CN114992901A - 一种基于储氢余热回收的冷热电三联产系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于储氢余热回收的冷热电三联产系统，包括第一级压缩机以及热电发电装置，热电发电装置的内部分别设有热介质通道、冷介质通道以及位于热介质通道与冷介质通道之间的热电模块；其中，第一级压缩机的高温氢气出口接入热介质通道的热介质输入端口，并通过热介质通道的出口将经热电降温处理后的氢气输送至换热器；冷介质通道的冷介质输入端口与冷却介质供应单元连接，同时冷介质通道的出口接入冷介质回收单元中；热电模块在热介质和冷介质所形成的温差作用下产生可储存的电能，换热器对接收到的氢气进行换热降温处理；本发明实现了冷却、发电以及热供应三联产的储氢余热回收效果。
Description
技术领域
本发明属于储氢系统中的余热利用技术领域，尤其涉及一种基于储氢余热回收的冷热电三联产系统。
背景技术
在国家制定的碳达峰、碳中和战略政策的指引下，新能源将成为未来长期的主流能源形式。作为新能源之一的氢能具有来源丰富、可再生、储运方便、能量密度大、热效率高和清洁无污染等特点，被视为未来最具发展潜力的清洁能源之一。氢能具有多种利用形式，随着氢能应用研究的不断深化，氢的储存技术显得十分重要。
具体来说，高压气态储氢是最常见的一种储氢技术，也是当前最为成熟的储氢技术：在当前的高压储氢过程中，氢气经过压缩机压缩至高压状态后在钢瓶里以气体形式储存。然而申请人发现：在氢气的压缩过程中会产生大量的热量，在常用的技术中，这部分热量基本上会被浪费掉，如果将这部分热量重新回收利用起来，将提升能源的利用率，会使得能源结构更加合理。
经过检索，申请人发现，目前已有一些技术方案提出将氢气压缩过程中发生的热量通过热交换的方式实现热量回收，然后将回收的热量再次返回给制氢装置中的供水解制氢使用，或，用于对分离冷却纯化装置中的吸附剂再生。这些技术方案所采用的热回收结构不仅复杂，且热回收路径长，因此热回收效果仍然不理想。
基于以上现状，申请人希望寻求进一步的创新技术方案来实现更高利用率且便捷可靠的储氢余热回收水平。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于储氢余热回收的冷热电三联产系统，实现了冷却、发电以及热供应三联产的储氢余热回收效果。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于储氢余热回收的冷热电三联产系统，包括第一级压缩机以及热电发电装置，所述热电发电装置的内部分别设有热介质通道、冷介质通道以及位于热介质通道与冷介质通道之间的热电模块；其中，
所述第一级压缩机的高温氢气出口接入所述热介质通道的热介质输入端口，并通过所述热介质通道的出口将经热电降温处理后的氢气输送至换热器；
所述冷介质通道的冷介质输入端口与冷却介质供应单元连接，同时冷介质通道的出口接入冷介质回收单元中；
所述热电模块在热介质和冷介质所形成的温差作用下产生可储存的电能，所述换热器对接收到的氢气进行换热降温处理。
优选地，所述换热器的内部设有加装有冷却工质管路的氢气通道，所述冷却工质管路连接吸收式制冷装置；所述氢气通道的入口与所述热介质通道的出口连接，且所述氢气通道的出口连接第二级压缩机，且所述第二级压缩机的出口与储气罐连接。
优选地，所述第一级压缩机和所述第二级压缩机均为单级压缩机；所述热电模块的电输出端连接蓄电池。
优选地，所述冷介质通道位于所述热电发电装置内的外周区域，所述热介质通道位于所述热电发电装置内的内周区域；其中，所述热电模块包括位于所述冷介质通道与热介质通道之间且排列呈闭合通道状的若干热电转换单元，各热电转换单元之间采用串联和/或并联连接为一体。
优选地，所述热电转换单元包括呈间隔设置且能产生塞贝克效应的P型半导体和N型半导体，所述P型半导体和N型半导体的两端分别通过金属导体进行连接，所述金属导体固定安装在绝缘陶瓷片上。
优选地，所述吸收式制冷装置采用吸收式制冷循环方式进行制冷循环，采用的工质对为水-溴化锂，其中，水作为制冷剂，溴化锂作为解吸所述制冷剂的吸收剂。
优选地，所述吸收式制冷装置包括与所述换热器通过冷却工质管路连接的发生器，所述发生器的上方设有与冷凝器连接的蒸汽管路，且其下方设有与吸收器连接的吸收剂管路；所述冷凝器的出口通过膨胀阀接入蒸发器的底部入口，且所述蒸发器的出口与所述吸收器的入口连接，同时所述吸收器的出口与所述发生器的入口连接。
优选地，所述吸收式制冷循环方式至少包括如下工作过程：
吸收器中的溶液采用溴化锂水溶液，通过第一流体泵将溴化锂水溶液转移输送至所述发生器中；所述冷却工质管路吸收氢气通道中的氢气热量后转变为热流体，所述热流体将热量传递给所述发生器；
所述发生器中的热量传递给位于所述发生器中的溴化锂水溶液，使得溴化锂水溶液中的水被蒸发形成水蒸汽进入冷凝器，同时所述溴化锂水溶液中的溴化锂沉积在发生器中，所述发生器通过连接管把溴化锂送回至所述吸收器中；
所述冷凝器将水蒸汽冷凝为液态水后，经第二流体泵将液态水进入所述膨胀阀进行低温低压处理，将得到的低温低压液态水输送至所述蒸发器中吸收热量后再次进入所述吸收器。
优选地，所述冷热电三联产系统包括水箱，将水作为冷介质，所述水箱同时作为所述冷却介质供应单元和所述冷介质回收单元，且所述水箱与所述冷介质输入端口之间设有循环泵。
优选地，所述第一级压缩机分别设有氢气加注口和高温氢气出口，其中，所述氢气加注口向所述第一级压缩机注入的氢气温度不高于50℃，压力不高于0.5MPa；所述高温氢气出口流出的氢气温度不低于300℃，压力不低于2MPa；所述冷介质的初始温度不高于35℃。
本发明基于储氢余热回收目的通过独创结构设计的冷热电三联产系统方案，同时带来了以下积极技术效果：
一、本发明将压缩后的高温氢气直接作为热电发电装置的热端(即为热介质输入端)，与热电发电装置的冷端协同配合工作在热电发电装置的内部产生明显温差，通过热电发电装置的热电模块利用该温差产生可以存储的电能。
二、本发明将高温氢气通过热电发电装置进行热电降温处理后，再次通过换热器进一步实现换热降温效果，然后再进行二次压缩，可以显著减少二次压缩时的功损耗。
三、本发明特别优选提出：通过换热器中的冷却工质吸收氢气的热量，将热量传递给吸收式制冷装置中的发生器，推动系统的自动循环运行，进一步显著提高能源利用率。
四、特别优选提出采用水箱，将水箱中的水作为热电发电装置的冷端(即为冷介质输入端)，同时利用吸收高温氢气的热量使得水温升高，经过实施使用后，水箱中的水可以作为生活热水使用。
附图说明
图1是本发明具体实施方式下基于储氢余热回收的冷热电三联产系统的结构示意图；
图2是本发明具体实施方式下热电发电装置的剖视图；
图3是本发明具体实施方式下吸收式制冷装置的结构示意图。
具体实施方式
本实施例提出了一种基于储氢余热回收的冷热电三联产系统，包括第一级压缩机以及热电发电装置，热电发电装置的内部分别设有热介质通道、冷介质通道以及位于热介质通道与冷介质通道之间的热电模块；其中，第一级压缩机的高温氢气出口接入热介质通道的热介质输入端口，并通过热介质通道的出口将经热电降温处理后的氢气输送至换热器；冷介质通道的冷介质输入端口与冷却介质供应单元连接，同时冷介质通道的出口接入冷介质回收单元中；热电模块在热介质和冷介质所形成的温差作用下产生可储存的电能，换热器对接收到的氢气进行换热降温处理。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
请参见图1所示，一种基于储氢余热回收的冷热电三联产系统，包括第一级压缩机1以及热电发电装置2，热电发电装置2的内部分别设有热介质通道21、冷介质通道22以及位于热介质通道21与冷介质通道22之间的热电模块23；其中，第一级压缩机1的高温氢气出口接入热介质通道的热介质输入端口，并通过热介质通道21的出口将经热电降温处理后的氢气输送至换热器4；冷介质通道22的冷介质输入端口与冷却介质供应单元连接，同时冷介质通道22的出口接入冷介质回收单元中。
优选地，在本实施方式中，冷热电三联产系统包括水箱6，将水作为冷介质，水箱6同时作为冷却介质供应单元和冷介质回收单元，且水箱6与冷介质输入端口之间设有循环泵5，利于向冷介质输入端口循环输送水流；具体优选地，为了结构安装布局考虑，在本实施方式中，水箱6的出口在底部，在实际工作时，水从水箱6底部出口流经循环泵5从热电发电装置2的冷却水通道(即为冷介质通道22)底部入口流入，再从热电发电装置2的冷却水通道顶部出口流出，然后再从水箱6的上部入口返回至水箱6内。
在本实施方式中，热电模块23在热介质和冷介质所形成的温差作用下产生可储存的电能，具体优选地，在本实施方式中，热电模块23的电输出端连接蓄电池3；换热器4对接收到的氢气进行换热降温处理。
优选地，在本实施方式中，换热器4的内部设有加装有冷却工质管路41的氢气通道，冷却工质管路41连接吸收式制冷装置7；氢气通道的入口与热介质通道21的出口连接，且氢气通道的出口连接第二级压缩机8，且第二级压缩机8的出口与储气罐连接；具体优选地，在本实施方式中，第一级压缩机1和第二级压缩机8均为单级压缩机，可显著提高能源利用率；为了确保安全性，在本实施方式中，储氢罐9优选采用铝内胆纤维缠绕瓶(III型)或塑料内胆纤维缠绕瓶(IV型)。
优选地，请进一步参见图2所示，为了利于热电发电装置2的热电发电效果，在本实施方式中，冷介质通道22位于热电发电装置2内的外周区域，热介质通道21位于热电发电装置2内的内周区域；其中，热电模块23包括位于冷介质通道22与热介质通道22之间且排列呈闭合通道状的若干热电转换单元，各热电转换单元之间采用串联和/或并联连接为一体，在实际实施时，本领域技术人员可以根据实际需要来选择热电转换单元的数量及其串、并联连接关系，用于将各热电转换单元组合形成一个热电变频转换单元模块(即为热电模块)即可；具体优选地，在本实施方式中，各热电转换单元包括呈间隔设置且能产生塞贝克效应的P型半导体23a和N型半导体23b，P型半导体23a和N型半导体23b的两端分别通过金属导体23c进行连接，金属导体23c通过焊接方式固定安装在位于其底部的绝缘陶瓷片(图未示出)上。
优选地，请进一步参见图3所示，为了利于换热效果，在本实施方式中，吸收式制冷装置7采用吸收式制冷循环方式进行制冷循环，采用的工质对为水-溴化锂，其中，水作为制冷剂，溴化锂作为解吸制冷剂的吸收剂；进一步优选地，吸收式制冷装置7包括与换热器4通过冷却工质管路连接的发生器，发生器11的上方设有与冷凝器12连接的蒸汽管路，且其下方设有与吸收器10的顶部入口连接的吸收剂管路；冷凝器12的出口通过膨胀阀13接入蒸发器14的底部入口，且蒸发器14的出口与吸收器10位于下方的入口连接，同时吸收器10的出口与发生器11的入口连接。
本实施例中的吸收式制冷循环方式包括如下工作过程：
吸收器10中的溶液采用溴化锂水溶液，通过第一流体泵5a(也可称为循环泵)将溴化锂水溶液转移输送至发生器11中；冷却工质管路41吸收氢气通道中的氢气热量后转变为热流体，热流体将热量传递给发生器11；进而发生器11中的热量传递给位于发生器11中的溴化锂水溶液，使得溴化锂水溶液中的水被蒸发形成高温高压的水蒸汽进入冷凝器12，同时溴化锂水溶液中的溴化锂沉积在发生器11中，发生器11通过连接管把这些沉积的溴化锂送回至吸收器10中；
冷凝器12将高温高压的水蒸汽冷凝为液态水后，经第二流体泵5b(也可称为循环泵)将液态水进入膨胀阀13进行低温低压处理，将得到的低温低压液态水输送至蒸发器14中吸收热量(吸收蒸发器管盘表面周围的热量)后再次进入吸收器10；
通过以上工作，使得吸收器10中的低温低压液态水与溴化锂重新形成溴化锂水溶液，然后参照以上工作过程进入下一个吸收式制冷循环工作。
优选地，第一级压缩机1分别设有氢气加注口1a和高温氢气出口1b，其中，氢气加注口1a向第一级压缩机1注入的氢气温度不高于50℃，压力不高于0.5MPa；高温氢气出口1b流出的氢气温度不低于300℃，压力不低于2MPa；作为冷介质的水初始温度不高于40℃；具体优选地，在本实施方式中，氢气加注口1a向第一级压缩机1注入的氢气初始温度为20-30℃，氢气初始压力为0.06-0.2MPa，经过第一级压缩机1压缩完成后,经高温氢气出口1b流出的氢气温度为350-380℃，压力为2.5-3MPa；水初始温度为20-25℃。
结合本实施例的以上实施方案进一步介绍本申请的工作原理：氢气经过第一级压缩机1压缩后变成高温高压的氢气，高温高压的氢气进入位于热电发电装置2内周的热介质通道21，热电发电装置2的外部有水冷却通道22，在热电模块23的内外两侧产生较高的温差，热电模块23由于塞贝克效应产生电能，产生的电能输送到蓄电池3中进行储存；水冷却通道22与水箱6相连，与水箱6连通的管路内的冷却水工质吸收热量变为热水可进一步被用做生活热水；高温高压的氢气通过热电发电装置2的热电降温处理后，再进入换热器4中进行充分降温，然后再通向第二级压缩机8，经再次压缩后直接输送至储氢罐9内储存；同时由于换热器4与吸收式制冷装置7相连的管路41内加装有冷却工质，冷却工质吸收热量后变成热流体，热流体作为热源热量传递给吸收式制冷装置7中的发生器11，进而驱动吸收式制冷装置7进行吸收式制冷循环工作。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种基于储氢余热回收的冷热电三联产系统，其特征在于，包括第一级压缩机以及热电发电装置，所述热电发电装置的内部分别设有热介质通道、冷介质通道以及位于热介质通道与冷介质通道之间的热电模块；其中，
所述第一级压缩机的高温氢气出口接入所述热介质通道的热介质输入端口，并通过所述热介质通道的出口将经热电降温处理后的氢气输送至换热器；
所述冷介质通道的冷介质输入端口与冷却介质供应单元连接，同时冷介质通道的出口接入冷介质回收单元中；
所述热电模块在热介质和冷介质所形成的温差作用下产生可储存的电能，所述换热器对接收到的氢气进行换热降温处理。
2.根据权利要求1所述的冷热电三联产系统，其特征在于，所述换热器的内部设有加装有冷却工质管路的氢气通道，所述冷却工质管路连接吸收式制冷装置；所述氢气通道的入口与所述热介质通道的出口连接，且所述氢气通道的出口连接第二级压缩机，且所述第二级压缩机的出口与储气罐连接。
3.根据权利要求2所述的冷热电三联产系统，其特征在于，所述第一级压缩机和所述第二级压缩机均为单级压缩机；所述热电模块的电输出端连接蓄电池。
4.根据权利要求1所述的冷热电三联产系统，其特征在于，所述冷介质通道位于所述热电发电装置内的外周区域，所述热介质通道位于所述热电发电装置内的内周区域；其中，所述热电模块包括位于所述冷介质通道与热介质通道之间且排列呈闭合通道状的若干热电转换单元，各热电转换单元之间采用串联和/或并联连接为一体。
5.根据权利要求4所述的冷热电三联产系统，其特征在于，所述热电转换单元包括呈间隔设置且能产生塞贝克效应的P型半导体和N型半导体，所述P型半导体和N型半导体的两端分别通过金属导体进行连接，所述金属导体固定安装在绝缘陶瓷片上。
6.根据权利要求1或2或3所述的冷热电三联产系统，其特征在于，所述吸收式制冷装置采用吸收式制冷循环方式进行制冷循环，采用的工质对为水-溴化锂，其中，水作为制冷剂，溴化锂作为解吸所述制冷剂的吸收剂。
7.根据权利要求6所述的冷热电三联产系统，其特征在于，所述吸收式制冷装置包括与所述换热器通过冷却工质管路连接的发生器，所述发生器的上方设有与冷凝器连接的蒸汽管路，且其下方设有与吸收器连接的吸收剂管路；所述冷凝器的出口通过膨胀阀接入蒸发器的底部入口，且所述蒸发器的出口与所述吸收器的入口连接，同时所述吸收器的出口与所述发生器的入口连接。
8.根据权利要求7所述的冷热电三联产系统，其特征在于，所述吸收式制冷循环方式至少包括如下工作过程：
吸收器中的溶液采用溴化锂水溶液，通过第一流体泵将溴化锂水溶液转移输送至所述发生器中；所述冷却工质管路吸收氢气通道中的氢气热量后转变为热流体，所述热流体将热量传递给所述发生器；
所述发生器中的热量传递给位于所述发生器中的溴化锂水溶液，使得溴化锂水溶液中的水被蒸发形成水蒸汽进入冷凝器，同时所述溴化锂水溶液中的溴化锂沉积在发生器中，所述发生器通过连接管把溴化锂送回至所述吸收器中；
所述冷凝器将水蒸汽冷凝为液态水后，经第二流体泵将液态水进入所述膨胀阀进行低温低压处理，将得到的低温低压液态水输送至所述蒸发器中吸收热量后再次进入所述吸收器。
9.根据权利要求1所述的冷热电三联产系统，其特征在于，所述冷热电三联产系统包括水箱，将水作为冷介质，所述水箱同时作为所述冷却介质供应单元和所述冷介质回收单元，且所述水箱与所述冷介质输入端口之间设有循环泵。
10.根据权利要求1所述的冷热电三联产系统，其特征在于，所述第一级压缩机分别设有氢气加注口和高温氢气出口，其中，所述氢气加注口向所述第一级压缩机注入的氢气温度不高于50℃，压力不高于0.5MPa；所述高温氢气出口流出的氢气温度不低于300℃，压力不低于2MPa；所述冷介质的初始温度不高于35℃。
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