基本信息
- 项目名称：
- 小型低品位热源型热泵机组
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 作品结合能源梯级利用、低品位能源复合高品位能源利用的理念，基于压缩制冷、吸收制冷、扩散制冷同属相变制冷的理论基础，提出了一种压缩-吸收-扩散复合制冷的模式；并配比了氨-醋酸钠/醋酸-氦新型工质对，较好的适应压缩制冷、吸收制冷、扩散制冷复合循环的运行；设计了制冷剂浓度调节结构和自热式过热器，保证压缩-吸收-扩散制冷系统的高效运行；同时设计了纤维管束式热虹吸泵，用以代替机械泵，减小了设备运动部件。文章最后结合以上创新，设计了制冷能力为2.5kW的样机5台。
- 详细介绍：
- 空调设备、制冷设备逐渐普及，一方面其提升了人们生活品质，而另一方面其带来的能耗问题日益影响社会的可持续发展。 从能源的角度讲，常规能源日益短缺，而目前一些低品位的能源却得不到有效利用，如汽车余热、太阳能集热器生产的中低温热能（虽目前太阳能向高温转化的技术已经成熟，但其成本远高于普通集热器，不具备商业开发价值）。 作品的思路就是：研发可以利用较低温度余热或较低温度热源（如非聚光太阳能集热器产生的中温热水)驱动的单户型热泵机组，夏季供冷，而冬季可以供暖。 为此，作品从四个方面进行了改进和创新： 1、制冷机理方面：设计了一级压缩-吸收-扩散联合运行的制冷模式，其一级驱动可以利用低品位余热，二级驱动靠电力供应，实现能源的梯级联合运用，既保证了电能的节约、又使得制冷机的高效运行。经中科院文献情报中心的查新鉴定在国内属于首次提出（编号2008-181）； 2、控制调节方面：系统设计了浓度调节系统，打破传统吸收式制冷系统浓度恒定的运行方式，设计了制冷剂与吸收剂相互置换调节的模式，当循环适合在高浓度工况下进行时，有制冷剂进入循环、有等体积吸收剂离开循环，使得循环溶液浓度提升，当溶液适合在低浓度下运行时，调节过程相反，始终保证系统的最优化运行。 3、循环工质方面：配比了氨-醋酸钠/醋酸-氦新型工质对，工质对保证了三种制冷方式复合的工质要求，且属于环境友好型工质。 4、设计纤维管束型热虹吸泵，提高了虹吸提升高度、增加了溶液循环量、降低了驱动温度，冬季供暖时系统运行无需任何运动部件，完全热驱动。 最后结合以上创新，设计了制冷能力为2.5kW的样机5台。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1、发明目的： 研发可以利用较低温度余热或较低温度热源（如非聚光太阳能集热器产生的中温热水)驱动的户用小型热泵，用于夏季供冷、冬季供暖。 2、基本思路： 压缩制冷、吸收制冷、扩散制冷同属于相变制冷的范畴，其本质为：形成一相对高压和一相对低压，使气态工质在相对高压下液化，而此时液态工质在相对低压下汽化制冷，基于这一基础结合能量梯级利用的理念，设计了一压缩-吸收-扩散复合制冷系统，其可融合压缩制冷效率高、吸收制冷易于回收余热、扩散制冷体积较小的特点。 3、创新点： 1）设计了一级压缩-吸收-扩散联合运行的制冷模式，其一级驱动可以利用低品位余热，二级驱动靠电力功能，降低了驱动温度，实现能源的梯级联合运用。经中科院文献情报中心的查新鉴定在国内属于首次提出（编号2008-181）； 2）系统设计了变浓度调节器，实现了运行浓度的自我调节，始终保证系统的最优化运行。 3）配比了氨-醋酸钠/醋酸-氦新型工质对，工质对保证了三种制冷方式复合的工质要求，且属于环境友好型工质。 4）设计纤维管束型热虹吸泵，用以代替机械泵，减少了运动部件，简化了结构。 4、技术关键： 压缩、吸收、扩散制冷的有机复合以及运行的控制 5、技术指标： 实现了热驱动制冷小型化：制冷量2.5KW（驱动热源温度85℃、制冷系数0.37、制冷温度-10℃）
科学性、先进性
- 作品有效融合了压缩制冷效率高、吸收制冷可以利用余热驱动、扩散制冷体积小的特点。 1、对热源品位（温度）要求低、且效率高；与普通的余热驱动的制冷机相比，由于其两级升压的结构，降低了对一级升压的要求，从而保证在较低温度的余热下达到较理想的放气范围，保证了制冷效果；配比的氨-醋酸钠/醋酸-氦的工作安全性相对于氨制冷而言，节流损失有较大降低，提高了效率；且其可根据工况变化将吸收剂与制冷剂进行置换调节，达到调整系统溶液浓度的目的，保证了系统在最优工况下运行。 2、体积小，适合单户使用；系统引入了扩散辅助平衡气体，克服了小型氨吸收制冷过程中，需要高压溶液泵的缺陷，使得系统得以小型化。 3、制冷工质属于友好型工质，可以减少氟利昂的排放。 4、运行简单，冬季运行时，系统无需任何运动部件，使用方便。
获奖情况及鉴定结果
- 2009年5月，获校第七届大学生课外学术科技作品竞赛特等奖； 2008年6月5号经中国科学院文献情报中心鉴定，本项目的技术方案在国内属于首创； 2009年本项目技术的受让方马鞍山市天泽能源科技有限公司委托安徽省文献情报研究所对技术再次进行复核查新，结果表明到目前为止，该技术仍处于国内先进水平
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 合作开发
作品可展示的形式
- 实物、产品、模型、图纸、现场演示、图片、录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本作品研制的热泵机组主要四方面特点：1）对驱动温度要求低；2）实现了热驱动制冷的小型化；3）运行效率高；4）结构简单，运动部件少。 作品推广有两个方向： 1）余热利用方向：即回收生产、生活中的余热为生产、生活提供冷量。如以该技术为核心，由马鞍山天泽能源科技公司设计的“废热蒸汽型皮鞋定型冷风机”制冷量约为10KW，其完全利用为皮鞋加工皮革软化时，产生的蒸汽废热驱动，每年可节省3000度电左右，预计投资回收期在3.3年。 本作品实现了热驱动制冷的小型化，使其在汽车余热空调、渔船尾气制冷方面有较大技术优势。 2）新能源利用方向，如目前太阳能向中低温热能转化技术已经成熟、成本较低，而这类热能驱动由于温度太低，无法驱动普通吸收式空调，而其可以满足本作品运行需求。 随社会发展，制冷产品需求逐渐增加，能源日益紧张，本作品优势会逐步彰显，鉴于技术广阔的市场前景，目前团队已和马鞍山天泽能源科技有限公司达成协议，双方正对技术做进一步研发。
同类课题研究水平概述
- 随能源消耗日益加剧，针对低品位热能的利用成为一个研究的热点，其中利用低品位热源制冷是利用低品位热源的有效途径，目前研究较多的是集中在两个方向上：一是固体吸附制冷，二是液体吸收制冷。 在吸附式制冷方面的研究主要集中在吸附工质对选择、吸附床效率以及吸附周期等几个方面，且取得了一定的进展。对于吸附制冷而言，其有诸多优势，如无运动部件、结构相对简单、运行安全、可以利用较低品位的热能等等因素，但其尚有许多问题需要解决：1、效率低，从目前文献提供的数据看，吸附式制冷效率较吸收式制冷低，效率仅有吸收式效率的10%-50%，2、吸附剂大多采用微孔结构、导热系数低、传热效果差的固体吸附剂，导致吸附和解吸周期长；3、单位质量吸附剂的制冷功率小，设备体积大，系统的热利用率不高. 而对吸收制冷而言：目前大型吸收制冷设备基本成熟，在较高热源下工作时，有不错的效率，但随其热源温度下降时，其效率也会急剧下降。两级吸收式制冷可有效的降低了对热源温度的要求，但其效率远低于一级吸收式制冷，而且体积大，设备复杂。对于溴化锂制冷其主要缺陷在于，溶液易结晶、放气范围小、对金属腐蚀性强，且其最低制冷温度无法达到0℃以下、设备长时间在负压下运行容易渗入空气，影响效率，需配备真空泵等几个方面。氨水吸收制冷系统中，其氨蒸汽汽化潜热较大，有较宽的制冷温度范围，有不错的适用前景，但系统需要一个容积式高压电动溶液泵，而目前小型高压泵（功率小于30KW）的效率低、体积大且容易出现气蚀，导致氨水吸收无法应用于小型制冷，另外相对于溴化锂制冷，它对余热温度要求较高，无法回收品位较低的余热。 东南大学杜垲教授提出了一种氨压缩制冷与氨吸收制冷复合的模式，即利用余热驱动吸收式制冷完成一级升压、电能驱动的压缩制冷完成二次升压，一方面实现了余热的利用，另一方面保证了设备的效率，有不错的前景。吸收部分采用的仍是氨水吸收式制冷，所以系统仍需采用高压溶液泵，较适合应用于大型制冷系统，而且由于吸收制冷循环中的氨水往往会含有部分水蒸气，进入二级升压时，会出现湿压缩，影响了二级压缩的效率。浙江大学陈光明教授还曾提出了一种扩散制冷与压缩制冷复合的模式，但其是靠两套独立的系统完成，即用扩散制冷为压缩制冷的冷凝器提供冷量，设备体积和初投资均较大。 到目前为止，尚未见到可以利用较低品位热能驱动的小型热泵设备。
