CN111780454A - 用于工业低温余热回收再利用的化学吸附式制冷循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于工业低温余热回收再利用的化学吸附式制冷循环系统，包括通过管线并联设置的第一低温反应器和第二低温反应器，第一储液罐和第二储液罐，以及分别位于两个低温反应器与两个储液罐进出口之间的冷凝器和蒸发器，其中第一低温反应器和第二低温反应器内分别填充有第一吸附床和第二吸附床，第一吸附床和第二吸附床内分别设有供低温余热流体通过的第一盘管和第二盘管，系统管路上相互连通的管线上均设有调节阀。本发明通过设置双吸附床和双储液罐，突破单吸附床间歇式化学吸附式制冷循环的限制，将间歇式制冷循环扩展为连续式制冷循环，更加适合于实际工业运行条件，结构紧凑，构思巧妙。

Description

用于工业低温余热回收再利用的化学吸附式制冷循环系统

技术领域

本发明涉及能源回收利用技术领域，具体涉及用于工业低温余热回收再利用的化学吸附式制冷循环系统。

背景技术

面对目前日益严峻的能源问题，回收利用低品位热量是克服能源需求日益增长制约经济社会可持续发展的主要路线之一。由于大量的工业余热(高温烟气、冷凝水和冷却水)能量品位低、间歇式排放及热源不稳定等特点，利用传统的余热回收方法很难实现高效利用，因此阻碍了生产企业深度提质增效。

有机朗肯循环(ORC)低温余热发电技术是一种有效的低温余热回收利用方法，它以有机物工质作为能量的载体，将低品位热能转化为电能。当热源温度低于270℃时，ORC工质选择范围广，针对性强，设备要求相对简单，与常规的水蒸气朗肯循环(RC)相比，具有更高的能源利用率。然而，ORC系统对热源的连续性和稳定性要求较高，对间歇式输入及品位频繁波动的低温余热的适应性不足；同时ORC系统对设备选型及控制精度要求较高，进一步限制其在间歇性低温余热回收领域的应用。

近年来，先进的热能储存技术在有效利用如太阳能、地热能以及工厂废热等可再生能源方面发挥了主导作用。其中，采用低品位热能为驱动力的固体化学吸附式热能储存及制冷技术具有高能量储存密度，稳定的输出温度、良好的短期及长期能量储存性能和灵活的工作模式等优势；同时采用环境友好型制冷剂作为工作介质，具有臭氧消耗系数(ODP)和温室效应系数(GWP)均为零的环保优点，因此该技术在新能源的开发和工业低品位余热资源高效利用等领域该具有良好的发展潜力和应用前景。低品位余热资源的高效回收利用不仅能够显著降低工艺的能耗，同时也减少了相应产热过程的SO2、NOx等污染物排放，具有巨大的经济和社会效益。

经对现有技术的文献检索发现，目前工业余热的回收利用工艺大多聚焦于供热应用集成，涉及的系统控制复杂且投资较大，难以在现实中灵活实施。例如中国专利申请号为201010177098.X的“基于低品位余热的多级热化学吸附制冷循环系统”专利，该系统由多级吸附床反应器、冷凝器、蒸发器和相应的调节阀门组成，通过反应器的多级加热解吸、制冷剂的冷凝和节流以及主反应器的冷却吸附实现制冷过程。虽然该系统可大幅度降低热化学吸附制冷循环系统的外界驱动热源温度及根据外界驱动热源温度高低进行最佳运行级数的选择，然而当外界热源温度需要设置多级吸附床时，该系统的化学吸附与解吸附过程迟滞时间增加，因此影响了系统整体的制冷与供热性能。

综合各种情况，现有单吸附床化学吸附式制冷循环中各种过程存在制冷不连续，难以实现余热回收解吸附和蒸发制冷/吸附供热过程在时间上的高效匹配，或存在设备集成复杂、控制精度要求较高、投资成本高等问题，难以大规模推广应用；此外，工业低温余热的现有热转化技术大多采用多级循环形式，过多的设备及流程的热损耗致使热转化效率普遍偏低。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了用于工业低温余热回收再利用的化学吸附式制冷循环系统，能够满足工业低温余热的回收利用，并简化系统运行流程、降低系统成本及热损耗等。

为实现上述目的，本发明技术方案如下：

用于工业低温余热回收再利用的化学吸附式制冷循环系统，其关键在于：包括相对独立的第一低温反应器和第二低温反应器，以及冷凝器和蒸发器，其中第一低温反应器和第二低温反应器内分别设置有第一吸附床和第二吸附床，所述第一吸附床和第二吸附床内分别设有供低温余热流体通过的第一盘管和第二盘管；

所述冷凝器和蒸发器之间具有通过并联管线连接的第一储液罐和第二储液罐，所述第一低温反应器和第二低温反应器的出口均与所述冷凝器的进口连通，并分别设有第一调节阀和第五调节阀，所述第一储液罐和第二储液罐入口均与冷凝器的出口连通，并分别在对应入口支管上设有第二调节阀和第七调节阀，出口均与蒸发器的进口连通，并分别在对应出口支管上设有第三调节阀和第八调节阀；

所述蒸发器的出口通过第一蒸发器支管和第二蒸发器支管分别与第一低温反应器和第二低温反应器的进口连通，所述第一蒸发器支管和第二蒸发器支管上分别设有第六调节阀和第四调节阀。

采用以上结构，系统可根据低温余热和冷能利用的时间周期实现间歇性和连续性利用的模式切换，并通过设置双吸附床与双储液罐形式实现余热回收解吸附和蒸发制冷/吸附供热过程在时间上的高效匹配，使化学吸附式制冷循环由制冷空调领域扩展至工业低温余热利用领域，更适应工业低温余热的回收利用，有利于该技术在工业领域的推广利用，且整体结构流程相对简单，成本和热损耗均有所降低。

作为优选：所述第一吸附床和第二吸附床为具有氨工质的低温复合多盐化学吸附剂。采用以上方案，有利于提高吸附床的吸附/解析性能，同时依靠氨工质作为介质在管线内传输，有利于进一步减少热损耗，提高利用效率等。

作为优选：所述蒸发器的入口管上设有节流阀。采用以上方案，可对传热工质进行降压之后再输入蒸发器中，以降低流体高压对蒸发器的影响，延长使用寿命等。

作为优选：所述第一低温反应器和第二低温反应器连成一体，所述第一吸附床和第二吸附床之间通过绝热板隔离。采用以上方案，将两个反应器连成一体，有利于提高系统的紧凑性，便于组装及减少占用空间等，而绝热板可有效防止热传递影响吸附和解吸附性能，确保二者均能正常工作。

作为优选：与所述第一盘管和第二盘管入口端相连的管路上分别设有第一切断阀和第二切断阀。采用以上方案，通过第一切断阀和第二切断阀可以更好的根据需要，控制回收流体进入对于反应器的时机和流量等。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

采用本发明提供的用于工业低温余热回收再利用的化学吸附式制冷循环系统，首先是结合工业低温余热的变工况及间歇性的特点，改变了传统的低温余热的显热或潜热利用方式，利用多盐复合固体吸附床和氨工质实现化学吸附制冷循环，大大简化了系统运行流程和降低了传统低温余热回收集成体系的投资成本及设备热损耗。

其次是利用化学吸附式制冷循环技术实现循环冷却水的再次冷却，以此达到就地降低循环冷却水温度，缩小冷却塔的设计尺寸，显著提高热化学能释放装置和动力循环装置热效率的目的。

同时本系统亦可在夏季进行冷冻水的生成，完成蒸发冷能的另一种运用；除此之外，本发明系统还通过设置双吸附床和双储液罐，突破了单吸附床间歇式化学吸附式制冷循环的限制，将间歇式制冷循环扩展为连续式制冷循环，更加适合于实际工业运行条件，且系统构思巧妙，设备相对较少，有利于降低系统组成及安装成本，以及部件热损耗等。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

参考图1所示的用于工业低温余热回收再利用的化学吸附式制冷循环系统，主要包括相对独立的第一低温反应器1和第二低温反应器4，以及冷凝器7和蒸发器21，其中第一低温反应器1和第二低温反应器4内分别设置有第一吸附床2和第二吸附床20，本实施例中第一吸附床2和第二吸附床20实际均为相同的低温复合多盐化学吸附剂填充体，并且其中包含了氨工质，如氯化氨或氨液。

第一吸附床2和第二吸附床20内分别设有供低温余热流体通过的第一盘管1a和第二盘管4a，第一盘管1a和第二盘管4a的各自两端均处于对应反应器的外部的管路连通，带有低温余热的回收流体在通过对应的盘管时，对应反应器内的吸附床则发生热吸附解吸附，并能够使氨工质气化进入冷凝器7中，为能够更好的控制带热流体通断情况，本实施例中与第一盘管1a和第二盘管4a入口端相连的外部管路上分别设有第一切断阀19和第二切断阀17。

如图所示，第一低温反应器1和第二低温反应器4的出口分别通过第一反应器支管1b和第二反应器支管4b与冷凝器7的进口连通，且第一反应器支管1b和第二反应器支管4b上分别设有第一调节阀5和第五调节阀6，冷凝器7的出口与蒸发器21的进口相互连通，二者之间通过并联管路连接有第一储液罐12和第二储液罐11，第一储液罐12和第二储液罐11的进口端分别通过入口支管与冷凝器7的出口总管相连，出口端分别通过出口支管与蒸发器21的进口总管相连，为便于控制工况，即对应储液罐的进出液情况，故本申请中在第一储液罐12的进口端和出口端分别设有第二调节阀10和第三调节阀14，同理，在第二储液罐11的进出口两端分别设有第七调节阀9和第八调节阀13，此外，第一低温反应器1、第二低温反应器4、第一储液罐12和第二储液罐11均配置有压力监测装置。

蒸发器21的出口则通过第一蒸发器支管210和第二蒸发器支管211分别与第一低温反应器1和第二低温反应器4的进口相连，并且在第一蒸发器支管210和第二蒸发器支管211分别设有第六调节阀18和第四调节阀16。

考虑到流体高压可能对蒸发器21造成影响，本实施例中蒸发器21的入口总管上设有节流阀15，从第一储液罐12和第二储液罐11流出的液体必然经过节流阀15的节流降压之后方可流入蒸发器21中。

本申请中第一低温反应器1和第二低温反应器4为一体式结构，即二者的壳体连成一体，其内腔通过绝热板3分隔形成两个独立的腔室，各腔室具有独立的进出口，每个腔室内均填充相同的低温复合多盐化学吸附剂和氨工质。

参考图1所示的用于工业低温余热回收再利用的化学吸附式制冷循环系统，能够根据低温余热和冷能利用的时间周期实现间歇性和连续性利用的模式切换，其工作原理如下：

当低温余热与冷能利用的运行时间不重叠时，第一调节阀5和第七调节阀9打开，其余调节阀均处于关闭状态。低温余热流体通过第一盘管1a，第一吸附床20受热发生解吸附反应，产生氨蒸气进入冷凝器7中降温，当第一低温反应器1内压力上升至与第一储液罐10的压力一致时，打开第二调节阀10和第七调节阀9，氨蒸气在冷凝过程中，其产生的氨液则储存到第一储液罐12和第二储液罐11中。

当停止低温余热流体的供入后，循环冷却水供入蒸发器21中，此时打开第三调节阀14，氨液经过节流阀15的降压之后，进入增幅器21中降温，当低温反应器1中压力降低至与蒸发器21一致时，关闭第一调节阀5和第二调节阀10，同时打开第六调节阀18，氨液在蒸发器21中蒸发吸热，实现循环冷却水的温度降低的低温余热间歇性利用，而氨蒸气则重新进入第一低温反应器1中，并在第一吸附床2内完成吸附反应，整个制冷过程结束。

当低温余热与冷能利用的运行时间重叠时，第一调节阀5打开，其与调节阀均处于关闭状态，低温余热流体通过第一盘管1a，第一吸附床2受热发生解吸附反应，氨蒸气进入冷凝器7中降温。当第一低温反应器1中的压力上升至与第一储液罐12中的压力相当时，打开第二调节阀10，完成氨蒸气的冷凝过程，氨液则储存在第一储液罐12中，此时打开第八调节阀13，使第二储液罐11中的氨液经节流阀15完成降压过程(第二储液罐11中具有前一工作过程中存储的氨液)，进入蒸发器21中，与循环冷却水在蒸发器21中完成热交换过程。随后打开第四调节阀16，降温后的氨气进入第二低温反应器2中，与第二吸附床20发生吸附反应，同时完成循环冷却水的温度降低过程，从而实现循环冷却水温度降低的低温余热的连续性利用。

下一次低温余热流体供入时，则打开第二切断阀17，关闭第一切断阀19，使低温余热通过第二盘管4a，整个间歇性和连续性制冷循环与上述描述类似，但间歇性制冷循环中将第二储液罐11作为循环储液装置，连续性制冷循环过程中将第一储液罐12作为循环储液装置。

整体依靠化学吸附式制冷技术实现工业低温余热的回收再利用，同时通过双吸附床和双储液罐设置将制冷循环扩展为连续式制冷循环，更适合实际工业运行条件。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.用于工业低温余热回收再利用的化学吸附式制冷循环系统，其特征在于：包括相对独立的第一低温反应器(1)和第二低温反应器(4)，以及冷凝器(7)和蒸发器(21)，其中第一低温反应器(1)和第二低温反应器(4)内分别设置有第一吸附床(2)和第二吸附床(20)，所述第一吸附床(2)和第二吸附床(20)内分别设有供低温余热流体通过的第一盘管(1a)和第二盘管(4a)；

所述冷凝器(7)和蒸发器(21)之间具有通过并联管线连接的第一储液罐(12)和第二储液罐(11)，所述第一低温反应器(1)和第二低温反应器(4)的出口均与所述冷凝器(7)的进口连通，并分别设有第一调节阀(5)和第五调节阀(6)，所述第一储液罐(12)和第二储液罐(11)入口均与冷凝器(7)的出口连通，并分别在对应入口支管上设有第二调节阀(10)和第七调节阀(9)，出口均与蒸发器(21)的进口连通，并分别在对应出口支管上设有第三调节阀(14)和第八调节阀(13)；

所述蒸发器(21)的出口通过第一蒸发器支管(210)和第二蒸发器支管(211)分别与第一低温反应器(1)和第二低温反应器(4)的进口连通，所述第一蒸发器支管(210)和第二蒸发器支管(211)上分别设有第六调节阀(18)和第四调节阀(16)。

2.根据权利要求1所述的用于工业低温余热回收再利用的化学吸附式制冷循环系统，其特征在于：所述第一吸附床(2)和第二吸附床(20)为具有氨工质的低温复合多盐化学吸附剂。

3.根据权利要求1所述的用于工业低温余热回收再利用的化学吸附式制冷循环系统，其特征在于：所述蒸发器(21)的入口管上设有节流阀(15)。

4.根据权利要求1所述的用于工业低温余热回收再利用的化学吸附式制冷循环系统，其特征在于：所述第一低温反应器(1)和第二低温反应器(4)连成一体，所述第一吸附床(2)和第二吸附床(20)之间通过绝热板(3)隔离。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的用于工业低温余热回收再利用的化学吸附式制冷循环系统，其特征在于：与所述第一盘管(1a)和第二盘管(4a)入口端相连的管路上分别设有第一切断阀(19)和第二切断阀(17)。

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