CN109443065B - 一种基于主动结晶技术的大浓差吸收式蓄能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于主动结晶技术的大浓差吸收式蓄能装置，本发明将溶液罐与制冷剂罐的换热与喷淋部分做成一个整体，中间使用挡液板，能够有效降低蒸汽通过阻力，避免气体阀门及气体管路的使用，能够有效提升溶液浓度差及蓄能密度。进一步优化了设备整体结构和运行效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于主动结晶技术的大浓差吸收式蓄能装置，属于制冷、制热及蓄能领域。
背景技术
吸收式蓄能具有蓄能密度高、热损失小的优点，在制冷与空调领域是一种发展前景较好的技术，对工业余热、可再生能源等低品位能源的利用及环境保护具有重要意义。
可再生能源等低品位能源的利用存在一些难题。其一，由于气候的四季变换、昼夜交替、工艺生产和人员活动的变化，能源用户其终端冷、热、电负荷需求在时间、强度和空间上的分布极度不均匀，经常会出现负荷需求的峰谷现象。其二，太阳能等可再生能源受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，到达地面的太阳辐照度既是间断的，又是极不稳定的。
余热利用技术也存在一定的限制性。余热资源虽然来源广泛、温度范围广、存在形式多样，但由于工艺生产过程中存在周期性、间断性或生产波动，导致余热量不稳定；余热介质中或含有腐蚀性物质；余热利用装置受场地、生产等固有条件限制。
以上描述的这些能源具有随机性、低密度、低品位等缺点，负荷的波动性存在时间和强度上的不同步，限制了该种能源形式的直接利用。
蓄能技术能够较有效地解决能源供给与需求之间在时间、空间及强度上的不匹配的矛盾，在节能领域是一种较为重要的提高能源利用率的手段。以往使用的热能蓄存技术中，显热和潜热蓄能被广泛的使用，发展较为成熟。化学蓄能研究起步较晚。选择合适的工质对，如溴化锂/水、水/氨等，可降低发生温度，使得太阳能等可再生能源、工业余热能源等在该系统中能够得到较好的应用。
当含有工质对的溶液受热蒸发浓缩后，溶液的浓度增加，可提高吸收式蓄能装置的蓄能密度和蓄能效率。然而，当蓄能结束形成高能度的溶液之后，若存储时间较长，溶液将受到环境冷却的影响会出现两大风险：1)溶液罐中的热量通过罐壁和罐底部传递出去，降温后的溶液会在温度较低的罐壁和罐底部析出晶体，从而会堆积于溶液罐底部这部分晶体难以在释能阶段完全溶解；2)高浓度溶液会在溶液泵、循环管路上析出晶体，影响溶液循环系统的正常运行。为了追求高浓度溶液在常温下长时间蓄存，又要避免晶体出现在上述两大风险区域(不易溶晶区域)，若能将晶体主动形成并控制于流体流速较高换热较好且容易溶解的区域，使得其能在释能阶段完全溶解，并解决溶液罐中晶体堆积的问题。传统蓄能系统如图1所示，即在蓄能罐中增加内部换热器使溶液结晶过程发生在该装置附近区域，能够有效地解决结晶堆积于罐体底部及循环管路堵塞等问题。
但是，为了实现更大能量密度的蓄能，此种设计可以进行改进，采用提高溶液浓度是一种好的思路。对于图1的设计，溶液罐和制冷罐中间连接管需要使用气体阀门控制，为了减小阻力，蒸汽阀门较大，且管路较粗，因为带有阀门的管路都会增加阻力，不利于大浓度差的蓄能和释能过程。
发明内容
借鉴以上描述吸收式蓄能所存在的问题，本发明提出了一种基于主动结晶技术的大浓差吸收式蓄能装置。
一种基于主动结晶技术的大浓差吸收式蓄能装置，包括制冷剂罐，溶液罐，制冷剂罐内部，含有制冷剂位于罐体最底部，第一换热器位于中间，制冷剂喷淋装置位于第一换热器上面，制冷剂罐外部含有制冷剂循环泵，制冷剂循环管路，连接制冷剂液体和制冷剂喷淋装置；
溶液罐内部，含有吸收剂及制冷剂组成的工质对溶液，位于罐体底部，第二换热器位于罐体中间，溶液喷淋装置位于第二换热器上部，溶液罐外部含有溶液循环泵，溶液循环回路，连接溶液液体和溶液喷淋装置；
溶液罐内部包含有螺旋管换热器，螺旋管换热器浸入工质对溶液内部，溶液循环回路上缠绕电辅助加热带给溶液加热；冷却水进口连接螺旋管换热器然后进入冷却水出口，螺旋管换热器下部放置过滤网，溶液循环回路下部开口低于过滤网；
溶液罐及其内部设备与第一换热器、制冷剂喷淋装置和围护结构组成一个整体结构，围护结构和溶液罐之间使用挡液板用于控制制冷剂气体的流通，围护结构下部单独设置制冷剂罐，制冷剂罐和围护结构之间用管路连接，使用制冷剂蓄能保存阀控制。
本发明中的第二换热器可作为发生器使用。溶液罐中的溶液通过溶液泵及管路进入喷淋装置，第二换热器受到外部太阳能、工业余热等低品位热源加热，溶液中制冷剂受热蒸发，制冷剂气体脱离溶液，此时第二换热器相当于发生装置，循环溶液浓度不断升高达到极限值。
本发明中的第二换热器可作为吸收器使用。在真空条件下，浓溶液液体通过挡液板进入喷淋装置，浓溶液吸收来自制冷剂罐的制冷剂蒸汽，溶液变稀放出热量，浓溶液吸收后放出的热量被第二换热器内部中的冷却水吸收带走。
本发明中的第一换热器可作为蒸发器使用。当溶液罐中浓溶液吸收气态制冷剂时，制冷剂罐中的温度较低，且处于真空环境，制冷剂蒸发气体进入溶液罐中被浓溶液吸收，制冷剂的蒸发带走第一换热器中循环水的热量，此时第一换热器相当于蒸发器，可制取冷冻水。
本发明中第一换热器和第二换热器中间使用挡液板隔离溶液和制冷剂，使用挡液板能够有效减小制冷剂通过的压力，改造改进将提高蓄能能量密度，且省去气体阀门和蒸汽管路，节约制造成本。
本发明的溶液罐中所用的螺旋管换热器，使该浓溶液快速形成结晶在设定区域。使用螺旋管换热器，内部通入冷却水将浓溶液快速冷却。同时螺旋管换热器表面作为结晶过程的结晶核。在通入冷却水后，溶液的浓度下降，结晶增加，使用冷却水冷却溶液促进结晶过程所造成的能量损失相对于浓溶液及结晶所蓄的能量相对较小。
本发明的溶液罐中过滤网结构放置在溶液罐底部，过滤网可防止竖直壁面结构物脱落到溶液罐底部，减少罐底部结晶量，以免影响释能效果和循环泵的运行效率，防止堵塞循环管路。
本发明的溶液罐、溶液循环回路外表面都使用柔性橡塑发泡绝热材料进行保温。
本发明的溶液罐中所使用的溶液吸收剂和制冷剂工质对可以为LiBr/H2O、H2O/NH3、LiCl/H2O、LiNO3/H2O、NaBr/H2O、CaCl2/H2O、MgBr2/H2O等，或者其中一种或几种物质的混合物。且需要在溶液加入延缓设备腐蚀和提高溶解度的添加剂。
本发明技术可应用于太阳能、地热能等可再生能源、工业余热回收及能源联供系统。特别适应于电力富裕地区及长周期间歇性蓄能的场所。该装置能更好地在低品位能源的开发和利用中应用。本发明将溶液罐与制冷剂罐的换热与喷淋部分做成一个整体，中间使用挡液板，能够有效降低蒸汽通过阻力，避免气体阀门及气体管路的使用，能够有效提升溶液浓度差及蓄能密度。进一步优化了设备整体结构和运行效率。
附图说明
图1为传统的蓄能装置示意图。
图2为本发明中的基于主动结晶式大浓度差蓄能装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和上述介绍内容，对本发明的技术方案做进一步的详细的描述。
如图1给出了传统的吸收式蓄释能装置示意图。该装置含有：制冷剂罐01，溶液罐02，制冷剂罐01和溶液罐02之间通过制冷剂蒸汽管路20相连，且通过开闭阀21控制。
制冷剂罐01内部，含有制冷剂03位于罐体最底部，第一换热器05位于中间，制冷剂喷淋装置07位于第一换热器05上面，第一换热器进口13和第一换热器出口14，可作为冷却水/冷冻水进出口。外部含有制冷剂循环泵09，制冷剂循环管路11，连接制冷剂03液体和制冷剂喷淋装置07。
溶液罐02内部，含有吸收剂及制冷剂组成的工质对溶液04，位于罐体底部，第二换热器06位于罐体中间，溶液喷淋装置08位于第二换热器上部，外部含有溶液循环泵10，溶液循环回路12，连接溶液04液体和溶液喷淋装置08。开闭阀21用于控制气体的流动。该装置能实现间歇性蓄能和释能过程。
蓄能过程伴随溶液罐02中的工质对溶液04的制冷剂蒸发和及在制冷剂罐01中的冷却成液体制冷剂03，溶液罐02中溶液04或者其晶体能量储存过程。溶液04通过溶液循环泵10及溶液循环回路12进入溶液喷淋装置08。太阳能，地热能等可再生能源、工业余热回收的低品位热能换热后的流体通过热源进口15经过第二换热器06(相当于发生器)，加热由溶液喷淋装置08喷淋下来的稀的工质对溶液04，热源换热流体通过热源出口16流出发生器。加热蒸发的制冷剂，通过制冷剂蒸汽管路20(开闭阀21)，使蒸汽进入制冷剂罐01中。溶液中制冷剂不断蒸发，吸收剂的浓度不断增加，最终达到设定温度及压力条件的溶液浓度极限值。进入制冷剂罐01中的制冷剂蒸汽通过第一换热器05(相当于冷凝器)冷却变成制冷剂液体沉降到罐体底部。第一换热器05中走的是冷却水，第一换热器进口13为冷却水进口，第一换热器出口14为冷却水出口。由于溶液罐02中的吸收剂工质浓度增加，当溶液浓度达到最大时，继续加热就会出现结晶。溶液的浓度的增加及吸收剂晶体的形成使外部的热量保存在溶液中。另外，螺旋管换热器22亦可作为溶液04的内部加热发生器，只需将热源流体通入冷却水进口17，能够加快溶液蓄能过程。
释能过程伴随制冷剂罐01中的液体制冷剂03的减少，溶液罐02中溶液04吸收制冷剂，溶液浓度变稀，工质中所含能量释放的过程。制冷剂罐01和溶液罐02都处于真空状态。打开开闭阀21，使制冷剂蒸汽能够通过制冷剂蒸汽管路20从制冷剂罐01到溶液罐02。溶液04通过溶液循环泵10及溶液循环回路12进入溶液喷淋装置08，吸收从制冷剂罐01过来的制冷剂蒸汽，吸收过程伴随热量的释放，通过第二换热器06进行冷却，可以制取生活或采暖热水。被加热的水从热源进口15进入，从热源出口16出来。溶液罐02中的浓的溶液04浓度不断减少。在制冷剂罐01中，制冷剂液体03通过制冷剂循环泵09及制冷剂循环管路11进入制冷剂喷淋装置07，制冷剂液体喷淋到第一换热器05上，制冷剂03液体吸收热量蒸发，变成制冷剂气体，第一换热器05循环管路内部流体热量释放变成冷水，此过程可制取冷冻水。此时第一换热器05相当于蒸发器。第一换热器05内部流体从第一换热器进口13流入，从第一换热器出口14流出。制冷剂罐01中的制冷剂液体03不断减少，溶液罐02中溶液04不断增加，浓度不断减少，浓溶液变成稀溶液能量释放。
螺旋管换热器22浸入工质对溶液04内部。外部含有溶液循环泵10，溶液循环回路12。
螺旋管换热器22作为主动结晶蓄能的关键部件。冷却水进口17连接螺旋管换热器22然后进入冷却水出口18，热源进口15和热源出口16和第二换热器06相连。当进行蓄能时，第二换热器06中使用热源热水加热，当进行释能时，由于释能过程放热，第二换热器06中使用冷却水进行冷却。螺旋管换热器进入溶液04中，在其下部放置过滤网23，其通过过滤网支架26进行支撑，防止过滤网26沉降到底部，影响溶液的循环流动和蓄能释能效果。溶液罐与制冷剂蒸汽管路20相连，制冷剂蒸汽管路20上设置有挡板19。溶液循环回路12下部开口低于过滤网23。
针对以上方法的不足，本专利对溶液罐进行进一步的改进。如图2给出了该主动结晶的大浓差吸收式蓄能装置示意图。
本发明中，最大的改进是将溶液罐02及其内部设备与第一换热器05、喷淋器07和围护结构31组成以一个整体结构，围护结构31和溶液罐02之间使用挡液板30用于控制制冷剂气体的流通。围护结构下部单独设置制冷剂储存罐01，制冷剂储存罐01和围护结构31之间用管路连接，使用制冷剂蓄存保存阀32控制。此种设计的好处如下：1)避免使用大尺寸的气体阀门及气体管路，制冷剂罐和围护结构31之间使用挡液板30，有效减小气体通过阻力；2)使用液体蓄存保存阀32保存制冷剂液体，能够实现制冷剂长时间储存；3)此种设计减少材料的使用，节约生产成本；4)本发明适应于间歇性蓄能过程，且在较长周期的蓄能过程中利用优势较为明显。
本专利所描述的主动结晶的大浓差吸收式蓄能装置的具体的实施方式如下：
实施方式一：蓄能过程
蓄能过程伴随溶液罐02中的吸收剂/制冷剂组成的工质对溶液04的制冷剂蒸发和在围护结构31中喷淋冷却成液体制冷剂03，溶液罐02中溶液04浓缩或者其形成晶体25能量储存的过程。溶液04通过循环泵10及溶液循环回路12进入溶液喷淋装置08。太阳能、地热能等可再生能源，工业余热回收的低品位热能等，换热后的流体通过热源进口15经过第二换热器06(相当于发生器)，加热由溶液喷淋装置08喷淋下来的稀的工质对溶液04，热源换热流体通过热源出口16流出第二换热器06。加热蒸发的制冷剂气体，通过挡液板30，进入围护结构31中。制冷剂不断蒸发，溶液罐02中吸收剂的浓度不断增加，最终达到设定温度及压力条件的溶液浓度极限值。进入围护结构31中的制冷剂蒸汽通过第一换热器05(相当于冷凝器)冷却变成制冷剂液体，打开蓄存保存阀32，将制冷剂液体存储到制冷剂罐中保存。第一换热器05中走的是冷却水，第一换热器进口13为冷却水进口，第一换热器出口14为冷却水出口。由于溶液罐02中的吸收剂工质浓度增加，当溶液浓度达到最大时，继续加热就会出现结晶。溶液的浓度的增加及吸收剂晶体的形成使外部的能量保存在溶液中。
在设定的真空压力及加热温度条件下，溶液04浓度会达到极限值，继续加热时，会出现结晶25，能量得到保存。需要将吸收剂工质结晶在换热效果好的设定的区域，防止蓄能晶体25出现流动小、换热影响弱的区域，如罐体底部、壁面及管路阀门中。因此，考虑将螺旋管换热器22浸入溶液04中间，螺旋管换热器22表面粗糙，含有结晶过程的所需要的大量的结晶核。在溶液蓄能过程溶液04的浓度达到极限时(开始出现晶粒)，可迅速在螺旋管换热器22内部通入冷却水，从冷却水进口17流入，冷却水出口18流出，此过程溶液结晶过程就会尽可能多地在冷的螺旋管换热器22壁面上进行，减少了壁面、罐体底部及循环管路的结晶量。同时在螺旋管换热器22下面使用过滤网23，进一步减少结晶物脱落到罐体底部。使用冷却水冷却所损失的热量相对于结晶过程所蓄的能量是很小的。主动结晶后溶液浓度降低，低品位热能储存为吸收剂工质，浓溶液及结晶的化学能。此种方法的使用将使溶液的综合浓度差增大，且所蓄存的浓溶液及晶体中的能量可长时间存储。
实施方式二：释能过程
释能过程伴随制冷剂罐01中的液体制冷剂03的减少，溶液罐02中溶液04及晶体25吸收制冷剂，溶液的浓度不断变稀，工质中所含能量释放的过程。制冷剂罐01和溶液罐02都处于真空状态。打开蓄存保存阀32，使制冷剂蒸汽能够通过制冷剂蒸汽管路20从制冷剂罐01到溶液罐02。溶液04通过循环泵10及溶液循环回路12进入溶液喷淋装置08，吸收从制冷剂罐01过来的制冷剂蒸汽，吸收过程伴随热量的释放，通过第二换热器06进行冷却，可以制取生活或采暖热水。被加热的水从冷却水进口17进入，从冷却水出口18出来。溶液罐02中的浓的溶液04浓度不断减少。在制冷剂罐01中，制冷剂液体03通过循环泵09及制冷剂循环管路11进入制冷剂喷淋装置07，制冷剂液体喷淋到第一换热器05上，制冷剂03液体吸收热量蒸发，变成制冷剂气体，第一换热器05循环管路内部流体热量释放变成冷水，此过程可制取冷冻水。此时第一换热器05相当于蒸发器。第一换热器05内部流体从冷冻水进口13流入，从冷冻水进口14流出。制冷剂罐01中的制冷剂液体03不断减少，溶液罐02中溶液04不断增加，浓度不断减少，浓溶液变成稀溶液能量释放。
实施方式三：主动结晶大浓度差蓄能过程
当蓄能过程完成时，溶液的浓度达到最大出现结晶时，打开主动结晶蓄能螺旋管换热器22冷却水系统，溶液快速冷却，晶粒在螺旋管换热器22上快速形成，再关闭围护结构31和制冷剂罐中间连接的蓄能保存阀32，液态的制冷剂就存储在制冷剂罐01中，此时溶液罐内的能量存储的浓溶液03和结晶晶粒25中。该种方法能够实现大浓度差的蓄能，且所蓄的能量可长时间储存。在长时间间歇性蓄能过程中能得到很好的应用。
Claims (3)
1.一种基于主动结晶技术的大浓差吸收式蓄能装置，包括制冷剂罐(01)，溶液罐(02)，制冷剂罐(01)内部，含有制冷剂(03)位于罐体最底部，第一换热器(05)位于中间，制冷剂喷淋装置(07)位于第一换热器(05)上面，制冷剂罐(01)外部含有制冷剂循环泵(09)，制冷剂循环管路(11)，连接制冷剂(03)液体和制冷剂喷淋装置(07)；
溶液罐(02)内部，含有吸收剂及制冷剂组成的工质对溶液(04)，位于罐体底部，第二换热器(06)位于罐体中间，溶液喷淋装置(08)位于第二换热器(06)上部，溶液罐(02)外部含有溶液循环泵(10)，溶液循环回路(12)，连接溶液(04)液体和溶液喷淋装置(08)；
溶液罐(02)内部包含有螺旋管换热器(22)，螺旋管换热器(22)浸入工质对溶液(04)内部，溶液循环回路(12)上缠绕电辅助加热带给溶液(04)加热；冷却水进口(17)连接螺旋管换热器(22)然后进入冷却水出口(18)，螺旋管换热器(22)下部放置过滤网(23)，溶液循环回路(12)下部开口低于过滤网(23)；
其特征在于，溶液罐(02)及其内部设备与第一换热器(05)、制冷剂喷淋装置(07)和围护结构(31)组成一个整体结构，围护结构(31)和溶液罐(02)之间使用挡液板(30)用于控制制冷剂气体的流通，围护结构(31)下部单独设置制冷剂罐(01)，制冷剂罐(01)和围护结构(31)之间用管路连接，使用制冷剂蓄能保存阀(32)控制；螺旋管换热器(22)表面粗糙。
2.根据权利要求1所述的一种基于主动结晶技术的大浓差吸收式蓄能装置，其特征在于，溶液罐中所使用的溶液吸收剂和制冷剂工质对为LiBr/H2O、H2O/NH3、LiCl/H2O、LiNO3/H2O、NaBr/H2O、CaCl2/H2O、MgBr2/H2O其中一种或几种物质的混合物。
3.根据权利要求1所述的一种基于主动结晶技术的大浓差吸收式蓄能装置，其特征在于，所述制冷剂罐、溶液罐、溶液循环回路外表面都使用柔性橡塑发泡绝热材料进行保温。
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