CN108050571A - 单级平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备及供热方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单级平衡式氨‑水再吸收式热泵循环设备和供热方法。单级平衡式氨‑水再吸收式热泵循环设备包括溶液回路、制冷剂蒸汽管路、供回水管路和驱动热源；所述溶液回路包括高压发生器、高压吸收器、低压发生器、低压吸收器、两个节流阀、溶液混合罐、溶液分离罐、溶液循环泵、高温溶液换热器、低温溶液换热器；所述制冷剂蒸汽管路包括高压制冷剂蒸汽管路和低压制冷剂蒸汽管路；所述供回水管路包括供水管路和回水管路；所述驱动热源包括高温驱动热源和低温驱动热源。使用该设备进行供热方法包括供回水循环过程、氨溶液循环过程、氨蒸汽管路运行过程。

Description

单级平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备及供热方法

技术领域

本发明涉及太阳能热利用及热泵空调领域，尤其涉及一种单级平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备及供热方法。

背景技术

中国是世界第一能源消费国和CO₂排放量最大的国家，面临着严峻的节能减排压力。大力发展太阳能等可再生能源是应对气候变化、促进节能减排和缓解环境污染的重要方向。

目前太阳能开发利用方式比较单一，绝大部分是低温热水。太阳能采暖、制冷、工业加热和太阳能热发电已有应用，但远未达到规模化。在太阳能采暖的各种实现方式中，给定条件下以太阳能集热器产生热能驱动热泵供热效率较好，理论上能够把80％的太阳辐射能量转变为供热能力。

经对现有技术的公开文献检索发现，目前的太阳能热泵采暖仍然不稳定和不高效等问题。太阳能能量密度低，且太阳辐射受昼夜、天气变化存在间歇性和不稳定性。但供暖要求稳定、可靠；冬季环境温度低，日照时间短，会造成太阳能系统热损增加，集热温度不高，但效率降低会导致不能满足供暖负荷要求。理论上，热能驱动的常规吸收、吸附式热泵结合太阳能集热器可用于供暖，但传统以水为工质的吸收式或吸附式热泵循环难以满足低温冷冻环境要求，采用氨等低沸点工质的热泵系统要求驱动热源温度高(一般大于120℃)，完全靠太阳能集热器驱动工作时间短或难以启动。

本发明以低压发生器和高压吸收器分别取代了传统吸收式热泵循环中的蒸发器和冷凝器，摆脱了吸收式热泵循环工作压差受制冷剂冷凝压力和蒸发压力的限制，大大减小系统工作压力和高、低压压差，对驱动热源温度的变化，适应性增强。同时，与传统氨-水吸收循环相比，减少了精馏环节，系统结构更加简单紧凑。

发明内容

由于太阳能热泵采暖的上述技术缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能够长时间利用太阳能驱动，同时能在较低温度环境下工作的低温太阳能热(70～100℃)驱动的单级平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备，并给出此循环设备应用于室内供热时的方法。

本发明提供的单级平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备，包括溶液回路、制冷剂蒸汽管路、供回水管路和驱动热源。其中溶液回路包括高压发生器(压力最高的发生器)、高压吸收器(压力最高的吸收器)、低温溶液换热器、低压发生器(压力最低的发生器)、低压吸收器(压力最低的吸收器)和高温溶液换热器，高压发生器和高压吸收器之间连接有溶液分离罐，低温溶液换热器与所述低压发生器之间连接有第一节流阀，高温溶液换热器和所述低压吸收器之间连接有第二节流阀，所述低压发生器和所述低压吸收器之间连接有溶液混合罐、所述溶液分离罐和所述高温溶液换热器之间连接有溶液循环泵；制冷剂蒸汽管路包括高压制冷剂蒸汽管路(压力最高的制冷剂蒸汽管路)和低压制冷剂蒸汽管路(压力最低的制冷剂蒸汽管路)；供回水管路包括供水管路和回水管路；驱动热源分为高温驱动热源(驱动高温发生器的热源)和低温驱动热源(驱动低温发生器的热源)。

单级平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备溶液回路运行的工质为氨溶液；制冷剂蒸汽管路运行的工质为氨蒸汽；供回水管路中运行的工质为水。具体说，单级平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备有10股工质同时运行，包括2股氨蒸汽、7股氨溶液和1股水(即供回水)。2股氨蒸汽包括高压发生器产生的高温高压氨蒸汽HV和低压发生器产生的低温低压氨蒸汽LV；7股溶液包括高压发生器产生的稀溶液A、低压吸收器产生的浓溶液B、高压吸收器产生的浓溶液C，低压发生器产生的稀溶液D，B和D混合后的产生的溶液E，以及经溶液分离罐后分别进入高压发生器和高压吸收器的溶液F和G；1股水即供水SW和回水RW。

制冷剂蒸汽管路的连接方式为，高压氨蒸汽管路入口和出口分别与高压发生器和高压吸收器相连；低压氨蒸汽管路入口和出口分别与低压发生器和低压吸收器相连。

供回水管路的连接方式为：回水管路与室内换热末端出口相连，穿过低压吸收器和高压吸收器连接，供水管路入口和高压吸收器连接，供水管路入口与室内换热末端入口相连。

本发明中的高温驱动热源是CPC(Compound Parabolic Collector，复合抛物面集热器)/ETC(Evacuated Tube Collector，真空管式集热器)产生的70℃～100℃的太阳能热，燃气炉热作为备用高温驱动热源；低温驱动热源是不低于-10℃的环境热量或者余热，备用低温驱动热源是10～35℃的太阳能热。本发明可以根据环境温度进行工作模式切换，当环境温度不低于-10℃时，CPC/ETC作为高温驱动热源，即工作在高温驱动模式下，高温驱动热源产生的热量在高温发生器中和氨溶液发生热交换，低温发生器由低温驱动热源即环境空气热或者余热提供热量；当环境温度低于-10℃时，CPC/ETC作为低温驱动热源，即切换到低温驱动模式，低温驱动热源产生的热量在低温发生器中和氨溶液进行热交换，高温发生器则由备用高温驱动热源即燃气炉提供热量。

使用单级平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备进行供热的方法包括氨溶液回路、氨蒸汽管路、供回水管路和驱动热源的工作运行过程。

溶液回路和氨蒸汽管路的工作运行过程为，高压发生器入口氨溶液在高压发生器内与驱动热源换热之后，温度上升，析出高温高压氨蒸汽HV，氨溶液变成稀溶液A；从高压发生器出来的稀溶液A，流经高温溶液换热器与溶液E换热降温之后，再经节流阀降低压力，进入低压吸收器；从高压吸收器出来的浓溶液C，流经低温溶液换热器与溶液E换热降温之后，再流经节流阀降低压力，进入低压发生器；低压发生器入口溶液在低压发生器内与低温驱动热源换热之后，温度上升，变成稀溶液D，并析出低温低压氨蒸汽LV。低压发生器出口的稀溶液D与低压吸收器出口的浓溶液B在溶液混合罐内充分混合，产生溶液E；溶液E流经低温溶液换热器与溶液C换热，然后流经高温溶液换热器与溶液A换热，由溶液循环泵送入溶液分离罐；溶液分离罐出口溶液分为两路，溶液F流入高压发生器，溶液G流入高压吸收器。高压吸收器和低压吸收器内的吸收氨蒸汽的过程为非等温过程，存在热交换，高压吸收器出口浓溶液C温度可以低于供水流出高压吸收器的温度，低压吸收器出口浓溶液C的温度可以低于回水流出低压吸收器的温度。

供回水管路的工作运行过程为：供水过程：高压吸收器的氨溶液G吸收来自高压发生器的高温高压氨蒸汽HV释放热量，和供水管路发生热交换产生供水；室内供热过程：来自高压吸收器的供水和室内换热末端进行热交换；回水过程：经过室内换热终端后供水温度降低变成回水，进入低压吸收器，低压吸收器的氨稀溶液A吸收来自所述低压发生器的低温低压氨蒸汽释放热量，和回水管路发生热交换，回水继续进入高压吸收器，完成一次循环供热过程。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：以低压发生器和高压吸收器分别取代了传统吸收式热泵循环中的蒸发器和冷凝器，摆脱了吸收式热泵循环工作压差受制冷剂冷凝压力和蒸发压力的限制；采用氨-水工质，建立的循环适用于冬季低温环境下采暖；摆脱了单一纯工质蒸发和冷凝温度下饱和蒸汽压力的条件限制，本发明的工作压差较小；依靠控制浓度差运行，工作热源的温度范围更宽；不需要精馏装置，只需要一个溶液循环泵，系统结构简单紧凑、制作工艺简单、投资费用低。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明单级平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备在太阳能作为高温驱动热源运行模式下的示意图；

图2是本发明单级平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备在太阳能低温驱动热源运行模式下的示意图；

图3a是本发明单级平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备制冷剂管路高温高压氨蒸汽HV运行示意图；

图3b是本发明单级平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备制冷剂管路低温低压氨蒸汽LV运行示意图；

图4是本发明单级平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备溶液回路运行示意图；

图5是本发明单级平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备供回水运行示意图；

具体实施方式

本发明提供的单级平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备结构示意图如图1或者图2所示，包括溶液回路、制冷剂蒸汽管路、供回水管路和驱动热源。

单级平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备溶液回路运行的工质为氨溶液；制冷剂蒸汽管路运行的工质为氨蒸汽；供回水管路中运行的工质为水。具体说，单级平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备有10股工质同时运行，包括2股氨蒸汽、7股氨溶液和1股水(即供回水)。2股氨蒸汽包括高压发生器产生的高温高压氨蒸汽HV和低压发生器产生的低温低压氨蒸汽LV；7股溶液包括高压发生器产生的稀溶液A、低压吸收器产生的浓溶液B、高压吸收器产生的浓溶液C，低压发生器产生的稀溶液D，B和D混合后的产生的溶液E，以及经溶液分离罐后分别进入高压发生器和高压吸收器的溶液F和G；1股水即供水SW和回水RW。

制冷剂蒸汽管路的连接方式为，高压氨蒸汽管路入口和出口分别与高压发生器和高压吸收器相连；低压氨蒸汽管路入口和出口分别与低压发生器和低压吸收器相连。

供回水管路的连接方式为：回水管路与室内换热末端出口相连，穿过低压吸收器和高压吸收器连接，供水管路入口和高压吸收器连接，供水管路出口与室内换热末端入口相连。

溶液回路包括高压发生器1、高压吸收器2、低温溶液换热器11、低压发生器3、低压吸收器4和高温溶液换热器10依次连接，高压发生器1和高压吸收器2之间连接有溶液分离罐8，低温溶液换热器11与低压发生器3之间连接有第一节流阀5，高温溶液换热器10和低压吸收器4之间连接有第二节流阀6，低压发生器3和低压吸收器4之间连接有溶液混合罐7、溶液分离罐8和高温溶液换热器10之间连接有溶液循环泵9；氨蒸汽管路包括高压氨蒸汽HV管路12和低压氨蒸汽LV管路13；供水管路14和回水管路15组成供回水管路；驱动热源分为高温驱动热源和低温驱动热源。

使用本发明提供的单级平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备进行供热方法包括溶液回路、氨蒸汽管路、供回水管路和驱动热源的工作运行过程。氨蒸汽管路运行过程分为两部分，如图3a所示，高温高压的氨蒸汽HV由高压发生器1产生，经由高压氨蒸汽管路12流入高压吸收器2被吸收，如图3b所示，低温低压的氨蒸汽LV由低压发生器3产生，经由低压氨蒸汽管路13流入低压吸收器4被吸收。

溶液回路的运行过程如图4所示，氨溶液分别流出高压发生器1和高压吸收器2，然后分别流经高温溶液换热器10、节流阀6和低温溶液换热器11、节流阀5，分别进入低压吸收器4和低压发生器3。流出低压发生器3和低压吸收器4的溶液在溶液混合罐7内混合，然后依次流经低温溶液换热器11和高温溶液换热器10，最终被溶液循环泵9送入溶液分离罐8，然后按照一定的流量比，分为两路进入高压发生器1和高压吸收器2，形成一个完整的溶液循环过程。

供回水管路的运行过程如图5所示。供水SW经供水管路14流入室内换热末端17释放热量后产生回水RW，由回水管路15、经低压吸收器4流入高压吸收器2吸热，形成一个完整的供热循环过程。

本实施例的单级平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备及供热方法为了达到高效、连续的供热效果，具有两种运行模式，即太阳能分别作为高温驱动热源和低温驱动热源的运行模式，根据环境温度实现两种运行模式的切换。如图1和图2所示，粗箭头表示部件热量的传递方向，实心线上的箭头表示溶液、供回水或者集热工质的流动方向，长虚线中的箭头表示热泵系统中氨蒸汽的流动方向，短虚线表示该运行模式下未使用的管路。

如图1所示，当环境温度不低于-10℃时，本发明单级平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备在高温驱动热源运行模式下，溶液、氨蒸汽、供回水的运行过程如前所述，CPC/ETC太阳能集热温度达70～100℃，集热工质流入高压发生器1，通过换热管道将热量传递给高压发生器1内的氨溶液，供其升温，完成高压发生过程。低压发生过程则利用环境低温热能驱动。

如图2所示，当环境温度低于-10℃时，本发明单级平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备在低温驱动热源运行模式下，氨溶液、氨蒸汽、供回水的流动情况与第一种运行模式下的相同，太阳能集热温度较低(10～35℃)，集热工质流入低压发生器3，通过换热管道将热量传递给低压发生器3内的氨溶液，供其升温，完成低压发生过程，高压发生过程则辅助使用燃气炉16驱动。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种单级平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备，其特征在于，包括溶液回路、制冷剂蒸汽管路、供回水管路和驱动热源；

其中，所述溶液回路包括高压发生器(1)、高压吸收器(2)、低温溶液换热器(11)、低压发生器(3)、低压吸收器(4)和高温溶液换热器(10)，所述高压发生器(1)和所述高压吸收器(2)之间连接有溶液分离罐(8)，所述低温溶液换热器(11)与所述低压发生器(3)之间连接有第一节流阀(5)，所述高温溶液换热器(10)和所述低压吸收器(4)之间连接有第二节流阀(6)，所述低压发生器(3)和所述低压吸收器(4)之间连接有溶液混合罐(7)、所述溶液分离罐(8)和所述高温溶液换热器(10)之间连接有溶液循环泵(9)；

所述制冷剂蒸汽管路包括高压制冷剂蒸汽管路(12)和低压制冷剂蒸汽管路(13)；所述供回水管路包括供水管路(14)和回水管路(15)；所述驱动热源包括高温驱动热源和低温驱动热源；所述高压制冷剂蒸汽管路(12)的两端分别与所述高压发生器(1)和所述高压吸收器(2)相连接；所述低压制冷剂蒸汽管路(13)的两端分别与所述低压发生器(3)和所述低压吸收器(4)相连接；所述供水管路(14)的两端分别连接所述高压吸收器(2)和室内换热末端(17)，所述回水管路(15)的两端分别连接所述室内换热末端(17)和所述低压吸收器(4)，所述低压吸收器(4)与所述高压吸收器(2)相连。

2.权利要求1所述的单级平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备，其特征在于，所述溶液回路的工质为氨溶液；所述制冷剂蒸汽管路的工质为氨蒸汽；所述供回水管路中的工质为水。

3.如权利要求1所述的单级平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备，其特征在于，所述高温驱动热源是CPC/ETC(18)产生的70℃～100℃太阳能热，所述低温驱动热源是不低于-10℃的低温环境热量或余热。

4.如权利要求1所述的单级平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备，其特征在于，燃气炉(16)为备用高温驱动热源，所述CPC/ETC(18)产生的10～35℃太阳能热为备用低温驱动热源。

5.如权利要求4所述的单级平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备，其特征在于，当环境温度不低于-10℃，为高温驱动热源和低温驱动热源工作的模式；当环境温度低于-10℃，切换为备用高温驱动热源和备用低温驱动热源工作的模式。

6.使用如权利要求2所述的单级平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备进行供热的方法，其特征在于，所述供回水管路的运行过程如下：

供水过程：所述高压吸收器(2)的氨溶液G吸收来自所述高压发生器(1)的高温高压氨蒸汽释放热量，和所述回水管路(15)发生热交换产生供水SW；

室内供热过程：来自所述高压吸收器(2)的供水SW和所述室内换热末端(17)进行热交换；

回水过程：经过所述室内换热末端(17)后供水温度降低生成回水RW，经所述回水管路(15)进入所述低压吸收器(4)，所述低压吸收器(4)的氨稀溶液A吸收来自所述低压发生器(3)的低温低压氨蒸汽释放热量，和所述回水管路(15)发生热交换，然后回水RW流入所述高压吸收器(2)；

上述过程循环运行。

7.如权利要求6所述的单级平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备进行供热的运行方法，其特征在于，所述溶液回路的运行过程如下：

高压发生器的发生过程：所述高压发生器(1)的氨溶液F氨溶液吸收热量，温度升高，析出氨蒸汽，产生氨稀溶液A；

低压吸收器的发生过程：所述低压吸收器(4)的稀氨溶液A吸收氨蒸汽，放出热量，产生浓氨溶液B；

高压吸收器的发生过程：所述高压吸收器(2)的氨溶液G吸收氨蒸汽，放出热量，产生浓氨溶液C；

低压发生器的发生过程：所述低压发生器(3)的浓氨溶液C吸收热量，温度升高，析出氨蒸汽，产生稀氨溶液D；

溶液混合过程：所述浓氨溶液B和所述氨稀溶液D经所述溶液混合罐(7)混合生成氨溶液E；

溶液分离过程，所述氨溶液E经所述溶液分离罐(8)分离生成氨溶液F和氨溶液G，分别进入所述高压发生器(1)和所述高压吸收器(2)；

上述过程循环运行。

8.如权利要求6所述的单级平衡式氨-水再吸收式热泵循环设备进行供热的运行方法，其特征在于，所述制冷剂蒸汽管路的运行过程如下：

高温高压氨蒸汽HV生成过程：所述高压发生器(1)的氨溶液F氨溶液吸收热量，温度升高，析出氨蒸汽；

高温高压氨蒸汽HV吸收过程：所述高压吸收器(2)的氨溶液G吸收氨蒸汽，放出热量；

低温低压氨蒸汽LV生成过程：所述低压发生器(3)的浓氨水溶液C吸收热量，析出氨蒸汽；

低温低压氨蒸汽LV吸收过程：所述低压吸收器(4)的稀氨水溶液A吸收氨蒸汽，放出热量。