CN104520654A - 结合吸收和溶液浓度变化的高效热泵 - Google Patents

结合吸收和溶液浓度变化的高效热泵 Download PDF

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Abstract

结合吸收和溶液浓度变化的高效率热泵。该方法给出了高几倍的效率用于热传递应用中，像加热-空气调节。它是使用液体电解质溶液的热和机械压缩方法，结合蒸汽吸收、溶液浓度变化和机械压缩。没有热量消耗。蒸汽冷凝是通过高浓度溶液和来自低浓度溶液的蒸发进行的，以这种方式减少了已知致冷循环所需的机械压缩。该方法也可用于产生功，利用中等温度的热源。

Description

结合吸收和溶液浓度变化的高效热泵
例如在冷却-制冷应用中热传递到较高温度的常用方式是通过使用蒸汽膨胀-压缩循环。在压力p2下从其环境(低温热源)中吸收热量的制冷剂蒸发在较高压力p1下被压缩，在更高温度T1(高温热源)下冷凝排热并且在初始压力p2下膨胀。该制冷剂为纯物质。纯物质的蒸发和冷凝温度是相同的。压力越高，蒸发温度就越高。蒸汽压缩反映了循环的电能消耗。还存在一种应用，其中应用了热压缩。现在热量被消耗用于工作流体的压缩。溶液在高温下部分地蒸发。蒸汽进行冷却循环，同时溶液扩散并返回到吸收器，在吸收器中蒸汽在较低温度下吸收(冷凝)。最初的溶液进行了改量、压缩并推动到蒸发器。该应用被称为吸收或热压缩热泵。工作流体是溶液，而不是纯物质。最常见的溶液是NH3-H2O和LiBr-H2O。溶液的蒸气压温度的函数，也是浓度的函数。理想溶液遵循拉乌尔定律P＝xP0，其中P0是纯物质在给定温度下的汽化压力，x是浓度。实际溶液突破该定律且P＝αP0-ymP0，α为活性，γ是作为浓度函数的活性系数，并且m为摩尔浓度。这意味着在给定温度下溶液可以不同的压力蒸发，这取决于浓度。蒸汽被溶液吸收，从而冷凝。在下文中，使用术语蒸汽吸收或冷凝。压缩比为DP＝p1/p2＝α1p01/α2p02＝(α1/α2)(p01/p02)。比例α1/α2是通常吸收循环中的单元，因为溶液在蒸发和冷凝过程中具有相同的浓度。在本方法中，该比例小于1/5。在极端的情况下，该比例可等于1/(p01/p02)且DP＝1。这意味着对于相同的温度来说，提高压缩比从而所需要的工作就会成比例的减少。随着电解质浓度的增加活性降低。在我们的冷却应用中，我们更倾向于具有与拉乌尔定律有负偏差的溶液，其蒸气压低于理想理想溶液。放热反应也是优选的。有许多溶剂-溶质的组合可使用。在下面的描述中，我们指的溶质是电解质，特别是固体电解质。电解质溶液似乎是最适当的，而其它种类的溶质也可使用。在吸收循环中，例如机械(电)压缩循环中有两种压力水平。第一种的优点在于液体压缩消耗了比蒸气压缩少得多的电能，且热量比电便宜。在我们的方法中也没有相当大的热量消耗。热量由蒸发器所吸收以产生蒸汽，并由吸收器释放，在吸收器中蒸汽被吸收(冷凝)。温度上升取决于压力比ΔΡ。
吸收循环的冷却效率COP是纯溶剂的蒸发热量除以溶液的蒸发热量。溶液的蒸发热量高于纯溶剂的蒸发热量，且通常COP＝0.7。
在本发明的用于热传递的工作流体压缩的方法中，蒸发和冷凝溶液尽可能在(电解质)浓度方面不同，冷凝在最浓(高浓度)的溶液中发生，使得在同样的温度水平实现低ΔΡ。部分溶液蒸发在低于和经典吸收循环相反的冷凝的温度下发生。我们将高溶质浓度的溶液命名为浓溶液，将低电解质浓度溶液命名为稀溶液。由溶液的温度变化来实现溶液浓度变化。许多电解质的溶解度通过降低温度而降低。例如，RbNO3(M＝1，3-30)为t＝0～100℃，KBr(M＝4-12)为t＝0～160℃，TINO3(M＝1-15)为t＝0～100℃。我们选择这种电解质用于下面的说明。术语浓缩溶液是指在给定温度下的最大浓度。溶质可以是溶解在溶剂中的任何物质。用于本申请最适当的溶质是电解质。出于这个原因，在下文中使用术语电解质代替溶质。高浓度、浓缩(饱和)溶液(浓)从高温冷却至较低(环境)温度。在此过程中，一定量的溶解物质(电解质)形成了不同相的沉淀物(结晶)，并通过任何已知的方法从该溶液中分离。剩余的液体溶液具有更低的电解质浓度(稀溶液)。(如果使用在升高温度时溶解度降低的溶液，则在低温加热该溶液以分离电解质。稀溶液是在最高的温度)。调节(扩大)其压力以便在所需要的温度蒸发用于给定的浓度。以这样的方式，稀溶液在从其环境(低温散热器)吸收热量的蒸发器(E)中部分地蒸发并引起制冷。蒸汽被压缩并推动到热交换器、在其中有分离的电解质的吸收器(A)中，并且蒸发器的剩余稀溶液也在压缩后进入。最初的浓(高浓度)溶液进行了改良。冷凝通过在高温下从吸收器释放热量来进行。蒸汽可通过在高温下部分的分离相所吸收，获得的产物利用稀溶液从蒸发器进入冷凝器，分离相的其余部分改良将要再次冷却的初始溶液。所有蒸汽在彼此接合之前都达到了同样的压力。在使用具有吸热溶液的电解质的情况下，部分的分离电解质推动到从蒸发器向吸收器移动的剩余稀溶液中。
可在相同的设备中进行在温度变化溶液中的不同相的分离和溶解。晶体保留在该设备上的气流(冷却气流)中，并随着另一气流(加热气流)通过相同表面而溶解。所需的溶解热量通过热交换器从以相反方式冷却的溶液中回收。在加热和冷却溶液之间发生热交换以回收热量。
可组合一个以上的循环用于更高温度的提升。第二循环的蒸发器，其在比第一循环更高的温度下工作，从所述第一循环的吸收器中回收热量。
在任何情况下，待冷却的溶液可在低于环境温度下进行冷却。该部分地蒸发从溶液中吸取热量并在较低的温度下冷却它。以这样的方式，其温度以及因此的浓度会进一步降低。将获得的电解质加入其余分离的量，并且蒸汽推动到待冷却的溶液或分离的电解质中。剩余的溶液和以前一样在所需温度下进行压缩和蒸发。
该方法在图1中示出，其中所分离电解质的溶解在两个部分中进行，溶解在设备-吸收器(Al)中且溶解在返回到(Al)的稀溶液中。来自(Al)的浓溶液通过热交换器(HE)由温度TA冷却至环境温度Tamb(点1至2)。浓度从MA变化至ME，而且分离的电解质选择为框(K1)。剩余的稀溶液扩散并在从环境中吸收热量的蒸发器(E)中部分的蒸发。将额外的量选择为(K2)，其与(K1)分离(因为浓缩的溶液蒸发)。所产生的蒸汽被压缩并来到吸收器(A1)(点4)，通过来自(K1)(点6)的电解质被吸收(冷凝)。在温度TA释放(reject)热量。蒸发器(点3)的剩余溶液通过(HE)被压缩并加热且推动到装置(Al)，同时将分离电解质的其余部分溶解到其中。所有分离的相可溶解于(Al)，而不是稀溶液。热量也被释放。最初的溶液已经进行了改良。稀溶液从(E)到(Al)消耗了热量，以将其温度从TE升高到TA。该热量是mcpΔt，其中m是质量，cp是比热，Δt是温度变化(TA-TE)。相同量的热量由从TA到TE冷却的浓溶液释放。蒸汽也通过热交换器(HE)升高了其温度。电解质随着浓溶液冷却而结晶，且结晶热量被吸收。这种情况可能在低温下发生。该热量的一部分(如溶解热)在蒸汽冷凝过程中从(Al)释放。溶液热通过结晶热来平衡，其理论上是相同的。制冷是由在蒸发器(E)中的蒸汽蒸发而引起的，并通过(Al)中的溶解和冷凝进行加热。冷凝热等于由溶液的规定热量增加的蒸发热量。能量平衡公式为：
输入能量Qin＝溶剂蒸发热量qL+电解质结晶热量qk+蒸汽压缩的电能wel。
输出能量Qout＝溶剂(蒸汽)冷凝热量qL+(A1)中通过蒸汽的电解质溶解热量qk1+稀溶液中的溶解热量qk2，Qout＝-(qL+qk2)。
结果是热量从低温TE(环境温度或制冷应用中的较低温度)传递到更高的温度TA几乎没有热量的消耗。取决于所使用的溶液和具体应用，消耗了少量的电能。这个量比常规压缩循环中需要的少几倍。如果蒸汽在第二吸收器中仅由分离相吸收，其产物加入到(Al)的稀溶液中，冷凝温度可能非常高，因为形成在第二吸收器中的溶液具有相当高的浓度。
在任何循环形式中，如果使用具有溶液吸热的电解质，则来自(K1)的部分分离电解质溶解在由(E)移动至(A)的溶液中，从以相反方向移动的溶液中回收热量。
为了获得更高的温度提升，两个相似的循环可以组合。第二循环的蒸发器从所述第一循环的吸收器回收热量。假设第一循环在0℃至120℃工作，并且第二循环在120℃至250℃工作。已经实现了从0℃至250℃的提升。在第二循环中的浓溶液可在低于其蒸发器的温度下冷却，因为这个温度比环境温度高。例如，称作电解质的其中之一可用于第一循环，并且PbNO3用于第二循环(在100℃时M＝3.8，在200℃时M＝8)。
在图2中示出了上述循环的可选的实施方式。在可用热源的温度下加热、扩散和蒸发来自点2的稀溶液。该溶液在部分蒸发后再次冷却以分离附加溶质并返回至蒸发器。将溶液依然从另一出口推动至吸收器。
附加的溶质加入到(K1)中。可选择地，蒸发器(E)可用作辅助蒸发器。所产生的蒸汽在较低的制冷温度下冷凝并与来自(E)的剩余溶液一起进入到主蒸发器中。在此溶液被蒸发以引起制冷。蒸汽和剩余溶液依然转移到吸收器。主蒸发器具有非浓缩的溶液。稀溶液可分为两个流向。第一流向直接进入到主蒸发器中，第二流向推动到辅助蒸发器。
在图3中示出了另一种可选的实施方式，其中吸收-溶解的温度TA等于TE(蒸发)。在实际应用中，TA比TE高一点，以便冷凝热可从吸收器传送至蒸发器。所产生的蒸汽(6点)通过产生功的涡轮机(TU1)扩散，然后通过冷凝器(CON)排出热量并冷凝。在纯溶剂蒸发器(EV)中进行扩散和蒸发。在该应用中，在该溶液蒸发和冷凝之外还发生纯溶剂蒸发和冷凝。接着，使蒸汽在(Al)的压力下通过压缩机(TU2)过热、压缩，如果(Al)的压力大于(EV)的压力并进入吸收器(Al)(点7)中，其中来自(K)的分离电解质也进入吸收器(Al)(点5)中。蒸发器的剩余溶液推动到(A2)中，其中剩余的分离电解质也进入。在(A1)形成的溶液被压缩并进入(A2)中。初始的浓溶液已经改良。该溶液冷却用于如上所述的待分离的电解质。为了简化，设备(Al)和(A2)可建立在一个设备，即吸收器(A1)中。将分离的电解质溶解到来自蒸发溶液的剩余部分中，压缩并利用蒸汽进入吸收器(A1)中，形成初始溶液。在电解质分离后且进入蒸发器之前，稀溶液通过热交换器(HE)从离开吸收器的浓溶液中回收热量。为了使其可能，最后溶液的进一步冷却至更低的温度通过附加的热交换器或该溶液的部分蒸发进行。在使用呈现溶液吸热的电解质的情况下，在蒸发溶液后剩余部分可在较低温度下冷却并再次加热。分离相溶解到上述稀溶液中，因为它在冷却后返回到吸收器中。现在此溶液具有高浓度。
涡轮机(TU1)和(TU2)用于控制(CON)和(EV)的冷凝(加热)和蒸发(制冷)温度。这些涡轮机可连接使得第一循环的功由第二循环使用。在这个循环中，压缩通过(E)、(A)和(K)实现。压缩比为α1/α2＝αE/αA。也可应用额外的机械蒸汽压缩。
图4示出了对于给定溶液浓度的温度T和压力P之间的关系(ME是蒸发器的低浓度溶液的浓度，MA是吸收器溶液的高浓度)的图。两个设备在温度TE＝TA时工作，同时蒸发器的压力为PE，吸收器的压力为PA。
能量平衡给出了所消耗的能量是由释放能量回收的。溶液蒸发热量由溶液凝结热量回收，溶剂蒸发是通过利用环境热量进行的，且结晶通过溶解热进行。蒸汽压缩通过结晶-溶解循环实现，其(理论上)未消耗热量。
在这里也可适用双级或多级循环。在每个循环中，通过上述方法创建蒸发器-吸收器之间的压力差。每个循环在不同的压力水平下工作。每个循环中使用不同或相同的溶质和相同的溶剂。第二循环的蒸发器压力接近于(优选等于)第一循环的吸收器压力，并且第二循环的吸收器压力接近(优选等于)第一循环的蒸发器压力。第二循环的蒸发器的蒸汽执行上述的制冷循环(冷凝-扩散-蒸发)并进入第一循环的吸收器中。第一循环的蒸发器的蒸汽进入第二循环的吸收器中。现在已经实现更高的热压缩。冷凝热也通过蒸发热量回收。所述循环不一定在相同的温度下工作。额外的机械压缩可应用于蒸汽以进入吸收器中。假设第一循环的吸收器在0.1bar下工作，蒸发器在1bar下工作，第二循环的吸收器在1bar下工作且其蒸发器在10bar下工作。第二蒸发器的蒸汽是10bar压力并扩散到0.1bar压力。第一蒸发器的蒸汽是1bar压力并在1bar的相同压力下进入第二吸收器中。最后压缩比为10/0.1＝100。设备(A)和(E)可以是相同的设备。待蒸发流和待冷凝流可通过相同的热交换器。该应用可用于功的产生。来自蒸发器的蒸汽通过蒸汽涡轮扩散以产生功，而不是进行制冷循环。当扩散比低且用于电力生产时，蒸汽可由分离的电解质在低温下吸收。将获得的物质推动到设备(A)中，其中来自所述蒸发器的剩余稀溶液也进入以形成最初的浓溶液。在这种情况下，消耗热量以蒸发溶液，因为吸收热量在较低的温度下释放。在这里优选的，电解质的晶体与溶剂分子在低温下，而不是在较高温度下连接。优势在于扩散比高于在同样温度下的已知功率循环。
许多溶剂，如H2O、甲醇、甲酰胺、甲酸、乙腈、DMF、DMSO可与许多电解质结合，像ZnCl2、SbC12、SbF2、CoI2、TlCl、(Li、Na、K、NH4等)并结合(Cl、Br、I、SO4...)，Pb(NO3)2、Tl(NO3)、RbNO3。
可使用其浓度下降而温度升高的溶质。KBr-NH3就是一个例子。高浓度溶液是在低温下，且浓度会随着溶液加热而下降。溶质被再次分离。高温溶液被蒸发。蒸汽进行已知的冷凝-扩散-蒸发循环并进入吸收器中。剩余的溶液返回到吸收器，从以相反方向移动的溶液中回收热量。使分离的溶质也进入吸收器中形成初始溶液。现在蒸发热是需要的。可选择地，蒸汽可通过分离溶质吸收，然后进入吸收器中。溶质可以是NH3、氟利昂或其它非电解质。同样可用于功的产生。蒸汽通过涡轮扩散而不是执行冷却循环。

Claims (8)

1.用于从较低温度散热器到较高温度散热器的热传递的工作流体压缩的方法，该方法使用热压缩泵，其中工作流体是在液态溶剂中的物质的溶液，其被部分地蒸发，然后冷凝，其特征在于，热量通过低浓度溶液蒸发从低温散热器吸收，并通过高浓度的溶液在高温下冷凝而释放到高温散热器；溶液浓度通过温度变化而变化；在冷凝过程中使用的溶液的浓度比在蒸发过程中使用的要高，其相比于已知循环的所需压缩降低了所需的流体压缩，
浓缩溶解物质如电解质的液体溶液冷却到较低的温度（图1，点1至2），从而其浓度变化，且不同的相，如晶体，形成并从溶液中分离出来并存储在容器（K1）中；将得到的低浓度溶液扩散，以便它在所需的制冷温度（E）部分地蒸发；所产生的蒸汽通过热交换器（HE）加热，压缩到吸收器压力下并进入吸收器（Al）中；额外量的不同相在蒸发（K2）中分离出来并被推动到容器（K1）中；剩余的溶液被压缩、通过热交换器（HE）加热、并进入吸收器（Al）中，所述热交换器从离开吸收器的溶液回收热量；同样的情况发生在分离相中；现在，最初的高浓度溶液进行了重组；热量从吸收器释放；可在两个都是在高温下的分离的设备中创建初始溶液；该蒸汽被分离物质的一部分吸收，该物质的其余部分溶解在稀溶液中；将来自吸收器的溶液压缩并使其与从蒸发器返回的溶液混合以创建初始溶液；可选择地，分离相的一部分可进入从蒸发器移动到吸收器的低浓度溶液中，使得其浓度逐渐增大；
离开吸收器的溶液可在比环境温度低得多的温度下通过扩散到方便的压力而冷却；蒸汽被推动到容器（K1）或溶液中，额外的分离相进入（K1）中，同时该溶液从压缩和扩散至所需的制冷温度（E）的冷却溶液中回收热量；蒸发器和吸收器的溶液之间的较高浓度差以这种方式实现；
水是最常用的溶剂；许多其它溶剂也可使用；甲醇、甲胺、二甲亚砜、DMF、乙腈、甲酰胺、甲酸也都是便利的；
许多电解质像CoI2、Pb（NO3）2、TlCl、Tl（NO3）、ZnCl2、SbC12、SbF2、（Cl、Br、I、SO4...）结合（K、Na、NH4、Li...），也可结合任何溶剂。
2.根据权利要求1所述的用于热传递的方法，其特征在于该低浓度溶液（图2，从点2）被加热并在蒸发器（E）中在较高温度蒸发；剩余的溶液再次冷却至较低温度以分离额外的不同相，重新加热并返回至蒸发器中；这两种溶液之间的热交换也在这里发生；它有助于提升散热器比环境温度更高，并在蒸发过程中避免结晶；可选择地，所述蒸发器（E）可用作辅助蒸发器；所产生的蒸汽被冷凝并在较低的制冷温度下利用来自（E）的剩余溶液进入主蒸发器中；在这里，溶液蒸发导致制冷；蒸汽和剩余溶液依然移动至吸收器；主蒸发器具有未浓缩的溶液；在这种情况下，低浓度溶液（点2）可分成两流，第一流进入辅助蒸发器且第二流向主蒸发器移动；在溶液冷却的终点（点2），应用了几度的外部冷却。
3.根据权利要求1所述的用于热传递的方法，其特征在于许多类似循环的组合；在较低温度下循环作业的第一循环的吸收器的热量由在较高温度下工作的第二循环的蒸发器使用；离开其吸收器的第二循环的溶液在低于其蒸发器的温度冷却；这种组合导致更高的温度提升；在两个循环使用相同溶剂的情况下，第一蒸发器的蒸汽被压缩并进入第二循环的吸收器中，同时第二循环的蒸发器的蒸汽进入第一循环的吸收器中；第一循环的吸收器的温度接近第二循环的蒸发器的温度，从而热传递是可能的。
4.通过根据权利要求1所述的溶液浓度变化用于热传递到较高温度的工作流体的热压缩方法，其特征在于部分蒸发发生在比吸收温度稍低的温度下，使得冷凝热通过蒸发回收；冷却后，将低浓度溶液进行再次加热，回收来自冷却流的热量（图3，HE）并蒸发（E）；部分的分离相以及蒸气在执行以下所述的冷却循环后被压缩并进入吸收器（Al）中；来自蒸发器中的剩余溶液与溶解在那里的剩余分离相一起进入收集器（A2）中；来自吸收器的溶液也被压缩并进入收集器中；初始溶液在收集器中进行了重组，冷却过程再次开始；相反，所有的分离相进入收集器（A2）中，然后该溶液被压缩到吸收器的压力并在此进入以吸收蒸汽并形成初始溶液；可选择地，离开蒸发器的溶液可被冷却并再次加热；在进入吸收器之前再加热的过程中，分离相溶解于该溶液中；吸收蒸气，初始溶液在吸收器中进行了重组；当溶质具有溶液的吸收热时，这种替代是优选的；在任何情况下，热传递在被冷却和被加热的溶液之间产生；在收集器中分离相溶解的过程中，在选定溶质具有溶液的吸收热的情况下，热量在高温下释放；该热量也可用于溶液加热；
部分蒸汽可通过分离相在低温下被吸收；在该可选择的情况下，需要额外的​​热量用于蒸发；
由蒸发器产生的蒸汽过热并通过产生机械功的涡轮机（TU1）扩散；扩散压力对应于所需的加热温度；接着，蒸汽通过热交换器（CO）冷凝，在所需的制冷压力下扩散，并通过热交换器（EV）蒸发；蒸汽过热并通过压缩机（TU2）再次压缩，并被推动到吸收器进行冷凝；压缩机（TU2）受到涡轮机（TU1）的功的帮助；这些压缩机和涡轮机用于调节加热和制冷温度；
水和有机溶剂，如DMSO、甲醇、甲胺、二甲亚砜、DMF、乙腈、甲酰胺、甲酸可用作溶剂，电解质，像CoI2、Pb（NO3）2、TlCl、RbNO3、TlNO3、ZnCl2、SbC12、SbF2、（Cl、Br、I、SO4）结合（K、Na、NH4、Li）可用作溶质。
5.根据权利要求4所述的用于热传递到较高温度的工作流体的热压缩方法，其特征在于许多这样的循环组合；由第一循环的蒸发器所产生的蒸汽通过第二循环的吸收器吸收；来自第二循环的蒸发器的蒸汽由第一循环的吸收器吸收；选择温度水平使得在冷凝过程中释放的热量用于蒸发；选择压力水平使得所述第二循环的蒸发器与所述第一循环的吸收器是在同一水平；在吸收器处于稍高压力作业的情况下，压缩蒸汽；实现了较高的温度提升。
6.根据权利要求5所述的通过溶液浓度变化的工作流体的热压缩方法，其特征在于由第一蒸发器产生的蒸汽通过涡轮机扩散以产生功，而不是进行制冷循环；扩散之后，所述蒸汽由吸收器吸收；蒸汽的一部分也可在低温下由分离相所吸收。
7.用于通过根据权利要求1所述的溶液浓度变化来热传递的工作流体的热压缩方法，其特征在于使用在温度升高时浓度下降的溶质；一个例子是NH3与KBr；较高浓度的溶液是在低温下；该溶液被加热到更高的温度，且溶质被分离并选择到容器（K）；溶液在高温下蒸发消耗了热量；蒸汽进行冷凝-扩散-蒸发的冷却循环并通过吸收器在低温下吸收；来自蒸发器的剩余溶液被推动到吸收器中，而溶质溶解于此以形成初始的高浓度溶液；蒸汽也可通过在低温下的分离相的一部分吸收；热交换发生在两种以相反方向移动的溶液之间；常规循环的同样温度的提升需要较低压力的压缩；在电解质之外，气态溶质像氟利昂或NH3也可使用；该方法是有用的，特别是当使用其分子仅在低温下连接到溶剂分子的溶质时；消耗额外的热量用于蒸发。
8.根据权利要求7所述的用于流体压缩的方法，其特征在于该蒸汽通过涡轮机扩散以产生功，而不是进行冷却循环。
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