CN103305190B - 操作吸收式热泵的方法 - Google Patents

Abstract

在吸收式热泵中使用包含乙醇作为制冷剂和至少一种1，3-二甲基咪唑鎓二烷基磷酸盐作为吸收介质的混合物作为工作介质比使用含有不同制冷剂或不同离子性液体的工作介质产生更好的效率。

Description

操作吸收式热泵的方法

本发明涉及一种操作吸收式热泵的方法，其中使用包含乙醇作为制冷剂和至少一种1，3-二甲基咪唑鎓二烷基磷酸盐(1，3-dimethylimidazoliumdialkylphosphate)作为吸收介质的混合物作为吸收式热泵的工作介质。

传统热泵基于流经蒸发器和冷凝器的制冷剂循环。在蒸发器中，制冷剂被蒸发并且制冷剂吸收的蒸发热从第一介质获取。蒸发后的制冷剂接着通过压缩机被提升到较高的压力并且在冷凝器中冷凝，冷凝器的温度高于蒸发温度，蒸发热被再次释放并且热量传递给处于较高温度水平的第二介质。液化后的制冷剂随后被再次减压到蒸发器压力。

传统热泵的缺点在于它们消耗大量的机械能来压缩气体制冷剂。吸收式热泵则相反，它们消耗的机械能较小。除了传统热泵中的制冷剂、蒸发器和冷凝器，吸收式热泵还具有吸收介质、吸收器和解吸器。蒸发后的制冷剂在蒸发压力下在吸收器中被吸收介质吸收，并且随后在解吸器中通过在高于冷凝压力的压力下提供热量而从吸收介质中再次解吸出来。压缩由制冷剂和吸收介质组成的液体工作介质所需要的机械能低于压缩传统热泵中的制冷剂蒸汽所需要的机械能；用于解吸制冷剂的热能取代了机械能的消耗。吸收式热泵的效率通过如下的方法计算，即用于冷却或加热的热流与提供给用于操作吸收式热泵的解吸器的热流的比值，并且该比值被称之为“性能系数”，简写为COP。

当前用在工业中的吸收式热泵使用的工作介质含有作为制冷剂的水和作为吸收介质的溴化锂。在这种工作介质中，水的含量不能低于35-40重量％，因为否则溴化锂会发生结晶并且因此可能产生工作介质固化的问题。对于所使用的工作介质具有水作为制冷剂以及溴化锂作为吸收介质的吸收式制冷机，热量需要在吸收器中在一定温度水平下被移除，该温度水平在热的国家需要通过湿式冷却塔进行冷却。

WO2005/113702和WO2006/134015提出采用含有离子性液体的工作介质作为吸收介质，其中离子性液体具有有机阳离子，从而避免由吸收介质结晶而引起的问题。

然而，采用含有离子性液体的工作介质作为吸收介质得到的效率通常不能令人满意。

此外，含有水作为制冷剂的工作介质还具有在吸收式制冷机中无法冷却到低于4℃的温度的缺点，因为否则在吸收式制冷机的蒸发器中会结冰。因此，对于使用吸收式制冷机在低温下冷却食物，需要工作介质采用熔点低于水的制冷剂作为工作介质来实现高效率。

EP2246651描述了一种用于吸收式热泵的工作介质，其含有甲醇作为制冷剂以及1-乙基-3甲基咪唑鎓醋酸盐作为吸收介质，据称具有较高的效率。该文献还指出，在对比实施例中，这种含有甲醇作为制冷剂以及1，3-二甲基咪唑鎓醋酸盐或1-乙基-3甲基咪唑鎓二乙基磷酸盐作为吸收介质的工作介质在相同的甲醇含量下具有显著更高的甲醇蒸汽压力，这导致吸收式热泵具有较低的效率。

本发明的发明人出人意料地发现与采用含有具有不同阳离子或阴离子的离子性液体作为吸收介质的工作介质相比，使用含有乙醇作为制冷剂以及至少一种1，3-二甲基咪唑鎓二烷基磷酸盐作为吸收介质的工作介质作为吸收式热泵的工作介质能够提供更高的效率。

本发明因此提出一种操作吸收式热泵的方法，其中包含乙醇作为制冷剂和至少一种1，3-二甲基咪唑鎓二烷基磷酸盐作为吸收介质的混合物用作吸收式热泵的工作介质。

此外，本发明还提供一种吸收式热泵，其包含吸收器、解吸器、冷凝器、蒸发器和工作介质，其中所述工作介质包含乙醇作为制冷剂和至少一种1，3-二甲基咪唑鎓二烷基磷酸盐作为吸收介质。

对于本发明的目的，术语吸收式热泵包括所有满足以下条件的设备：利用该设备，在较低温度水平下吸收热量，并且在较高温度水平下再次释放热量，并且该设备通过向解吸器提供热量而驱动。本发明的吸收式热泵因此在狭义上包括吸收式制冷机和吸收式热泵，其中吸收器和蒸发器的工作压力低于解吸器和冷凝器的工作压力，以及吸收式热变换器，其中吸收器和蒸发器的工作压力高于解吸器和冷凝器的工作压力。在吸收式制冷机中，在蒸发器中吸收蒸发热用于冷却介质。在狭义的吸收式热泵中，冷凝器和/或吸收器中释放的吸收热用于加热介质。在吸收式热变换器中，在吸收器中释放的吸收热用于加热介质，其中在高于提供给解吸器的热量的温度水平下获得吸收热。

根据本发明的用于吸收式热泵的工作介质包含乙醇作为制冷剂。术语制冷剂在这里表示工作介质中易挥发的组分，其在吸收式热泵的运行中从解吸器中富含制冷剂的工作介质中蒸发，并且，在吸收式热泵的冷凝器中冷凝以及在蒸发器中蒸发之后，在吸收器中被具有低制冷剂含量的工作介质再次吸收。工作介质优选地基本上仅含有乙醇作为制冷剂，即工作介质中能够在1bar压力和150℃下蒸发的部分包含超过90重量％并且优选地超过98重量％的乙醇。

根据本发明用于吸收式热泵的工作介质包含至少一种1，3-二甲基咪唑鎓二烷基磷酸盐作为吸收介质。工作介质优选地含有1，3-二甲基咪唑鎓二甲基磷酸盐和/或1，3-二甲基咪唑鎓二乙基磷酸盐，并且特别优选地含有1，3-二甲基咪唑鎓二乙基磷酸盐作为吸收介质。术语吸收介质在这里表示工作介质中不挥发的组分，其不会在吸收式热泵的运行中从解吸器中的工作介质里蒸发。工作介质优选地仅含有1，3-二甲基咪唑鎓二烷基磷酸盐作为吸收介质，即工作介质中在1bar压力和200℃下不能蒸发的部分包含超过90重量％并且优选地超过95重量％的这些化合物。

根据本发明使用的工作介质优选地含有4重量％到67重量％的水和30重量％到95重量％的1，3-二甲基咪唑鎓二烷基磷酸盐。

根据本发明使用的工作介质除了水和1，3-二甲基咪唑鎓二烷基磷酸盐之外还可以含有添加剂，优选地为腐蚀抑制剂。基于离子性液体的质量，腐蚀抑制剂的比例优选地为10到50,000ppm，特别优选地为100到10,000ppm。优选的无机腐蚀抑制剂为Li₂CrO₄、Li₂MoO₄、Li₃VO₃、NiBr₂、Li₃PO₄、CoBr₂以及LiOH。合适的有机腐蚀抑制剂为胺和链烷醇胺(alkanolamines)，优选地为2-氨基乙醇、2-氨基丙醇和3-氨基丙醇，并且还可以是被称之为脂肪酸烷醇酰胺(alkylolamides)的具有链烷醇胺的脂肪酸的酰胺化物，及其烷氧基。合适的腐蚀抑制剂，例如2-氨基乙醇和油酰氨基乙醇聚乙氧基化物的混合物，其能够从EvonikIndustriesAG的商品名为AC获得。更合适的腐蚀抑制剂为有机磷酸酯，特别是乙氧基化脂肪醇的磷酸酯，并且还可以是脂肪酸/链烷醇胺的混合物。优选的有机腐蚀抑制剂为苯并咪唑并且特别是苯并三唑。

根据本发明使用的工作介质还可以含有具有6到10个碳原子的一元脂肪族作为添加剂用于提高效率，其含量优选为0.001重量％到0.1重量％。醇优选地为具有支链烷基的伯醇，并且特别优选为2-乙基-1-己醇。

在吸收式热泵中，在工作介质中乙醇作为制冷剂并且至少一种1，3-二甲基咪唑鎓二烷基磷酸盐作为吸收介质的组合出人意料地比已知的采用具有不同阳离子和阴离子的离子性液体代替1，3-二甲基咪唑鎓二烷基磷酸盐作为吸收介质的工作介质具有更高的效率。此外，与由EP2246651A2中己知的包含甲醇作为制冷剂的工作介质相比，使用本发明也能够减小吸收式热泵在释放制冷剂时发生泄露的风险，因为乙醇的毒性比甲醇小。使用本发明将提供经济并且节能地冷却到0℃以下的温度。

本发明的吸收式热泵包括吸收器、解吸器、冷凝器、蒸发器和工作介质，其中所述工作介质包含乙醇作为制冷剂和至少一种1，3-二甲基咪唑鎓二烷基磷酸盐作为吸收介质。吸收式热泵优选地包含上面提到的优选的工作介质作为工作介质。

在本发明的吸收式热泵的运行中，气体制冷剂在吸收器中被低制冷剂工作介质吸收以产生富制冷剂工作介质，同时释放吸收热。通过提供热量使制冷剂在解吸器中以蒸汽形态从得到的富制冷剂工作介质中被解吸，以产生低制冷剂工作介质，其再循环到吸收器中。在解吸器中获得的气体制冷剂在冷凝器中冷凝释放冷凝热，获得的液体制冷剂在蒸发器中蒸发吸收蒸发热，并且得到的气体制冷剂被再循环到吸收器。

本发明的吸收式热泵还可以具有一级或多级，其中多级具有多个耦联的工作介质回路。

在优选实施方案中，吸收式热泵为吸收式制冷机，并且在蒸发器中从待被冷却的介质吸收热量。待冷却的介质例如可以是空气或制冷机或空调机的热交换流体。

与WO2005/113702和WO2006/134015中已知的使用单一离子性液体作为吸收介质的吸收式热泵相比，本发明的吸收式热泵具有较高的效率。与EP2246651中已知的吸收式热泵相比，本发明的吸收式热泵的优点在于制冷剂不易燃烧并且无毒。

实施例

使用由80重量％的离子性液体和20重量％的乙醇组成的工作介质运行来自YAZAKI的型号为CH-MG150的吸收式制冷机，输入温度为85℃并且冷却水温度为30℃，冷却功率约为527kW，并且性能效率COP由制冷功率与加热功率之间的比值确定。制冷功率通过测量的被冷却水的入口温度和出口温度的温度差值、测量的被冷却水的体积流量、被冷却水在平均温度下的水密度、以及水的热容量而计算得到。加热功率类似地通过测量的用于加热的热水的入口温度和出口温度的温度差值、测量的热水体积流量、热水在平均温度下的水密度、以及水的热容量而计算得到。在没有加入添加剂和加入0.01重量％的2-乙基-1-己醇(2EHL)两种情况下测试工作介质。在表1中，各种缩写分别表示下面的离子性液体：

表1

*不是根据本发明

Claims (3)

1.操作吸收式热泵的方法，其中使用包含乙醇作为制冷剂和1,3-二甲基咪唑鎓二乙基磷酸盐作为吸收介质的混合物作为吸收式热泵的工作介质，其中所述工作介质基本上仅含有乙醇作为制冷剂，并且所述工作介质基本上仅含有1,3-二甲基咪唑鎓二乙基磷酸盐作为吸收介质。

2.吸收式热泵，其包括吸收器、解吸器、冷凝器、蒸发器和工作介质，所述工作介质包含乙醇作为制冷剂和1,3-二甲基咪唑鎓二乙基磷酸盐作为吸收介质，其中所述工作介质基本上仅含有乙醇作为制冷剂，并且所述工作介质基本上仅含有1,3-二甲基咪唑鎓二乙基磷酸盐作为吸收介质。

3.权利要求2的吸收式热泵，其特征在于其为吸收式制冷机，并且从待在蒸发器中被冷却的介质吸收热量。