CN112984861A - 一种太阳能驱动双级吸收式热能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种太阳能驱动双级吸收式热能系统，涉及能源利用技术领域，能够在不同工况下实现制冷、制热和冷热联供，显著提高性能系数，有效降低驱动温度，增加工作温度范围；该系统包括第一吸收式热泵子系统和第二吸收式热泵子系统；第一和第二吸收式热泵子系统中的发生器、蒸发器和吸收器内均设有工质对溶液的喷淋装置，利用工质对溶液实现热量的吸收和释放；第一吸收式热泵子系统以太阳能为驱动热源；第二吸收式热泵子系统以第一吸收式热泵子系统发生器产生的过热蒸汽为驱动热源；所述过热蒸汽放热后进入第一吸收式热泵子系统的冷凝器参与工作；工质对包括锂盐、咪唑类离子液体和醇类。本发明提供的技术方案适用于热能利用的过程中。

Description

一种太阳能驱动双级吸收式热能系统
技术领域
本发明涉及能源利用技术领域，尤其涉及一种太阳能驱动双级吸收式热 能系统。
背景技术
我国是世界最大的能源消费国，2019年全国能源消费总量超过47亿吨 标准煤。能源安全已经成为我国经济社会发展的全局性、战略性问题，对国 家繁荣发展、人民生活改善、社会长治久安至关重要。促进我国走持续发展 的必由之路的关键在于加快低碳可再生能源代替传统化石能源，并同时规模 化消纳可再生能源。以我国建筑行业为例，至2020年建筑面积已经达到了 550亿m2，而其中95％以上为高耗能建筑，建筑运行能耗已约占全国商品能 源的25％。
太阳能作为丰富的可再生能源，其存在时空和负荷波动性的矛盾。如何 实现周期性波动的可再生能源的稳定输出及其与连续用能过程的柔性衔接是 可再生能源规模化应用亟待解决的瓶颈问题。储能技术作为可再生能源规模 化应用的核心支撑，在多元能源供应体系构建和推动消费侧能源高效利用等 方面发挥至关重要的作用。
针对绿色建筑领域，热能储存技术可以有效解决太阳能和建筑热负荷供 需在时间和空间上不匹配的矛盾，实现可再生能源高效永续利用。与显热和 相变潜热储热相比，吸收式储能能够实现在接近环境温度下长期无热损储热， 具有更高的储能密度，并且可根据需要以热或冷的形式释放出来，表现出了 极大的应用潜力和优势。而且吸收式储能工作温度区间与太阳能中低温热利 用温区和建筑冷热负荷温区相同，尤其适用于绿色建筑节能。但作为一种具 有巨大发展潜力和广阔应用前景的储能技术，现有技术无法满足外部复杂条 件及不同用户需求，限制了吸收式储能技术的推广及应用。
因此，有必要研究一种太阳能驱动的双效双级双工质对吸收式热泵及储 能系统来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种太阳能驱动双级吸收式热能系统，能够在 不同工况条件下实现制冷、制热和冷热联供，显著提高性能系数，有效降低 驱动温度，并且可以在0℃以下工作，增加工作温度范围。
一方面，本发明提供一种太阳能驱动双级吸收式热能系统，其特征在于， 所述系统包括第一吸收式热泵子系统和第二吸收式热泵子系统；
第一和第二吸收式热泵子系统中的发生器、蒸发器和吸收器内均设有工质 对溶液的喷淋装置，利用工质对溶液实现热量的储存或释放；
第一吸收式热泵子系统以太阳能为驱动热源；第二吸收式热泵子系统以第 一吸收式热泵子系统发生器产生的过热蒸汽为驱动热源；所述过热蒸汽放热后 进入第一吸收式热泵子系统的冷凝器参与工作。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，第一 吸收式热泵子系统包括第一发生器、第一冷凝器、第一吸收器和第一蒸发器； 第一吸收式热泵子系统中工质对溶液的循环方式为：在第一发生器中浓缩产生 过热蒸汽，进入第二吸收式热泵子系统放热冷凝，再进入第一冷凝器，作为制 冷剂进入第一蒸发器吸热汽化，再进入第一吸收器和第一发生器输送来的工质 对溶液一起放热，最后输送至第一发生器，完成循环。
第二吸收式热泵子系统的第二发生器内工质对溶液被第一发生器输送来的 过热蒸汽加热，浓缩产生第二过热蒸汽，并在第二冷凝器中冷凝，浓缩溶液储 存于第二发生器中，完成第二吸收式热泵子系统的工作循环。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，第一 冷凝器和第一吸收器释放的热量由冷却水带走，第二冷凝器释放的热量由冷却 水或第一蒸发器冷却水带走，在储能过程中，实现用户夏季的冷供应。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，第一 冷凝器和第一吸收器释放的热量用于加热生活用水，第二冷凝器释放的热量由 冷却水带走，在储能过程中，实现用户冬季的热供应。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，第一 吸收式热泵子系统蒸发器的热源为冷却水或第二吸收式热泵子系统的吸收器释 放的热量；第一吸收式热泵子系统蒸发器的热源为冷却水时实现用户的冷供应； 所述吸收器释放的热量可以用于加热生活用水或被冷却水带走，在释能过程中， 实现夏季冷热联供或制冷。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，第一 发生器和第一吸收器之间以及第一冷凝器和第一蒸发器之间均设有储罐(所述 储罐为工质对浓溶液储罐或制冷剂储罐)，用于储存部分第一发生器下流的工质 对溶液或第一冷凝器下流的制冷剂。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，第一 发生器和第一吸收器之间设有第一溶液换热器，用于实现工质对溶液的温度变 化。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，第二 吸收式热泵子系统包括第二发生器、第二冷凝器、第二蒸发器和第二吸收器； 第二吸收式热泵子系统中工质对溶液的循环方式与第一吸收式热泵子系统相同。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，第二 蒸发器同时作为蒸发器和冷凝器使用。
另一方面，本发明提供一种工质对溶液，其特征在于，所述工质对溶液包 括锂盐、咪唑类离子液体和醇类，锂盐和咪唑类离子液体作为吸收剂，醇类作 为制冷剂，并应用于如上任一所述的系统中。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，锂盐 和咪唑类离子液体在所述工质对溶液中的质量占比为45％-70％。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，锂盐 和咪唑类离子液体的质量比为(3:1)～(1:3)，优选1:1。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，锂盐 为溴化锂、氯化锂和硝酸锂中的任意一种或多种。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，咪唑 类离子液体为[BMIM]Br、[BMIM]Cl、[BMIM]NO3、[MMIM][DMP]和[BMIM]Tos中的 任意一种或多种。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，醇类 为CH3OH、C2H5OH和CH3CH2OH中的任意一种或多种。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，两级 子系统可以采用两种不同的工质对溶液，也可以采用相同的工质对溶液。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：双级吸收式热泵 子系统可以在不同模式下协同工作，能够满足我国不同地域气候条件和用户 需求，实现太阳能可再生能源的高效利用；三元低温工质对，可以有效降低 驱动温度，并且可以在0℃以下工作，有效增加工作温度范围；第一子系统 的过热蒸汽用于驱动第二子系统，可以显著提高整个系统的性能系数。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技 术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要 使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的 一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明一个实施例提供的太阳能驱动的双级吸收式热泵及储能系 统的储能过程示意图；其中，图1(a)为夏季储能过程，图1(b)为吸收式 热泵子系统部分冷量作为吸收式储能子系统冷凝器C2冷源时的储能过程，图 1(c)为冬季储能过程；
图2是本发明一个实施例提供的太阳能驱动的双级吸收式热泵及储能系 统的释能过程示意图；其中，图2(a)为冷热联供释能过程，图2(b)为低 温制冷需求时的释能过程，图2(c)为普通制冷需求时的释能过程，图2(d) 为制热释能过程。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行 详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的 实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳 动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非 旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的 “一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示 其他含义。
针对现有技术的不足，本发明提出一种基于新型替代工质对的太阳能驱 动的双效双级双工质对吸收式热泵/储能系统。该系统主要包括两级吸收式热 泵子系统和两级吸收式储能子系统，热泵子系统和储能子系统彼此对应，吸 收式储能子系统嵌设在吸收式热泵子系统中，并充分利用吸收式热泵子系统 的空间加以设置。该系统包括高压发生器G1，高压冷凝器C1，吸收器A1， 高压蒸发器E1，低压发生器G2，低压冷凝器C2，低压蒸发器E2，吸收器A2， 吸收式热泵子系统浓溶液储罐ST和制冷剂储罐RT，太阳能集热器，冷却系 统，高温溶液换热器SHX1和低温溶液换热器SHX2等工作单元及阀门和溶液 泵等附件。根据太阳能辐射强度和用户冷热负荷需求，不同季节采用不同工 作方式完成储能过程，并实现制冷、制热和冷热联供。
为实现上述目的，本发明对具有较强吸湿能力的锂盐和咪唑类离子液体 进行耦合作为二元吸收剂，将沸点和晶点较低的醇类作为制冷剂，提出了一 种新型的LiBr-ILs/醇(CH3OH或CH3CH2OH)三元低温工质对。采取动态变温 法和静态饱和蒸气压法测定不同质量配比下锂盐(溴化锂、氯化锂和硝酸锂) 和咪唑类离子液体(例如：[BMIM]Br、[BMIM]Cl、[BMIM]NO3、[MMIM][DMP] 和[BMIM]Tos等)在醇中的结晶温度和饱和蒸气压，通过比较确定锂盐与咪 唑类离子液体的配比。锂盐和咪唑类离子液体为溶质，醇类为溶剂，该三元 低温工质对溶液的质量浓度范围为45％～70％。其中，锂盐和咪唑类离子液体 的质量比为(3:1)～(1:3)，在该质量比范围内工质对可具有较强的吸收能 力和较低的结晶温度；锂盐和咪唑类离子液体质量比在1:1附近时，整体效 果更好。采用C2H5OH作为制冷剂时具有强吸收能力和低结晶温度，结晶温度 可以达到-13℃以下，而采用CH3OH作为制冷剂时结晶温度可以达到-20℃以 下，另外采用甲醇作为制冷剂也能获得很好的吸收能力和结晶性能。
表1和表2为锂盐和咪唑类离子液体质量比1:1时不同浓度的工质对溶 液的结晶温度数据以及温度和饱和蒸汽压的试验数据。
表1 mLiBr:mILs＝1:1时不同浓度LiBr-ILs/C2H5OH的结晶温度
Figure BDA0002972593870000061
表2 mLiBr:mILs＝1:1时LiBr-ILs/C2H5OH不同温度、浓度饱和蒸汽压
Figure BDA0002972593870000062
Figure BDA0002972593870000071
本发明提出的基于新型替代工质对的太阳能驱动的双效双级双工质对 吸收式热泵/储能循环系统可以在外部复杂工况条件下，根据太阳能辐射强度 和用户冷热负荷需求在不同工作模式下工作。具体为：
在夏季太阳能十分丰富时，吸收式热泵子系统由太阳能集热器驱动，工 质对W1的浓溶液在高压发生器G1中发生产生制冷剂R1的过热蒸汽，流入低 压发生器G2中冷凝放热作为吸收式储能子系统的驱动热源，随后流入高压冷 凝器C1，经节流阀V2，分成两路，一路流入制冷剂储罐RT储存起来，一路 流入高压蒸发器E1被冷媒水蒸发变成饱和蒸汽流入吸收器A1，然后被来自 高压发生器G1的浓溶液经高温溶液换热器SHX1换热和节流阀V1节流后吸收 变成进一步的W1稀溶液，来自高压发生器G1的相对浓溶液另一路流入浓溶 液储罐ST储存起来，吸收式热泵子系统中吸收器A1和高压冷凝器C1放出的 热量由冷却水串联带走，接着开始下一次循环；循环过程中，高压吸收器A1 和高压发生器G1之间通过液体泵P1将高压吸收器A1中的工质对溶液泵入高 压发生器G1中参与新的循环过程。在吸收式储能子系统中，截止阀V3关闭， 吸收器A2(此时为储液罐)中工质对W2的稀溶液经低温溶液换热器SHX2换 热后泵入低压发生器G2中被制冷剂R1的过热蒸汽冷凝热驱动再生，生成制 冷剂R2的过热蒸汽，流入低压冷凝器C2中被冷却水冷却，再生后的浓溶液 储存在低压发生器G2中。具体工作原理如附图1(a)所示。W1和W2可以是同 种工质对溶液，也可以不同，根据工况条件选取合适的工质对溶液，所选的 工质对溶液优选前述的三元低温工质对。
高温溶液换热器SHX1和低温溶液换热器SHX2的换热属于本领域常规换 热手段，这里不做赘述。
当采用吸收式热泵子系统部分冷量作为吸收式储能子系统低压冷凝器 C2的冷源时，如图1(b)所示，有助于降低冷凝器压力和低压发生器G2的温 度，从而降低高压发生器G1对驱动热源的要求(降低太阳能集热温度)；或 当发生温度不变时，有助于提高低压发生器G2中工质对W2的浓溶液的浓度， 增大浓差，从而提高吸收式储能循环的储能密度(ESD)。图1(b)和图1 (a)的区别在于，图1(b)吸收式储能子系统冷凝器采用吸收式热泵子系 统富余的部分冷量作为冷源，图中用E1和C2虚线箭头表示以示区别。
如图1(c)所示为太阳能驱动的双效双级双工质对吸收式热泵/储能循环 在冬季的储能过程，工作原理与图1(a)相似，此时吸收器A1和高压冷凝器 C1中放出的热量用于用户供热。
图2为夜间太阳能驱动的双效双级双工质对吸收式热泵/储能循环释能 过程示意图。根据用户对冷热负荷需求，不同季节采用不同工作方式完成释 能过程。图2(a)为夏季冷热联供释能过程，溶液泵P1和P3关闭，储能子系 统截止阀V3打开，低压发生器G2中工质对W2的浓溶液喷入吸收器A2中， 吸收器A2同时吸收来自低压蒸发器E2的制冷剂R2饱和蒸汽并放出热量，该 热量用作吸收式子系统高压蒸发器E1的热源，制冷剂储罐RT中的制冷剂W1 流入高压蒸发器E1，吸热蒸发变成饱和蒸汽，进入吸收器A1，随后被浓溶液 储罐ST中喷入吸收器A1中的浓溶液吸收，并放出热量，从而实现双级吸收 式储能循环的释能过程，在该过程中分别从工作单元低压蒸发器E2和吸收器 A1为用户同时提供冷量和热量。
在夏季当特殊用户需要更低温度的冷量时，可采用如图2(b)所示的释能 过程。该释能过程原理与图2(a)相同，区别在于工作单元吸收器A1、高压蒸 发器E1和吸收器A2在更低的温度下工作，从而在低压蒸发器E2端制取更低 温度的冷量(0℃以下)。在夏季释能过程中，一些用户需要更低的冷量(比 如0℃以下，甚至更低)，可以将吸收式热泵子系统蒸发器E1中的冷媒水作 为吸收式储能子系统吸收器A2的冷源，由于蒸发器E1的温度较低，可以在 较低温度下带走吸收式储能子系统吸收器A2释放的热，使得吸收式储能子系 统蒸发器E2也可以在更低温度下蒸发，从而实现E2制取更低温度的冷量。
如夏季用户无热需求，但具有较大的冷需求时，可采用如图2(c)所示释 能过程，实现吸收式储能循环并联制冷，由于原理与冷热联供释能过程相同， 仅需将用户与高压蒸发器E1和低压蒸发器E2同时连接即可，在此不再给出 具体释能过程说明；如某些特殊用户只对热有大量需求，也可采用该并联释 能过程实现制热。
冬季，我国绝大部分地区夜间气温较低(甚至0℃以下)，单级并联释 能过程由于受到温升限制无法满足用户热负荷需求，所以可采取如图2(d)所 示的双级释能过程，工作原理与图2(a)冷热联供释能过程相似。此时低压蒸 发器E2在更低温度下工作，利用环境低温热源，通过双级吸收提高温升实现 冬季供热。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：LiBr-ILs/醇(CH3OH 或CH3CH2OH)三元低温工质对可以有效降低驱动热源温度，提高太阳能利用 率。该新型三元工质对可在-0℃以下进行工作，不会出现结晶问题，有效利 用环境储能。太阳能驱动的双效双级双工质对吸收式热泵/储能循环其利用吸 收式热泵子系统中的制冷剂过热蒸汽潜热驱动吸收式储能子系统，通过各子 系统和双工质对的协同工作实现不同模式下的制冷、制热和冷热联供，提高 了储能效率和工作区间，可满足我国不同地域气候条件和用户需求，实现太 阳能可再生能源的高效利用。
以上对本申请实施例所提供的一种太阳能驱动的双效双级双工质对吸 收式热泵及储能系统，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理 解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本 申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本 说明书内容不应理解为对本申请的限制。
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域 技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说 明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在 功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及 的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。 “大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围 内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用 以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵 盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些 要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者 系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限 定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要 素。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关 联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A， 同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表 示前后关联对象是一种“或”的关系。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理 解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除， 而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内， 通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改 动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保 护范围内。

Claims (10)

1.一种太阳能驱动双级吸收式热能系统，其特征在于，所述系统包括第一吸收式热泵子系统和第二吸收式热泵子系统；
第一和第二吸收式热泵子系统中的发生器、蒸发器和吸收器内均设有工质对溶液的喷淋装置，利用工质对溶液实现热量的储存或释放；
第一吸收式热泵子系统以太阳能为驱动热源；第二吸收式热泵子系统以第一吸收式热泵子系统发生器产生的过热蒸汽为驱动热源；所述过热蒸汽放热后进入第一吸收式热泵子系统的冷凝器参与工作。
2.根据权利要求1所述的太阳能驱动双级吸收式热能系统，其特征在于，第一吸收式热泵子系统包括第一发生器、第一冷凝器、第一吸收器和第一蒸发器；第一吸收式热泵子系统中工质对溶液的循环方式为：在第一发生器中浓缩产生过热蒸汽，进入第二吸收式热泵子系统放热冷凝，再进入第一冷凝器，作为制冷剂进入第一蒸发器吸热汽化，再进入第一吸收器和第一发生器输送来的工质对溶液一起放热，最后输送至第一发生器，完成循环。
3.根据权利要求2所述的太阳能驱动双级吸收式热能系统，其特征在于，第一冷凝器和第一吸收器释放的热量由冷却水带走。
4.根据权利要求1所述的太阳能驱动双级吸收式热能系统，其特征在于，第一吸收式热泵子系统蒸发器的热源为循环热水或第二吸收式热泵子系统的吸收器释放的热量。
5.根据权利要求2所述的太阳能驱动双级吸收式热能系统，其特征在于，第一发生器和第一吸收器之间以及第一冷凝器和第一蒸发器之间均设有储罐，用于储存部分第一发生器下流的工质对溶液或第一冷凝器下流的制冷剂。
6.根据权利要求2所述的太阳能驱动双级吸收式热能系统，其特征在于，第一发生器和第一吸收器之间设有第一溶液换热器，用于实现工质对溶液的温度变化。
7.根据权利要求2所述的太阳能驱动双级吸收式热能系统，其特征在于，第二吸收式热泵子系统包括第二发生器、第二冷凝器、第二蒸发器和第二吸收器；第二吸收式热泵子系统中工质对溶液的循环方式与第一吸收式热泵子系统相同。
8.根据权利要求7所述的太阳能驱动双级吸收式热能系统，其特征在于，第二蒸发器同时作为蒸发器和冷凝器使用。
9.一种工质对溶液，其特征在于，所述工质对溶液包括锂盐、咪唑类离子液体和醇类，并应用于权利要求1-8任一所述的系统中。
10.根据权利要求9所述的工质对溶液，其特征在于，锂盐和咪唑类离子液体在工质对溶液中的质量占比为45％-70％；其中，锂盐和咪唑类离子液体的质量比为(3:1)～(1:3)。
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