CN106802023A - 一种二氧化碳水合物制冷系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二氧化碳水合物制冷系统，水合物反应槽(12)的下部内置设有循环水冷却器，水合物反应槽(12)的上部设有水合物出口管道(19)，水合物出口管道(19)与水合物循环泵(16)相连，水合物循环泵(16)与末端换热设备(1)相连，末端换热设备(1)的出口连接有气液分离器(3)，所述的气液分离器(3)下部设有回流水管(17)、上部设回流气体管道(18)，所述的回流水管(17)上依次连接第二开关阀门(7)和第一水泵(9)再与所述的水合物反应槽(12)相连；回流气体管道(18)依次连接单向阀门(2)、第三开关阀门(8)和压缩机(10)与水合物反应槽(12)相连；CO2储气罐(6)的出气口接入气体回流管道(18)上。本发明是一种与常规制冷系统匹配良好、系统效率高、环境友好、成本低的二氧化碳水合物制冷系统。

Description

一种二氧化碳水合物制冷系统
技术领域
本发明涉及一种制冷系统，尤其涉及一种以二氧化碳气体水合物浆体为制冷工质的制冷系统。
背景技术
气体水合物是指气体分子(或易挥发的液体分子)与水分子在一定的温度、压力、气体浓度等特定条件下所生成的笼状结晶化合物(clathrate hydrate)。
在气体水合物中，通常把水分子称为主体分子，气体分子和挥发性液体分子则被称为客体分子，常见的客体物质有甲烷、乙烷、氮气、硫化氢、二氧化碳、HFC和HCFC类制冷剂等等。客体分子被固定在由水分子构成的腔体中，受氢键的限制，腔体尺寸不能随客体分子的大小连续变化，而是根据一定范围的客体分子尺寸，形成三种水合物结构，即I、II和H型水合物。
目前对不同种类水合物的研究中，以天然气水合物的研究居多，二氧化碳(CO2)作为客体物质的水合物浆体由于其出色的流动性和热物理性能，受到了各行业、各领域研究学者们的热切关注。二氧化碳水合物能够在零度以上发生相变又具有较高的分解焓(500kJ/kg)，可以无需进行机械搅拌，仅注入具有一定过冷度的溶液中即可形成，因此常被当做相变载冷剂使用。
研究表明，CO2水合物可以作为传统制冷剂的替代品用于制冷系统中，不仅通过减少CFC、HFC和HCFC类等制冷剂，如R134a、R22、R123、R407c、R410a等工质的使用，来缓解全球变暖、臭氧层破坏问题，还因为其具有出色的热力学性能，可以减少泵功和压缩机功率，提高制冷系统的能源利用效率，不失为一种有利于全球可持续发展的新型能源利用技术。但是，纯CO2水合物通常需要在很高的压力下生成，反应过程可以描述为：CO2+5.75H2O→CO2·5.75H2O，无法与常规的制冷系统匹配，因此常常采用加入添加剂的方法降低CO2水合物的反应条件。纯CO2水合物属于I型水合物，在加入了常用的添加剂，如四氢呋喃(THF)、四丁基溴化铵(TBAB)之后，形成热力学性能更为稳定的II型水合物，与THF的生成反应过程可描述为：2CO2+THF+17H2O→2CO2·THF·17H2O，使水合物在低压条件下(<10bar)就能生成，此外，通过二次添加促晶剂，如十二烷基硫酸钠(SDS)、四丁基氟化铵(TBAF)等，还可以缩短水合物反应生成所需的诱导时间，实现了CO2水合物浆体作为一种良好的制冷工质与常规制冷系统的兼容。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种与常规制冷系统匹配良好、系统效率高、环境友好、成本低的二氧化碳水合物制冷系统。
为了解决上述技术问题，本发明提供的二氧化碳水合物制冷系统，包括末端换热设备，水合物反应槽的下部内置设有循环水冷却器，所述的水合物反应槽的上部设有水合物出口管道，所述的水合物出口管道与水合物循环泵相连，所述的水合物循环泵与所述的末端换热设备相连，所述的末端换热设备的出口连接有气液分离器，所述的气液分离器下部设有回流水管、上部设回流气体管道，所述的回流水管上依次连接第二开关阀门和第一水泵再与所述的水合物反应槽相连；所述的回流气体管道依次连接单向阀门、第三开关阀门和压缩机与所述的水合物反应槽相连；CO2储气罐的出气口接入所述的气体回流管道上。
所述的CO2储气罐出气口通过管道依次与所述的压力控制阀和所述的第一开关阀门相连并接入所述的气体回流管道上。
所述的CO2储气罐出气口接入所述的气体回流管道上所述的单向阀门和所述的第三开关阀门之间的位置。
所述的CO2储气罐出气口通过管道依次与所述的压力控制阀和所述的第一开关阀门相连并接入所述的气体回流管道上所述的单向阀门和所述的第三开关阀门之间的位置。
所述的循环水冷却器包括换热管道、第二水泵和冷却器，所述的换热管道设在所述的水合物反应槽的下部内置，所述的换热管道通过设置在所述的水合物反应槽外部的所述的第二水泵与所述的冷却器相连。
所述的水合物反应槽的上部带有视窗。
所述的回流水管和回流气体管道接入所述的水合物反应槽的下部，并且所述的回流水管在所述的回流气体管道的上部位置。
所述的回流水管和回流气体管道接入所述的水合物反应槽的位置分别位于所述的循环水冷却器的上下位置。
采用上述技术方案的二氧化碳水合物制冷系统，水合物反应槽连接水合物循环泵，通过水合物循环泵将水合物浆体输送至末端换热设备，末端换热设备取冷后统一汇入气液分离器，气液分离器分离后的液态水由回流管道依次流经第二开关阀门和第一水泵，气体回流管道依次连接单向阀门、第三开关阀门和气体压缩机后，两回流管道分别接入水合物反应槽，CO2储气罐出口先后连接压力控制阀和第一开关阀门后接入气体回流管道，随时为系统补充CO2气体工质。
本发明利用了CO2水合物浆体放热的生成反应过程和吸热的分解反应过程，工质从用户低温端吸取热量，通过冷却介质向高温端释放热量，最终实现了热量在系统内的有效转移。
在采用工质为CO2气体水合物浆体的制冷系统中，同时需要添加少量添加剂，如四氢呋喃、四丁基溴化铵等，以降低水合物的相平衡条件至低压水平(<5bar)，实现与常规制冷系统的兼容，以及少量添加二次促晶剂，如十二烷基硫酸钠、四丁基氟化铵等，缩短CO2气体水合物生成反应的诱导时间，提高水合物的生成速率。
水合物反应槽为一带压金属容器，其上部带有抗压的视窗，便于观察水合物反应槽内水合物的生成情况，其下部内部焊接循环水冷却器的换热管道。循环水冷却器为间接接触式换热器，回流水管和回流气体管道接入水合物反应槽的下部，并且回流水管在回流气体管道的上部，利用气体密度较小的特点，有利于促进水合物反应槽内的气水混合扰动；回流水管和回流气体管道接入水合物反应槽的位置，分别位于循环水冷却器的换热管道的上下位置，加剧汽水混合，同时利于循环冷却水带走水合物生成反应热。
气液分离器的气体出口位置设有单向阀门，以防止当使用CO2储气罐为系统进行补气时，带压气体工质逆向进入气液分离器中，且CO2储气罐接入气体回流管道上单向阀门和第三开关阀门之间的位置。
本发明的优点在于：(1)以二氧化碳作为客体物质的水合物浆体，具有出色的流动性和热物理性能，能够在高于零度的条件下结晶，与常规制冷系统匹配良好，且其具有很高的分解焓，有利于提高系统效率；(2)二氧化碳气体无毒、无污染，系统发生泄漏时没有危险，且CO2气体容易获得、来源广泛，具有明显的经济效益优势；(3)采用二氧化碳水合物浆体作为制冷工质，可以减少传统的制冷剂的使用，能有效缓解全球变暖、臭氧层破坏问题；(4)回流水管在回流气体管道的上部，利用气液密度差有效促进槽内的混合扰动，无需进行机械搅动，节约了系统泵功；(5)生成水合物所需的水和气体在冷却器的换热管道附近混合，有利于循环冷却水带走水合反应所释放的热量，有利于反应的持续进行。
综上所述，本发明是一种与常规制冷系统匹配良好、系统效率高、环境友好、成本低的二氧化碳水合物制冷系统。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中：1-末端换热设备，2-单向阀门，3-气液分离器，4-第一开关阀门，5-压力控制阀，6-CO2储气罐，7-第二开关阀门，8-第三开关阀门，9-第一水泵，10-压缩机，11-换热管道，12-水合物反应槽，13-第二水泵，14-冷却器，15-视窗，16-水合物循环泵，17-回流水管，18-回流气体管道，19-水合物出口管道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
参见图1，二氧化碳水合物制冷系统由末端换热设备1、单向阀门2、气液分离器3、第一开关阀门4、压力控制阀5、CO2储气罐6、第二开关阀门7、第三开关阀门8、第一水泵9、压缩机10、换热管道11、水合物反应槽12、第二水泵13、冷却器14、视窗15、水合物循环泵16、回流水管17、回流气体管道18和水合物出口管道19组成。
水合物反应槽12为一带压金属容器，其槽体上部开有视窗15，视窗15为抗压的透明材料，下部焊接有内置的换热管道11，换热管道11通过第二水泵13与冷却器14相连；水合物反应槽12的上部设有水合物出口管道19，水合物出口管道19与水合物循环泵16相连，水合物循环泵16与末端换热设备1相连，通过其将水合物送至末端换热设备1，末端换热设备1取冷后统一进入气液分离器3中，气液分离器3下部设有回流水管17、上部设回流气体管道18，再分别接入水合物反应槽12中靠近换热管道11的上、下部位置，有利于气水充分混合而产生扰动，还便于换热管道11中的冷却介质带走反应生成热。
水合物反应槽12通过回流水管17依次连接第一水泵9和第二开关阀门7，再与气液分离器3的出水口相连；通过回流气体管道18依次连接压缩机10、第三开关阀门8和单向阀门2与气液分离器3的出气口相连。
回流水管17和回流气体管道18接入水合物反应槽12的下部，并且回流水管17在回流气体管道18的上部位置。
回流水管17和回流气体管道18接入水合物反应槽12的位置分别位于换热管道11的上下位置。
CO2储气罐6出气口通过管道依次与压力控制阀5和第一开关阀门4相连，并接入气体回流管道18上单向阀门2和第三开关阀门8之间的位置。
本发明所述的二氧化碳水合物制冷系统的基本工作过程如下：制冷系统中所采用的工质为CO2气体水合物浆体，水合物反应槽12中预先存有适量液态水，制冷系统中需要添加少量添加剂，如四氢呋喃(THF)、四丁基溴化铵(TBAB)等，以及少量添加二次促晶剂，如十二烷基硫酸钠(SDS)、四丁基氟化铵(TBAF)等。提前打开第二水泵13使冷却介质在换热管道11和冷却器14之间循环流动，通过压力控制阀5将气体压力控制在合适的范围内，打开第一开关阀门4和第三开关阀门8的同时开启压缩机10，使CO2气体以一定的压力注入水合物反应槽12中，在换热管道11附近与水混合扰动，开始生成水合物；当水合物持续生成并达到一定量时，即通过视窗15可以观察到明显的水合物存在时，打开水合物循环泵16将其送入末端换热设备1进行释冷，然后气液混合物进入分离器3中进行气液工质分离，此时开启第二开关阀门7和第一水泵9将液态水送回至水合物反应槽12中，分离后的CO2气体则依次通过单向阀门2、第三开关阀门8和压缩机10，流经气体回流管道18同样回到水合物反应槽12中；当系统逐渐稳定运行、CO2气体水合物浆体实现持续生成后，关闭压力控制阀5和第一开关阀门4，完成CO2气体工质的充注；通过压力控制阀5和第一开关阀门4可以随时对系统进行气体工质的补充。
本发明并不限于上述实施方式，在本发明的基础上，做出任何非实质性的变化、改进或者替换，这些变化、改进或者替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种二氧化碳水合物制冷系统，包括末端换热设备(1)，其特征是：水合物反应槽(12)的下部内置设有循环水冷却器，所述的水合物反应槽(12)的上部设有水合物出口管道(19)，所述的水合物出口管道(19)与水合物循环泵(16)相连，所述的水合物循环泵(16)与所述的末端换热设备(1)相连，所述的末端换热设备(1)的出口连接有气液分离器(3)，所述的气液分离器(3)下部设有回流水管(17)、上部设回流气体管道(18)，所述的回流水管(17)上依次连接第二开关阀门(7)和第一水泵(9)再与所述的水合物反应槽(12)相连；所述的回流气体管道(18)依次连接单向阀门(2)、第三开关阀门(8)和压缩机(10)与所述的水合物反应槽(12)相连；CO2储气罐(6)的出气口接入所述的气体回流管道(18)上。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳水合物制冷系统，其特征是：所述的CO2储气罐(6)出气口通过管道依次与所述的压力控制阀(5)和所述的第一开关阀门(4)相连并接入所述的气体回流管道(18)上。
3.根据权利要求1或2所述的二氧化碳水合物制冷系统，其特征是：所述的CO2储气罐(6)出气口接入所述的气体回流管道(18)上所述的单向阀门(2)和所述的第三开关阀门(8)之间的位置。
4.根据权利要求1或2所述的二氧化碳水合物制冷系统，其特征是：所述的循环水冷却器包括换热管道(11)、第二水泵(13)和冷却器(14)，所述的换热管道(11)设在所述的水合物反应槽(12)的下部内置，所述的换热管道(11)通过设置在所述的水合物反应槽(12)外部的所述的第二水泵(13)与所述的冷却器(14)相连。
5.根据权利要求1或2所述的二氧化碳水合物制冷系统，其特征是：所述的水合物反应槽(12)的上部带有视窗(15)。
6.根据权利要求1或2所述的二氧化碳水合物制冷系统，其特征是：所述的回流水管(17)和回流气体管道(18)接入所述的水合物反应槽(12)的下部，并且所述的回流水管(17)在所述的回流气体管道(18)的上部位置。
7.根据权利要求1或2所述的二氧化碳水合物制冷系统，其特征是：所述的回流水管(17)和回流气体管道(18)接入所述的水合物反应槽(12)的位置分别位于所述的循环水冷却器的上下位置。
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