CN114659312B - 一种快速制取蓄冷用二氧化碳水合物浆的方法 - Google Patents
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Abstract
一种快速制取蓄冷用二氧化碳水合物浆的方法，属于蓄冷液的制备领域。利用二氧化碳、氮气和水来快速、连续、经济的制取二氧化碳水合物浆。一种快速制取蓄冷用二氧化碳水合物浆的方法是将氮气驱动干冰生成液态二氧化碳输送到高压反应釜的多嘴旋转喷嘴，通过调节高压反应釜内温度压力、多嘴旋转喷嘴的转速和液态二氧化碳入口流量，在高压反应釜的机械搅拌器作用下，从而快速连续生成二氧化碳水合物浆。快速制取二氧化碳水合物浆的装置包括恒温储水槽、扩容器、入口阀、出口阀、储气罐、高压反应釜，其中高压反应釜设备包括多嘴旋转喷嘴、机械搅拌器、冷却套管、可视镜。本发明具有结构简单、操作方便、合成时间短、反应连续减少人工干预等优点。
Description
技术领域
本发明涉及蓄冷空调技术领域，具体涉及一种蓄冷用二氧化碳(下文都以CO2表示)水合物浆的快速制取方法。
背景技术
据统计，全国每年浪费的晚上用电电量相当于一个完整的三峡大坝发电电量，积极推行谷峰用电政策，不仅有效提高了资源利用率，进一步降低碳排放，在电网运行安全性方面同时也得到保障。利用峰谷用电的方法，是目前缓解电网运行压力广泛应用的解决办法。国网经营区调峰需求仍以负荷峰谷差调峰需求为主，约占总需求的2/3。随着全国多地推出峰谷电价制度，蓄能空调技术作为实现移峰填谷的重要手段应势而生，利用各种优惠政策，为蓄能空调广泛推广带来了契机。
蓄冷空调技术是利用夜间的谷电价将冷量存储在蓄冷介质中，在电力需求高峰时，将储存的能量释放以供使用，从而减少高峰用电量和电网峰谷差，大幅降低了运行费用，提高电网的运行效率。传统蓄冷空调介质一般采用水、冰浆和共晶盐，水和冰浆作为蓄冷介质具有蓄冷量大的优势，但是由于其相变温度为0℃，该温度比常规空调的蒸发温度低8～10℃，不仅难以匹配常规制冷机机型，还会造成制冷机能效比(COP)降低30％～40％，影响节能效果；共晶盐作为蓄冷介质在反复使用时会发生相分离，使其潜热储存能力下降。CO2水合物浆作为天然类蓄冷介质，对大气环境破坏较小，是目前被研究的替代工质之一，CO2水合物浆是CO2水合物固体小颗粒均匀分布在水中形成的固液悬浮液，其具有蓄冷密度大，相变温度与冷冻水温度接近，蓄冷效率高，冷量释放过程的传热效率高，易于控制等优点。由于目前生成CO2水合物浆速率缓慢、制取CO2水合物浆浓度低、反应不连续，为有效提高CO2水合物浆的生产速率及浓度，同时保证反应的连续性，本发明设计出一种快速制取蓄冷用CO2水合物浆的方法，对提升CO2水合物浆的蓄冷装置工作性能具有重要意义。
发明内容
本发明提供了一种快速制取蓄冷用CO2水合物浆的方法，其中，在一定温度和压力下由氮气驱动干冰在储气罐1中生成液态CO2；且借助储气罐(1)、高压反应釜(3)、恒温储水槽(2)、扩容器(8)完成对快速制取蓄冷用CO2水合物浆装置的设计，结构设计简单、操作方便，减少了蓄冷设备的投资和运行费用。其中在反应釜(3)内部设计多嘴旋转喷嘴(4)和机械搅拌器(5)，减少合成时间，提高了CO2水合物浆的生产速率和浓度；剩余气态CO2可通过所述反应釜(3)顶部出口进入制冷循环或回收，解决制取蓄冷用CO2水合物浆不连续的问题。
为了达到上述目的，本发明采用了以下设备：
一种快速制取蓄冷用CO2水合物浆的装置，包括恒温储水槽(2)、扩容器(8)、入口阀(9)、出口阀(10)、储气罐(1)、高压反应釜(3)，高压反应釜(3)内底部设有向上喷射的多嘴旋转喷嘴(4)，高压反应釜(3)内还配有机械搅拌器(5)，高压反应釜(3)外部套有冷却套管(6)，侧壁设有可视镜(7)；
储气罐(1)内储存干冰，采用氮气驱动干冰的反应装置；
高压反应釜(3)内的机械搅拌器(5)，用于在高压反应釜(3)内搅拌，使液态CO2与纯水更好地混合，同时均匀分布水合物浆，防止生成的CO2水合物浆结块，高压反应釜(3)外部设有冷却套管(6)，用于维持高压反应釜(3)内温度至5～6℃，高压反应釜(3)侧壁设有可视镜(7)，用于观察高压反应釜(3)内部反应情况；多嘴旋转喷嘴(4)为多个并排的向上喷的喷嘴，喷嘴在水平面上绕一中心高速转动；
储气罐(1)底部经由入口阀(9)与多嘴旋转喷嘴(4)连接；恒温储水槽(2)经阀门与高压反应釜(3)连接，向高压反应釜(3)内注入纯水；高压反应釜(3)上端部设有出口阀(10)用于排气，调节压力；高压反应釜(3)的底部或中下部采用管路经由阀门与扩容器(8)连接，将所制备的CO2水合物浆排入到扩容器(8)中。
其中，在一定温度和压力下，在所述储气罐(1)中由氮气驱动干冰生成液态CO2进入高压反应釜(3)进行反应；恒温储水槽(2)内的水溶液不断输入到高压反应釜(3)中，高压反应釜(3)生成的CO2水合物浆进入扩容器(8)。
其中，本发明制取CO2水合物浆设计结构简单、操作方便，在所述反应釜(3)内部设计多嘴旋转喷嘴(4)和机械搅拌器(5)，极大地提升了CO2水合物浆生成速率，减少合成时间。
其中，剩余气态CO2可通过所述反应釜(3)顶部出口进入制冷循环或回收，实现连续生产工艺。
本发明设计具体包括如下步骤：
步骤1:储气罐(1)中装满干冰，调节储气罐(1)内压力和温度，在氮气的压力驱动下形成液态CO2，并通过绝热管道以低流速输送入反应釜(3)内的多嘴旋转喷嘴(4)，在此过程中调节反应釜(3)内压力至4～5MPa，且反应釜(3)外部冷却套管(6)的帮助下，使反应釜(3)内温度达到5～6℃；
步骤2:当所述反应釜(3)内温度和压力达到条件时，液态CO2流速慢慢减小，并调节多嘴旋转喷嘴(4)的转速(优选1500-2000r/min)，直到出现亚稳态的水合物晶种；此过程可以通过所述反应釜(3)侧壁的可视镜(7)观察；
步骤3：打开液态CO2的入口阀增大入口流量，使流量保持在0.05～0.2m/s，此时CO2水合物浆在几分钟内大量形成；所述反应釜(3)顶部的机械搅拌器(5)以低速运转(优选100-180r/min)，促进液态CO2与纯水的混合，使水合物浆均匀分布在反应釜(3)内；在此过程中调节所述出口阀(10)和外部冷却套管(6)，使所述反应釜(3)保持稳定压力和温度；剩余气态CO2可通过顶部出口进入制冷循环或回收。
发明的作用与效果：
1.CO2水合物浆作为蓄冷剂具有流动性，易于运输放冷和控制，可以快速对于蓄冷装置温度改变做出反应，传热效率提高；由于CO2水合物浆相变温度与制冷装置冷冻水温度接近，蓄冷密度大，蓄冷效率高，因此不用额外配置蓄冷专用冷冻机组，减少运行成本的同时可以进一步提高蓄冷能效比。
2.在满足操作性能情况下通过设计快速制取蓄冷用CO2水合物浆的简单装置，操作更加方便，也降低了蓄冷设备的投资和运行成本；其中在所述反应釜(3)内部设计多嘴旋转喷嘴(4)和机械搅拌器(5)，多嘴旋转喷嘴在高速旋转下，产生剪切力，将液体破碎成液滴，最终形成微米级液滴进入到反应釜(3)中与纯水反应，大大增加了反应接触面积，增强了传热传质；机械搅拌器(5)可以使液态CO2与纯水更好地混合，同时均匀分布水合物浆，防止生成的CO2水合物浆结块，二者结合从根本上解决了CO2水合物浆合成时间长的问题，从传统合成CO2水合物浆的几个小时降低至十几分钟，大大提高CO2水合物浆的生产速率，同时反应釜侧壁设有可视镜(7)，实现操作反应可视化；
3.剩余气态CO2可通过所述高压反应釜(3)顶部出口进入制冷循环或回收，实现连续化工艺，从而减少人工干预，提升了制备CO2水合物浆效率，实现了快速制取蓄冷用CO2水合物浆的一体化进程。
4.在谷电利用政策的大背景下，本发明涉及的方法装置进一步推进了移峰填谷的进程，CO2、水、氮气都属于环保廉价物质，有利于进一步环保节能，本发明涉及的方法，可以实现在夜间低廉电价时期进行蓄冷，白天放冷，移峰填谷，很大程度避免了电力浪费，优化资源配置，提高用电安全性，进一步减少运行成本，具有非常可观的应用前景。
附图说明
构成本发明的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的具体实施方式及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中提供的一种快速制取蓄冷用CO2水合物浆的方法的结构示意图。
1-储气罐；2-恒温储水槽；3-高压反应釜；4-多嘴旋转喷嘴；
5-机械搅拌器；6-冷却套管；7-可视镜；8-扩容器；
9-入口阀；10-出口阀。
具体实施方式
下面通过具体实施例并结合附图对本发明进一步清楚完整地阐述，但并不限制本发明。
实施例1
如图1所示，本实施例涉及一种快速制取蓄冷用CO2水合物浆的装置包括恒温储水槽2、扩容器8、入口阀9、出口阀10、储气罐1、高压反应釜3，高压反应釜3包括多嘴旋转喷嘴4和机械搅拌器5，反应釜3外部套有冷却套管6，侧壁设有可视镜7。其特征在于：一台储气罐1，用于储存干冰，作为氮气驱动干冰的反应装置；一台高压反应釜3，顶部设有机械搅拌器5，用于在反应釜3内搅拌，使液态CO2与纯水更好地混合，同时均匀分布水合物浆，防止生成的CO2水合物浆结块，反应釜3底部设有多嘴旋转喷嘴4，喷嘴在水平面上绕一中心高速转动，反应釜3外部设有冷却套管6，用于维持维持反应釜3内冷却液和结晶温度至5～6℃，反应釜3侧壁设有可视镜7，用于于观察反应釜3内部反应情况；一台恒温储水槽2，用于向高压反应釜3内注入纯水；以及一台扩容器8，用于降低压力，对CO2水合物浆进行回收再利用。
其中，所述储气罐1生成的液态CO2出口连通所述反应釜3左侧入口；所述反应釜3底部入口连通所述恒温储水槽2；所述反应釜底3部出口连通所述扩容器8。
首先在储气罐1中加入干冰，将氮气通入储气罐1中，在氮气压力驱动下与干冰反应生成液态CO2，液态CO2通过绝热管道以0.05～0.2m/s的速度连续输送到高压反应釜3多嘴旋转喷嘴4，高压反应釜底3部入口连接恒温储水槽2，向高压反应釜3内注入纯水，反应釜3内压力通过调节入口液态CO2和出口气态CO2之间的压力差实现，调节高压反应釜3内的压力至4～5MPa，在冷却套管6作用下，反应釜3内冷却液和结晶温度调节至5～6℃到保持恒定，此时调节高压反应釜3的温度与压力至条件状态，通过调节多嘴旋转喷嘴4转速，不同浓度和尺寸的CO2水合物颗粒将在几分钟内大量合成，在高压反应釜3内进行的反应可以通过可视镜7观察。在液态CO2流速逐渐变小时，打开入口阀9增大液态CO2流量至0.05～0.2m/s，此时CO2水合物浆在高压反应釜3内大量快速生成，置于高压反应釜3顶部的机械搅拌器5运转，使得CO2水合物浆均匀分布于高压反应釜3内，反应中多余的CO2通过反应釜3顶部出口进行回收，调节出口阀10和外部冷却套管6，使高压反应釜3保持稳定压力和温度，合成后的CO2水合物浆通过反应釜底部的出口连接扩容器8收集。
以上所述仅为本发明的优选实例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种快速制取蓄冷用CO2水合物浆的装置，其特征在于，包括恒温储水槽(2)、扩容器(8)、入口阀(9)、出口阀(10)、储气罐(1)、高压反应釜(3)，高压反应釜(3)内底部设有向上喷射的多嘴旋转喷嘴(4)，高压反应釜(3)内还配有机械搅拌器(5)，高压反应釜(3)外部套有冷却套管(6)，侧壁设有可视镜(7)；
储气罐(1)内储存干冰，采用氮气驱动干冰的反应装置；
高压反应釜(3)内的机械搅拌器(5)，用于在高压反应釜(3)内搅拌，使液态CO2与纯水更好地混合，同时均匀分布水合物浆，防止生成的CO2水合物浆结块，高压反应釜(3)外部设有冷却套管(6)，用于维持高压反应釜(3)内温度至5～6℃，高压反应釜(3)侧壁设有可视镜(7)，用于观察高压反应釜(3)内部反应情况；多嘴旋转喷嘴(4)为多个并排的向上喷的喷嘴，喷嘴在水平面上绕一中心高速转动；
储气罐(1)底部经由入口阀(9)与多嘴旋转喷嘴(4)连接；恒温储水槽(2)经阀门与高压反应釜(3)连接，向高压反应釜(3)内注入纯水；高压反应釜(3)上端部设有出口阀(10)用于排气，调节压力；高压反应釜(3)的底部或中下部采用管路经由阀门与扩容器(8)连接，将所制备的CO2水合物浆排入到扩容器(8)中。
2.采用权利要求1所述的装置快速制取蓄冷用CO2水合物浆的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1:储气罐(1)中装满干冰，调节储气罐(1)内压力和温度，在氮气的压力驱动下形成液态CO2，并通过绝热管道以低流速输送入反应釜(3)内的多嘴旋转喷嘴(4)，在此过程中调节反应釜(3)内压力至4～5MPa，且反应釜(3)外部冷却套管(6)的帮助下，使反应釜(3)内温度达到5～6℃；
步骤2:当所述反应釜(3)内温度和压力达到条件时，液态CO2流速慢慢减小，并调节多嘴旋转喷嘴(4)的转速，直到出现亚稳态的水合物晶种；此过程可以通过所述反应釜(3)侧壁的可视镜(7)观察；
步骤3：打开液态CO2的入口阀增大入口流量，使流量保持在0.05～0.2m/s，此时CO2水合物在几分钟内大量形成；所述反应釜(3)顶部的机械搅拌器(5)以低速运转，促进液态CO2与纯水的混合，使水合物浆均匀分布在反应釜(3)内；在此过程中调节所述出口阀(10)和外部冷却套管(6)，使所述反应釜(3)保持稳定压力和温度；剩余气态CO2可通过顶部出口进入制冷循环或回收。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，在一定温度和压力下，在所述储气罐(1)中由氮气驱动干冰生成液态CO2进入高压反应釜(3)进行反应；恒温储水槽(2)内的水溶液不断输入到高压反应釜(3)中，高压反应釜(3)生成的CO2水合物浆进入扩容器(8)。
4.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，多嘴旋转喷嘴(4)的转速1500-2000r/min，顶部的机械搅拌器(5)的转速100-180r/min。
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