CN1560539B - 一种蓄能制冷／制热方法和蓄能制冷/热泵机组 - Google Patents

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Abstract

一种蓄能制冷/热泵机组的蓄能制冷/制热方法属于能量转换及蓄能技术领域。其特征是将电能通过压缩机将其转换成工作溶液的潜能并在储罐内储存，当需要冷或热能时可将储存的潜能再转换成所需的冷或热能。采用溴化锂水溶液的蓄能机组主要用于蓄能中央空调，采用氨水溶液的蓄能机组主要用于蓄能制冷和供热。本发明的优点是：工质对环境友好，电能转换及机组运行效率高，容积蓄能密度大，能量可长久储存，机组设备简单、运行灵活且工作温度范围大，可用于蓄能空调、蓄能制冷，也可用于蓄能供热。特别适宜于各种类型的蓄能中央空调系统以及蓄能制冷、供热系统，也特别适宜于将普通中央空调系统改造为蓄能中央空调系统。

Description

一种蓄能制冷/制热方法和蓄能制冷/热泵机组
技术领域
本发明属于能量转换及蓄能技术领域。特别涉及到一种由工作溶液浓度变化所引起的溶液化学势能变化来完成能量转换、储存和再转换的过程。在用电低谷时段将电能转换成工作溶液的制冷/制热潜能，并以潜能的形式储存能量；在用户需要冷能或热能时，采用制冷/热泵运行方式将所储存的潜能再转换为冷或热能的方法与设备。
背景技术
现有蓄能(蓄冷/蓄热)技术主要是利用工作介质状态变化过程所具有的显热、潜热效应或化学反应过程的反应热，采用将电能直接转换成冷或热能并储存的方式进行，包括显热、潜热和热化学蓄能技术。
现有蓄能(蓄冷/蓄热)技术简单描述：
1)显热蓄能技术：利用每一种物质均具有一定的热容，在物质形态不变的情况下，随着温度的变化会吸收或放出热量的特性。从理论上说，所有物质均可以被应用于显热蓄能。在蓄能技术发展的初期，显热蓄能首先被提出并得到应用，应用最广泛的就是冷/热水蓄能技术。
2)潜热蓄冷技术：利用物质相变时需要吸收或放出热量的特性来储存或释放冷(热)能，包括：冰蓄能技术，共晶盐(相变材料-PCM)蓄能技术。冰蓄冷技术是目前使用较广泛的一项蓄冷技术，它是利用水的固液相变潜热进行冷量的储存和释放。共晶盐(相变材料-PCM)蓄能技术是另一种较新的潜热蓄能技术，它是利用各种蓄能材料(又称相变材料-PCM)特殊的固液相变温度，使该项技术既适用于蓄热又适用于蓄冷。
3)热化学蓄冷技术：在一定的温度范围内，某些物质吸热或放热时会产生某种热化学反应。利用这一原理所构成的蓄能技术称之为热化学蓄能技术。目前正在研究开发的气体水合物蓄冷技术从物质状态变化形式上可以划入潜热蓄冷技术，但从蓄冷原理上是属于由化学反应所产生的化学反应热来蓄冷。
以上所有现有蓄能技术的一个共同特点是电能直接转换成冷或热能并储存，蓄能温度均低或高于环境温度，所储存的冷或热能温度是一定的，不能任意变化。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种能量转换和储存的方法及设备；即，一种将电能先转换成工作溶液制冷/制热潜能并以潜能的形式储存能量，然后再采用制冷/热泵的运行手段将储存的潜能转换成所需的冷或热能，对昼夜波动较大的电力负荷起到“削峰填谷”作用，并降低用户用电费用的制冷/热泵机组。
本发明的技术解决方案是，将电能转换为工作溶液制冷/制热潜能并储存最终转换成冷或热能的方法由能量转换、潜能储存和能量再转换过程构成；能量转换过程是将用电低谷时段的电能先转换成热能，然后利用热能将制冷剂从工作溶液中分离出来，使工作溶液浓度发生变化而具有制冷/制热潜能；工作溶液及制冷剂分别在各自储罐内被储存；能量再转换过程是当用户需要冷或热能时，将储存于储罐内的制冷剂和工作溶液分别引入蒸发器和吸收器，水在蒸发器内蒸发产生冷能，其蒸气在吸收器内被工作溶液吸收产生热能，从而将储存的潜能转换为实际需求的冷或热能，以解决因集中使用空调、制冷或供热系统所造成的昼夜电力负荷不均衡问题，并降低用户用电费用。
蓄能制冷/热泵机组内设两个储罐，分别储存工作溶液及制冷剂，设置冷/热负荷控制调节装置，制冷剂经冷/热负荷控制调节装置进入蒸发器，获得低温热量后气化，来自溶液储罐的工作溶液经冷/热负荷控制调节装置进入吸收器吸收来自蒸发器的制冷剂蒸气，出吸收器的工作溶液经溶液泵加压，一部分进入溶液储罐，或直接进入发生/冷凝器然后再进入溶液储罐，另一部分与来自溶液储罐并通过冷/热负荷控制调节装置的工作溶液混合再次进入吸收器，保证吸收器内溶液的喷淋密度，在溶液储罐在充、释能过程中罐内的溶液的质量和浓度是不断变化的。
本发明的效果和益处是：将用电低谷时段的电能转换成工作溶液制冷/制热潜能，并以潜能的形式储存能量；在用电的其它时段用户需要冷或热能时，采用制冷/热泵运行方式将储存的潜能转换成所需要的冷或热能，对昼夜波动较大的电力负荷起到“削峰填谷”作用，可提高发电设备的运行效率及电网运行安全性和经济性，并可降低用户的用电费用；由于能量以制冷/制热潜能的形式储存，并采用制冷/热泵方式将潜能再转换成冷或热能，因此其冷或热能温度可以根据需要在较大的范围内变化，同一台机组既可以用于供冷也可以用于供热，且蓄能方法简单，蓄能密度高，储存相同能量所需的储罐总体积只有冰蓄冷的1/3～1/6左右；制冷剂采用水或氨，ODP和GWP值均为0，彻底解决制冷剂对环境所造成的破坏问题；本项发明特别适用于各种蓄能中央空调(尤其是户式蓄能中央空调)、蓄能制冷和蓄能热泵供热系统，也适用于对已有中央空调、制冷、热泵供热系统改造成蓄能系统。
对于以溴化锂为工作溶液的蓄能制冷/热泵机组内所需要的蓄能储罐容积可以按下式粗略计算：
水储罐容积  Vs＝1.47×Q升
溶液储罐    Vr＝9.1×Q升
式中，Q为蓄冷量，单位为kWh。
如户式蓄能空调需储存80kWh的冷量，水储罐容积为118升，溶液储罐容积为728升，两个储罐总容积仅有0.85m3(随着对本项技术研究进展，蓄能储罐总容积还可以进一步减小)。
附图说明
附图1是一种以溴化锂或氨水溶液为工作溶液的蓄能制冷/热泵机组工作循环流程，附图2是一种以氨水溶液为工作溶液的蓄能制冷/热泵机组工作循环流程。图中虚线表示制冷剂蒸气流股，实线表示工作溶液和制冷剂液体流股，箭头为流动方向。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明
实施例1
附图1是一种以溴化锂或氨水溶液为工作溶液的蓄能制冷/热泵机组工作循环流程；在用电低谷时段，切换阀15、20、21、22作适当切换，溶液储罐3内的工作溶液经泵1和溶液热交换器4加压、加热后由发生喷淋器11将其喷淋在发生/冷凝器12的换热管束6外；溶液受热产生的制冷剂蒸气流经减温器10与制冷剂喷淋器9喷出的制冷剂液混合并气化，温度降低后被引入由电机7驱动的压缩机8；压缩后的制冷剂蒸气在发生/冷凝器12的换热管束6内冷凝，冷凝热量传给管束6外的溶液，制冷剂液体经溶液热交换器4降温后小部分经减压阀13进入减温器10和压缩机8用作冷却液，大部分进入储罐14；出发生/冷凝器12的工作溶液经溶液热交换器4降温后又回到溶液储罐3，随着电能转换及对溶液储罐3充能过程的进行，溶液储罐3内工作溶液质量不断减少，浓度不断变化，当溶液储罐3内溶液浓度达到设计值时，能量转换及溶液储罐3充能过程结束；溶液储罐3内所储存的工作溶液在吸收温度和压力下具有制冷/制热潜能。在其它用电时段当用户需要冷或热能时，切换阀15、20、21、22再作适当切换，机组内设置的冷/热负荷控制装置2、19工作，按冷/热负荷需求将储存于制冷剂储罐14和溶液储罐3内的制冷剂和工作溶液分别引入蒸发器18和吸收器16；制冷剂从流过蒸发器18的载冷剂流股18a、18b中获得低温热量被气化而产生冷量，冷量被载冷剂流股18a、18b带走；制冷剂蒸气进入吸收器16，被来自溶液储罐3并通过吸收喷淋器17所喷淋的工作溶液所吸收，吸收热被冷却流股16a、16b带走，用于供热或排向环境；吸收制冷剂蒸气后的工作稀溶液经泵1加压，一部分进入溶液储罐3或进入发生/冷凝器12然后再进入溶液储罐3，另一部分与来自溶液储罐3并通过冷/热负荷控制调节装置2的工作溶液混合再次进入吸收器16，保证吸收器16有足够的喷淋密度；在溶液储罐3释能和能量再转换过程中，溶液储罐3内溶液质量不断增加，浓度不断变化，当溶液储罐3内工作溶液浓度达到设计值时，释能和能量再转换阶段结束，从而完成“能量转换-储存-再转换”一个完整循环；发生/冷凝器12内设置的辅助加热器5，仅在压缩机启动前需要建立工作压力或在能量转换过程中冷凝热小于发生热时投入使用，辅助加热器5可使用电或其它形式能量。对于采用溴化锂溶液为工作溶液时，在溶液储罐3采用保温措施并应设晶/液分离和溶晶装置，确保流出溶液储罐3的溴化锂溶液中不含溴化锂晶体。
实施例2
附图2是一种以氨水溶液为工作溶液的蓄能制冷/热泵机组工作循环流程；在用电低谷时段，切换阀17、24、25、26作适当切换，溶液储罐3内的浓溶液经泵1和热交换器4加压、加热后，由发生喷淋器9喷淋在发生/冷凝器6的换热管束5外，溶液受热产生氨蒸气流经减温/精馏器11与制冷剂喷淋器10喷出的氨液混合并气化，温度降低后被引入由电机7驱动的压缩机8压缩，压缩后氨蒸气在换热管束5内冷凝，冷凝热作为发生热传给换热管束5外的溶液，冷凝后的氨液经溶液热交换器4降温，小部分通过减压阀12进入减温/精馏器11和压缩机8用作冷却液，大部分进入氨液储罐16，此时阀13关闭，15开启；出发生/冷凝器6的稀溶液也经热交换器1降温后返回溶液储罐3，溶液储罐3溶液质量和氨浓度不断减少；当冷凝热小于发生热时，调节阀22和冷/热负荷控制调节装置23工作，氨储罐16内引出少量氨液进入蒸发器22从低温热源中获得热量而气化，通过调节阀22的氨蒸气与出减温器11的主氨蒸气混合进入压缩机8，以满足冷凝热大于发生热的要求；当溶液储罐3内溶液浓度达到设计值时，能量转换和向溶液储罐3内充能阶段结束，能量以溶液制冷/制热潜能的形式被储存起来；在其它用电时段用户需要冷或热能时，切换阀17、24、25、26再作适当切换，冷/热负荷控制调节装置2、23工作，根据用冷或用热负荷需求将氨储罐16和溶液储罐3内的氨液和稀溶液分别引入蒸发器22和吸收器19，氨液在蒸发器22内获得来自载冷剂流股22a、22b的低温热量气化产生冷量，冷量被载冷剂流股22a、22b带走向外供冷；氨蒸气进入吸收器19被来自溶液储罐3并通过吸收喷淋器18喷淋出的稀溶液所吸收，吸收热被冷却流股19a、19b带走向外供热或排向环境；从吸收器19出来的浓溶液进入一部分进入溶液储罐3或进入发生/冷凝器6后再进入溶液储罐3，溶液储罐3内溶液质量和氨浓度不断增加，当溶液储罐3内溶液氨浓度达到设计值时，溶液储罐3释能和能量再转换阶段结束，完成“能量转换-储存-再转换”一个完整循环。
当蒸发温度较低时可在机组内增设过冷器21，此时氨液先经过冷器21降温后，再经冷/热负荷控制调节装置23进入蒸发器22，从蒸发器22出来的氨蒸气经过冷器21升温后进入吸收器19。
按部分蓄能策略运行机组带外负荷且压缩机8工作时，阀13开启，15关闭，压缩后的氨蒸气直接进入冷凝器14被冷却流股14a、14b冷凝，冷却热用于供热或排向环境；冷凝后的氨液进入储罐16；当出蒸发器的氨蒸气不能被压缩机8全部吸入时，余下的部分进入吸收器19被来自于溶液储罐3并通过冷/热负荷控制调节装置2稀溶液所吸收，吸收后的浓溶液经泵1增压后再进入溶液储罐3，使溶液浓度逐渐增加，储存的潜能逐渐释放，直到溶液储罐3释能完毕后重复上述过程。

Claims (5)

1.一种以溴化锂或氨水溶液为工作溶液的蓄能制冷/制热方法；其特征在于：将电能先转换成制冷/制热潜能并储存，然后再转换成所需的冷或热能，在能量转换过程中溶液储罐内工作溶液质量和浓度是在不断变化的；能量转换及储存过程实施如下：
(1)能量转换及储罐充能过程
(1.1)由电能驱动电机带动压缩机压缩来自发生/冷凝器并流经减温器的制冷剂蒸气，使其压力和冷凝温度提高，将电能转换成热能；
(1.2)被压缩机压缩后压力较高的制冷剂蒸气在发生/冷凝器管束内冷凝，放出的热量传给喷淋在管外由溶液储罐而来的工作溶液，使工作溶液中的制冷剂不断被气化并被吸入压缩机进行压缩，离开发生/冷凝器工作溶液经溶液热交换器后返回溶液储罐，使溶液储罐内工作溶液质量减少，溶液浓度发生变化而使工作溶液具有制冷/制热潜能；
(1.3)随着能量转换及储罐充能过程的进行，溶液储罐内工作溶液质量不断减少，而压缩机出口压力、溶液储罐内工作溶液的制冷/制热潜能和溶液温度不断增加，直至溶液储罐内溶液浓度达到设计值时，能量转换及储罐充能过程结束；
(2)潜能储存过程
(2.1)仅采用一个溶液储罐和一个制冷剂储罐，发生/冷凝器管束内被冷凝的水或氨储存于制冷剂储罐内，管束外的溴化锂或氨水溶液储存于溶液储罐内；
(2.2)溶液储罐采用保温措施；
(2.3)对于采用溴化锂溶液为工作溶液时，在储罐内应设晶/液分离和溶晶装置，确保流出储罐的溴化锂溶液中不含溴化锂晶体；
(3)储罐释能及能量再转换过程
(3.1)当用户需要冷或热能时，将储存于储罐内的制冷剂和工作溶液通过冷/热负荷控制调节装置分别引入蒸发器和吸收器内，进行能量再转换；
(3.2)制冷剂在蒸发器内蒸发产生冷能，冷能用于空调或进行制冷，制冷剂在吸收器内被工作溶液吸收，产生的热能用于供热或排向环境；
(3.3)从吸收器出来的工作溶液经溶液泵加压，一部分进入溶液储罐，使溶液储罐内工作溶液质量增加，溶液制冷/制热潜能降低，另一部分与来自溶液储罐并通过冷/热负荷控制调节装置的溶液混合再次进入吸收器，以保证吸收器内溶液的喷淋密度；
(3.4)控制系统自动调节从吸收器出来的工作溶液分流进入溶液储罐和吸收器的流量比；
(3.5)在储罐释能和能量再转换过程中，溶液储罐内的工作溶液质量不断增加，溶液制冷/制热潜能和溶液温度不断降低，直至溶液储罐内溶液浓度达到设计值时，储罐释能及能量再转换过程结束
Figure F2004100213856C00021
2.一种以溴化锂或氨水溶液为工作溶液蓄能制冷/热泵机组，其特征在于以溴化锂溶液或氨水作为工作溶液，将电能转换为工作溶液的制冷/制热潜能并储存，然后根据需要再将储存的潜能转换成冷或热能，其工作循环和流程为：在用电低谷时段，切换阀(15、20、21、22)作适当启闭，储存于溶液储罐(3)内的工作溶液经溶液泵(1)和溶液热交换器(4)加压、加热后，由发生喷淋器(11)喷淋在发生/冷凝器(12)的管束(6)外，溶液受热产生制冷剂蒸气流经减温器(10)与制冷剂喷淋器(9)喷出的制冷剂混合并气化，温度降低后被引入由电机(7)驱动的压缩机(8)压缩，压缩后制冷剂蒸气在管束(6)内冷凝，冷凝热作为发生热传给管束(6)外的溶液，冷凝后的制冷剂经溶液热交换器(4)降温，小部分通过减压阀(13)进入减温器(10)和压缩机(8)作为冷却液，大部分进入制冷剂储罐(14)；出发生/冷凝器(11)的工作溶液也经溶液热交换器(4)降温后回到溶液储罐(3)内，溶液储罐(3)内溶液质量不断减少，浓度发生变化，当溶液储罐(3)内溶液浓度达到设计值时，能量转换及充能阶段结束，能量以溶液制冷/制热潜能的形式在溶液储罐(3)内被储存起来；当用户需要冷或热能时，切换阀(15、20、21、22)再作适当启闭，冷/热负荷控制调节装置(2、19)工作，根据冷或热负荷需求将储存于制冷剂储罐(14)和溶液储罐(3)内的制冷剂和工作溶液分别引入蒸发器(18)和吸收器(16)；制冷剂在蒸发器(18)内气化产生冷能，冷能由载冷剂流股(18a、18b)带走，制冷剂蒸气进入吸收器(16)被通过吸收喷淋器(17)喷淋出的工作溶液所吸收，吸收热被冷却流股(16a、16b)带走，用于供热或排向环境，从吸收器(16)出来的工作溶液经溶液泵(1)加压，一部分进入溶液储罐(3)使溶液储罐(3)内溶液质量增加，溶液制冷/制热潜能和溶液温度降低，另一部分与来自溶液储罐(3)并通过冷/热负荷控制调节装置(2)的工作溶液混合再次进入吸收器，保证吸收器内溶液的喷淋密度，当溶液储罐(3)内溶液浓度达到设计值时，释能及能量再转换阶段结束，从而完成“能量转换-储存-再转换”一个完整的工作循环。
3.根据权利要求2所述的蓄能制冷/热泵机组，其特征在于：系统中仅采用一个工作溶液储罐，在对储罐进行充、释能过程中，储罐内的溶液质量是在不断变化的，即在充能过程中储罐内的溶液质量不断减少，而在释能过程中储罐内的溶液质量不断增加。
4.根据权利要求2所述的蓄能制冷/热泵机组，其特征在于：能量转换及储罐充能过程中压缩机出口压力变化是一个不断升高的过程，发生/冷凝器管束外溶液发生温度和管束内制冷剂蒸气冷凝温度变化是一不断升高的过程。
5.根据权利要求2所述的蓄能制冷/热泵机组，其特征在于：在发生/冷凝器(12)内设置有辅助加热器(5)，该辅助加热器仅在压缩机启动前为建立一定的吸入压力和当冷凝热小于发生热时投入使用。
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