CN104089432A - 一种太阳能驱动高效吸湿-热化学反应双级空调系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种太阳能驱动高效吸湿-热化学反应双级空调系统，该系统包括左高温吸附床(1)、左低温吸附床(9)、左冷凝蒸发器(11)、右高温吸附床(15)、右低温吸附床(23)及右冷凝蒸发器(25)，整个循环过程包括吸湿盐的吸收、结晶以及热化学反应。与现有技术相比，本发明采用氯化盐/膨胀石墨-水双级形式，整个循环既可以实现连续供冷，也可以实现内置式储能，不需要增加外置辅助储能装置，能量损失小，储能效率高。

Description

一种太阳能驱动高效吸湿-热化学反应双级空调系统
技术领域
本发明属于太阳能技术领域，涉及一种太阳能驱动高效吸湿-热化学反应双级空调系统。
背景技术
我国太阳能资源丰富地区的面积占国土面积的三分之二以上，年辐射量超过60亿焦耳/平方米，每年地表吸收的太阳能大约相当于1.7万亿吨标准煤的能量，是2013年中国能源消费总量的450倍。
然而，由于太阳能存在周期性、间断性和波动性，这导致了太阳能利用的不稳定，同时，还受场地、流程等条件限制。
储能技术是缓解该问题的有效方法。传统储能技术为显热储能(如水和石块)和潜热储能(如相变材料)。显热储能技术相对成熟，但其储能密度较低，同时，显热储能系统在释能过程中存在温度波动较大的问题。与显热储能技术相比，潜热储能密度较大，且其工质在相变时温度几乎不变，因此，潜热储能技术具有体积小、热量输出时载热流体温度均匀等优点。但潜热储能材料在相变过程中会产生过冷、分层、衰减等问题。与显热储能和潜热储能相比，吸收或吸附热化学储能密度较大。近些年来，以吸收/吸附储能为代表的储能技术引起众多学者的关注。利用氯化锂溶液的浓度差势能进行储能，但氯化锂溶液储能系统会有结晶问题，结晶体会堵塞系统的溶液泵，所以吸收盐的浓度范围会受到限制。而固体吸附化学储能系统的传热性能较差，从而影响系统的输能性能。
太阳能储能技术领域，已经有很多科研人员进行了研究。
申请号为200910047505.2的中国发明专利，公布了一种储能型太阳能吸收式制冷系统，包括太阳能集热器、储能水箱、中高温热泵、中高温储能传质箱、中高温太阳能集热器、吸收式制冷机。太阳能集热器产生的热量存储于储能水箱内，中高温热泵在低谷电时段将储能水箱中热量加热，输送至中高温储能传质箱；中高温储能传质箱的热量由中高温太阳能集热循环回路进一步加热后提供吸收式制冷机的制冷驱动热量需求。该储能型太阳能吸收式制冷系统，是利用太阳能、热泵分时、分级加热，制得成本较低的制冷所需热量。但该系统比较复杂，需要集热装置，额外储能装置以及制冷装置等。同时，由于吸收制冷机的驱动温度比较低，所以太阳能的集热温度要求比较高，从而影响了集热器的集热效率。
申请号为201210032394.X的中国发明专利，公布了一种基于化学链燃烧的间接式中温太阳能热化学储能装置，该装置包括抛物槽式聚光镜、线聚焦强化集热管、管壳式集热反应器、集热流体调节阀、集热流体备用储罐、气-固氧化反应器、布气板、气-固换热装置、气-固分离装置和压力泵。当无太阳能或太阳能辐照强度不足时，线聚焦强化集热管、集热流体调节阀、集热流体备用储罐、管壳式集热反应器和压力泵相连。利用该发明，太阳能集热以金属固体燃料形式储存，具有储能密度高、结构简单、调控灵活等优点。但该专利公布的储能装置结构较为复杂，同时，该装置只能实现储能功能，不能实现制冷和制热功能。
申请号为201010131746.8的中国发明专利，公布了一种冷热联供的太阳能热化学吸附复合储能装置，该装置包括太阳能集热器、集热器传热流体调节阀、高温传热流体循环泵和反应器换热盘管循环相连，冷却塔、冷却塔传热流体调节阀、低温传热流体循环泵和储液器换热盘管循环相连，固气化学反应器、制冷剂调节阀和制冷剂储液器相连，反应器换热盘管、热用户端调节阀、热用户端和高温传热流体循环泵循环相连，储液器换热盘管、冷用户端调节阀、冷用户端和低温传热流体循环泵循环相连，储液器换热盘管、冷却塔、冷却塔传热流体调节阀和低温传热流体循环泵循环相连，制冷剂储液器、制冷剂调节阀和固气化学反应器相连。具有储能密度高可实现冷热联供及热量和冷量的同时储存。该装置可以实现储能、制冷与制热，但只利用了热化学反应，未利用凝结热以及吸收热等，其储能密度较低。
申请号为201010274098.1的中国发明专利，公布了一种太阳能工质储能连续制冷系统及连续制冷方法，即在太阳能辐射充足时，利用太阳能驱动制冷机制冷，并将多余太阳热能通过溶液蒸发、气化、液化转化为高纯度液体制冷工质，在常温下储存。这时，太阳能集热器、制冷机各部分均处于工作状态，称大循环。夜晚或阴雨天太阳能辐射不足时，利用储存的高纯度液体制冷工质进入蒸发器蒸发制冷，称小循环。同时，在大循环时储存的稀溶液不断地进入吸收器，维持吸收能力。吸收蒸汽后的浓溶液进入浓溶液储罐，在下一个大循环中使用。其优点是，可在太阳能辐射能不稳定的情况下，实现全天无辅助能源的太阳能驱动连续制冷。但该系统较复杂，需要太阳能集热器系统以及吸收制冷系统；同时，吸收制冷系统的驱动温度较高，这样集热器需要提供较高的温度，从而影响太阳能集热器的效率。
申请号为201010621433.0的中国发明专利，公布了一种太阳能储能热泵系统，该系统包括太阳能吸收器、热泵、地埋管储能区、分配缸、循环泵、自动阀，该系统包括三种运行循环模式，实现三种不同功能，采用DDS智能控制系统，整个运行循环过程完全智能化，地下恒温层设有水平地埋管，称为地埋管储能区，在夏季利用太阳能吸收器将热量吸收通过循环泵与地埋管循环，将热量储存在地下土壤中，夏季室内热量也通过热泵转换储存在地下土壤中，冬季将地下所储存的热量通过热泵提升给室内供暖，同时将室内的冷量储存在地下土壤中，冷暖能量反向收储、反向使用，充分利用自然可再生资源，冬暖夏凉，优化环境，真正实现了低碳生活。但该发明的控制模式比较复杂，同时其初投资较大，同时，由于其能量储存在土壤中，能量损失较大，储能效率较低。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种太阳能驱动高效吸湿-热化学反应双级空调系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种太阳能驱动高效吸湿-热化学反应双级空调系统，该系统包括左高温吸附床、左低温吸附床、左冷凝蒸发器、右高温吸附床、右低温吸附床及右冷凝蒸发器，所述的左高温吸附床通过制冷剂直通阀n与左低温吸附床相连通，所述的左低温吸附床通过制冷剂直通阀r与左冷凝蒸发器相连通，所述的右高温吸附床通过制冷剂直通阀s与右低温吸附床相连通，所述的右低温吸附床通过制冷剂直通阀t与右冷凝蒸发器相连通，所述的左冷凝蒸发器与右冷凝蒸发器之间通过制冷剂直通阀u相连通，所述的左冷凝蒸发器与右高温吸附床之间、右冷凝蒸发器与左高温吸附床之间均通过制冷剂三通阀相连通。
所述的左低温吸附床包括低温吸附床出水管a和低温吸附床进水管b，所述的低温吸附床出水管a设置在左低温吸附床的上部，低温吸附床进水管b设置在左低温吸附床的下部。
所述的右低温吸附床包括低温吸附床出水管c和低温吸附床进水管d，所述的低温吸附床出水管c设置在右低温吸附床的上部，低温吸附床进水管d设置在右低温吸附床的下部。
所述的左冷凝蒸发器包括冷凝蒸发器出水管e和冷凝蒸发器进水管f，所述的冷凝蒸发器出水管e设置在左冷凝蒸发器的上部，冷蒸发器进水管f设置在左冷凝蒸发器的下部。
所述的右冷凝蒸发器包括冷凝蒸发器出水管g和冷凝蒸发器进水管h，所述的冷凝蒸发器出水管g设置在右冷凝蒸发器的上部，冷蒸发器进水管h设置在右冷凝蒸发器的下部。
所述的左高温吸附床包括高温吸附床出水管i和高温吸附床进水管j，所述的高温吸附床出水管i设置在左高温吸附床的上部，高温吸附床进水管j设置在左高温吸附床的下部。
所述的右高温吸附床包括高温吸附床出水管k和高温吸附床进水管m，所述的高温吸附床出水管k设置在右高温吸附床的上部，高温吸附床进水管m设置在右高温吸附床的下部。
所述的左冷凝蒸发器与右高温吸附床之间的连接方式为所述的制冷剂三通阀p向左一侧连接至左冷凝蒸发器的内侧上部，向上一侧连接至制冷剂三通阀q，所述的制冷剂三通阀q向右一侧连接至右高温吸附床的中部，以此将左冷凝蒸发器与右高温吸附床相连通。
所述的右冷凝蒸发器与左高温吸附床之间的连接方式为所述的制冷剂三通阀p向右一侧连接至右冷凝蒸发器的内侧上部，向上一侧连接至制冷剂三通阀q，所述的制冷剂三通阀q向左一侧连接至左高温吸附床的中部，以此将右冷凝蒸发器与左高温吸附床相连通。
所述的一种太阳能驱动高效吸湿-热化学反应双级空调系统所采用的工质盐优选氯化盐，所述的氯化盐与膨胀石墨均匀混合，这主要是利用膨胀石墨丰富的微孔来强化氯化盐的传质，用以解决化学吸附剂在长期使用过程中，由于结块而导致性能衰减的问题，所采用的制冷剂优选水。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
(1)本发明循环系统使用双级形式，可以有效降低驱动温度，系统可以由75℃热水驱动，产生低温冷水；
(2)本发明循环方式包括了吸湿盐的吸收过程、结晶过程以及热化学反应过程，循环吸湿量显著提高，能够增大能量密度，例如，当热源温度为75℃，冷却水温度为30℃，冷冻水温度为12℃时，制冷循环的储冷密度可达0.27kWh/kg，COP可达0.4；
(3)既可以实现连续供冷，也可以实现内置式储能，在需要时能进行供冷，不需要外置辅助储能装置就能实现内置式储能与供冷；
(4)储能过程中，工质盐和制冷剂相隔离，几乎无损失；在输冷过程中，工质盐与制冷剂相连通，制冷剂被冷却的工质盐吸湿，产生制冷效果。
附图说明
图1为本发明一种太阳能驱动高效吸湿-热化学反应双级空调系统结构示意图；
图2为本发明一种太阳能驱动高效吸湿-热化学反应双级空调系统工作循环示意图；
图中标记说明：
1-左高温吸附床、2-高温吸附床出水管i、3-高温吸附床进水管j、4-低温吸附床出水管a、5-低温吸附床进水管b、6-冷凝蒸发器出水管e、7-冷凝蒸发器进水管f、8-制冷剂直通阀n、9-左低温吸附床、10-制冷剂直通阀r、11-左冷凝蒸发器、12-制冷剂直通阀u、13-制冷剂三通阀p、14-制冷剂三通阀q、15-右高温吸附床、16-高温吸附床出水管k、17-高温吸附床进水管m、18-低温吸附床出水管c、19-低温吸附床进水管d、20-冷凝蒸发器出水管g、21-冷凝蒸发器进水管h、22-制冷剂直通阀s、23-右低温吸附床、24-制冷剂直通阀t、25-右冷凝蒸发器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例：
如图1所示，一种太阳能驱动高效吸湿-热化学反应双级空调系统，该系统包括左高温吸附床1、左低温吸附床9、左冷凝蒸发器11、右高温吸附床15、右低温吸附床23及右冷凝蒸发器25，所述的左高温吸附床1通过制冷剂直通阀n8与左低温吸附床9相连通，制冷剂直通阀n8连接在左高温吸附床1的底部和左低温吸附床9的顶部之间；所述的左低温吸附床9底部通过制冷剂直通阀r10与左冷凝蒸发器11相连通；所述的右高温吸附床15通过制冷剂直通阀s22与右低温吸附床23相连通，制冷剂直通阀s22连接在右高温吸附床15的底部和右低温吸附床23的顶部之间；所述的右低温吸附床23底部通过制冷剂直通阀t24与右冷凝蒸发器25相连通；所述的左冷凝蒸发器11与右冷凝蒸发器25之间通过制冷剂直通阀u12相连通，制冷剂直通阀12连接在左冷凝蒸发器11内侧下部和右冷凝蒸发器25内侧下部之间；所述的左冷凝蒸发器11与右高温吸附床15之间、右冷凝蒸发器25与左高温吸附床1之间均通过制冷剂三通阀相连通。
左低温吸附床9包括低温吸附床出水管a4和低温吸附床进水管b5，所述的低温吸附床出水管a4设置在左低温吸附床9的上部，低温吸附床进水管b5设置在左低温吸附床9的下部。右低温吸附床23包括低温吸附床出水管c18和低温吸附床进水管d19，所述的低温吸附床出水管c18设置在右低温吸附床23的上部，低温吸附床进水管d19设置在右低温吸附床23的下部。
左冷凝蒸发器11包括冷凝蒸发器出水管e6和冷凝蒸发器进水管f7，所述的冷凝蒸发器出水管e6设置在左冷凝蒸发器11的上部，冷蒸发器进水管f7设置在左冷凝蒸发器11的下部。右冷凝蒸发器25包括冷凝蒸发器出水管g20和冷凝蒸发器进水管h21，所述的冷凝蒸发器出水管g20设置在右冷凝蒸发器25的上部，冷蒸发器进水管h21设置在右冷凝蒸发器25的下部。
左高温吸附床1包括高温吸附床出水管i2和高温吸附床进水管j3，所述的高温吸附床出水管i2设置在左高温吸附床1的上部，高温吸附床进水管j3设置在左高温吸附床1的下部。右高温吸附床15包括高温吸附床出水管k16和高温吸附床进水管m17，所述的高温吸附床出水管k16设置在右高温吸附床15的上部，高温吸附床进水管m17设置在右高温吸附床15的下部。
左冷凝蒸发器11与右高温吸附床15之间的连接方式为制冷剂三通阀p13向左一侧连接至左冷凝蒸发器11的内侧上部，向上一侧连接至制冷剂三通阀q14，制冷剂三通阀q14向右一侧连接至右高温吸附床15的中部，以此将左冷凝蒸发器11与右高温吸附床15相连通。
右冷凝蒸发器25与左高温吸附床1之间的连接方式为制冷剂三通阀p13向右一侧连接至右冷凝蒸发器25的内侧上部，向上一侧连接至制冷剂三通阀q14，制冷剂三通阀q14向左一侧连接至左高温吸附床1的中部，以此将右冷凝蒸发器25与左高温吸附床1相连通。
本实施例中，一种太阳能驱动高效吸湿-热化学反应双级空调系统所采用的工质盐为氯化锂，其与膨胀石墨均匀混合，利用膨胀石墨丰富的微孔来强化工质盐氯化锂的传质，用以解决化学吸附剂在长期使用过程中，由于结块而导致性能衰减的问题，所采用的制冷剂为水。
如图2所示为本实施例一种太阳能驱动高效吸湿-热化学反应双级空调系统具体工作方式包括以下几步：
(1)高温吸附床加热-低温吸附床冷却吸湿过程：对左高温吸附床1和右高温吸附床15进行加热，溶液的温度从L点上升到E点，继续加热，溶液的温度继续上升，当高温吸附床的温度上升到F点时，溶液中不断析出LiCl·H2O固体，最终工质都转化为LiCl·H2O固体，其反应方程为 ，继续加热LiCl·H2O固体，工质的温度从F点上升到H点，LiCl·H2O将失去结晶水，最终工质都转化为LiCl固体，其反应方程为。同时，有制冷剂解吸出来。此时，左低温吸附床9和右低温吸附床23被冷却，被解吸出的制冷剂蒸汽又会被两低温吸附床吸收。
(2)低温吸附床加热-高温吸附床冷却吸湿制冷过程：对左低温吸附床9和右低温吸附床23进行加热，两低温吸附床的温度从D点上升到A点，A点的工作压力为冷凝压力，继续加热，两低温吸附床的压力继续维持在冷凝压力，两低温吸附床的温度从A点上升到B点，同时，被解吸出来的制冷剂蒸汽被冷凝成液态。与此同时，对两高温吸附床进行冷却，温度从H点下降到I点，I点的压力为蒸发压力，继续冷却，两高温吸附床的压力维持在蒸发压力，但温度从I点降到J点。此时，冷却的吸湿盐将会产生吸湿效果，LiCl将转化为LiCl·H2O，反应方程为，反应沿逆向进行；继续冷却LiCl·H2O晶体，冷却的LiCl·H2O晶体将继续产生吸湿效果，最终，工质将形成LiCl的饱和溶液；同时，工质温度将从J点下降到K点，其反应方程为 ，反应沿逆向进行；继续冷却LiCl的饱和溶液，溶液的温度将从K点下降到L点，同时，冷却的吸湿盐溶液将继续吸湿，工质在吸湿的过程中，液态制冷剂水将不断蒸发，从而产生制冷效果。
本实施例一种太阳能驱动高效吸湿-热化学反应双级空调系统，该循环系统使用双级形式，可以有效降低驱动温度，系统可以由75℃热水驱动，产生低温冷水；该循环方式包括了吸湿盐的吸收过程、结晶过程以及热化学反应过程，所以，此循环方式的循环吸湿量可以显著提高，进而提高能量密度。当热源温度为75℃，冷却水温度为30℃，冷冻水温度为12℃时，此制冷循环的储冷密度可达0.27kWh/kg，COP可达0.4。该循环方式，既可以实现连续供冷，也可以实现内置式储能，需要时进行供冷。此系统不需要外置辅助储能装置就能实现内置式储能与供冷。同时，在储能过程中，工质盐和制冷剂相隔离，几乎无损失；在输冷过程中，将工质盐和制冷剂相连通，制冷剂被冷却的工质盐吸湿，产生制冷效果。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种太阳能驱动高效吸湿-热化学反应双级空调系统，其特征在于，该系统包括左高温吸附床(1)、左低温吸附床(9)、左冷凝蒸发器(11)、右高温吸附床(15)、右低温吸附床(23)及右冷凝蒸发器(25)，所述的左高温吸附床(1)通过制冷剂直通阀n(8)与左低温吸附床(9)相连通，所述的左低温吸附床(9)通过制冷剂直通阀r(10)与左冷凝蒸发器(11)相连通，所述的右高温吸附床(15)通过制冷剂直通阀s(22)与右低温吸附床(23)相连通，所述的右低温吸附床(23)通过制冷剂直通阀t(24)与右冷凝蒸发器(25)相连通，所述的左冷凝蒸发器(11)与右冷凝蒸发器(25)之间通过制冷剂直通阀u(12)相连通，所述的左冷凝蒸发器(11)与右高温吸附床(15)之间、右冷凝蒸发器(25)与左高温吸附床(1)之间均通过制冷剂三通阀相连通。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能驱动高效吸湿-热化学反应双级空调系统，其特征在于，所述的左低温吸附床(9)包括低温吸附床出水管a(4)和低温吸附床进水管b(5)，所述的低温吸附床出水管a(4)设置在左低温吸附床(9)的上部，低温吸附床进水管b(5)设置在左低温吸附床(9)的下部。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能驱动高效吸湿-热化学反应双级空调系统，其特征在于，所述的右低温吸附床(23)包括低温吸附床出水管c(18)和低温吸附床进水管d(19)，所述的低温吸附床出水管c(18)设置在右低温吸附床(23)的上部，低温吸附床进水管d(19)设置在右低温吸附床(23)的下部。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能驱动高效吸湿-热化学反应双级空调系统，其特征在于，所述的左冷凝蒸发器(11)包括冷凝蒸发器出水管e(6)和冷凝蒸发器进水管f(7)，所述的冷凝蒸发器出水管e(6)设置在左冷凝蒸发器(11)的上部，冷蒸发器进水管f(7)设置在左冷凝蒸发器(11)的下部。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能驱动高效吸湿-热化学反应双级空调系统，其特征在于，所述的右冷凝蒸发器(25)包括冷凝蒸发器出水管g(20)和冷凝蒸发器进水管h(21)，所述的冷凝蒸发器出水管g(20)设置在右冷凝蒸发器(25)的上部，冷凝蒸发器进水管h(21)设置在右冷凝蒸发器(25)的下部。
6.根据权利要求1所述的一种太阳能驱动高效吸湿-热化学反应双级空调系统，其特征在于，所述的左高温吸附床(1)包括高温吸附床出水管i(2)和高温吸附床进水管j(3)，所述的高温吸附床出水管i(2)设置在左高温吸附床(1)的上部，高温吸附床进水管j(3)设置在左高温吸附床(1)的下部。
7.根据权利要求1所述的一种太阳能驱动高效吸湿-热化学反应双级空调系统，其特征在于，所述的右高温吸附床(15)包括高温吸附床出水管k(16)和高温吸附床进水管m(17)，所述的高温吸附床出水管k(16)设置在右高温吸附床(15)的上部，高温吸附床进水管m(17)设置在右高温吸附床(15)的下部。
8.根据权利要求1所述的一种太阳能驱动高效吸湿-热化学反应双级空调系统，其特征在于，所述的左冷凝蒸发器(11)与右高温吸附床(15)之间的连接方式为所述的制冷剂三通阀p(13)向左一侧连接至左冷凝蒸发器(11)的内侧上部，向上一侧连接至制冷剂三通阀q(14)，所述的制冷剂三通阀q(14)向右一侧连接至右高温吸附床(15)的中部，以此将左冷凝蒸发器(11)与右高温吸附床(15)相连通。
9.根据权利要求1所述的一种太阳能驱动高效吸湿-热化学反应双级空调系统，其特征在于，所述的右冷凝蒸发器(25)与左高温吸附床(1)之间的连接方式为所述的制冷剂三通阀p(13)向右一侧连接至右冷凝蒸发器(25)的内侧上部，向上一侧连接至制冷剂三通阀q(14)，所述的制冷剂三通阀q(14)向左一侧连接至左高温吸附床(1)的中部，以此将右冷凝蒸发器(25)与左高温吸附床(1)相连通。
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