CN108362033A - 一种氨基离子液体水溶液吸收式制冷工质系统及应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制冷技术领域，更具体地，涉及一种氨基离子液体水溶液吸收式制冷工质系统及应用方法，所述制冷工质系统包括蒸发器、吸收器、发生器、冷却器，所述蒸发器、吸收器、发生器、冷却器顺次连接，所述蒸发器与冷却器通过热交换器循环连接，所述吸收器与发生器通过溶液热交换器循环连接。

Description

一种氨基离子液体水溶液吸收式制冷工质系统及应用方法
技术领域
本发明涉及一种制冷技术领域，更具体地，涉及一种氨基离子液体水溶液吸收式制冷工质系统及应用方法。
背景技术
影响吸收式制冷循环性能的主要因素是制冷工质对的选择。传统制冷工质主要有水，氨，氟利昂和醇类，其自身都有着各自的缺陷。例如水作为制冷剂时，不能制取0℃以下的冷源，在高温下易腐蚀结晶；氨作为制冷剂时，有毒，氨水吸收式制冷设备需要蒸馏；氟利昂作为制冷剂，GWP(全球变暖潜能值)与ODP(臭氧消耗潜值)较高，因此需要寻找新的制冷工质对。
CO2作为一种安全环保的自然工质，其化学性质稳定，没有可燃性，具有良好的流动和传热特性，在高压的工作环境下，单位体积制冷量大，使用CO2作为制冷工质，对大气臭氧层没有破坏作用，可以减少温室效应。目前，CO2应用于吸收式制冷的主要问题是吸收剂的选择，CO2吸收式制冷的吸收剂主要有丙酮(C3H6O)和N-甲基-2-吡咯烷酮(C5H9NO)，但丙酮具有毒性且易燃。所以需要寻找新的吸收剂。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种氨基离子液体水溶液吸收式制冷工质系统，。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种氨基离子液体水溶液吸收式制冷工质系统，所述制冷工质系统包括蒸发器、吸收器、发生器、冷却器，所述蒸发器、吸收器、发生器、冷却器顺次连接，所述蒸发器与冷却器通过热交换器循环连接，所述吸收器与发生器通过溶液热交换器循环连接。
本发明一种氨基离子液体水溶液吸收式制冷工质系统，克服传统工质的缺陷，提供一种环保、安全的吸收式制冷工质对离子液体水溶液/CO2。另外，氨基离子液体本身对于CO2的吸收能力就要强于其他种类的离子液体。其中，水的加入更加能提升离子液体对于CO2的吸收能力。
本发明还提供一种氨基离子液体水溶液吸收式制冷工质系统的应用方法，具体步骤如下：
(1)首先，在蒸发器内加入制冷剂，制冷剂蒸发的过程，会从环境中吸收热量，产生制冷效果；
(2)在步骤(1)之后，制冷剂蒸汽吸收过程转移到吸收器内进行，离子液体水溶液吸收过程中，需要向环境放热，吸收器内溶液浓度未达到该状态下的饱和态时，会吸收蒸发器流出的制冷剂气体，从而达到新的平衡；
(3)在步骤(2)之后，发生器内进行释放制冷剂过程，吸收器吸收后的饱和液体经溶液热交换器换热后，进入发生器内加热，从而释放超临界CO2，使吸收剂回复到平衡态，再将其送回吸收器；
(4)在步骤(3)之后，冷却器内进行制冷剂蒸汽冷却；从发生器内流出的超临界制冷剂流体，通过管道进入冷却器冷却，变为饱和液体，由于冷却器中为超临界状态，在进入蒸发器前，先与蒸发器流出的制冷剂气体进行热交换后，进行回收热量，再经膨胀机等熵过程，最后进入蒸发器。
优选地，在步骤(1)中，将蒸发器设定蒸发温度为5℃向环境输出8℃的冷水。
优选地，在步骤(2)中，吸收器内设定的吸收温度为30℃，压力为蒸发器内压力4MPa，反应平衡时，每摩尔离子液体吸收0.75摩尔CO2。
优选地，在步骤(3)中，发生器内设定的发生温度为150℃，发生器内压力为8MPa，外部热源温度160℃以上，发生器温度更高可以释放更多的CO2。
优选地，在步骤(4)中，冷凝温度为30℃。
优选地，在步骤(1)中所述工质为组合离子与CO2组合，所述离子为阴离子或者阳离子上含氨基的功能型离子液体，包括3-丙胺基-三丁基磷甘氨酸盐([aP4443][Gly])，1-氨丙基-3-甲基咪唑溴盐([APMim][Br])，1－(3－丙胺基)－3－丁基咪唑四氟硼酸盐([NH2p]-bimBF4),1–(3-氨基丙基)-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([APmim][BF4])，1-氨乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐[AEMIM][BF4]，1,1,3,3-四甲基胍高氯酸盐([TMG][ClO4]，3-丙氨基-三丁基鏻丙氨酸盐([aP4443][Ala])，3-丙氨基-三丁基鏻缬氨酸盐([aP4443][Val])。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供一种氨基离子液体水溶液吸收式制冷工质系统，克服传统工质的缺陷，提供一种环保、安全的吸收式制冷工质对离子液体水溶液/CO2。另外，氨基离子液体本身对于CO2的吸收能力就要强于其他种类的离子液体。其中，水的加入更加能提升离子液体对于CO2的吸收能力。
附图说明
图1为一种氨基离子液体水溶液吸收式制冷工质系统的原理图。
图2为图1的应用过程中的趋势图。
图3为图1的应用过程中的另一趋势图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例
如图1至3所示为本发明一种氨基离子液体水溶液吸收式制冷工质系统的实施例，制冷工质系统包括蒸发器1、吸收器2、发生器3、冷却器4，蒸发器1、吸收器2、发生器3、冷却器4顺次连接，蒸发器1与冷却器4通过热交换器5循环连接，吸收器2与发生器3通过溶液热交换器6循环连接。
其中，本发明还提供了一种所述的氨基离子液体水溶液吸收式制冷工质系统的应用方法，具体步骤如下：
(1)首先，在蒸发器1内加入制冷剂，制冷剂蒸发的过程，会从环境中吸收热量，产生制冷效果；
(2)在步骤(1)之后，制冷剂蒸汽吸收过程转移到吸收器2内进行，离子液体水溶液吸收过程中，需要向环境放热，吸收器2内溶液浓度未达到该状态下的饱和态时，会吸收蒸发器1流出的制冷剂气体，从而达到新的平衡；
(3)在步骤(2)之后，发生器3内进行释放制冷剂过程，吸收器2吸收后的饱和液体经溶液热交换器换热后，进入发生器3内加热，从而释放超临界CO2，使吸收剂回复到平衡态，再将其送回吸收器2；
(4)在步骤(3)之后，冷却器4内进行制冷剂蒸汽冷却；从发生器3内流出的超临界制冷剂流体，通过管道进入冷却器4冷却，变为饱和液体，由于冷却器4中为超临界状态，在进入蒸发器1前，先与蒸发器1流出的制冷剂气体进行热交换后，进行回收热量，再经膨胀机等熵过程，最后进入蒸发器1。
在步骤(1)中，将蒸发器1设定蒸发温度为5℃向环境输出8℃的冷水。其中，在步骤(2)中，吸收器2内设定的吸收温度为30℃，压力为蒸发器内压力4MPa，反应平衡时，每摩尔离子液体吸收0.75摩尔CO2。
另外，在步骤(3)中，发生器3内设定的发生温度为150℃，发生器3内压力为8MPa，外部热源温度160℃以上，发生器温度更高可以释放更多的CO2
其中，在步骤(4)中，冷凝温度为30℃。
其中，在步骤(1)中所述工质为组合离子与CO2组合，所述离子为阴离子或者阳离子上含氨基的功能型离子液体，包括3-丙胺基-三丁基磷甘氨酸盐([aP4443][Gly])，1-氨丙基-3-甲基咪唑溴盐([APMim][Br])，1－(3－丙胺基)－3－丁基咪唑四氟硼酸盐([NH2p]-bimBF4),1–(3-氨基丙基)-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([APmim][BF4])，1-氨乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐[AEMIM][BF4]，1,1,3,3-四甲基胍高氯酸盐([TMG][ClO4]，3-丙氨基-三丁基鏻丙氨酸盐([aP4443][Ala])，3-丙氨基-三丁基鏻缬氨酸盐([aP4443][Val])。
具体的应用实施例如下：
对3-丙胺基-三丁基磷甘氨酸盐([aP4443][Gly])水溶液比热容数据进行了拟合，比热：CP＝Cij*T^i*W2^j，i＝0,1j＝0,1,2,3,4
其中CP为比热容，单位为KJ/(kg·K)，T为温度，单位为K，W2为水质量分数。得到的结果如下表所示。
水溶液比焓：单位为kJ/kg，其中h303.15K为303.15K时，离子液体水溶液的过余焓。
离子液体+水+CO2混合体系焓值：hm＝hIL+w*ωIL+w+hCO2*ωCO2，单位为kJ/kg
对水质量分数为0.599的-丙胺基-三丁基磷甘氨酸盐([aP4443][Gly])水溶液与CO2组成工质对应用于单效吸收式制冷进行了计算，在蒸发温度5℃，冷凝温度30℃，吸收温度30℃时，对循环过程在不同发生器温度下进行计算，得到的结果与氨水进行对比，如下图2所示。
从图2中可以看出，由于氨水的易挥发性，发生温度无法提升，由于离子液体的热稳定好，并且其蒸汽压几乎为0，可以拥有很高的发生器温度，从而获得较大的COP。当发生器温度在410K时，cop可以达到0.9以上。由此可见离子液体的单效循环在较高发生温度下有一定的优势。
对该制冷工质对应用于双效吸收式制冷循环进行了分析，整个系统稳态运行，吸收过程和发生过程达到平衡，系统对外的热损失，流体通过换热器的压降以及溶液泵功忽略不计。同样的，蒸发温度5℃，吸收温度30℃，冷凝温度30℃，得到的结果如下图3所示。
从图3中可以看到，当发生温度为410K时，双效吸收式制冷循环效率可以达到1以上。
通过对水含量为0.599的[aP4443][Gly])水溶液与CO2组成工质对的吸收式制冷循环的分析，发生温度400K以上时，单效循环的性能增长变慢，可以考虑应用双效吸收式制冷，当高温发生器温度达到410K以上时，双效制冷循环可以获得很好的效果，获得1以上的COP。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种氨基离子液体水溶液吸收式制冷工质系统，其特征在于，所述制冷工质系统包括蒸发器（1）、吸收器（2）、发生器（3）、冷却器（4），所述蒸发器（1）、吸收器（2）、发生器（3）、冷却器（4）顺次连接，所述蒸发器（1）与冷却器（4）通过热交换器（5）循环连接，所述吸收器（2）与发生器（3）通过溶液热交换器（6）循环连接。
2.一种根据权利要求1所述的氨基离子液体水溶液吸收式制冷工质系统的应用方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）首先，在蒸发器（1）内的工质加入制冷剂，制冷剂蒸发的过程，会从环境中吸收热量，产生制冷效果；
（2）在步骤（1）之后，制冷剂蒸汽吸收过程转移到吸收器（2）内进行，离子液体水溶液吸收过程中，需要向环境放热，吸收器（2）内溶液浓度未达到该状态下的饱和态时，会吸收蒸发器（1）流出的制冷剂气体，从而达到新的平衡；
（3）在步骤（2）之后，发生器（3）内进行释放制冷剂过程，吸收器（2）吸收后的饱和液体经溶液热交换器换热后，进入发生器（3）内加热，从而释放超临界CO2，使吸收剂回复到平衡态，再将其送回吸收器（2）；
（4）在步骤（3）之后，冷却器（4）内进行制冷剂蒸汽冷却；从发生器（3）内流出的超临界制冷剂流体，通过管道进入冷却器（4）冷却，变为饱和液体，由于冷却器（4）中为超临界状态，在进入蒸发器（1）前，先与蒸发器（1）流出的制冷剂气体进行热交换后，进行回收热量，再经膨胀机等熵过程，最后进入蒸发器（1）。
3.根据权利要求2所述的氨基离子液体水溶液吸收式制冷工质系统的应用方法，其特征在于，在步骤（1）中，将蒸发器（1）设定蒸发温度为5℃向环境输出8℃的冷水。
4.根据权利要求3所述的氨基离子液体水溶液吸收式制冷工质系统的应用方法，其特征在于，在步骤（2）中，吸收器（2）内设定的吸收温度为30℃，压力为蒸发器内压力4MPa，反应平衡时，每摩尔离子液体吸收0.75摩尔CO2。
5.根据权利要求4所述的氨基离子液体水溶液吸收式制冷工质系统的应用方法，其特征在于，在步骤（3）中，发生器（3）内设定的发生温度为150℃，发生器（3）内压力为8MPa，外部热源温度160℃以上，发生器温度更高可以释放更多的CO2。
6.根据权利要求4所述的氨基离子液体水溶液吸收式制冷工质系统的应用方法，其特征在于，在步骤（4）中，冷凝温度为30℃。
7.根据权利要求4所述的氨基离子液体水溶液吸收式制冷工质系统的应用方法，其特征在于，在步骤（1）中所述工质为组合离子与CO2组合，所述组合离子为阴离子或者阳离子上含氨基的功能型离子液体，包括3-丙胺基-三丁基磷甘氨酸盐([aP4443][Gly])，1-氨丙基-3-甲基咪唑溴盐([APMim][Br])，1－(3－丙胺基)－3－丁基咪唑四氟硼酸盐([NH2p]-bimBF4), 1 –(3-氨基丙基)-3-甲基咪唑四氟硼酸盐 ([APmim][BF4])，1-氨乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐[AEMIM][BF4]，1,1,3,3-四甲基胍高氯酸盐([TMG][ClO4]，3-丙氨基-三丁基鏻丙氨酸盐([aP4443][Ala])，3-丙氨基-三丁基鏻缬氨酸盐([aP4443][Val])。
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