CN100554824C - 基于变压解吸技术的回热型二级热化学吸附制冷循环系统 - Google Patents

基于变压解吸技术的回热型二级热化学吸附制冷循环系统 Download PDF

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Abstract

一种基于变压解吸技术的回热型二级热化学吸附制冷循环系统，属于制冷空调技术领域。本发明中，主反应器出口与中间调节阀进口连接，中间调节阀出口与辅助反应器进口连接，辅助反应器出口与辅助调节阀进口连接，辅助调节阀出口与冷凝器进口连接，冷凝器出口与节流阀进口连接，节流阀出口与蒸发器进口连接，蒸发器出口与主调节阀进口连接，主调节阀出口与主反应器进口连接。主反应器内填充高温反应化学吸附剂，辅助反应器内填充中温反应化学吸附剂，利用不同反应温区化学吸附剂的单变量吸附特性实现高温反应吸附剂的降温变压解吸过程，本发明可显著降低热化学吸附制冷循环系统中化学吸附剂的解吸温度，拓展余热的利用范围。

Description

基于变压解吸技术的回热型二级热化学吸附制冷循环系统
技术领域
本发明涉及一种制冷空调领域的系统，具体是一种基于变压解吸技术的回热型二级热化学吸附制冷循环系统。
背景技术
近些年来，随着能源的日趋紧张以及空调能耗的逐步增加，节约能源、降低空调能耗已经成为制冷空调领域的研究目标；此外，每年都有大量的低品位余热(如废热、工业余热等)因得不到合理利用而被排放，造成很大的能源浪费。固体吸附式制冷技术作为一种可有效利用太阳能和低品位余热的绿色制冷技术，已成为国内外制冷空调节能技术领域关注的热点。
目前，固体吸附式制冷循环系统根据吸附制冷作用力的不同可分为物理吸附式制冷循环系统和热化学吸附式制冷循环系统。前者主要依靠普遍存在于分子间的范德瓦尔斯力来实现吸附制冷，单位质量吸附剂的吸附量较小；后者热化学吸附式制冷循环系统主要是利用化学吸附剂表面分子(原子)与被吸附分子之间发生的化学作用来实现吸附制冷，相对物理吸附，化学吸附的单位质量吸附剂的吸附量较大，近年来得到了国内外研究者的广泛关注。然而，热化学吸附制冷循环中，加热化学吸附剂使其解吸所需的解吸温度往往高于物理吸附剂的解吸温度，特别是将热化学吸附制冷技术应用于冷冻工况时，其余热驱动温度通常要高于150℃，从而使得余热的利用受到了很大程度的限制。
经对现有技术的文献检索，以中国申请号为CN200410084550.2的“余热驱动双热管化学吸附的渔船用制冰机”专利为例，其固体化学吸附式制冷循环系统的解吸过程采用的是直接对吸附剂加热，当吸附剂温度到达解吸温度后，解吸出来的制冷剂氨随即进入冷凝器冷却，在此过程中系统平衡压力很高，需要的约束压力也很高，而此压力下许多化学吸附剂的解吸温度非常高，因此对热源的温度要求也相应提高，但目前尚没有涉及可降低解吸温度的化学吸附式制冷循环系统的开发。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于变压解吸技术的回热型二级热化学吸附制冷循环系统，使其解决了传统热化学吸附制冷循环中吸附剂解吸温度较高，限制了余热利用温度范围这一问题。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：主反应器、主反应器加热及冷却盘管、中间调节阀、辅助反应器、辅助反应器加热及冷却盘管、辅助调节阀、冷凝器、冷凝器换热盘管、节流阀、蒸发器、蒸发器换热盘管、主调节阀、两种不同反应温区的化学吸附剂(其中主反应器内填充高温反应化学吸附剂，辅助反应器内填充中温反应化学吸附剂)。
主反应器出口与中间调节阀进口连接，中间调节阀出口与辅助反应器进口连接，辅助反应器出口与辅助调节阀进口连接，辅助调节阀出口与冷凝器进口连接，冷凝器出口与节流阀进口连接，节流阀出口与蒸发器进口连接，蒸发器出口与主调节阀进口连接，主调节阀出口与主反应器进口连接。主反应器内填充高温反应化学吸附剂、并安装加热及冷却盘管，辅助反应器内填充中温反应化学吸附剂、并安装加热及冷却盘管，冷凝器中安装冷凝器换热盘管，蒸发器中安装蒸发器换热盘管。
在相同的工作压力下，所述高温反应化学吸附剂的工作温度高于中温反应化学吸附剂。
所述主反应器内高温反应化学吸附剂向辅助反应器内中温反应化学吸附剂的变压解吸过程，所述辅助反应器内中温反应化学吸附剂向冷凝器的解吸过程，这两个过程构成整个系统的二级解吸过程。
所述高温反应化学吸附剂在每次循环过程中的解吸热由外界余热提供，所述主反应器与辅助反应器之间采用内部回热技术，中温反应化学吸附剂的解吸热由高温反应化学吸附剂的吸附热提供。
所述系统中，制冷剂的流动均是单向的，制冷剂依次经过主反应器、辅助反应器、冷凝器、蒸发器、再回到主反应器，  形成一个环状的流动循环回路。
本发明的工作过程主要包括四个阶段：
第一阶段：主反应器内高温反应化学吸附剂的加热解吸过程以及辅助反应器内中温反应化学吸附剂的冷却吸附过程，利用变压解吸技术降低高温反应化学吸附剂的解吸温度。
第二阶段：主反应器内高温反应化学吸附剂与辅助反应器内中温反应化学吸附剂之间的内部回热过程，也为辅助反应器内中温反应化学吸附剂的加热解吸过程，中温反应化学吸附剂消耗的解吸热由高温反应化学吸附剂释放的吸附热提供。
第三阶段：制冷剂的冷凝和节流过程。
第四阶段：主反应器内高温反应化学吸附剂的冷却吸附过程，利用该化学吸附剂的吸附作用使得蒸发器中的低温低压液态制冷剂发生相变产生制冷效果。
本发明系统中，将传统吸附制冷循环系统的解吸技术进行了改进，由原来吸附剂向冷凝器直接加热解吸改进为本发明中吸附剂先向辅助反应器解吸、然后辅助反应器再向冷凝器加热解吸的二级解吸过程，其原理是利用不同反应温区化学吸附剂的单变量吸附特性，使得吸附剂在变压过程中完成降温解吸来达到降低驱动余热温度的目的。本发明中利用变压解吸技术使得吸附制冷系统中化学吸附剂的解吸温度远低于传统吸附制冷循环系统的解吸温度，很大程度扩大了余热的利用范围。
本发明基于变压解吸技术的回热型二级热化学吸附制冷循环系统中，由于采用变压解吸技术，相对传统热化学吸附制冷循环系统，在相同的工作压力下，本发明热化学吸附制冷循环系统所需的驱动热源温度较低，从而扩大了余热的利用范围；基于变压解吸技术的回热型二级热化学吸附制冷循环系统中，由于采用内部热量回收过程，中温反应化学吸附剂的解吸热由高温反应化学吸附剂的吸附热提供，因而减少了系统对外界热源热量的需求，有利于节能。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图中：1是主反应器，2是主反应器加热及冷却盘管，3是高温反应化学吸附剂，4是中间调节阀，5是中温反应化学吸附剂，6是辅助反应器加热及冷却盘管，7是辅助反应器，8是辅助调节阀，9是冷凝器换热盘管，10是冷凝器，11是节流阀，12是蒸发器，13是蒸发器换热盘管，14是主调节阀，图中实线箭头方向表示制冷剂的流动方向，虚线箭头方向表示换热盘管中传热流体的流动方向。
图2为传统热化学吸附制冷系统结构示意图；
图中：1是主反应器，2是主反应器加热及冷却盘管，3是高温反应化学吸附剂，9是冷凝器换热盘管，10是冷凝器，11是节流阀，12是蒸发器，13是蒸发器换热盘管，14是主调节阀，15是副调节阀，图中实线箭头方向表示制冷剂的流动方向，虚线箭头方向表示换热盘管中传热流体的流动方向。
图3为本发明与传统系统的吸附制冷循环图比较。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括主反应器1，主反应器加热及冷却盘管2，高温反应化学吸附剂3，中间调节阀4，中温反应化学吸附剂5，辅助反应器加热及冷却盘管6，辅助反应器7，辅助调节阀8，冷凝器换热盘管9，冷凝器10，节流阀11，蒸发器12，蒸发器换热盘管13，主调节阀14。
主反应器1出口与中间调节阀4进口连接，中间调节阀4出口与辅助反应器7进口连接，辅助反应器7出口与辅助调节阀8进口连接，辅助调节阀8出口与冷凝器10进口连接，冷凝器10出口与节流阀11进口连接，节流阀11出口与蒸发器12进口连接，蒸发器12出口与主调节阀14进口连接，主调节阀14出口与主反应器1进口连接。主反应器1中安装主反应器加热及冷却盘管2，辅助反应器7中安装辅助反应器加热及冷却盘管6，冷凝器10中安装冷凝器换热盘管9，蒸发器12中安装蒸发器换热盘管13。高温反应化学吸附剂3填装于主反应器1内，中温反应化学吸附剂5填装于辅助反应器7内。
在相同的工作压力下，所述高温反应化学吸附剂3的工作温度高于中温反应化学吸附剂5。
所述高温反应化学吸附剂3在每次循环过程中，由外界高温热源输入解吸热。
所述中温反应化学吸附剂5的解吸热由高温反应化学吸附剂3的吸附热提供。
本系统中，制冷剂的流动均是单向的，制冷剂依次经过主反应器1、辅助反应器7、冷凝器10、蒸发器12、再回到主反应器1，  形成一个环状的流动循环回路。
基于变压解吸技术的内部回热型二级热化学吸附式制冷循环系统的具体实施过程为：
①主反应器1内高温反应化学吸附剂3的加热解吸过程及辅助反应器7内中温反应化学吸附剂5的冷却吸附过程。在此过程中，关闭主反应器1与蒸发器12之间的主调节阀14以及辅助反应器7与冷凝器10之间的辅助调节阀8，利用外界余热通过主反应器加热盘管2对主反应器1内的高温反应化学吸附剂3进行加热，使其处于解吸状态；同时通过辅助反应器冷却盘管6对辅助反应器7内的中温反应化学吸附剂5进行冷却，使其处于吸附状态；从主反应器1内高温反应化学吸附剂3解吸出的制冷剂蒸汽进入辅助反应器7并与中温反应化学吸附剂5发生化学反应，完成反应器1内高温反应化学吸附剂3的变压解吸过程。
②辅助反应器7内中温反应化学吸附剂5的加热解吸过程，也为主反应器1内高温反应化学吸附剂3与辅助反应器7内中温反应化学吸附剂5之间的内部回热过程。此过程中辅助反应器7内中温反应化学吸附剂5消耗的解吸热由主反应器1内高温反应化学吸附剂3释放的吸附热提供。在加热解吸过程中，关闭主反应器1和辅助反应器7之间的中间调节阀4，采用内部热量回收技术，回收主反应器1内高温反应化学吸附剂3在吸附制冷阶段释放的吸附热，利用该吸附热通过辅助反应器加热盘管6对辅助反应器7内的中温反应化学吸附剂5进行加热；当中温反应化学吸附剂5的温度上升到解吸温度之后，开启辅助反应器7和冷凝器10之间的辅助调节阀8，制冷剂从辅助反应器7内的中温反应化学吸附剂5解吸出来流入冷凝器10，完成了辅助反应器7内中温反应化学吸附剂5的加热解吸过程。
③制冷剂的冷凝和节流过程。从辅助反应器7内中温反应化学吸附剂5解吸出来的制冷剂蒸汽进入冷凝器10与冷凝器换热盘管9进行热量交换放出热量凝结成液态制冷剂，然后流经节流阀11节流形成低温低压的液态制冷剂进入蒸发器12，完成制冷剂的凝结及节流过程。
④主反应器1内高温反应化学吸附剂3的冷却吸附过程。在冷却吸附过程中，关闭主反应器1与辅助反应器7之间的中间调节阀4，采用内部回热技术，回收辅助反应器7内中温反应化学吸附剂5在解吸阶段消耗的解吸热，利用该解吸热通过主反应器冷却盘管2对主反应器1内高温反应化学吸附剂3进行冷却，当高温反应化学吸附剂3的温度降低到吸附温度后，打开主反应器1与蒸发器12之间的主调节阀14，主反应器1内高温反应化学吸附剂3开始对蒸发器12中的制冷剂进行吸附，蒸发器12内低温低压液态制冷剂在主反应器1内高温反应吸附剂3的吸附作用下发生相变向蒸发器换热盘13中的传热流体吸收热量产生制冷效果，实现了本发明吸附制冷循环系统中的冷量输出。
如图2所示，为传统热化学吸附制冷系统，包括主反应器1，主反应器加热及冷却盘管2，高温反应化学吸附剂3，冷凝器换热盘管9，冷凝器10，节流阀11，蒸发器12，蒸发器换热盘管13，主调节阀14，副调节阀15。
主反应器1出口与副调节阀15进口连接，副调节阀15出口与冷凝器10进口连接，冷凝器10出口与节流阀11进口连接，节流阀11出口与蒸发器12进口连接，蒸发器12出口与主调节阀14进口连接，主调节阀14出口与主反应器1进口连接。主反应器1中安装主反应器加热及冷却盘管2，冷凝器10中安装冷凝器换热盘管9，蒸发器12中安装蒸发器换热盘管13。高温反应化学吸附剂3填装于主反应器1内。
所述高温反应化学吸附剂3在每次循环过程中，由外界高温热源输入解吸热。
此系统中制冷剂的流动是单向的，依次经过主反应器1、冷凝器10、蒸发器12、再回到主反应器1，形成一个环状的流动循环回路。
传统制冷循环系统的基本制冷循环包括以下两个过程：
①主反应器1内高温反应化学吸附剂3的加热解吸过程以及制冷剂的冷凝和节流过程。在此过程中，关闭主调节阀14，利用外界高温余热对主反应器1内的高温反应化学吸附剂3进行加热，当高温反应化学吸附剂3的温度上升到解吸温度之后，打开主反应器1和冷凝器10之间的副调节阀15，从主反应器1中解吸出来的制冷剂蒸汽进入冷凝器10，再通过冷凝器换热盘管9带走热量后凝结成液态制冷剂，然后流经节流阀11节流形成低温低压的液态制冷剂进入蒸发器12。
②主反应器1内高温反应化学吸附剂3的冷却吸附过程及制冷剂的蒸发相变过程。在此过程中关闭副调节阀15，通过主反应器冷却盘管2对主反应器1内高温反应化学吸附剂3进行冷却，当高温反应化学吸附剂3的温度降低到吸附温度后，打开主反应器1与蒸发器12之间的主调节阀14，主反应器1内高温反应化学吸附剂3开始对蒸发器12中的制冷剂进行吸附，蒸发器12内低温低压液态制冷剂在主反应器1内高温反应吸附剂3的吸附作用下发生相变，吸收蒸发器换热盘13中传热流体的热量从而产生制冷效果，实现传统吸附制冷循环系统的冷量输出。
如图3所示，为两个系统的吸附制冷循环图比较。其中：A-B-C-D-E-F-A为本发明的系统制冷循环图，A-B-G-F-A为传统热化学吸附制冷循环图。对于本发明的吸附制冷循环A-B-C-D-E-F-A，A-B是主反应器内高温反应化学吸附剂的吸附制冷过程，B-C-D是主反应器的降温变压解吸过程和辅助反应器的冷却吸附过程，T2为本文发明系统中高温反应化学吸附剂的解吸驱动热源温度，D-E-F是辅助反应器的加热解吸过程，F-A是制冷剂的节流降压过程；对于传统热化学吸附制冷循环A-B-G-F-A，A-B是反应器内化学吸附剂的吸附制冷过程，B-G-F是反应器的加热解吸过程，T1为传统热化学吸附系统中化学吸附剂的解吸驱动热源温度，F-A是制冷剂的节流降压过程。图3中可以看出，在相同工作压力P下，本发明系统的解吸温度T2远小于传统制冷循环系统的解吸温度T1。

Claims (3)

1、一种基于变压解吸技术的回热型二级热化学吸附制冷循环系统，包括：主反应器(1)、主反应器加热及冷却盘管(2)、高温反应化学吸附剂(3)、中间调节阀(4)、中温反应化学吸附剂(5)、辅助反应器加热及冷却盘管(6)、辅助反应器(7)、辅助调节阀(8)、冷凝器换热盘管(9)、冷凝器(10)、节流阀(11)、蒸发器(12)、蒸发器换热盘管(13)、主调节阀(14)，其特征在于：主反应器(1)出口与中间调节阀(4)进口连接，中间调节阀(4)出口与辅助反应器(7)进口连接，辅助反应器(7)出口与辅助调节阀(8)进口连接，辅助调节阀(8)出口与冷凝器(10)进口连接，冷凝器(10)出口与节流阀(11)进口连接，节流阀(11)出口与蒸发器(12)进口连接，蒸发器(12)出口与主调节阀(14)进口连接，主调节阀(14)出口与主反应器(1)进口连接；主反应器(1)中设有主反应器加热及冷却盘管(2)，辅助反应器(7)中设有辅助反应器加热及冷却盘管(6)，冷凝器(10)中设有冷凝器换热盘管(9)，蒸发器(12)中设有蒸发器换热盘管(13)，高温反应化学吸附剂(3)填装于主反应器(1)内，中温反应化学吸附剂(5)填装于辅助反应器(7)内。
2、根据权利要求1所述的基于变压解吸技术的回热型二级热化学吸附制冷循环系统，其特征是，所述主反应器(1)内高温反应化学吸附剂(3)向辅助反应器(7)内中温反应化学吸附剂(5)的变压解吸过程，以及辅助反应器(7)内中温反应化学吸附剂(5)向冷凝器(10)的解吸过程，构成整个系统的二级解吸过程。
3、根据权利要求1所述的基于变压解吸技术的回热型二级热化学吸附制冷循环系统，其特征是，所述系统中，制冷剂的流动均是单向的，制冷剂依次经过主反应器(1)、辅助反应器(7)、冷凝器(10)、蒸发器(12)、再回到主反应器(1)，形成一个环状的流动循环回路。
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