RU2624684C2 - Высокоэффективный тепловой насос, сочетающий абсорбцию и изменение концентрации раствора - Google Patents
Высокоэффективный тепловой насос, сочетающий абсорбцию и изменение концентрации раствора Download PDFInfo
- Publication number
- RU2624684C2 RU2624684C2 RU2014139331A RU2014139331A RU2624684C2 RU 2624684 C2 RU2624684 C2 RU 2624684C2 RU 2014139331 A RU2014139331 A RU 2014139331A RU 2014139331 A RU2014139331 A RU 2014139331A RU 2624684 C2 RU2624684 C2 RU 2624684C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- solution
- absorber
- temperature
- heat
- evaporator
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B15/00—Sorption machines, plants or systems, operating continuously, e.g. absorption type
- F25B15/02—Sorption machines, plants or systems, operating continuously, e.g. absorption type without inert gas
- F25B15/06—Sorption machines, plants or systems, operating continuously, e.g. absorption type without inert gas the refrigerant being water vapour evaporated from a salt solution, e.g. lithium bromide
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B15/00—Sorption machines, plants or systems, operating continuously, e.g. absorption type
- F25B15/008—Sorption machines, plants or systems, operating continuously, e.g. absorption type with multi-stage operation
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B25/00—Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00
- F25B25/02—Compression-sorption machines, plants, or systems
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B29/00—Combined heating and refrigeration systems, e.g. operating alternately or simultaneously
- F25B29/006—Combined heating and refrigeration systems, e.g. operating alternately or simultaneously of the sorption type system
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B11/00—Compression machines, plants or systems, using turbines, e.g. gas turbines
- F25B11/02—Compression machines, plants or systems, using turbines, e.g. gas turbines as expanders
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B15/00—Sorption machines, plants or systems, operating continuously, e.g. absorption type
- F25B15/002—Sorption machines, plants or systems, operating continuously, e.g. absorption type using the endothermic solution of salt
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2315/00—Sorption refrigeration cycles or details thereof
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B30/00—Heat pumps
- F25B30/04—Heat pumps of the sorption type
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A30/00—Adapting or protecting infrastructure or their operation
- Y02A30/27—Relating to heating, ventilation or air conditioning [HVAC] technologies
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
- Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
- Y02B30/62—Absorption based systems
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Sorption Type Refrigeration Machines (AREA)
- Reciprocating Pumps (AREA)
Abstract
Изобретение относится к способам сжатия рабочей жидкости, используемым для переноса теплоты от теплоносителя с более низкой (Е) температурой к теплоносителю с более высокой температурой (Al), и может быть использовано в тепловом насосе. Способ сочетает абсорбцию и изменение концентрации раствора электролита, например ZnCl2, (Na, K, Cs, Rb) ОН, CoI2, (Li, K, Na) (Cl2, Br2, I, SO4) или вещества, концентрация которого снижается при повышении температуры, в полярных растворителях: Н2О, NH3, метаноле, этаноле, метиламине, DMSO, DMA, AN, формамиде, муравьиной кислоте. Охлаждают высококонцентрированный насыщенный раствор, выходящий из абсорбера-теплообменника (A1) от высокой (1) до низкой (2) температуры при прохождении через теплообменник-кристаллизатор (НЕ) с образованием кристаллов абсорбента. Отделяют кристаллы (K1), остается низкоконцентрированный раствор (2). Для охлаждения частично расширяют низкоконцентрир. раствор (2), подают пар на кристаллы (К1), в котором они поглощаются. Сжимают раствор до давления испарителя-теплообменника (Е). Расширяют низкоконцентрир. раствор в турбине с производством работы или холодильного цикла для частичного испарения в испарителе-теплообменнике (Е) при заданной температуре и образования пара растворителя. Отделяют дополнительные кристаллы абсорбента (K2), соединяют их с ранее отобранными кристаллами (K1). Нагревают пар, пропуская его через теплообменник-кристаллизатор (HЕ), и сжимают (5) его под давлением абсорбера (A1). Низкоконцентрир. раствор (3), оставшийся после частичного испарения сжимают до давления абсорбера (А1) и нагревают в теплообменнике-кристаллизаторе (HЕ). Отделенные кристаллы нагревают в теплообменнике-кристаллизаторе (HЕ), растворяют в нагретом растворе (3) с образованием высококонцентрир. раствора. Подача пара (4) в абсорбер (A1), где пар абсорбируется, при этом отводится тепло и вновь образуется исходный раствор. Способ повышает эффективность переноса тепла, например, при нагревании-кондиционировании воздуха. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Обычный способ переноса тепла к среде с более высокой температурой, что происходит при применении для охлаждения-замораживания, состоит в использовании цикла расширения-сжатия пара. Хладагент испаряется при давлении р2, поглощая тепло из окружающей его среды (низкотемпературного источника тепла), сжимается до более высокого давления p1, конденсируется, выделяя тепло при более высокой температуре Т1 (высокотемпературный источник тепла) и расширяется до начального давления р2. Холодильный агент представляет собой чистое вещество. Температура испарения и температура конденсации чистого вещества совпадают. Чем выше давление, тем выше температура испарения. Сжатие пара отражает потребление электрической энергии в цикле.
Также возможно применение, в котором используется тепловое сжатие. В этом случае тепло потребляется для сжатия рабочей жидкости. Раствор частично испаряется при высокой температуре. Пар выполняет холодильный цикл в то время, когда раствор расширяется и возвращается в абсорбер, в котором пар абсорбируется (конденсируется) при низкой температуре. Исходный раствор восстанавливается, сжимается и подается на испаритель. Такое использование называется тепловым насосом, использующим абсорбцию, или тепловое сжатие. Рабочая жидкость представляет собой раствор, а не чистое вещество. Наиболее распространенными являются растворы NH3-H2O и LiBr- Н2О. Давление пара раствора является функцией температуры, а также концентрации. Идеальные растворы соответствуют закону Рауля Р=хР0, где Р0 - давление парообразования чистого вещества при заданной температуре, а x - концентрация. Реальные растворы отклоняются от этого закона, и Ρ=αΡ0=γmΡ0, где α - активность, γ - коэффициент активности, который является функцией концентрации, a m - мольная концентрация. Это означает, что при заданной температуре раствор может испаряться при различном давлении в зависимости от концентрации. Пар поглощается раствором и таким образом конденсируется. В дальнейшем будет использоваться термин абсорбция пара, или конденсация. Степень сжатия DP=p1/p2=α1p01/α2p02=(α1/α2)(p01/p02). Отношение α1/α2 равняется единице в обычном цикле абсорбции, поскольку раствор имеет одинаковую концентрацию во время испарения и конденсации. В данном способе это отношение менее 1/5. В предельном случае это отношение может равняться 1/(p01/р02) и DP=1. Это означает, что при одинаковом повышении температуры степень сжатия и, следовательно, требуемая работа будут меньше в пропорциональном отношении. Активность уменьшается при увеличении концентрации электролита. В рассматриваемом применении для целей охлаждения предпочтительными являются растворы с отрицательным отклонением от закона Рауля, т.е. давление пара у них будет ниже, чем у идеального раствора. Также является предпочтительными реакции экзотермического типа, при которых выделяется теплота. Можно использовать множество комбинаций растворитель-растворенное вещество. В дальнейшем в описании под растворенным веществом будет пониматься электролит и в особенности - твердый электролит.
Кажется, что растворы электролита оказались наиболее удобными, хотя также можно использовать и другие виды растворов. В цикле абсорбции имеются два уровня давления, так же как и в механическом (электрическим) цикле сжигания. Преимущество первого состоит в том, что при сжатии жидкости тратится значительно меньше электрической энергии, чем при сжатии пара, и тепло дешевле электричества. В рассматриваемом способе также отсутствует значительное потребление тепла. Тепло поглощается испарителем, и при этом производится пар, и отводится абсорбером, в котором пар абсорбируется (конденсируется). Повышение температуры зависит от отношения давлений ΔΡ.
Холодопроизводительность СОР цикла абсорбции равняется удельной теплоте парообразования чистого растворителя, деленной на удельную теплоту парообразования раствора. Последняя выше, чем первая, и обычно СОР=0,7.
В рассматриваемом способе сжатия рабочей жидкости для переноса тепла испаряющийся и конденсирующийся растворы отличаются друг от друга по концентрации (электролита) насколько возможно, при этом конденсация происходит в наиболее концентрированном растворе (с более высокой концентрацией) с тем, чтобы добиться меньшего ΔΡ при одинаковых уровнях температуры. Частичное испарение раствора происходит при более низкой температуре, чем конденсация в противоположность классическому циклу абсорбции. Раствор с высокой концентрацией растворенного вещества будет называться концентрированным раствором, а раствор с низкой концентрацией электролита - низкоконцентрированным раствором. Изменение концентрации раствора достигается путем изменения температуры раствора. Растворимость электролитов уменьшается при понижении температуры. В качестве примера можно взять RbNO3 (М=1,3-30) при температуре t от 0 до 100°С; KBr (М=4-12) при t от 0 до 160°С, TiNO3 (М=1-15) при t от 0 до 100°С. Один из таких электролитов был выбран для дальнейшего описания. Термин насыщенный раствор относится к раствору, имеющему максимальную концентрацию при заданной температуре. Растворенное вещество может быть любым веществом, растворимым в растворителе. Наиболее удобными растворяемыми веществами для данного применения являются электролиты. По этой причине в дальнейшем термин электролит будет использоваться вместо термина растворенное вещество. Раствор с высокой концентрацией, концентрированный или насыщенный раствор, охлаждается от высокой температуры до более низкой температуры (температуры окружающей среды). Во время этого процесса некоторое количество растворенного вещества (электролита) образует новую отличную фазу, подобную осадку (кристаллам), которая отделяется от раствора любым известным способом. Оставшийся жидкий раствор имеет более низкую концентрацию электролита (низкоконцентрированный раствор). (Если используется раствор, растворимость в котором снижается при повышении температуры, раствор подогревают от низкой температуры для того, чтобы отделить электролит. Низкоконцентрированный раствор существует при наиболее высокой температуре). Его давление регулируется (путем расширения) с тем, чтобы он испарялся при необходимой температуре для заданной концентрации. Таким образом низкоконцентрированный раствор частично испаряется в испарителе (Е), поглощая тепло из окружающей среды (низкотемпературный теплоноситель) и вызывая охлаждение. Пар сжимается и направляется в теплообменник, абсорбер (А), в который также поступают после сжатия отделенный электролит и оставшийся в испарителе низкоконцентрированный раствор. Исходный концентрированный (имеющий более высокую концентрацию) раствор оказывается восстановленным. Конденсация происходит путем отвода тепла от абсорбера при высокой температуре. Пар может быть поглощен частью отделенной фазы при высокой температуре, и полученный продукт поступает в конденсатор с низкоконцентрированным раствором из испарителя и оставшейся частью отделенной фазы для того, чтобы восстановить исходный раствор, который будет снова охлажден. Все потоки достигают одинакового давления до того, как они соединяются друг с другом. В случае использования электролита с эндотермической реакцией растворения часть отделенного электролита подается в оставшийся низкоконцентрированный раствор, двигающийся от испарителя к абсорберу.
Отделение и растворение новой отличной фазы с образованием изменяющего температуру раствора может осуществляться в одном и том же устройстве. Кристаллы остаются в устройстве в одном потоке (охлажденный поток) и растворяются, когда другой поток (нагретый поток) проходит по той же поверхности. Требуемая теплота растворения рекуперируется через теплообменник от раствора, который охлаждается, проходя в противоположную сторону. Для того чтобы рекуперировать тепло, теплообмен происходит между нагревающим и охлаждающим растворами.
Для более значительного повышения температуры можно объединить более одного цикла. Испаритель второго цикла, который работает при более высокой температуре, чем испаритель первого цикла, рекуперирует тепло из абсорбера первого цикла.
В любом случае охлаждаемый раствор может охлаждаться до температуры ниже температуры окружающей среды. Частичное испарение отбирает тепло от раствора и охлаждает его до более низкой температуры. Таким образом, его температура и, следовательно, концентрация еще больше снижаются. Полученный в результате этого электролит соединяется с остальным отделенным количеством, а пар направляется в охлаждаемый раствор или в отделенный электролит.Оставшийся раствор сжимается и испаряется при необходимой температуре, как и ранее.
Рассматриваемый способ представлен на Фиг. 1, на которой растворение отделенного электролита происходит в двух частях, в устройстве - абсорбере (A1), при этом низкоконцентрированный раствор возвращается в (A1). Концентрированный раствор из (A1) охлаждается от температуры ТА до температуры Tamb окружающей среды, проходя через теплообменник (НЕ) (точки 1-2). Концентрация изменяется от MA до ME и отделенный электролит собирается в сосуд (К1). Оставшийся низкоконцентрированный раствор расширяется и частично испаряется в испарителе (Е), поглощая тепло из окружающей среды. Дополнительное количество отделяется (поскольку концентрированный раствор испаряется) и собирается в (К2), и оттуда поступает в (К1). Создаваемый пар сжимается и поступает в абсорбер (A1) (точка 4), где он абсорбируется (конденсируется) электролитом, поступающим из (К1) (точка 6). Тепло отводится при температуре ТА. Оставшийся раствор в испарителе (точка 3) сжимается и нагревается, проходя через (НЕ), и направляется в устройство (A1), в то время, как остальная часть отделенного электролита уже в нем растворена. Вся отделенная фаза может быть растворена в (A1), а не в низкоконцентрированном растворе. Тепло также отводится. Исходный раствор восстановлен. Низкоконцентрированный раствор, поступающий из (Е) в (A1,) поглощает тепло и повышает температуру от ТЕ до ТА. Это тепло можно выразить как mcpΔt, где m - масса, cp - удельная теплоемкость и Δt - изменение температуры (ТА-ТЕ). Такое же количество тепла отводится концентрированным раствором, который охлаждается от ТА до ТЕ. Пар повышает свою температуру также посредством теплообменника (НЕ). Электролит кристаллизируется, когда концентрированный раствор охлаждается, и теплота кристаллизации поглощается. Это может происходить при низкой температуре. Часть этого тепла отводится (в виде теплоты растворения) от (A1) во время конденсации пара. Теплота растворения уравновешивается теплотой кристаллизации, которые теоретически равны друг другу. Охлаждение вызывается испарением пара в испарителе (Е), а нагревание - растворением и конденсацией в (A1). Теплота конденсации равняется теплоте парообразования, увеличенной на теплоту стационарного раствора. Энергетический баланс дает:
Энергия на входе: Qin = теплота испарения растворителя qL + теплота кристаллизации электролита qK + электрическая энергия, необходимая для сжатия пара Wel.
Энергия на выходе Qout = теплота конденсации (пара) растворителя qL + теплота растворения электролита qK1 в (A1) паром + растворения в низкоконцентрированном растворе qK2, Qout = -(qL+qK).
Результатом является перенос тепла от среды с более низкой температурой ТЕ (температурой окружающей среды или более низкой температуры при использовании в холодильной установке) к среде с более высокой температурой ТА почти без потребления тепла. В зависимости от используемого раствора и конкретного использования потребляется небольшое количество электрической энергии. Это количество в несколько раз меньше, чем требуется при обычном компрессионном цикле. Если пар абсорбируется только отделенной фазой во вторичном абсорбере и полученный продукт соединяется с низкоконцентрированном растворе в (A1), температура конденсации может быть очень высокой, поскольку раствор, образованный во вторичном абсорбере, имеет очень высокую концентрацию.
В любом виде цикла, если используется электролит с эндотермической реакцией растворения, часть отделенного электролита из (К1) растворяется в растворе, двигающемся из (Е) в (А) и рекуперирует тепло из раствора, двигающегося в противоположном направлении.
Для того чтобы достичь повышения температуры до более высокого значения можно объединить два одинаковых цикла. Испаритель второго цикла рекуперирует тепло из абсорбера первого цикла. Предположим, что первый цикл работает при температуре от 0° до 120°С, а второй цикл - от 120° до 250°С. Достигнуто повышение температуры от 0° до 250°С. Концентрированный раствор второго цикла может быть охлажден ниже своей температуры испарения, поскольку эта температура выше температуры окружающей среды. В качестве примера для первого цикла можно использовать один из названных электролитов и PbNO3 для второго цикла (М=3,8 при 100°С и 8 при 200°С).
Альтернатива описанному выше циклу представлена на Фиг. 2. Низкоконцентрированный раствор из точки 2 нагревается до температуры имеющегося источника тепла, расширяется и испаряется. Этот раствор после частичного испарения снова охлаждается для того, чтобы отделить дополнительное количество растворенного вещества, и возвращается в испаритель. Раствор подается в абсорбер из другого выхода по отношению к предыдущему варианту. Дополнительное количество растворенного вещества поступает в (К1). В качестве альтернативы испаритель (Е) можно использовать как вспомогательный испаритель. Вырабатываемый пар конденсируется и поступает в основной испаритель вместе с оставшимся в (Е) раствором при более низкой температуре охлаждения. Здесь раствор испаряется, что вызывает охлаждение. Пар и оставшийся перемещается в абсорбер, как и ранее. В основном испарителе имеется раствор, который не является концентрированным. Низкоконцентрированный раствор можно разделить на два потока. Первый поток поступает непосредственно в основной испаритель, а второй направляется во вспомогательный испаритель.
Еще один альтернативный вариант представлен на Фиг. 3, в нем температура ТА абсорбции-растворения равняется температуре ТЕ (парообразования). При практическом применении ТА устанавливается немного выше, чем ТЕ, с тем, чтобы теплоту конденсации можно было передавать от абсорбера к испарителю. Создаваемый пар (точка 6) расширяется, проходя через турбину (TU1) и производя работу, а затем отводит тепло через конденсатор (CON) и конденсируется, далее расширяется и испаряется в испарителе (EV) для чистого растворителя. При таком применении помимо испарения и конденсации раствора происходит испарение и конденсация чистого растворителя. Далее пар перегревается, сжимается при помощи компрессора (TU2) до давления (A1) (если давление в (A1) выше, чем давление (EV)) и поступает в абсорбер (A1) (точка 7), куда также поступает отделенный электролит из (К) (точка 5). Оставшийся в испарителе раствор направляется в (А2), куда также поступает оставшаяся часть отделенного электролита. Раствор, образованный в (A1), сжимается и поступает в (А2). Исходный концентрированный раствор восстановлен. Этот раствор представляет собой раствор, охлажденный для того, чтобы можно было отделить электролит, как было описано выше. Для простоты, устройства (A1) и (А2) можно построить в виде одного устройства, абсорбера (A1). Отделенный электролит растворяется в растворе, оставшимся после испарения, сжимается и поступает в абсорбер (A1) вместе с паром, образуя исходный раствор. Низкоконцентрированный раствор после отделения электролита и перед поступлением в испаритель рекуперирует тепло из концентрированного раствора, выходящего из абсорбера, при прохождении через теплообменник (НЕ). Для того чтобы осуществить это, дальнейшее охлаждение последнего раствора происходит в дополнительном теплообменнике или путем частичного испарения этого раствора до более низкой температуры. В том случае, если используется электролит, характеризующийся эндотермической реакцией растворения, оставшийся после испарения раствор можно охладить до более низкой температуры и нагреть снова. Отделенная фаза растворяется в низкоконцентрированном растворе, когда она возвращается в абсорбер после охлаждения. Теперь этот раствор имеет высокую концентрацию.
Турбины (TU1) и (TU2) используются для того, чтобы управлять температурой (CON) конденсации (нагревания) и испарения (охлаждения) (EV). Эти турбины могут быть соединены таким образом, что работа первой из них используется второй. В этом цикле сжатие достигается при помощи (Е), (А) и (К). Степень сжатия представляет собой α1/α2=αΕ/αΑ. Также можно использовать дополнительное механическое сжатие пара.
Фиг. 4 представляет собой чертеж, на котором показана связь между температурой Τ и давлением Ρ при заданной концентрации раствора (ME - концентрация низкоконцентрированного раствора в испарителе, а MA - высокая концентрация раствора в абсорбере). Оба устройства работают при температуре ТЕ=ТА в то время, как давление в испарителе равно PE, а давление в абсорбере - PA.
Из баланса энергии следует, что потребленная энергия рекуперируется выделенной энергией. Теплота испарения раствора рекуперируется теплотой конденсации раствора, испарение растворителя осуществляется за счет использования тепла окружающей среды, а кристаллизация - за счет теплоты растворения. Сжатие пара достигается благодаря циклу кристаллизации - растворения, в котором тепло не расходуется (теоретически).
Здесь также можно использовать двухстадийный или многостадийный цикл. В каждом цикле разность давлений в испарителе и абсорбере образуется согласно описанному выше способу. Каждый цикл работает при отличающихся уровнях давления. В каждом цикле используются различные или одинаковые растворенные вещества и один и тот же растворитель. Давление в испарителе во втором цикле близко по значению (предпочтительно, равно) давлению в абсорбере первого цикла, а давление в абсорбере второго цикла близко (предпочтительно равно) давлению в испарителе первого цикла. Пар из испарителя второго цикла выполняет холодильный цикл, описанный выше (конденсация - расширение - испарение) и поступает в абсорбер первого цикла. Пар из испарителя первого цикла поступает в абсорбер второго цикла. В этом случае достигается более высокое термическое сжатие. Теплота конденсации также рекуперируется теплотой испарения. Необязательно, чтобы циклы работали при одинаковой температуре. К пару можно дополнительное механическое сжатие для того, чтобы впустить его в абсорбер. Пусть абсорбер первого цикла работает при давлении 0,1 бар, испаритель - при давлении 1 бар, а абсорбер второго цикла - при давлении 1 бар и его испаритель - при давлении 10 бар. Пар во втором испарителе находится под давлением 10 бар и расширяется до давления 0,1 бар. Пар в первом испарителе находится под давлением 1 бар и поступает во второй абсорбер при том же давлении 1 бар. Конечная степень сжатия составит 10/0,1=100.
Устройства (А) и (Е) могут быть реализованы в виде одного и того же устройства. Поток, который должен испаряться, и поток, который должен конденсироваться, могут проходить через один и тот же теплообменник. Данный вариант можно использовать, если необходимо произвести работу. Пар из испарителя расширяется, проходя через паровую турбину, и производит работу, а не выполняет холодильный цикл. Поскольку относительное расширение слишком низкое для выработки электроэнергии, пар может поглощаться отдельным электролитом при низкой температуре. Полученный в результате этого продукт подается в устройство (А), куда также поступает оставшийся низкоконцентрированный раствор из испарителя, и при этом образуется исходный концентрированный раствор. В этом случае тепло потребляется на то, чтобы испарить раствор, поскольку теплота поглощения отводится при более низкой температуре. Электролиты, у которых кристаллы соединяются с молекулами растворителя при низкой температуре, а не при повышенной температуре, будут в данном случае более предпочтительными. Преимущество состоит в том, что относительное расширение выше в этом случае, чем в известном энергетическом цикле при той же температуре.
Многие растворители, такие как Н2О, метанол, формамид, муравьиная кислота, ацетонитрил, диметилформамид, диметилсульфоксид, могут сочетаться со многими электролитами, такими как ZCl2, SbCl2, SbF2, COI2, TlCl, (Li, Na, Κ, NH4 и т.п.) с (Cl, Br, I, SO4…), Pb(NO3)2, Tl(NO3), RbNO3.
Можно использовать растворенные вещества, концентрация которых уменьшается при повышении температуры. KBr-NH3 является примером такого вещества. Высококонцентрированный раствор находится при низкой температуре, и концентрация снижается при нагревании раствора. Растворенное вещество отделяется снова. Раствор выпаривается при высокой температуре. Пар выполняет известный цикл (конденсация - расширение - испарение) и поступает в абсорбер. Оставшийся раствор возвращается в абсорбер, рекуперируя тепло из раствора, двигающегося в противоположном направлении. Отделенное растворенное вещество также поступает в абсорбер, образуя исходный раствор. Теперь требуется теплота парообразования. В альтернативном варианте пар может быть поглощен отдельным растворенным веществом и затем поступать в абсорбер. Растворенное вещество может быть NH3, фреоном или другим неэлектролитом. То же самое можно использовать, чтобы произвести работу. Пар расширяется, проходя через турбину, а не выполняет холодильный цикл.
Claims (42)
1. Способ сжатия рабочей жидкости, используемый для переноса теплоты от теплоносителя с более низкой (Е) температурой к теплоносителю с более высокой температурой (Al), в котором используются растворы предпочтительно электролитов, обнаруживающие значительные отрицательные отклонения от идеальных растворов, подобные растворам ZnCL2, (Na, K, Cs, Rb) ОН, CoI2, (Li, K, Na) (Cl2, Br2, I, SO4) в полярных растворителях, подобных Н2О, NH3, метанолу, этанолу, метиламину, DMSO, DMA, AN, формамиду, муравьиной кислоте, который включает:
- охлаждение высококонцентрированного насыщенного раствора, выходящего из абсорбера-теплообменника (A1) от высокой (1) до низкой (2) температуры при прохождении через теплообменник-кристаллизатор (НЕ) с тем, чтобы образовывались кристаллы абсорбента,
- отделение этих кристаллов (K1) от раствора с тем, чтобы остался низкоконцентрированный раствор (2),
- частичное расширение этого раствора с тем, чтобы охладить его на несколько градусов,
- подача пара на кристаллы (K1), в котором они поглощаются,
- сжатие раствора до давления испарителя-теплообменника (Е),
- расширение низкоконцентрированного раствора с тем, чтобы в испарителе-теплообменнике (Е) происходило частичное испарение при заданной температуре и образовывался пар растворителя,
- отделение (K2) дополнительных кристаллов абсорбента, которые соединяются с ранее отобранными кристаллами (K1),
- нагревание пара путем пропускания его через теплообменник-кристаллизатор (ХЕ) и сжатие (5) его под давлением абсорбера (A1),
- сжатие низкоконцентрированного раствора (3), оставшегося при частичном испарении, до давления абсорбера (A1) и нагревание его при пропускании через теплообменник-кристаллизатор (ХЕ),
- нагревание отделенных кристаллов при пропускании их через теплообменник-кристаллизатор,
- растворение указанных кристаллов в указанном нагретом растворе с образованием высококонцентрированного раствора,
2. Способ сжатия рабочей жидкости по п. 1, в котором
- раствор после отделения кристаллов не расширяется, но подвергается дальнейшему охлаждению после выхода из теплообменника-кристаллизатора (НЕ) посредством внешнего охлаждающего источника с тем, чтобы понизить его температуру на несколько градусов,
- раствор сжимается и нагревается, проходя через теплообменник-кристаллизатор, до температуры источника,
- раствор частично испаряется, поглощая тепло из этого источника тепла,
- оставшаяся часть раствора охлаждается с образованием дополнительного количества кристаллов, сжимается и снова нагревается до того, как она поступит в абсорбер (A1) с кристаллами.
3. Способ сжатия рабочей жидкости по п. 1, отличающийся сочетанием более чем одного подобного цикла, в котором
- абсорбер первого цикла работает при немного более высокой температуре, чем испаритель второго цикла и, таким образом, теплота абсорбции рекуперируется во втором испарителе,
- раствор второго цикла, который выходит из своего абсорбера, охлаждается при температуре, более низкой, чем температура его испарителя,
- пар из первого испарителя поступает в абсорбер второго цикла, а пар из испарителя второго цикла поступает в абсорбер первого цикла в том случае, когда в двух циклах используется один и тот же растворитель,
- первый абсорбер и второй испаритель находятся в одном и том же устройстве.
4. Способ сжатия рабочей жидкости по п. 1, отличающийся тем, что
- после отделения кристаллов раствор сжимается и нагревается до температуры, близкой к температуре абсорбера,
- раствор частично испаряется (Е), рекуперируя теплоту абсорбции,
- пар перегревается, расширяется, проходя через турбину (TU1) конденсируется (CON) с отведением тепла при высокой температуре, расширяется до заданного давления и испаряется (EV), поглощая тепло из источника тепла, рекуперирует теплоту, проходя через теплообменник-кристаллизатор, сжимается (TU2), если требуется, и поступает в абсорбер (A1), куда также направляются кристаллы,
- абсорбер и испаритель раствора находятся в одном и том же устройстве.
5. Способ сжатия рабочей жидкости по п. 4, отличающийся сочетанием более чем одного подобного цикла, в котором
- первый раствор обнаруживает большее отрицательное отклонение, чем второй,
- давление пара в первом испарителе раствора равняется давлению пара во втором абсорбере раствора,
- пар, образующийся в испарителе первого цикла, поглощается в абсорбере второго цикла,
- пар из испарителя второго цикла поглощается в абсорбере первого цикла после осуществления холодильного цикла,
- температура в абсорберах выбирается немного выше, чем температура в испарителях, с тем, чтобы тепло, отводимое во время поглощения, использовалось для испарения.
6. Способ сжатия рабочей жидкости по п. 5, отличающийся тем, что пар, образованный во втором испарителе, расширяется, проходя через турбину, для того, чтобы произвести работу, а не выполнить холодильный цикл,
- после расширения часть пара поглощается в абсорбере, а остаток - отделенным электролитом в то время, когда к испарителю подводится дополнительное тепло.
7. Способ сжатия рабочей жидкости по п. 1, отличающийся тем, что используется растворенное вещество, концентрация которого снижается при повышении температуры, подобно раствору KBr в NH3 или газообразным растворенным веществом, таким как Фреон или NH3, в котором
- раствор из первого абсорбера сжимается и нагревается до более высокой температуры, а растворенное вещество отделяется и собирается в контейнер (K),
- раствор испаряется при высокой температуре, поглощая тепло,
- пар выполняет холодильный цикл, состоящий из конденсации-расширения-испарения и поглощается в абсорбере при низкой температуре,
- оставшийся раствор из испарителя расширяется и поступает в абсорбер,
- отделенное растворенное вещество растворяется в этом растворе и образует исходный концентрированный раствор.
8. Способ сжатия рабочей жидкости по п. 7, отличающийся тем, что пар расширяется, проходя через турбину, и производит работу, а не выполняет холодильный цикл.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GR20120100123 | 2012-03-01 | ||
| GR20120100123A GR20120100123A (el) | 2012-03-01 | 2012-03-01 | Αντλια θερμοτητας υψηλης αποδοσης με απορροφηση και μεταβολη περιεκτικοτητας διαλυματος |
| PCT/GR2013/000012 WO2013128215A1 (en) | 2012-03-01 | 2013-03-01 | High efficiency heat pump combining absorption and solution concentration change |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2014139331A RU2014139331A (ru) | 2016-04-20 |
| RU2624684C2 true RU2624684C2 (ru) | 2017-07-05 |
Family
ID=48048071
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014139331A RU2624684C2 (ru) | 2012-03-01 | 2013-03-01 | Высокоэффективный тепловой насос, сочетающий абсорбцию и изменение концентрации раствора |
Country Status (9)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US9453664B2 (ru) |
| EP (1) | EP2864720A1 (ru) |
| JP (1) | JP2015508886A (ru) |
| CN (1) | CN104520654A (ru) |
| AU (1) | AU2013227430A1 (ru) |
| GR (1) | GR20120100123A (ru) |
| IN (1) | IN2014DN08044A (ru) |
| RU (1) | RU2624684C2 (ru) |
| WO (1) | WO2013128215A1 (ru) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2955407A1 (en) * | 2014-07-30 | 2016-02-04 | Vasileios STYLIARAS | Multi stage vapor compression for high efficiency power production and heat pump |
| GR20150100217A (el) * | 2015-05-14 | 2017-01-17 | Βασιλειος Ευθυμιου Στυλιαρας | Πολυβαθμια αντλια θερμοτητας με απορροφηση σε περισσοτερα διαλυματα και παραγωγη ενεργειας με υψηλη αποδοση |
| CN105135742B (zh) * | 2015-09-06 | 2018-07-03 | 哈尔滨工业大学 | 一种具有双蒸发器的溴化锂吸收式制冷循环系统 |
| US20190249909A1 (en) * | 2016-04-01 | 2019-08-15 | Vasileios STYLIARAS | Heat pump and power production utilizing hydrated salts |
| GR20170100114A (el) * | 2017-03-22 | 2018-10-31 | Βασιλειος Ευθυμιου Στυλιαρας | Αντλια θερμοτητας με απορροφηση και χρηση ενδιαλυτωμενων ηλεκτρολυτων |
| GR20160100578A (el) * | 2016-11-04 | 2018-08-29 | Βασιλειος Ευθυμιου Στυλιαρας | Αντλια θερμοτητας και παραγωγη εργου με εκροφηση αεριου |
| CN113686052B (zh) * | 2021-08-16 | 2022-05-20 | 山东大学 | 一种智能控制的水、余热回收的开式压缩吸收式热泵系统 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4062197A (en) * | 1976-07-09 | 1977-12-13 | Hester Jarrett C | Absorption heating-cooling system |
| US6128917A (en) * | 1995-10-14 | 2000-10-10 | Riesch; Peter | Sorption heat converter system with additional components |
| US6357254B1 (en) * | 2000-06-30 | 2002-03-19 | American Standard International Inc. | Compact absorption chiller and solution flow scheme therefor |
| US20100282436A1 (en) * | 2008-01-22 | 2010-11-11 | Beijing Lianliyuan Technology Co., Ltd. | Absorptive heat pump systems and heating method |
Family Cites Families (22)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4637218A (en) * | 1974-11-04 | 1987-01-20 | Tchernev Dimiter I | Heat pump energized by low-grade heat source |
| US4593538A (en) * | 1984-09-21 | 1986-06-10 | Ben-Gurion University Of The Negev Research And Development Authority | Refrigeration cycle operatable by low thermal potential energy sources |
| JPS62266367A (ja) * | 1986-05-14 | 1987-11-19 | 松下電器産業株式会社 | 冷暖熱発生装置 |
| JPS63163743A (ja) * | 1986-12-25 | 1988-07-07 | 松下電器産業株式会社 | 冷暖熱発生装置 |
| US5059228A (en) * | 1990-04-30 | 1991-10-22 | Cheng Chen Yen | Cool thermal storage and/or water purification by direct contact in-situ crystal formation and crystal melting operations |
| DE19500335A1 (de) * | 1995-01-07 | 1996-07-11 | Arne Klement | Verfahren zur Erzeugung von Kälte und Wärme mit Hilfe einer umkehrosmotisch angetriebenen Sorptionskältemaschine |
| JPH09269162A (ja) * | 1996-03-29 | 1997-10-14 | Sanyo Electric Co Ltd | 吸収式冷凍機 |
| FR2754594B1 (fr) * | 1996-10-10 | 1998-12-31 | Gaz De France | Frigopompe |
| JP3223122B2 (ja) * | 1996-12-26 | 2001-10-29 | 本田技研工業株式会社 | 吸収式冷凍装置の運転停止方法 |
| JP4070348B2 (ja) * | 1999-03-30 | 2008-04-02 | 三洋電機株式会社 | 吸収ヒートポンプおよびその制御方法 |
| US6405558B1 (en) * | 2000-12-15 | 2002-06-18 | Carrier Corporation | Refrigerant storage apparatus for absorption heating and cooling system |
| JP4062479B2 (ja) * | 2001-02-14 | 2008-03-19 | 本田技研工業株式会社 | 吸収式冷暖房装置 |
| JP2002357370A (ja) * | 2001-05-31 | 2002-12-13 | Sanyo Electric Co Ltd | 吸収冷凍機の制御方法 |
| JP2003075014A (ja) * | 2001-08-28 | 2003-03-12 | Akio Miyanaga | 吸収式冷凍機 |
| JP2005326130A (ja) * | 2004-04-13 | 2005-11-24 | Hiroshima Gas Kk | 溶解熱を利用した冷熱及びまたは温熱の発生方法とその装置 |
| US8221528B2 (en) * | 2008-08-01 | 2012-07-17 | Velocys, Inc. | Methods for applying microchannels to separate gases using liquid absorbents, especially ionic liquid (IL) absorbents |
| CN101918771B (zh) * | 2008-01-08 | 2013-04-17 | 北京联力源科技有限公司 | 吸收溶液循环系统及方法 |
| CN102292608A (zh) * | 2008-11-26 | 2011-12-21 | 纳幕尔杜邦公司 | 具有双吸收回路的吸收循环系统 |
| CN102365342A (zh) * | 2009-03-31 | 2012-02-29 | 纳幕尔杜邦公司 | 温度调节装置 |
| EP2414475A1 (en) * | 2009-03-31 | 2012-02-08 | E. I. du Pont de Nemours and Company | Temperature adjustment device |
| US8839635B2 (en) * | 2010-03-18 | 2014-09-23 | Thermax Limited | High efficiency double-effect chiller heater apparatus |
| US20120000221A1 (en) * | 2010-07-02 | 2012-01-05 | Abdelaziz Omar | Absorption heat pump system and method of using the same |
-
2012
- 2012-03-01 GR GR20120100123A patent/GR20120100123A/el unknown
-
2013
- 2013-03-01 EP EP13714327.7A patent/EP2864720A1/en not_active Withdrawn
- 2013-03-01 AU AU2013227430A patent/AU2013227430A1/en not_active Abandoned
- 2013-03-01 US US13/261,944 patent/US9453664B2/en not_active Expired - Fee Related
- 2013-03-01 JP JP2014559300A patent/JP2015508886A/ja active Pending
- 2013-03-01 RU RU2014139331A patent/RU2624684C2/ru not_active IP Right Cessation
- 2013-03-01 CN CN201380022990.2A patent/CN104520654A/zh active Pending
- 2013-03-01 WO PCT/GR2013/000012 patent/WO2013128215A1/en active Application Filing
-
2014
- 2014-09-26 IN IN8044DEN2014 patent/IN2014DN08044A/en unknown
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4062197A (en) * | 1976-07-09 | 1977-12-13 | Hester Jarrett C | Absorption heating-cooling system |
| US6128917A (en) * | 1995-10-14 | 2000-10-10 | Riesch; Peter | Sorption heat converter system with additional components |
| US6357254B1 (en) * | 2000-06-30 | 2002-03-19 | American Standard International Inc. | Compact absorption chiller and solution flow scheme therefor |
| US20100282436A1 (en) * | 2008-01-22 | 2010-11-11 | Beijing Lianliyuan Technology Co., Ltd. | Absorptive heat pump systems and heating method |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2014139331A (ru) | 2016-04-20 |
| US9453664B2 (en) | 2016-09-27 |
| WO2013128215A1 (en) | 2013-09-06 |
| AU2013227430A1 (en) | 2014-10-09 |
| IN2014DN08044A (ru) | 2015-05-01 |
| US20150000312A1 (en) | 2015-01-01 |
| EP2864720A1 (en) | 2015-04-29 |
| CN104520654A (zh) | 2015-04-15 |
| GR20120100123A (el) | 2013-10-15 |
| JP2015508886A (ja) | 2015-03-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2624684C2 (ru) | Высокоэффективный тепловой насос, сочетающий абсорбцию и изменение концентрации раствора | |
| JP5906058B2 (ja) | 吸水式チラーに統合されたランキンサイクル | |
| EP2312129A1 (en) | Thermoelectric energy storage system having an internal heat exchanger and method for storing thermoelectric energy | |
| US8720216B1 (en) | Hybrid aqua-ammonia and lithium bromide-water absorption chiller | |
| Xu et al. | A novel low-temperature absorption–compression cascade refrigeration system | |
| US6269644B1 (en) | Absorption power cycle with two pumped absorbers | |
| US20170218793A1 (en) | Multi stage vapor compression for high efficiency power production and heat pump | |
| JP2015508886A5 (ru) | ||
| JP2016531263A (ja) | 熱回収及び改良方法及び当該方法における使用のためのコンプレッサ | |
| EP1936129B1 (en) | Method and apparatus of converting heat to useful energy | |
| EP1983038A1 (en) | Turbo generator (orc) for applications at middle-low temperatures, using a fluid with azeotropic behaviour | |
| EP3797218B1 (en) | Closed-cycle absorption system and method for cooling and generating power | |
| JPH02188605A (ja) | 複流体タービンプラント | |
| EP2622285B1 (en) | Vapour absorption refrigeration | |
| US8474263B2 (en) | Heat conversion system simultaneously utilizing two separate heat source stream and method for making and using same | |
| JP4598071B2 (ja) | 熱から有用なエネルギーへの効率的な変換 | |
| JP2019516056A (ja) | 水和塩を利用するヒートポンプ及び発電 | |
| JP2021522466A (ja) | 結晶化／凍結／アイシング法で機能する吸収加熱冷却システムで用いられる凝固による分離法 | |
| WO2020251480A1 (en) | Water sourced heating-cooling machine with refrigerant cooling unit that cools with an external cooling source and heating-cooling method | |
| GR20160100578A (el) | Αντλια θερμοτητας και παραγωγη εργου με εκροφηση αεριου | |
| JPH1114181A (ja) | 吸収式冷凍装置 | |
| JP2001165522A (ja) | 吸収式ヒートポンプおよびそのヒートポンプ装置 | |
| JPH0345205B2 (ru) | ||
| JPH10306950A (ja) | 吸収式冷凍装置 | |
| JPH04203858A (ja) | 吸収式冷凍機 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190302 |