏器出气口与冷凝器入口之间的高压侧压缩机；安装于所述过冷器的低压出口与与吸收器进气口之间的低压侧压缩机；驱动系统运行的低品位废热进管与所述发生器废热进口相连，发生器的废热出口与废热返回管相连；所述精馏器的冷却水进口与冷却水系统的供水管相连，精馏器的冷却水出口与冷却水系统回水管相连；所述蒸发器的冷冻水进口与冷冻水系统回水管相连，蒸发器的冷冻水出口与冷冻水系统的供水管相连；所述冷凝器的冷却水进口与冷却水供水管相连，冷凝器的冷却水出口与冷却水系统回水管相连；所述吸收器的冷却水进口与冷却水系统供水管相连，吸收器的冷却水出口与冷却水的回水管相连。系统采用氨水作为制冷循环工质对。

所述高压侧压缩机和低压侧压缩机为单级或多级压缩，压缩机形式为离心式压缩机、或螺杆式压缩机、或活塞式压缩机。

系统运行时，将低温热源通入至发生器内，加热发生器内的氨-水溶液并使其蒸发，含有少量水蒸汽的氨气进入精馏器进行精馏，提高二次蒸汽中氨气纯度，精馏提纯后的氨气在冷凝器内放热冷凝，冷凝后的高压氨液在过冷器内温度进一步降低并实现过冷，过冷后的氨液经节流阀降压后在蒸发器内汽化蒸发，并制取低温冷冻水；低压氨气经过冷器后被排至吸收器内，被吸收器内的氨水溶液所吸收；吸收氨气后浓度增加的浓溶液经溶液泵输送至发生器，再次用于吸收废热后发生氨气，发生器内释放氨气后的低浓度溶液在压差作用下输送至吸收器，并再次用于吸收氨气。吸收器排除的低温浓溶液通过溶液回热器回收由发生器排出的高温稀溶液的热量；所述吸收器、冷凝器、精馏器均通过常温循环水进行冷却；高压侧压缩机对发生器的出口氨气进行增压升温，保证在低温热源驱动时高压侧的氨气能够在冷凝器内常温条件下（30℃）冷凝液化；低压侧压缩机对蒸发器出口氨气进行增压升温，保证在制取低温冷水时低压侧的氨气能够在吸收器内在常温条件下（30℃）正常吸收。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

在传统氨水吸收式制冷系统中，当驱动系统运行的废热温度较低时，会导致发生器出口的氨气温度低于环境温度，氨气在冷凝器处无法冷凝，致使系统无法正常运行。本发明通过高压侧压缩机对发生器出口氨气进行增压增温，保证其在冷凝器内正常冷凝。

在传统氨水吸收式制冷系统中，当蒸发器的蒸发温度较低时，即所制取的冷冻水温度较低时，会导致系统吸收器压力过低，此时吸收器内的溶液温度会低于环境温度，吸收热无法被常温冷却水系统所冷却，导致系统无法正常运行。本发明通过低压侧压缩机对蒸发器出口氨气进行增压增温，提高吸收器的压力及温度，保证吸收放热的能够被常温环境所冷却。

（1）与传统氨水吸收式制冷技术相比，在具有相同制冷温度要求时，本发明可以使用更低温度的废热作为系统的驱动热源。例如当驱动废热温度为60℃，发生器内出口氨浓度为40%时，此时发生器内加热蒸发所得氨气的全凝温度为2.03℃，如在常规氨吸收式制冷系统中，发生所得氨气无法被常温环境冷凝，因此常规氨水吸收制冷系统在此工况下将无法运行。而本发明在高压侧安装有高压侧压缩机，通过将低温氨气进行压缩增温增压的方法，保证氨气在冷凝器中可被常温冷凝，上述工况条件下高压侧压缩机进口温度为2.03℃（压力4.64bar），压缩机出口温度为35℃（压力13.5bar，环境温度30℃），压缩机压比为2.9即可保证高压侧的氨气常温冷凝。

（2）与传统氨水吸收式制冷技术相比，在具有相同驱动热源温度时，本发明可以制取更低温度的冷冻水。如80℃废热驱动制取温度为-30℃冷冻水时，常规氨水吸收系统的吸收浓度为58%，此时的吸收器内需要放热的溶液温度为-11.6℃，无法通过常温环境进行散热，系统无法正常运行。在本发明中在低压侧安装有低压侧压缩机，通过将低压侧氨气压缩增温增压的方法，保证其在吸收器内可通过环境散热降温。上述工况下低压侧的进口温度为-35℃（压力为0.91bar），压缩机出口温度为35℃（压力为5.28bar），压缩机压比为5.8即可保证低压侧氨气吸收过程的常温冷却。

（3）与传统氨机械压缩式制冷系统相比，本发明通过废热驱动发生-吸收系统运行，其效果等价于传统氨制冷系统的一级压缩。在相同冷源温度及制冷量要求时，本发明的压缩机耗功远低于传统氨机械压缩式系统。如制取-30℃冷冻水时，传统氨制冷压缩系统压缩机的进出口压力分别为0.91bar及13.5bar，压比为14.8；而本发明中如以80℃废热驱动发生器，则低压侧压缩机进出口压力分布为0.91bar及5.28bar，压比5.8。远低于传统氨机械压缩系统的压缩机压比。

（4）本发明采用氨-水作为系统的吸收制冷工质对，与传统氟冷系统相比，氨、水无臭氧层破坏效应及温室气体效应，其ODP为零，GWP也为零，环保优势显著。

附图说明

图1为本发明的一种利用低品位废热制取冷冻水的制冷系统原理图；

图2为本发明实施例二的系统原理图；

图3为本发明实施例三的系统原理图。

图中，1为发生器，2为精馏器，3为高压侧压缩机，4为冷凝器，5为过冷器，6为节流阀，7为蒸发器，8为低压侧压缩机，9为吸收器，10为溶液泵，11为溶液回热器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例一：

图1为本发明的系统原理图。本实施例可实现利用60℃废热制取-50℃的低温冷冻水。一种利用低品位废热制取冷冻水的制冷系统，包括发生器1，精馏器2，高压侧压缩机3，冷凝器4，过冷器5，节流阀6，蒸发器7，低压侧压缩机8，吸收器9，溶液泵10，溶液回热器11。所述发生器1与其上部精馏器2相连，精馏器出气口连接至高压侧压缩机3入口，高压侧压缩机出口与冷凝器4入口相连，冷凝器出口与过冷器高压入口相连，过冷器高压出口与蒸发器7入口相连，在过冷器与蒸发器的连接管上安装节流阀6；蒸发器出口与过冷器的低压入口相连，过冷器的低压出口与低压侧压缩机8入口相连，低压侧压缩机出口与吸收器9进气口相连；吸收器的浓溶液出口与溶液回热器11的浓溶液进口相连，并在连接管路上安装溶液泵10；溶液回热器的浓溶液出口与发生器的浓溶液进口相连；发生器的稀溶液出口与溶液回热器的稀溶液进口相连；溶液回热器的稀溶液出口与吸收器的稀溶液进口相连。采用氨-水作为系统循环制冷工质。所述高压侧压缩机采用多级离心式压缩机；所述低压侧压缩机采用多级离心式压缩机。

本发明的工作原理如下：

系统运行时，将低品位废热通入至发生器1内，加热发生器内的氨-水溶液并使其蒸发，含有少量水蒸汽的氨气进入精馏器2进行精馏，提高二次蒸汽中氨气纯度，精馏提纯后的氨气之后进入高压侧压缩机3增压，并在冷凝器4内放热冷凝，冷凝后的高压氨液在过冷器5内温度进一步降低并实现过冷，过冷后的氨液经节流阀6降压后在蒸发器7内汽化蒸发，并制取低温冷冻水；低压氨气经过冷器后被低压侧压缩机8吸入并增压，之后被排至吸收器9内，被吸收器内的氨水溶液所吸收；吸收氨气后浓度增加的浓溶液经溶液泵10输送至发生器，再次用于吸收废热后发生氨气，发生器内释放氨气后的低浓度溶液在压差作用下输送至吸收器，并再次用于吸收氨气。吸收器排除的低温浓溶液通过溶液回热器11回收由发生器排出的高温稀溶液的热量。所述吸收器9、冷凝器4、精馏器2均通过常温（30℃）冷却水水进行冷却。

本实施例中各关键部件内状态参数如下：

发生器：驱动热源60℃，溶液出口温度55℃，压力3.02bar，溶液出口氨浓度32%；

冷凝器：冷却温度30℃，冷凝温度35℃，压力13.5bar，溶液出口氨浓度99.9%；

蒸发器：冷冻水温度-50℃，蒸发温度-55℃，压力0.28bar，溶液出口氨浓度99.9%；

吸收器：冷却温度30℃，溶液出口温度35℃，压力2.17bar，溶液出口氨浓度38%；

高压侧压缩机：进口压力3.02bar，出口压力13.5bar，压比4.47；

低压侧压缩机：进口压力0.28bar，出口压力2.17bar，压比7.75。

实施例二：

本实施例的系统原理如图2所示。本实施例可实现80℃废热驱动系统制取-30℃冷冻水。一种利用低品位废热制取冷冻水的制冷系统，包括发生器1，精馏器2，高压侧压缩机3，冷凝器4，过冷器5，节流阀6，蒸发器7，吸收器9，溶液泵10，溶液回热器11。所述发生器1与其上部精馏器2相连，精馏器出气口连接至高压侧压缩机3入口，高压侧压缩机出口与冷凝器4入口相连，冷凝器出口与过冷器高压入口相连，过冷器高压出口与蒸发器7入口相连，在过冷器与蒸发器的连接管上安装节流阀6；蒸发器出口与过冷器的低压入口相连，过冷器的低压出口与吸收器9进气口相连；吸收器的浓溶液出口与溶液回热器11的浓溶液进口相连，并在连接管路上安装溶液泵10；溶液回热器的浓溶液出口与发生器的浓溶液进口相连；发生器的稀溶液出口与溶液回热器的稀溶液进口相连；溶液回热器的稀溶液出口与吸收器的稀溶液进口相连。采用氨-水作为系统循环制冷工质。所述高压侧压缩机采用螺杆式压缩机。

本实施例中各关键部件内状态参数如下：

发生器：驱动热源80℃，溶液出口温度75℃，压力2.64bar，溶液出口氨浓度20%；

冷凝器：冷却温度30℃，冷凝温度35℃，压力13.5bar，溶液出口氨浓度99.9%；

蒸发器：冷冻水温度-30℃，蒸发温度-35℃，压力0.91bar，溶液出口氨浓度99.9%；

吸收器：冷却温度30℃，溶液出口温度35℃，压力0.91bar，溶液出口氨浓度25%；

高压侧压缩机：进口压力2.64bar，出口压力13.5bar，压比5.11。

实施例三：

本实施例的系统原理如图3所示。本实施例可实现利用60℃废热驱动系统制取-30℃低温冷冻水。一种利用低品位废热制取冷冻水的制冷系统，包括发生器1，精馏器2，冷凝器4，过冷器5，节流阀6，蒸发器7，低压侧压缩机8，吸收器9，溶液泵10，溶液回热器11。所述发生器1与其上部精馏器2相连，精馏器出气口与冷凝器4入口相连，冷凝器出口与过冷器高压入口相连，过冷器高压出口与蒸发器7入口相连，在过冷器与蒸发器的连接管上安装节流阀6；蒸发器出口与过冷器的低压入口相连，过冷器的低压出口与低压侧压缩机8入口相连，低压侧压缩机出口与吸收器9进气口相连；吸收器的浓溶液出口与溶液回热器11的浓溶液进口相连，并在连接管路上安装溶液泵10；溶液回热器的浓溶液出口与发生器的浓溶液进口相连；发生器的稀溶液出口与溶液回热器的稀溶液进口相连；溶液回热器的稀溶液出口与吸收器的稀溶液进口相连。采用氨-水作为系统循环制冷工质。所述低压侧压缩机采用多级活塞式压缩机。

本实施例中各关键部件内状态参数如下：

发生器：驱动热源60℃，溶液出口温度55℃，压力13.5bar，溶液出口氨浓度70.7%；

冷凝器：冷却温度30℃，冷凝温度35℃，压力13.5bar，出口氨浓度99.9%；

蒸发器：冷冻水温度-30℃，蒸发温度-35℃，压力0.91bar，出口氨浓度99.9%；

吸收器：冷却温度30℃，溶液出口温度35℃，压力8.8bar，溶液出口氨浓度76%；

低压侧压缩机：进口压力0.91bar，出口压力8.8bar，压比9.67。

本发明所述的制冷系统通过低品位废热驱动系统运行，可以充分利用工业领域的各类低品位热水、乏汽等废热资源，对废热温度要求低，可以通过60~100℃的废热制取-50℃的冷冻水。此外，本发明采用氨水作为系统的制冷工质对，其无臭氧层破坏及温室气体效应，环保特性显著。

尽管上文结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护范围。