CN117781489B - 一种模块化膜式微通道的蓄能系统及蓄能方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模块化膜式微通道的蓄能系统及蓄能方法,该方法是将膜式微通道热质交换器模块布置在蓄能介质罐的侧壁上,膜式微通道热质交换器模块的传热流体通道位于蓄能介质罐的侧壁外侧,蓄能介质通道位于蓄能介质罐的侧壁内侧;蓄能介质或热水分配器通过蓄能介质或热水分配口同步分配将蓄能介质或热水分配给膜式微通道热质交换器模块进行蓄能;本发明实现了高效、紧凑的太阳能蓄能;充分发挥了耦合离子液体优势的同时尽可能的避免其物性特征导致的限制;采用模块化设计,使膜式微通道蓄能装置安装灵活,体积更加紧凑;设计蓄能介质循环流量和蓄能模块协同调控机制,使得膜式微通道蓄能系统可以长时间维持在高效运行区间,充分利用太阳能资源。
Description
技术领域
本发明涉及一种模块化膜式微通道的蓄能系统及蓄能方法。
背景技术
2021年,全球的建筑能耗占据了30%的总能耗,并贡献了27%的总能源排放。在中国,建筑运行阶段总能耗高达10.6亿吨标煤,其中,建筑运行能耗中供冷和供热能耗超过了40%。太阳能因其资源分布广泛,获取方便而备受青睐。但是太阳能具有明显的间歇性和不稳定性,这使得太阳能供热/制冷和建筑用能需求之间出现严重的时间和强度不匹配问题。为解决此问题,热储能技术逐渐引起研究者的关注。热储能技术可以把太阳能的热量储存下来,并在需要的时候为建筑供热或供冷,实现完全利用太阳能资源为建筑提供绿色低碳能源。
热储能技术分为显热蓄能、潜热蓄能和热化学蓄能。储能的两个主要评价指标是蓄能密度(ESD)和蓄能效率(ESE)。蓄能密度(ESD)是指单位体积内系统存储的能量。蓄能效率(ESE)是指系统释能过程总制冷量(或制热量)和充能过程中热源的总输入量与其他耗能部件消耗能量之和的比值。显热蓄能由于温度变化范围较小导致蓄能密度(ESD)低。潜热蓄能因为相变材质(PCM)的热导率很低导致蓄/释能过程很慢且蓄能效率(ESE)比较低。热化学蓄能技术主要分为固体吸附式、热化学反应式以及液体吸收式,由于热能以化学能的形式储存下来,其蓄能密度(ESD)高,储存时间长,且储存的能源易于远距离运输,在未来的长期热储能技术中占据着重要的地位。但是,相较于显热和潜热蓄能,热化学蓄能技术复杂,成本较高。在热化学蓄能技术中,固体吸附式热化学蓄能的蓄能效率较低,化学反应热化学蓄能则通常需要很高的充能温度(超过200℃)。因此,液体吸收式热化学蓄能是一个很好的选择,其热损失少,蓄能效率和蓄能密度都比较高。另外,其释能方式有很多种,可以制冷、制热、除湿等,这使得储存的能源的用途更加灵活、多样。
传统的吸收式蓄能系统多采用喷淋式,而喷淋式热质交换器的传热传质效率低,体积庞大,导致喷淋式蓄能系统的蓄能效率(ESE)和蓄能密度(ESD)优势不明显。此外,传统的喷淋式蓄能系统需要80℃以上的热源温度才能进行正常的充能过程,这使得一部分太阳能资源无法被充分利用。如果降低充能温度以充分利用低温热源,则需要使用压缩辅助式吸收式蓄能系统或者双级吸收式蓄能系统,但这会额外耗能、提升系统复杂度并大大增加了系统体积。
此外,传统的吸收式蓄能系统结构固定,在偏离设计工况条件下,系统中的热质交换器的传热传质速率低下,导致系统蓄/释能效率偏低,且难以根据外部条件进行适应性调节。因此,如何使吸收式蓄能系统更加高效、紧凑、灵活,在不增加系统复杂度和额外能耗的基础上充分利用低温热源,并能跟随蓄/释能条件进行适应性调节,对未来充分利用太阳能资源来满足建筑用能具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足之处,提供一种模块化膜式微通道的蓄能系统及蓄能方法。
为了实现本发明的目的,我们将采用如下所述的技术方案加以实施:
一种模块化膜式微通道蓄能系统,该系统包括一蓄能介质罐、一蓄能介质泵、一制冷剂罐、一制冷剂泵,所述的蓄能介质罐通过控制阀与制冷剂罐连接;所述的蓄能介质泵能将蓄能介质罐内的蓄能介质输送给设置在蓄能介质罐内的热交换器;所述的制冷剂泵能将制冷剂罐内的冷却水输送给设置在制冷剂罐内的冷凝器,其特征在于,
所述的热交换器包括沿顺时针或逆时针方向依次布置在蓄能介质罐的侧壁中段的两组膜式微通道热质交换器模块,每一组膜式微通道热质交换器模块包括按编号顺序布置的一膜式微通道热质交换器模块Ⅰ、一膜式微通道热质交换器模块Ⅱ和一膜式微通道热质交换器模块Ⅲ以及一膜式微通道热质交换器模块Ⅳ;两组膜式微通道热质交换器模块中编号相同的膜式微通道热质交换器模块一一对应,且膜式微通道热质交换器模块Ⅰ到Ⅳ的传热流体通道和蓄能介质通道的宽度和深度递增;其中,每一个膜式微通道热质交换器模块的传热流体通道位于蓄能介质罐的侧壁外侧,蓄能介质通道位于蓄能介质罐的侧壁内侧;
该系统还包括结构相同的蓄能介质分配器以及热水分配器,其中,
所述的蓄能介质或热水分配器的蓄能介质或热水进口与蓄能介质或热水泵的输出口连接,其的蓄能介质或热水分配口包括两组蓄能介质或热水分配口,每一组蓄能介质或热水分配口包括从上到下依次排列的四个蓄能介质或热水分配口,四个蓄能介质或热水分配口通过管道分别与膜式微通道热质交换器模块Ⅰ、膜式微通道热质交换器模块Ⅱ和膜式微通道热质交换器模块Ⅲ以及膜式微通道热质交换器模块Ⅳ的蓄能介质通道或传热流体通道的进液口连接。
作为本发明的优选方案,所述的系统还包括气液隔离罩,所述的气液隔离罩设置于蓄能介质罐内,且其罩口通过蓄能介质液封,将设置其内的蓄能介质分配器、热水分配器以及蓄能介质收集器与蓄能介质罐内的蒸汽隔离。
作为本发明的优选方案,所述的蓄能介质收集器通过管道分别与两组膜式微通道热质交换器模块中的膜式微通道热质交换器模块Ⅰ、膜式微通道热质交换器模块Ⅱ和膜式微通道热质交换器模块Ⅲ以及膜式微通道热质交换器模块Ⅳ的蓄能介质通道的出液口连接,其通过蓄能介质排放口将蓄能介质排入蓄能介质罐内。
作为本发明的优选方案,所述的膜式微通道热质交换器模块包括传热流体通道、导热金属板、蓄能介质通道、多孔膜以及膜支撑板,所述的导热金属板的两侧分别设置传热流体通道和蓄能介质通道;所述的多孔膜覆盖蓄能介质通道;所述的膜支撑板为多孔膜提供机械强度支撑。
作为本发明的优选方案,所述的蓄能介质分配器与热水分配器的结构相同,所述蓄能介质或热水分配器包括:壳体、进液或热水供应端、蓄能介质或热水分配口、活塞和弹簧,其中,
壳体,用于容纳蓄能介质或热水;
蓄能介质或热水分配口,设置在壳体四周,用于分配蓄能介质或热水;
进液或热水供应端,设置在壳体的顶部,用于接收来自蓄能介质泵或水泵的蓄能介质或热水;
活塞,设置在壳体内,其下部设置有所述的弹簧,其能够在蓄能介质或热水流量的作用下向下移动,将蓄能介质或热水分配给膜式微通道热质交换器模块Ⅰ、膜式微通道热质交换器模块Ⅱ和膜式微通道热质交换器模块Ⅲ以及膜式微通道热质交换器模块Ⅳ的蓄能介质通道或传热流体通道;在弹簧的作用下复位。
作为本发明的优选方案,所述的蓄能介质收集器包括具有内腔的本体和连接管,通过连接管将所有膜式微通道热质交换器模块的蓄能介质通道的出液口与具有内腔的本体连通,用于收集各个膜式微通道热质交换器模块的蓄能介质,混合后导入蓄能介质罐中。
作为本发明的优选方案,所述的膜式微通道热质交换器模块Ⅰ的结构尺寸:宽0.2-0.4mm,长10-20cm,深0.1-0.5mm;
所述的膜式微通道热质交换器模块Ⅱ的结构尺寸:宽0.4-0.6mm,长20-30cm,深0.5-0.8mm;
所述的膜式微通道热质交换器模块Ⅲ的结构尺寸:宽0.6-0.8mm,长30-40cm,深0.8-1.2mm;
所述的膜式微通道热质交换器模块Ⅳ的结构尺寸:宽0.8-1.0mm,长40-50cm,深1.2-1.5mm。
作为本发明的优选方案,所述系统还包括太阳能集热器。
一种利用所述的模块化膜式微通道蓄能系统实现蓄能的方法,该方法包括:
S1、根据太阳能辐射强度的强弱,调节所述系统中的热水泵和蓄能介质泵向热水分配器和蓄能介质分配器输出热水和蓄能介质的流量;
S2、所述的热水分配器和蓄能介质分配器在热水和蓄能介质的流量作用下分别将热水和蓄能介质按编号顺序同步分配至膜式微通道热质交换器模块Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ中的膜式微通道热质交换器模块Ⅰ、膜式微通道热质交换器模块Ⅰ和Ⅱ、膜式微通道热质交换器模块Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ、或膜式微通道热质交换器模块Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的传热流体通道和蓄能介质通道中进行太阳能储热工作。
作为本发明的优选方案,所述的热水泵和蓄能介质泵均能够根据太阳能辐射强度的强弱进行变频调速。
作为本发明的优选方案,所述的蓄能介质包括离子液体。
本发明的有益效果在于,本发明即解决了传统吸收式蓄能系统体积大、效率低的问题,实现了高效、紧凑的太阳能蓄能;又解决了离子液体在膜式微通道蓄能系统中遇到的高压降问题,本发明筛选耦合离子液体作为蓄能介质和微通道/多孔膜结构设计的膜式微通道蓄能系统,在发挥耦合离子液体优势的同时尽可能的避免其物性特征导致的限制;对蓄能装置采用模块化设计,使膜式微通道蓄能装置安装灵活,体积更加紧凑;根据不同的蓄/释能条件匹配设计蓄能介质循环流量和蓄能模块协同调控机制,使得膜式微通道太阳能蓄能系统可以长时间维持在高效运行区间,充分利用太阳能资源。
附图说明
图1为膜式微通道蓄能系统的结构示意图;
图2为膜式微通道蓄能系统中的膜式微通道热质交换器模块布置图;
图3为蓄能介质分配器的结构示意图;
图4为热水分配器的结构示意图;
图5为膜式微通道热质交换器模块Ⅰ的结构示意图;
图6为膜式微通道热质交换器模块Ⅱ的结构示意图;
图7为膜式微通道热质交换器模块Ⅲ的结构示意图;
图8为膜式微通道热质交换器模块Ⅳ的结构示意图。
具体实施方式
结合实施例和附图对本发明作进一步地说明。
作为本发明的实施例,如图1-图8所示,一种模块化膜式微通道蓄能系统,该系统包括一蓄能介质罐(4)、一蓄能介质泵(5)、一制冷剂罐(12)、一制冷剂泵(13),所述的蓄能介质罐(4)通过控制阀(6)与制冷剂罐(12)连接;所述的蓄能介质泵(5)能将蓄能介质罐(4)内的蓄能介质输送给设置在蓄能介质罐(4)内的热交换器(7);所述的制冷剂泵(13)能将制冷剂罐(12)内的冷却水输送给设置在制冷剂罐(12)内的冷凝器;所述的热交换器包括沿顺时针或逆时针方向依次布置在蓄能介质罐(4)的侧壁中段的两组膜式微通道热质交换器模块(7),每一组膜式微通道热质交换器模块(7)包括按编号顺序布置的一膜式微通道热质交换器模块Ⅰ(71)、一膜式微通道热质交换器模块Ⅱ(72)和一膜式微通道热质交换器模块Ⅲ(73)以及一膜式微通道热质交换器模块Ⅳ(74);两组膜式微通道热质交换器模块(7)中编号相同的膜式微通道热质交换器模块一一对应,且膜式微通道热质交换器模块Ⅰ(71)到Ⅳ(74)的传热流体通道(713、723、733和743)和蓄能介质通道(712、722、732和742)的宽度和深度递增;其中,每一个膜式微通道热质交换器模块的传热流体通道(713、723、733和743)位于蓄能介质罐(4)的侧壁外侧,蓄能介质通道(712、722、732和742)位于蓄能介质罐(4)的侧壁内侧;
该系统还包括结构相同的蓄能介质分配器(8)以及热水分配器(9),其中,
所述的蓄能介质或热水分配器(8或9)的蓄能介质或热水进口与蓄能介质或热水泵(5或3)的输出口连接,其的蓄能介质或热水分配口(84、85、86和87或94、95、96和97)包括两组蓄能介质或热水分配口(84、85、86和87或94、95、96和97),每一组蓄能介质或热水分配口(84、85、86和87或94、95、96和97)包括从上到下依次排列的四个蓄能介质或热水分配口(84、85、86和87或94、95、96和97),四个蓄能介质或热水分配口(84、85、86和87或94、95、96和97)通过管道分别与膜式微通道热质交换器模块Ⅰ(71)、膜式微通道热质交换器模块Ⅱ(72)和膜式微通道热质交换器模块Ⅲ(73)以及膜式微通道热质交换器模块Ⅳ(74)的蓄能介质通道(712、722、732和742)或传热流体通道(713、723、733和743)的进液口连接。
作为本发明的实施例,如图1所示,所述的系统还包括气液隔离罩(11),所述的气液隔离罩(11)设置于蓄能介质罐(4)内,且其罩口通过蓄能介质液封,将设置其内的蓄能介质分配器(8)、热水分配器(9)以及蓄能介质收集器(10)与蓄能介质罐(4)内的蒸汽隔离。
作为本发明的实施例,如图1所示,所述的蓄能介质收集器(10)通过管道分别与两组膜式微通道热质交换器模块(7)中的膜式微通道热质交换器模块Ⅰ(71)、膜式微通道热质交换器模块Ⅱ(72)和膜式微通道热质交换器模块Ⅲ(73)以及膜式微通道热质交换器模块Ⅳ(74)的蓄能介质通道(712、722、732和742)的出液口连接,其通过蓄能介质排放口将蓄能介质排入蓄能介质罐(4)内。
作为本发明的实施例,如图5-图8所示,所述的膜式微通道热质交换器模块(71、72、73或74)包括传热流体通道(713、723、733或743)、导热金属板(714、724、734或744)、蓄能介质通道(712、722、732或742)、多孔膜(711、721、731或741)以及膜支撑板,所述的导热金属板(714、724、734或744)的两侧分别设置传热流体通道(713、723、733或743)和蓄能介质通道(712、722、732或742);所述的多孔膜(711、721、731或741)覆盖蓄能介质通道(712、722、732或742);所述的膜支撑板为多孔膜(711、721、731或741)提供机械强度支撑。
作为本发明的实施例,如图3、图4所示,所述的蓄能介质分配器(8)与热水分配器(9)的结构相同,所述蓄能介质或热水分配器(8或9)包括:壳体(82或92)、进液或热水供应端、蓄能介质或热水分配口(84、85、86和87或94、95、96和97)、活塞(83或93)和弹簧(81或91),其中,
壳体(82或92),用于容纳蓄能介质或热水;
蓄能介质或热水分配口(84、85、86和87或94、95、96和97),设置在壳体(82或92)四周,用于分配蓄能介质或热水;
进液或热水供应端,设置在壳体(82或92)的顶部,用于接收来自蓄能介质泵(5)或水泵(3)的蓄能介质或热水;
活塞(83或93),设置在壳体(82或92)内,其下部设置有所述的弹簧(81或91),其能够在蓄能介质或热水流量的作用下向下移动,将蓄能介质或热水分配给膜式微通道热质交换器模块Ⅰ(71)、膜式微通道热质交换器模块Ⅱ(72)和膜式微通道热质交换器模块Ⅲ(73)以及膜式微通道热质交换器模块Ⅳ(74)的蓄能介质通道(712、722、732或742)或传热流体通道(713、723、733或743);在弹簧(81或91)的作用下复位。
作为本发明的实施例,所述的蓄能介质收集器(10)包括具有内腔的本体和连接管,通过连接管将所有膜式微通道热质交换器模块(7)的蓄能介质通道(712、722、732或742)的出液口与具有内腔的本体连通,用于收集各个膜式微通道热质交换器模块(7)的蓄能介质,混合后导入蓄能介质罐(4)中。
作为本发明的实施例,如图5-图8所示,所述的膜式微通道热质交换器模块Ⅰ(71)的结构尺寸:宽0.2-0.4mm,长10-20cm,深0.1-0.5mm;
所述的膜式微通道热质交换器模块Ⅱ(72)的结构尺寸:宽0.4-0.6mm,长20-30cm,深0.5-0.8mm;
所述的膜式微通道热质交换器模块Ⅲ(73)的结构尺寸:宽0.6-0.8mm,长30-40cm,深0.8-1.2mm;
所述的膜式微通道热质交换器模块Ⅳ(74)的结构尺寸:宽0.8-1.0mm,长40-50cm,深1.2-1.5mm。
作为本发明的实施例,如图1所示,所述系统还包括太阳能集热器(1)。
作为本发明的实施例,如图1所示,一种利用所述的模块化膜式微通道蓄能系统实现蓄能的方法,该方法包括:
S1、根据太阳能辐射强度的强弱,调节所述系统中的热水泵(3)和蓄能介质泵(5)向热水分配器(9)和蓄能介质分配器(8)输出热水和蓄能介质的流量;
S2、所述的热水分配器(9)和蓄能介质分配器(8)在热水和蓄能介质的流量作用下分别将热水和蓄能介质按编号顺序同步分配至膜式微通道热质交换器模块Ⅰ(71)、Ⅱ(72)、Ⅲ(73)和Ⅳ(74)中的膜式微通道热质交换器模块Ⅰ(71)、膜式微通道热质交换器模块Ⅰ(71)和Ⅱ(72)、膜式微通道热质交换器模块Ⅰ(71)、Ⅱ(72)和Ⅲ(73)、或膜式微通道热质交换器模块Ⅰ(71)、Ⅱ(72)、Ⅲ(73)和Ⅳ(74)的传热流体通道和蓄能介质通道中进行太阳能储热工作。
作为本发明的实施例,如图1所示,所述的热水泵(3)和蓄能介质泵(5)均能够根据太阳能辐射强度的强弱进行变频调速。
作为本发明的实施例,所述的蓄能介质包括离子液体。
作为本发明的实施例,如图1所示,所述的膜式微通道蓄能系统在变工况条件下运行模式如下:
针对蓄能运行工况。当太阳能辐射强度较低的时候,太阳能集热器(1)产出的热水温度低、流量小,蓄能介质循环流量对应较小。热水分配器(9)和蓄能介质分配器(8)分别将热水和蓄能介质同步分配至流道宽度最窄、深度最小的蓄能模块I(71)中,即使在低强度太阳能辐射下,蓄能模块也能以较高的效率进行太阳能储热工作。
当太阳能辐射强度逐渐增强时,太阳能集热器(1)产出的热水温度逐渐升高、流量增加,蓄能介质循环流量也随之增大。热水分配器(9)和蓄能介质分配器(8)在更大的流量作用下将热水和蓄能介质同步导入流道宽度较高、深度较深的蓄能模块I I(72)中,使得溶剂蒸汽的产出速率更高,从而储存更多的太阳能热能资源。
蓄能模块当太阳能辐射强度继续增强时,太阳能集热器(1)产出的热水温度更高、流量更大,蓄能介质的循环流量也会随之继续增大。热水分配器(9)和蓄能介质分配器(8)在更大的流量作用下将大流量热水和蓄能介质同步导入具有更宽、更深流道的蓄能模块中I I I(73)、IV(74)中进行更高速率的传质过程,进一步提高太阳能储热量。热水分配器(9)和蓄能介质分配器(8)通过热水和蓄能介质流量自适应的调整热水和蓄能介质同步进入各个蓄能模块的时机和流量,使得整个蓄能系统可以根据太阳能辐射条件自适应的维持在较高运行效率区间。
针对释能运行工况。当用户的制冷需求比较低的时候,冷冻水的流量较小,热质交换器(7)中的冷却水和蓄能介质循环流量也对应较小。冷却水分配器(9)和蓄能介质分配器(8)分别将小流量的冷却水和蓄能介质同步导入蓄能模块I(71)中进行释能过程为用户提供相应的制冷量。
当制冷需求逐步提高时,冷冻水的流量随着增大,热质交换器(7)中的冷却水和蓄能介质的流量也对应增大。此时,冷却水分配器(9)和蓄能介质分配器(8)分别根据流量大小自适应的将冷却水和蓄能介质同步导入蓄能模块I I(72)、I I I(73)或IV(74)中以更高效的方式释放更多的能量,从而满足用户更高的制冷需求。
膜式微通道热质交换器比传统的热质交换器不仅传热传质效率更高,而且结构更加紧凑。在吸收式蓄能系统中采用膜式微通道热质交换器可以有效提高系统的蓄能效率和蓄能密度。同时,只要膜式微通道热质交换器中多孔膜两侧存在溶剂蒸气分压压差,膜式微通道热质交换器中的传质过程就会发生,其蓄能过程热源的最低温度(热质交换器的发生过程所需热源最低温度)可以低至62℃。这从原理上有效的降低了充能温度而不会提高系统的复杂性且不会明显增加系统额外耗能和体积。因此,膜式微通道太阳能蓄能在未来实现建筑绿色供能具有巨大潜力。膜式微通道蓄能系统中决定蓄能性能和工作范围的最重要的两个因素分别是膜式微通道热质交换器和蓄能介质。其中
(1)膜式微通道热质交换器
膜式微通道热质交换器是膜式微通道蓄能系统中最重要的部件。热质交换器是蓄能过程中蓄能介质受太阳能加热析出溶剂蒸汽和释能过程中蓄能介质吸收溶剂蒸汽释放热能的地方。结构示意图如图1所示。
由于传热和传质过程在此同时发生,膜式微通道热质交换器占据着蓄能系统的大部分体积。并且其传热、传质速率也决定着蓄能系统的充、放能速率。所以膜式微通道热质交换器的发生/吸收特性也决定着蓄能系统的蓄/释能特性。
实验表明在设计阶段,在相同蓄能介质流量条件下,减小微通道的宽度、降低微通道深度以及减少通道数都可以有效的增加膜式微通道热质交换器的发生/吸收速率。通道的长度则被经常用来调节通道内蓄能介质的压降而跟随宽度、深度和通道数进行匹配设计。在运行阶段,蓄能介质流速是影响发生/吸收速率最关键的因素。蓄能介质流速增大,发生和吸收速率都会随之增大。但是,随着微通道的宽度、深度和通道数的减小,以及蓄能介质流速的增大,微通道内的蓄能介质压降会迅速增大。而微通道中的蓄能介质压降会对蓄能介质泵的功率以及覆盖在蓄能介质通道上方的多孔膜的性质提出严苛的要求。多孔膜的选择透过性(只允许溶剂蒸汽通过,而限制液体蓄能介质通过)是膜式微通道热质交换器顺利进行传质过程的重要原理。
符合条件的多孔膜需要对溶剂蒸汽有高透过性,而对液体蓄能介质具有疏水性。多孔膜的特性则由其材质、孔径、孔隙率和厚度决定。膜式微通道热质交换器中多采用PTFE(聚四氟乙烯)作为多孔膜材质,因为其不仅具有较高的热稳定性和化学稳定性,而且还拥有很好的抗润湿特性。相关实验和研究表明为了获得较大的溶剂蒸汽通过速率,多孔膜的孔径和孔隙率需要尽可能的大,但是为了保证溶剂蒸汽不会因为毛细凝结作用在多孔膜(711、721、731或741)的传质通道中凝结成液体而阻碍传质过程,多孔膜(711、721、731或741)的孔径又要被限制在一定范围内。除此之外,多孔膜(711、721、731或741)的孔径大小也决定着多孔膜(711、721、731或741)的液体透过压力(LEP)的大小。多孔膜(711、721、731或741)的液体透过压力是为了保证多孔膜(711、721、731或741)的传质通道不会被液体蓄能介质润湿而丧失选择透过性所能承受的最大蓄能介质压力。孔径越小,多孔膜(711、721、731或741)的液体透过压力越大。多孔膜(711、721、731或741)的厚度也会对传质过程产生影响。厚度越大,膜通道中的传质阻力越大,传质速率会被削弱。但是为了保证多孔膜的机械强度,其最小厚度也有一定的要求。综上所述,多孔膜的材质和结构参数(孔径、孔隙率、厚度)都会影响其传质能力并且多孔膜的液体透过压力(LEP)还决定着微通道中蓄能介质压力的极限。受到多孔膜液体透过压力的限制,微通道中蓄能介质的压力需要被严格控制,因此蓄能介质在微通道中的压降上限也不得高于多孔膜的液体透过压力,而蓄能介质的压降跟蓄能介质的物性和微通道结构息息相关。在相同蓄能介质流量条件下,增加微通道的宽度、深度和通道数,或者减小通道的长度都可以有效的降低蓄能介质在微通道中的压降。但是与此同时,膜式微通道热质交换器的效率和体积会跟随结构参数的变化而发生变化。因此,微通道和多孔膜的结构参数需要针对蓄能介质仔细设计,在蓄能介质压降不超过多孔膜液体透过压力的基础上,尽可能的提高微通道热质交换器的单位体积传质效率。
多孔膜的液体透过压力和机械强度对微通道中蓄能介质的压降有着严格的限制。但是膜式微通道热质交换器的高发生/吸收速率往往伴随着微通道内的高压降。因此需要针对蓄能介质匹配设计微通道和多孔膜的结构,在满足压降要求的基础上,使膜式微通道热质交换器的单位体积传质效率达到最大。
(2)蓄能介质
传统的吸收式蓄能系统的蓄能介质通常分为两大类,即氨基和水基蓄能介质。氨基蓄能介质(例如NH3-H2O)适合在低于0℃的制冷释能条件下使用,但是蓄能介质和溶剂分离程度差(需要额外的气液分离装置),适宜释能工作区间窄(其适合的释能温度为-20℃左右),而且氨的毒性是需要慎重考虑其作为大规模蓄能介质的关键问题之一。水基蓄能介质(例如H2O-LiBr或者H2O-Li Cl)拥有较高的蓄能效率和蓄能密度,但是水基蓄能介质在蓄能介质浓度过高和蓄能介质温度过低的时候有结晶的风险。研究者也探索了一些蓄能介质的三相吸收式蓄能的可行性,比如H2O-Li Br、H2O-LiC l和H2OCaC l2。尽管系统的蓄能密度有一定的提高,但是积累的结晶体很难再完全溶解,会影响蓄能系统的可持续性,这对长期储能尤其不利。因此,传统工质难以满足吸收式太阳能蓄能更高的要求。为此,在探索新型蓄能介质用于吸收式蓄能系统中。其中一个比较重要的新型蓄能介质就是离子液体。离子液体蒸汽压力极低、稳定性好,且在各种制冷剂中都有很高的溶解度。目前对于离子液体的研究主要集中在吸收式热泵中,而在吸收式蓄能系统中的应用非常少。离子液体在蓄能过程中可以达到很高的浓度而不用担心结晶的问题,可以有效的提高系统蓄能密度和稳定性。Wu等人模拟了四种以H2O为制冷剂的离子液体蓄能介质在喷淋型吸收式蓄能系统中的表现。模拟结果表明在蓄能温度为85-100℃,冷却水温度25-35℃,释能温度9-15℃的运行范围内,[DMI M][DMP]表现突出,最高系统效率(ESE)为0.761,最高蓄能密度(ESD)达到了149.5kWh/m3。
目前,由于离子液体种类繁多,物性跨度巨大,成本较为昂贵,所以离子液体在吸收式蓄能系统中应用还停留在物性研究和系统表现模拟分析阶段。且研究集中在喷淋式蓄能系统中,尚未有离子液体在膜式微通道蓄能系统中的应用。离子液体在发掘新型蓄能介质方面有很大的潜力,其灵活可设计性也对吸收式蓄能系统的性能改善提供了较大的空间。但是,需要注意的是,很多离子液体存在粘度高和导热系数低的问题,造成流动阻力、传热阻力和传质阻力高的技术挑战,而且其粘度高的问题在膜式微通道系统中面临的挑战更为严峻。我们模拟研究了5种以H2O为制冷剂的离子液体混合物在膜式微通道吸收式热泵中的表现,结果表明离子液体工质对比传统的溴化锂蓄能介质有更好的表现,但是离子液体的高粘度带来的高压降问题使得膜式微通道的结构需要重新设计以适应离子液体。因此,对于膜式微通道蓄能系统来说,需要筛选适宜的离子液体,确定物性参数,并在系统结构设计阶段考虑到离子液体的物性特征,匹配膜式微通道结构设计与蓄能介质选择,实现蓄能系统的效率和紧凑性的双优化。
吸收式蓄能系统如采用传统蓄能介质会遇到水基工质因结晶风险导致工作范围受限和氨基工质效率低下、工作范围窄的问题,严重影响蓄能系统的稳定性和蓄能密度。离子液体作为新型蓄能介质可以有效的避免结晶问题,并由于其较宽的浓度变化范围可以达到更高的蓄能密度。但是离子液体普遍粘度较大,在膜式微通道蓄能系统中会使蓄能介质的压降问题更为严峻。因此,需要筛选适宜的离子液体并同时匹配设计膜式微通道结构,在发挥离子液体优势的同时,尽量避免其物性特征带来的限制。
上面结合实施例/附图对本发明的技术方案作了详细说明,但是本发明并不限于上述技术方案,对于本技术领域的普通技术人员来说,在获知本发明中记载内容后,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对其作出若干同等变换和替代,这些同等变换和替代也应视为属于本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种模块化膜式微通道蓄能系统,该系统包括一蓄能介质罐、一蓄能介质泵、一制冷剂罐、一制冷剂泵,所述的蓄能介质罐通过控制阀与制冷剂罐连接;所述的蓄能介质泵能将蓄能介质罐内的蓄能介质输送给设置在蓄能介质罐内的热交换器;所述的制冷剂泵能将制冷剂罐内的冷却水输送给设置在制冷剂罐内的冷凝器,其特征在于,
所述的热交换器包括沿顺时针或逆时针方向依次布置在蓄能介质罐的侧壁中段的两组膜式微通道热质交换器模块,每一组膜式微通道热质交换器模块包括按编号顺序布置的一膜式微通道热质交换器模块Ⅰ、一膜式微通道热质交换器模块Ⅱ和一膜式微通道热质交换器模块Ⅲ以及一膜式微通道热质交换器模块Ⅳ;两组膜式微通道热质交换器模块中编号相同的膜式微通道热质交换器模块一一对应,且膜式微通道热质交换器模块Ⅰ到Ⅳ的传热流体通道和蓄能介质通道的宽度和深度递增;其中,每一个膜式微通道热质交换器模块的传热流体通道位于蓄能介质罐的侧壁外侧,蓄能介质通道位于蓄能介质罐的侧壁内侧;
该系统还包括结构相同的蓄能介质分配器以及热水分配器,其中,
所述的蓄能介质或热水分配器的蓄能介质或热水进口与蓄能介质或热水泵的输出口连接,其的蓄能介质或热水分配口包括两组蓄能介质或热水分配口,每一组蓄能介质或热水分配口包括从上到下依次排列的四个蓄能介质或热水分配口,四个蓄能介质或热水分配口通过管道分别与膜式微通道热质交换器模块Ⅰ、膜式微通道热质交换器模块Ⅱ和膜式微通道热质交换器模块Ⅲ以及膜式微通道热质交换器模块Ⅳ的蓄能介质通道或传热流体通道的进液口连接。
2.根据权利要求1所述的一种模块化膜式微通道蓄能系统,其特征在于,所述的系统还包括气液隔离罩,所述的气液隔离罩设置于蓄能介质罐内,且其罩口通过蓄能介质液封,将设置其内的蓄能介质分配器、热水分配器以及蓄能介质收集器与蓄能介质罐内的蒸汽隔离。
3.根据权利要求2所述的一种模块化膜式微通道蓄能系统,其特征在于,所述的蓄能介质收集器通过管道分别与两组膜式微通道热质交换器模块中的膜式微通道热质交换器模块Ⅰ、膜式微通道热质交换器模块Ⅱ和膜式微通道热质交换器模块Ⅲ以及膜式微通道热质交换器模块Ⅳ的蓄能介质通道的出液口连接,其通过蓄能介质排放口将蓄能介质排入蓄能介质罐内。
4.根据权利要求1所述的一种模块化膜式微通道蓄能系统,其特征在于,所述的膜式微通道热质交换器模块包括传热流体通道、导热金属板、蓄能介质通道、多孔膜以及膜支撑板,所述的导热金属板的两侧分别设置传热流体通道和蓄能介质通道;所述的多孔膜覆盖蓄能介质通道;所述的膜支撑板为多孔膜提供机械强度支撑。
5.根据权利要求1所述的一种模块化膜式微通道蓄能系统,其特征在于,所述的蓄能介质分配器与热水分配器的结构相同,所述蓄能介质或热水分配器包括:壳体、进液或热水供应端、蓄能介质或热水分配口、活塞和弹簧,其中,
壳体,用于容纳蓄能介质或热水;
蓄能介质或热水分配口,设置在壳体四周,用于分配蓄能介质或热水;
进液或热水供应端,设置在壳体的顶部,用于接收来自蓄能介质泵或水泵的蓄能介质或热水;
活塞,设置在壳体内,其下部设置有所述的弹簧,其能够在蓄能介质或热水流量的作用下向下移动,将蓄能介质或热水分配给膜式微通道热质交换器模块Ⅰ、膜式微通道热质交换器模块Ⅱ和膜式微通道热质交换器模块Ⅲ以及膜式微通道热质交换器模块Ⅳ的蓄能介质通道或传热流体通道;在弹簧的作用下复位。
6.根据权利要求1所述的一种模块化膜式微通道蓄能系统,其特征在于,所述的蓄能介质收集器包括具有内腔的本体和连接管,通过连接管将所有膜式微通道热质交换器模块的蓄能介质通道的出液口与具有内腔的本体连通,用于收集各个膜式微通道热质交换器模块的蓄能介质,混合后导入蓄能介质罐中。
7.根据权利要求1所述的一种模块化膜式微通道蓄能系统,其特征在于,所述的膜式微通道热质交换器模块Ⅰ的结构尺寸:宽0.2-0.4mm,长10-20cm,深0.1-0.5mm;
所述的膜式微通道热质交换器模块Ⅱ的结构尺寸:宽0.4-0.6mm,长20-30cm,深0.5-0.8mm;
所述的膜式微通道热质交换器模块Ⅲ的结构尺寸:宽0.6-0.8mm,长30-40cm,深0.8-1.2mm;
所述的膜式微通道热质交换器模块Ⅳ的结构尺寸:宽0.8-1.0mm,长40-50cm,深1.2-1.5mm。
8.根据权利要求1所述的一种模块化膜式微通道蓄能系统,其特征在于,所述系统还包括太阳能集热器。
9.一种利用权利要求1所述的模块化膜式微通道蓄能系统实现蓄能的方法,其特征在于,该方法包括:
S1、根据太阳能辐射强度的强弱,调节所述系统中的热水泵和蓄能介质泵向热水分配器和蓄能介质分配器输出热水和蓄能介质的流量;
S2、所述的热水分配器和蓄能介质分配器在热水和蓄能介质的流量作用下分别将热水和蓄能介质按编号顺序同步分配至膜式微通道热质交换器模块Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ中的膜式微通道热质交换器模块Ⅰ、膜式微通道热质交换器模块Ⅰ和Ⅱ、膜式微通道热质交换器模块Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ、或膜式微通道热质交换器模块Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的传热流体通道和蓄能介质通道中进行太阳能储热工作。
10.根据权利要求9所述的方法,其特征在于,所述的热水泵和蓄能介质泵均能够根据太阳能辐射强度的强弱进行变频调速。
11.根据权利要求9所述的方法,其特征在于,所述的蓄能介质包括离子液体。
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