CN108954904A - 一种增压型热化学吸附热泵装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种增压型热化学吸附热泵装置，包括第一反应器、第二反应器、压缩机、第一四通水阀、第二四通水阀、第一制冷剂阀、第二制冷剂阀、第三制冷剂阀、第四制冷剂阀、第一水泵和第二水泵。每个反应器填充金属氯化物吸附剂，制冷工质为氨等。本发明装置在两个反应器之间嵌入压缩机，采用两个四通水阀改变中温水和高温水流向的方式，采用四个制冷剂阀改变制冷剂流向的方式，运行过程中，从一个反应器解吸出来的制冷剂经压缩机增压被另外一个反应器吸附，释放高温反应热。由于在两个反应器中嵌入了压缩机，可使热化学热泵系统能够实现低压低温解吸吸热和高压高温吸附放热。

Description

一种增压型热化学吸附热泵装置

技术领域

本发明涉及热泵设备技术领域，尤其是涉及一种增压型热化学吸附热泵装置。

背景技术

热泵技术是通过消耗一定的高品位能(如机械能、电能和热能)，把从空气、工业废水或土壤中获取的低位能转移到高位能的装置，引起了广泛的研究。图1所示的是现有机械蒸气压缩热泵装置，运行时低温低压液态制冷剂在蒸发器1中蒸发吸热，热量来自环境或工业废水，低温低压制冷剂蒸气经压缩机2压缩后变为高温高压制冷剂蒸气，然后在冷凝器3中冷凝放出冷凝热，冷凝后的高压液态制冷剂经膨胀阀4节流回到蒸发器。目前机械蒸气压缩热泵循环受限于压缩机和制冷剂等因素，最高供水温度一般低于90℃，难以突破100℃。因为过高的冷凝温度使压缩机超负荷运行，造成压缩机排气温度过高、甚至导致压缩机停机，同时系统制热量和COP也急剧下降。如西安交通大学何永宁等通过调整压缩机设计和优化系统控制方法等，设计了高温水源热泵，测试结果显示利用50-70℃的油田废水作为热源，最高只能生产86-95℃的高温热水，没有突破100℃[何永宁,曹锋,邢子文,等.工业加热用高温水源热泵现场运行及经济性分析.制冷与空调.2015,15(3):72-76.]。对于制取100℃以上的热水或蒸汽，目前较成熟的热泵技术是第二类吸收热泵，利用中温热源(80℃废热水)驱动，在采用冷却水的条件下，可获得比废热源温度高40℃高温热媒(高温热水或蒸汽)，但是系统COP(输出热量/输入热量)一般仅为0.4-0.5。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种增压型热化学吸附热泵装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种增压型热化学吸附热泵装置，包括：第一反应器、第二反应器、压缩机、第一四通水阀、第二四通水阀、第一制冷剂阀、第二制冷剂阀、第三制冷剂阀、第四制冷剂阀、第一水泵和第二水泵，

在第一反应器与第二反应器内填充吸附剂，制冷剂在第一反应器与第二反应器之间流通，在第一反应器与第二反应器内设有用于中温水或高温水流通的换热管，

在换热流体(中温水和高温水)侧：第一反应器和第二反应器内部的换热管通过第一四通水阀和第二四通水阀连接中温水和高温水；第一水泵布置在中温水回路中；第二水泵布置在高温水回路中；

在制冷剂侧：第一反应器制冷剂出口通过第三制冷剂阀与压缩机进口相连接；第二反应器制冷剂出口通过第四制冷剂阀与压缩机进口相连接；第一反应器制冷剂入口通过第一制冷剂阀与压缩机出口相连接；第二反应器制冷剂进口通过第二制冷剂阀与压缩机出口相连接。

在本发明的一个实施方式中，

第一四通水阀的第一个接口连接第一水泵的出口，所述第一水泵的入口连接中温水，第一四通水阀的第二个接口连接第二水泵的出口，所述第二水泵的入口连接高温水，第一四通水阀的第三个接口连接第一反应器内部换热管的入口端，第一四通水阀的第四个接口连接第二反应器内部换热管的入口端；

第二四通水阀的第一个接口为中温水出口，第二四通水阀的第二个接口为高温水出口，第二四通水阀的第三个接口连接第一反应器内部换热管的出口端，第二四通水阀的第四个接口连接第二反应器内部换热管的出口端。

在本发明的一个实施方式中，所述第一水泵的入口连接第二四通水阀的第一个接口，所述第二水泵的入口连接第二四通水阀的第二个接口。

在本发明的一个实施方式中，所述第一反应器上连接有制冷剂充注阀。

在本发明的一个实施方式中，所述吸附剂采用金属氯化物，如氯化锰、氯化钙、氯化锶等，所述制冷剂为氨等。吸附剂金属氯化物与制冷剂氨之间依靠络合关系形成配合物，释放高温反应热。

以吸附剂氯化锰(MnCl₂)为例：MnCl₂与NH₃的反应机理如下述方程式所示：

其中ΔH_r为化学反应焓，J/mol。

在本发明的一个实施方式中，为强化吸附剂传热传质性能，所述吸附剂采用固化混合吸附剂，包括金属氯化物与基质，所述基质选为硫化膨胀石墨或者膨胀石墨等。

在本发明的一个实施方式中，为了提高系统稳定性，所述压缩机采用两级压缩或多级压缩的形式。

在本发明的一个实施方式中，为了提高系统稳定性，在压缩机进气端采用冷却器对压缩机进气进行充分冷却。

本发明增压型热化学吸附热泵装置是基于化学吸附制冷循环提出。本发明装置在两个反应器中间嵌入压缩机，采用两个四通水阀改变中温水和高温水流向的方式，采用四个制冷剂阀改变制冷剂流向的方式，运行过程中，从一个反应器解吸出来的制冷剂经压缩机增压被另外一个反应器吸附，释放高温反应热。

本发明通过切换两个四通水阀和四个制冷剂阀门可使装置在运行过程前半周期内，从第一反应器解吸出的制冷剂经压缩机压缩后被第二反应器吸附，第二反应器释放高温反应热；在运行过程后半周期内，从第二反应器解吸出的制冷剂经压缩机压缩后被第一反应器吸附，第一反应器释放高温反应热。

基于金属氯化物与氨的反应平衡线可知，提升吸附压力可有效提升吸附放热温度，降低解吸压力可有效地降低解吸吸热温度。由于在两个反应器中嵌入了压缩机，可使热化学热泵系统能够实现低压低温解吸吸热和高压高温吸附放热。

附图说明

图1所示的是现有的机械蒸气压缩热泵装置结构示意图；

图2所示的是实施例1中增压型热化学吸附热泵装置结构示意图；

图3所示的是实施例1中增压型热化学吸附热泵装置运行时lnP-T图；

图4所示的是实施例2中采用两级压缩方式的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

参考图2，一种增压型热化学吸附热泵装置，包括：第一反应器51、第二反应器52、压缩机6、第一四通水阀71、第二四通水阀72、第一制冷剂阀81、第二制冷剂阀82、第三制冷剂阀83、第四制冷剂阀84、第一水泵91和第二水泵92，在第一反应器51与第二反应器52内填充吸附剂，制冷剂在第一反应器51与第二反应器52之间流通，在第一反应器51与第二反应器52内设有用于中温水或高温水流通的换热管，

在换热流体(中温水和高温水)侧：第一反应器51和第二反应器52内部的换热管通过第一四通水阀71和第二四通水阀72连接中温水和高温水；第一水泵91布置在中温水回路中；第二水泵92布置在高温水回路中；

在制冷剂侧：第一反应器51制冷剂出口通过第三制冷剂阀83与压缩机6进口相连接；第二反应器52制冷剂出口通过第四制冷剂阀83与压缩机6进口相连接；第一反应器51制冷剂入口通过第一制冷剂阀81与压缩机6出口相连接；第二反应器52制冷剂进口通过第二制冷剂阀82与压缩机6出口相连接。

本实施例中，第一四通水阀71的第一个接口连接第一水泵91的出口，第一水泵91的入口连接中温水，第一四通水阀71的第二个接口连接第二水泵92的出口，第二水泵92的入口连接高温水，第一四通水阀71的第三个接口连接第一反应器51内部换热管的入口端，第一四通水阀71的第四个接口连接第二反应器52内部换热管的入口端；第二四通水阀72的第一个接口为中温水出口，第二四通水阀72的第二个接口为高温水出口，第二四通水阀72的第三个接口连接第一反应器51内部换热管的出口端，第二四通水阀72的第四个接口连接第二反应器52内部换热管的出口端。第一水泵91的入口连接第二四通水阀72的第一个接口，第二水泵92的入口连接第二四通水阀72的第二个接口。

本实施例中，第一反应器51上连接有制冷剂充注阀85。

本实施例中，吸附剂采用金属氯化物，如氯化锰、氯化钙、氯化锶等，所述制冷剂为氨等。吸附剂金属氯化物与制冷剂氨之间依靠络合关系形成配合物，释放高温反应热。

以吸附剂氯化锰(MnCl₂)为例：MnCl₂与NH₃的反应机理如下述方程式所示：

其中ΔH_r为化学反应焓，J/mol。

为强化吸附剂传热传质性能，所述吸附剂采用固化混合吸附剂，包括金属氯化物与基质，所述基质选为硫化膨胀石墨或者膨胀石墨等。

本实施例的工作原理如下：

在运行之前，通过制冷剂充注阀向第一反应器中注入所需的制冷工质，一般为制冷剂氨等，本实施例以氨作为制冷剂，但是本发明对此不做限制。

(a)第一反应器作为吸热端，第二反应器作为放热端，此时打开第二制冷剂阀和第三制冷剂阀。中温水加热第一反应器，第一反应器发生解吸反应，加热解吸温度为T_de(图3所示)，从第一反应器解吸出的制冷剂经压缩机压缩后被第二反应器吸附，放出高温反应热，高温水冷却第二反应器，冷却吸附温度为T_sor(图3所示)。

(b)第一反应器作为放热端，第二反应器作为吸热端。中温水加热第二反应器，高温水冷却第一反应器，打开阀门第一制冷剂阀和第四制冷剂阀。从第二反应器解吸出的制冷剂经压缩机压缩后被第一反应器吸附，第一反应器放出高温反应热。

本发明一个具体实施方式如下所述：假设增压型热化学吸附热泵要从80℃热水取热来制取110℃热水，则热泵的解吸吸热温度和吸附放热温度分别为70℃和120℃(10℃换热温差)。假设选取SrCl₂-NH₃吸附工质对，采用两级压缩。表1显示了增压型热化学SrCl₂-NH₃吸附热泵与不同工质的机械压缩热泵循环性能，热化学SrCl₂-NH₃吸附热泵COP高达8.78，远高于机械压缩热泵系统的COP，这主要是由于在压缩机在输送相同质量制冷剂时，热化学吸附热泵高温端释放的反应热是远大于机械压缩热泵工质冷凝过程释放的冷凝热。

表1增压型热化学吸附热泵与蒸气压缩热泵循环性能对比

实施例2

参考图4，与实施例1不同之处在于，本实施例考虑到热化学吸附热泵压缩机压比较大，为提高系统可靠性，防止压缩机排气温度过高，本实施例采用两级压缩，并且在压缩机进气端采用冷却器对压缩机进气进行充分冷却，压缩机进气冷却到30℃。依据REFPROP物性软件，可以计算出两次压缩机进气冷却释放约285.6kJ/kg热量，但这部分损失热仅相当于热化学吸附热泵高温端释放反应热(2437kJ/kg)的10％。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种增压型热化学吸附热泵装置，其特征在于，包括：第一反应器(51)、第二反应器(52)、压缩机(6)、第一四通水阀(71)、第二四通水阀(72)、第一制冷剂阀(81)、第二制冷剂阀(82)、第三制冷剂阀(83)、第四制冷剂阀(84)、第一水泵(91)和第二水泵(92)，

在第一反应器(51)与第二反应器(52)内填充吸附剂，制冷剂在第一反应器(51)与第二反应器(52)之间流通，在第一反应器(51)与第二反应器(52)内设有用于中温水或高温水流通的换热管，

在换热流体侧：第一反应器(51)和第二反应器(52)内部的换热管通过第一四通水阀(71)和第二四通水阀(72)连接中温水和高温水；第一水泵(91)布置在中温水回路中；第二水泵(92)布置在高温水回路中；

在制冷剂侧：第一反应器(51)制冷剂出口通过第三制冷剂阀(83)与压缩机(6)进口相连接；第二反应器(52)制冷剂出口通过第四制冷剂阀(83)与压缩机(6)进口相连接；第一反应器(51)制冷剂入口通过第一制冷剂阀(81)与压缩机(6)出口相连接；第二反应器(52)制冷剂进口通过第二制冷剂阀(82)与压缩机(6)出口相连接。

2.根据权利要求1所述的一种增压型热化学吸附热泵装置，其特征在于，

第一四通水阀(71)的第一个接口连接第一水泵(91)的出口，所述第一水泵(91)的入口连接中温水，

第一四通水阀(71)的第二个接口连接第二水泵(92)的出口，所述第二水泵(92)的入口连接高温水，

第一四通水阀(71)的第三个接口连接第一反应器(51)内部换热管的入口端，

第一四通水阀(71)的第四个接口连接第二反应器(52)内部换热管的入口端；

第二四通水阀(72)的第一个接口为中温水出口，

第二四通水阀(72)的第二个接口为高温水出口，

第二四通水阀(72)的第三个接口连接第一反应器(51)内部换热管的出口端，

第二四通水阀(72)的第四个接口连接第二反应器(52)内部换热管的出口端。

3.根据权利要求2所述的一种增压型热化学吸附热泵装置，其特征在于，所述第一水泵(91)的入口连接第二四通水阀(72)的第一个接口，所述第二水泵(92)的入口连接第二四通水阀(72)的第二个接口。

4.根据权利要求1所述的一种增压型热化学吸附热泵装置，其特征在于，所述第一反应器(51)上连接有制冷剂充注阀(85)。

5.根据权利要求1所述的一种增压型热化学吸附热泵装置，其特征在于，所述吸附剂采用金属氯化物，所述制冷剂为氨。

6.根据权利要求5所述的一种增压型热化学吸附热泵装置，其特征在于，所述吸附剂采用固化混合吸附剂，包括金属氯化物与基质，所述基质选为硫化膨胀石墨或者膨胀石墨。

7.根据权利要求1所述的一种增压型热化学吸附热泵装置，其特征在于，所述压缩机采用两级压缩或多级压缩的形式。

8.根据权利要求7所述的一种增压型热化学吸附热泵装置，其特征在于，在压缩机进气端采用冷却器对压缩机进气进行冷却。