CN101135509A - 热能驱动的直接再生吸附制冷循环系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种吸附制冷循环系统，尤其涉及一种利用热能驱动，将加热或冷却介质直接与吸附器内吸附剂接触对其进行换热的新型循环吸附制冷系统。本发明的吸附制冷系统由吸附器、冷凝器、冷却器、贮液分离器、汽液分离器、蒸发器、加热器和循环泵等主要部件依次用管线串接构成。本发明的循环解吸过程是采用再生介质直接加热、冲洗吸附剂床层进行再生，吸附过程通过制冷剂蒸汽直接和床层对流换热，换热效果好，制冷效率高；本发明的循环用工业余热、废热、太阳能、地热能等热能驱动；制冷系统运行稳定，对装置要求降低，制造、维护成本大幅度下降，整体制冷效率较高。
Description
技术领域
本发明涉及一种吸附制冷循环及采用该循环的吸附制冷系统，尤其涉及一种利用热能(工业余热、废热或太阳能等)等驱动，通过直接介质接触进行吸附器换热的新型循环，以及采用该新型循环的吸附制冷系统。
背景技术
固体吸附式制冷可采用热能驱动，因此，其不仅可减缓电力供应的紧张，而且能有效利用大量低品位热能；同时，相对传统压缩制冷，具有ODP(臭氧层破坏指数)和GWP(温室效应指数)均为0的环保优势；此外，吸附式制冷系统基本没有动设备，故特别适合车、船等移动装备，以及宇航等特殊领域的制冷。因此，固体吸附式制冷已成为制冷界关注的焦点之一。目前，欧、美和日本均有少量小规模的吸附制冷产品出现，包括太阳能吸附式冰箱和吸附冷水机组等。近期，国内也形成了小规模的吸附式渔船制冰机和低温位热源驱动的硅胶-水冷水机组。但是，由于吸附式制冷系统本身固有的缺陷，该系统尚未大规模工业化。
由于吸附式制冷系统中采用的固体吸附剂导热系数较小，因而吸附器层传热困难。即便吸附工质对的吸附性能较佳，如果传热问题得不到解决，系统制冷功率仍然会很小(表现在制冷循环周期长，设备体积庞大)。传统的吸附式制冷体系均采用间接换热的方式，所以强化传热的方法一般为增大吸附器换热面积、增加吸附剂导热性能及减小吸附剂和吸附器层接触热阻等方面，这些手段相应也会导致吸附器层传质性能恶化或床层金属热容的增加，降低制冷系统效率；此外，由于间接换热受到传热温差的限制，会进一步降低解吸时热源的品位，不利于低品位热能的高效利用。
另一方面，固体吸附式制冷中常用的制冷剂包括氨、水和甲醇等，在典型的制冷和空调工况下(-10-40℃，对水须高于0℃)其饱和蒸汽压处于高真空(水和甲醇)，因此制冷装置须工作于高真空状态，由于泄漏导致系统性能缺乏稳定性。
英国Critoph[Critoph R.E.Forced convection enhancement of adsorptlon cycle.Heat Recovery Systems & CHP，1994，14(4)：343-350]结合多孔介质特点，提出一种较新颖的强化床层传热的方法——对流热波循环，即利用泵驱动制冷剂气体(氨)和固体吸附剂(活性炭)间进行强制对流，通过高温、高压的制冷剂蒸汽和低温、低压的制冷剂蒸汽分别直接加热、冷却吸附剂而获得较高的热流密度；该循环吸附器层中会形成类似于热波循环中的温度波，但形成机理略有不同，因此称该循环为对流热波循环。Critoph针对活性炭-氨工质对建立了对流热波循环吸附空调系统样机。但是，该循环难点在于对驱动制冷剂蒸汽的气体循环泵要求较高：须耐高压(高达1.5-2.0MPa)。陈光明等在申请号为CN200410016337.8的专利中公开了“一种连续型吸附式制冷系统”，该发明采用流化床代替固定床，能够快速完成吸附剂与制冷剂之间的传质要求；而且，通过制冷剂气体吹送吸附剂颗粒在流化床内流动，能够迅速完成吸附剂跟外部流体之间的热传递，因而大大缩短了传热、传质时间。未见该系统形成可靠的实验装置报道。
发明内容
本发明的目的在于针对现有吸附制冷技术的缺点，提供一种热能驱动、制冷效率高的直接再生吸附制冷循环系统。
本发明的技术方案为采用惰性介质水(或其蒸汽)对吸附完成后的床层进行直接加热再生，吸附过程利用制冷剂蒸汽直接冲刷吸附剂进行降温吸附，换热效果好，再生效率高；由于采用新型的再生方式，系统再生温度较低，适合热能驱动。
本发明的具体技术方案为，一种热能驱动的直接再生吸附制冷循环系统，其特征在于由吸附器、冷凝器、冷却器、汽液分离器、贮液分离器、蒸发器、加热器和循环泵依次用管线串接构成；其中，吸附器、蒸发器、循环泵、冷却器和汽液分离器构成系统的吸附制冷回路，该回路通过制冷剂蒸汽直接和床层对流换热，制冷效率高；吸附器、冷凝器、汽液分离器、贮液分离器、循环泵和加热器构成系统的解吸再生回路，该回路通过再生介质直接加热、冲洗床层进行再生，换热效果好、解吸效率高两个回路交替运行，构成完整的制冷循环系统，系统采用热能驱动；该吸附制冷循环系统所用的吸附剂为亲油、疏水型吸附剂；制冷剂为烷烃、烯烃，或者烷烃、烯烃卤代物。
本发明的吸附器为普通柱状或筒状吸附器，也可以是具有其它形状特征的压力容器，吸附器内部没有任何换热元件。本发明的蒸发器和冷凝器与普通制冷系统采用的具有相似的特征，均可常规选配，或订制加工。本发明的气体和液体循环泵要求压头较小(可以克服系统运转时的阻力即可)；同时，循环泵严格不能污染输送的制冷剂和再生介质。上述循环泵可选配或订制。
本发明的循环采用水或水蒸汽作为直接再生介质，烷烃、烯烃或其卤代物制冷剂为正丁烷(R600)、异丁烷(R600a)、丙烷(R290)、乙烷(R170)、乙烯(R1150)、丙烯(R1270)、氯乙烷(R160)、三氟二氯乙烷(R123)、二氯甲烷(R30)、一氟二氯乙烷(R141b)、四氟一氯乙烷(R124)、二氟甲烷(R32)、1.1-二氟乙烷(R152a)、甲烷(R50)和二氯乙烯(R1130)中的任意一种，或者是两种或两种以上上述材料的混合物。再生介质和制冷剂在典型制冷和空调工况操作温度范围内互不相溶，或微溶。吸附器中的吸附剂仅吸附制冷剂，再生介质主要起到在解吸阶段对吸附剂的直接冲洗再生作用，因而可大大强化吸附制冷系统的传热、传质性能，提高制冷效率。
本发明采用的吸附剂为疏水、亲油的吸附剂，为活性炭类(各类活性炭、炭分子筛和活性炭纤维等)、纯硅Silicalite分子筛、硅铝比大于10的ZSM系列分子筛、硅铝比为2-5的Y型分子筛、疏水硅胶或MCM系列介孔氧化硅材料中的任意一种，或者是两种或两种以上上述材料的混合物。
本发明的吸附制冷循环工作过程如下：(1)吸附制冷过程，制冷剂液体在蒸发器中蒸发，产生的冷量可用于空调或制冰；该过程可通过外置循环泵(风机)驱动制冷剂蒸汽冲刷固体吸附剂，充分利用固体吸附剂床层具有丰富的空隙特性，在固体吸附剂中形成对流换热，从而达到强化床层内传热和传质，快速冷却吸附器、带走吸附热的目的，该过程吸附循环时间可降低到约1-100min。(2)解吸再生过程，此阶段，惰性再生介质(水或水蒸汽)，在加热器加热后，经循环泵送入吸附器，直接对固体吸附剂加热、冲刷，置换、解吸出制冷剂，解吸出的制冷剂蒸汽在冷凝器中冷凝；该过程由于流体直接加热、冲洗固体吸附剂，可实现高效传热、传质，故解吸循环时间也仅约为1-100min。
结合附图1，本发明的低温热能驱动的直接再生吸附制冷循环是这样实现的：
(1)解吸再生过程：该过程开始时，吸附剂床层1处于接近吸附饱和状态，此时，属于解吸分支的阀门5、阀门11和阀门14均打开，属于吸附制冷分支的阀门2、阀门4、阀门15和阀门19均关闭。从吸附制冷过程切换到加热解吸过程时，先关闭吸附制冷分支的阀门2、阀门4、阀门15和阀门19，再打开阀门5、阀门11和阀门14，打开循环泵13，将加热器12中的热水(或蒸汽)送入吸附器1中，对固体吸附剂进行直接加热、冲刷解吸。加热器的加热热源可来自工业余热、废热等热能或太阳能、地热能。随着热水不断从吸附器1下部输入，吸附器1中热水累积越来越多，当热水量超过吸附器1的空隙容积时，水将从吸附器上部进入汽液分离器3，汽液分离器3通过阀门11返回加热器12，完成再生介质的循环使用。随着加热过程的进行，吸附器1的压力逐渐升高，当压力升高至制冷剂在冷凝温度(35-40℃)下对应的饱和压力时，打开阀门5，制冷剂蒸汽和少量水蒸汽将进入冷凝器6，在冷凝器6中冷凝为饱和液体，冷凝放热由冷却介质进行换热带走。冷凝得到的制冷剂液体在贮液分离器8中分层，制冷剂液体由于密度较小，占据贮液分离器8中液体的上层空间，水占据下层空间。贮液分离器8上层空间中的制冷剂液体经节流阀7进入蒸发器10，下层空间中的少量水经阀门9回到加热器12。解吸过程完成后，关闭阀门5和循环泵13，滞留在吸附器1和汽液分离器3中的水将在重力的作用下，返回加热器12。吸附器1和汽液分离器3中的水排放完成后，关闭阀门11和阀门14。解吸再生过程结束。
(2)吸附制冷过程：解吸再生过程结束后，打开和蒸发器10相联的阀门4，进行吸附制冷过程。本发明由于再生过程采用直接加热、冲刷的方法，因此吸附器1中没有设置任何换热部件。在吸附过程，为降低吸附器1的温度，同时带走因吸附释放的吸附热，须设置适当的旁路实现上述功能。本发明设置了一个气体支路循环实现上述功能，该支路主要由阀门19、冷却器18、汽液分离器16和循环泵17组成。吸附过程进行时，蒸发器10中的制冷剂液体蒸发，蒸发器10得到冷量，通过冷媒输出，可用于制冰、冷藏和空调等需要冷量的场合。蒸发器10中蒸发的制冷剂蒸汽被吸附器1中的吸附剂吸附，放出热量。通过循环泵17抽取一部分吸附器1中的气体在支路中进行循环，在冷却器18中进行高效换热，热量迅速释放，变成常温气体，该气体中会凝结部分因冷却而产生的少量水，在汽液分离器16中对其进行分离，少量的水通过阀门15返回加热器12。降温后的制冷剂气体经循环泵输送后，和来自蒸发器10的制冷剂蒸汽一起进入吸附器1。在吸附器1中，部分制冷剂蒸汽被固体吸附剂吸附，放出吸附热。由于固体吸附剂堆积床层的多空隙特性，因而部分未被吸附的制冷剂蒸汽在吸附器1中由于循环泵17的循环作用而流动时，会和固体吸附剂产生对流传热、传质，传热效率高，可迅速带走吸附热，降低吸附器1的温度，缩短吸附制冷半循环时间，提高制冷功率。吸附制冷过程完成后，再切换至上述(1)中的解吸再生过程。如有两个或两个以上的吸附器层交替运行，则可进行连续供冷。
蒸发器中制冷剂蒸发温度为-100-20℃，环境温度为5-50℃，吸附器中吸附温度为10-60℃，再生温度一般为60-200℃，吸附制冷、解吸再生循环时间均为1-100min，系统制冷功率为100-500W/kg，制冷系数COP为0.2-0.5。
与现有的吸附制冷技术相比，本发明的循环解吸过程直接加热、冲洗再生，吸附过程直接气体换热，换热效果好，制冷效率高；本发明的循环用汽车和船舶尾气余热、热电联产装置冷却水、燃料电池冷却水、太阳能、地热能或工业余热和废热等热能驱动；系统运行稳定，对装置要求降低，制造、维护成本大幅度下降，整体制冷效率较高。该直接加热、冲洗再生的技术在工业吸附操作中广泛使用，工业应用背景明确，技术可靠，效率高。因而，本发明提供的系统可进一步规模化推广应用。本发明为固体吸附式制冷最终走向商业化提供了新的思路。
有益效果：
(1)本发明采用惰性再生介质直接加热、冲洗解吸吸附剂，制冷剂蒸汽直接冷却吸附剂，吸附器层传热、传质效果好，制冷循环时间短，制冷功率高；
(2)本发明采用直接加热的方式对吸附器层进行换热，消除了间接换热过程的传热温差，有利于高效利用低品位热能，同时，避免了间接换热过程为强化传热而使用金属的热容带来的热损耗，因而提高了制冷系数、制冷效率；
(3)本发明采用的烷烃、烯烃或其取代物作为制冷剂，不破坏臭氧层，同时可采用普通压缩式制冷循环中所用辅助设备和配件，对制冷装置要求降低，制造、维护成本大幅度下降，制冷系统操作稳定性提高；
(4)本发明由于采用惰性介质直接同时加热、冲洗吸附剂，解吸过程效率高，制冷循环用汽车和船舶尾气余热、热电联产装置冷却水、燃料电池冷却水、太阳能、地热能或工业余热和废热等热能驱动，有效利用各种热能。
附图说明
图1为本发明的吸附制冷循环系统的结构示意图；其中：1-吸附器，2-阀门，3-汽液分离器，4-阀门，5-阀门，6-冷凝器，7-节流阀，8-贮液分离器，9-阀门，10-蒸发器，11-阀门，12-加热器，13-循环泵，14-阀门，15-阀门，16-汽液分离器，17-循环泵，18-冷却器，19-阀门。A为冷却介质，B为冷媒进出口，C为热媒进出口。
具体实施方式
以实验装置进行系统性能测试，采用制冷剂和水混合进行直接再生吸附制冷循环，本发明具有下列实施例：
实施例1
吸附器中装填纯硅Silicalite分子筛，制冷剂为丙烷，蒸发器中制冷剂蒸发温度为-40℃，蒸发压力为0.11MPa绝对压力，环境温度为35℃，吸附器中吸附温度为35℃，解吸再生回路中热水温度为85℃；再生冷凝器中冷凝压力约为1.21MPa绝对压力；吸附制冷、解吸再生循环时间均为1.5min，系统制冷功率为250W/kg，制冷系数COP为0.35。
实施例2
吸附器中装填椰壳活性炭吸附剂，制冷剂为正丁烷，蒸发器中丁烷制冷剂蒸发温度为5℃，蒸发压力约为0.15MPa绝对压力，环境温度为40℃，吸附器中吸附温度为35℃，解吸再生回路中热水温度为95℃；再生冷凝器中冷凝压力约为0.38MPa绝对压力；吸附制冷、解吸再生循环时间均为4min，系统制冷功率为180W/kg，制冷系数COP为0.43。
实施例3
吸附器中装填纯硅ZSM-5分子筛，制冷剂为异丁烷，蒸发器中制冷剂蒸发温度为-10℃，蒸发压力为0.11MPa绝对压力，环境温度为35℃，吸附器中吸附温度为35℃，解吸再生回路中热水温度为65℃；再生冷凝器中冷凝压力约为0.46MPa绝对压力；吸附制冷、解吸再生循环时间均为2min，系统制冷功率为153W/kg，制冷系数COP为0.42。
实施例4
吸附器中装填Y型分子筛(硅铝比等于10)，蒸发器中制冷剂为氯乙烷，蒸发器中制冷剂蒸发温度为10℃，蒸发压力为0.090MPa绝对压力，环境温度为30℃，吸附器中吸附温度为30℃，解吸再生回路中热水温度为80℃；再生冷凝器中冷凝压力约为0.18MPa绝对压力；吸附制冷、解吸再生循环时间均为1min，系统制冷功率为450W/kg，制冷系数COP为0.39。
实施例5
吸附器中装填纯硅Silicalite分子筛，蒸发器中制冷剂为二氯甲烷，蒸发器中制冷剂蒸发温度为0℃，蒸发压力为0.02MPa绝对压力，环境温度为40℃，吸附器中吸附温度为40℃，解吸再生回路中热水温度为80℃；再生冷凝器中冷凝压力约为0.10MPa绝对压力；吸附制冷、解吸再生循环时间均为2min，系统制冷功率为148W/kg，制冷系数COP为0.23。
实施例6
吸附器中装填椰壳活性炭吸附剂，蒸发器中制冷剂为乙烯，蒸发器中制冷剂蒸发温度为-100℃，蒸发压力为0.12MPa绝对压力，环境温度为10℃，吸附器中吸附温度为10℃，解吸再生回路中热水温度为70℃；再生冷凝器中冷凝压力约为4.97MPa绝对压力；吸附制冷、解吸再生循环时间均为50min，系统制冷功率为100W/kg，制冷系数COP为0.21。
实施例7
吸附器中装填椰壳活性炭吸附剂，蒸发器中制冷剂为二氯乙烯，蒸发器中制冷剂蒸发温度为15℃，蒸发压力为0.029MPa绝对压力，环境温度为35℃，吸附器中吸附温度为35℃，解吸再生回路中热水温度为75℃；再生冷凝器中冷凝压力约为0.064MPa绝对压力；吸附制冷、解吸再生循环时间均为2min，系统制冷功率为144W/kg，制冷系数COP为0.33。
实施例8
吸附器中装填MCM-41分子筛，蒸发器中制冷剂为丙烯，蒸发器中制冷剂蒸发温度为-30℃，蒸发压力为0.21MPa绝对压力，环境温度为30℃，吸附器中吸附温度为30℃，解吸再生回路中热水温度为80℃；再生冷凝器中冷凝压力约为1.30MPa绝对压力；吸附制冷、解吸再生循环时间均为1.5min，系统制冷功率为167W/kg，制冷系数COP为0.26。
实施例9
吸附器中装填椰壳活性炭吸附剂(70％质量含量)和纯硅Silicalite分子筛(30％质量含量)的混合物，蒸发器中制冷剂为正丁烷(20％质量含量)、异丁烷(20％质量含量)、丙烷(30％质量含量)、1，1-二氟乙烷(10％质量含量)、三氟二氯乙烷(10％质量含量)和甲烷(10％质量含量)的混合物，蒸发器中制冷剂蒸发温度为-20℃，蒸发压力为0.15-0.20MPa绝对压力，环境温度为30℃，吸附器中吸附温度为30℃，解吸再生回路中热水温度为140℃；再生冷凝器中冷凝压力约为0.50-0.80MPa绝对压力；吸附制冷、解吸再生循环时间均为2min，系统制冷功率为430W/kg，制冷系数COP为0.39。
实施例10
吸附器中装填椰壳活性炭吸附剂(60％质量含量)和疏水硅胶(40％质量含量)的混合物，蒸发器中制冷剂为乙烷(30％质量含量)、一氟二氯乙烷(20％质量含量)、四氟一氯乙烷(20％质量含量)和二氟甲烷(30％质量含量)的混合物，蒸发器中制冷剂蒸发温度为-15℃，蒸发压力为0.15-0.50MPa绝对压力，环境温度为35℃，吸附器中吸附温度为35℃，解吸再生回路中热水温度为110℃；再生冷凝器中冷凝压力约为0.70-3.0MPa绝对压力；吸附制冷、解吸再生循环时间均为3min，系统制冷功率为260W/kg，制冷系数COP为0.42。
Claims (5)
1.一种热能驱动的直接再生吸附制冷循环系统，其特征在于由吸附器、冷凝器、冷却器、汽液分离器、贮液分离器、蒸发器、加热器和循环泵依次用管线串接构成；其中，吸附器、蒸发器、循环泵、冷却器和汽液分离器构成系统的吸附制冷回路，该回路通过制冷剂蒸汽直接和床层对流换热；吸附器、冷凝器、汽液分离器、贮液分离器、循环泵和加热器构成系统的解吸再生回路，该回路通过再生介质直接加热、冲洗床层进行再生，两个回路交替运行，构成完整的制冷循环系统，系统采用热能驱动；该吸附制冷循环系统所用的吸附剂为亲油、疏水型吸附剂；制冷剂为烷烃、烯烃或者烷烃、烯烃的卤代物。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述的亲油、疏水型吸附剂至少为活性炭类、纯硅分子筛、硅铝比大于10的高硅铝比ZSM系列分子筛、硅铝比为2-5的中等硅铝比的Y型分子筛、疏水硅胶、MCM系列介孔氧化硅材料中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述的再生介质为水或水蒸汽；所述的烷烃、烯烃或者烷烃、烯烃的卤代物制冷剂至少为正丁烷、异丁烷、丙烷、乙烷、乙烯、丙烯、氯乙烷、三氟二氯乙烷、二氯甲烷、一氟二氯乙烷、四氟一氯乙烷、二氟甲烷、1，1-二氟乙烷、甲烷或二氯乙烯中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述的热能是汽车和船舶尾气余热、热电联产装置冷却水、燃料电池冷却水、太阳能、地热能或工业余热和废热。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于蒸发器中制冷剂蒸发温度为-100-20℃，环境温度为5-50℃，吸附器中吸附温度为10-60℃；吸附制冷、解吸再生循环时间均为1-100min，系统制冷功率为100-500W/kg，制冷系数COP为0.2-0.5。
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