CN109556315A - 多级吸附制冷设备 - Google Patents
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Abstract
一种多级吸附制冷设备，其包括第一吸附设备和第二吸附设备，第一和第二吸附设备内的一级吸附器、二级吸附器、三级吸附器内构造成填充有多孔吸附材料，冷媒管从上述多孔吸附材料颗粒之间穿过，其中，各吸附器内多孔吸附材料的颗粒之间的空间率，相关于冷媒管在吸附设备内部的压降地线性增加，从而使得第一、第二吸附设备内部沿着冷媒流向上，各级吸附器的单位时间吸附能力是一致的。
Description
技术领域
本公开涉及一种制冷设备，尤其涉及冷却吸附和加热解吸的吸附式制冷设备。
背景技术
伴随吸附式制冷系统的不断发展，吸附式制冷系统的改进种类越来越多，包括吸附式空调/热泵，太阳能吸附式制冷机，吸附式制冰机等等。吸附制冷设备的金属热容和流体热容对吸附式制冷系统的性能COP影响较大。
现有的吸附式制冷系统，一般采用两个吸附机，一个蒸发器和一个冷凝器，节流阀等。当一个吸附设备与冷凝器连通，正在加热解吸时，另一个吸附设备与蒸发器相通，冷却吸附。当解吸吸附过程完成后，通过加热管路和冷却管路的阀门，切换两个吸附设备的工作状态，能够实现连续制冷。
吸附设备的吸附能力影响系统的循环周期，也即影响制冷系统的单位时间制冷能力，因此要提高制冷系统的制冷能力，获得较高的COP，必须加快吸附设备的吸附能力以及单位时间吸附能力。一个好的吸附设备，可以从其结构设计、吸附工质的传热特性等多方面因素进行改进，来提高其单位时间吸附能力。
然而，对于大型吸附设备来说，冷媒管穿过吸附设备的吸附材料时，冷媒管具有相当的长度。随着流程的增加，内部冷媒的热损失和压力损失逐渐增大，因而在冷媒流向上，冷媒向外传热的能力逐渐有明显的衰减，冷媒与冷媒管外的吸附材料间的换热能力则随之逐渐降低。因而吸附材料的吸附能力也随之衰减。从而影响了吸附设备的整体吸附能力和制冷设备的制冷能力。
发明内容
本公开鉴于上述内容，目的在于提供一种能够减小吸附设备中冷媒的热损失和压力损失引起的吸附能力下降问题的多级吸附制冷设备，其能够提高吸附设备整体吸附能力，减少吸附材料的衰减寿命，提高制冷设备的制冷能力和使用寿命，并且可以根据实际制冷容量调整参与换热的吸附器等级，从而降低了运行成本。
本发明提供了一种多级吸附制冷设备，其特征在于：包括第一吸附床和第二吸附床；第
一吸附床中包括第一吸附设备和第一换热设备，第二吸附床中包括第二吸附设备和第二换热设备；制冷设备还包括第一四通阀、第二四通阀、第三四通阀、第四四通阀、热源以及空调末端；其中热源、第一四通阀经冷媒入口管、二通阀分别连接至第二吸附设备内的一级吸附器、二级吸附器、三级吸附器后再经冷媒回流管连接至第二四通阀形成回路；热源、第一四通阀、经冷媒入口管、二通阀分别连接至第一吸附设备内的一级吸附器、二级吸附器、三级吸附器后再经冷媒回流管连接至第二四通阀形成回路。其中第一吸附床和第二吸附床构造成，当第一吸附床吸附时，第二吸附床脱附，当第一轮吸附、脱附结束，则轮换成第二吸附床吸附，第一吸附床脱附；其中，第一吸附设备、第二吸附设备内的一级吸附器、二级吸附器、三级吸附器内填充有多孔吸附材料，冷媒管从上述多孔吸附材料颗粒之间穿过，其中，第一和第二吸附设备4、5内一至三级吸附器内的多孔吸附材料的结构均满足以下关系：一级吸附器4a、5a的空间率K一级＜二级吸附器4b、5b的空间率K二级＜三级吸附器4c、5c的空间率K三级。且各吸附设备内部满足以下关系：
K二级＝K一级exp(-(C/β)(P一级入口/P二级出口-1)2)
K三级＝K二级exp(-(C/β)(P二级入口/P三级出口-1)2)
K一级、K二级、K三级分别为第一或第二吸附设备内部冷媒流向上一级、二级、三级吸附器各自吸附剂的空间率；P一级入口、P二级出口、P二级入口、P三级出口分别为冷媒管进入一级吸附器、穿出二级吸附器、进入二级吸附器、穿出三级吸附器时的内部冷媒压力；C为吸附材料结构常数，β为吸附剂和制冷剂之间的关系常数；从而使得第一、第二吸附设备内部沿着冷媒流向上，各级吸附器的多孔吸附材料的单位时间吸附能力实际相同。
本发明的制冷设备，具有第一模式，此时，第一换热设备、第三四通阀、空调末端和第四四通阀依次连接形成回路，向用户供冷；第二换热设备、第三四通阀、第一四通阀、第一吸附设备、第二四通阀、第三换热设备、第四四通阀依次连接形成回路。
本发明的制冷设备，还包括第二模式，此时，第一换热设备、第三四通阀、第一四通阀、第一吸附设备、第二四通阀和第三换热设备经冷媒管依次相连形成回路，第二换热设备、第三四通阀、空调末端、第四四通阀依次连接形成回路，向用户供热。
附图说明
图1是本发明的多级吸附制冷设备的制冷模式下的整体构成图。
图2是本发明的多级吸附制冷设备的制热模式下的整体构成图。
具体实施方式
下面，参照附图1对本发明的多级吸附式制冷设备进行说明，
如图1所示，本发明的多级吸附式制冷设备1为一种可在建筑物内进行制冷或制热或同时在不同空间内制冷以及制热的废热热源式热泵。热泵包括高温热源2，吸附式制冷机和空调末端3，其中吸附式制冷机包括第一吸附设备4、第二吸附设备5、第一换热设备6、第二换热设备7，第三换热设备8、第一～第四四通阀9～12，以及多个阀和温度传感器17～22。
吸附式制冷机包括两个吸附床，其中第一吸附床A包括密封容器，密封容器内设置第一吸附设备4和第一换热设备6，第二吸附床B包括密封容器，密封容器内设置第二吸附设备5和第二换热设备7，当第一吸附床A吸附时，第二吸附床B脱附，当第二吸附床B进行再生过程时，第一吸附床A进行脱附过程。
接着，对本实施方式的第一吸附床A和第二吸附床B的结构以及工作流程进行说明。
如图1所示，第一吸附床A中第一吸附设备4具有供工质流动的冷媒管13。冷媒管13由导热性优异的金属(在本实施方式中，是铜或铜合金)构成。第一吸附设备4还包括至少三级吸附器4a、4b、4c，它们均具有箱体，箱体中填充有吸附材料，冷媒管13分别经二通阀穿设在吸附器4a、4b以及4c的吸附材料中。
第二吸附床B中第二吸附设备5具有供工质流动的冷媒管14。冷媒管14由导热性优异的金属(在本实施方式中，是铜或铜合金)构成。第二吸附设备5还包括至少三级吸附器5a、5b、5c，它们均具有箱体，箱体中填充有吸附材料，冷媒管14分别经二通阀穿设在吸附器5a、5b以及5c的吸附材料中。
制冷模式下，控制装置控制第一四通阀9、第二四通阀10、第三四通阀11和第四四通阀12的方向来控制冷媒的流向，冷媒吸收热源2的热量，流经冷媒管14至第二吸附设备5，冷媒分别经入口管和三个二通阀流至一级吸附器5a、二级吸附器5b、三级吸附器5c中放热，也即在冷媒流向上，从上游至下游依次并联排列着一级吸附器5a、二级吸附器5b、三级吸附器5c。冷媒降温后再经回流管、第二四通阀10返回至热源2中吸热，从而形成循环。
第二吸附床B中进行的是脱附过程。第二吸附设备5中一级吸附器5a、二级吸附器5b、三级吸附器5c的吸附材料受热，解吸脱附，吸附材料干燥度提升，从吸附材料解吸的冷媒蒸汽在第二换热设备7中冷凝放热，再生为液态。
第一吸附床A中进行的是吸附过程。第二换热设备7中的冷媒管15中的冷媒吸热后经第三四通阀11、第一四通阀9进入第一吸附设备4中的冷媒管13，冷媒管13中的冷媒依次经三个二通阀流至一级吸附器4a、二级吸附器4b、三级吸附器4c继续吸热后升温，也即在冷媒流向上，从上游至下游依次并联排列着一级吸附器4a、二级吸附器4b、三级吸附器4c。升温后的冷媒经第二四通阀10流向第三换热设备8，并在此放热降温后经第四四通阀12返回第二换热设备7。
第一吸附床A中的第一吸附设备4中的一级吸附器5a、二级吸附器5b、三级吸附器5c中的干燥的吸附剂放热吸附制冷剂，因此减小了第一吸附床A中的压力，由此蒸发第一换热设备6中的制冷剂，第一换热设备6中的冷媒管16中的冷媒则放热降温，降温后的冷媒经第三四通阀11流向空调末端3，向用户供冷。
第一轮吸附和脱附之后，虽然附图中没有示出，但是本领域技术人员从附图1中同样可以理解，本发明的吸附式制冷设备中通过控制第一～第四四通阀9～12的切换，将第一吸附床A切换至脱附过程，将第二吸附床B切换至吸附过程。其中，冷媒在第一吸附设备4内部的一级吸附器4a、二级吸附器4b、三级吸附器4c和在第二吸附设备5内一级吸附器5a、二级吸附器5b、三级吸附器5c中的流向始终是不变的。
制热模式下，如图2所示，控制装置控制第一四通阀9、第二四通阀10、第三四通阀11和第四四通阀12的切换来控制冷媒的方向，冷媒吸收热源2的热量，流经冷媒管14至第二吸附设备5，冷媒经入口管依次流经三个二通阀分别流至一级吸附器5a、二级吸附器5b、三级吸附器5c中放热，冷媒降温后再汇合至冷媒回流管经第二四通阀10返回至热源2中进行循环。
第二吸附床B中进行的是脱附过程。第二吸附设备5中的吸附材料受热，解吸脱附，吸附材料干燥度提升，从吸附材料解吸的冷媒蒸汽在第二换热设备7中冷凝放热，再生为液态。
第二换热设备7中的冷媒管15中的冷媒吸热后经第三四通阀11和泵流入空调末端3，在此放热，向用户制热。
第一吸附床A中进行的是吸附过程。第一吸附设备4中的冷媒管13中的冷媒经入口管、分别经二通阀流入一级吸附器4a、二级吸附器4b、三级吸附器4c中吸热后，经第二四通阀10流向第三换热设备8，并在第三换热设备8中放热，随后经第四四通阀12流向第一换热设备6中的冷媒管16，并在冷媒管16中继续放热，降温后的冷媒经第三四通阀11、泵、第一四通阀9返回第一吸附设备4中，继续循环。
第一吸附床A中的第一吸附设备4中一级吸附器4a、二级吸附器4b、三级吸附器4c内的干燥的吸附剂放热吸附制冷剂，因此减小了第一吸附床A中的压力，由此蒸发第一换热设备6中的制冷剂。
第一轮吸附和脱附之后，吸附式制冷机中通过控制第一～第四四通阀9～12的切换，将第一吸附床A切换至脱附过程，将第二吸附床B切换至吸附过程。其中，冷媒在第一吸附设备4和在第二吸附设备5内各级吸附器的流向始终是不变的。
下面描述第一吸附设备4和第二吸附设备5的吸附结构。第一吸附设备4内包括一级吸附器4a、二级吸附器4b和三级吸附器4c，第二吸附设备5内分别包括一级吸附器5a、二级吸附器5b和三级吸附器5c，各级吸附器均匀填充吸附材料。吸附材料为多孔质，材料颗粒之间具有空间体积，空间率K为该空间体积与吸附器容积的比值。当吸附材料空间率过小，则吸附材料能够吸附/脱附的制冷剂量也小，但是吸附材料空间率太大，则吸附材料换热能力下降，也不能吸附/脱附足够的制冷剂量。因而，吸附材料的致密度和空间体积必须达到微妙的平衡，才能使得其换热能力和吸附/脱附的制冷剂量均取得一个合适的最佳性能值，在此通常称第一吸附设备4和第二吸附设备5的整体上的理论单位时间吸附能力为S。
以附图1的示意图为例，第一吸附床A上游的冷媒分别经入口管、二通阀流至三级吸附器4a/4b/4c中，冷媒在此从吸附材料中吸收热量。现有技术中的吸附设备仅为一级，其通常具有一个箱体，内部均匀填充吸附材料，冷媒管从吸附材料中穿设而过，沿着冷媒管的流动方向上的吸附材料各种参数如材质、致密度、材料颗粒之间的空间率等完全相同。而本发明经过大量的实验，研究发现现有技术中的该种均匀吸附结构是引起吸附材料需要替换的主要因素之一。当冷媒在流动方向上随着流程的增加，压力和热力有着显著的损失，吸热能力显著下降，冷媒管内的冷媒与吸附材料之间的换热能力减弱。同时，在吸附设备中的吸附材料中，越靠近上游的吸附材料实际放热能力越强，吸附的制冷剂量越大，而越靠近下游的吸附材料的放热能力减弱，吸附的制冷剂量越少。这导致吸附设备内的吸附材料的实际吸附量不均匀，沿着冷媒管的流动方向上的吸附材料其实际吸附能力s1衰减，吸附能力程度不均，使用寿命并不相同，而且吸附设备整体实际吸附能力小于其理论吸附能力S。当下游侧的吸附材料依旧状况良好，仍然可以使用时，上游侧的吸附材料已经需要替换，同时其实际使用周期也是远短于其理论使用周期值的。这直接导致了第一吸附设备的使用寿命的缩减，制冷系统的成本上升且能力的下降。
因而本发明中的第一吸附设备4和第二吸附设备5的结构如图1所示，其沿着冷媒管的流路方向上，冷媒管经二通阀先进入上游的一级吸附器4a、5a中，在此检测冷媒管进入一级吸附器内的冷媒压力为P4a入口、P5a入口；冷媒再经二通阀先进入中游的二级吸附器4b、5b中，在此检测冷媒管进入二级吸附器内的冷媒压力为P4b入口、P5b入口；接着冷媒经二通阀进入下游的三级吸附器4c、5c中，在此检测进入三级吸附器内的冷媒压力为P4c入口、P5c入口。
其中，第一和第二吸附设备4、5内一至三级吸附器内的多孔吸附材料的结构均满足以下关系：一级吸附器4a、5a的空间率K一级＜二级吸附器4b、5b的空间率K二级＜三级吸附器4c、5c的空间率K三级。且各吸附设备内部满足以下关系：
K二级＝K一级exp(-(C/β)(P一级入口/P二级出口-1)2)
K三级＝K二级exp(-(C/β)(P二级入口/P三级出口-1)2)
K一级、K二级、K三级分别为第一或第二吸附设备内部冷媒流向上一级、二级、三级吸附器各自吸附剂的空间率；P一级入口、P二级出口、P二级入口、P三级出口分别为冷媒管进入一级吸附器、穿出二级吸附器、进入二级吸附器、穿出三级吸附器时的内部冷媒压力；C为吸附材料结构常数，β为吸附剂和制冷剂之间的关系常数；从而使得第一、第二吸附设备内部沿着冷媒流向上，各级吸附器的多孔吸附材料的单位时间吸附能力实际相同。
从而本发明相应于冷媒管在第一、第二吸附设备内部压力P和热力的不断损失，通过调整位于冷媒流向上不同位置处的各级吸附器的空间率K而实现了第一、第二吸附设备内部各处吸附能力能够不受冷媒管内冷媒的压损和热损失的影响。从而吸附设备的单位时间吸附能力从整体上得到了增强，进一步地，第一、第二吸附设备中的吸附材料的使用寿命延长，无需频繁替换，降低了制冷系统的运行成本。
第一、第二吸附设备4、5内冷媒上游侧的一级吸附器4a、5a中，冷媒管内的冷媒换热能力强，热传递速度最大，因此吸附材料的致密程度最大，材料颗粒之间的空间率K一级最小。下游侧的三级吸附器4c、5c内，冷媒管内P压力和热力随着流程有较大的损失，冷媒换热能力最弱，热传递速度最小，因此材料颗粒之间空间率K三级最大，热量在吸附材料间受阻较小，以帮助吸附材料吸附更多的制冷剂量。从而第一吸附设备4和第二吸附设备5内部各级吸附器的吸附能力不受冷媒管内冷媒的压损和热损失的影响，能够均匀一致。从而吸附设备的吸附能力从整体上得到了增强，进一步地，第一吸附设备4和第二吸附设备5中的吸附材料的使用寿命延长，无需频繁替换，降低了制冷系统的运行成本。即使三级吸附器中的吸附材料使用周期不一致，也可以仅替换该级吸附材料，无需替换另外两级，从而节省了替换部件的工序和成本。
进一步地，一级吸附器4a、5a、二级吸附器4b、5b、三级吸附器4c、5c的空间率呈线性增长。
进一步地，一级吸附器4a、5a、二级吸附器4b、5b、三级吸附器4c、5c的空间率之间构造成使得一级吸附器、二级吸附器和三级吸附器的实际吸附能力相同。
进一步地，一级吸附器4a、5a、二级吸附器4b、5b、三级吸附器4c、5c各自内部的吸附材料的空间率，在冷媒的流向上线性增加。从而，每个吸附器内部在冷媒流向上的实际吸附能力也是一致的。
进一步地，第一吸附设备4的冷媒入口管、冷媒回流管上分别设有温度传感器17、18。第二吸附设备5的冷媒入口管、冷媒回流管上分别设有温度传感器19、20。空调末端3的冷媒进出管上分别设有温度传感器21、22。从而可以根据上述传感器检测的温度值，选择一级吸附器4a、5a、二级吸附器4b、5b、三级吸附器4c、5c中的一级或多级进行工作。
进一步地，本发明中使用长形的吸附设备以及三级吸附器作为示例性说明，然而本领域技术人员应当理解，现有技术中可以在任意方向上设置冷媒管的流向并且根据制冷能力的需求设置其他的多级吸附器。任意在制冷剂流向上对吸附材料的特性进行均匀变化以减小流向上的压力损失和热损失而减少引起的吸附能力的损失的发明，均落入本发明的公开范围。
另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (5)
1.一种多级吸附制冷设备，其特征在于：包括第一吸附床和第二吸附床；
第一吸附床中包括第一吸附设备和第一换热设备，第二吸附床中包括第二吸附设备和第二换热设备；
制冷设备还包括第一四通阀、第二四通阀、第三四通阀、第四四通阀、第三换热设备、热源以及空调末端；
其中热源、第一四通阀经冷媒入口管、二通阀分别连接至第二吸附设备内的一级吸附器、二级吸附器、三级吸附器后再经冷媒回流管连接至第二四通阀形成回路；热源、第一四通阀、经冷媒入口管、二通阀分别连接至第一吸附设备内的一级吸附器、二级吸附器、三级吸附器后再经冷媒回流管连接至第二四通阀形成回路。
其中第一吸附床和第二吸附床构造成，当第一吸附床吸附时，第二吸附床脱附，当第一轮吸附、脱附结束，则轮换成第二吸附床吸附，第一吸附床脱附；
其中，第一吸附设备、第二吸附设备内的一级吸附器、二级吸附器、三级吸附器内均填充有多孔吸附材料，冷媒管分别经二通阀从上述多孔吸附材料颗粒之间穿过，第一、第二吸附设备各自的内部，均满足以下关系：一级吸附器4a、5a的空间率K一级＜二级吸附器4b、5b的空间率K二级＜三级吸附器4c、5c的空间率K三级；
且第一、第二吸附设备各自内部还满足以下关系：
K二级＝K一级exp(-(C/β)(P一级入口/P二级出口-1)2)
K三级＝K二级exp(-(C/β)(P二级入口/P三级出口-1)2)
其中K一级、K二级、K三级分别为第一或第二吸附设备内部冷媒流向上一级、二级、三级吸附器各自吸附材料的空间率；P一级入口、P二级出口、P二级入口、P三级出口分别为冷媒管进入一级吸附器、穿出二级吸附器、进入二级吸附器、穿出三级吸附器时的内部冷媒压力；C为吸附材料结构常数，β为吸附材料和制冷剂之间的关系常数；从而使得第一、第二吸附设备各自内部沿着冷媒流向上，各级吸附器的多孔吸附材料的单位时间吸附能力实际相同。
2.如权利要求1所述的制冷设备，其特征在于，该制冷设备具有第一模式，此时，第一换热设备、第三四通阀、空调末端和第四四通阀依次连接形成回路，向用户供冷；第二换热设备、第三四通阀、第一四通阀、第一吸附设备、第二四通阀、第三换热设备、第四四通阀依次连接形成回路。
3.如权利要求1或2所述的制冷设备，其特征在于，还包括第二模式，此时，第一换热设备、第三四通阀、第一四通阀、第一吸附设备、第二四通阀和第三换热设备经冷媒管依次相连形成回路，第二换热设备、第三四通阀、空调末端、第四四通阀依次连接形成回路，向用户供热。
4.如权利要求1-3任一所述的制冷设备，其特征在于，一级吸附器、二级吸附器、三级吸附器的空间率呈线性增长。
5.如权利要求1-4任一所述的制冷设备，其特征在于，一级吸附器、二级吸附器和三级吸附器各自内部的吸附材料的空间率，在冷媒的流向上线性增加。
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