喷射辅助吸收式热泵循环系统与装置 【技术领域】
本发明属于热量转换与节能领域，特别涉及一种吸收式热泵循环系统与装置。
背景技术
吸收式热泵技术在世界上已有一百余年历史，近年在热电冷联产和低温余热利用领域有广泛的应用实例。如燃气空调制冷，普遍采用溴化锂吸收式热泵循环，以商品化的两效吸收系统为例，采用的热源温度150℃以上，性能系数COP(即获取的冷量与消耗的热量的数值之比)可达1.35；热源温度低于150℃一般采用单效系统，COP可达0.7；热源温度70～80℃的机组，COP仅0.3～0.4；开发COP可达1.65的三效机组，目前因为溴化锂水溶液的腐蚀性严重而尚未实现商品化。(戴永庆等，燃气空调技术及应用，机械工业出版社，2004)。可见，降低吸收式热泵循环工质对的腐蚀性、提高循环系统的性能系数，是改进提高吸收式热泵技术经济性和利用低温热源节能的有效途径。
ZL200520049987.2(刘小江，一种减压发生喷射吸收复合制冷装置，实用新型，授权日2006年9月27日)公开了一种采用双级溶液喷射泵的溴化锂-水吸收式制冷循环，使溶液始终处在临界发生状态(刘小江，减压发生喷射吸收复合制冷原理与经济分析，制冷，2007，26(2)：35～39)，溶液在喷射泵入口已经处于水蒸气饱和的状态，这对其喷射吸收能力是一个限制。
顾兆林等(顾兆林，蒋立本，冯诗愚，王彦峰.吸收-喷射复合制冷技术的研究进展，低温工程，1999，No.2：1～4；蒋立本，顾兆林，冯霄，李云.吸收-喷射与吸收式制冷系统的热经济学比较，西安交通大学学报，2000，36(6)：76～79)提出了同时采用溶液喷射泵和蒸气喷射器的四压吸收-喷射复合制冷循环和只采用蒸气喷射器的三压吸收-喷射复合制冷循环，以使用170℃以上的热源、7℃的蒸发温度、40℃的冷凝温度的溴化锂-水吸收式制冷循环为例，其性能系数COP为0.9～1.1，而同工况双效制冷循环COP为1.3～1.4。四压或三压循环用发生器释放的蒸气直接从蒸发器抽吸蒸气加压到冷凝器饱和压力，其压缩比大于7.0已超出单级蒸气喷射制冷的经济操作范围(燃料化学工业部化学工业设计院等，《蒸汽喷射制冷设计手册》，中国建筑工业出版社，1972)；循环的溶液先升温到系统的最高温度发生蒸气后再通过与低温溶液换热降温吸收系统最低温度下蒸发的水蒸气，反复升降温过程产生热量损失和热力学势的损失。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种喷射辅助吸收式热泵循环系统与装置，此种循环系统以水-硝酸钙水溶液为工质对，循环过程避免溶液反复升降温、以溶液发生放汽促使其降温，以蒸气喷射吸引促使溶液放汽，提高了循环系统热量利用率和性能系数，缩短了循环流程，而且装置结构简单，铝制设备重量轻、耐腐蚀。
本发明所述喷射辅助吸收式热泵循环系统，以水-硝酸钙水溶液为工质对，其浓度-温度-热焓-平衡水蒸气压关系(C.S.Oakes，A.R.Felmy and S.M.Sterner.Thermodynamic properties of aqueous calcium nitrate{Ca(NO3)2}to the temperature 373Kincluding new enthalpy of dilution data，J.Chem.Thermodynamics 2000，32：29-54)满足本发明所述循环过程的要求。此种工质对使用铝制设备具有优良的耐腐蚀性能(虞璜等，《铝制化工设备设计》，上海科学技术出版社，1989)。
本发明所述压力均为绝对压力，溶液浓度均为质量百分浓度。
本发明所述喷射辅助吸收式热泵循环系统，所述循环过程包括水的气化、溶液喷射吸收、两次放汽和蒸汽喷射增压冷凝。水的气化采用降膜蒸发器获取外部冷媒的热量、或获取循环系统内部蒸汽喷射增压冷凝的热量，气化的水蒸气在系统内被溶液喷射吸收、放汽和增压冷凝后回到降膜蒸发器重新气化构成水的循环，或者在降膜蒸发器气化废水、水蒸气被溶液喷射吸收、放汽和增压冷凝后排出冷凝水构成废水净化；气化温度13.6℃～28.5℃，气化压力1.51kPa～3.95kPa。溶液喷射吸收采用的浓溶液温度32℃～50℃、平衡水蒸气压力比降膜蒸发器内的气化压力至少低5％～10％，通过循环泵加压进入溶液喷射器引射吸收降膜蒸发器内气化的水蒸汽，气液两相混合物以大于25m/s的流速喷射进入两次放汽装置并在射流所及的壁面上产生对流与冷凝传热而使射流温度下降，从而使承接射流的一次放汽室平衡蒸汽压不超过8.57kPa。两次放汽中的第一次放汽，是喷射进入无外加热的两次放汽装置中一次放汽室的气液两相混合物减绝热蒸发放出压力不超过8.57kPa的一次蒸气，或者是喷射进入外加热式两次放汽装置中一次放汽室隔板上部的气液两相混合物中的液体通过S型降液管下降到一次放汽室隔板下部，接受75℃的外热源加热升温升压蒸发放出8.57kPa～12.87kPa的一次蒸气，在无外加热的两次放汽装置中的一次放汽室或外加热式两次放汽装置中的一次放汽室隔板上方设置冷却器，根据工艺需要可以使用冷却介质使冷却器所在的气相空间压力不超过8.57kPa并保证与溶液喷射吸引的水蒸气压力之比不大于4.5；两次放汽中的第二次放汽，是一次放汽后的溶液通过一次放汽室底部开口与二次放汽室相连的通道，上升进入一次放汽室与二次放汽室之间的环形空间，接受从一次放汽室壁面传来的热量进一步释放蒸气而成为浓溶液，放汽的压力受环形空间液面高度控制，该高度由浓溶液出口距一次放汽室底部的高度决定。蒸汽喷射增压冷凝是利用一次蒸气通过超音速喷管膨胀产生抽吸力，使在环境温度条件下不能被冷凝的、低于4.25kPa压力的二次蒸汽被吸引并被加压到5.25kPa以上，能够在不低于28.5℃的温度下冷凝。上述过程形成连续运行的循环系统，从冷媒取出热量释放到环境中，或气化废水排出冷凝水，各过程地时间由系统配置的能力和实际负荷量确定。
为实施上述方法而设计的装置包括外加热式两次放汽装置和无外加热的两次放汽装置，外加热式两次放汽装置在有外热源的喷射辅助吸收式热泵循环系统使用，无外加热的两次放汽装置在没有外热源的喷射辅助吸收式热泵循环系统使用。
本发明所述外加热式两次放汽装置，至少包括一次放汽室、二次放汽室、冷却器、加热器和S型降液管。一次放汽室的顶部设置有进口导流锥，中部有中间隔板将一次放汽室分隔为上下两部分，S型降液管穿过中间隔板、为溶液从一次放汽室上部降到下部提供一个通道而保证气相空间不联通，一次放汽室底部开口与二次放汽室连通构成液相从一次放汽室底部上升到二次放汽室环形空间的通道同时保证两个放汽空间气相不联通。由S型降液管的顶部距中间隔板的高度决定隔板上方的液层高度，所产生的静液柱压力保证一次放汽室下部空间的气相压力比上部空间至少大7kPa。二次放汽室壁面上安装的浓溶液出口接管口位置距二次放汽室底部的高度决定环形空间液层高度，此高度与一次放汽室下部液面高度之差所对应的静液柱压力，即是二次蒸气压力与一次蒸气压力之差，保证其不少于9kPa。一次放汽室与二次放汽室均设置除沫器，并分别设置有一次蒸气出口和二次蒸气出口。冷却器设置在一次放汽室隔板上方，可以通入冷却介质移走此处的热量。加热器设置在一次放汽室隔板下方，可以通入加热介质使此处的溶液得到热量。
本发明所述无外加热的两次放汽装置，至少包括一次放汽室、二次放汽室和冷却器。一次放汽室的顶部设置有进口导流锥，底部开口与二次放汽室连通构成液相从一次放汽室底部上升到二次放汽室环形空间的通道同时保证两个放汽空间气相不联通。二次放汽室壁面上安装的浓溶液出口接管口位置距二次放汽室底部的高度决定环形空间液层高度，此高度与一次放汽室下部液面高度之差所对应的静液柱压力，即是二次蒸气压力与一次蒸气压力之差，保证其不少于5.8kPa。一次放汽室与二次放汽室均设置除沫器，并分别设置有一次蒸气出口和二次蒸气出口。在一次放汽室内设置有冷却器，可以通入冷却介质移走此处的热量。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明所述喷射辅助吸收式热泵循环以水-硝酸钙水溶液为工质对，可以采用铝制设备，重量轻、耐腐蚀。
2、本发明所述喷射辅助吸收式热泵循环系统与ZL200520049987.2公开的采用双级溶液喷射泵的溴化锂-水吸收式制冷循环相比，溶液在喷射泵入口处平衡水蒸气压力比蒸发器气化压力至少低5％～10％，推动蒸发过程。
3、本发明所述喷射辅助吸收式热泵循环系统蒸气喷射器的压缩比不超过3，而四压或三压吸收-喷射复合制冷循环系统的压缩比超过7，本发明更符合单级蒸气喷射制冷的经济操作范围；同时本发明避免溶液反复升降温、以溶液放汽促使降温，以蒸气喷射促使溶液放汽，提高了循环系统热量利用率和性能系数，缩短了循环流程。
4、本发明所述喷射辅助吸收式热泵循环系统使用温度不高于76℃的外热源，输出温度不高于18℃的冷媒，蒸气在不高于32℃的环境温度下冷凝，从冷媒吸取的热量与消耗外热源的热量之比不小于1.6，显著优于现有技术。
【附图说明】
图1是本发明所述喷射辅助吸收式热泵循环系统利用低温热源制冷的一种流程图；
图2是本发明所述喷射辅助吸收式热泵循环系统冷凝汽轮机乏汽同时净化废水的一种工艺流程图；
图3是本发明所述喷射辅助吸收式热泵循环系统利用大气环境条件净化废水的一种工艺流程图；
图4是本发明所述无外加热的两次放汽装置的结构框图；
图5是本发明所述外加热式两次放汽装置的结构框图。
图中，1-溶液喷射泵、2-蒸气喷射器、3-循环泵、4-浓溶液表面冷却器、5-二次蒸气表面冷却器、6-加压蒸气表面冷却器、7-外加热式两次放汽装置(或无外加热的两次放汽装置)、8-降膜蒸发器、9-进口导流锥、10-一次蒸气出口、11-二次放汽室、12-二次蒸气出口、13-一次放汽室、14-冷却器、15-冷却介质进出口、16-与溶液喷射泵的接口、17-一次蒸气除沫器、18-二次蒸气除沫器、19-浓溶液出口、20-加热器、21-中间隔板、22-S型降液管
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明所述喷射辅助吸收式热泵循环系统与装置作进一步说明。
实施例1
本实施例利用低温热源制冷的流程如图1所示，使用外热源为75℃的热水，冷媒水输出温度为18℃，采用自来水-空气鼓泡为表面冷却介质、冷却温度不高于29℃，循环系统内硝酸钙水溶液平均密度1700kg/m3。
循环过程包括22℃的冷媒水在降膜蒸发器8内降温到18℃输出，由二次蒸气表面冷却器5和加压蒸气表面冷却器6来的冷凝水在降膜蒸发器8内获取冷媒的热量而气化，温度16℃、压力1.82kPa的饱和蒸气被质量百分浓度68％、温度32℃、平衡蒸汽压1.51kPa的硝酸钙水溶液通过溶液喷射泵1抽吸加压，喷射进入外加热式两次放汽装置7的一次放汽室中间隔板上方，同时向二次放汽室和冷却器14放热，溶液浓度下降到63％、温度上升到50℃、气相空间压力5kPa、s型降液管22使液层厚度维持在0.47m，自动下降到隔板下方接受加热器20传来外热源的热量而升温到70℃，在12.76kPa压力下释放一次蒸气量为浓溶液吸收蒸气量的25％，溶液然后进入二次放汽室继续闪蒸释放二次蒸气、当温度下降到45℃左右时开始接受从一次放汽室壁面传来的热量而保持等温放汽直到释放所吸收的全部蒸气、此时蒸气压力下降到3.1kPa而溶液浓度还原到68％，从距一次放汽室底部液面高度0.53m的浓溶液出口19溢流到浓溶液表面冷却器4，被冷却到32℃由循环泵3加压送往溶液喷射泵1，完成溶液的循环过程。
二次蒸气量为浓溶液吸收蒸气量的75％，其中2/3在二次蒸气表面冷却器5中直接冷凝，剩余1/3压力低于4.25kPa的二次蒸汽被12.76kPa的一次蒸气通过蒸气喷射器2抽引并增压到5.25kPa以上，在增压蒸气表面冷却器6中冷凝，所有冷凝水均回到蒸发器8，完成水的循环过程。
由配置的不凝气抽引装置从6中抽走不凝气。
本实施例从蒸发器冷媒输出的冷量与从外热源获取的热量之比为1.6。
实施例2
本实施例冷凝汽轮机乏汽兼净化废水的流程如图2所示，乏汽冷凝温度不超过35℃，环境温度不高于35℃，采用废水-空气鼓泡为表面冷却介质、冷却温度不高于29℃，循环系统内硝酸钙水溶液平均密度1700kg/m3。
循环过程包括汽轮机乏汽在降膜蒸发器8内不超过35℃下冷凝，冷凝热使废水气化，温度30℃、压力4.24kPa的废水蒸气被质量百分浓度68％、温度50℃、平衡蒸汽压3.95kPa的硝酸钙水溶液通过溶液喷射泵1抽吸加压，喷射进入无外加热的两次放汽装置7的一次放汽室，温度上升到66℃、在9.15kPa压力下释放一次蒸气量为浓溶液吸收蒸气量的50％，溶液浓度下降到66.3％，然后进入二次放汽室继续绝热闪蒸释放二次蒸气直到温度下降到50℃释放出所吸收的全部蒸气、此时蒸气压下降到3.95kPa而溶液浓度还原到68％，从距一次放汽室底部液面高度0.31m的浓溶液出口19溢流通过浓溶液表面冷却器4被循环泵3直接加压送往溶液喷射泵1，完成溶液的循环过程。
二次蒸气量为浓溶液吸收蒸气量的50％，其中1/2在二次蒸气表面冷却器5中直接冷凝，剩余1/2压力低于4.25kPa的二次蒸汽被9.15kPa压力的一次蒸气通过蒸气喷射器2抽引并增压到5.25kPa以上，在增压蒸气表面冷却器6中冷凝，回收所有冷凝水，从而完成废水净化过程。
由配置的不凝气抽引装置从6中抽走不凝气。
本实施例冷凝汽轮机乏汽量与净化废水量之比为1.0。
实施例3
本实施例利用热泵自循环净化废水的流程如图3所示，采用废水-空气鼓泡为表面冷却介质，冷却温度不高于29℃，循环系统内硝酸钙水溶液平均密度1700kg/m3。
循环过程包括废水在兼作增压蒸气冷却器的降膜蒸发器8内气化吸热从而使增压蒸气冷凝，冷凝温度35℃，废水气化温度30℃、压力4.24kPa，直接从8回收冷凝水并抽走不凝气。其余与实施例2完全相同。
本实施例不消耗热量，仅消耗循环功，功耗与废水汽化热之比不超过2％。