CN113175767B - 一种基于水合物作用的分体式格栅型制冷供热装置 - Google Patents

一种基于水合物作用的分体式格栅型制冷供热装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于水合物作用的分体式格栅型制冷供热装置，包括制热工段、制冷工段及存放水合物的储存槽，制热工段具有水合物生成器、热能设备，制冷工段具有水合物分解器、冷能设备，储存槽分别管路连通水合物生成器出料口和水合物分解器的进料口，水合物生成器分别管路连接有储气罐和储水罐，水合物生成器通过保温储液罐与热能设备形成回路连接，水合物分解器通过保温储液罐与冷能设备形成回路连接。本发明采用分体式格栅设计，可最大限度增加换热面积，水与二氧化碳气体组成的气体水合物，利用其生成时放热、分解吸热特性，通过循环结构将制冷制热两个工段相连接，实现热能和冷能的充分回收利用，系统自动化程度高，节能环保。

Description

一种基于水合物作用的分体式格栅型制冷供热装置
技术领域
本发明涉及制冷供热系统技术领域，尤其是一种基于水合物作用的分体式格栅型制冷供热装置。
背景技术
目前在制冷领域所应用的制冷剂大多采用卤代烃、氨气等，易造成臭氧空洞、气候变暖等环境问题。因此需要有一种环境友好的介质对其进行替代。气体水合物是指气体分子(或易挥发的液体分子)与水分子在一定的温度、压力、气体浓度等特定条件下所生成的笼形结晶化合物，其在生成分解过程分别对应放热、吸热过程。目前对不同种类水合物的研究中，以天然气水合物的研究居多，而CO2水合物浆体由于其出色的流动性和热物理性能，受到了各行业技术领域的关注。
纯CO2水合物属于I型水合物，在加入了常用的添加剂，如四氢呋喃(THF)、四丁基溴化铵(TBAB)之后，形成热力学性能更为稳定的II型水合物，使水合物在低压条件下(<10bar)就能生成，并可放出大量的热量，同时CO2水合物能够在零度以上发生相变并且具有较高的分解焓(500kJ/kg)，可替代传统制冷剂氟利昂等，有效缓解全球变暖及对臭氧层产生的破坏。同时CO2水合物还具有出色的热力学性能，可以减少压缩机功率，提高制冷供热系统的能源利用效率。此外，通过促水合物生成剂，如十二烷基硫酸钠(SDS)、四丁基氟化铵(TBAF)等，降低水合物的相平衡条件，大大缩短水合物反应生成所需的诱导时间，提高制冷供热系统运行效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中之不足，本发明提供一种应用于温室生产与低温贮藏一体的分体式格栅型冷供热装置，通过利用CO2水合物生成放热、分解吸热的特性，使浆状水合物、气体和水在系统内部进行循环而实现能量转化。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于水合物作用的分体式格栅型制冷供热装置，包括制热工段、制冷工段及存放水合物的储存槽，所述的制热工段具有水合物生成器、热能设备，制冷工段具有水合物分解器、冷能设备，储存槽分别管路连通水合物生成器出料口和水合物分解器的进料口，所述的水合物生成器分别管路连接有储气罐和储水罐，所述的水合物生成器通过保温储液罐与热能设备形成回路连接，水合物分解器通过保温储液罐与冷能设备形成回路连接。
具体说，水合物生成器：具有生成器壳体，生成器壳体内纵向排列有上端开口的换热格栅，所述换热格栅上端之间设有感应分液管，生成器壳体内设有分布于各换热格栅内的换热盘管，换热盘管两端分别与保温储液罐管路连接。
具体说，水合物分解器：具有分解器壳体，分解器壳体内纵向排列有密闭的制冷格栅，制冷格栅上端连接有浆料注入管，分解器壳体下端连接有圆台形的负压腔体，制冷格栅底部与负压腔体之间设有可开闭的闸板，所述的制冷格栅内设有制冷盘管，浆料注入管与储存槽之间的管路上设有膨胀阀。
所述的水合物分解器与水合物生成器之间设有气液分离器，负压腔体内的气液混合物输入气液分离器内，气液分离器的气、液出口分别与水合物生成器管路连接。
所述的水合物生成器通向储存槽的管路上设有第一水合物循环泵，储存槽通向水合物分解器的管路上设有第二水合物循环泵。
所述的水合物生成器连接储气罐的管路上设有气体控制阀，气液分离器连通水合物生成器的气体管路上设有单向阀和压缩机，气液分离器连通水合物生成器的液体管路上依次设有单向阀和水泵，储水罐连接在单向阀与水泵之间的管路上并设有供水控制阀。
所述的生成器壳体外壁安装有监测水合物生成器内部温压的温度传感器和压力传感器。
所述的制冷格栅上端设有控制浆料注入管进料的控制开关，制冷格栅下端设有监控温度而控制闸板开启且与控制开关信号连接的温控开关。
所述的保温储液罐通向热能设备、冷能设备的管路上依次设有水泵和流量控制仪，热能设备、冷能设备流回保温储液罐的管路上设有止回阀。
所述的负压腔体连通气液分离器的管路上设有气液循环泵。
本发明的有益效果是：本发明采用分体式格栅设计，将水合物的生成和分解分割成数个独立的格栅，在不影响系统运行的条件下最大限度增加换热管路的接触面积，能够实现对于热能和冷能的充分回收利用，制冷工段的能够实现各制冷格栅间分解加料独立进行，互不干扰易于控制，解决了无法充分回收利用系统产生能量的问题，提升了工作效率，由水与二氧化碳气体组成的气体水合物，利用其生成时放热，分解吸热特性，并通过循环结构将两个制热、制冷两个工段相连接，实现循环重复利用，系统自动化程度高，具有较高的运行效率，节能环保，易于操控。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明所述水合物生成器的结构示意图。
图3是本发明所述水合物分解器的结构示意图。
图中：1.储存槽，2.热能设备，3.冷能设备，4.水合物生成器，4-1.生成器壳体，4-2.换热格栅，4-3.感应分液管，4-4.换热盘管，4-5.注水口，5.储气罐，6.储水罐，7.水合物分解器，7-1.分解器壳体，7-2.制冷格栅，7-3.浆料注入管，7-4.制冷盘管，7-5.负压腔体，7-6.闸板，8.膨胀阀，9.保温储液罐，10.水泵，11.流量控制仪，12.止回阀，13.气液分离器，14.第一水合物循环泵，15.第二水合物循环泵，16.温度传感器，17.压力传感器，18.气体控制阀，19.供水控制阀，20.控制阀门，21.控制开关，22.温控开关，23.气液循环泵，24.单向阀，25.压缩机。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示的一种基于水合物作用的分体式格栅型制冷供热装置，包括制热工段、制冷工段及存放水合物的储存槽1，所述的制热工段具有水合物生成器4、储气罐5、储水罐6以及热能设备2，所述的制冷工段具有水合物分解器7、膨胀阀8及冷能设备3，储存槽1分别管路连通水合物生成器4出料口和水合物分解器7的进料口，所述的水合物生成器4通过保温储液罐9与热能设备2形成回路连接，水合物分解器7通过保温储液罐9与冷能设备3形成回路连接，所述的保温储液罐9通向热能设备2、冷能设备3的管路上依次设有水泵10和流量控制仪11，热能设备2、冷能设备3流回保温储液罐9的管路上设有止回阀12，所述的水合物分解器7与水合物生成器4之间设有气液分离器13。
所述的水合物生成器4的出料口通向储存槽1的管路上设有第一水合物循环泵14，储存槽1通向水合物分解器7的管路上设有第二水合物循环泵15，膨胀阀8设在第二水合物循环泵15与水合物分解器7之间的管路上。
如图2所示，所述的水合物生成器4：具有钢制的生成器壳体4-1，生成器壳体4-1内纵向排列有数个由钢板分割开的独立的换热格栅4-2，所述换热格栅4-2上端开口之间并在该开口端设有感应分液管4-3，可利用分液原理使各换热格栅4-2间水位保持一致，减少内部注水管路的设置；所述生成器壳体4-1内串联设有分布于各换热格栅4-2内、材质为石墨烯的换热盘管4-4，所述换热盘管4-4外部涂有聚四氟乙烯涂层，可防止水合物附着而影响系统运行效率。换热盘管4-4一端通过外部保温管道与保温储液罐9相连，将热能存储在保温储液罐9内，保温储液罐9通过水泵10与换热盘管4-4另一端管路连接。
所述的生成器壳体4-1最右侧底部设有注水口4-5，生成器壳体4-1外壁安装有监测水合物生成器4内部温压的温度传感器16和压力传感器17。储气罐5通过气体控制阀18与水合物生成器4管路连接，储水罐6通过供水控制阀19及水泵10与生成器壳体4-1底部的注水口4-5管路连接。
所述的水合物生成器4的出料口位于生成器壳体4-1上部，该出料口与第一水合物循环泵14通过水合物出口管道相连，水合物生成器4内生成的水合物通过水合物出口管道经第一水合物循环泵14后送入储存槽1内，第一水合物循环泵14与储存槽1之间设有控制阀门20；储存槽1中的水合物经第二水合物循环泵15和膨胀阀8减压后注入至水合物分解器7中。
如图3所示，所述的水合物分解器7：具有分解器壳体7-1，分解器壳体7-1内纵向排列有制冷格栅7-2，所述制冷格栅7-2为独立封闭结构，制冷格栅7-2上端连接有浆料注入管7-3，膨胀阀8与浆料注入管7-3管路连接，所述的制冷格栅7-2内设有形成并联分布的制冷盘管7-4，位于分解器壳体7-1下端连接有圆台形的负压腔体7-5，制冷格栅7-2底部与负压腔体7-5之间设有可开闭的闸板7-6。
所述的制冷格栅7-2上端设有控制浆料注入管7-3进料的控制开关21，制冷格栅7-2下端设有监控制冷格栅7-2内部温度而控制闸板7-6开启的温控开关22，温控开关22与控制开关21信号连接。
所述的负压腔体7-5与气液分离器13管路连接而将负压腔体7-5内的气液混合物输入气液分离器13内，所述的负压腔体7-5连通气液分离器13的管路上设有气液循环泵23。
所述气液分离器13的气、液出口分别与水合物生成器4管路连接，气液分离器13连通水合物生成器4的气体管路上设有单向阀24和压缩机25，气液分离器13连通水合物生成器4的液体管路上依次设有单向阀24和水泵10，储水罐6连接在单向阀24与水泵10之间的管路上。
水合物分解器7通过冷能液体回流管和冷能循环管与保温储液罐9形成回路连接，分解时经膨胀阀8减压后的水合物浆料经浆料注入管7-3分别注入至水合物分解器7的各制冷格栅7-2内分解吸收热量，通过制冷盘管7-4进行吸冷换热后，经冷能液体回流管将冷能输送至保温储液罐9内。
分解过程中，当温控开关22监控到的温度在一段时间内不再变化时，开启闸板7-6，由于制冷格栅7-2与负压腔体7-5之间的压差作用，制冷格栅7-2内分解后的气液迅速进入负压腔体7-5内，10s后温控开关22控制闸板7-6关闭，同时传递无线信号至控制开关21打开浆料注入管7-3向制冷格栅7-2内注入新的水合物浆料，继续分解过程。通过控制开关21实现自动加料排液，且各制冷格栅7-2间独立工作互不影响，极大地提高了工作换热效率。
所述负压腔体7-5的作用在于快速收集制冷格栅7-2间分解完成的气液，迅速排空各制冷格栅7-2，进行下一分解过程，提高冷能产出率；气液循环泵23将负压腔体7-5收集的气液输送至气液分离器13，气液分离器13将气体和液体进行分离后，气体经单向阀24和压缩机25加压进入水合物生成器4，液体经单向阀24和水泵10返回水合物生成器4，完成气液循环，并且由储水罐6和储气罐5适时向水合物生成器4内补水补气。
工作过程简述如下：
先打开供水控制阀19利用水泵10将储水罐6中的水由注水口4-5注入至水合物生成器4内，当最右侧换热格栅4-2内水位淹没感应分液管4-3时，由于一侧为气体一侧为液体，压强作用下最右侧换热格栅4-2中的水将依次注满每一个换热格栅4-2，直到各换热格栅4-2水位齐平，关闭供水控制阀19、水泵10，再打开气体控制阀18，储气罐5向水合物生成器4供气，压力传感器17控制供气量，达到一定压力后停止供气，此时水合物生成器4各换热格栅4-2开始生成水合物，并释放出热量，与此同时，所述换热盘管4-4将各换热格栅4-2内水合物生成过程中释放的热量不断吸收，并通过连接换热盘管4-4的外部保温管道输送至保温储液罐9内进行储存，一方面保证水合物生成过程不受热量干扰，另一方面收集利用热量。
通过温度传感器16、压力传感器17监测水合物生成器4内部温压，当温压在5min内不发生变化时，表示水合物已生成完毕，开启水合物出口管道上的控制阀门20，通过第一水合物循环泵14将水合物生成器4内生成的水合物全部泵送至储存槽1内，之后关闭控制阀门20及第一水合物循环泵14。
开启位于保温储液罐9和热能设备2之间的水泵10以及流量控制仪11，保温储液罐9内收集的热量被泵送至热能设备2供热，完成热量利用后经制热工段的换热回流管道和止回阀12循环流回保温储液罐9，一个供热循环完成，此循环能够源源不断向热能设备2提供热量。
打开第二水合物循环泵15及膨胀阀8，将储存于储存槽1内的浆状水合物经膨胀阀8减压后，通过浆料注入管7-3泵送至水合物分解器7上部各密闭独立的制冷格栅7-2中，进行分解反应；当各制冷格栅7-2底部的温控开关22监控到温度在一段时间内不再变化时开启制冷格栅7-2底部的闸板7-6，制冷格栅7-2中分解后的气液混合物在分解器壳体7-1与负压腔体7-5的压差作用下被迅速排空，10s后温控开关22控制闸板7-6关闭，同时温控开关22传递无线信号至控制开关21，浆料注入管7-3再次打开，各个制冷格栅7-2内部又被注入新的水合物浆料继续进行下一个分解过程。
所述水合物分解器7采用独立格栅形式进行分解，各制冷格栅7-2的分解过程互不干扰，各制冷格栅7-2内的制冷盘管7-4相互并联设置，在分解过程进行的同时，打开位于保温储液罐9与冷能设备3之间的水泵10以及流量控制仪11，保温储液罐9内收集的冷能被泵送至冷能设备3供冷，完成冷能利用后经制冷工段的换热回流管道和止回阀12循环回保温储液罐9，一个供冷循环完成，此循环能够源源不断向冷能设备3提供冷能。
在上述水合物的生成、分解过程中，打开气液循环泵23，将水合物分解器7底部的负压腔体7-5内收集的气液混合物输送至气液分离器13，在此完成气液分离后，气体经单向阀24和压缩机25加压循环回水合物生成器4，液体经单向阀24和水泵10循环回水合物生成器4，完成气液循环，同时可通过储水罐6和储气罐5适时向水合物生成器4补水补气，以提高水合物生成效果。
本发明利用水合物实现制冷供热，水合物生成和分解之间的液体与冷端、热端循环水管路中的液体之间并不互通，储水罐6提供的水只用于水合物的生成和分解，不参与冷、热循环，相应的，冷、热端之间的循环水只参与换热循环，不参与水合物的生成和分解。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种基于水合物作用的分体式格栅型制冷供热装置，包括制热工段、制冷工段及存放水合物的储存槽，其特征是：所述的制热工段具有水合物生成器、热能设备，制冷工段具有水合物分解器、冷能设备，储存槽分别管路连通水合物生成器出料口和水合物分解器的进料口，所述的水合物生成器分别管路连接有储气罐和储水罐，所述的水合物生成器通过保温储液罐与热能设备形成回路连接，水合物分解器通过保温储液罐与冷能设备形成回路连接；
水合物生成器：具有生成器壳体，生成器壳体内纵向排列有数个上端开口的、由钢板分割开的独立的换热格栅，所述换热格栅上端之间设有感应分液管，生成器壳体内设有分布于各换热格栅内的换热盘管，换热盘管两端分别与保温储液罐管路连接；
水合物分解器：具有分解器壳体，分解器壳体内纵向排列有密闭的制冷格栅，所述的制冷格栅为独立封闭结构且分解过程中互不干扰，制冷格栅上端连接有浆料注入管，分解器壳体下端连接有圆台形的负压腔体，制冷格栅底部与负压腔体之间设有可开闭的闸板，所述的制冷格栅内设有制冷盘管，所述制冷格栅内的制冷盘管相互并联设置，浆料注入管与储存槽之间的管路上设有膨胀阀；
所述的水合物分解器与水合物生成器之间设有气液分离器，负压腔体内的气液混合物输入气液分离器内，气液分离器的气、液出口分别与水合物生成器管路连接。
2.如权利要求1所述的基于水合物作用的分体式格栅型制冷供热装置，其特征是：所述的水合物生成器通向储存槽的管路上设有第一水合物循环泵，储存槽通向水合物分解器的管路上设有第二水合物循环泵。
3.如权利要求1所述的基于水合物作用的分体式格栅型制冷供热装置，其特征是：所述的水合物生成器连接储气罐的管路上设有气体控制阀，气液分离器连通水合物生成器的气体管路上设有单向阀和压缩机，气液分离器连通水合物生成器的液体管路上依次设有单向阀和水泵，储水罐连接在单向阀与水泵之间的管路上并设有供水控制阀。
4.如权利要求1所述的基于水合物作用的分体式格栅型制冷供热装置，其特征是：所述的生成器壳体外壁安装有监测水合物生成器内部温压的温度传感器和压力传感器。
5.如权利要求1所述的基于水合物作用的分体式格栅型制冷供热装置，其特征是：所述的制冷格栅上端设有控制浆料注入管进料的控制开关，制冷格栅下端设有监控温度而控制闸板开启且与控制开关信号连接的温控开关。
6.如权利要求1所述的基于水合物作用的分体式格栅型制冷供热装置，其特征是：所述的保温储液罐通向热能设备、冷能设备的管路上依次设有水泵和流量控制仪，热能设备、冷能设备流回保温储液罐的管路上设有止回阀。
7.如权利要求1所述的基于水合物作用的分体式格栅型制冷供热装置，其特征是：所述的负压腔体连通气液分离器的管路上设有气液循环泵。
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