CN113669941A - 一种低温余热增焓储热系统 - Google Patents

一种低温余热增焓储热系统 Download PDF

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Abstract

一种低温余热增焓储热系统，属于储能技术领域。本发明包括低温余热存储单元、吸收式热泵提质单元、中温蓄热单元三部分，可实现低温余热存储，并利用吸收式热泵提质单元对已储存的低温余热进行提质，最后将提质后的中温热能存储于系统内，从而将低品位的余热转变为高品位的热能并储存。实现了低温余热的低温储存、提质和中温储存及释放，扩大了原有低温余热的应用范围，与传统的储热方式相比，具有热能密度高，热损失小，系统热效率高，经济效益好的特点。

Description

一种低温余热增焓储热系统
技术领域
本发明涉及一种低温余热增焓储热系统，属于储能技术领域。
背景技术
能源是现代社会和生活的基础，也是国家经济发展的重要支柱。以煤炭、石油、天然气为主的化学燃料的大量使用，在推动国家经济快速发展的同时也存在着一系列问题，比如：利用率低、经济效益差和生态环境压力大等等。同时在一些工业生产过程中，也产生数量十分惊人的废热或余热，尤其大量小于100℃的低温余热。这部分余热由于不能被利用而白白浪费，因此，可以设计合适的储热方案，将这一部分废热、余热的热量加以储存并利用。
现如今常见的储热方式有显热储热、潜热储热和化学储热等。其中显热储热和潜热储热的技术比较成熟、应用较为广泛，但是存在一些缺陷。例如，显热储热：放热不恒温、储热密度小以及储热装置庞大等；潜热储热：受到材料相变温度的影响较大而且技术难度大等。除此之外，它们都受到换热温差以及换热器面积的限制，因而在储热过程中会使热能品位降低，并且热能长期储存会产生较大的热量损失，从而导致储热效率下降。化学储热不同于显热储热和潜热储热，化学储热利用一对正逆吸/放热的化学反应，将热能以化学能的形式储存起来，并且可以使用催化剂或者反应物对反应过程进行控制，将热量长期储存起来，还可以减小在储存热量时的损失。
发明内容
本发明针对现有技术的不足和缺陷，提出了一种低温余热增焓储热系统，将化学储热与吸收式热泵相结合，该系统依次进行低温余热存储、吸收式热泵提质以及中温蓄热，在储热的同时提升了低温余热的品位，扩大了热能的应用范围，而且与传统的储热相比，具有热能密度高，热损失小，系统效率高，经济效益好的特点。
本发明的技术方案如下：
一种低温余热增焓储热系统，其特征在于包括低温余热存储单元、吸收式热泵提质单元、中温蓄热单元。本发明所述系统可实现低温余热存储，并利用吸收式热泵提质单元对已储存的低温余热进行提质，最后将提质后的中温热能存储于系统内，从而将低品位热能转变为高品位的热能并储存。
一种低温余热增焓储热系统，其特征在于：首先，由所述低温余热存储单元完成低温余热存储过程；然后，由所述吸收式热泵提质单元完成低温余热的提质过程；最后，由所述中温蓄热单元完成中温蓄热过程。
其中，所述低温余热存储单元包括低温余热存储装置、低温生成物储罐、蒸发器和发生器，所述低温余热存储装置内部填充基于化学储热原理的反应原料，该反应原料可发生正向吸热反应(其逆向反应为放热反应)。
其中，所述吸收式热泵提质单元包括蒸发器、冷凝器、吸收器、溶液换热器和发生器，所述发生器内部填充实现吸收式热泵提质的高浓度的溶液，该溶液在稀释过程中可放出热量。
其中，所述中温蓄热单元包括传热介质储罐、中温余热存储装置、中温蓄热装置、中温生成物储罐和压气机，所述中温余热存储装置内部填充基于化学储热原理的反应原料，该反应原料可发生正向吸热反应(其逆向反应为放热反应)。
其中，所述低温余热存储单元的低温余热存储装置中的反应产物离开低温余热存储装置，分别与蒸发器内部换热器和发生器内部换热器换热后进入低温生成物储罐。
其中，所述吸收式热泵提质单元的发生器的溶液出口通过管道经溶液泵、溶液换热器与吸收器的溶液入口连接，发生器的水蒸气出口通过管道与冷凝器的水蒸气入口连接；所述冷凝器的冷凝水出口通过管道经溶液泵与蒸发器的冷凝水入口连接；所述蒸发器的水蒸气出口通过管道与吸收器的水蒸气入口连接；所述吸收器的溶液出口通过管道、溶液换热器与发生器的溶液入口连接，吸收器的热源入口通过管道与传热介质储罐的出口连接，吸收器的热源出口通过管道与中温余热存储装置的内部换热器连接。
其中，所述中温蓄热单元的中温余热存储装置的反应产物出口通过管道经中温蓄热装置的反应产物通道、压气机与中温生成物储罐的入口连接；所述中温生成物储罐的出口通过管道经中温蓄热装置的反应产物通道与中温余热存储装置的反应产物入口连接。
其中，所述低温生成物储罐的出口与中温蓄热装置的低温反应产物入口连接；所述中温蓄热装置的低温反应产物出口与低温余热存储装置的反应产物入口连接。
一种低温余热增焓储热系统，其特征在于包括储热和释热两种运行模式：
在储热模式下，所述低温余热存储单元中，低温余热存储装置内部的反应原料通过换热器吸收具有一定温度的外部低品位余热资源的热量，在合适的温度及压力环境中发生正向吸热反应，生成相态与密度不同的反应产物。密度大的固态反应产物留在低温余热存储装置中，而带有一定温度且密度小的气态或液态的反应产物则排出低温余热存储装置；所述低温余热存储装置排出的反应产物分别经过蒸发器的内部换热器和发生器的内部换热器换热降温后，进入低温生成物储罐中储存，从而完成低温余热的存储过程。
在储热模式下，所述吸收式热泵提质单元中，发生器内部的浓溶液被溶液泵增压，经溶液换热器进入吸收器；在所述吸收器中，浓溶液吸收来自蒸发器的水蒸气，变为稀溶液，然后稀溶液经溶液换热器回到发生器；所述发生器中，稀溶液通过内部换热器吸收低温余热存储装置排出的反应产物的热量，稀溶液中部分的水受热蒸发为水蒸气并进入冷凝器，发生器中溶液变为浓溶液；所述冷凝器中，在冷却水的作用下，水蒸气被冷凝成液态水，然后经溶液泵加压进入蒸发器；所述蒸发器中，液态水通过内部换热器吸收低温余热存储装置排出的反应产物的热量汽化成水蒸气，然后进入吸收器；所述吸收器中，浓溶液吸收水蒸气，释放出热量并被传热介质储罐中的传热介质吸收，传热介质吸热后升温，从而完成利用吸收式热泵提质单元提质的过程。
在储热模式下，所述中温蓄热单元中，中温余热存储装置内部填充的反应原料通过换热器吸收传热介质的热量，在合适的温度及压力环境中发生正向吸热反应，生成相态与密度不同的反应产物，密度大的反应产物留在中温余热存储装置中，具有一定温度且密度小的气态或液态的反应产物在压气机的吸入作用下进入中温蓄热装置换热；所述中温蓄热装置中反应产物换热完成后温度降低，经压气机送入中温生成物储罐进行储存，从而完成中温蓄热过程。
在释热模式下，所述低温生成物储罐中的气态或液态的反应产物排出，经过中温蓄热装置换热后进入低温余热存储装置，在合适的温度及压力环境中与低温余热存储装置中原有的反应产物发生逆向放热反应，释放出热量通过内部换热器被外部循环工质吸收，用于其他工业生产或日常生活用途；同时，所述中温生成物储罐中的气态或液态的反应产物排出，经过中温蓄热装置换热后进入中温余热存储装置，在合适的温度及压力环境中与中温余热存储装置中原有的反应产物发生逆向放热反应，释放出热量通过内部换热器被外部循环工质吸收，用于其他工业生产或日常生活用途。
本发明具有以下优点及突出性技术效果：
1.本发明所述系统的储热密度明显高于显热储热、潜热储热，而且可以实现热量长时间储存而几乎没有损失，储热效率高。
2.本发明利用吸收式热泵提质单元对已储存的低品位余热进行提质，热能品位得到提高，并将提质后的中温热能进行储存，扩大了热能的应用范围。
3.本发明将化学储热与吸收式热泵提质单元相结合，系统依次进行低温余热存储、低温余热提质以及中温蓄热，实现了低温余热的低温储存、提质以及中温储存和释放，在储热的同时提升了低温余热的品位，扩大了热能的应用范围，并且系统储热密度高、热损失小、储热效率高、经济效益好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面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，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
附图1为本发明的提供的一种低温余热增焓储热系统。
图中各标号清单为：1-低温余热存储装置；2-低温生成物储罐；3-蒸发器；4-冷凝器； 5-溶液换热器；6-吸收器；7，8-溶液泵；9-发生器；10-传热介质储罐；11-中温余热存储装置； 12-中温蓄热装置；13-中温生成物储罐；14，15，16，17，18-阀门；A，B，C，D，E，F-内部换热器；I-压气机。
具体实施方式
附图为本发明提供的一种低温余热增焓储热系统的原理结构示意图。所述系统组成实现及连接方式如下：所述系统包括低温余热存储单元、吸收式热泵提质单元、中温蓄热单元。
其中，所述低温余热存储单元，包括低温余热存储装置1、低温生成物储罐2、蒸发器3和发生器9，所述低温余热存储装置1内部填充基于化学储热原理的反应原料，该反应原料可发生正向吸热反应(其逆向反应为放热反应)。
其中，所述吸收式热泵提质单元，包括蒸发器3、冷凝器4、溶液换热器5、吸收器6和发生器9，所述发生器9内部填充基于吸收式热泵提质的高浓度溶液，该溶液在稀释过程中可放出热量。
其中，所述中温蓄热单元，包括传热介质储罐10、中温余热存储装置11、中温蓄热装置12、中温生成物储罐13和压气机I，所述中温余热存储装置11内部填充基于化学储热原理的反应原料，该反应原料可发生正向吸热反应(其逆向反应为放热反应)。
其中，所述低温余热存储单元的低温余热存储装置1的反应产物出口分为两路，通过管道分别与蒸发器3内部换热器C的入口和发生器9内部换热器D的入口连接；所述蒸发器3内部换热器C的出口和发生器9内部换热器D的出口通过管道与低温生成物储罐2的入口连接。
其中，所述吸收式热泵提质单元的发生器9的溶液出口9c通过管道经溶液泵7、溶液换热器5与吸收器6的溶液入口6d连接，发生器9的水蒸气出口9a通过管道与冷凝器4 的水蒸气入口4d连接；所述冷凝器4的冷凝水出口4c通过管道经溶液泵8与蒸发器3的冷凝水入口连接；所述蒸发器3的水蒸气出口通过管道与吸收器6的水蒸气入口6a连接；所述吸收器6的溶液出口6e通过管道、溶液换热器5与发生器9的溶液入口9b连接，吸收器6 的热源入口6c通过管道与传热介质储罐10的出口10b连接，吸收器6的热源出口6b通过管道与中温余热存储装置11的内部换热器E连接。
其中，所述中温蓄热单元的中温余热存储装置11的出口通过管道与中温蓄热装置12 的热源入口12c连接；所述中温蓄热装置12的热源出口12d通过管道经压气机I与中温生成物储罐13的入口连接；所述中温生成物储罐13的出口通过管道与中温蓄热装置12的入口12b连接；所述中温蓄热装置12的出口12a通过管道与中温余热存储装置11的入口连接。
其中，所述低温生成物储罐2的出口通过管道与中温蓄热装置12的低温反应产物入口12e连接；所述中温蓄热装置12的低温反应产物出口12f通过管道与低温余热存储装置1 的反应产物入口连接。
一种低温余热增焓储热系统，特征在于包括储热和释热两种运行模式：
在储热模式下，所述低温余热存储单元中，载有80℃-95℃的余热的工质(水、烟气等)进入低温余热存储装置1的内部换热器A进行换热，换热完成后，所述载余热的工质(水、烟气等)温度降低并被排出；所述载有80℃-95℃的低品位余热的工质(水、烟气等)的热量被低温余热存储装置1中填充的CuSO4·5H2O吸收，CuSO4·5H2O吸收热量后在75℃的环境下发生正向吸热分解反应，反应公式为：
CuSO4·5H2O(s)→CuSO4·3H2O(s)+2H2O(l) ΔH＝99.64kJ/mol
CuSO4·5H2O发生脱水反应后，脱出的75℃左右的水排出低温余热存储装置1后，分为两路，一路经过蒸发器3内部换热器C进行换热，另一路经过发生器9内部换热器D换热；换热后的两路脱出水降温至65℃左右进入低温生成物储罐2储存，从而完成低温余热存储过程。热量被发生器9中浓度为54％的溴化锂溶液吸收，54％的溴化锂溶液吸热后蒸发出水蒸气，浓度变为59％；
在储热模式下，所述吸收式热泵提质单元中，发生器9中浓度为54％的溴化锂溶液通过内部换热器D吸收来自低温余热存储装置1脱出的75℃左右的水的热量后，溶液被加热至 58℃左右并蒸发出水蒸气，水蒸气压力12kPa、温度50℃左右，溴化锂溶液浓度变为59％。温度58℃左右、浓度59％溴化锂溶液被溶液泵7增压后，经溶液换热器5预热至92℃进入吸收器6。在所述吸收器6中，浓度为59％溴化锂溶液吸收来自蒸发器3的水蒸气并放出热量，将溴化锂溶液加热至100℃左右，浓度稀释至54％。随后，浓度为54％溴化锂溶液经液换热器5，节流阀14换热降温至50℃左右，回到发生器9。12kPa、50℃左右的水蒸气在发生器9中被蒸发出来后进入冷凝器4；在所述冷凝器4中，水蒸气在12kPa的压力下被冷却为50℃左右的液态水，液态水通过溶液泵8排出冷凝器4后，加压后进入蒸发器3。在所述蒸发器3中，液态水通过内部换热器C吸收来自低温余热存储装置1脱出的75℃水的热量后，在20kPa的压力下汽化成60℃左右的水蒸气，随后60℃左右的水蒸气进入吸收器6；在所述吸收器6中，水蒸气被浓度为59％溴化锂溶液吸收，放出热量；放出的热量被传热介质储罐10中通来的热媒水吸收，热媒水吸热后温度升至95℃左右，随后进入中温余热存储装置11的内部换热器E换热，从而完成利用吸收式热泵提质单元提质的过程。
在储热模式下，所述中温蓄热单元中，中温余热存储装置11中填充储氢合金NaAlH4，吸收95℃左右的热媒水提供的热量后，在90℃的温度下NaAlH4发生正向吸热分解反应，反应公式为：
Figure BSA0000248316880000061
反应生成90℃左右的氢气，随后90℃左右的氢气在压气机I的作用下进入中温蓄热装置12； 90℃左右的氢气经过中温蓄热装置12进行换热，90℃左右的氢气的热量被储存在中温蓄热装置12中，换热完成后，90℃左右的氢气温度降低，随后经压气机I送入中温生成物储罐13进行储存，从而完成中温蓄热过程。
在释热模式下，所述低温生成物储罐2中的脱出水进入中温蓄热装置12换热，换热完成后，脱出水被预热至75℃左右并进入低温余热存储装置1，在75℃的温度下被反应产物CuSO4·3H2O吸附，发生逆向化合放热反应，反应公式为：
CuSO4·3H2O(s)+2H2O(l)→CuSO4·5H2O(s) ΔH＝-99.64kJ/mol
释放出的热量通过内部换热器B传递给外部循环工质，用于其他工业生产或日常生活用途。
所述中温生成物储罐13中的氢气进入中温蓄热装置12进行换热，完成换热后，氢气被预热至90℃左右并进入中温余热化学存储装置11，在90℃的温度下与其中原有的固态生成物Na3AlH6和Al发生逆向化合放热反应，反应公式为：
Figure BSA0000248316880000062
释放出的热量通过内部换热器F传递给外部循环工质，用于其他工业生产或日常生活用途。
75℃和90℃左右的余热可用于生活中采暖或生活用水的加热等。
最后说明的是，以上实施例只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方案及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本发明说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种低温余热增焓储热系统，其特征在于包括低温余热存储单元、吸收式热泵提质单元和中温蓄热单元；
所述低温余热存储单元完成外部低温余热的存储，所述吸收式热泵提质单元完成低温余热的提质，所述中温蓄热单元完成提质后余热的中温蓄热，从而实现低品位的余热转变为高品位的热能并储存。
2.根据权利要求1所述的一种低温余热增焓储热系统，其特征在于：所述低温余热存储单元，包括低温余热存储装置1、低温生成物储罐2、蒸发器3和发生器9；所述吸收式热泵提质单元，包括蒸发器3、冷凝器4、溶液换热器5、吸收器6和发生器9；所述中温蓄热单元，包括传热介质储罐10、中温余热存储装置11、中温蓄热装置12、中温生成物储罐13和压气机I；
其中，所述低温余热存储单元的低温余热存储装置1中的反应产物离开低温余热存储装置，分别与蒸发器3内部换热器C和发生器9内部换热器D换热后进入低温生成物储罐2；
其中，所述吸收式热泵提质单元的发生器9的溶液出口9c通过管道经溶液泵7、溶液换热器5与吸收器6的溶液入口6d连接，发生器9的水蒸气出口9a通过管道与冷凝器4的水蒸气入口4d连接；所述冷凝器4的冷凝水出口4c通过管道经溶液泵8与蒸发器3的冷凝水入口连接；所述蒸发器3的水蒸气出口通过管道与吸收器6的水蒸气入口6a连接；所述吸收器6的溶液出口6e通过管道、溶液换热器5与发生器9的溶液入口9b连接，吸收器6的热源入口6c通过管道与传热介质储罐10的出口10b连接，吸收器6的热源出口6b通过管道与中温余热存储装置11的内部换热器E连接；
其中，所述中温蓄热单元的中温余热存储装置11的反应产物出口通过管道经中温蓄热装置12的反应产物通道、压气机I与中温生成物储罐13的入口连接；所述中温生成物储罐13的出口通过管道经中温蓄热装置12的反应产物通道与中温余热存储装置11的反应产物入口连接；
其中，所述低温生成物储罐2的出口通过管道与中温蓄热装置12的低温反应产物入口12e连接；所述中温蓄热装置12的低温反应产物出口12f通过管道与低温余热存储装置1的反应产物入口连接。
3.根据权利要求1所述的一种低温余热增焓储热系统，其特征在于包括储热和释热两种运行模式：
在储热模式下，所述低温余热存储单元中，低温余热存储装置1内部的反应原料通过换热器A吸收具有一定温度的外部低品位余热资源的热量，在合适的温度及压力环境中发生正向吸热反应，生成相态与密度不同的反应产物。密度大的固态反应产物留在低温余热存储装置中，而带有一定温度且密度小的气态或液态的反应产物则排出低温余热存储装置1；所述低温余热存储装置1排出的反应产物分别经过蒸发器3的内部换热器C和发生器9的内部换热器D换热降温后，进入低温生成物储罐2中储存，从而完成低温余热的存储过程；
在储热模式下，所述吸收式热泵提质单元中，发生器9内部的浓溶液被溶液泵7增压，经溶液换热器5进入吸收器6；在所述吸收器6中，浓溶液吸收来自蒸发器3的水蒸气，变为稀溶液，然后稀溶液经溶液换热器5回到发生器9；所述发生器9中，稀溶液通过内部换热器D吸收低温余热存储装置1排出的反应产物的热量，稀溶液中部分的水受热蒸发为水蒸气并进入冷凝器4，发生器9中溶液变为浓溶液；所述冷凝器4中，在冷却水的作用下，水蒸气被冷凝成液态水，然后经溶液泵8加压进入蒸发器3；所述蒸发器3中，液态水通过内部换热器C吸收低温余热存储装置1排出的反应产物的热量汽化成水蒸气，然后进入吸收器6；所述吸收器6中，浓溶液吸收水蒸气，释放出热量并被传热介质储罐10中的传热介质吸收，传热介质吸热后升温，从而完成利用吸收式热泵提质单元提质的过程；
在储热模式下，所述中温蓄热单元中，中温余热存储装置11内部填充的反应原料通过换热器E吸收传热介质的热量，在合适的温度及压力环境中发生正向吸热反应，生成相态与密度不同的反应产物，密度大的反应产物留在中温余热存储装置11中，具有一定温度且密度小的气态或液态的反应产物在压气机I的吸入作用下进入中温蓄热装置12换热；所述中温蓄热装置12中反应产物换热完成后温度降低，经压气机I送入中温生成物储罐13进行储存，从而完成中温蓄热过程；
在释热模式下，所述低温生成物储罐2中的气态或液态的反应产物排出，经过中温蓄热装置12换热后进入低温余热存储装置1，在合适的温度及压力环境中与低温余热存储装置1中原有的反应产物发生逆向放热反应，释放出热量通过内部换热器B被外部循环工质吸收，用于其他工业生产或日常生活用途；同时，所述中温生成物储罐13中的气态或液态的反应产物排出，经过中温蓄热装置12换热后进入中温余热存储装置11，在合适的温度及压力环境中与中温余热存储装置11中原有的反应产物发生逆向放热反应，释放出热量通过内部换热器F被外部循环工质吸收，用于其他工业生产或日常生活用途。
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