CN102287954B - 一种溶解吸热式化学热泵及其加热或制冷方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种溶解吸热式化学热泵，包括蒸发器、冷凝器、反应器、空气压缩机以及固液分离器、循环换热器和热端换热器，蒸发器的冷端换热管与冷端用户介质相通，与蒸发器相通的输送管通过循环泵分别经冷凝器和循环换热器及输送过渡管与设置在反应容器上部的两个以上布液管连接相通，各布液管上设有复数个出液口，反应容器顶部的蒸汽管分别经热端换热器和空气压缩以及反应器、回流过渡管、循环换热器、回流管接蒸发器，热端换热器与热端用户介质相通，反应器下部与冷凝器相通，冷凝容器底部与蒸发容器顶部之间安装有固液分离器，固液分离器的回液口通过回液管与反应容器相通。本发明具有结构简单、换热效率稳定，使用成本低的特点。

Description

一种溶解吸热式化学热泵及其加热或制冷方法

技术领域

本发明涉及一种溶解吸热式化学热泵及其加热或制冷方法，属于利用溶解物质进行换热的热泵技术领域。

背景技术

化学热泵系统利用化学反应中可逆反应的热能与化学能的转化来实现制冷、加热等功能。通常在解吸过程中固体反应器吸热，在高压下吸附剂解吸出制冷剂气体，制冷剂气体进入冷凝器中冷凝放热，再经节流阀进入蒸发器，制冷剂气体在蒸发器中蒸发，对外界产生制冷效果。另一方面，在较低的压力下蒸发出来的制冷剂气体被吸附剂吸附，放出热量，以此通过这样的循环，通过化学热泵可达到制冷或制热的效果。而多数的化学吸附反应大多以无机盐作为吸附剂如MgCl2、CaCl2、SrCl2或BaCl2等，而氨为制冷剂组成工质对，通过气体和盐之间的放热和吸热可逆反应进行制冷或制热。但这种结构化学热泵较为复杂，加之于金属氯化物在反应床中热导率较低，使得化学热泵的工作效果并不理想，因此不能配套于大面积的换热要求。

目前还有公开一种以用于溶解在水中的硝酸铵溶液作为工质的溶解吸热式化学热泵，在低温时溶解吸热，而高温浓缩结晶放热，利用工质的溶解潜热，以达到能耗小，结构简单、不污染环境的特点。但这种结构的化学热泵在塔底部设有加热器，塔底部的硝酸铵溶液加热至100-105℃之间，利用高温硝酸铵溶液浓缩到很高的浓度，在塔底形成高温浓缩区，而硝酸铵溶液浓度高、密度大，塔底存有高温高浓度的硝酸铵溶液，再通过工质泵将高温高浓度的硝酸铵溶液抽向塔顶，在输送过程中，高温高浓度的硝酸铵溶液在工质泵中与主机塔内的低温溶液进行热交换降温，并淅出硝酸铵晶体，同时向外放出大量的溶解潜热，工质泵将泵内的硝酸铵晶体送到塔顶部的低温吸热区进行吸热溶解，而低温溶液通过上部加密网再到下部的主机塔内与工质泵内的高温高浓度的硝酸铵溶液进行热交换以此循环。但由于高温高浓度的硝酸铵溶液位于塔底部，而低温低浓度溶液位于塔顶部，一方面塔顶部的低温低浓度的硝酸铵溶液很难与底部的高温高浓度的硝酸铵溶液进行自由溶解混合，造成工质不能可靠循环而达到换热的效果。另一方面，由于加热器是对塔底部的硝酸铵溶液加热，而被加热的硝酸铵溶液在浓缩后会产生一定的水蒸汽，而高温水蒸汽会向塔体的中上部移动，故塔内无法形成底部高温区、中部的放热区和顶部的底温区，实际上无法进行换热。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、换热效率稳定，使用成本低的一种溶解吸热式化学热泵及其加热或制冷方法。

本发明为达到上述目的技术方案是：一种溶解吸热式化学热泵，其特征在于：包括蒸发器、冷凝器、反应器、空气压缩机以及固液分离器、循环换热器和热端换热器，所述蒸发器包括蒸发容器和设置在蒸发容器内的冷端换热管，冷端换热管通过管路与冷端用户介质相通，蒸发容器的下部和上部分别接有输送管和回流管；所述冷凝器包括冷凝容器和设置在冷凝容器内的第一换热管，反应器包括反应容器和设置在反应容器内的第二换热管，输送管位于蒸发容器一侧安装有循环泵，输送管未端分别经冷凝器的第一换热管和循环换热器的升温管与输送过渡管前端连接相通，输送过渡管后端与设置在反应容器上部的两个以上布液管连接相通，且各布液管上设有复数个出液口，连接在反应容器顶部的蒸汽管分别与热端换热器的降温管以及空气压缩机的进气口连接相通，空气压缩机出气口与反应容器内的第二换热管连接相通，回流过渡管前端分别与第二换热管和热端换热器的降温管连接相通，回流过渡管后端通过循环换热器的降温管与回流管连接相通，热端换热器的升温管通过管路与热端用户介质相通，反应容器下部的液管与冷凝容器连接相通，冷凝容器底部与蒸发容器顶部之间安装有固液分离器，且固液分离器通过进液管和出液管分别与冷凝容器和蒸发容器相通，固液分离器的回液口通过回液管与反应容器相通。

本发明一种溶解吸热式化学热泵的加热或制冷方法，其特征在于：将低于15℃的冷端用户介质通入设置在蒸发器内的冷端换热管进行循环，并对蒸发器内的固液硝酸铵工质进行加热，蒸发器内的固液硝酸铵工质吸热溶解并保持在-10℃～0℃，通过循环泵将液态硝酸铵工质分别送至冷凝器的第一换热管及循环换热器的升温管中进一步换热后，再送至反应器上部的布液管内，通过布液管将液态硝酸铵工质喷撒在压力为0.1Mpa～0.18Mpa的反应器内被进一步加热至蒸发状态，使液态硝酸铵工质浓缩饱和，按同一截面流量百分比，将流入反应器顶部蒸汽管内的87-93％的水蒸汽经空气压缩机压缩后进一步提高水蒸汽的温度，再将加热后的水蒸汽通入反应器内的第二换热管内，对反应器内喷撒后的液态硝酸铵工质进行换热，而将流入蒸汽管内的8-13％的水蒸汽进入热端换热器的降温管与通入升温管内的热端用户介质进行换热，经热端换热器换热后的冷凝水及反应器内第二换热管换热后的冷凝水经循环换热器的降温管回流至蒸发器，对从蒸发器流出的液态硝酸铵工质进行换热；反应器内浓缩饱和后的液态硝酸铵工质进入冷凝器内进行放热结晶，对冷凝器的第一换热管内的液态硝酸铵工质进行加热，换热后的固液硝酸铵工质和液态硝酸铵工质进入固液分离器内进行固液分离，固态硝酸铵工质进入蒸发器内、液态硝酸铵工质再送入反应器内，实现冷端用户介质的冷却和热端用户介质的加热。

本发明将蒸发器、冷凝器、反应器、空气压缩机以及固液分离器、循环换热器和热端换热器通过管路合理连接，使固液硝酸铵工质在蒸发器内与冷端用户介质换热，达到制冷效果，硝酸铵工质实现低温吸热溶解，该液态硝酸铵工质通过循环换热器和冷凝器中的第一换热管加热，再送至反应器上部的布液管内，液态硝酸铵工质在反应器进行喷撒，并被进一步加热至蒸发状态，当液态硝酸铵工质浓缩饱和，形成水蒸汽和浓缩饱和后的液态硝酸铵工质，水蒸汽进入热端换热器的降温管内与热端用户介质进行换热，达到热端用户介质换热的目的。本发明将反应过程中的大部分水蒸汽通过空气压缩机压缩后进一步加热，对反应器内喷撒后的液态硝酸铵工质加热进行换热，确保反应器能稳定使液态硝酸铵工质达到饱和蒸发状态。本发明可通过冷凝器和循环换热器对已换热后冷凝水进一步换热，能快速使化学热泵进入工质的循环工作状态，最大限度利用热量而进行换热，结构合理、简单，换热效率稳定。本发明利用硝酸铵溶液分别在蒸发器、冷凝器和反应器内进行循环，以达到所需的吸热溶解、结晶放热和冷凝，硝酸铵溶液工质循环稳定，耗能低，即可制冷，又可制热，或用其轮换制冷制热，或用其同时制冷及制热，使用成本低。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的详细描述。

图1是本发明一种溶解吸热式化学热泵的结构示意图。

其中：1-循环泵，2-蒸发器，2-1-冷端换热管，2-2-蒸发容器，3-控制阀，4-回液泵，5-固液分离器，6-回液管，7-冷凝器，7-1-第一换热管，7-2-冷凝容器，8-反应器，8-1-加热器，8-2-第二换热管，8-3-反应容器，8-4-布液管，9-蒸汽管，10-空气压缩机，11-输送过渡管，12-热端换热器，12-1-降温管，12-2-升温管，13-压力泵，14-回流过渡管，15-循环换热器，15-1-降温管，15-2-升温管，16-回流管，17-输送管，18-压力表。

具体实施方式

见图1所示，本发明的一种溶解吸热式化学热泵，包括蒸发器2、冷凝器7、反应器8、空气压缩机10以及固液分离器5、循环换热器15和热端换热器12，循环换热器15和热端换热器12均采用常规的板式换热器，本发明采用硝酸铵水溶液作为工质，蒸发器2包冷端换热管2-1和设置在蒸发容器2-2内的冷端换热管2-1，冷端换热管2-1通过管路与冷端用户介质相通，使冷端用户介质在冷端换热管2-1内循环而进行热交换，本发明蒸发容器2-2内存有质量浓度为47％～54％的硝酸铵水溶液，即为液态硝酸铵工质和固态硝酸铵工质，硝酸铵工质的温度控制在-10℃～0℃之间，该冷端用户介质进入冷端换热管2-1时低于15℃，如冷端用户介质在5～15℃，蒸发容器2-2内的固液硝酸铵工质吸收冷端用户介质的热量并溶解，使经冷端换热管2-1交换后的冷端用户介质降低至-10～5℃，满足用户制冷要求，蒸发容器2-2的下部和上部分别接有输送管17和回流管16。

见图1所示，本发明冷凝器7包括冷凝容器7-2和设置在冷凝容器7-2内的第一换热管7-1，反应器8包括反应容器8-3和设置在反应容器8-3内的第二换热管8-2，工作时反应容器8-3的压力控制在0.1Mpa～0.18Mpa，如0.12Mpa、0.15Mpa或0.16Mpa，输送管17位于蒸发容器2-2一侧安装有循环泵1，输送管17未端分别通过冷凝器7的第一换热管7-1和循环换热器15的升温管15-2与输送过渡管11前端连接相通，通过循环泵1将液态硝酸铵工质分别送至冷凝器7的第一换热管7-1和循环换热器15的升温管15-2进行换热，将-10℃～0℃的液态硝酸铵工质经冷凝器7加热到120～130℃，输送过渡管11后端与设置在反应容器8-3上部的两个以上布液管8-4连接相通，可将加热至120～130℃的液态硝酸铵工质送至反应容器8-3上部的布液管8-4，各布液管8-4上设有复数个出液口，可根据容器大小设置，可设有10～500个出液口，通过各出液口将液态硝酸铵工质进行喷撒并雾化，最好布液管8-4的各出液口上安装有喷头，使液体硝酸铵工质在反应容器8-3内进一步加热并浓缩至饱和蒸发，连接在反应容器8-3顶部的蒸汽管9与热端换热器12的降温管12-1以及空气压缩机10进气口连接相通，空气压缩机10出气口与反应容器8-3内的第二换热管8-2连接相通，通过空气压缩机10对水蒸汽压缩而使蒸汽温度再提高25～35℃，该水蒸汽通过第二换热管8-2对反应容器8-3内的液体硝酸铵工质加热，以保持反应器8内的液体硝酸铵工质能在135℃～145℃的反应容器内连续不断的进行蒸发，本发明还可在反应容器8-3内安装有加热器8-1，该加热器8-1位于第二换热管8-2的下部，可确保反应器8内液体硝酸铵工质在初始工作状态时所需的蒸发温度，回流过渡管14前端分别与第二换热管8-2和热端换热器12的降温管12-1连接相通，回流过渡管14后端通过循环换热器15的降温管15-1与回流管16连接相通，热端换热器12的降温管12-1与回流过渡管14之间安装有压力泵13和控制阀3，将换热后的液态硝酸铵工质通过回流过渡管14经循环换热器15进一步换热，以充分利用热能，而热端换热器12的升温管12-2与热端用户介质相通，热端用户介质在热端换热器12升温管12-1内进行循环热交换，使进入热端换热器12的热端用户介质可从25～30℃加热到75～90℃，达到加热目的。

见图1所示，本发明反应容器8-3下部的液管与冷凝容器7-2连接相通，液管上安装有控制阀3，将135℃～145℃的液态硝酸铵工质从反应容器8-3下部流入冷凝容器7-2内，并在冷凝容器7-2内与第一换热管7-1内的液态硝酸铵工质进行换热，使冷凝容器7-2内的液态硝酸铵工质放出结晶热，形成固液硝酸铵工质，换热后的固液硝酸铵工质温度在70℃～90℃内，冷凝容器7-2的温度控制在120℃～130℃内。见图1所示，冷凝容器7-2底部与蒸发容器2-2顶部之间安装有固液分离器5，且固液分离器5通过进液管和出液管分别与冷凝容器7-2和蒸发容器2-2相通，该固液分离器5市售产品，且固液分离器5的回液口通过回液管6与反应容器8-3相通，通过固液分离器5固液硝酸铵工质进行固液分离，液态硝酸铵工质送回至反应器8内，而固态硝酸铵工质则流入下部的蒸发容器2-2内，本发明的回液管6上安装有回液泵4。

见图1所示，本发明为便于进行维修和调节，第一换热管7-1和第二换热管8-2的前后两侧分别安装有控制阀3，循环换热器15的升温管15-2的前后两侧也分别安装有控制阀3，与固液分离器5相通的进液管和出液管安装有控制阀3，且输送管17和蒸汽管9上分别连接有压力表18。

见图1所示，本发明一种溶解吸热式化学热泵的加热或制冷方法，将低于15℃的冷端用户介质通入设置在蒸发容器2-2内的冷端换热管2-1进行循环，并对蒸发器2内的固液硝酸铵工质加热，使蒸发器2内的固液硝酸铵工质吸热溶解并保持在-10℃～0℃，其固液硝酸铵工质的质量浓度在47％～54％，通过循环泵1将液态硝酸铵工质分别送至冷凝器7的第一换热管7-1及循环换热器15的升温管15-2中进一步换热后，液态硝酸铵工质被加热至120～130℃，将加热后的液态硝酸铵工再送至反应器8上部的布液管8-4内，通过布液管8-4将液态硝酸铵工质喷撒在压力在0.1Mpa～0.18Mpa的反应器8内被进一步加热至蒸发状态，使液态硝酸铵工质浓缩饱和，本发明反应器8内的压力为绝对压力，按同一截面的流量百分比，将流入反应器8顶部的蒸汽管9内的87-93％的水蒸汽经空气压缩机10压缩后进一步提高水蒸汽温度，再将加热后的水蒸汽通入反应器8内的第二换热管8-2内，通过空气压缩机10压缩可使水蒸汽再提高25～35℃，经空气压缩机10后的水蒸汽通入反应器8内的第二换热管8-2内，对反应器8内喷撒后的液态硝酸铵工质加热进行换热，以保持液态硝酸铵工质连续不断的蒸发，此时，液态硝酸铵工质的质量浓度为80％～90％。将流入蒸汽管9内的8-13％的水蒸汽进入热端换热器12的降温管12-1与通入升温管12-2内的热端用户介质进行换热，能将原25～30℃的热端用户介质加热到75～90℃，而经热端换热器12换热后的冷凝水及反应器8内第二换热管8-2换热后的冷凝水经循环换热器15的降温管15-1回流至蒸发器2内，对从蒸发器2流出的液态硝酸铵工质进行换热。见图1所示，本发明反应器8内浓缩饱和后的液态硝酸铵工质进入冷凝器7内进行放热结晶，对冷凝器7的第一换热管7-1内的液态硝酸铵工质进行加热，结晶放热后的固液硝酸铵工质温度在70℃～90℃内，而冷凝容器7-2的温度可控制在120℃～130℃，使液态硝酸铵工质稳定放热而形成固液硝酸铵工质，经换热后的固液硝酸铵工质和液态硝酸铵工质进入固液分离器5内进行固液分离，固态硝酸铵工质进入蒸发器2内、液体硝酸铵工质再送入反应器8内，以此循环，实现冷端用户介质的冷却和热端用户介质的加热。

Claims (6)

1.一种溶解吸热式化学热泵，其特征在于：包括蒸发器（2）、冷凝器（7）、反应器（8）、空气压缩机（10）以及固液分离器（5）、循环换热器（15）和热端换热器（12），所述蒸发器（2）包括蒸发容器（2-2）和设置在蒸发容器（2-2）内的冷端换热管（2-1），冷端换热管（2-1）通过管路与冷端用户介质相通，蒸发容器（2-2）的下部和上部分别接有输送管（17）和回流管（16）；所述冷凝器（7）包括冷凝容器（7-2）和设置在冷凝容器（7-2）内的第一换热管（7-1），反应器（8）包括反应容器（8-3）和设置在反应容器（8-3）内的第二换热管（8-2），输送管（17）位于蒸发容器（2-2）一侧安装有循环泵（1），输送管（17）末端分别经冷凝器（7）的第一换热管（7-1）和循环换热器（15）的升温管（15-2）与输送过渡管（11）前端连接相通，输送过渡管（11）后端与设置在反应容器（8-3）上部的两个以上布液管（8-4）连接相通，且各布液管（8-4）上设有复数个出液口，连接在反应容器（8-3）顶部的蒸汽管（9）分别与热端换热器（12）的降温管（12-1）以及空气压缩机（10）的进气口连接相通，空气压缩机（10）出气口与反应容器（8-3）内的第二换热管（8-2）连接相通，回流过渡管（14）前端分别与第二换热管（8-2）和热端换热器（12）的降温管（12-1）连接相通，回流过渡管（14）后端通过循环换热器（15）的降温管（15-1）与回流管（16）连接相通，热端换热器（12）的升温管（12-2）通过管路与热端用户介质相通，反应容器（8-3）下部的液管与冷凝容器（7-2）连接相通，冷凝容器（7-2）底部与蒸发容器（2-2）顶部之间安装有固液分离器(5)，且固液分离器(5)通过进液管和出液管分别与冷凝容器（7-2）和蒸发容器（2-2）相通，固液分离器(5)的回液口通过回液管（6）与反应容器（8-3）相通。

2.根据权利要求1所述的一种溶解吸热式化学热泵，其特征在于：所述反应容器（8-3）内安装有加热器（8-1），且加热器位于第二换热管（8-2）的下部。

3.根据权利要求1所述的一种溶解吸热式化学热泵，其特征在于：所述布液管（8-4）各出液口上安装有喷头。

4.根据权利要求1所述的一种溶解吸热式化学热泵，其特征在于：所述的回液管（6）上安装有回液泵(4)，热端换热器（12）的降温管（12-1）与回流过渡管（14）之间安装有压力泵（13）和控制阀（3）。

5.根据权利要求1所述的一种溶解吸热式化学热泵，其特征在于：所述第一换热管（7-1）和第二换热管（8-2）的前后两侧分别安装有控制阀（3），循环换热器（15）的升温管（15-2）的前后两侧也分别安装有控制阀（3），与固液分离器(5)相通的进液管和出液管安装有控制阀（3）。

6.一种如权利要求1所述的溶解吸热式化学热泵的加热或制冷方法，其特征在于：将低于15℃的冷端用户介质通入设置在蒸发器（2）内的冷端换热管（2-1）进行循环，并对蒸发器（2）内的固液硝酸铵工质进行加热，蒸发器（2）内的固液硝酸铵工质吸热溶解并保持在-10℃～0℃，通过循环泵（1）将液态硝酸铵工质分别送至冷凝器（7）的第一换热管（7-1）及循环换热器（15）的升温管（15-2）中进一步换热后，再送至反应器（8）上部的布液管（8-4）内，通过布液管（8-4）将液态硝酸铵工质喷撒在压力为0.1Mpa～0.18Mpa的反应器（8）内被进一步加热至蒸发状态，使液态硝酸铵工质浓缩饱和，按同一截面流量百分比，将流入反应器（8）顶部蒸汽管（9）内的87-93%的水蒸汽经空气压缩机（10）压缩后进一步提高水蒸汽的温度，再将加热后的水蒸汽通入反应器（8）内的第二换热管（8-2）内，对反应器（8）内喷撒后的液态硝酸铵工质进行换热，而将流入蒸汽管（9）内的8-13%的水蒸汽进入热端换热器（12）的降温管（12-1）与通入升温管（12-2）内的热端用户介质进行换热，经热端换热器（12）换热后的冷凝水及反应器（8）内第二换热管（8-2）换热后的冷凝水经循环换热器（15）的降温管（15-1）回流至蒸发器（2），对从蒸发器（2）流出的液态硝酸铵工质进行换热；反应器（8）内浓缩饱和后的液态硝酸铵工质进入冷凝器（7）内进行放热结晶，对冷凝器（7）的第一换热管（7-1）内的液态硝酸铵工质进行加热，换热后的固液硝酸铵工质和液态硝酸铵工质进入固液分离器(5)内进行固液分离，固态硝酸铵工质进入蒸发器（2）内、液态硝酸铵工质再送入反应器（8）内，实现冷端用户介质的冷却和热端用户介质的加热。

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