CN108548443B - 热化学吸附储热装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种热化学吸附储热装置，包括换热器(1)、吸附器(7)以及储液器(18)；所述换热器(1)通过法兰(4)与吸附器(7)相连接；所述换热器(1)的顶部通过泵液机构与储液器(18)相连接；所述换热器(1)的侧部通过排液机构与储液器(18)相连接。本发明提供的热化学吸附储热装置储热密度高，热量损失小，热能释放过程温升大，适合长期储热。本发明提供的热化学吸附储热装置安全可靠，可以使用电能和太阳能储热，有效提高建筑能源系统的灵活性，实现节能减排。

Description

热化学吸附储热装置

技术领域

本发明涉及储热装置领域，具体地，涉及一种热化学吸附储热装置。

背景技术

随着世界能耗的增加和化石燃料的枯竭，可持续发展越来越受到重视。更好地利用现有能源和从现有能源转向可再生能源是节能减排的两个有效途径。为了应对能源供给侧和需求侧在时间、空间和功率方面的差异，也为了改善太阳能等可再生能源存在的间歇性和不稳定问题，储能技术提供了理想的解决方法。相比机械能和电能的储存，热能储存技术有成本低、容量大、适用于绿色建筑和太阳能集热器等优点。因此，热能储存技术有广泛的应用前景。

热能储存技术包括显热、相变潜热和热化学储热。热化学储热包括吸附、吸收、化学反应储热。相比显热和相变潜热储热，热化学储热具有储热密度高、热能可以储存在室温下的介质内、热能储存期间不会自释放、热能释放时有显著温升、适合长期和跨季节储热等优点。目前，建筑能耗约占世界能耗的三分之一。热能储存和电热转换可以有效提高建筑能源系统的灵活性。当电能过剩时或在离峰时间，可以使用电加热器将电能转换为热能储存。当缺少电能时或在尖峰时间，可以将储存的热能释放到热用户。将使用电加热器作为热源的储热装置应用到建筑中可以从需求侧管理的角度对用电负载移峰填谷，降低用于供热的化石燃料消耗量，增加能源的利用率并减少二氧化碳排放。此外，由于储热装置与太阳能集热器固有的兼容性，储热装置可以方便地使用安装在建筑的太阳能集热器作为热源。因此，结合太阳能集热器与电加热器的热化学储热装置有较高的灵活性，可以占用较少的建筑空间，缓解建筑用能需求侧与供给侧的差异，为节能减排做出贡献。

经过对现有技术的检索，专利文献申请号为CN201710324263.1，公告号为CN107062973A公开了一种相变储热供热机组，其使用加热管加热置于储热罐体内的相变材料，通过导热油与相变材料进行热交换，该专利文献采用相变潜热储热技术，其缺点为储热密度低、储热期间热量损失大、不适合长期储热，此外，该专利文献的加热管置于导热油和储热罐体内，如果发生故障不易维护；另一个专利文献申请号为CN201410191447.1,公告号为CN104006540A公开了一种热化学储能测试装置及测试方法，该专利文献使用太阳能集热器加热储能反应器中的氧化钙/氢氧化钙，氢氧化钙分解为氧化钙和水，将热能转换为化学能储存，该专利文献的缺点为反应物氢氧化钙的分解温度过高，如果仅使用太阳能集热器为热源，在太阳辐照强度较低时反应物无法达到分解温度，此外，为了实现长期储热需要将氧化钙与水隔开，因此反应器和冷凝器/蒸发器之间设有真空阀门，为减小水蒸气流动阻力需要选取大直径的阀门，这使得该专利文献的装置成本增加，也影响了可靠性与操作简便性。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种热化学吸附储热装置。

根据本发明提供的一种热化学吸附储热装置，包括换热器、吸附器以及储液器；

所述换热器通过法兰与吸附器相连接；

所述换热器的顶部通过泵液机构与储液器相连接；

所述换热器的侧部通过排液机构与储液器相连接。

优选地，所述泵液机构包括泵液管、泵液控制阀；

所述泵液管的一端经换热器的第一管道孔延伸至换热器内，另一端经泵液控制阀、储液器的第一管道孔延伸至储液器内。

优选地，所述排液机构包括排液管、排液控制阀、维护阀；

所述排液管的一端经换热器的第二管道孔延伸至换热器内，另一端经排液控制阀、储液器的第二管道孔延伸至储液器内；

所述排液管的侧部延伸出一个突出端；

所述突出端设置有维护阀。

优选地，所述法兰通过隔热法兰垫片、密封圈能够使所述换热器与吸附器相连接。

优选地，所述换热器包括换热盘管、液体托盘；

所述换热盘管缠绕在液体托盘的内部；

所述换热盘管的两端延伸至换热器的侧部；

所述泵液机构的泵液管的一端位于液体托盘的上方；

所述排液机构的排液管的一端位于液体托盘的下方。

优选地，还包括主加热器；

所述主加热器设置在吸附器的外部；

所述热化学吸附储热装置，还包括辅助加热器；

所述辅助加热器设置在储液器的外部。

优选地，所述换热器、吸附器以及主加热器均裹覆有保温套。

优选地，所述储液器、辅助加热器均裹覆有储液器保温套。

优选地，所述吸附器包括吸附器换热盘管、传质通道；

所述吸附器换热盘管缠绕在传质通道的外部；

所述吸附器换热盘管的两端延伸至吸附器的两侧；

所述吸附器容纳有吸附剂。

优选地，具有热能储存模式和/或热能释放模式；

在热能储存模式中，主加热器或/和吸附器换热盘管中的换热流体加热吸附器中的吸附剂，吸附剂在被加热后解吸出制冷剂蒸气，制冷剂蒸气沿着传质通道进入换热器并在液体托盘内冷凝，冷凝热由换热盘管中的换热流体吸收后释放到环境，冷凝后的制冷剂液体通过排液管和排液控制阀进入储液器；

在热能释放模式中，储液器中的制冷剂经过辅助加热器的加热后温度与压强升高，制冷剂蒸气压将储液器中的制冷剂液体通过泵液管和泵液控制阀泵送至液体托盘，制冷剂在换热器中蒸发，换热盘管中的换热流体为制冷剂提供蒸发热，制冷剂蒸气沿着传质通道进入吸附器后被吸附剂吸附并释放出吸附热，吸附器换热盘管中的换热流体吸收吸附剂的显热和/或吸附热后温度升高并向热用户供热。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的热化学吸附储热装置储热密度高，热量损失小，热能释放过程温升大，适合长期储热；本发明提供的热化学吸附储热装置可以将热能转换为吸附势能或/和化学能储存，相对于传统的显热和相变潜热储热装置，本发明的储热密度高，系统仅需要占用较小的体积，传统的显热和相变潜热储热装置在储热过程中与环境有较大的温差，容易造成大量的热量损失，由于吸附势能和化学能可以储存在室温下，本发明在储热时的热量损失小，在储存热能时，将吸附剂与制冷剂隔开吸附热就不会释放，当需要释放吸附热时，只要使吸附剂接触到制冷剂蒸气，吸附剂就会释放大量的吸附热并有较大的温升，因此本发明适合长期储热；

2、本发明提供的热化学吸附储热装置有较高的可靠性和安全性，可用于家庭住宅和建筑采暖；本发明提供的热化学吸附储热装置通过增加分离式储液器，可以将制冷剂贮存在储液器中并与吸附器中的吸附剂隔开，实现长期储热，吸附器和换热器之间无需大直径的阀门用于制冷剂蒸气流通，无阀门吸附器和分离式储液器的设计降低了装置的成本，减小了吸附器与换热器之间的蒸气流动阻力，提升了装置的可靠性，根据需要可以使用水作为制冷剂，无毒且真空系统没有压力容器爆破的风险，有较高的安全性，本发明安全可靠，操作维护简便，控制逻辑清晰，可以结合自动控制系统，用于家庭住宅和建筑采暖；

3、本发明提供的热化学吸附储热装置可以使用电能和太阳能储热，有较高的灵活性；本发明提供的热化学吸附储热装置可以使用电加热器和太阳能集热器为热源，当太阳能集热器提供的热源温度和热量足够完成装置的热能储存阶段时，可以仅使用太阳能集热器为热源，当太阳能集热器提供的热源温度或热量不足时，可以在使用太阳能集热器为热源后使用电加热器提升热源温度或补充热量，当没有安装太阳能集热器或电能过剩或需要对用电负载移峰填谷时，可以仅使用电加热器为热源，本发明可以与现有建筑能源系统有机结合，为其增加较高的灵活性，实现节能减排。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的热化学吸附储热装置整体结构示意图。

图中附图标记如下表所示：

换热器1	主加热器11
		换热盘管2	保温套12
液体托盘3	泵液管13
		法兰4	泵液控制阀14
隔热法兰垫片5	排液管15
		密封圈6	排液控制阀16
吸附器7	维护阀17
		吸附器换热盘管8	储液器18
传质通道9	储液器保温套19
		吸附剂10	辅助加热器20

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种热化学吸附储热装置，包括换热器1、吸附器7以及储液器18；所述换热器1通过法兰4与吸附器7相连接；所述换热器1的顶部通过泵液机构与储液器18相连接；所述换热器1的侧部通过排液机构与储液器18相连接。

所述泵液机构包括泵液管13、泵液控制阀14；所述泵液管13的一端经换热器1的第一管道孔延伸至换热器1内，另一端经泵液控制阀14、储液器18的第一管道孔延伸至储液器18内。

所述排液机构包括排液管15、排液控制阀16、维护阀17；所述排液管15的一端经换热器1的第二管道孔延伸至换热器1内，另一端经排液控制阀16、储液器18的第二管道孔延伸至储液器18内；所述排液管15的侧部延伸出一个突出端；所述突出端设置有维护阀17，所述维护阀17用于本发明提供的热化学吸附储热装置的抽真空及加制冷剂维护。

所述法兰4通过隔热法兰垫片5、密封圈6能够使所述换热器1与吸附器7相连接。

所述换热器1包括换热盘管2、液体托盘3；所述换热盘管2缠绕在液体托盘3的内部；所述换热盘管2的两端延伸至换热器1的侧部；所述泵液机构的泵液管13的一端位于液体托盘3的上方；所述排液机构的排液管15的一端位于液体托盘3的下方。

本发明提供的热化学吸附储热装置，还包括主加热器11；所述主加热器11设置在吸附器7的外部；所述热化学吸附储热装置，还包括辅助加热器20；所述辅助加热器20设置在储液器18的外部。

所述换热器1、吸附器7以及主加热器11均裹覆有保温套12。

所述储液器18、辅助加热器20均裹覆有储液器保温套19。

所述吸附器7包括吸附器换热盘管8、传质通道9；所述吸附器换热盘管8缠绕在传质通道9的外部；所述吸附器换热盘管8的两端延伸至吸附器7的两侧；所述吸附器7容纳有吸附剂10。

本发明提供的热化学吸附储热装置，以下简称装置，具有热能储存模式和/或热能释放模式；在热能储存模式中，主加热器11或/和吸附器换热盘管8中的换热流体加热吸附器7中的吸附剂10，吸附剂10在被加热后解吸出制冷剂蒸气，制冷剂蒸气沿着传质通道9进入换热器1并在液体托盘3内冷凝，冷凝热由换热盘管2中的换热流体吸收后释放到环境，冷凝后的制冷剂液体通过排液管15和排液控制阀16进入储液器18；在热能释放模式中，储液器18中的制冷剂经过辅助加热器20的加热后温度与压强升高，制冷剂蒸气压将储液器18中的制冷剂液体通过泵液管13和泵液控制阀14泵送至液体托盘3，制冷剂在换热器1中蒸发，换热盘管2中的换热流体为制冷剂提供蒸发热，制冷剂蒸气沿着传质通道9进入吸附器7后被吸附剂10吸附并释放出吸附热，吸附器换热盘管8中的换热流体吸收吸附剂10的显热和/或吸附热后温度升高并向热用户供热。

具体地说，装置的吸附器7和换热器1之间不设置阀门，储液器18与换热器1分离，在装置储存热能不进行释放时，可以将制冷剂贮存在储液器18中并与吸附器7中的吸附剂10隔开。

所述吸附器7内设置有若干个传质通道9，传质通道9由外侧贴附有金属丝网的多孔管构成，吸附器换热盘管8缠绕在传质通道9外侧和吸附器7内壁之间，传质通道9外侧、吸附器换热盘管8外侧和吸附器7内壁之间填充有吸附剂10。

所述吸附剂10包括可以与选用的制冷剂发生物理或化学反应的活性炭、硅胶、沸石、分子筛、金属有机框架材料、多孔材料、物理吸附剂、金属氧化物、金属氢化物、盐、碱等和上述材料的复合材料等，吸附剂10中可以添加膨胀石墨或硫化膨胀石墨等材料提升导热系数。

所述换热器1内设置有液体托盘3，液体托盘3中心有用于制冷剂蒸气流通的通道，液体托盘3顶部开放于换热器1内腔，换热盘管2缠绕在液体托盘3外侧和换热器1内壁之间。

所述吸附器7和换热器1通过一对法兰4、一个隔热法兰垫片5及两个密封圈6经由螺栓和螺母连接，吸附器7位于下方，换热器1位于上方。

所述储液器18内贮存有制冷剂，贴附于储液器18的辅助加热器20可以提高储液器18中制冷剂的温度与压强，足够高的制冷剂蒸气压可以使储液器18中的制冷剂液体通过泵液管13进入液体托盘3。

所述泵液管13连接液体托盘3上方的换热器1顶部与储液器18内腔中下部，泵液控制阀14用于控制泵液管13的通断，泵液管13尾端伸入储液器18内腔底部并折回至储液器18内腔中下部呈U形，泵液管13的U形尾端可确保储液器18中始终保留有一定量的制冷剂液体，避免贴附于储液器18的辅助加热器20干烧，若在冷凝过程中打开泵液控制阀14，泵液管13的U形尾端可确保换热器1中的压强始终大于储液器18中的压强，使换热器1和储液器18的压差足够让液体托盘3中的制冷剂液体通过排液管15进入储液器18。

所述排液管15连接液体托盘3底部与储液器18顶部，排液控制阀16用于控制排液管的通断。

下面对本发明提供的热化学吸附储热装置的工作原理进行进一步说明：

在使用装置前，将装置通过维护阀17连接真空泵抽真空并向储液器18加入适量的制冷剂，维护阀17在装置工作时始终关闭；主加热器11安装贴附在吸附器7的外表面，辅助加热器20安装贴附在储液器18的外表面；保温套12裹覆在换热器1、吸附器7和主加热器11的外表面，储液器保温套19裹覆在储液器18和辅助加热器20的外表面。

在热能储存阶段，贴附于吸附器7的主加热器11或/和吸附器换热盘管8中的换热流体加热吸附器7中的吸附剂10，吸附剂10在被加热后解吸出制冷剂蒸气，换热器1用作冷凝器，制冷剂蒸气沿着传质通道9进入换热器1并在液体托盘3内冷凝，冷凝热由换热盘管2中的换热流体吸收后释放到环境，冷凝后的制冷剂液体通过排液管15和排液控制阀16进入储液器18，输入装置的热能部分转换为吸附势能或/和化学能储存在装置中。

在热能释放阶段，储液器18中的制冷剂经过贴附于储液器18的辅助加热器20的加热后温度与压强升高，制冷剂蒸气压将储液器18中的制冷剂液体通过泵液管13和泵液控制阀14泵送至液体托盘3，换热器1用作蒸发器，制冷剂在换热器1中蒸发，换热盘管2中的换热流体为制冷剂提供蒸发热，制冷剂蒸气沿着传质通道9进入吸附器7后被吸附剂10吸附并释放出吸附热，吸附器换热盘管8中的换热流体吸收吸附剂10的显热和/或吸附热后温度升高并向热用户供热，储存在装置中的吸附势能或/和化学能转换为热能输出。

本实施例工作时，具体实施过程为：

在热能储存阶段，关闭泵液控制阀14，关闭排液控制阀16；

(1)以太阳能集热器为热源的热能储存过程；

开启进入吸附器换热盘管8的来自于太阳能集热器出口的换热流体加热吸附剂10，开启进入换热盘管2的换热流体吸收冷凝热并释放到环境，当太阳能集热器提供的热源温度和热量足够完成装置的热能储存阶段时，可以仅使用太阳能集热器为热源；

(2)以电加热器为热源的热能储存过程；

关闭进入吸附器换热盘管8的换热流体，开启贴附于吸附器7的主加热器11，开启进入换热盘管2的换热流体吸收冷凝热并释放到环境，当太阳能集热器提供的热源温度或热量不足时，可以在使用太阳能集热器为热源后使用电加热器提升热源温度或补充热量，当没有安装太阳能集热器或电能过剩或需要对用电负载移峰填谷时，可以仅使用电加热器为热源；

热能储存阶段结束时，吸附剂10的温度达到预设定值，换热器1中的制冷剂液位不再升高，这时，关闭进入吸附器换热盘管8的换热流体，关闭贴附于吸附器7的主加热器11，开启排液控制阀16，当液体托盘3中的制冷剂液体全部排至储液器18后关闭排液控制阀16，关闭进入换热盘管2的换热流体；

在热能释放阶段，关闭泵液控制阀14，关闭排液控制阀16；

(1)显热回收过程；

开启进入吸附器换热盘管8的换热流体回收吸附剂10的显热并向热用户供热，当吸附器换热盘管8的出口温度低于预设定值时，关闭进入吸附器换热盘管8的换热流体，显热回收过程结束；

(2)吸附热释放回收过程；

开启贴附于储液器18的辅助加热器20，当储液器18中的制冷剂蒸气压达到预设定值时关闭贴附于储液器18的辅助加热器20并开启泵液控制阀14，当换热器1中的制冷剂液位达到预设定值时关闭泵液控制阀14，吸附剂10吸附从液体托盘3蒸发的制冷剂蒸气并释放吸附热，开启进入换热盘管2的换热流体为制冷剂提供蒸发热，开启进入吸附器换热盘管8的换热流体回收吸附热并向热用户供热，当吸附器换热盘管8的出口温度低于预设定值时，关闭进入吸附器换热盘管8的换热流体，关闭进入换热盘管2的换热流体，吸附热释放回收过程结束。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种热化学吸附储热装置，其特征在于，包括换热器(1)、吸附器(7)以及储液器(18)；

所述换热器(1)通过法兰(4)与吸附器(7)相连接；

所述换热器(1)的顶部通过泵液机构与储液器(18)相连接；

所述换热器(1)的侧部通过排液机构与储液器(18)相连接；

所述泵液机构包括泵液管(13)、泵液控制阀(14)；

所述泵液管(13)的一端经换热器(1)的第一管道孔延伸至换热器(1)内，另一端经泵液控制阀(14)、储液器(18)的第一管道孔延伸至储液器(18)内；

所述排液机构包括排液管(15)、排液控制阀(16)、维护阀(17)；

所述排液管(15)的一端经换热器(1)的第二管道孔延伸至换热器(1)内，另一端经排液控制阀(16)、储液器(18)的第二管道孔延伸至储液器(18)内；

所述排液管(15)的侧部延伸出一个突出端；

所述突出端设置有维护阀(17)；

所述换热器(1)包括换热盘管(2)、液体托盘(3)；

所述换热盘管(2)缠绕在液体托盘(3)的内部；

所述换热盘管(2)的两端延伸至换热器(1)的侧部；

所述泵液机构的泵液管(13)的一端位于液体托盘(3)的上方；

所述排液机构的排液管(15)的一端位于液体托盘(3)的下方；

所述热化学吸附储热装置还包括主加热器(11)；

所述主加热器(11)设置在吸附器(7)的外部；

所述热化学吸附储热装置，还包括辅助加热器(20)；

所述辅助加热器(20)设置在储液器(18)的外部；

所述泵液管(13)尾端伸入储液器(18)内腔底部并折回至储液器(18)内腔中下部呈U形。

2.根据权利要求1所述的热化学吸附储热装置，其特征在于，所述法兰(4)通过隔热法兰垫片(5)、密封圈(6)能够使所述换热器(1)与吸附器(7)相连接。

3.根据权利要求1所述的热化学吸附储热装置，其特征在于，所述换热器(1)、吸附器(7)以及主加热器(11)均裹覆有保温套(12)。

4.根据权利要求1所述的热化学吸附储热装置，其特征在于，所述储液器(18)、辅助加热器(20)均裹覆有储液器保温套(19)。

5.根据权利要求1所述的热化学吸附储热装置，其特征在于，所述吸附器(7)包括吸附器换热盘管(8)、传质通道(9)；

所述吸附器换热盘管(8)缠绕在传质通道(9)的外部；

所述吸附器换热盘管(8)的两端延伸至吸附器(7)的两侧；

所述吸附器(7)容纳有吸附剂(10)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的热化学吸附储热装置，其特征在于，具有热能储存模式和/或热能释放模式；

在热能储存模式中，主加热器(11)或/和吸附器换热盘管(8)中的换热流体加热吸附器(7)中的吸附剂(10)，吸附剂(10)在被加热后解吸出制冷剂蒸气，制冷剂蒸气沿着传质通道(9)进入换热器(1)并在液体托盘(3)内冷凝，冷凝热由换热盘管(2)中的换热流体吸收后释放到环境，冷凝后的制冷剂液体通过排液管(15)和排液控制阀(16)进入储液器(18)；

在热能释放模式中，储液器(18)中的制冷剂经过辅助加热器(20)的加热后温度与压强升高，制冷剂蒸气压将储液器(18)中的制冷剂液体通过泵液管(13)和泵液控制阀(14)泵送至液体托盘(3)，制冷剂在换热器(1)中蒸发，换热盘管(2)中的换热流体为制冷剂提供蒸发热，制冷剂蒸气沿着传质通道(9)进入吸附器(7)后被吸附剂(10)吸附并释放出吸附热，吸附器换热盘管(8)中的换热流体吸收吸附剂(10)的显热和/或吸附热后温度升高并向热用户供热。

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