用于吸收式制冷機的膜濃縮器的制作方法

專利名稱：用于吸收式制冷機的膜濃縮器的制作方法
技術領域：
本發明總地涉及吸收式制冷機系統的領域。更具體地，本發明涉及一種吸收式制冷機系統，其取消了吸收劑溶液再濃縮所需的高溫沸騰器和冷凝器。
背景技術：
基本吸收循環采用制冷劑和吸收劑。通常，水用作制冷劑且溴化鋰(LiBr)用作吸 收劑。在吸收循環期間，這些流體被分開并再結合。在吸收循環中，制冷劑蒸氣被吸收到吸收劑內，釋放大量熱。稀釋(稀)吸收劑溶 液的濃度可占重量的55%或更高。稀吸收劑溶液被泵送到高溫沸騰器內。添加熱使稀吸 收劑中的制冷劑從吸收劑中解析并蒸發。蒸氣流到冷凝器，在冷凝器處放出熱且冷凝成液 體。液體被計量供給到蒸發器中的較低壓力，在蒸發器中它通過吸熱而蒸發且提供有用冷 卻。在沸騰器中的其余液體吸收劑與從蒸發器返回的制冷劑蒸氣再結合，從而可重復該循 環。典型吸收式制冷機設計需要在高真空下操作的高溫沸騰器和冷凝器以在諸如 80°C的低溫煮沸稀吸收劑溶液。通常采用緩蝕劑來改善由于吸收劑溶液造成的腐蝕問題， 特別是在高溫沸騰器中，吸收劑溶液對金屬的腐蝕性很強。這導致吸收式制冷機繁重的維 護要求。

發明內容
本發明者發現具有在吸收循環中無需高溫沸騰器和冷凝器來濃縮稀吸收劑溶液 的吸收制冷系統是合乎需要的。本發明通過使用膜接觸器利用膜蒸餾來將稀吸收劑溶液濃 縮回到正常濃度水平。根據本發明的這個方面的吸收制冷系統包括蒸發器，其用于冷卻流體和生成制 冷劑蒸氣；吸收器，其攜帶吸收劑溶液來吸收來自蒸發器的制冷劑蒸氣以產生制冷劑-吸 收劑溶液(稀吸收劑溶液)；以及，膜蒸餾器，其用于從所述稀吸收劑溶液移除制冷劑以向 吸收器提供濃吸收劑溶液和向蒸發器提供制冷劑。吸收制冷系統的另一方面在于膜蒸餾器包括膜接觸器。吸收制冷系統的另一方面在于膜接觸器包括具有疏水性內表面和疏水性外表面 的多微孔膜。吸收制冷系統的另一方面在于多微孔膜材料選自包括聚丙烯、聚偏氟乙烯 (PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)或其它熱塑性聚合物的組。吸收制冷系統的另一方面在于在膜蒸餾器中的多微孔膜被布置成在多微孔膜的 一側上具有稀吸收劑溶液流和在多微孔膜的另一側上具有制冷劑流。吸收制冷系統的另一方面還包括加熱器和冷卻器，加熱器被配置成在稀吸收劑溶 液進入膜蒸餾器之前將稀吸收劑溶液加熱到預定溫度，冷卻器被配置成在制冷劑進入膜蒸 餾器之前將該制冷劑冷卻到預定溫度。
吸收制冷系統的另一方面在于稀吸收劑溶液預定溫度決定稀吸收劑溶液蒸氣壓 力且制冷劑預定溫度決定制冷劑蒸氣壓力。吸收制冷系統的另一方面在于稀吸收劑溶液蒸氣壓力大于制冷劑蒸氣壓力，稀吸 收劑溶液中的制冷劑在膜接觸器的循環稀吸收劑溶液的一側上蒸發，蒸發的制冷劑由蒸氣 壓差輸送穿過該膜并在膜接觸器的循環制冷劑的另一側上冷凝。吸收制冷系統的另一方面在于如果稀吸收劑溶液蒸氣壓力小于或等于制冷劑蒸 氣壓力，那么稀吸收劑溶液加熱器輸出溫度升高。吸收制冷系統的另一方面在于如果稀吸收劑溶液蒸氣壓力小于或等于制冷劑蒸 氣壓力，那么制冷劑冷卻器輸出溫度降低。本發明的另一方面是吸收制冷方法。根據本發明的這個方面的方法始于循環吸收 劑溶液通過蒸發器/吸收器；生成制冷劑蒸氣；吸收制冷劑蒸氣，從而產生制冷劑_吸收劑 溶液(稀吸收劑溶液)；循環稀吸收劑溶液和制冷劑通過膜蒸餾器；在膜蒸餾器中從稀吸收 劑溶液移除制冷劑；以及向蒸發器/吸收器提供濃吸收溶液。
在附圖和下文的描述中陳述了本發明的一或多個實施例的細節。通過該描述和附 圖以及權利要求書，本發明的其它特點、目的和優點將會變得顯而易見。


圖1是示范性吸收制冷機。圖2是利用膜蒸餾來濃縮稀吸收劑溶液的示范性吸收制冷系統。圖3是示范性多微孔膜蒸餾器。圖4是在局部管殼式布置中單個多微孔膜橫截面的顯微照片，其中具有其它纖 維。圖5是圖4所示的多微孔膜壁的顯微照片。
具體實施例方式將參看附圖來描述本發明的實施例，在所有附圖中，相似的附圖標記表示相似元 件。在詳細的解釋本發明的實施例之前，應了解本發明在其應用方面并不限于下文的具體 實施方式所陳述或附圖所示的實例的細節。本發明能有其它實施例且能以多種應用和以各 種方式來實踐或實施。而且，應了解本文所用的措詞和用語只是出于描述目的且不應被認 為具有限制意義。在本文中使用“包括”、“包含”或“具有”和其變型意謂涵蓋之后列出的 條目和其等效物以及額外的條目。術語“安裝”、“連接”和“聯接”廣義地使用且涵蓋直接 和間接安裝、連接和聯接。另外。“連接”和“聯接”并不限于物理或機械連接或聯接。作為背景，吸收制冷是與壓縮制冷不同的過程，吸收過程使用熱作為驅動力而不 是電力或軸功率。圖1示出簡化的吸收式制冷機器101。該機器101包括蒸發器103和吸收部段 105。在此實例中，制冷劑107是水，其被計量供給到蒸發器部段103內。制冷劑循環泵 109循環水通過噴頭111以噴射到冷凍水管束113上，這會濕潤管束113，來自冷卻水系統的循環水通過管束113傳遞。來自系統水113的熱蒸發制冷劑107以形成水蒸氣，在115 示意性地示出。水被不斷地蒸發且必須被補足。在吸收部段105，吸收劑(LiBr)溶液117具有低于來自蒸發器部段103的蒸發水 的壓力的蒸氣壓力，且易于將水蒸氣115吸收到溶液117內。LiBr溶液117經由LiBr循環 泵119通過噴頭121再循環以給予溶液更多的表面積來吸引水蒸氣115。隨著溶液117吸 水，其變得被稀釋。如果不移除水，那么溶液117將變得被稀釋使得其將不再具有任何吸引 勢且吸收過程將停止。另一泵123不斷地移除一些溶液117且將其泵送到濃縮器125。被 泵送到濃縮器125的溶液被稱作稀溶液，因為其包含從蒸發器105吸收的水。濃縮器(發生器)125包括沸騰器127和冷凝器129。沸騰器127需要熱源，熱源 可為蒸汽或熱水131。冷凝器129需要通常來自冷卻塔系統133的冷水流。稀溶液被泵送 到濃縮器125內，稀溶液在濃縮器125內被煮沸。沸騰作用將水變成蒸氣，蒸氣離開吸收劑 溶液且被吸引到冷凝器盤管129。水蒸氣被冷凝成液體，液體在冷凝器盤管處聚集且通過孔 口 135被計量供回到蒸發器部段103。吸收劑溶液變成濃溶液137且通過管線139往回排 到吸收部段105用于由吸收劑泵119循環。
考慮到僅有的運動部件是泵馬達和泵葉輪，吸收過程101是簡單的。吸收制冷機 可包括一個以上的級，這得到比單級設計更有效的吸收機。圖2示出吸收制冷機器201，吸收制冷機器201使用膜蒸餾器203而不是濃縮器 125。吸收制冷機201包括蒸發器部段205、吸收器部段207、稀吸收劑溶液加熱器209、制冷 劑熱交換器(冷卻器)211、制冷劑循環泵221、吸收劑溶液循環泵212和吸收劑溶液回流熱 交換器213。回流熱交換器是專用逆流熱交換器，其用于回收廢熱且用于恢復或再循環這些 熱。在示范性實施例中所用的吸收劑溶液是LiBr，但也可使用其它吸收劑。在示范性實施 例中所用的制冷劑是水，但也可使用其它制冷劑。在蒸發器205中，冷凍水215流動通過蒸發器205內的管217，且由制冷劑泵221 循環的制冷劑219從樹狀噴射器223噴射在管束217的外側上，從而通過蒸發制冷劑219 而從流動通過管束217的冷凍水215移除熱。在吸收器207中，具有小于水蒸氣227壓力的蒸氣壓力的吸收劑溶液225用于在 相當低的溫度吸收從蒸發器205生成的制冷劑蒸氣227。在吸收器207中，在蒸發器205中 蒸發的制冷劑蒸氣227由例如從樹狀噴射器229噴射在吸收器207的冷卻管路231外側上 的吸收劑溶液吸收，此時生成的吸收熱由流動通過冷卻管路231的冷卻水233冷卻。濃度由于吸收制冷劑已被降低的吸收劑溶液225的吸收能力降低(稀溶液)。稀吸收劑溶液225輸入到吸收劑回流熱交換器213。回流熱交換器213預熱由膜 蒸餾器203輸出的濃吸收劑溶液245與由回流熱交換器213輸出的被冷卻的稀吸收劑溶液 226形成的混合吸收劑溶液247。回流熱交換器213冷卻稀吸收劑溶液225同時給混合的 吸收劑溶液247加溫。混合的吸收劑溶液235在稀吸收劑溶液加熱器209中加熱。使用熱 水或蒸汽源237將加熱器209加熱到預定溫度，例如85°C。熱的稀溶液239被輸入到膜蒸 餾器203以濃縮吸收劑溶液239。圖3示出膜蒸餾器203的剖視圖。膜蒸餾器203是膜接觸器，其具有類似于管殼 式交換器構造的構造，其中布置由疏水性多微孔膜構成的膜管。由于多微孔膜的壁表面是 疏水性的，膜將不允許液態水穿過孔隙到膜的相對側。多微孔膜或至少膜的表面材料可選自包括聚丙烯、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)或其它熱塑性含氟聚合物的組。膜接觸器是允許氣相與液相彼此接觸用于在這些相之間進行熱和質量傳遞的目的但并不使一相分散到另一相內的裝置。本發明利用膜蒸餾來濃縮熱的稀吸收劑溶液239。 膜蒸餾過程采用低溫熱來在膜接觸器的一側(其可為殼側上)從稀吸收劑溶液蒸發水，且 在膜接觸器的循環制冷劑241的另一側或管側上冷凝蒸氣。圖4示出在蒸餾器203中的一個管的橫截面。熱的稀吸收劑溶液239被示出在 “殼”側中的“管”上流動。冷制冷劑241被示出在每個管內流動。圖5示出圖4所示管壁 的放大圖，其中，發生從熱的稀吸收劑溶液239到制冷劑蒸發和制冷劑冷凝243的過渡。多微孔膜的孔隙大小在大約0. 1微米至0.6微米的范圍內且孔隙率大于50%。膜 充當熱的稀吸收劑溶液239與液體制冷劑的兩相之間的選擇性屏障。膜的表面能充分地小 于稀吸收劑溶液的表面張力或制冷劑的表面張力中較小者。典型值為lOdyne/cm或更大。 將制冷劑蒸氣輸送穿過膜的驅動力是膜上的蒸氣壓差。熱的稀吸收劑溶液239可具有占重量55%的濃度和在82°C下例如33. 33kPa的蒸 氣壓力vp 稀溶液。稀吸收劑溶液239的蒸氣壓力必須高于制冷劑241蒸氣壓力Vpstsffl ；^」，該蒸氣壓力在通過制冷劑冷卻器211之后在32°C下可為例如3. 33kPa。蒸氣壓差驅動蒸氣輸送穿過膜孔隙。膜的稀吸收劑溶液側241的溫度足夠高以生 成高于膜的制冷劑側上的制冷劑蒸氣壓力的蒸氣壓力。在膜蒸餾器203中的制冷劑溫度 蒸餾器制冷劑決定芾儀令劑蒸氣壓力vp蒸餾器制冷劑。為 了濃縮稀吸收劑溶液，稀LiBr溶液的蒸氣壓力必須大于膜蒸餾器203中制冷劑的蒸氣壓 力。Vp蒸溜器稀溶液> Vp蒸溜器制冷劑 (1)已知稀吸收劑溶液的重量百分比濃度，且使用膜蒸餾器203中的重量百分比濃度 和稀溶液溫度t° ，可得到稀溶液蒸氣壓力νρ Λ β 。可使用方程式或存儲器查 找表來得到從溫度和濃度到蒸氣壓力的轉換。稀溶液加熱器209和制冷劑冷卻器211被配置成在預定溫度t°蒸溜器稀溶液、t°蒸溜 輸出稀溶液237和冷卻制冷劑241，對于給定能力的吸收制冷系統，t° 蒸餾器稀溶液、L
蒸溜器 令齊ij對應于預定蒸氣壓力vP 稀溶液、VP蒸溜器制冷劑，從而確保膜蒸餾器2O3發揮該能力。 如果發生系統擾動且不滿足蒸氣壓力關系(1)，稀溶液加熱器209可例如受到恒溫控制使 得稀吸收劑溶液溫度t°將升高，繼而這會升高稀吸收劑溶液蒸氣壓力vp·
。相反，如果未滿足關系(1)，那么制冷劑冷卻器211例如可受到恒溫控制使得制冷劑溫度 稀碰將降低，從而降低制冷劑蒸氣壓力vp _。以此方式，將在任何系統擾動的 情況下維持關系(1)。可提供控制稀溶液加熱器209和制冷劑冷卻器211的控制布置。稀吸收劑溶液在通過膜蒸餾器203后變成濃溶液245，從而恢復其吸收能力。恢復 的吸收劑溶液245與稀的熱吸收劑溶液226混合，且由吸收劑溶液循環泵212循環通過吸 收劑回流熱交換器213并噴射在吸收器207中，從而完成吸收劑溶液循環。制冷劑泵221循環制冷劑243通過冷卻器211，冷卻器由冷卻塔水233冷卻。冷卻 的制冷劑241的一部分旁通到膜蒸餾器203而制冷劑的其余部分返回到蒸發器205。使用本發明的膜蒸餾器203的吸收式制冷機器可具有類似于或大于使用當前濃 縮技術、沸騰器127和冷凝器129的吸收式制冷機的性能系數(COP)。使用膜蒸餾器的吸收式制冷機系統的性能系數可由以下方程式定義，<formula>formula see original document page 8</formula>其中，Q是由蒸發器從進來的冷凍流移除的有用熱，且Qin是輸入到發生器的熱能。 與單效發生的0. 7的COP相比，該COP可以借助于多效發生而大于1. 0。已描述了本發明的一或多個實施例。然而，應了解在不偏離本發明的精神和范圍 的情況下可對本發明做出各種修改。因此，其它實施例在所附權利要求的范圍內。
權利要求
一種吸收制冷系統，其包括蒸發器，其用于冷卻流體和生成制冷劑蒸氣；吸收器，其攜帶吸收劑溶液用于吸收來自蒸發器的制冷劑蒸氣以產生制冷劑-吸收劑溶液(稀吸收劑溶液)；以及，膜蒸餾器，其用于從所述稀吸收劑溶液移除制冷劑以向所述吸收器提供濃吸收劑溶液和向所述蒸發器提供制冷劑。
2.根據權利要求1所述的吸收制冷系統，其中，所述膜蒸餾器包括膜接觸器。
3.根據權利要求2所述的吸收制冷系統，其中，所述膜接觸器包括具有疏水性內表面 和疏水性外表面的多微孔膜。
4.根據權利要求3所述的吸收制冷系統，其中，所述多微孔膜材料或者所述多微孔膜 的內表面和外表面上的材料選自包括聚丙烯、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)或其 它熱塑性聚合物材料的組，該其它熱塑性聚合物材料具有小于所述稀吸收劑溶液的表面張 力或所述制冷劑的表面張力中較小者的至少lOdyne/cm的表面能。
5.根據權利要求3所述的吸收制冷系統，其中，所述疏水性多微孔膜具有大于50%的 孔隙率。
6.根據權利要求5所述的吸收制冷系統，其中，所述疏水性多微孔膜具有在大約0.1微 米至0. 6微米范圍內的孔隙大小。
7.根據權利要求6所述的吸收制冷系統，其中，所述孔隙大小和疏水性使得所述稀吸 收劑溶液和所述制冷劑并不滲透所述膜孔隙。
8.根據權利要求6所述的吸收制冷系統，其中，所述疏水性多微孔膜的內表面能和 外表面能是小于所述稀吸收劑溶液的表面張力或所述制冷劑的表面張力中較小者的至少 IOdyne/cm。
9.根據權利要求3所述的吸收制冷系統，還包括吸收劑溶液循環回路和制冷劑循環回 路，其中，所述制冷劑循環回路和吸收劑溶液循環回路流動通過所述膜蒸餾器。
10.根據權利要求9所述的吸收制冷系統，還包括加熱器，其被配置成在所述稀吸收劑溶液進入所述膜蒸餾器之前將所述稀吸收劑溶液 加熱到預定溫度；以及，冷卻器，其被配置成在所述制冷劑進入所述膜蒸餾器之前將所述制冷劑冷卻到預定溫度。
11.根據權利要求10所述的吸收制冷系統，其中，所述稀吸收劑溶液預定溫度決定稀 吸收劑溶液蒸氣壓力，所述制冷劑預定溫度決定制冷劑蒸氣壓力。
12.根據權利要求11所述的吸收制冷系統，其中，所述稀吸收劑溶液蒸氣壓力大于所 述制冷劑蒸氣壓力；在所述稀吸收劑溶液中的制冷劑在所述膜接觸器的循環所述稀吸收劑 溶液的一側上蒸發，所述蒸發的制冷劑由蒸氣差輸送穿過所述膜且在所述膜接觸器的循環 所述制冷劑的另一側上冷凝。
13.根據權利要求11所述的吸收制冷系統，其中，如果所述稀吸收劑溶液蒸氣壓力小 于或等于所述制冷劑蒸氣壓力，所述稀吸收劑溶液加熱器輸出溫度升高。
14.根據權利要求11所述的吸收制冷系統，其中，如果所述稀吸收劑溶液蒸氣壓力小 于或等于所述制冷劑蒸氣壓力，所述制冷劑冷卻器輸出溫度降低。
15.根據權利要求1所述的吸收制冷系統，其中，所述制冷劑是水。
16.根據權利要求1所述的吸收制冷系統，其中，所述吸收劑溶液是LiBr溶液。
17.一種吸收制冷方法，其包括 循環吸收劑溶液通過蒸發器/吸收器； 生成制冷劑蒸氣；吸收所述制冷劑蒸氣，從而產生制冷劑-吸收劑溶液(稀吸收劑溶液)； 循環所述稀吸收劑溶液和制冷劑通過膜蒸餾器； 從所述膜蒸餾器中的所述稀吸收劑溶液移除所述制冷劑；以及， 向所述蒸發器/吸收器提供濃吸收溶液。
18.根據權利要求17所述的吸收制冷方法，其中，所述膜蒸餾器包括膜接觸器。
19.根據權利要求18所述的吸收制冷方法，其中，所述膜接觸器包括具有疏水性內表 面和疏水性外表面的多微孔膜。
20.根據權利要求19所述的吸收制冷系統，其中，所述多微孔膜材料或在所述多微孔 膜的內表面和外表面上的材料選自包括聚丙烯、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)或 其它熱塑性聚合物材料的組，該其它熱塑性聚合物材料具有小于所述稀吸收劑溶液的表面 張力或所述制冷劑的表面張力中較小者的至少lOdyne/cm的表面能。
全文摘要
本發明公開了一種吸收式制冷機，其利用膜蒸餾來濃縮稀吸收劑溶液。膜蒸餾過程采用低溫熱來從膜接觸器一側上的稀吸收劑溶液蒸發水，且在膜接觸器的循環水制冷劑的另一側上冷凝蒸氣。
文檔編號F25B33/00GK101828083SQ200780101124
公開日2010年9月8日 申請日期2007年10月16日 優先權日2007年10月16日
發明者Z·馬 申請人:開利公司