CN114623713B - 基于可逆化学反应热效应的旋转式蓄热换热器及蓄热方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于可逆化学反应热效应的旋转式蓄热换热器，包括壳体和芯体。芯体包括蓄热部分和放热部分，由分隔板分开。蓄热换热器内设置有反应通道和流体通道。所述蓄热部分包括反应通道和热流体通道，所述放热部分包括合成反应通道和冷流体通道。所述反应通道外均设置翅片。本发明工质可以为氨基甲酸铵及二氧化碳和氨气，氨基甲酸铵反应在120℃以下发生，可连续有效回收不稳定的低品位余热。利用旋转式换热器和氨基甲酸铵可逆反应，实现连续蓄热和放热循环，且蓄热密度得到显著提升。反应平衡压力低于常见蓄热反应的平衡压力，装置安全经济。
Description
技术领域
本发明涉及余热蓄热换热领域，具体涉及一种基于可逆化学反应热效应的旋转式蓄热换热器及蓄热方法。
背景技术
目前存在的蓄热装置主要针对高温工业余热。工业低温余热来源广泛，但是难以回收。其次，低品位余热具有不稳定、不连续且难以利用的特点。现有蓄热技术难以有效解决以上问题。
现阶段利用显热蓄热简单经济，但是蓄热密度低，所需的设备体积大；利用相变潜热蓄热度比显热蓄热高，且蓄热过程中等温，但是蓄热材料普遍存在热导率低、过冷度和相分离等问题。
虽然热化学蓄热通过可逆化学反应的进行储存释放能量，理论上储能密度可以明显提高，但是，目前可用于回收低品位余热的化学反应主要涉及气固反应，但是气固反应需要设置多个反应床交替运行，存在设备复杂、冷热抵消增加能耗等问题。
因此可连续运行的、用于低品位余热回收的热化学蓄热装置可以提高能源利用率。
发明内容
发明目的：本发明的目的是解决低品位余热具有不稳定不连续且难以利用的问题，提供余热回收稳定，提高蓄热能力的可连续运行的一种基于可逆化学反应热效应的旋转式蓄热换热器。
技术方案：本发明所述的基于可逆化学反应热效应的旋转式蓄热换热器呈轮状，包括壳体和芯轴；所述壳体内腔包括蓄热部分和放热部分；
所述蓄热部分内通有热流体；所述放热部分内通有冷流体；
所述芯轴可以沿所述芯轴的轴线自转，所述芯轴包括内设有反应通道；所述反应通道内密封有分解/合成反应过程中具备显著热效应的化学蓄热材料；
当所述芯轴沿所述轴线自转时，所述反应通道在所述蓄热部分发生分解反应，吸收热流体的热量；
所述反应通道在所述放热部分发生合成反应，放出热量。
进一步的，所述反应通道周围环布有流体通道；所述流体通道两端开口，所述流体通道开口方向与所述壳体内流体流动方向相同。
进一步的，所述流体通道与所述反应通道外均匀布置适量可增加所述通道与流体接触面积的外翅片。
进一步的，所述芯轴轴线处设有轴承，所述轴承可在驱动机构作用下，带动所述芯轴转动。
进一步的，所述反应通道内封装氨基甲酸铵固体或氨基甲酸铵溶液；所述氨基甲酸铵溶液可使用的溶剂载体为有机醇，包括但不限于乙二醇或丙二醇中的一种或两种的混合物。
进一步的，所述蓄热部分和放热部分通过分隔板将冷热流体分隔。
进一步的，所述蓄热部分和放热部分沿所述芯轴的轴线呈中心对称分布。
进一步的，所述蓄热部分和所述放热部分沿所述芯轴的轴线，绕所述壳体圆周方向交替分布。
本发明还公开了一种可逆化学反应热效应的旋转式蓄热换热器的蓄热方法，包括：芯轴沿所述芯轴的轴线自转，在所述蓄热部分内的热流体作用下，反应通道内温度升高，所述反应通道内化学蓄热材料分解反应吸收热流体的热量，直至通道内反应充分，储存的热量以生成物的形式存在；
同时，在所述放热部分内冷流体作用下，反应通道内温度降低，所述反应通道内生成物释放热量，合成为所述化学蓄热材料，直至通道内反应充分；循环往复。
进一步的，热流体流过流体通道，在翅片的导热作用下反应通道内的温度升高，氨基甲酸铵工质发生分解反应吸收热流体的热量，生成二氧化碳和氨气，直至通道内反应充分，储存的热量以气体生成物的形式存在；
缓慢转动旋转式蓄热换热器，反应通道转入放热部分；当冷流体流过流体通道时，在翅片的导热作用下，反应通道中的温度降低；在压力和温度的共同作用下，氨气和二氧化碳发生合成反应生成氨基甲酸铵，储存的热量在反应过程中放出。
继续转动旋转式蓄热换热器，反应通道重新进入蓄热区域，循环往复，形成完整的蓄热和放热过程。
有益效果
1.本发明利用可逆化学反应，可在温度的作用下向设定方向进行。旋转式蓄热换热器通过旋转的方式实现连续蓄放热过程。本发明有效解决低品位余热不稳定、不连续、难以利用的问题，保证输出热的稳定性。
2.本发明利用氨基甲酸铵分解/合成反应过程中显著的热效应实现热量的释放和储存，反应热大于常见的蓄热材料，蓄热密度显著增加，因此设备体积更小，应用场合更加灵活。氨基甲酸铵的分解/合成反应发生在在120℃以下，可对低温工业余热进行回收利用。采用工质为氨基甲酸铵及二氧化碳和氨气，反应平衡压力低于常见蓄热反应的平衡压力，设备承压要求低，且二氧化碳和氨气是自然工质，更环保经济。采用醇类作为传热和载热流体，可增强流体与工质之间的传热效果；
3.本发明中，蓄热部分和放热部分沿所述芯轴的轴线呈中心对称分布，反应通道在脱离蓄热部分后，随即进入放热部分，随着芯轴转动，反应通道可在蓄热部分和放热部分间往复运动，材料利用率高，效果好。
附图说明
图1 是本发明的整体结构示意图；
图2 是图1中A-A剖面的截面结构示意图；
图3 是本发明中反应通道及流体芯道的局部放大图；
图4 是本发明反应通道的剖面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
具体实施例一
如图1-4所示，本实施例中，芯轴2被分隔板4分为相等的两部分，包括蓄热部分8和放热部分9。反应通道6中封装适量的氨基甲酸铵工质。
如图1所示，本实施中换热器包括壳体1和芯轴2；壳体1内腔包括蓄热部分8和放热部分9；蓄热部分8和放热部分9沿芯轴2的轴线呈中心对称分布。
蓄热部分8内通有热流体；放热部分9内通有冷流体；蓄热部分8和放热部分9通过分隔板4将冷热流体分隔。
芯轴2可以沿芯轴2的轴线自转，芯轴2轴线处设有轴承3，轴承3可在驱动机构作用下，带动芯轴2转动。
芯轴2包括内设有反应通道6；反应通道6内封装氨基甲酸铵固体或氨基甲酸铵溶液；氨基甲酸铵溶液可使用的溶剂载体为有机醇，包括但不限于乙二醇或丙二醇中的一种或两种的混合物。
反应通道6周围环布有流体通道5；流体通道5两端开口，流体通道5开口方向与壳体1内流体流动方向相同。其中，流体通道5与反应通道6截面均采用正六边形设计，流体通道5以蜂巢状包裹在反应通道6周围；流体通道5与反应通道6外端面均匀布置适量可增加流体通道5与流体接触面积的外翅片7。
当芯轴2沿轴线自转时，反应通道6在蓄热部分8发生分解反应，吸收热流体的热量；
反应通道6在放热部分9发生合成反应，放出热量。
本发明应用于余热回收时，可快速回收120℃以下的低品位热源，实现输出热量的连续稳定，其循环流程与应用于蓄热相同。
常温下蓄热式换热器停止运行时，反应通道6中封装适量的氨基甲酸铵工质。运行状态下，蓄热式换热器以设定速度转动。
在本装置中，热流体流过流体通道，在翅片7的导热作用下反应通道6内的温度升高，氨基甲酸铵工质发生分解反应吸收热流体的热量，生成二氧化碳和氨气，直至通道内反应充分，储存的热量以气体生成物的形式存在；
缓慢转动旋转式蓄热换热器，反应通道6转入放热部分9；当冷流体流过流体通道5时，在翅片7的导热作用下，反应通道6中的温度降低；在压力和温度的共同作用下，氨气和二氧化碳发生合成反应生成氨基甲酸铵，储存的热量在反应过程中放出。
继续转动旋转式蓄热换热器，反应通道6重新进入蓄热部分8，循环往复，形成完整的蓄热和放热过程。
本发明利用蓄热部分，发生氨基甲酸铵分解反应，储存大量热流体的热量，在放热部分中，利用氨气和二氧化碳合成反应，将蓄热部分储存的热量放出，加热冷流体。
利用可逆化学反应热效应，实现蓄热和放热循环的连续运行，有效解决低品位余热不连续、难利用的问题，保证输出端热量稳定。相比于传统的显热蓄热和潜热蓄热，单位蓄热密度得到了有效提高。
本发明反应通道6中可封装氨基甲酸铵固体，也可封装利用溶剂溶解氨基甲酸铵的溶液。可使用的溶剂载体为有机醇，包括但不限于乙二醇或丙二醇中的一种或两种的混合物，优选为乙二醇。使用有机醇溶解氨基甲酸铵，对提升化学反应速率有促进作用。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。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，如芯轴2被分隔板4均分成四部分、六部分、八部分，这些变化和改进都落入要求保护的本发眀范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其效物界定。
Claims (7)
1.一种基于可逆化学反应热效应的旋转式蓄热换热器，包括壳体（1）和芯轴（2）；其特征在于：所述壳体（1）内腔包括蓄热部分（8）和放热部分（9）；
所述蓄热部分（8）内通有热流体；所述放热部分（9）内通有冷流体；
所述芯轴（2）可以沿所述芯轴（2）的轴线自转，所述芯轴（2）包括内设有反应通道（6）；所述反应通道（6）内密封有分解/合成反应过程中具备显著热效应的化学蓄热材料；
当所述芯轴（2）沿所述轴线自转时，所述反应通道（6）在所述蓄热部分（8）发生分解反应，吸收热流体的热量；
所述反应通道（6）在所述放热部分（9）发生合成反应，放出热量；
所述反应通道（6）周围环布有流体通道（5）；所述流体通道（5）两端开口，所述流体通道（5）开口方向与所述壳体（1）内流体流动方向相同；
同时，在所述放热部分（9）内冷流体作用下，反应通道（6）内温度降低，所述反应通道（6）内生成物释放热量，合成为所述化学蓄热材料，直至通道内反应充分；
在所述蓄热部分（8）内的热流体作用下，热流体流过流体通道，在翅片（7）的导热作用下反应通道（6）内的温度升高，氨基甲酸铵工质发生分解反应吸收热流体的热量，生成二氧化碳和氨气，直至通道内反应充分，储存的热量以气体生成物的形式存在；
缓慢转动旋转式蓄热换热器，反应通道（6）转入放热部分（9）；当冷流体流过流体通道（5）时，在翅片（7）的导热作用下，反应通道（6）中的温度降低；在压力和温度的共同作用下，氨气和二氧化碳发生合成反应生成氨基甲酸铵，储存的热量在反应过程中放出；
继续转动旋转式蓄热换热器，反应通道（6）重新进入蓄热部分（8），循环往复，形成完整的蓄热和放热过程。
2.根据权利要求1所述的旋转式蓄热换热器，其特征在于：所述流体通道（5）与所述反应通道（6）外均匀布置适量可增加通道与流体接触面积的外翅片（7）。
3.根据权利要求1所述的旋转式蓄热换热器，其特征在于：所述芯轴（2）轴线处设有轴承（3），所述轴承（3）可在驱动机构作用下，带动所述芯轴（2）转动。
4.根据权利要求1所述的旋转式蓄热换热器，其特征在于：所述反应通道（6）内封装氨基甲酸铵固体或氨基甲酸铵溶液；所述氨基甲酸铵溶液可使用的溶剂载体为有机醇，包括但不限于乙二醇或丙二醇中的一种或两种的混合物。
5.根据权利要求1所述的旋转式蓄热换热器，其特征在于，所述蓄热部分（8）和放热部分（9）通过分隔板（4）将冷热流体分隔。
6.根据权利要求1-5中任一所述的旋转式蓄热换热器，其特征在于，所述蓄热部分（8）和放热部分（9）沿所述芯轴（2）的轴线呈中心对称分布。
7.根据权利要求6所述的旋转式蓄热换热器，其特征在于，所述蓄热部分（8）和所述放热部分（9）沿所述芯轴（2）的轴线，绕所述壳体圆周方向交替分布。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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