本发明公开了一种无机械功驱动的吸收式热变换器包括依次连接的发生器、提升管、第一气液分离器、冷凝器、第二气液分离器、蒸发器、第一吸收器、第一回热器和第二吸收器，所述的发生器与冷凝器之间设有提升管和第一气液分离器；所述的冷凝器与蒸发器之间设有第二气液分离器；所述的第一气液分离器与第一吸收器之间设有第一回热器。本发明的吸收式热变换器整个系统内部基本上是等压的，采用热驱动气泡泵实现吸收剂溶液和大沸程混合制冷剂的同时泵送，无需使用机械式溶液泵和制冷剂泵，完全不消耗电能，提高了运行的可靠性。特别适用于中低温热资源丰富，电力紧张，同时又需要使用高温热的场合，有良好的应用前景。
1.一种无机械功驱动的吸收式热变换器，包括发生器(1)、冷凝器(5)、蒸发器(7)、第一吸收器(8)和第二吸收器(12)，其特征在于，所述的发生器(1)与冷凝器(5)之间设有提升管(2)和第一气液分离器(3)；所述的冷凝器(5)与蒸发器(7)之间设有第二气液分离器(6)；所述的第一气液分离器(3)与第一吸收器(8)之间设有第一回热器(10)；
所述的冷凝器(5)位于热变换器的最高位置，冷凝器(5)的出口端高于第二气液分离器(6)的进料口；所述的第二气液分离器(6)内液体段的液位高于蒸发器(7)的进口端；所述的第一吸收器(8)的吸收剂进口端低于第一气液分离器(3)内液体段的液位，第一吸收器(8)的吸收剂液位高于第二吸收器(12)的吸收剂进口端，第一吸收器(8)的顶端的进气口的高度低于蒸发器(7)的出口端的高度；所述的第二吸收器(12)的吸收剂液位高于发生器(1)顶端的出料口；
所述的提升管(2)底端的进料口与发生器(1)顶端的出料口连通，顶端穿过并高出第一气液分离器(3)底部并与其内腔连通，顶部外壁与第一气液分离器(3)底部进口端边缘密封固定；
所述的冷凝器(5)进口端与第一气液分离器(3)内气体段的出气口连通，出口端与第二气液分离器(6)的进料口连通；所述的第一气液分离器(3)内液体段的出液口与第一回热器(10)内冷工质管道进口端连通；
所述的第二气液分离器(6)内气体段的出气口与第二吸收器(12)的进气口连通，液体段的出液口与蒸发器(7)的进口端连通；
所述的第一吸收器(8)的出气口与冷凝器(5)的进口端连通，进气口与蒸发器(7)的出口端连通，吸收剂进口端与第一回热器(10)内冷工质管道出口端连通，吸收剂出口端与第一回热器(10)内热工质管道进口端连通；
所述的第二吸收器(12)的吸收剂进口端与第一回热器(10)内热工质管道出口端连通，吸收剂出口端与发生器(1)底部的进料口连通。
2.根据权利要求1所述的无机械功驱动的吸收式热变换器，其特征在于，所述的第一气液分离器(3)与冷凝器(5)之间设有精馏装置(4)，精馏装置(4)高于第一气液分离器(3)；精馏装置(4)的进料口与第一气液分离器(3)内气体段的出气口连通，出料口与冷凝器(5)的进口端相连。
3.根据权利要求1所述的无机械功驱动的吸收式热变换器，其特征在于，所述的第一吸收器(8)与第一回热器(10)之间设有第一储液器(9)；第一储液器(9)的进口端与第一吸收器(8)的吸收剂出口端连通，出口端与第一回热器(10)内热工质管道进口端连通；所述的第一储液器(9)的液位高于第二吸收器(12)的吸收剂进口端。
4.根据权利要求1所述的无机械功驱动的吸收式热变换器，其特征在于，所述的第二吸收器(12)与发生器(1)之间设有第二储液器(13)；第二储液器(13)的进口端与第二吸收器(12)的吸收剂出口端连通，出口端与发生器(1)底部的进料口连通；所述的第二储液器(13)的液位高于发生器(1)顶端的出料口。
5.根据权利要求4所述的无机械功驱动的吸收式热变换器，其特征在于，所述的第二储液器(13)与发生器(1)之间设有第二回热器(11)；第二回热器(11)内冷工质管道进口端与第二储液器(13)的出口端连通，冷工质管道出口端与发生器(1)底部的进料口连通，热工质管道进口端与第一回热器(10)内热工质管道出口端连通，热工质管道出口端与第二吸收器(12)的吸收剂进口端连通。
6.根据权利要求1所述的无机械功驱动的吸收式热变换器，其特征在于，所述的第二吸收器(12)与发生器(1)之间设有第二回热器(11)；第二回热器(11)内冷工质管道进口端与第二吸收器(12)的吸收剂出口端连通，冷工质管道出口端与发生器(1)底部的进料口连通，热工质管道进口端与第一回热器(10)内热工质管道出口端连通，热工质管道出口端与第二吸收器(12)的吸收剂进口端连通。
7.根据权利要求1所述的无机械功驱动的吸收式热变换器，其特征在于，所述吸收式热变换器内循环的制冷剂由组分A和组分B组成，其中组分A常温常压下为气态物质，组分B常温常压下为液态物质。
8.根据权利要求7所述的无机械功驱动的吸收式热变换器，其特征在于，所述的组分A包括氢气、惰性气体、氧气、二氧化碳、氮气、丙烷、乙烷、四氟乙烷、甲烷、卤代甲烷和乙烯中的一种或多种。
9.根据权利要求7或8所述的无机械功驱动的吸收式热变换器，其特征在于，所述的组分B包括水、烷烃、烷烃卤化物、醇和醚中的一种或多种。
10.根据权利要求1～8任一权利要求所述的无机械功驱动的吸收式热变换器，其特征在于，所述的吸收式热变换器内循环的吸收剂包括无机盐、醇、醚、酮、胺、醛和离子液体中的一种或多种。
一种无机械功驱动的吸收式热变换器
技术领域
[0001] 本发明属于吸收式热泵以及低品位能源利用领域，尤其涉及一种无机械功驱动的吸收式热变换器。
背景技术
[0002] 吸收式热变换器，也称吸收式升温型热泵，可以充分利用在石油化工、冶金、动力等工业用能中产生的大量工业低温废热，使之品位升高后重新被生产工艺过程所直接利用。能有效利用工业余热、地热、太阳能等低品位能源。此外，吸收式热变换器可避免使用对大气臭氧层有破坏作用的制冷工质，故对节能和环保均具有重要的意义。已经投入商业应用的传统吸收式热变换器主要以H2O/LiBr为工质，由于机械式溶液泵运行的温度较高且密封性要求较高，H2O/LiBr溶液的强腐蚀性严重影响溶液系统的可靠性，限制了传统吸收式热变换器的广泛应用。
[0003] 扩散吸收式制冷机是通过制冷剂向扩散气体中扩散获得降温的效果，系统内部基本上没有压差，所以利用热驱动的气泡泵就可以推动吸收剂和制冷剂在系统中流动，无需使用机械功驱动的高温溶液泵和制冷剂泵。
发明内容
[0004] 本发明提供了一种无机械功驱动的吸收式热变换器，该热变换器无需使用传统吸收式热变换器中的机械式高温溶液泵和制冷剂泵，不仅可以避免消耗宝贵的电能工作，而且提高了运行的可靠性；特别适用于中低温热资源丰富，电力紧张，同时又需要使用高温热的场合，有良好的应用前景。
[0005] 一种无机械功驱动的吸收式热变换器，包括发生器、冷凝器、蒸发器、第一吸收器和第二吸收器，所述的发生器与冷凝器之间设有提升管和第一气液分离器；所述的冷凝器与蒸发器之间设有第二气液分离器；所述的第一气液分离器与第一吸收器之间设有第一回热器；
[0006] 所述的冷凝器的出口端高于第二气液分离器内的进料口；所述的第二气液分离器内液体段的液位高于蒸发器的进口端；所述的第一吸收器的吸收剂进口端低于第一气液分离器内液体段的液位，第一吸收器的吸收剂液位高于第二吸收器的吸收剂进口端；所述的第二吸收器的吸收剂液位高于发生器顶端的出料口；
[0007] 所述的提升管底部进料口与发生器顶端的出料口连通，顶端穿过并高出第一气液分离器底部并与其内腔连通，顶部外壁与第一气液分离器底部进口端边缘密封固定；所述的冷凝器进口端与第一气液分离器内气体段的出气口连通，出口端与第二气液分离器的进料口连通；所述的第一气液分离器内液体段的出液口与第一回热器内冷工质管道进口端连通；所述的第二气液分离器内气体段的出气口与第二吸收器的进气口连通，液体段的出液口与蒸发器的进口端连通；所述的第一吸收器的出气口与冷凝器的进口端连通，进气口与蒸发器的出口端连通，吸收剂进口端与第一回热器内冷工质管道出口端连通，吸收剂出口端与第一回热器内热工质管道进口端连通；所述的第二吸收器的吸收剂进口端与第一回热器内热工质管道出口端连通，吸收剂出口端与发生器底部进料口连通；所述的制冷剂为由两种或两种以上组分组成的混合制冷剂。
[0008] 冷凝器、第二气液分离器、蒸发器、第一气液分离器和发生器之间高度差的设置，实现了系统内吸收剂和制冷剂在重力作用下的自动循环，系统内基本上保持等压，保证了热交换器运行的稳定性，同时避免了使用机械能，降低了能量消耗和成本。第一回热器的设置，进一步提高了热交换器的制热量和制热温度，可满足不同场合的需要。
[0009] 由第一气液分离器分离出来的气体中会携带的少量的吸收剂，为避免携带的吸收剂经冷凝器冷凝后进入蒸发器内，影响吸收放热量，优选的技术方案中，可在所述的第一气液分离器与冷凝器之间设置一个用于去除少量吸收剂的精馏装置；为便于第一气液分离器分离得到的气体顺利进入精馏装置中，可选择将精馏装置设置的高度高于第一气液分离器的高度，此时，精馏装置的进料口与第一气液分离器内气体段的出气口连通，出料口与冷凝器的进口端相连。
[0010] 换热器可选用喷淋式、沉浸式或套管式换热器，其换热管可以是普通管也可以是强化管。
[0011] 为保证整个热变换器运行过程中的稳定性，第一吸收器和第二吸收器内需要保证一定的液体量；作为进一步优选，可在所述的第一吸收器与第一回热器之间设置一个第一储液器，第一储液器进口端与第一吸收器的吸收剂出口端连通，出口端与第一回热器内热工质管道进口端相连，第一储液器的液位高于第二吸收器的吸收剂进口端，以满足第一储液器内收集的液体在重力作用下顺利流入到第二吸收器内。同样，也可在所述的第二吸收器与发生器之间设置第二储液器，第二储液器的进口端与第二吸收器的吸收剂出口端连通，出口端与发生器底端的进料口连通，第二储液器的液位高于发生器顶端出料口，以实现第二储液器内收集的液体在重力作用下顺利回流至发生器内，满足工作运行的需要。第一储液器和第二储液器的设置，进一步保证了吸收完成的吸收剂以平稳的流速回流至发生器内。
[0012] 为进一步提高第二吸收器的吸收效果，保证全部的低沸点制冷剂被吸收剂吸收，优选的技术方案中，可在第二吸收器与发生器之间设置第二回热器；此时，第二回热器内冷工质管道进口端与第二吸收器的吸收剂出口端连通，冷工质管道出口端与发生器底部的进料口连通，热工质管道进口端与第一回热器内热工质管道出口端连通，热工质管道出口端与第二吸收器的吸收剂进口端连通。由第二气液分离器内分离得到的气体温度较低，被吸收剂吸收后的吸收剂温度也较低，第二回热器的设置，一方面对从第二吸收器排出的吸收剂预热，降低了发生器的蒸发能耗，另一方面也降低了进入第二吸收器的吸收剂的温度，更有利于吸收剂对低沸点制冷剂的吸收。当使用第二储液器时，优选的技术方案中，可在第二储液器与发生器之间设置第二回热器，此时，第二回热器内冷工质管道进口端与第二储液器出口端连通，冷工质管道出口端与发生器底部的进料口连通，热工质管道进口端与第一回热器内热工质管道出口端连通，热工质管道出口端与第二吸收器的吸收剂进口端连通。
[0013] 所述的发生器、冷凝器、蒸发器、第一吸收器、第二吸收器、第一回热器以及第二回热器均是换热器，可以采用喷淋式或沉浸式，也可以是套管式，其换热管可以是普通管也可以是强化管。
[0014] 制冷剂中的两种或两种以上组分组成中的低沸点组分与高沸点组分之间需要一定的沸程，以保证较好的发生与分离效果。根据实际换热需要，同时综合考虑换热效率和降低成本，优选的技术方案中，可选用的制冷剂由组分A和组分B组成，其中组分A常温常压(20℃，1标准大气压)下为气态物质，组分B常温常压下为液态物质。组分A和组分B的沸程较大，容易实现两者的分离，降低了能耗。进一步优选的组分A包括氢气、惰性气体、氧气、二氧化碳、氮气、丙烷、乙烷、四氟乙烷、甲烷、卤代甲烷和乙烯中的一种或多种，其中使用较为广泛的为三氟甲烷(即制冷剂R23)；组分B包括水、烷烃、烷烃卤化物、醇和醚中的一种或多种。其中水因其无污染和无毒害是目前最常见的高沸点制冷剂。常选用的吸收剂包括无机盐、醇、醚、酮、胺、醛和离子液体中的一种或多种。最为常见的吸收剂为四甘醇二甲醚(E181)。
[0015] 本发明根据吸收剂溶液对不同浓度的大沸程混合制冷剂气体具有不同的吸收能力，提出一种系统内部基本上是等压的吸收式热变换器，借鉴扩散吸收式制冷机的气泡泵原理，采用热驱动气泡泵实现吸收剂溶液和制冷剂的同时泵送。本发明与传统的吸收式热变换器相比，不再使用高温机械式溶液泵和制冷剂泵，具有以下有益效果：
[0016] (1)本发明采用热驱动气泡泵同时泵送吸收剂溶液和大沸程混合制冷剂，可完全不消耗宝贵的电能。
[0017] (2)本发明的换热系统结构简单，没有运动部件，彻底解决了机械式溶液泵在高温下的腐蚀和密封难题，极大地提高了运行的可靠性。
附图说明
[0018] 图1为本发明的无机械功驱动的吸收式热变换器的第一种实施方式的结构示意图；
[0019] 图2为本发明的无机械功驱动的吸收式热变换器的第二种实施方的结构示意图式；
[0020] 图3为本发明的无机械功驱动的吸收式热变换器的第三种实施方式的结构示意图；
[0021] 图4为本发明的无机械功驱动的吸收式热变换器的第四种实施方式的结构示意图。
具体实施方式
[0022] 实施例1
[0023] 如图1所示，一种无机械功驱动的吸收式热变换器包括：发生器1、提升管2、第一气液分离器3、冷凝器5、第二气液分离器6、蒸发器7、第一吸收器8、第一回热器10和第二吸收器12。
[0024] 其中，发生器1底部的进料口1a与第二吸收器12的吸收剂出口端12c相连，发生器1顶端的出料口1b与提升管2底端的进料口相连。提升管2顶端的出料口经第一气液分离器3的底部的进口端3a插入第一气液分离器3腔体内，插入高度大于等于内腔总高的1/2，提升管2的顶部的侧壁与第一气液分离器3底部的进口端3a的边缘密封固定。第一气液分离器3的液体段出液口3b与第一回热器10的冷工质管道进口端10c相连，第一气液分离器3的气体段的出气口3c与冷凝器5的进口端5a相连。冷凝器5的出口端5b与第二气液分离器6的进料口6a相连。第二气液分离器6的气体段的出气口6b与第二吸收器12顶端的进气口12a相连，第二气液分离器6的液体段的出液口6c与蒸发器7的进口端7a相连。蒸发器7的出口端7b与第一吸收器8顶端的进气口8a相连。第一吸收器8顶端的出气口8b与冷凝器5的进口端5a相连，第一吸收器8一侧的吸收剂进口端8c与第一回热器10内冷工质管道的出口端10d相连，第一吸收器8底部的吸收剂出口端8d与第一回热器10内热工质管道的进口端10a相连。第一回热器10内热工质管道的出口端10b与第二吸收器12一侧的吸收剂进口端12b相连。第二吸收器12的底部的吸收剂出口端12c与发生器1底部的进料口1a相连。
[0025] 实际安装时，需要满足一定的高度差，以实现制冷剂和吸收剂在重力作用下自动循环。其中冷凝器5要位于热变换器的最高位置，第二气液分离器6的进料口6a的高度低于冷凝器5的出口端5b的高度；蒸发器7的进口端7a的高度低于第二气液分离器6的液体段的出液口6c的高度；第一吸收器8的顶端的进气口8a的高度低于蒸发器7的出口端7b的高度，第一吸收器8内累计的吸收剂液体的液位高于第二吸收器12的吸收剂进口端的高度，第一吸收器8的吸收剂进口端8c的高度低于第一气液分离器3的液体段的液位的高度；第二吸收器12的吸收剂的液位高于发生器1顶端的出料口1b的高度。
[0026] 上述实施方式中的发生器、冷凝器、蒸发器、第一吸收器、第二吸收器、第一回热器均为换热器，可以采用喷淋式或沉浸式，也可以是套管式，其换热管可以是普通管也可以是强化管。
[0027] 上述实施方式中所用的制冷剂为混合物制冷剂，混合制冷剂由一种由氢气、惰性气体、氧气、二氧化碳、氮气、丙烷、乙烷、四氟乙烷、甲烷、卤代甲烷和乙烯等中的一种或多种组成的组分A和由水、烷烃、烷烃卤化物、醇和醚中的一种或多种组成的组分B；吸收剂可选择盐类、醇类、醚类、酮类、胺类、醛类或离子液体中的一种或多种。
[0028] 上述实施方式中提升管2主要起到提升溶液和驱动溶液循环的作用，可以是一般金属管，也可以为耐压软管。上述实施方式中第一气液分离器3、第二气液分离器6的作用是将进入其中的两相混合物平衡分离，气相从其顶部流出，液相从其底部流出。上述所说的各个部件之间的连接采用金属管路连接，高温管路外包裹保温材料。
[0029] 下面以采用高沸点制冷剂H2O和低沸点制冷剂R23组成大沸程混合制冷剂、四甘醇二甲醚(E181)为吸收剂为例描述具体的运行过程：
[0030] 富含高沸点制冷剂H2O和低沸点制冷剂R23的吸收剂E181浓溶液在发生器1中被中温热加热，混合制冷剂H2O/R23气体从溶液中发生出来。由于浮力作用，混合制冷剂的气泡在提升管2中上升，同时推动部分吸收剂E181稀溶液至第一气液分离器3中。混合制冷剂气体从第一气液分离器3分离后继续上升，然后上升至冷凝器5中，在其中部分冷凝后放出低温冷凝热至环境，随后流到第二气液分离器6中。由于低沸点制冷剂R23与高沸点制冷剂H2O的沸点差很大，第二气液分离器6中的液相基本上是纯高沸点制冷剂H2O，而气相是纯低沸点制冷剂R23气体。液体纯高沸点制冷剂H2O靠重力向下流至蒸发器7，被中温热加热气化，纯低沸点制冷剂R23气体则进入第二吸收器12。
[0031] 吸收剂E181稀溶液从第一气液分离器3流出，靠重力向下流，在第一回热器10中被加热后流进第一吸收器8，吸收来自蒸发器7的纯高沸点制冷剂H2O气体，吸收过程中产生大量高温热。吸收过程中会有少量的低沸点制冷剂R23气体从吸收剂E181溶液中扩散出来，需要通过吸收器8顶部和冷凝器5进口之间的平衡管，回流到冷凝器5的进口，与来自第一气液分离器3的混合制冷剂H2O/R23气体混合。而吸收终了的富含高沸点制冷剂H2O的吸收剂E181浓溶液则靠重力流回第一回热器10，放热后流入第二吸收器12，吸收来自第二气液分离器6的纯低沸点制冷剂R23气体。吸收终了的富含低沸点制冷剂R23和高沸点制冷剂H2O的吸收剂E181浓溶液则靠重力再次被送入发生器1中。
[0032] 实施例2
[0033] 结构与实施例1相同，不同之处在于在第一气液分离器3和冷凝器5之间设有一个精馏装置，用于进一步去除从第一气液分离器3分离的气体中携带的少量的吸收剂。
[0034] 精馏装置4可选用常规的分馏柱或其他能达到相同功能的精馏装置，其他参数选择同实施例1。其中，精馏装置4的进料口4a与第一气液分离器3气体段的出气口3c相连，精馏装置4的出料口4b与冷凝器5的进口端5a相连。
[0035] 在精馏装置4内收集的吸收剂沿第一气液分离器3和精馏装置4之间的管道回流至第一气液分离器3中，提纯后的混合制冷剂H2O/R23气体进入到冷凝器5中冷凝，其余过程同实施例1。
[0036] 实施例3
[0037] 其余结构与实施例2相同，不同之处在于，在第一吸收器8与第一回热器10之间设有一个第一储液器9，在第二吸收器12与发生器之间设有一个第二储液器13，以进一步增加系统运行的稳定性。
[0038] 第一储液器9和第二储液器13可选用制冷系统中常用的储液器。安装时需要保证，第一储液器9内的液位高于第二吸收器12的吸收剂进口端12b的高度，第二储液器13的液位高于发生器1顶端的出料口1b的高度，以保证制冷剂和吸收剂在重力作用下自动循环，避免使用机械力。其中，第一储液器9的进口端9a与第一吸收器8的吸收剂出口端8d相连，第一储液器9的出口端9b与第一回热器10内热工质管道进口端10a相连；第二储液器13的进口端13a与第二吸收器12的吸收剂出口端12c相连，第二储液器13的出口端13b与发生器1底部的进料口1a相连。
[0039] 第一吸收器8的吸收剂出口端8d排出的吸收剂首先进入到第一储液器9中，第一储液器9中收集的吸收剂以恒定的速度经第一回热器10进入到第二吸收器12中进行对低沸点制冷剂的吸收；吸收剂在第二吸收器12中完成吸收后，进入到第二储液器13内，然后平稳的再次回到发生器1中进行下一个工作循环，其余过程与实施例2相同。
[0040] 实施例4
[0041] 其余结构与实施例3相同，不同之处在于，第二储液器13与发生器1之间设有一个第二回热器11，以提高热量回收利用和加强对低沸点制冷剂的吸收。
[0042] 第二回热器11为换热器，可以采用沉浸式或套管式，其换热管可以是普通管也可以是强化管。实际安装过程中，第二回热器11的热工质管道的出口端11b与第二吸收器12的吸收剂进口端12b相连，第二回热器11的热工质管道的进口端11a与第一回热器10的热工质管道出口端11b相连；第二回热器11冷工质管道的进口端11c与第二储液器13的出口端13b相连，第二回热器11的冷工质管道的出口端11d与发生器1底部的进料口1a相连。
[0043] 第一储液器9收集的吸收剂经过第一回热器10和第二回热器11放热后进入到第二吸收器12内，吸收完成的吸收剂进入到第二储液器13内，然后经第二回热器11加热后再次回到发生器1内进行下一循环，其余过程同实施例3。
