CN1666078A - 吸附热交换器以及相关的冷却吸附工艺 - Google Patents

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Abstract

一个吸附热交换器(E)，它具有多个热交换通道(10)与相应的吸附通道(11)热接触，其中吸附材料(12)是固定在通道(11)的内表面上。

Description

吸附热交换器以及 相关的冷却吸附工艺
本发明涉及一种吸附热交换器以及相关的冷却吸附工艺。
尤其是，本发明涉及一种设备，其中一种冷却吸附工艺在一种固体吸附材料上进行，以及涉及在一种固体吸附材料上相关的冷却吸附工艺。
在各种工业用途中，一种吸附工艺是使用于由一种气体混合物消除或减少至少一个组分的存在，这种气体混合物例如是湿气体，使用于一个工业工艺，由它必须提取一个液体。
在空气的情况下，即含有水蒸气的气体混合物，在空气调节时，冷却和去湿工艺进行。空气去湿意味着由空气部分地提取气体分量的水蒸气。因此，在一个固体吸附材料上的由空气冷却吸附水蒸气的工艺可以使用于空气调节的目的，由空气流提取水蒸气(即去湿)。
办公室建筑物的一半能量消耗是由于空气调节。在近年来，使用太阳能和使用吸附部件的空调设备已经发展，建造和监控。例如，吸附工艺已使用于热动力开式循环(脱水和蒸发冷却设备，即DEC设备)，在此处吸附材料是再生的，这时借助使用热能的解吸附工艺，而热能是例如太阳能收集器产生的。许多致冷剂化合物对于环境保护是麻烦的，与此相反，使用水作为致冷剂对大气不会引起任何危险。吸附材料的再生是借助一个暖空气流进行的，它能够来自，例如太阳能空气收集器。在一个顺序的阶段中，再生的吸附材料对外部的空气进行去湿，空气随后进一步冷却和去湿，以及随后吹入建筑物。为了实现开放的循环，到目前为止吸附材料是使用热空气再生的，以及随后使进入与外部空气接触，引起它去湿。图1代表按照现有技术的一个普通的DEC设备的布置图。在此简化的示意图内，环境空气1通过吸附轮SR流动。环境空气在吸附轮SR内去湿和加热。空气随后吹向位置2。在此之后空气到达热回收轮WR，在其中空气被冷却。空气借助通道3离开热回收轮WR，进一步借助去湿器4的去湿作用被冷却，去湿器4使用蒸发冷却作用，以及之后空气传送进入建筑物的内部。在建筑物的内部，空气吸取湿度M和热量Q。空气离开建筑物5的内部，再次在去湿器6内去湿和被冷却。在热回收轮WR内，空气吸收热量和随后到达通道7。在一个加热单元内，它最好是一个太阳能加热单元8(例如太阳能空气加热收集器)，空气进一步加热，以及之后传送至吸附轮SR。在吸附轮SR内热空气烘干吸附材料。空气离开吸附轮SR是温暖和潮湿的，这时借助通道9离开。
这种设备，在其中使用转动去湿器技术，导致经济上可行的条件是仅在这样的情况下，即，如果它的规模大于约10.000m3/h。在吸附空调系统内，其中空气处理是在一个热交换器内进行，工艺是优化的，费用是减少的，以及它有利于实现吸附空调系统，即使是小规模的(空气体积流量显著地低于10.000m3/h)。
普通的吸附空调设备的实现工艺，如图1内所述的一个，面对多个问题，它们尚未以一个满意的方式解决。它们在物理过程的两个状态变得显著。
在热解吸之后，吸附转子(干燥轮)被显著地加热。在后续的吸附步骤中，即水吸收步骤中是一个障碍，因为吸附材料在较高的温度可能由进入的空气流吸收较少量的水。如果在吸附工艺中吸附材料应该冷却，吸附潜力(因此冷却能力)应该较高。当环境空气进入吸附转子，来自环境空气的湿度升高。从而使化学热被释放，导致吸附材料的温度增加。这个热量取自空气流，以及沿空气流方向传送。吸附材料跟随空气流的方向，吸取部分的热量。这点再次导致吸附材料吸收(吸附)潜力的降低。此外，空气被以一个不利的方式加热，因为与整个工艺的主要目的，即冷却空气相矛盾，再者，在吸附工艺中如果吸附材料冷却和保持在一个较低温度水平，它是较有利的。因此，离开工艺中的空气的温度也能够显著地降低。由于在工艺实现中上述的缺点，多个的工作状态产生，在此时吸附空气调节设备供给的仅为一个不充分的、甚至没有任何冷却的能力。
普通的吸附空调系统(使用转子的干燥系统)的另外的缺点是它需要两个转动部件(吸附轮SR和热回收轮WR)。这种结构引起高的费用和进而不可避免地产生空气流的混合。鉴于以上所述的原因，这种系统是不能在经济上竞争的，至少在一个低容量(即小规模)时是如此。
本发明的主要目的是提供一个设备，在其中进行在一个固体吸附材料上由一个气体混合物一个组分的一个冷却吸附工艺。此设备有可能达到高的效率和低的费用，即使对于小尺寸的器件也是如此。
本发明的另一个目的是提供一个空气调节或环境控制装置，具有高的效率，它使用一个设备，在其中进行在一个固体吸附材料上由一个气体混合物一个组分的一个冷却吸附工艺。装置将随后具有低的费用，以及导致经济上适合于小空气体积流动(即低容量装置)。
本发明的另一目的是提供一个空气调节或环境控制装置，它能够使用例如一种一致的系统(即不是矛盾的)，尤其是与蒸气压缩致冷器一致的空气调节系统。
与本发明的这些目的一起还有一个目的是提供在一个固体吸附材料上由一个气体混合物一个组分的一个吸附工艺和尤其是在一个固体吸附材料上由一个空气流的水蒸气的冷却吸附工艺。
本发明的上述和其它的目的达到的方式是借助按照独立权利要求的吸附热交换和相关的冷却吸附工艺。
按照本发明的吸附热交换器包括一个热交换器，它具有多个分离的通道，它们是热接触的以及其中部分固定一个吸收材料。按照本发明，吸收材料固定在部分通道的内表面。
一个设备，在其中按照本发明进行在一个固体吸附材料上由一个气体混合物一个组分的一个吸附工艺，这个设备的特点和优点将通过下列的说明，参见附图而明确表达出来，这些说明是示范性的而不是限制性的，在附图中：
图1是按照现有技术的一个空气调节设备的一个示意图；
图2是按照本发明的部分吸附热交换器的一个简化示意图；
图3是一个空气调节装置的一个示意图，包括按照本发明的设备；
图4至6是按照本发明的热交换器的示意图，是在不同的再生(即吸附材料的解吸附)工作模式；
图7是一个曲线图，说明按照图4至6在再生工作模式时热交换器内温度的质量趋势；
图8是按照本发明的热交换器的一个示意图，处于一个预先冷却工作状态。
如图2至8内所示，一个吸附热交换器E包括至少两个处于热接触的分离的通道系统。
热交换器，最好是一个横向逆流热交换器或一个逆流热交换器，具有每个热交换通道10，处于与相应的吸附通道11热接触。吸附材料12固定在多个吸附通道11的内表面。
图2示出处于热接触的两个通道，以及通过一个横向逆流热交换器E的两个流体的路径。如果例如此热交换器将使用于空气调节目的，流动通过热交换器的流体将是空气，但是，此热交换器也适合于处理在一个工业工艺中使用的一个发生的湿气体，在该工艺中一个液体或至少一个组分被抽取出来。
在每个热交换通道10内，冷却流体F2，它例如在一个空气调节或环境控制装置内可能是空气，按照箭头的方向流动，在吸附通道11内，气体混合物F1，由它至少一个组分被提取，它例如在一个空气调节或环境控制装置内可能是一个湿热空气，按照箭头的方向由左至右流动。
吸附材料12位于吸附通道11的内壁上。吸附材料应该选择下列材料中的，例如，在空气调节的情况下，用于空气去湿的正确材料是硅凝胶(Silica-gel)，沸石(Zeolite)和某些吸湿盐，例如氯化锂。
如果流体F2，它在通道10内流动，是一个气体，此设备应包括增湿部件19，用于在进入热交换器E之前流体F2的可能的增湿，例如，超声增湿器。在一个有利的方式中，有可能安装增湿部件19，以便在通过通道10时基本上连续地增湿流体F2。
以这样的方式，流体是过饱和的，或者空气是在通过热交换器通道即它的路经时连续地增湿，从而使当空气吸收热量时产生蒸发，因而提供连续的冷却能力。这样做例如是借助安装在通道10的入口段或内部的喷嘴。
图3示出一个吸附空气调节装置，使用按照本发明的吸附热交换器。
在工作中的吸附阶段(即冷却)，环境空气按照流体F1的箭头流动，在吸附通道11内沿着再生的吸附材料12，以及因此去湿。热量因此产生至一个大程度，吸收自热交换器通道10内的冷空气。在一个有利的方式中，热交换器通道10内的空气是过饱和的，或者空气是在通过热交换器通道时在它的路径上连续地增湿，从而使一旦空气吸收热量，蒸发立即进行，以及当通过通道10时连续地提供冷却能力。在空气借助一个通道15离开吸附通道时，空气是较冷和干燥的。任选地，空气借助在增湿器16内的增湿而进一步冷却，以及在此之后它借助风扇13传送至空气调节的内部建筑物17。室内空气是借助风扇14取自内部建筑物，以及在增湿器18内进一步增湿，这个时间最好至过饱和。随后，空气传送至热交换器通道10。在热交换器通道内，空气能够-借助一个相应适当的器件(增湿器件)-在通过热交换器通道时它的路径上连续地增湿。
图4至6示出吸附材料12再生阶段使用的不同的方法。通常各种各样的热源能够使用于吸附材料的再生，例如，废弃热，来自一个分区供热系统的热，来自共再生设备的热，或来自太阳能热收集器的热。当使用来自一个热源20的热时，例如，太阳能热收集器用于吸附时，使用一个或另一个吸附方法取决于太阳能收集器20的特点，吸附材料12的种类以及环境和气象学区域条件。对于吸附材料解吸的另一个可能性(解吸阶段)可以是使一个流体在通道10内循环，最好是接近蒸发条件，例如水蒸气在100℃，在吸附剂的解吸的情况下，水蒸气应在通道10内冷凝，以及传送冷凝的能量用于解吸。冷凝水最好能够在通道10内停留，以及随后在通道11内的气体的去湿阶段内停留，产生的吸附能量最好能被冷凝水的蒸发能量吸收(此系统类似于热管系统)。在此种情况下，增湿部件19将不是必须的。
图4示出最简单的解吸方式。因此按照一个第一再生方法R′在通道10内没有流体吹入。代替地，流体在由来自热源20的热加热之后被吹入吸附通道11。
在图5内，按照一个第二再生方法R″，在热交换器E内两个通道系统10和11是通过相同的方向流动的。两个流体流分别是G1和G2，它们预先被热源20，例如一个太阳能热收集器加热。这个改型具有的优点是改进由流体至吸附材料12的热传导，因为吸附材料是被热交换器E的吸附通道11和热交换器通道10两者加热的。被热交换器通道10加热的流体例如与环境空气24混合，以及传送至热源20。因此在使用于解吸工艺之前，流体借助热源20达到较高的温度。
吸附材料的一个不同的第三再生方法R示于图6内，当按照图6进行此工艺时，在热交换器E内的解吸时将产生大致一个直线的温度剖面：在热交换器的左入口I1流体具有一个较低的温度，以及在右入口I2具有一个较高的温度。这样的分布意味，例如对于空气调节，在冷却模式的工作时，在流体离开吸附通道11的侧面上吸附材料是较高地去湿。因此，空气在吸附阶段时，在流动通过吸附通道11时连续地与一个较干燥的吸附材料12接触，它导致对于随后的冷却阶段一个较高的去湿潜力。环境空气去湿的绝对值能够借助进行此工艺而优化。图4和5所述的解吸方法称为“顺流解吸”，以及按照图6的方法称为“逆流解吸”。图7示出在按照图4，5，6的解吸阶段之后在吸附通道11内温度剖面的一个质量的关系，以及其中再生方法的三个剖面分别地以R′，R″和R表示。在一个近似的表达中，高温意味着吸附材料12的一个高的干燥。
图8示出在解吸之后热交换器E的预冷冷阶段。流体24，例如对于空气调节用途是环境空气，它如希望那样是已去湿的或未去湿的，例如，室内返回空气F2，它如希望那样是已去湿的或未去湿的，传送入热交换器通道10，以及吸取来自吸附通道11的热，从而使吸附通道是预冷却的，以便随后的吸附阶段。
解吸，预先冷却和吸附冷却的一个完全的循环，例如对于外部环境空气，能够借助顺序地组合器件的不同的工作模式而实现，如图3至6和图8所示。如果例如一分钟能够用于解吸，在此时间的一部分解吸能够排列为跟随图6的工艺，以及另一部分跟随图4的工艺，在此之后热交换器能够按照图8冷却。在此顺序的工艺之后，在热交换器的吸附通道11内的吸附材料12如以上各图中所示，将是特别高度干燥的和良好预冷却的，以便随后的吸附阶段(空气冷却)。这些条件有利于工艺。
为了实现一个吸附工艺，在解吸或再生阶段之后跟随吸附阶段。
例如，对于空气调节目的，冷却吸附工艺将导致在图3内空气流F1的去湿和可能的冷却。在图3内的冷的和湿的空气流F2是负责于吸附材料12以及因此流体F1的冷却。
吸附阶段和借助解吸实现的再生阶段是交替地在一个设备内进行，即按照本发明建造的热交换器内进行。例如，在空气调节用途中，为了实现连续的供冷，供给去湿空气至建筑物，以及连续的使用热源例如太阳能空气热收集器和去湿器，至少需要两个热交换器，即吸附热交换器。从而使两个热交换器每个时间交替地处于工作状态“吸附阶段”和“再生阶段”。空气流根据真实的工作阶段借助相应的流体分流器以控制分流。
如果使用于空气调节用途，按照本发明的设备给予机会达到比使用固体吸附材料的其它吸附空气调节装置更高的去湿率和空气温度降低，避免排气，即由建筑物排出的气流和处理的空气任何可能的混合。与普通的吸附空气调节装置比较，包括按照本发明的热交换器的结构能够达到环境空气一个较高的空气去湿和一个较高的温度降低，没有新鲜空气和室内返回空气之间的任何混合。

Claims (21)

1.一种吸附热交换器，包括多个的热交换通道(10)，处于与相应的吸附通道(11)热接触，其特征在于，上述吸附通道(11)具有吸附材料(12)固定在它们的内表面上。
2.按照权利要求1的吸附热交换器，其特征在于，上述热交换通道(10)设置用于接收一个冷却流体(F2)，以及上述吸附通道(11)设置用于接收一个流体(F1)，由它至少一个组分被提取。
3.按照权利要求2的吸附热交换器，其特征在于，上述冷却流体(F2)是空气。
4.按照权利要求2的吸附热交换器，其特征在于，上述吸附材料(12)是适合于吸附流体(F1)的至少一个组分。
5.按照权利要求4的吸附热交换器，其特征在于，上述流体(F1)是湿空气以及上述吸附材料(12)例如是硅凝胶或沸石或一个吸湿盐，例如氯化锂。
6.按照权利要求4的吸附热交换器，其特征在于，增湿部件(19)设置用于在流体(F2)进入热交换器(E)的热交换通道(10)之前对它增湿。
7.按照权利要求6的吸附热交换器，其特征在于，上述增湿部件(19)设置为在通过热交换器通道(10)它的路径上对流体(F2)增湿。
8.按照权利要求6的吸附热交换器，其特征在于，使用于在通过热交换器通道(10)它的路径上对流体(F2)增湿的上述增湿部件(19)是安装在热交换器的通道(10)的入口或内部的水喷嘴。
9.按照前述的权利要求的任何一项的吸附热交换器，其特征在于，热交换器(E)设置为这样，使上述吸附材料(12)进行解吸是借助一个加热的流体，它传送来自热源(20)的热，最好是废弃热，来自一个分区供热系统的热或来自太阳能热收集器的热。
10.按照权利要求9的吸附热交换器，其特征在于，热交换器(E)设置为这样，使上述吸附材料(12)进行再生是借助一个接近饱和的流体，它流动通过热交换器通道，例如是在100℃的蒸气。
11.按照权利要求9的吸附热交换器，其特征在于，热交换器(E)设置为这样，使上述吸附材料(12)进行再生是借助一个接近饱和的流体，它流动通过热交换器通道，以及冷凝水产生和停留在它产生的地方。
12.按照前述的权利要求的一项或多项的器件，其特征在于，热交换器(E)设置为进行吸附材料(12)的顺流解吸，这时借助加热的流体，它在通道(11)内流动。
13.按照权利要求1至11任何项的吸附热交换器，其特征在于，热交换器(E)设置为进行吸附材料(12)的顺流解吸，这时借助加热的流体(G，G1，G2)它们在通道(10)和(11)内沿相同的方向流动。
14.按照权利要求1至11任何项的吸附热交换器，其特征在于，热交换器(E)设置为进行吸附材料(12)的逆流解吸，这时借助加热的流体(G)，它首先在热交换通道(10)内流动，随后被热源(20)加热，以及随后吹入吸附通道(11)。
15.按照权利要求1至14任何项的吸附热交换器，其特征在于，上述热交换器(E)设置为进行跟随解吸的一个预先冷却，这时借助一个流体(24)传送入热交换器通道(10)，以及吸收来自吸附通道(11)的热。
16.空气调节或环境控制装置，包括按照前述的权利要求的一项或多项的吸附热交换器。
17.按照权利要求16的空气调节或环境控制装置，包括两个热交换器，两个增湿器，两个附加的增湿器用于热交换通道(10)内的增湿，一个热源，一个空气活门以及一个相应的控制器件。
18.在一个固体吸附材料上由一个气体混合物(F1)至少一个组分的冷却吸附的工艺，这时借助按照权利要求1至15任何项的吸附热交换器。
19.按照权利要求18的工艺，其特征在于，上述流体(F1)是空气。
20.按照权利要求18的工艺，其特征在于，上述吸附和解吸阶段包括预先冷却阶段是按照一个时间上的顺序进行的。
21.按照权利要求18的工艺，其特征在于，使用两个热交换器，这时每个时间一个热交换器在吸附阶段工作，而另一个热交换器相应地进行解吸或预先冷却，以便随后的吸附阶段。
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