CN106196702B - 一种输出电能的第二类吸收式热泵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种输出电能的第二类吸收式热泵，包括吸收器、热交换器、节流阀、发生塔、溶液泵、冷凝器、溶剂泵、铜氨原电池装置、控制器。其特点是用铜氨原电池装置代替了传统的第二类吸收式热泵系统中的蒸发器，通过控制器控制铜氨原电池装置中的电磁阀切换通道，使铜氨原电池的阴极与阳极在每次放电完后发生互换，变为可再生的原电池，从而使得系统能不断输出电能，并在吸收器得到高温热水。本发明中的铜氨原电池装置和发生塔的热源可以充分利用工业废水、工艺废热、太阳能热水等低品位的热源，使系统产生更高品位的热能与电能，实现热电联产，切实做到节能减排。

Description

一种输出电能的第二类吸收式热泵
技术领域
本发明涉及一种第二类吸收式热泵，尤其涉及一种输出电能的第二类吸收式热泵。
背景技术
能源是人类活动必不可少的一部分，如今，世界上使用的能源主要是煤、石油、天然气等不可再生的化石能源，而这些不可再生能源将日益减少并终将枯竭，如何提高能源的利用率成为了解决能源问题的一个重要方面。
在石油化工，轻工业等行业中，存在着大量低品位工业余热，这些余热大部分是被直接排放到环境中，这不仅造成了巨大的能源浪费，而且也造成了环境的热污染。近年来，有机朗肯循环低温余热发电技术、第二类吸收式热泵技术、热驱动化学电池等低品位热能利用技术及热电联产技术都为我国的节能事业带来了巨大的贡献。其中第二类吸收式热泵也叫升温型热泵，是利用大量的中温热源作驱动，制取热量少于但温度高于中温热源的热水或蒸汽，从而提高了热源的利用品位；因此，有关第二类吸收式热泵方面的理论研究与工业开发愈来愈受到人们的关注。另一方面，热电联产是基于能源梯级利用概念，将供热与发电过程一体化的联产系统，它能同时生产电和热能，较之分别生成电，热能的方式节约燃料，减轻了大气污染，实现了节能减排。
在第二类吸收式热泵系统中，其主要部件主要由蒸发器、冷凝器、吸收器、发生器、热交换器、溶液泵、溶剂泵，以及各个设备之间连接的连接管、配管及阀门等构成；其中发生器和蒸发器均采用中温驱动热源加热，输出的热水或蒸汽为高温热能，能够满足工业某些生产工艺的需要；因此传统的第二类吸收式热泵只能获得热能，不能输出电能，实现不了热电联产；而且实际获得高温热水是来自于吸收器，蒸发器在第二类吸收式热泵系统中属于高压部分，同样需要消耗低品位热源的热量，导致系统的COP降低。
发明内容
为了克服现有技术中的问题，本发明提供了一种输出电能的第二类吸收式热泵，采用铜氨原电池装置替换传统的第二类吸收式热泵中的蒸发器部件，系统可以利用工业废水、工艺废热、太阳能热水等低品位热源，并且可以同时输出电能，得到高温热水，实现热电联产。
一种输出电能的第二类吸收式热泵，包括吸收器、热交换器、节流阀、发生塔、溶液泵、单向阀V1、冷凝器、溶剂泵、铜氨原电池装置、控制器；所使用的工质对是氨-水溶液；氨-水溶液从吸收器流出，经过热交换器，节流阀节流降压后进入发生塔，发生产生氨气和水；水经过溶液泵、单向阀V1、热交换器，返回至吸收器，完成水的循环；氨气流入冷凝器冷凝，由溶剂泵泵送到铜氨原电池装置，返回至吸收器，完成氨气的循环；控制器控制铜氨原电池装置。
所述的铜氨原电池装置采用铜氨原电池，阳极发生的反应是氨与铜反应生成铜氨络合物，阴极发生的反应是铜离子还原为铜。
所述的铜氨原电池装置包括一进二出电磁阀V2、单向阀V3、反应室Ⅰ、单向阀V6、反应室Ⅱ、单向阀V7、单向阀V4、二进一出电磁阀V5、精馏塔、一进二出电磁阀V8；氨气的其一通道由：一进二出电磁阀V2，通向单向阀V6，流入反应室Ⅱ，经过单向阀V7，二进一出电磁阀V5，进入精馏塔,精馏产生的氨气返回至吸收器，精馏后的溶液由一进二出电磁阀V8返回至反应室Ⅱ；氨气的另一通道由：一进二出电磁阀V2通向单向阀V3，流入反应室Ⅰ，经过单向阀V4，二进一出电磁阀V5，进入精馏塔,精馏产生的氨气返回至吸收器，精馏后的溶液由一进二出电磁阀V8返回至反应室Ⅰ。
所述的控制器控制铜氨原电池装置，是通过控制铜氨原电池装置中的一进二出电磁阀V2、二进一出电磁阀V5、一进二出电磁阀V8，三个阀门通道发生切换。
一种输出电能的第二类吸收式热泵的工作方法，系统运行周期由两个阶段组成；第一阶段：由吸收器出来的氨-水溶液节流降压后进入发生塔，发生生成氨气和水，水由溶液泵返回到吸收器，完成循环；而发生的氨气进入冷凝器冷凝，由溶剂泵送到一进二出的电磁阀V2，通道是进入到反应室Ⅱ，此时，反应室Ⅱ为铜氨原电池的阳极室，另一反应室Ⅰ为阴极室，铜氨原电池阴阳极发生反应，产生电能；当电池放电完成时，反应室Ⅱ既阳极室的溶液经过二进一出电磁阀V5，进入精馏塔，精馏产生的氨气重新返回到吸收器中，完成氨气回路循环，而精馏后的溶液由一进二出的电磁阀V8返回至反应室Ⅱ，之后，控制器控制一进二出电磁阀V2，二进一出电磁阀V5，一进二出电磁阀V8，三个阀门通道发生切换，系统运行周期的第一阶段完成；第二阶段：吸收器吸收由精馏塔出来的氨气后，变成氨-水溶液，进入发生塔，发生产生的水返回至吸收器，完成循环；发生的氨气进入冷凝器冷凝，由溶剂泵送到一进二出电磁阀V2，通道是进入到反应室Ⅰ，成为铜氨原电池的阳极室，另一反应室Ⅱ为阴极室，发生阴阳极反应，产生电能。放电完成后反应室Ⅰ的溶液通过二进一出电磁阀V5，进入到精馏塔精馏，产生的氨气进入吸收器，完成氨气回路循环，精馏后的溶液返回至反应室Ⅰ，控制器控制一进二出电磁阀V2、二进一出电磁阀V5、一进二出电磁阀V8，三个电磁阀切换通道，第二阶段完成；随着第二阶段的完成，系统的一次运行周期便完成，准备进入下一次运行周期，如此往复，系统便能循环运行。
本发明的有益效果是：可充分利用不同低品位的热源来产生更高品位的热水与电能，天然工质对氨-水溶液即作为第二类吸收式热泵中的工质对，也作为铜氨原电池中阳极的反应物，将原电池与第二类吸收式热泵结合起来，成为一种可输出电能的第二类吸收式热泵，实现热电联产，切实做到了节能减排。
附图说明
图1为本发明一种输出电能的第二类吸收式热泵的一种结构示意图；
图2为本发明一种输出电能的第二类吸收式热泵的运行周期的第一阶段示意图；
图3为本发明一种输出电能的第二类吸收式热泵的运行周期的第二阶段示意图；
图中：1.吸收器，2.热交换器，3.节流阀，4.发生塔，5.溶液泵，6.单向阀V1，7.冷凝器，8.溶剂泵，9.一进二出电磁阀V2，10.单向阀V3，11.反应室Ⅰ，12.单向阀V6，13.反应室Ⅱ，14.单向阀V7，15.单向阀V4，16.二进一出电磁阀V5，17.精馏塔，18.一进二出电磁阀V8，19.控制器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明具体的实施方法。
本申请中铜氨原电池的工作原理是：铜氨原电池的两电极都是铜电极，当氨气通入阳极室时，导致铜氨原电池的阳极与阴极氨气浓度产生差异，其中阳极发生的反应是铜与氨气反应生成铜氨络合物，具体反应式为：Cu + 4 NH3 → Cu(NH3)4 2++ 2e-，阴极发生的反应是铜离子得到电子被还原为铜，具体的反应式为：Cu2++ 2e- → Cu，构成成为原电池，产生电能。当原电池放电完成后，阳极室溶液进入精馏塔，利用低品位热源精馏铜氨络合物得到含铜离子的溶液和氨气，具体的反应式是：Cu(NH3)4 2+ → Cu2+ + 4NH3，精馏后含铜离子的溶液返回阳极室，氨气通入吸收器；在下一阶段，氨气加入到上一阶段的阴极室，与被还原的铜发生阳极反应，成为阳极室；上一阶段的阳极室发生铜离子还原为铜的阴极反应，成为阴极室；可以发现，下一阶段的铜氨原电池的阴极与阳极相当于上一阶段的阳极和阴极，发生了互换，重新构成了新的铜氨原电池，而且每次铜氨原电池阳极反应消耗的铜在阴极被还原，在下一次反应阴极与阳极又互换，从而使的铜电极没有被消耗，变为可再生的铜氨原电池。
如图1所示，一种输出电能的第二类吸收式热泵，包括吸收器1、热交换器2、节流阀3、发生塔4、溶液泵5、单向阀V1（6）、冷凝器7、溶剂泵8、铜氨原电池装置、控制器19；所使用的工质对是氨-水溶液；氨-水溶液从吸收器1流出，经过热交换器2、节流阀3，节流降压后进入发生塔4，发生产生氨气和水；水由溶液泵5通过单向阀V1（6）、热交换器2，返回至吸收器1，完成水的循环；氨气流入冷凝器7冷凝，由溶剂泵8泵送到铜氨原电池装置，返回至吸收器1，完成氨气的循环；控制器19控制铜氨原电池装置。
所述的铜氨原电池装置包括一进二出电磁阀V2（9）、单向阀V3（10）、反应室Ⅰ11、单向阀V6（12）、反应室Ⅱ（13）、单向阀V7（14）、单向阀V4（15）、二进一出电磁阀V5（16）、精馏塔17、一进二出电磁阀V8（18）；氨气的其一通道由：一进二出电磁阀V2（9），通向单向阀V6（12），流入反应室Ⅱ13，经过单向阀V7（14），二进一出电磁阀V5（16），进入精馏塔17,精馏产生的氨气返回至吸收器1，精馏后的溶液由一进二出电磁阀V8（18）返回至反应室Ⅱ13；氨气的另一通道由：一进二出电磁阀V2（9）通向单向阀V3（10），流入反应室Ⅰ11，经过单向阀V4（15），二进一出电磁阀V5（16），进入精馏塔17,精馏产生的氨气返回至吸收器1，精馏后的溶液由一进二出电磁阀V8（18）返回至反应室Ⅰ11。
所述的控制器（19）控制铜氨原电池装置，是通过控制铜氨原电池装置中的一进二出电磁阀V2（9）、二进一出电磁阀V5（16）、一进二出电磁阀V8（18），三个阀门通道发生切换。
本发明的工作方法为：
系统运行的一个周期由两个阶段组成。系统运行周期的第一阶段如附图2所示：由吸收器1出来的氨-水溶液经过热交换器2，氨-水溶液的温度得到一定的降低，由节流阀3节流降压后进入发生塔4，由于低品位热源的作用，其中低品位热源可以是工业废水、工业废热、太阳能热水等，发生生成氨气和水，产生的水由溶液泵5泵送作用，经过单向阀V1（6），这里单向阀的作用是防止水回流，进入热交换器2，水的温度得到提高，再次回到吸收器1，水回路循环完成；而产生的氨气进入冷凝器7，冷凝产生液氨，由溶剂泵8泵送进入一进二出的电磁阀V2（9），通道是流向单向阀V6（12），进入到反应室Ⅱ13，此时，反应室Ⅱ13为铜氨原电池的阳极室，另一反应室Ⅰ11为阴极室，铜氨原电池阴极与阳极发生反应，构成原电池，产生电能；当反应电压小于25mv时，可认为电池反应完成，此时反应室Ⅱ13既阳极室的溶液经过单向阀V7（14），二进一出电磁阀V5（16），进入精馏塔17，精馏产生的氨气重新返回到吸收器1中，完成氨气回路循环。而精馏后的溶液由一进二出的电磁阀V8（18）返回至反应室Ⅱ13，之后，控制器19作用，控制一进二出电磁阀V2（9），二进一出电磁阀V5（16），一进二出电磁阀V8（18），三个电磁阀的阀门通道发生切换，系统运行周期的第一阶段完成，进入第二阶段。
系统运行周期的第二阶段如附图3所示，吸收器1吸收由精馏塔17出来的氨气后，与返回的水混合变成氨-水溶液，之后同样的经过热交换器2，节流阀3节流降压后进入发生塔4，在低品位热源的作用下产生氨气和水，水由溶液泵5泵送经过单向阀V6（12），热交换器2返回至吸收器1，水回路循环完成；发生的氨气进入冷凝器7，由溶剂泵8泵送经过一进二出电磁阀V2（9），通道是流向单向阀V3（10），进入到反应室Ⅰ11，这时的反应室Ⅰ11为铜氨原电池的阳极室，另一反应室Ⅱ13为阴极室，铜氨原电池阴阳极发生反应，产生电能。可以发现第二阶段铜氨原电池反应的阴极与阳极与上一阶段的阴极与阳极正好相反，之后反应室Ⅰ11的溶液，同样是阳极室溶液通过单向阀V4（15），二进一出电磁阀V5（16），进入到精馏塔（17）精馏，产生的氨气进入吸收器1，完成氨气回路循环，精馏后的溶液通过一进二出的电磁阀V8（18）返回至反应室Ⅰ11，控制器19作用，控制一进二出电磁阀V2（9），二进一出电磁阀V5（16），一进二出电磁阀V8（18）三个电磁阀切换通道，系统运行周期的第二阶段完成。随着系统运行周期第二阶段的完成，系统的一次运行周期便完成，准备进入下一次运行周期，依次进入第一阶段，第二阶段，运行周期便再次完成；之后如此往复，系统便能循环运行，不断产生电能与热水，实现热电联产。

Claims (5)

1.一种输出电能的第二类吸收式热泵，其特征在于：包括吸收器（1）、热交换器（2）、节流阀（3）、发生塔（4）、溶液泵（5）、单向阀V1（6）、冷凝器（7）、溶剂泵（8）、铜氨原电池装置、控制器（19）；所使用的工质对是氨-水溶液；氨-水溶液从吸收器（1）流出，经过热交换器（2），节流阀（3）节流降压后进入发生塔（4），发生产生氨气和水；水由溶液泵（5）通过单向阀V1（6）、热交换器（2）返回至吸收器（1），完成水的循环；氨气流入冷凝器（7）冷凝，由溶剂泵（8）泵送到铜氨原电池装置，返回至吸收器（1），完成氨气的循环；控制器（19）控制铜氨原电池装置。
2.根据权利要求1所述的一种输出电能的第二类吸收式热泵，其特征在于：所述的铜氨原电池装置采用铜氨原电池，阳极发生的反应是氨与铜反应生成铜氨络合物，阴极发生的反应是铜离子还原为铜。
3.根据权利要求1所述的一种输出电能的第二类吸收式热泵，其特征在于：所述的铜氨原电池装置包括一进二出电磁阀V2（9）、单向阀V3（10）、反应室Ⅰ（11）、单向阀V6（12）、反应室Ⅱ（13）、单向阀V7（14）、单向阀V4（15）、二进一出电磁阀V5（16）、精馏塔（17）、一进二出电磁阀V8（18）；氨气的其一通道由：一进二出电磁阀V2（9），通向单向阀V6（12），流入反应室Ⅱ（13），经过单向阀V7（14），二进一出电磁阀V5（16），进入精馏塔（17）,精馏产生的氨气返回至吸收器（1），精馏后的溶液由一进二出电磁阀V8（18）返回至反应室Ⅱ（13）；氨气的另一通道由：一进二出电磁阀V2（9）通向单向阀V3（10），流入反应室Ⅰ（11），经过单向阀V4（15），二进一出电磁阀V5（16），进入精馏塔（17）,精馏产生的氨气返回至吸收器（1），精馏后的溶液由一进二出电磁阀V8（18）返回至反应室Ⅰ（11）。
4.根据权利要求3所述的一种输出电能的第二类吸收式热泵，其特征在于：所述的控制器（19）控制铜氨原电池装置，是通过控制铜氨原电池装置中的一进二出电磁阀V2（9）、二进一出电磁阀V5（16）、一进二出电磁阀V8（18），三个阀门通道发生切换。
5.一种输出电能的第二类吸收式热泵的工作方法，其特征在于：系统运行周期由两个阶段组成；第一阶段：由吸收器（1）出来的氨-水溶液节流降压后进入发生塔（4），发生生成氨气和水，水由溶液泵（5）返回到吸收器（1），完成循环；而发生的氨气进入冷凝器（7）冷凝，由溶剂泵（8）送到一进二出的电磁阀V2（9），通道是进入到反应室Ⅱ（13），此时，反应室Ⅱ（13）为铜氨原电池的阳极室，另一反应室Ⅰ（11）为阴极室，铜氨原电池阴阳极发生反应，产生电能；当电池放电完成时，反应室Ⅱ（13）既阳极室的溶液经过二进一出电磁阀V5（16），进入精馏塔（17），精馏产生的氨气重新返回到吸收器（1）中，完成氨气回路循环，而精馏后的溶液由一进二出电磁阀V8（18）返回至反应室Ⅱ（13），之后，控制器（19）控制一进二出电磁阀V2（9）、二进一出电磁阀V5（16）、一进二出电磁阀V8（18），三个阀门通道发生切换，系统运行周期的第一阶段完成；进入第二阶段：吸收器（1）吸收由精馏塔（17）出来的氨气后，变成氨-水溶液，进入发生塔（4），发生产生的水返回至吸收器（1），完成循环；发生的氨气进入冷凝器（7）冷凝，由溶剂泵（8）送到一进二出电磁阀V2（9），通道是进入到反应室Ⅰ（11），成为铜氨原电池的阳极室，另一反应室Ⅱ（13）为阴极室，发生阴阳极反应，产生电能；放电完成后反应室Ⅰ（11）的溶液通过二进一出电磁阀V5（16），进入到精馏塔（17）精馏，产生的氨气进入吸收器（1），完成氨气回路循环，精馏后的溶液返回至反应室Ⅰ（11），控制器（19）控制一进二出电磁阀V2（9）、二进一出电磁阀V5（16）、一进二出电磁阀V8（18），三个阀门切换通道，第二阶段完成；随着第二阶段的完成，系统的一次运行周期便完成，准备进入下一次运行周期，如此往复，系统便能循环运行。
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