CN108120041A - 基于制冷剂沸腾-冷凝循环过程的水合物蓄冷装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于制冷剂沸腾‑冷凝循环过程的水合物蓄冷装置，装置包括蓄冷罐、制冷装置、压缩储液装置、配气装置、加热装置、取冷装置、储水装置、降压装置和数据采集装置；降压装置、储液装置、配气装置和储水装置均与蓄冷罐相连接，数据采集装置与蓄冷罐相连接，蓄冷罐内设有换热盘管，盘管与取冷装置相连接，加热装置和取冷装置通过换热器分别与制冷装置并联连接，用于对蓄冷罐加热的加热装置设置在蓄冷罐的下方。本发明利用制冷剂水合物生成放热、分解吸热的原理来进行蓄冷和取冷；在分时电价的谷段，利用低价电能和蓄冷循环系统生成制冷剂水合物进行储冷，在分时电价的尖峰段，利用水合物的分解来吸收热量取冷，提高了取冷和蓄冷效率。

Description

基于制冷剂沸腾-冷凝循环过程的水合物蓄冷装置

技术领域

本发明涉及蓄冷的技术领域，具体涉及到制冷剂沸腾冷凝过程水合物蓄冷的技术，尤其涉及一种基于制冷剂沸腾-冷凝循环过程的水合物蓄冷装置。

背景技术

随着社会的发展，当前人们周期性用电逐渐加剧，用电高峰与波谷差异不断增加，这不仅增加了电网的负荷，还造成了能源的浪费。为了响应国家的能源政策，利用蓄冷技术来实现“削峰填谷”将显得非常重要。气体水合物蓄冷能够克服冰蓄冷的蓄冷效率低、水蓄冷的蓄冷密度小、共晶盐蓄冷的导热系数低和换热效率低等弱点，同时制冷剂水合物相变温度5-12℃也与空调系统运行工况具有较好的匹配性，因此是一种比较理想的蓄冷技术。目前由于气体与水的接触面积小，水合物缓慢的生成速率却一直阻碍了它的发展，另外，常规的取冷速率慢也是影响蓄冷效率的一个关键因素。

发明内容

针对现有的气体水合物蓄冷的蓄冷速率慢和取冷效率低技术问题，本发明提出了一种基于制冷剂沸腾-冷凝循环过程的水合物蓄冷装置，通过制冷剂沸腾-冷凝循环过程，增加气体与水的接触面积，有效缩短蓄冷系统中制冷剂水合物的生成时间，强化蓄冷效率，通过降压法加速水合物的分解，强化了取冷速率，而且有效利用了高压制冷剂的余热节约蓄冷系统的运行费用

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于制冷剂沸腾-冷凝循环过程的水合物蓄冷装置，包括蓄冷罐、制冷装置、压缩储液装置、配气装置、加热装置、取冷装置、储水装置、降压装置和数据采集装置，储水装置内设有去离子水，配气装置内装有制冷剂，降压装置、压缩储液装置、配气装置和储水装置均与蓄冷罐相连接，数据采集装置与蓄冷罐相连接；所述蓄冷罐内设有盘管，盘管内通有载冷剂，盘管与取冷装置相连接，取冷装置和加热装置均通过换热器分别与制冷装置并联连接，用于对蓄冷罐加热的加热装置设置在蓄冷罐的下方。

所述蓄冷罐外部设有保温层，蓄冷罐的底部为弧形加热面，蓄冷罐底部的内表面为粗糙的；所述蓄冷罐底部设有封闭的空腔，空腔内设有加热装置。

所述蓄冷罐上部设有两个接口，接口包括储水接口和制冷剂接口；所述配气装置包括制冷剂气瓶，制冷剂气瓶与制冷剂接口相连接；所述压缩储液装置包括制冷剂储液罐、第二冷凝器、第二压缩机和干燥过滤器，制冷剂储液罐依次通过第二冷凝器、第二压缩机与干燥过滤器相连接，干燥过滤器与制冷剂接口相连接；所述降压装置为减压阀，减压阀与干燥过滤器相连接；所述储水装置包括储水桶，储水桶通过第二溶液泵与蓄冷罐的储水接口相连接。

所述制冷剂气瓶通过阀门与蓄冷罐的制冷剂接口相连接；所述干燥过滤器通过阀门、减压阀与制冷剂接口相连接；所述制冷剂储液罐和制冷剂气瓶前侧的管路上均设有压力表。

所述压缩储液装置还包括缓冲储气罐，缓冲储气罐分别与第二压缩机和干燥过滤器相连接。

所述数据采集装置设置包括数据采集系统、压力传感器、温度传感器和计算机，温度传感器的数量设有至少3个，温度传感器均匀设置在蓄冷罐内，压力传感器设置在蓄冷罐的制冷剂接口的外侧；压力传感器和温度传感器均与数据采集系统相连接，数据采集系统与计算机相连接。

所述制冷装置包括热力膨胀阀、第一冷凝器、第一压缩机、第一换热器和第二换热器，热力膨胀阀分别与第一换热器和第一冷凝器相连接；第一压缩机与第二换热器相连接；第二换热器与第一冷凝器相连接；第一换热器与第一压缩机相连接，第一换热器与蓄冷罐中的盘管相连接；所述取冷装置与阀门相连接，取冷装置外设有旁通，旁通的阀门通过第三溶液泵与蓄冷罐内的盘管相连接；旁通的另一侧与第一换热器相连接。

所述加热装置包括电热丝和流通有载冷剂的加热管路，加热管路通过第一溶液泵与制冷装置的第二换热器的两端相连接，电热丝和加热管路设置在蓄冷罐的下方。

所述蓄冷罐由不锈钢制成；所述制冷剂为卤代烃制冷剂，卤代烃制冷剂为包括R12、R22或R134a饱和液体密度比水大的制冷剂。

工作过程为：蓄冷时，通过第二溶液泵向蓄冷罐中充入一定量的去离子水，去离子水由蓄冷罐中的盘管冷却；由配气装置的制冷剂气瓶向蓄冷罐内注入制冷剂，制冷剂在蓄冷罐中冷凝后沉入蓄冷罐底部，加热装置的电热丝和加热管路使蓄冷罐内的制冷剂液体蒸发，达到沸腾产生气泡，气泡上浮过程达到生成水合物的压力和温度，进而生成制冷剂水合物；数据采集装置采集蓄冷罐内的温度和压力，判断水合物的生成程度；未生成水合物的制冷剂气体再次冷凝沉入蓄冷罐的底部，如此反复的沸腾冷凝循环，直至所有的制冷剂全部生成水合物，蓄冷完成；取冷时，关闭制冷装置，关闭旁通的阀门，打开取冷装置和与其连接的阀门，通过降压装置对蓄冷罐进行降压促进蓄冷罐内的水合物分解，水合物分解是个吸热过程，取冷装置取得冷量；同时，打开压缩储液装置上的阀门，让分解产生的制冷剂气体进入缓冲储气罐，经干燥过滤器、第二压缩机和第二冷凝器作用后储存在制冷剂储液罐中，以便循环利用。

本发明的有益效果：利用制冷剂水合物生成放热、分解吸热的原理来进行蓄冷和取冷；在分时电价的谷段，利用低价电能，通过蓄冷循环系统，生成制冷剂水合物进行储冷；在分时电价的尖峰段，利用水合物的分解来吸收热量，取冷以达到制冷的目的。本发明制冷剂沸腾-冷凝的特性是快速生成水合物，从而实现高效蓄冷的目的，制冷剂在蓄冷罐中进行沸腾—冷凝循环，产生的气泡显著地增强了制冷剂气体与水的接触面积，加速水合物生成速率，提高蓄冷速率；通过降压法分解水合物强化取冷速率；并且利用高压制冷剂的余热对弧形底面制冷剂进行加热，强化沸腾并实现节能的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图。

图中，1为制冷剂储液罐；2为压力表；3为第二冷凝器；4为第二压缩机；5为缓冲储气罐；6为干燥过滤器；7为阀门；8为减压阀；9为温度传感器；10为压力传感器；11为第二溶液泵；12为储水桶；13为取冷装置；14为第一换热器；15为热力膨胀阀；16为第三溶液 泵；17为第一压缩机；18为第一冷凝器；19为保温层；20为第二换热器；21为蓄冷罐；22为第一溶液泵；23为加热丝；24为计算机；25为数据采集系统；26为制冷剂气瓶。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种基于制冷剂沸腾-冷凝循环过程的水合物蓄冷装置，包括蓄冷罐21、制冷装置、压缩储液装置、配气装置、加热装置、取冷装置13、储水装置、降压装置和数据采集装置，储水装置内设有去离子水，配气装置内有气体制冷剂，降压装置、压缩储液装置、配气装置和储水装置均与蓄冷罐21相连接，数据采集装置设置在蓄冷罐21内。所述蓄冷罐21内设有盘管，盘管可以实现供冷和取冷。制冷装置内流通的制冷剂，盘管内设有载冷剂，盘管与取装置相连接，取冷装置13和加热装置通过换热器分别与制冷装置并联连接，用于对蓄冷罐21加热的加热装置设置在蓄冷罐21的下方。

蓄冷罐21外部设有保温层19，对蓄冷罐21进行保温。蓄冷罐21的底部为弧形加热面，用于扩大加热面积，加速制冷剂沸腾。蓄冷罐21底部的内表面为粗糙的，弧形底部表面进行粗糙化处理，以增强沸腾过程气泡产生。所述蓄冷罐21底部设有封闭的空腔，空腔内设有加热装置，可以实现对蓄冷罐21的加热。

蓄冷罐21由不锈钢制成。蓄冷罐21上方设有端盖，端盖与蓄冷罐21的罐体相卡接，保证其封闭性。蓄冷罐21上部设有两个接口，接口包括储水接口和制冷剂接口。所述配气装置包括制冷剂气瓶26，制冷剂气瓶26与制冷剂接口相连接。制冷剂气瓶26通过阀门7与蓄冷罐21的制冷剂接口相连接。制冷剂气瓶26向蓄冷罐21内提供气态的制冷剂。

压缩储液装置包括制冷剂储液罐1和干燥过滤器6，制冷剂储液罐1依次通过第二冷凝器3、第二压缩机4与干燥过滤器6相连接，干燥过滤器4与制冷剂接口相连接。降压装置为减压阀，减压阀与制冷剂接口相连接，减压阀可以实现对蓄冷罐21的降压。降压装置用于取冷时对蓄冷罐21进行降压，促进水合物的分解。干燥过滤器6通过阀门7与制冷剂接口相连接，干燥过滤器6与第二压缩机4相连接。干燥过滤器6干燥制冷剂气体中的水蒸气。第二压缩机4和第二冷凝器3对制冷剂进行压缩冷却，能够很好的储存起来便于下次使用。制冷剂接口通过减压阀与压缩储气装置相连接，配气装置、压缩储液装置与降压装置共用一段管路。

储水装置包括储水桶12，储水桶12内设有去离子水，储水桶12通过第二溶液泵11与蓄冷罐21的储水接口相连接，第二溶液泵11用于抽吸储水桶12内的去离子水。第二溶液泵11与储水接口之间设有阀门7，用于控制是否向蓄冷罐21内注入去离子水。

压缩储液装置还包括缓冲储气罐5，缓冲储气罐5分别与第二压缩机4相连接，水合物分解过程中，缓冲储气罐5可以储存分解的制冷剂气体并维持蓄冷罐21内的一定压力。制冷剂储液罐1和制冷剂气瓶26前侧的管路上设有压力表2，用于检测管路上的压力。

数据采集装置设置包括数据采集系统25、压力传感器10、温度传感器9和计算机24，温度传感器9的数量设有至少3个，温度传感器9均匀设置在蓄冷罐21内，压力传感器10设置在蓄冷罐21的制冷剂接口的外侧。温度传感器9的数量设有5个，其中2个设置在蓄冷罐21的上部，分别位于蓄冷罐21的两侧，3个设置在蓄冷罐21的侧部，其中两个设置在蓄冷罐21的溶液内，另一个设置在蓄冷罐21底部的外侧。压力探测器10和温度传感器9均与数据采集系统25相连接，数据采集系统25与计算机24相连接。

制冷装置包括热力膨胀阀15、第一冷凝器18、第一压缩机17、第一换热器14和第二换热器20，热力膨胀阀15分别与第一换热器14和第一冷凝器18相连接；第一压缩机17与第二换热器20相连接；第二换热器20与第一冷凝器18相连接；第一换热器14与第一压缩机17相连接，第一换热器14与蓄冷罐21中的盘管相连接。所述取冷装置13与阀门7相连接取冷装置13外设有旁通，旁通设有阀门7，阀门7通过第三溶液泵16与蓄冷罐21内盘管想连接；旁通的另一侧与第一换热器14相连接。即制冷装置和取冷装置13通过第一换热器14进行能量的交换。

加热装置包括电热丝23和流通有载冷剂的加热管路，加热管路通过第一溶液泵22与制冷装置的第二换热器20的两端相连接，第一溶液泵22用于驱动加热管路中载冷剂的流动。加热管路为循环管路，加热管路通过第二换热器20与制冷装置换热后将获得的热量用于加热蓄冷罐21的底部。加热丝15与电源相连接，加热丝15用于加热蓄冷罐21的补充热量。加热装置采用第二换热器20的余热进行加热，当热量不足的时候用加热丝15补充加热。

制冷剂为卤代烃制冷剂，卤代烃制冷剂包括R12、R22、R134a等饱和液体密度大于水的制冷剂。第一溶液泵22、第二溶液泵11和第三溶液泵16两端的管路上均设有阀门7，用于控制其所在管路的通断。

进一步地，蓄冷罐21内部的承压为3 MPa；制冷装置先将蓄冷罐内的水降温到2-5℃；加热装置的加热管路可以设为小型螺旋盘管；干燥过滤器6要定期的更换；制冷剂气瓶26和制冷剂储液罐1可以交替使用。储水装置是由于干燥过滤器6滞留的水分使蓄冷罐内水量减少所考虑的。

工作过程

蓄冷工作模式包括制冷装置和制冷剂水合物制备部分两个部分。制冷装置主要采用日常的空调、冷库、冰箱等耗冷装置；制冷剂水合物的制备是需要制冷装置来提供残余热量的。蓄冷时，先通过真空泵进行抽真空处理，去除蓄冷罐内空气的杂质。通过第二溶液泵向蓄冷罐21中充入一定量的去离子水，一般充入蓄冷罐21容积一半的去离子水。去离子水由蓄冷罐21中的盘管冷却，水被冷却到2-5℃后，并由配气装置的制冷剂气瓶26向蓄冷罐21内注入0.8MPa的制冷剂，气体由于冷凝，不溶于水且密度比水大，制冷剂在蓄冷罐21中沿其侧壁冷凝后沉入蓄冷罐21底部，加热装置的电热丝15和加热管路加热蓄冷罐21内的制冷剂液体使其蒸发，达到沸腾产生气泡，气泡上浮过程达到生成水合物的压力和温度，进而生成制冷剂水合物。气泡上浮过程形成水合物，主要在气泡表面生成，气泡到达气液接触面上时破裂，将水合物留在接触面上，气体留在蓄冷罐21上部变成气相，然后进一步经过以上沸腾冷凝过程不断生成水合物，直到蓄冷罐内压力温度保持不变，则反应结束，制得一定量的制冷剂水合物。数据采集装置采集蓄冷罐21内的温度和压力，判断水合物的生成程度；未生成水合物的制冷剂由于冷凝沉入蓄冷罐21的底部，如此反复的沸腾冷凝循环，直至所有的制冷剂全部生成水合物，蓄冷完成。待蓄冷罐21内的温度压力维持不变时反应完毕，通过降压方式让取冷装置13取得冷量。

取冷工作模式是将蓄冷阶段制得的水合物经过降压分解，让其分解吸热提供冷量。取冷时，关闭制冷装置，关闭旁通的阀门7，打开取冷装置13和与其连接的阀门7，通过降压装置对蓄冷罐21进行降压促进蓄冷罐21内的水合物分解，水合物分解是个吸热过程，取冷装置13取得冷量。打开压缩储液装置上的阀门，减压阀降压后制冷剂水合物融化吸热，与蓄冷罐21内盘管换热，提供冷量。让分解产生的制冷剂气体进入缓冲储气罐5，经第二压缩机4和第二冷凝器3作用后储存在制冷剂储液罐1中，以便循环利用。取冷完毕后蓄冷罐21内会存在的残余制冷剂气体和部分去离子水，可重复利用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于制冷剂沸腾-冷凝循环过程的水合物蓄冷装置，其特征在于，包括蓄冷罐（21）、制冷装置、压缩储液装置、配气装置、加热装置、取冷装置（13）、储水装置、降压装置和数据采集装置，储水装置内设有去离子水，配气装置内装有制冷剂，降压装置、压缩储液装置、配气装置和储水装置均与蓄冷罐（21）相连接，数据采集装置与蓄冷罐（21）相连接；所述蓄冷罐（21）内设有盘管，盘管内通有载冷剂，盘管与取冷装置（13）相连接，取冷装置（13）和加热装置均分别通过换热器与制冷装置并联连接，用于对蓄冷罐（21）加热的加热装置设置在蓄冷罐（21）的下方。

2.根据权利要求1所述的基于制冷剂沸腾-冷凝循环过程的水合物蓄冷装置，其特征在于，所述蓄冷罐（21）外部设有保温层（19），蓄冷罐（21）的底部为弧形加热面，蓄冷罐（21）底部的内表面为粗糙的；所述蓄冷罐（21）底部设有封闭的空腔，空腔内设有加热装置。

3.根据权利要求1或2所述的基于制冷剂沸腾-冷凝循环过程的水合物蓄冷装置，其特征在于，所述蓄冷罐（21）上部设有两个接口，接口包括储水接口和制冷剂接口；所述配气装置包括制冷剂气瓶（26），制冷剂气瓶（26）与制冷剂接口相连接；所述压缩储液装置包括制冷剂储液罐（1）、第二冷凝器（3）、第二压缩机（4）和干燥过滤器（6），制冷剂储液罐（1）依次通过第二冷凝器（3）、第二压缩机（4）与干燥过滤器（6）相连接，干燥过滤器（6）与制冷剂接口相连接；所述降压装置为减压阀（8），减压阀（8）与干燥过滤器（6）相连接；所述储水装置包括储水桶（12），储水桶（12）通过第二溶液泵（11）与蓄冷罐（21）的储水接口相连接。

4.根据权利要求3所述的基于制冷剂沸腾-冷凝循环过程的水合物蓄冷装置，其特征在于，所述制冷剂气瓶（26）通过阀门（7）与蓄冷罐（21）的制冷剂接口相连接；所述干燥过滤器（6）通过阀门（7）、减压阀（8）与制冷剂接口相连接；所述制冷剂储液罐（1）和制冷剂气瓶（26）前侧的管路上均设有压力表（2）。

5.根据权利要求4所述的基于制冷剂沸腾-冷凝循环过程的水合物蓄冷装置，其特征在于，所述压缩储液装置还包括缓冲储气罐（5），缓冲储气罐（5）分别与第二压缩机（4）和干燥过滤器（6）相连接。

6.根据权利要求1所述的基于制冷剂沸腾-冷凝循环过程的水合物蓄冷装置，其特征在于，所述数据采集装置设置包括数据采集系统（25）、压力传感器（10）、温度传感器（9）和计算机（24），温度传感器（9）的数量设有至少3个，温度传感器（9）均匀设置在蓄冷罐（21）内，压力传感器（10）设置在蓄冷罐（21）的制冷剂接口的外侧；压力传感器（10）和温度传感器（9）均与数据采集系统（25）相连接，数据采集系统（25）与计算机（24）相连接。

7.根据权利要求1所述的基于制冷剂沸腾-冷凝循环过程的水合物蓄冷装置，其特征在于，所述制冷装置包括热力膨胀阀（15）、第一冷凝器（18）、第一压缩机（17）、第一换热器（14）和第二换热器（20），热力膨胀阀（15）分别与第一换热器（14）和第一冷凝器（18）相连接；第一压缩机（17）与第二换热器（20）相连接；第二换热器（20）与第一冷凝器（18）相连接；第一换热器（14）与第一压缩机（17）相连接，第一换热器（14）与蓄冷罐（21）中的盘管相连接；所述取冷装置（13）与阀门（7）相连接，取冷装置（13）外设有旁通，旁通的阀门（7）通过第三溶液泵（16）与蓄冷罐（21）内的盘管相连接；旁通的另一侧与第一换热器（14）相连接。

8.根据权利要求1所述的基于制冷剂沸腾-冷凝循环过程的水合物蓄冷装置，其特征在于，所述加热装置包括电热丝（15）和流通有载冷剂的加热管路，加热管路通过第一溶液泵（22）与制冷装置的第二换热器（20）的两端相连接，电热丝（15）和加热管路设置在蓄冷罐（21）的下方。

9.根据权利要求1或8所述的基于制冷剂沸腾-冷凝循环过程的水合物蓄冷装置，其特征在于，所述蓄冷罐（21）由不锈钢制成；所述制冷剂为卤代烃制冷剂，卤代烃制冷剂为包括R12、R22或R134a饱和液体密度比水大的制冷剂。

10.根据权利要求4至8中任意一项所述的基于制冷剂沸腾-冷凝循环过程的水合物蓄冷装置，其特征在于，工作过程为：蓄冷时，通过第二溶液泵向蓄冷罐（21）中充入一定量的去离子水，去离子水由蓄冷罐（21）中的盘管冷却；由配气装置的制冷剂气瓶（26）向蓄冷罐（21）内注入制冷剂，制冷剂在蓄冷罐（21）中冷凝后沉入蓄冷罐（21）底部，加热装置的电热丝（23）和加热管路使蓄冷罐（21）内的制冷剂液体蒸发，达到沸腾产生气泡，气泡上浮过程达到生成水合物的压力和温度，进而生成制冷剂水合物；数据采集装置采集蓄冷罐（21）内的温度和压力，判断水合物的生成程度；未生成水合物的制冷剂气体再次冷凝沉入蓄冷罐（21）的底部，如此反复的沸腾冷凝循环，直至所有的制冷剂全部生成水合物，蓄冷完成；取冷时，关闭制冷装置，关闭旁通的阀门（7），打开取冷装置（13）和与其连接的阀门（7），通过降压装置对蓄冷罐（21）进行降压促进蓄冷罐（21）内的水合物分解，水合物分解是个吸热过程，取冷装置（13）取得冷量；同时，打开压缩储液装置上的阀门（7），让分解产生的制冷剂气体进入缓冲储气罐（5），经干燥过滤器（6）、第二压缩机（4）和第二冷凝器（3）作用后储存在制冷剂储液罐（1）中，以便循环利用。