CN113175766B - 一种用于吸附制冷系统的双螺旋翅片管式吸附床及应用 - Google Patents

一种用于吸附制冷系统的双螺旋翅片管式吸附床及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于吸附制冷系统的双螺旋翅片管式吸附床及应用，包括传热管、进气管、第一端盖、电极引线、外层金属套管、内层密封管、连接螺栓、密封垫片、排气管、第二端盖、气流通道、吸附材料和金属孔板电极，所提出的基于电渗效应再生的双螺旋结构翅片管式吸附床相比传统的翅片管式吸附床，具有更高的吸附剂再生速率与更短的解吸周期，与PEMFC余热利用相结合，可补偿余热温度过低的缺陷，具有推广应用的价值。

Description

一种用于吸附制冷系统的双螺旋翅片管式吸附床及应用
技术领域
本发明涉及吸附制冷技术领域，尤其涉及一种用于吸附制冷系统的双螺旋翅片管式吸附床及应用,其能够同时实现电渗效应与热效应对吸附剂的再生并分离再生过程中产生的气体。
背景技术
能源清洁化、低碳化，尽早完成碳达峰并最终实现碳中和，是我国能源消费结构的发展方向。氢能的储量丰富、热值高、能量密度大、来源多样，是我国能源技术革命的重点任务之一。质子交换膜氢燃料电池(PEMFC)因其能源转换效率高、排放无污染、燃料来源广、操作温度低和启停迅速等特点成为一种极具商业化推广潜力的氢能利用技术。而PEMFC运行时会产生相当于氢总能量含量的45-60％的余热，一方面，余热释放降低了PEMFC的能量利用效率，另一方面，余热释放引发的温升导致质子交换膜脱水而产生不可逆损害，有必要对燃料电池进行余热回收。
有研究显示，将燃料电池余热用于热电联产(CHP)系统可使系统效率增加到85％，高于仅利用燃料电池供电时的情况。燃料电池余热可用于驱动冷电联供系统(CCP)或冷热电三联供系统(CCHP)。结合PEMFC的冷热电联供可提供绿色清洁的供热制冷方式，实现能量的梯级利用，是燃料电池余热回收的理想方式之一。
吸附式制冷技术作为一种典型的余热利用制冷技术，可依靠低品位热源进行驱动，在工业余热、工业废热、燃料电池余热、太阳能等低品位能源的利用方面具有显著优势，具有无噪音、环境危害相对较小和使用寿命长等优点，也存在吸附与解吸周期长等缺点。然而吸附式制冷循环COP与用于再生固体多孔吸附剂的热源温度相关，热源温度愈高，循环能效越高。在PEMFC联供系统中，由于再生温度偏低，难以获得理想的余热利用效果。
电渗是多孔材料孔道中流体受壁面电双层内离子化液体微团拖曳，在外加电场作用下发生流动的现象。近年来开始被利用于固体吸湿剂的再生，虽然电渗脱水/除湿过程受吸附剂中的饱和度影响，且易产生焦耳热，限制了在空气除湿等领域的应用，但很适用于有低成本或免费电力来源的场合。因而将电渗再生应用于结合PEMFC余热利用的吸附制冷系统中具备理论可行性，与PEMFC系统形成一定互补优势：
1.电渗效应在吸附剂再生初期高饱和度下可快速形成电渗流，提升吸附剂再生速率缩短解吸周期；
2.电渗过程中所产生焦耳热能一定程度补偿PEMFC余热温度低的缺陷；
3.PEMFC系统可直接为电渗过程提供所需的直流电，无需额外电力供应而降低一定技术成本；
4.电渗效应对固体吸附剂内传质的增益可一定程度改善固体吸附剂内传热效果。
因此，开发合适的技术，有效结合电渗效应与吸附制冷技术，满足PEMFC余热利用需求，具有重要的现实意义。本发明即着眼于设计一种新的翅片管式吸附床，使其能够满足电渗效应应用的需求。
现有技术中涉及到电渗脱水以及吸附床研究的文献主要有：1、赵学雷,霍志保,蔡俊.污泥电化学脱水研究进展[J].化工设计通讯,2020,46(12):185-188.2、李亚林,刘蕾,周涛,王尊严,毕雅洁,陈高昂.电渗透交变电场联合双氧化技术污泥深度脱水研究[J].现代化工,2020,40(08):180-184+189.3、刘宇寰,王飞,陈文迪.水平电场下电极转换法对污泥电渗透脱水的影响[J].能源工程,2020(03):86-89+94.4、刘江燕.污泥电渗透脱水规律及季铵盐表面活性剂改善污泥电渗透脱水的研究[D].华南理工大学,2020.5、刘睿,傅少君,张瑞,赵斌.电渗法加固软土地基研究现状及展望[J].福建建筑,2019(06):38-44.6、刘宇寰.污泥电渗透脱水影响因素和优化方法的研究[D].浙江大学,2019.7、李一雯,周建,龚晓南,陈卓,陶燕丽.电极布置形式对电渗效果影响的试验研究[J].岩土力学,2013,34(07):1972-1978.8、王柳江,刘斯宏,朱豪,吴澎.电极布置形式对电渗加固软土效果的影响试验[J].河海大学学报(自然科学版),2013,41(01):64-69.9、Elsheniti,M.B.,M.A.Hassab and A.Attia,Examination of effects of operating and geometricparameters on the performance of a two-bed adsorption chiller.Applied ThermalEngineering,2019.146:p.674-687.10、Cai SS,Huang WY,Luo X,Li X,JiJJ.Experimental study on the impact factors of electro-osmotic flow indehumidification applications.Energ Buildings.2019；202:109388。11、张志彰,赖庆智,黄馨仪,吴信贤.薄膜式电渗透除湿技术.燃烧季刊.2013(第82期):41-59.12、Qi R,Tian C,Shao S.Experimental investigation on possibility of electro-osmoticregeneration for solid desiccant.Appl Energ.2010；87(7):2266-72.13、赵越,硅胶--水吸附式制冷系统吸附床结构优化研究,2020,山东大学.14、周毅,新型硅胶—水吸附式制冷实验台系统性能研究,2011,哈尔滨工业大学.第70页.15、杨克岩,太阳能吸附式制冷系统吸附床性能模拟仿真及优化,2017,江苏科技大学.
研究电渗脱水以及吸附床的专利文献主要有：1、专利申请号为CN201822149486.1，发明名称为一种双同步环形污泥电渗脱水机；2、专利申请号为CN201820329178.4，发明名称为一种淤泥电渗脱水装置；3、专利申请号为CN201710126210.9，发明名称为一种电渗透制冷除湿换热器；4、专利申请号为CN201511024256.7，发明名称为吸附床结构；5、专利申请号为CN201420649055.0，发明名称为一种适用于模块化生产的吸附床。
经过文献查阅与查新，在有关电渗效应利用方面，主要集中于电渗脱水尤其是污泥脱水方面的应用，近年来开始出现将电渗效应利用于湿度控制及固体吸附剂再生等方面的报道，未见利用电渗效应再生吸附床固体吸附剂的相关文献报道，在吸附床固体吸附剂再生方面，其方法主要集中为太阳能、工业余热等低品位热源的热再生方法。在深入了解和研究电渗效应与吸附床结构后，本团队提出了一种基于电渗效应再生的双螺旋结构翅片管式吸附床。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种用于吸附制冷系统的双螺旋翅片管式吸附床及应用。所提出的基于电渗效应再生的双螺旋结构翅片管式吸附床相比传统的翅片管式吸附床，具有更高的吸附剂再生速率与更短的解吸周期，与PEMFC余热利用相结合，可补偿余热温度过低的缺陷。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
本发明一种用于吸附制冷系统的双螺旋翅片管式吸附床，包括传热管、进气管、第一端盖、电极引线、外层金属套管、内层密封管、连接螺栓、密封垫片、排气管、第二端盖、气流通道、吸附材料和金属孔板电极，所述第一端盖和所述第二端盖分别通过一个所述密封垫片与所述外层金属套管的两端通过所述连接螺栓密封连接，所述内层密封管设置于所述外层金属套管的内壁，所述传热管的两端穿过所述第一端盖和所述第二端盖，所述第一端盖上设置所述进气管，所述第二端盖上设置所述排气管，所述金属孔板电极为双层螺旋结构，所述金属孔板电极固定设置于所述传热管的外壁，所述传热管的外壁绝缘处理，所述金属孔板电极设置于所述内层密封管内，双层的所述金属孔板电极之间填充所述吸附材料，所述金属孔板电极之间的螺旋间隙设置所述气流通道，两层所述金属孔板电极以相反方式连接所述电极引线，且所述电极引线引出于所述外层金属套管外与电源系统连接。
进一步，所述进气管为两个，两个所述进气管设置于所述第一端盖的两侧。
优选的，所述吸附材料为硅胶。硅胶具有良好的吸湿能力，能够快速地吸附空气中的水分，以便后续电渗透除湿。需要特别指出的是，本发明所述吸附材料为硅胶仅示意性用于解释和说明本发明，并不构成对本发明的不当限定并不对本发明，本发明涉及内容适用于所有电渗效应适用的吸附材料。
优选的，所述金属孔板电极为导电耐腐蚀材料。
优选的，所述导电耐腐蚀材料为钛金属。钛金属具有电阻低，不易腐蚀等优点，能够降低电功率损耗，十分适用于作为金属孔板电极。较多的比较试验表明，采用上述材料作为正负极材料，不仅能够提高电渗的效率，进而提高吸附剂再生解吸效果，还能够延长电极的使用寿命。
进一步，所述电源系统由AC/DC电源转换模块、功率输出模块、控制模块和电流检测模块组成，所述AC/DC电源转换模块的电源输入端与交流电源连接，所述AC/DC电源转换模块的输出端与所述功率输出模块的输入端连接，所述功率输出模块的电流输出端与所述电流检测模块的输出端连接，所述电流检测模块的信号输出端与所述控制模块的信号输入端连接，所述控制模块的控制信号输出端与所述功率输出模块的控制信号输入端连接，所述功率输出模块的电源输出端连接所述电极引线。所述功率输出模块输出恒定电压，所述恒定电压值为30V；所述电流检测模块与所述功率输出模块相连，检测所述功率输出模块的电流变化，当所述功率输出模块输出电流过低时，通过所述控制模块关闭所述功率输出模块，降低系统能耗；所述功率输出模块在输出电流过低由所述控制模块关闭后，所述两块螺旋结构布置的翅片内，所述吸附材料的再生解吸过程由所述传热管传导的热量维持；
本发明一种用于吸附制冷系统的双螺旋翅片管式吸附床的应用，所述双螺旋翅片管式吸附床应用于结合PEMFC余热利用的吸附制冷系统。
所述一种基于电渗效应再生的双螺旋结构翅片管式吸附床在处于吸附模式工作时，待处理气体分为两股气流，分别从一侧端盖布置的两个进气口进入吸附床，沿所述两块螺旋结构布置的翅片间的螺旋型气流通道前进，同时气体通过所述金属孔板电极的孔洞与所述吸附材料接触完成吸附过程，直至到达翅片尾部，从布置于另一端盖上的相应出气口排出吸附床；
所述一种基于电渗效应再生的双螺旋结构翅片管式吸附床在处于脱附模式工作时，所述两块螺旋结构布置的翅片的电极通电，发生电渗效应而开始脱附过程，除脱附产生水蒸气以外，吸附材料中含有液态水而发生电解而产生气体，由于所述翅片为双螺旋结构布置且两块翅片在进出口处的电极连接方式相反，使得任意气流通道两侧电极电性相同而产生同种电解气而达到分离电解气体的目的，电解气体与脱附的水蒸气沿所述两块螺旋结构布置的翅片间的螺旋型气流通道前进，直至到达翅片尾部，从布置于另一端盖上的相应出气口排出吸附床；工作过程中，所述专用电源的功率输出模块通过与所述金属孔板电极连接的引线，为所述金属孔板电极提供30V恒定直流电压以维持电渗效应，同时所述专用电源的电流检测模块开始检测所述功率输出模块的输出电流，当电流过低，与所述电流检测模块相连的控制模块关闭所述功率输出模块，此时吸附材料中的电渗被终止，吸附材料的进一步脱附解析过程由所述传热管传导的热量维持。
本发明的有益效果在于：
本发明是一种用于吸附制冷系统的双螺旋翅片管式吸附床及应用，与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
利用电渗效应再生吸附材料，结合一种特殊的双螺旋结构设计，实现一种基于电渗效应再生的双螺旋结构翅片管式吸附床，应用于结合PEMFC余热利用的吸附制冷系统，电渗效应在吸附剂再生初期高饱和度下可快速形成电渗流，提升吸附剂再生速率缩短解吸周期；
利用电渗效应再生吸附材料，结合一种特殊的双螺旋结构设计，实现一种基于电渗效应再生的双螺旋结构翅片管式吸附床，应用于结合PEMFC余热利用的吸附制冷系统，电渗过程中所产生焦耳热能一定程度补偿PEMFC余热温度低的缺陷；
利用电渗效应再生吸附材料，结合一种特殊的双螺旋结构设计，实现一种基于电渗效应再生的双螺旋结构翅片管式吸附床，应用于结合PEMFC余热利用的吸附制冷系统，PEMFC系统可直接为电渗过程提供所需的直流电，无需额外电力供应而降低一定技术成本；
利用电渗效应再生吸附材料，结合一种特殊的双螺旋结构设计，实现一种基于电渗效应再生的双螺旋结构翅片管式吸附床，应用于结合PEMFC余热利用的吸附制冷系统，电渗效应对固体吸附剂内传质的增益可一定程度改善固体吸附剂内传热效果；
利用电渗效应再生吸附材料，结合一种特殊的双螺旋结构设计，实现一种基于电渗效应再生的双螺旋结构翅片管式吸附床，应用于结合PEMFC余热利用的吸附制冷系统，可在电极通电后由于吸附材料中含有液态水而发生电解而产生气体过程中将电解气予以分离；
利用电渗效应再生吸附材料，结合一种特殊的双螺旋结构设计，实现一种基于电渗效应再生的双螺旋结构翅片管式吸附床，应用于结合PEMFC余热利用的吸附制冷系统，电渗脱附过程中分离的电解气体可经过除湿处理后送入PEMFC系统，回收部分能量，进一步提高PEMFC系统的能效；
本发明利用电渗效应再生吸附材料，结合一种特殊的双螺旋结构设计，实现一种基于电渗效应再生的双螺旋结构翅片管式吸附床，应用于结合PEMFC余热利用的吸附制冷系统，所述一种基于电渗效应再生的双螺旋结构翅片管式吸附床可快速完成吸附材料脱附解吸过程而缩短解吸周期，可回收电渗脱附过程中分离的电解气体实现更高效率的余热利用。
附图说明
图1是本发明的剖面结构示意图；
图2是本发明的一侧结构示意图；
图3是本发明的另一侧结构示意图；
图4是本发明的电源系统的结构原理框图；
图5是本发明的工作过程示意图。
图中：1-传热管，2-进气管，3-第一端盖，4-电极引线，5-外层金属套管，6-内层密封管，7-连接螺栓，8-密封垫片，9-出气管，10-第二端盖，11-气流通道，12-吸附材料，13-金属孔板电极，14-AC/DC电源转换模块，15-功率输出模块，16-控制模块，17-电流检测模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1-3所示：本发明一种用于吸附制冷系统的双螺旋翅片管式吸附床，包括传热管1、进气管2、第一端盖3、电极引线4、外层金属套管5、内层密封管6、连接螺栓7、密封垫片8、排气管9、第二端盖10、气流通道11、吸附材料12和金属孔板电极13，所述第一端盖3和所述第二端盖10分别通过一个所述密封垫片8与所述外层金属套管5的两端通过所述连接螺栓7密封连接，所述内层密封管6设置于所述外层金属套管5的内壁，所述传热管1的两端穿过所述第一端盖3和所述第二端盖10，所述第一端盖3上设置所述进气管2，所述第二端盖10上设置所述排气管9，所述金属孔板电极13为双层螺旋结构，所述金属孔板电极13固定设置于所述传热管1的外壁，所述传热管1的外壁绝缘处理，所述金属孔板电极13设置于所述内层密封管6内，双层的所述金属孔板电极13之间填充所述吸附材料12，所述金属孔板电极13之间的螺旋间隙设置所述气流通道11，两层所述金属孔板电极13以相反方式连接所述电极引线4，且所述电极引线4引出于所述外层金属套管5外与电源系统连接。
进一步，所述进气管2为两个，两个所述进气管2设置于所述第一端盖3的两侧。
优选的，所述吸附材料12为硅胶。硅胶具有良好的吸湿能力，能够快速地吸附空气中的水分，以便后续电渗透除湿。需要特别指出的是，本发明所述吸附材料12为硅胶仅示意性用于解释和说明本发明，并不构成对本发明的不当限定并不对本发明，本发明涉及内容适用于所有电渗效应适用的吸附材料。所述金属孔板电极12材料为较耐腐蚀的钛金属，钛金属具有电阻低，不易腐蚀等优点，能够降低电功率损耗，十分适用于作为金属孔板电极12。较多的比较试验表明，采用上述材料作为正负极材料，不仅能够提高电渗的效率，进而提高吸附材料12再生解吸效果，还能够延长金属孔板电极13的使用寿命；
优选的，所述金属孔板电极13为导电耐腐蚀材料。
优选的，所述导电耐腐蚀材料为钛金属。
如图4所示：所述电源系统由AC/DC电源转换模块14、功率输出模块15、控制模块16和电流检测模块17组成，所述AC/DC电源转换模块14的电源输入端与交流电源连接，所述AC/DC电源转换模块14的输出端与所述功率输出模块15的输入端连接，所述功率输出模块15的电流输出端与所述电流检测模块17的输出端连接，所述电流检测模块17的信号输出端与所述控制模块16的信号输入端连接，所述控制模块16的控制信号输出端与所述功率输出模块15的控制信号输入端连接，所述功率输出模块15的电源输出端连接所述电极引线4。所述功率输出模块14输出恒定电压，所述恒定电压值为30V，所述电流检测模块17与所述功率输出模块15相连，检测所述功率输出模块15的电流变化，当所述功率输出模块15输出电流过低时，通过所述控制模块16关闭所述功率输出模块，降低系统能耗；所述功率输出模块15在输出电流过低由所述控制模块16关闭后，所述两块螺旋结构布置的翅片内，所述吸附材料的再生解吸过程由所述传热管传导的热量维持；
本发明一种用于吸附制冷系统的双螺旋翅片管式吸附床的应用，所述双螺旋翅片管式吸附床应用于结合PEMFC余热利用的吸附制冷系统。
如图5所示：所述一种基于电渗效应再生的双螺旋结构翅片管式吸附床在处于吸附模式工作时，待处理气体分为两股气流，分别从一侧端盖3布置的两个进气口2进入吸附床，沿所述两块螺旋结构布置的翅片间的螺旋型气流通道11前进，同时气体通过所述金属孔板电极13的孔洞与所述吸附材料12接触完成吸附过程，直至到达翅片尾部，从布置于另一端盖上的相应出气口9排出吸附床；
如附图5所示，所述一种基于电渗效应再生的双螺旋结构翅片管式吸附床在处于脱附模式工作时，所述两块螺旋结构布置的翅片的金属孔板电极13通电，发生电渗效应而开始脱附过程，除脱附产生水蒸气以外，吸附材料12中含有液态水而发生电解而产生气体，由于所述翅片为双螺旋结构布置且两块翅片在进气口2和出气口处9的电极连接方式相反，使得任意气流通道两侧金属孔板电极13电性相同而产生同种电解气而达到分离电解气体的目的，电解气体与脱附的水蒸气沿所述两块螺旋结构布置的翅片间的螺旋型气流通道11前进，直至到达翅片尾部，从布置于另一端盖上的相应出气口9排出吸附床；工作过程中，所述专用电源的功率输出模块15通过与所述金属孔板电极13连接的电极引线4，为所述金属孔板电极13提供30V恒定直流电压以维持电渗效应，同时所述专用电源的电流检测模块17开始检测所述功率输出模块15的输出电流，当电流过低，与所述电流检测模块17相连的控制模块16关闭所述功率输出模块15，此时吸附材料12中的电渗被终止，吸附材料12的进一步脱附解析过程由所述传热管1传导的热量维持。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种用于吸附制冷系统的双螺旋翅片管式吸附床，其特征在于：包括传热管（1）、进气管（2）、第一端盖（3）、电极引线（4）、外层金属套管（5）、内层密封管（6）、连接螺栓（7）、密封垫片（8）、排气管（9）、第二端盖（10）、气流通道（11）、吸附材料（12）和金属孔板电极（13），所述第一端盖（3）和所述第二端盖（10）分别通过一个所述密封垫片（8）与所述外层金属套管（5）的两端通过所述连接螺栓（7）密封连接，所述内层密封管（6）设置于所述外层金属套管（5）的内壁，所述传热管（1）的两端穿过所述第一端盖（3）和所述第二端盖（10），所述第一端盖（3）上设置所述进气管（2），所述第二端盖（10）上设置所述排气管（9），所述金属孔板电极（13）为双层螺旋结构，所述金属孔板电极（13）固定设置于所述传热管（1）的外壁，所述传热管（1）的外壁绝缘处理，所述金属孔板电极（13）设置于所述内层密封管（6）内，双层的所述金属孔板电极（13）之间填充所述吸附材料（12），所述金属孔板电极（13）之间的螺旋间隙设置所述气流通道（11），两层所述金属孔板电极（13）以相反方式连接所述电极引线（4），且所述电极引线（4）引出于所述外层金属套管（5）外与电源系统连接。
2.根据权利要求1所述的用于吸附制冷系统的双螺旋翅片管式吸附床，其特征在于：所述进气管（2）为两个，两个所述进气管（2）设置于所述第一端盖（3）的两侧。
3.根据权利要求1所述的用于吸附制冷系统的双螺旋翅片管式吸附床，其特征在于：所述吸附材料（12）为硅胶。
4.根据权利要求1所述的用于吸附制冷系统的双螺旋翅片管式吸附床，其特征在于：所述金属孔板电极（13）为导电耐腐蚀材料。
5.根据权利要求4所述的用于吸附制冷系统的双螺旋翅片管式吸附床，其特征在于：所述导电耐腐蚀材料为钛金属。
6.根据权利要求1所述的用于吸附制冷系统的双螺旋翅片管式吸附床，其特征在于：所述电源系统由AC/DC电源转换模块（14）、功率输出模块（15）、控制模块（16）和电流检测模块（17）组成，所述AC/DC电源转换模块（14）的电源输入端与交流电源连接，所述AC/DC电源转换模块（14）的输出端与所述功率输出模块（15）的输入端连接，所述功率输出模块（15）的电流输出端与所述电流检测模块（17）的输出端连接，所述电流检测模块（17）的信号输出端与所述控制模块（16）的信号输入端连接，所述控制模块（16）的控制信号输出端与所述功率输出模块（15）的控制信号输入端连接，所述功率输出模块（15）的电源输出端连接所述电极引线（4）。
7.一种如权利要求1-6任意一项所述用于吸附制冷系统的双螺旋翅片管式吸附床的应用，其特征在于：所述双螺旋翅片管式吸附床应用于结合PEMFC余热利用的吸附制冷系统。
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