CN104048443A - 以发动机尾气为能源驱动的化学吸附式制冷系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种以发动机尾气为能源驱动的化学吸附式制冷系统，包括N个吸附床组件，每个吸附床组件包括吸附床单元管组件、氨气吸附管路和氨气脱附管路、进烟气管路、冷却水进水管路和冷却水出水管路；所述吸附床单元管组件包括M个吸附单元管，每个吸附单元管包括吸附外管、设置在吸附外管内的多个托盘、设置在多个托盘中部的滤网，每个托盘内设置有吸附剂，所述吸附外管的顶端连接气总管；所述氨气脱附管路和氨气吸附管路之间依次连接有冷凝器、液氨储罐、节流阀和蒸发器。本发明结构简单、可靠性高、冷却效果好。

Description

以发动机尾气为能源驱动的化学吸附式制冷系统
技术领域
本发明涉及一种化学吸附式热能制冷系统，具体涉及以发动机尾气为能源驱动的化学吸附式制冷系统。
背景技术
在利用发动机高温尾气的热源进行热能吸附式制冷的技术和产品研究中，以往常常采用机械式烟板阀结构，用以控制切换发动机尾气和冷却水的通道，该机构存在以下缺陷：由于尾气温度高达300-600℃，机械式烟板阀难以寻求到在该温度条件下的密封材料，因而无可避免地存在漏气和漏水问题；机械式烟板阀机械加工工艺复杂、周期长、成本高；在高温条件下，机械式烟板阀易发生热胀冷缩变形、卡壳等机械故障，影响系统正常运行等；若用于海上船舶发动机尾气制冷场合，机械烟板阀还存在难以抗拒的海水腐蚀问题。
现有技术中，通过在发动机尾气与吸附发生器之间的烟道管中增设浮筒装置，将烟道设置于发生器内部，发生器内壁与烟道管仅仅只一层铁板相隔。但是实际应用时，由于发动机尾气热量绝大部分加热到浮筒上，以及浮筒附近的发生器内壁，使浮筒和发生器内壁严重变形开裂，且堵塞了烟道管，严重浪费了吸附床所需要的发动机尾气热量。
发明内容
本发明的目的是提供一种以发动机尾气为能源驱动的化学吸附式制冷系统，包括并联连接的N个吸附床组件，每个吸附床组件包括吸附床单元管组件、氨气吸附管路和氨气脱附管路、进烟气管路、出烟气管路、冷却水进水管路和冷却水出水管路；所述吸附床单元管组件包括设置在吸附床容器内的M个吸附单元管，每个吸附单元管包括吸附外管、设置在吸附外管内的多个托盘、设置在多个托盘中部的滤网，每个托盘内设置有吸附剂，所述吸附外管的顶端连接气总管；所述气总管通过三通分别与氨气吸附管路和氨气脱附管路连通，所述吸附床单元管组件的底端连通有U形水封管道，所述U形水封管道通过两位三通电动阀组连接冷却水进水管路和冷却水出水管路，所述吸附床容器上端与烟气管路连通，所述进烟气管路连接至烟气总管路，所述吸附床单元管组件的顶端与出烟气管路连通；所述氨气脱附管路和氨气吸附管路之间依次连接有冷凝器、液氨储罐、节流阀和蒸发器；所述氨气吸附管路上设置有吸氨通路单向控制阀组，所述氨气脱附管路上设置有脱氨通路单向控制阀组，所述吸氨通路单向控制阀组包括氨气吸附管路与吸附床组件之间连接的支路上设置的阀a1-n1，所述脱氨通路单向控制阀组包括氨气脱附管路与吸附床组件之间连接的支路上设置的阀a2-n2；所述吸氨通路单向控制阀组、脱氨通路单向控制阀组均与控制器连接，所述N为整数，3≤N≤8，所述M为大于2的整数。
上述技术方案中，所述吸附床容器的上端设置有溢流口，所述溢流口连接有冷却水溢流管，所述冷却水溢流管和U形水封管道、两位三通电动阀组、冷却水进水管路、冷却水出水管路共同构成阀水封结构，在发动机高温尾气环境下，实现了以水通路控制高温尾气通路的功能。
上述技术方案中，所述冷却水由冷却水进水管路从吸附床容器下部进入吸附床容器，溢满整个吸附床容器，由吸附床容器上部冷却水溢流管溢出，形成满溢式冷却方式。
上述技术方案中，所述多个托盘层叠设置。
上述技术方案中，所述吸附剂为一种碱土金属卤化物或一种以上碱土金属卤化物的混合物。
上述技术方案中，所述进烟气管路通入300-600℃的发动机尾气。
本发明具有以下有益效果：一是打破传统的单组吸附床，或双组吸附床切换间歇式的化学吸附热能制冷结构，通过设置三组以上化学吸附床，并根据制冷深度的要求设置化学吸附床单元总数，以及在该制冷深度的工况条件下，合理分配参加吸附和脱附的化学吸附床的数量，保证任一时间点上，通过三组或以上吸附和脱附化学吸附床配合应用，能够达到不间断地输出制冷量，在同等热源条件下，提高制冷量和制冷深度，整个系统能够利用低品位热源；二是实现了利用发动机尾气这种300～600℃发动机高温且尾气压力输出不稳定的脉冲式热源，作化学吸附式热能制冷系统的驱动能源；三是利用阀水封结构控制冷却水进出的同时，充分而可靠地控制了高温烟气切换和进出化学吸附床，结构简单、而且弥补了市场上机械式烟扳阀无高温密封材料、阀体热胀冷缩、腐蚀、结构复杂、可靠性低等控烟气手段乏力的问题；四是通过满溢式冷却方式，避免了喷淋式冷却机构的喷淋孔堵塞，水泵式冷却方式消耗大量电能等不利因素，提高了冷却功效。
本发明以300～600℃发动机高温尾气这种热源，作为化学吸附式制冷系统的驱动能源，设计的阀水封结构，烟气和水不能同时进入同一吸附床，充分而有效地实现了烟气和水的切换功能；利用化学吸附式热能制冷系统在工作时，用一个控制冷却水进出的阀门，利用上下水封结构，在同一吸附床中，同时控制烟气和水进出吸附床；通过水封结合吸附床溢流管这种特殊的冷却水进出化学吸附床，形成溢流式冷却方式，较之常规的喷淋式冷却方式和水泵式强制冷却方式而言，结构简单、可靠性高、冷却效果好。
本发明实现了以下功能：一是实现了利用发动机尾气这种300～600℃发动机高温且尾气压力输出不稳定的脉冲式热源，作化学吸附式热能制冷系统的驱动能源；二是利用阀水封结构控制冷却水进出的同时，充分而可靠地控制了高温烟气和切换和进出化学吸附床，结构简单、而且弥补了市场上机械式烟扳阀无高温密封材料、阀体热胀冷缩、腐蚀、结构复杂、可靠性低等控烟气手段乏力的问题；三是通过满溢式冷却方式，避免了喷淋式冷却机构的喷淋孔堵塞，水泵式冷却方式消耗大量电能等不利因素，实现了冷却功效。
本发明以300～600℃发动机高温尾气这种热源，作为化学吸附式制冷系统的驱动能源，设计的阀水封结构，烟气和水不能同时进入同一吸附床充分而有效地实现了烟气和水的切换功能；利用化学吸附式热能制冷系统在工作时，用一个控制冷却水进出的阀门，利用上下水封结构，在同一吸附床中，同时控制烟气和水进出吸附床；通过水封结合吸附床溢流管这种特殊的冷却水进出化学吸附床，形成溢流式冷却方式，较之常规的喷淋式冷却方式和水泵式强制冷却方式而言，结构简单、可靠性高、冷却效果好。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图；
图2是本发明的系统结构原理图；
图3是本发明的吸附单元管结构示意图；
图4是本发明的二位三通阀控制阀水封结构示意图；
图中：1、吸附床组件(1.1、吸附外管；1.2、托盘；1.3、滤网；1.4、吸附剂)；3、吸附床单元管；4、溢流口；5、冷却水溢流管；6、气总管；8、冷凝器；9、液氨储罐；10、节流阀；11、蒸发器；12、控制器；13、氨气脱附管路；14、冷却水进水管路；15、进烟气管路；16、脱氨通路单向控制阀组；17、吸氨通路单向控制阀组；18、烟气总管路；19、吸附床单元管组件；20、氨气吸附管路；21、冷却水出水管路；22、吸附床容器；23、出烟气管路；24、U形水封管道；25、两位三通电动阀组(包括25a3阀,25b3阀,25c3阀)。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
以发动机尾气为能源驱动的化学吸附式制冷系统，如图1、图2、图3所示，包括并联连接的N个吸附床组件1，每个吸附床组件1包括吸附床单元管组件19、氨气吸附管路20和氨气脱附管路13、进烟气管路15、出烟气管路23、冷却水进水管路14和冷却水出水管路21；吸附床单元管组件19包括设置在吸附床容器22内的M个吸附单元管，每个吸附单元管包括吸附外管1.1、设置在吸附外管1.1内的多个托盘1.2、设置在多个托盘1.2中部的滤网1.3，每个托盘1.2内设置有吸附剂1.4，吸附外管1.1的顶端连接气总管6；气总管6通过三通分别与氨气吸附管路20和氨气脱附管路13连通，吸附床单元管组件19的底端连通有U形水封管道24，U形水封管道24通过两位三通电动阀组25连接冷却水进水管路14和冷却水出水管路21，吸附床容器22上端与烟气管路15连通，进烟气管路15连接至烟气总管路18，吸附床单元管组件1的顶端与出烟气管路23连通；氨气脱附管路13和氨气吸附管路20之间依次连接有冷凝器8、液氨储罐9、节流阀10和蒸发器11；氨气吸附管路20上设置有吸氨通路单向控制阀组17，氨气脱附管路13上设置有脱氨通路单向控制阀组16，吸氨通路单向控制阀组17包括氨气吸附管路20与吸附床组件1之间连接的支路上设置的阀a1-n1，脱氨通路单向控制阀组(16)包括氨气脱附管路13与吸附床组件1之间连接的支路上设置的阀a2-n2；吸氨通路单向控制阀组17、脱氨通路单向控制阀组16均与控制器12连接，N为整数，3≤N≤8，M为大于2的整数。
吸附床容器22的上端设置有溢流口4，溢流口4连接有冷却水溢流管5，冷却水溢流管5和U形水封管道24、两位三通电动阀组25、冷却水进水管路14、冷却水出水管路21共同构成阀水封结构。
冷却水由冷却水进水管路14从吸附床容器22下部进入吸附床容器22，溢满整个吸附床容器22，由吸附床容器22上部冷却水溢流管5溢出，形成满溢式冷却方式。
多个托盘1.2层叠设置，吸附剂1.4为一种碱土金属卤化物或一种以上碱土金属卤化物的混合物。滤网1.3为钢丝网制成，托盘1.2为铝板制成。进烟气管路15通入300-600℃的发动机尾气。吸附外管1.1不锈钢无缝钢管，托盘1.2横截面呈圆环状容器，多个托盘1.2同心布置。
如图1所示，每组吸附床组件1包括一组吸附床单元管3、氨气脱附管路13和氨气吸附管路20，发动机尾气进烟气管路15、出烟气管路23。其中，发动机尾气通过出烟气管路23，与吸附床组件1下部相连接；吸附床组件1容器内腔底部设开口，由一段U型弯管结构件构成U形水封管道24，将此开口与冷却水出水管路21相连，连接处安装有两位三通电动阀组25；两位三通电动阀组25的三个接口分别与U形水封管道24、冷却水出水管路21和冷却水进水管路14相连，连通的方式如图2所示。在吸附床主机容器上方侧面，另设一开口，连接冷却水溢流管，溢流管下部与冷却水出水总管连接。
两位三通电动阀组25控制的U形水封管道24与冷却水出水管路21相互连通时，U形水封管道24的水位与出水总管的水位在同一水平线上，此水位位于吸附床组件1容器底部平面以下，发动机尾气可沿烟气总管进入进烟气管路15，然后由吸附床组件1下方进入主机容积内腔，给吸附床单元管3加热，尾气被管组吸热后，从吸附床组件1上方出烟气管路23逸出。此时，U形水封管道24的水位最高点在出水总管的液面高度，最低点为U形水封管道24的底部，这个水位差形成的水封，让出了烟气通道，使脱附过程顺利进行；同时，烟气的压力也可将水位向下压，当水位差值大于烟气压力值时，U形水封管道24内的水封信烟气不得进入冷却水出水管路21，也保护了两位三通电动阀组25不受高烟气过热、损坏，此时形成下水封。
当两位三通电动阀组25的U型水封管与冷却水进水管路14连通时，冷却水进水管路14内的冷却水沿U型水封管24通过吸附床组件1内腔底部开口，向吸附床组件1内注水，水位持续上升至吸附床组件1内腔上部的溢流管开口处，然后从溢流管流出。进烟气管路15与溢流管内的水位也保持在同一高度。这样，进烟气管路15中的冷却水封住了烟道，隔绝了热源，从而使冷却水源源不断自下进而由上溢流，带走吸附床吸附氨气形成络合物时产生的热量。此时，整个吸附床主机系统的水位高点在溢流口，低点U型水封管24底部，此时形成上水封。
如图1所示，在控制器12的控制下，当两位三通电动阀组25处于图2所示的连接状态时，A组吸附床处于下水封状态，B组和N组吸附床处于上水封状态，此时发动机尾气沿A组进烟气管路15进入A组吸附床，加执其吸附床管组，尾气被吸热降温后由A组的出烟气管8逸出；与此同时，冷却水进入其余B组和N组吸附床，从相应溢流管与溢出吸附床，并带走吸附剂与氨络合反应的热量。
经过设定的时间后，B组两位三通电动阀组25调至U形水封管道24与冷却水出水管路21相连通，其余A组至N组的U型水封管与冷却水进水管路14相连通，此时，B组吸附床处于下水封状态，其余组吸附床处于上水封状态，发动机尾气沿B组的进烟气管路15进入B组吸附床，加热其吸附床管组，尾气被吸热降温后由B组的出烟气管路23逸出，冷却水进入其余A组至N组吸附床，从相应溢流管与溢出吸附床，并带走吸附剂与氨络合反应扫热量。
采用冷却水经U形水封管道24由吸附床下部涌进，由上部溢流管流出这一形式，形成了对吸附床的满溢式冷却方式，这相对于由上而下对吸附床管组喷淋冷却而言，不仅冷却充分，而且可靠性好，不存在水中杂质堵塞喷淋孔而影响冷却效果的事故现象。
本发明的基本原理是利用碱土金属卤化物与氨的可逆络合反应过程中的放热和吸热完成的。以碱土金属CaCl2为例，可逆络合反应过程如下：
吸附床单元管3中的吸附剂1.4在常温下，可与制冷剂氨气通过分子间的范德华力，结合成稳定的络合物，并释放出一定的反应热，当稳定的碱土金属卤化物与氨气的络合物受热时，热量从金属容器外部将热量传导给托盘1.2，托盘1.2再将热量传导给化学吸附剂，吸附剂脱附出的高温高压的氨气，穿过滤网1.3和连管5，进入单向的氨气脱附管路13，参与外部制冷循环；而滤网1.3作用是防止氨气带压力逸出时，将吸附剂1.4粉末带出托盘1.2，进入到循环管道中，影响阀类零件正常工作。而外部流回的低温低压氨气，回到吸附床单元管内时，又开始了新一轮的吸附并形成碱土金属卤化物与氨的络合物过程。
实施例1
如图1所示，适用于发动机尾气为能源驱动的化学吸附式制冷系统样机，其吸附床由3组吸附床组件1构成，每组吸附床组件1包括4支φ70*2*500的吸附床单元管3，共同连通吸附床进出气用的气总管6，气总管6外部分别连接脱氨通路单向控制阀组16和吸氨通路单向控制阀组17；进烟气管路15从底部与吸附床内腔连通，吸附床冷却水溢流管5从上部侧面与吸附床内腔连通，U形水封管道24从底部与吸附床内腔连通，设置下水封的水位差在300mm以上，上水封水位差在1000mm以上。
当A组吸附床受热脱附、B组和N组吸附床冷却吸附时，两位三通电动阀组25连通U形水封管道24与冷却水出水管路21，两位三通电动阀组25连通U形水封管道24与冷却水进水管路14，发动机尾气由气总管6通过进烟气管路15中的A管进入到吸附床的A组单元，使其吸附床管组受热，脱附氨气，高温高压的氨经过吸附床进出气总管6，脱氨通路单向控制阀组16中的a1阀，进入冷凝器8，冷凝为液态氨，然后依靠重力流入液氨储罐9，液氨经过节流阀扩散后，在蒸发器11中蒸发吸热而产生制冷量，变为低温低压的氨气，然后通过吸氨通路单向控制阀组17中的b2、n2阀，进入吸附床进出气总管，与吸附床单元中的B、N管组内吸附剂发生络合反应。此时，吸附床单元中A组单元通入尾气加热，B、N两组单元冷却水由U形水封管道24进入B、N吸附床单元的内腔，为吸附床管组冷却后，由溢流管5流入冷却水出水管路21中。
当B组吸附床受热脱附、A组和N组吸附床冷却吸附时，两位三通电动阀组25的b3阀连通U形水封管道24与冷却水出水管路21，两位三通电动阀组25的a3、n3阀连通U形水封管道24与冷却水进水管路14，发动机尾气由气总管6通过进烟气管路14中的B管进入到吸附床的B组单元，使其吸附床管组受热，脱附氨气，高温高压的氨经过吸附床进出气总管6，脱氨通路单向控制阀组16中的b1阀，进入冷凝器8，冷凝为液态氨，然后流入液氨储罐9，液氨经过节流阀5扩散后，在蒸发器11中蒸发吸热而产生制冷量，变为低温低压的氨气，然后通过吸氨通路单向控制阀组17中的a2、n2阀，进入吸附床进出气总管，与吸附床单元中A组、N组的管组内吸附剂络合。此时，吸附床单元中B组单元通入尾气加热，A、N两组单元冷却水由U形水封管道24进入A组、N组吸附床单元的内腔，为吸附床管组冷却后，由溢流管5流入冷却水出水管路21中。
同理，N组吸附床受热脱附、A组和B组吸附床冷却吸附时，以此类推。
经实际运行和检测，以8KW汽油发动机尾气驱动的碱土金属卤化物与氨的化学吸附式制冰系统，每小时产淡水冰5kg。
本说明书未做详细介绍部分为现有技术。

Claims (6)

1.一种以发动机尾气为能源驱动的化学吸附式制冷系统，其特征在于：包括并联连接的N个吸附床组件(1)，每个吸附床组件(1)包括吸附床单元管组件(19)、氨气吸附管路(20)和氨气脱附管路(13)、进烟气管路(15)、出烟气管路(23)、冷却水进水管路(14)和冷却水出水管路(21)；
所述吸附床单元管组件(19)包括设置在吸附床容器(22)内的M个吸附单元管，每个吸附单元管包括吸附外管(1.1)、设置在吸附外管(1.1)内的多个托盘(1.2)、设置在多个托盘(1.2)中部的滤网(1.3)，每个托盘(1.2)内设置有吸附剂(1.4)，所述吸附外管(1.1)的顶端连接气总管(6)；
所述气总管(6)通过三通分别与氨气吸附管路(20)和氨气脱附管路(13)连通，所述吸附床单元管组件(19)的底端连通有U形水封管道(24)，所述U形水封管道(24)通过两位三通电动阀组(25)连接冷却水进水管路(14)和冷却水出水管路(21)，所述吸附床容器(22)上端与烟气管路(15)连通，所述进烟气管路(15)连接至烟气总管路(18)，所述吸附床单元管组件(1)的顶端与出烟气管路(23)连通；
所述氨气脱附管路(13)和氨气吸附管路(20)之间依次连接有冷凝器(8)、液氨储罐(9)、节流阀(10)和蒸发器(11)；
所述氨气吸附管路(20)上设置有吸氨通路单向控制阀组(17)，所述氨气脱附管路(13)上设置有脱氨通路单向控制阀组(16)，所述吸氨通路单向控制阀组(17)包括氨气吸附管路(20)与吸附床组件(1)之间连接的支路上设置的阀a1-n1，所述脱氨通路单向控制阀组(16)包括氨气脱附管路(13)与吸附床组件(1)之间连接的支路上设置的阀a2-n2；所述吸氨通路单向控制阀组(17)、脱氨通路单向控制阀组(16)均与控制器(12)连接；
所述N为整数，3≤N≤8，所述M为大于2的整数。
2.根据权利要求1所述的以发动机尾气为能源驱动的化学吸附式制冷系统，其特征在于：所述吸附床容器(22)的上端设置有溢流口(4)，所述溢流口(4)连接有冷却水溢流管(5)，所述冷却水溢流管(5)和U形水封管道(24)、两位三通电动阀组(25)、冷却水进水管路(14)、冷却水出水管路(21)共同构成阀水封结构。
3.根据权利要求2所述的以发动机尾气为能源驱动的化学吸附式制冷系统，其特征在于：所述冷却水由冷却水进水管路(14)从吸附床容器(22)下部进入吸附床容器(22)，溢满整个吸附床容器(22)，由吸附床容器(22)上部冷却水溢流管(5)溢出，形成满溢式冷却方式。
4.根据权利要求1所述的以发动机尾气为能源驱动的化学吸附式制冷系统，其特征在于：所述多个托盘(1.2)层叠设置。
5.根据权利要求1或2所述的以发动机尾气为能源驱动的化学吸附式制冷系统，其特征在于：所述吸附剂(1.4)为一种碱土金属卤化物或一种以上碱土金属卤化物的混合物。
6.根据权利要求1所述的以发动机尾气为能源驱动的化学吸附式制冷系统，其特征在于：所述进烟气管路(15)通入300-600℃的发动机尾气。
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