专利名称：用于吸收式制冷机的膜浓缩器的制作方法
技术领域：
本发明总地涉及吸收式制冷机系统的领域。更具体地，本发明涉及一种吸收式制冷机系统，其取消了吸收剂溶液再浓缩所需的高温沸腾器和冷凝器。
背景技术：
基本吸收循环采用制冷剂和吸收剂。通常，水用作制冷剂且溴化锂(LiBr)用作吸 收剂。在吸收循环期间，这些流体被分开并再结合。在吸收循环中，制冷剂蒸气被吸收到吸收剂内，释放大量热。稀释(稀)吸收剂溶 液的浓度可占重量的55%或更高。稀吸收剂溶液被泵送到高温沸腾器内。添加热使稀吸 收剂中的制冷剂从吸收剂中解析并蒸发。蒸气流到冷凝器，在冷凝器处放出热且冷凝成液 体。液体被计量供给到蒸发器中的较低压力，在蒸发器中它通过吸热而蒸发且提供有用冷 却。在沸腾器中的其余液体吸收剂与从蒸发器返回的制冷剂蒸气再结合，从而可重复该循 环。典型吸收式制冷机设计需要在高真空下操作的高温沸腾器和冷凝器以在诸如 80°C的低温煮沸稀吸收剂溶液。通常采用缓蚀剂来改善由于吸收剂溶液造成的腐蚀问题， 特别是在高温沸腾器中，吸收剂溶液对金属的腐蚀性很强。这导致吸收式制冷机繁重的维 护要求。
发明内容
本发明者发现具有在吸收循环中无需高温沸腾器和冷凝器来浓缩稀吸收剂溶液 的吸收制冷系统是合乎需要的。本发明通过使用膜接触器利用膜蒸馏来将稀吸收剂溶液浓 缩回到正常浓度水平。根据本发明的这个方面的吸收制冷系统包括蒸发器，其用于冷却流体和生成制 冷剂蒸气；吸收器，其携带吸收剂溶液来吸收来自蒸发器的制冷剂蒸气以产生制冷剂-吸 收剂溶液(稀吸收剂溶液)；以及，膜蒸馏器，其用于从所述稀吸收剂溶液移除制冷剂以向 吸收器提供浓吸收剂溶液和向蒸发器提供制冷剂。吸收制冷系统的另一方面在于膜蒸馏器包括膜接触器。吸收制冷系统的另一方面在于膜接触器包括具有疏水性内表面和疏水性外表面 的多微孔膜。吸收制冷系统的另一方面在于多微孔膜材料选自包括聚丙烯、聚偏氟乙烯 (PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)或其它热塑性聚合物的组。吸收制冷系统的另一方面在于在膜蒸馏器中的多微孔膜被布置成在多微孔膜的 一侧上具有稀吸收剂溶液流和在多微孔膜的另一侧上具有制冷剂流。吸收制冷系统的另一方面还包括加热器和冷却器，加热器被配置成在稀吸收剂溶 液进入膜蒸馏器之前将稀吸收剂溶液加热到预定温度，冷却器被配置成在制冷剂进入膜蒸 馏器之前将该制冷剂冷却到预定温度。
吸收制冷系统的另一方面在于稀吸收剂溶液预定温度决定稀吸收剂溶液蒸气压 力且制冷剂预定温度决定制冷剂蒸气压力。吸收制冷系统的另一方面在于稀吸收剂溶液蒸气压力大于制冷剂蒸气压力，稀吸 收剂溶液中的制冷剂在膜接触器的循环稀吸收剂溶液的一侧上蒸发，蒸发的制冷剂由蒸气 压差输送穿过该膜并在膜接触器的循环制冷剂的另一侧上冷凝。吸收制冷系统的另一方面在于如果稀吸收剂溶液蒸气压力小于或等于制冷剂蒸 气压力，那么稀吸收剂溶液加热器输出温度升高。吸收制冷系统的另一方面在于如果稀吸收剂溶液蒸气压力小于或等于制冷剂蒸 气压力，那么制冷剂冷却器输出温度降低。本发明的另一方面是吸收制冷方法。根据本发明的这个方面的方法始于循环吸收 剂溶液通过蒸发器/吸收器；生成制冷剂蒸气；吸收制冷剂蒸气，从而产生制冷剂_吸收剂 溶液(稀吸收剂溶液)；循环稀吸收剂溶液和制冷剂通过膜蒸馏器；在膜蒸馏器中从稀吸收 剂溶液移除制冷剂；以及向蒸发器/吸收器提供浓吸收溶液。
在附图和下文的描述中陈述了本发明的一或多个实施例的细节。通过该描述和附 图以及权利要求书，本发明的其它特点、目的和优点将会变得显而易见。
图1是示范性吸收制冷机。图2是利用膜蒸馏来浓缩稀吸收剂溶液的示范性吸收制冷系统。图3是示范性多微孔膜蒸馏器。图4是在局部管壳式布置中单个多微孔膜横截面的显微照片，其中具有其它纤 维。图5是图4所示的多微孔膜壁的显微照片。
具体实施例方式将参看附图来描述本发明的实施例，在所有附图中，相似的附图标记表示相似元 件。在详细的解释本发明的实施例之前，应了解本发明在其应用方面并不限于下文的具体 实施方式所陈述或附图所示的实例的细节。本发明能有其它实施例且能以多种应用和以各 种方式来实践或实施。而且，应了解本文所用的措词和用语只是出于描述目的且不应被认 为具有限制意义。在本文中使用“包括”、“包含”或“具有”和其变型意谓涵盖之后列出的 条目和其等效物以及额外的条目。术语“安装”、“连接”和“联接”广义地使用且涵盖直接 和间接安装、连接和联接。另外。“连接”和“联接”并不限于物理或机械连接或联接。作为背景，吸收制冷是与压缩制冷不同的过程，吸收过程使用热作为驱动力而不 是电力或轴功率。图1示出简化的吸收式制冷机器101。该机器101包括蒸发器103和吸收部段 105。在此实例中，制冷剂107是水，其被计量供给到蒸发器部段103内。制冷剂循环泵 109循环水通过喷头111以喷射到冷冻水管束113上，这会湿润管束113，来自冷却水系统的循环水通过管束113传递。来自系统水113的热蒸发制冷剂107以形成水蒸气，在115 示意性地示出。水被不断地蒸发且必须被补足。在吸收部段105，吸收剂(LiBr)溶液117具有低于来自蒸发器部段103的蒸发水 的压力的蒸气压力，且易于将水蒸气115吸收到溶液117内。LiBr溶液117经由LiBr循环 泵119通过喷头121再循环以给予溶液更多的表面积来吸引水蒸气115。随着溶液117吸 水，其变得被稀释。如果不移除水，那么溶液117将变得被稀释使得其将不再具有任何吸引 势且吸收过程将停止。另一泵123不断地移除一些溶液117且将其泵送到浓缩器125。被 泵送到浓缩器125的溶液被称作稀溶液，因为其包含从蒸发器105吸收的水。浓缩器(发生器)125包括沸腾器127和冷凝器129。沸腾器127需要热源，热源 可为蒸汽或热水131。冷凝器129需要通常来自冷却塔系统133的冷水流。稀溶液被泵送 到浓缩器125内，稀溶液在浓缩器125内被煮沸。沸腾作用将水变成蒸气，蒸气离开吸收剂 溶液且被吸引到冷凝器盘管129。水蒸气被冷凝成液体，液体在冷凝器盘管处聚集且通过孔 口 135被计量供回到蒸发器部段103。吸收剂溶液变成浓溶液137且通过管线139往回排 到吸收部段105用于由吸收剂泵119循环。
考虑到仅有的运动部件是泵马达和泵叶轮，吸收过程101是简单的。吸收制冷机 可包括一个以上的级，这得到比单级设计更有效的吸收机。图2示出吸收制冷机器201，吸收制冷机器201使用膜蒸馏器203而不是浓缩器 125。吸收制冷机201包括蒸发器部段205、吸收器部段207、稀吸收剂溶液加热器209、制冷 剂热交换器(冷却器)211、制冷剂循环泵221、吸收剂溶液循环泵212和吸收剂溶液回流热 交换器213。回流热交换器是专用逆流热交换器，其用于回收废热且用于恢复或再循环这些 热。在示范性实施例中所用的吸收剂溶液是LiBr，但也可使用其它吸收剂。在示范性实施 例中所用的制冷剂是水，但也可使用其它制冷剂。在蒸发器205中，冷冻水215流动通过蒸发器205内的管217，且由制冷剂泵221 循环的制冷剂219从树状喷射器223喷射在管束217的外侧上，从而通过蒸发制冷剂219 而从流动通过管束217的冷冻水215移除热。在吸收器207中，具有小于水蒸气227压力的蒸气压力的吸收剂溶液225用于在 相当低的温度吸收从蒸发器205生成的制冷剂蒸气227。在吸收器207中，在蒸发器205中 蒸发的制冷剂蒸气227由例如从树状喷射器229喷射在吸收器207的冷却管路231外侧上 的吸收剂溶液吸收，此时生成的吸收热由流动通过冷却管路231的冷却水233冷却。浓度由于吸收制冷剂已被降低的吸收剂溶液225的吸收能力降低(稀溶液)。稀吸收剂溶液225输入到吸收剂回流热交换器213。回流热交换器213预热由膜 蒸馏器203输出的浓吸收剂溶液245与由回流热交换器213输出的被冷却的稀吸收剂溶液 226形成的混合吸收剂溶液247。回流热交换器213冷却稀吸收剂溶液225同时给混合的 吸收剂溶液247加温。混合的吸收剂溶液235在稀吸收剂溶液加热器209中加热。使用热 水或蒸汽源237将加热器209加热到预定温度，例如85°C。热的稀溶液239被输入到膜蒸 馏器203以浓缩吸收剂溶液239。图3示出膜蒸馏器203的剖视图。膜蒸馏器203是膜接触器，其具有类似于管壳 式交换器构造的构造，其中布置由疏水性多微孔膜构成的膜管。由于多微孔膜的壁表面是 疏水性的，膜将不允许液态水穿过孔隙到膜的相对侧。多微孔膜或至少膜的表面材料可选自包括聚丙烯、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)或其它热塑性含氟聚合物的组。膜接触器是允许气相与液相彼此接触用于在这些相之间进行热和质量传递的目的但并不使一相分散到另一相内的装置。本发明利用膜蒸馏来浓缩热的稀吸收剂溶液239。 膜蒸馏过程采用低温热来在膜接触器的一侧(其可为壳侧上)从稀吸收剂溶液蒸发水，且 在膜接触器的循环制冷剂241的另一侧或管侧上冷凝蒸气。图4示出在蒸馏器203中的一个管的横截面。热的稀吸收剂溶液239被示出在 “壳”侧中的“管”上流动。冷制冷剂241被示出在每个管内流动。图5示出图4所示管壁 的放大图，其中，发生从热的稀吸收剂溶液239到制冷剂蒸发和制冷剂冷凝243的过渡。多微孔膜的孔隙大小在大约0. 1微米至0.6微米的范围内且孔隙率大于50%。膜 充当热的稀吸收剂溶液239与液体制冷剂的两相之间的选择性屏障。膜的表面能充分地小 于稀吸收剂溶液的表面张力或制冷剂的表面张力中较小者。典型值为lOdyne/cm或更大。 将制冷剂蒸气输送穿过膜的驱动力是膜上的蒸气压差。热的稀吸收剂溶液239可具有占重量55%的浓度和在82°C下例如33. 33kPa的蒸 气压力vp 稀溶液。稀吸收剂溶液239的蒸气压力必须高于制冷剂241蒸气压力Vpstsffl ；^」，该蒸气压力在通过制冷剂冷却器211之后在32°C下可为例如3. 33kPa。蒸气压差驱动蒸气输送穿过膜孔隙。膜的稀吸收剂溶液侧241的温度足够高以生 成高于膜的制冷剂侧上的制冷剂蒸气压力的蒸气压力。在膜蒸馏器203中的制冷剂温度 蒸馏器制冷剂决定芾仪令剂蒸气压力vp蒸馏器制冷剂。为 了浓缩稀吸收剂溶液，稀LiBr溶液的蒸气压力必须大于膜蒸馏器203中制冷剂的蒸气压 力。Vp蒸溜器稀溶液> Vp蒸溜器制冷剂 (1)已知稀吸收剂溶液的重量百分比浓度，且使用膜蒸馏器203中的重量百分比浓度 和稀溶液温度t° ，可得到稀溶液蒸气压力νρ Λ β 。可使用方程式或存储器查 找表来得到从温度和浓度到蒸气压力的转换。稀溶液加热器209和制冷剂冷却器211被配置成在预定温度t°蒸溜器稀溶液、t°蒸溜 输出稀溶液237和冷却制冷剂241，对于给定能力的吸收制冷系统，t° 蒸馏器稀溶液、L
蒸溜器 令齐ij对应于预定蒸气压力vP 稀溶液、VP蒸溜器制冷剂，从而确保膜蒸馏器2O3发挥该能力。 如果发生系统扰动且不满足蒸气压力关系(1)，稀溶液加热器209可例如受到恒温控制使 得稀吸收剂溶液温度t°将升高，继而这会升高稀吸收剂溶液蒸气压力vp·
。相反，如果未满足关系(1)，那么制冷剂冷却器211例如可受到恒温控制使得制冷剂温度 稀碰将降低，从而降低制冷剂蒸气压力vp _。以此方式，将在任何系统扰动的 情况下维持关系(1)。可提供控制稀溶液加热器209和制冷剂冷却器211的控制布置。稀吸收剂溶液在通过膜蒸馏器203后变成浓溶液245，从而恢复其吸收能力。恢复 的吸收剂溶液245与稀的热吸收剂溶液226混合，且由吸收剂溶液循环泵212循环通过吸 收剂回流热交换器213并喷射在吸收器207中，从而完成吸收剂溶液循环。制冷剂泵221循环制冷剂243通过冷却器211，冷却器由冷却塔水233冷却。冷却 的制冷剂241的一部分旁通到膜蒸馏器203而制冷剂的其余部分返回到蒸发器205。使用本发明的膜蒸馏器203的吸收式制冷机器可具有类似于或大于使用当前浓 缩技术、沸腾器127和冷凝器129的吸收式制冷机的性能系数(COP)。使用膜蒸馏器的吸收式制冷机系统的性能系数可由以下方程式定义，<formula>formula see original document page 8</formula>其中，Q是由蒸发器从进来的冷冻流移除的有用热，且Qin是输入到发生器的热能。 与单效发生的0. 7的COP相比，该COP可以借助于多效发生而大于1. 0。已描述了本发明的一或多个实施例。然而，应了解在不偏离本发明的精神和范围 的情况下可对本发明做出各种修改。因此，其它实施例在所附权利要求的范围内。
权利要求
一种吸收制冷系统，其包括蒸发器，其用于冷却流体和生成制冷剂蒸气；吸收器，其携带吸收剂溶液用于吸收来自蒸发器的制冷剂蒸气以产生制冷剂-吸收剂溶液(稀吸收剂溶液)；以及，膜蒸馏器，其用于从所述稀吸收剂溶液移除制冷剂以向所述吸收器提供浓吸收剂溶液和向所述蒸发器提供制冷剂。
2.根据权利要求1所述的吸收制冷系统，其中，所述膜蒸馏器包括膜接触器。
3.根据权利要求2所述的吸收制冷系统，其中，所述膜接触器包括具有疏水性内表面 和疏水性外表面的多微孔膜。
4.根据权利要求3所述的吸收制冷系统，其中，所述多微孔膜材料或者所述多微孔膜 的内表面和外表面上的材料选自包括聚丙烯、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)或其 它热塑性聚合物材料的组，该其它热塑性聚合物材料具有小于所述稀吸收剂溶液的表面张 力或所述制冷剂的表面张力中较小者的至少lOdyne/cm的表面能。
5.根据权利要求3所述的吸收制冷系统，其中，所述疏水性多微孔膜具有大于50%的 孔隙率。
6.根据权利要求5所述的吸收制冷系统，其中，所述疏水性多微孔膜具有在大约0.1微 米至0. 6微米范围内的孔隙大小。
7.根据权利要求6所述的吸收制冷系统，其中，所述孔隙大小和疏水性使得所述稀吸 收剂溶液和所述制冷剂并不渗透所述膜孔隙。
8.根据权利要求6所述的吸收制冷系统，其中，所述疏水性多微孔膜的内表面能和 外表面能是小于所述稀吸收剂溶液的表面张力或所述制冷剂的表面张力中较小者的至少 IOdyne/cm。
9.根据权利要求3所述的吸收制冷系统，还包括吸收剂溶液循环回路和制冷剂循环回 路，其中，所述制冷剂循环回路和吸收剂溶液循环回路流动通过所述膜蒸馏器。
10.根据权利要求9所述的吸收制冷系统，还包括加热器，其被配置成在所述稀吸收剂溶液进入所述膜蒸馏器之前将所述稀吸收剂溶液 加热到预定温度；以及，冷却器，其被配置成在所述制冷剂进入所述膜蒸馏器之前将所述制冷剂冷却到预定温度。
11.根据权利要求10所述的吸收制冷系统，其中，所述稀吸收剂溶液预定温度决定稀 吸收剂溶液蒸气压力，所述制冷剂预定温度决定制冷剂蒸气压力。
12.根据权利要求11所述的吸收制冷系统，其中，所述稀吸收剂溶液蒸气压力大于所 述制冷剂蒸气压力；在所述稀吸收剂溶液中的制冷剂在所述膜接触器的循环所述稀吸收剂 溶液的一侧上蒸发，所述蒸发的制冷剂由蒸气差输送穿过所述膜且在所述膜接触器的循环 所述制冷剂的另一侧上冷凝。
13.根据权利要求11所述的吸收制冷系统，其中，如果所述稀吸收剂溶液蒸气压力小 于或等于所述制冷剂蒸气压力，所述稀吸收剂溶液加热器输出温度升高。
14.根据权利要求11所述的吸收制冷系统，其中，如果所述稀吸收剂溶液蒸气压力小 于或等于所述制冷剂蒸气压力，所述制冷剂冷却器输出温度降低。
15.根据权利要求1所述的吸收制冷系统，其中，所述制冷剂是水。
16.根据权利要求1所述的吸收制冷系统，其中，所述吸收剂溶液是LiBr溶液。
17.一种吸收制冷方法，其包括 循环吸收剂溶液通过蒸发器/吸收器； 生成制冷剂蒸气；吸收所述制冷剂蒸气，从而产生制冷剂-吸收剂溶液(稀吸收剂溶液)； 循环所述稀吸收剂溶液和制冷剂通过膜蒸馏器； 从所述膜蒸馏器中的所述稀吸收剂溶液移除所述制冷剂；以及， 向所述蒸发器/吸收器提供浓吸收溶液。
18.根据权利要求17所述的吸收制冷方法，其中，所述膜蒸馏器包括膜接触器。
19.根据权利要求18所述的吸收制冷方法，其中，所述膜接触器包括具有疏水性内表 面和疏水性外表面的多微孔膜。
20.根据权利要求19所述的吸收制冷系统，其中，所述多微孔膜材料或在所述多微孔 膜的内表面和外表面上的材料选自包括聚丙烯、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)或 其它热塑性聚合物材料的组，该其它热塑性聚合物材料具有小于所述稀吸收剂溶液的表面 张力或所述制冷剂的表面张力中较小者的至少lOdyne/cm的表面能。
全文摘要
本发明公开了一种吸收式制冷机，其利用膜蒸馏来浓缩稀吸收剂溶液。膜蒸馏过程采用低温热来从膜接触器一侧上的稀吸收剂溶液蒸发水，且在膜接触器的循环水制冷剂的另一侧上冷凝蒸气。
文档编号F25B33/00GK101828083SQ200780101124
公开日2010年9月8日 申请日期2007年10月16日 优先权日2007年10月16日
发明者Z·马 申请人:开利公司