用于泵热及发电的热驱动的增压装置 |
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| 申请号 | CN201280010335.0 | 申请日 | 2012-02-23 | 公开(公告)号 | CN103403476A | 公开(公告)日 | 2013-11-20 |
| 申请人 | 徐建国; | 发明人 | 徐建国; | ||||
| 摘要 | 描述了用于提高气态工质压 力 的热驱动系统剂与之相关的工艺。此类系统与工艺可用于冬季采暖和夏季制冷并提高效率。它们也可以被用于其他需要一个高效率的热驱动的 压缩机 的领域，如用于发电。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于增加气态工质压力的热驱动系统，所述系统包括工质，所述工质具有在 |
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| 说明书全文 | 用于泵热及发电的热驱动的增压装置[0001] 交叉参考相关申请 [0002] 此申请依据35USC§119（e）享有与2011年2月23日提交的申请号为61/446,010的美国临时专利申请及于2011年6月23日提交的申请号为61/500,594的美国临时专利申请相应的优先权。上述美国临时专利申请整体被纳入本文作为参考。 [0004] 本发明受美国政府的国家科学基金会小公司创新项目颁发的批准号为1113100的基金资助。美国政府在本发明中有一定的权利。 背景技术[0005] 建筑物内的供暖与制冷用能在美国能源消耗总量的20％以上。车辆空调也消耗了部分运输燃料。此外，过程工业中，尤其在是化工和发电工业中，也需要对物料进行加热和冷却。随着能源价格的上升，用太阳热能来驱动加热和冷却系统的愿望变得越来越强烈。在对空调的需求最大，电网负荷达到高峰的炎热的夏日，太阳能正好很丰富。太阳能热水器的应用在许多地方，包括欧洲南部和中国南部，正在飞速发展。在炎热的夏天，太阳能热水器提供的热量往往过剩。在这样的时候将这种过剩的热量用于驱动空调，以满足此时对降温的高需求，是因时制宜的好方案。 [0006] 然而，目前最先进的溴化锂（LiBr）水吸收式的热驱动的热泵（TAHP）系统不能适合于住宅和商业上的供暖和冷却用，因为它使用水作为制冷剂、盐溶液作为吸收剂。水的蒸气压很低，任何生活空间的加热和冷却系统，使用水作为工质（制冷剂）时必须在一个相当高的真空操作，这使得该系统体积庞大。此外，溴化锂是一种盐，它具有腐蚀性，如果操作条件没有得到很好的控制可能发生冻结。这意味着这些TAHP系统需要熟练工人来操作。此外，溴化锂-水吸收系统不适用于当环境温度低于水的冻结温度时的取暖，因为在0℃下水会结冰。因此，溴化锂-水吸收热泵通常被称为“溴化锂冷却机”，即它们被用来仅适用于冷却。溴化锂-水吸收系统通常需要大于88℃的热量，以避免冻结的问题，因此不能用一般的太阳能热水器驱动。 [0007] TAHP的取暖能效比（取暖COP）大于1，而传统的燃气或燃油炉的取暖COP小于1。一个好的单效TAHP的取暖COP在理论上可以大于1.7，而在理论上双效的TAHP，会有一个更高的取暖COP。因此，用一个单效的TAHP系统加热所需要的热能即可减少40％以上。双效的TAHP系统的节能效果会更加显著。由于取暖耗能巨大，用于空间加热的TAHP是极具吸引力的。 [0008] 令人遗憾的是，在多年的研究和开发工作之后，这种前景美好的热效率更高的技术还没有被商业化。其部分原因是因为缺乏一个安全和高效的TAHP技术。目前的溴化锂-水吸收或其衍生的TAHP系统使用纯净水作为工质。它们不能被用于最需要时，即当环境温度接近或低于0℃时的空间加热，因为水在0℃下会结冰。 [0009] 从理论上讲，可以将氨作为工质用于蒸气压缩式热泵和热驱动的热泵。然而，氨的问题之一是，它具高毒性的，因此不是适用于住宅和车辆。为了减轻毒性的问题，二次环路是必要的。这增加了系统的成本。此外，氨在水中的吸收的热量是远远大于氨的汽化潜热。这需要较大的热交换负荷用于在氨水吸收热泵系统中的吸收过程的冷却和蒸馏塔的重沸。 这意味着一个非常大的换热器的成本及在热交换器中的更大的热能降级。这反过来又增加了TAHP的成本、减小了其COP值。即使使用所谓的GAX系统，其采用更有效的吸收过程中所放出的热用于蒸馏分离的方法，氨-水体系的单效取暖COP仍仅在约1.6，或约0.6的冷却COP，显著低于溴化锂吸收系统的约为0.75的COP值。氨还有其他问题，包括其对铜和铝这两个用于制造热交换器的最佳材料的腐蚀性，且需要很干净无油的传热表面等。这些问题极大地限制了氨作为工质的加热和空调用的热驱动的热泵的应用。 [0010] Murphy和Phillips提出了一用CClF2CHClF为工质，并以ETFE（乙基四氢糠基醚，一种高沸点的分子量为130的有机含氧化合物），作为溶剂的热驱式热泵（见Kevin P.Murphy and Benjamin A.Phillips,“DEVELOPMENT OF ARESIDENTIAL GAS-ABSORPTION HEAT PUMP”,submitted for presentation at the18th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference August21-26,1983,Orlando,Florida）。这样的系统没有溴化锂吸收式制冷机和氨水吸收热泵的冻结，腐蚀和毒性方面的一些缺点。基于对他们的开发工作，Murphy和Phillips预计其冷却COP为0.65、加热COP为1.50。然而，这样一个过程还没有被商业化，其中部分原因是由于他们采用了粘度和热容量较高的溶剂并使用了不是最佳的热交换系统。此外，工作流体，CClF2CHClF，具有破坏臭氧的能力，因此是不可取的。 [0011] 因此，在加热和冷却领域有提高效率的需求。这在使用TAHP加热，替换燃料燃烧加热器和电阻加热器从而极大地减少用于加热的能耗方面，以及在使用太阳能热水器的热或来自车辆发动机的冷却水的热来制冷从而大大减少用于冷却的能耗方面的尤其突出。本发明通过提供一种热驱动的气态工质的增压系统，即一个热驱动的增压器，及其在TAHP等方面的应用来满足这样的未满足的需求。这样的系统也可以将低能位的热量用于发电。 发明内容[0012] 在一个总的方面中，本发明涉及一个热驱动的气态工质的增压系统。该系统包括一个具有在1个大气压下泡点小于20℃的工质(working fluid)，及其分子含有至少一个氧原子（O），并含有氮（N），硫（S），磷（P），氟（F）中至少一种原子，在1个大气压下的露点在130℃以上的有机含氧化合物溶剂，以及它们的组合。 [0013] 根据本发明的一个实施例中，热驱动的系统包括： [0014] 在较低的压力下将基本上为气态的工质吸收到溶剂中形成液体溶液的吸收器; [0015] 从吸收器中除去热量的冷却器; [0016] 一个增加液体溶液的压力的增压装置，以获得高压液体溶液;及 [0018] 其中的工质在一个大气压下的泡点在20℃以下；吸收剂由工质及溶剂的组分所组成，而溶剂分子是含有至少一个氧原子（O），并含有氮（N），硫（S），磷（P），氟（F）中至少一种原子，在1个大气压下的露点在130℃以上的有机含氧化合物。 [0019] 在另一个实施方案中，本发明涉及一个热驱动的系统用于增加气态工质的压力，其特征包括： [0020] 在较低的压力下将基本上为气态的工质吸收到溶剂中形成液体溶液的吸收器; [0021] 所述工质选自R134a，二甲醚，R152a，CH3I（R13I1），丙烷，异丙烷，丙烯，异丁烷正丁烷，HFO1234yf，以及它们的组合；吸收剂包括所述工质的组分和选自N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP），二甲亚砜（DMSO），二甲基甲酰胺（DMF），二甲基乙酰胺（DMAc），以及它们的组合组成的溶剂; [0022] 从吸收器中除去热量的冷却器; [0023] 一个使得至少一部分液体溶液的压力增加的液体溶液增压装置; [0024] 一个将高压溶液分离成至少一个高压的基本上气化的工质流和一个高压的液体吸收剂流的发生器； [0026] 将至少一部分基本上冷凝的工质流冷却，取得过冷的工质流，并将另一个物料流加热的热交换器； [0027] 使至少一部分过冷的工质流压力降低，以获得低压工质流的一个减压装置; [0029] 当热驱动系统用于取暖时，其中的其他热源是一个封闭的空间的环境；当热驱动系统用于冷却封闭的空间或工艺流时，则其中的其他热源为封闭的空间或工艺流； [0030] 在热交换器中的其他物料流包括至少一部分所述的至少部分汽化的工质流；它在被加热后成为基本上为气态的低压工质流，其中至少一部分被送到吸收器; [0031] 用于冷却至少一部分高压吸收剂液体流，从而取得过冷液吸收剂液体流的第二个热交换器;及 [0032] 第二个使至少一部分过冷液体吸收剂流的压力降低，取得低压液体吸收剂流的降压装置，其中至少一部分所述低压液体吸收剂流被输送到吸收器。 [0033] 在本发明的另一个总的方面，本发明涉及一种热驱动的增加气态工质的压力的工艺。该工艺包括使用在1个大气压下的其泡点小于20℃的工质，及其分子含有至少一个氧原子（O），并含有氮（N），硫（S），磷（P），氟（F）中至少一种原子或其组合，在1个大气压下的露点在130℃以上的有机含氧化合物的溶剂分子。 [0034] 根据本发明的一个实施例中，热驱动的工艺包括： [0035] 在低压下将基本上为气态的工质吸收到溶剂中形成液体溶液; [0036] 从吸收器去热； [0037] 增加液体溶液的压力以得到高压液体溶液；并 [0038] 将所述高压溶液在发生器中分成至少一个基本上气化的高压工质流和一个高压液体吸收剂流，其中的工质在1个大气压下的泡点小于20℃，吸收剂含有此工质及其分子含有至少一个氧原子（O），并含有氮（N），硫（S），磷（P），氟（F）中至少一种原子或其组合，在1个大气压下的露点在130℃以上的有机含氧化合物的溶剂分子。 [0039] 根据另一实施例，本发明涉及的热驱动的气态工质的增压工艺，其特征包括： [0040] 在吸收器中在低压下将基本上是气体的工质流吸收到液体吸收剂流中得到液体溶液。其中所述工质选自包括R134a，二甲醚，R152a，CH3I（R13I1），丙烷，异丙烷，丙烯，异丁烷，正丁烷，HFO1234yf，以及它们的组合；吸收剂含有工质的组分和选自N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP），二甲基亚砜（DMSO），二甲基甲酰胺（DMF），二甲基乙酰胺（DMAc），以及它们的组合所组成的溶剂; [0041] 从吸收器中除去热; [0042] 用一个增压装置增加至少一部分液体溶液的压力以得到高压液体溶液； [0043] 在发生器内将所述高压溶液分离成至少一个基本上气化的高压工质流和一个高压液体吸收剂流； [0044] 在冷凝器中基本上冷凝至少一部分基本上汽化的高压工质流，得到基本上冷凝的工质流； [0045] 在热交换器中冷却至少一部分基本上冷凝的工质流，得到过冷的工质流，同时加热另一个物料流; [0046] 减少至少一部分工质流的压力，以获得低压的过冷却的工质流; [0047] 在蒸发器中汽化至少一部分低压工质流，以获得至少部分汽化的工质流，同时从另一个热源除去热量，其特征包括： [0048] 当热驱动系统用于取暖时，其中的其他热源是一个封闭的空间的环境；当热驱动系统用于冷却封闭的空间或工艺流时，则其中的其他热源为封闭的空间或工艺流；且[0049] 在换热器中的其他物料流包括至少在蒸发器内部分汽化的工质流，将其加热后得到基本上为气态的低压工质流; [0050] 将所述的基本上至少部分为气态的低压工质流送到吸收器; [0051] 在第二热交换器中冷却至少一部分高压液体吸收剂流得到一个过冷却的液体吸收剂流; [0052] 降低至少一部分过冷吸收剂液体流的压力取得低压吸收剂液体流; [0053] 将至少一部分低压液体吸收剂流送入吸收器。 [0055] 前面的概述，以及下面对本发明的详细描述，当结合附图阅读时，方可更好地理解。为了阐述本发明，附图展示了目前优选的实施例。然而，应该理解，本发明并不限于所示的确切的安排和手段。 [0056] 在附图中： [0057] 图1示出了一个根据本发明的一个实施例的单效系统的一个例子; [0058] 图2示出了根据本发明的一个实施例的双效系统的一个例子; [0059] 图3示出根据本发明的一个实施例的发电系统的一个例子。 具体实施方式[0060] 各种出版物，文章和专利在背景和说明书中被引用或描述。这些参考文献中的每一个均以整体引用使之与后者成为一体。各类文件，行为，材料，设备，文章或类似的已包括在本说明书中的讨论是为本专利提供承前启后的目的而为。这样的讨论并不意味承认任何或所有这些事项构成有关任何发明的披露或权利要求的一部分现有技术。 [0061] 除非另有定义，本文所用的所有科技术语与在本技术领域的普通技术人员所通常理解的与本发明有关的术语具有相同的含义。此外，某些术语在说明书中另有定义。本说明书中引用的所有专利，公开的专利申请和出版物通过整体引用仿佛完全包括在本发明中。必须指出，本文所用的，在所附的权利要求书中，单数形式“一”，“一个”和“该”也包括复数，除非上下文清楚地指出不是这样。 [0062] 释义 [0063] 吸收剂：吸收剂是一种能在吸收器中吸收某些气体形成液体溶液的液体。吸收过程通常需要伴随排热。 [0064] 吸收器：吸收器是一种工艺设备，用于将气体溶解于吸收剂，形成液体溶液。 [0065] 泡点：液体开始蒸发时的温度。对于纯组分，在1个大气压的泡点是它的沸点。 [0066] 能效比（COP）或冷却COP：泵热过程中一份能耗可产生的从低温热源吸热的量。 [0067] 取暖COP：一份用于加热的能耗所产生的取暖用的热量。 [0068] COP和取暖COP是由以下公式关联的：取暖COP=1+COP [0069] 冷却水：在本发明的上下文中是指用于冷却的传热介质。主要包括水，也可以包含其它组分如乙二醇，醇类，及盐等 [0070] 逆流热交换器：换热双方流体朝相反的方向流动的热交换器，其中，所述流体中的被加热和被冷却的流体由热传导性良好的固体材料薄层隔开。 [0071] 脱过热：将一个高于露点的蒸气冷却到或接近其露点温度。 [0073] 发生器：用于将混合物分离成两个（或多个）组成的物料流的工艺设备。在本专利中，发生器的分离的原理是不同组分之间的挥发性的差异。与在本专利中的发生器相同原理的单元工艺设备在其他地方也可以被称为解吸器或蒸馏装置或蒸发单元或蒸发器。它不同于发电机–后者指的是一种将机械能转换为电能的装置。 [0074] 热泵：可以将热量从较低的温度送到较高温度的工艺系统。常规空调机是本发明中的一个热泵的例子，传统的冰箱和用于当室外温度低于被加热的空间时加热的用于空间的传统热泵亦然。 [0075] 泵热：将热量从一个较低的温度打到较高温度。 [0077] 有机含氧化合物：在其分子中含有一个或多个氧原子（O）的有机化合物。 [0078] 多元醇：在其分子中含有多个-OH基的醇。多元醇的例子包括，但不限于，乙二醇，二乙二醇，和丙二醇。 [0079] 溶剂：能溶解液体和/或气体成分的液体。 [0080] 过冷却器：将液体冷却到温度低于其泡点温度的热交换器。 [0081] 过热：将露点或接近其露点温度的蒸气加热到更高的温度。 [0082] 热驱动的热泵（TAHP）：主要由从一个较高的温度的热源到较低的温度热阱的热流驱动的热泵。例如，传统的溴化锂制冷机是一种热驱动的热泵。 [0083] 工质：用于热泵，发电系统，或热驱动的增压器的可改变其相位态的流体。在供热，空调和制冷应用中，工质也被称为制冷剂。在该专利的某些实施例中工质可含有多达5％的溶剂。 [0084] 本发明的实施例采用不破坏或基本上不破坏臭氧层的工质和溶剂，并提高了热驱动的增压装置性能，它可以用于TAHP或电源发电机等。本发明涉及到一个低成本和高效的热驱动的热泵和空调系统，其操作压力比传统的溴化锂冷水机高。它们能够在水的冻结温度以下操作，可用比较低能位的热，如从商业太阳能热水器出来的热水和从车用发动机回来的热冷却水，来驱动。根据本发明的实施例的热驱动的增压装置不使用具腐蚀性的材料，没有在操作过程中发生吸收剂冷冻的潜在问题。 [0085] 在一个总的方面中，本发明涉及一个热驱动的气态工质的增压系统。此热驱动的系统包括： [0086] 在较低的压力下将基本上为气态的工质吸收到溶剂中形成液体溶液的吸收器; [0087] 从吸收器中除去热量的冷却器; [0088] 一个使得至少一部分液体溶液的压力增加的液体溶液增压装置; [0089] 一个将高压溶液分离成至少一个基本上气化的高压工质流和一个高压液体吸收剂流的发生器； [0090] 其中的工质在一个大气压下的泡点在20℃以下；吸收剂由工质及溶剂的组分所组成，而溶剂分子为含有至少一个氧原子（O），并含有氮（N），硫（S），磷（P），氟（F）中至少一种原子，在1个大气压下的露点在130℃以上的有机含氧化合物。 [0091] 根据本发明的另一个实施例中，热驱动的系统还包括： [0092] 一个将在基本上蒸发的高压工质流的至少一部分基本上冷凝的冷凝器; [0093] 将基本上冷凝的工质流的至少一部分冷却，取得过冷的工质流，并将另一个物料流加热的热交换器； [0094] 使至少一部分过冷的工质流压力降低，以获得低压工质流的一个减压装置; [0095] 至少部分地蒸发至少一部分低压工质流，获得至少部分汽化的工质流，同时去除其他热源的热量的蒸发器，其特征包括： [0096] 当热驱动系统用于取暖时，其中的其他热源是一个封闭的空间的环境；当热驱动系统用于冷却封闭的空间或工艺流时，则其中的其他热源为封闭的空间或工艺流。 [0097] 本领域的普通技术人员很容易理解当一个热驱动的系统用于加热一个封闭的空间或工艺流体，它可用于直接加热的密闭空间或工艺流体，或由用于加热密闭空间或工艺流体的一个流体或介质进行间接加热。因此，在蒸发器中的其它热源可以是直接或间接从环境中取得的热。 [0098] 同样，当热驱动系统用于冷却一个封闭的空间或工艺流体时，它可以被直接用于冷却密闭空间或工艺流体，或间接地通过冷却用于冷却封闭的空间或工艺流体的中间流体或冷却介质来进行。因此，在蒸发器中的其它热源可以是直接或间接地来自于密闭空间或工艺流体。 [0099] 密闭空间或工艺流体的例子包括，但不限于，一个房间或一个建筑物或车辆内的空间，或在工厂或装置内的工艺流体。一个封闭的空间或一个工艺流体的环境可以是密闭空间工艺流体外部的空间。 [0100] 在另一个实施例中，热驱动的系统还包括用于冷却至少一部分基本上冷凝的工质流，取得过冷的工质流，而同时加热另一个流体的热交换器。然后将至少一部分过冷工质流送入到降压装置以取得低压工质流。在换热器中加热的其他流体包括至少一部分所述在蒸发器中至少部分汽化的工质流，得到基本上为气态的低压工质流，其中至少一部分被送到吸收器中。 [0101] 在另一个实施例中，热驱动的系统还包括与吸收器相连，用于降低至少一部分从发生器来的高压吸收剂液流的压力以得到低压吸收剂液流的第二降压装置。至少一部分所述低压吸收剂液流用于吸收器。 [0102] 在另一个实施例中，热驱动的系统还包括一个与增压装置、发生器的中间部位、和发生器的底部有流体通道的，用于冷却至少一部分从发生器底部出来的高压吸收剂液流以得到过冷的吸收剂液流，同时加热并部分气化至少一部分从增压装置来的高压液体溶液以得到一高压两相流的第二热交换器。所得的高压两相流然后被送到发生器的中间部位；至少一部分过冷的吸收剂液流被送到第二减压装置以得到低压吸收剂液流。 [0103] 所述发生器的中间部位可能在发生器顶部与底部之间任何一个位置。 [0104] 根据本发明的一个实施例，此热驱动的系统可包括多于一个的发生器。比如说，根据本发明的一个实施例的热驱动的系统可能包括一个高压发生器，一个比高压发生器压力要低的中压发生器，并且高压发生器的顶部与中压发生器之间可有热交流。 [0105] 在另一个实施方案中，本发明涉及包括根据本发明的一个实施例的膨胀机的发电系统，其特征在于，至少一部分来自热驱动系统的发生器的基本上汽化的高压工质流在膨胀机中膨胀并产生机械能，至少一部分由此产生的膨胀机尾气工质为所述低压吸收剂液流在吸收器中所吸收。 [0106] 在本发明的另一个总的方面，本发明涉及一种用于增加气态工质的压力的热驱动的工艺。该工艺包括： [0107] 在低压下将基本上为气态的工质吸收到溶剂中形成液体溶液; [0108] 从吸收器去热； [0109] 增加液体溶液的压力以得到高压液体溶液；并 [0110] 在发生器内将所述高压溶液分离成至少一个基本上气化的高压工质流和一个液体高压吸收剂流； [0111] 其中的工质在1个大气压下的泡点的小于20℃，吸收剂含有此工质及其分子含有至少一个氧原子（O），并含有氮（N），硫（S），磷（P），氟（F）中至少一种原子或其组合，在1个大气压下的露点在130℃以上的有机含氧化合物的溶剂分子。 [0112] 根据本发明的另一个实施例中，热驱动的工艺进一步包括： [0113] 基本上冷凝至少一部分基本上在发生器中汽化的高压工质流，得到基本上冷凝的工质流; [0114] 降低至少一部分基本上冷凝的工质流的压力，以获得低压工质流; [0115] 在蒸发器中汽化至少一部分低压工质流，以获得至少部分汽化的工质流，同时去除其他热源的热量，其中： [0116] 当热驱动系统是用于取暖时，其中的其他热源是一个封闭的空间的环境；当热驱动系统是用于冷却封闭的空间或工艺流时，则其中的其他热源为封闭的空间或工艺流。 [0117] 根据本发明的另一个实施例的热驱动的工艺还包括在一个热交换器中冷却至少一部分基本上冷凝的工质流，取得过冷的工质流，而同时加热另一流体，其特征在于，至少一部分过冷却的工质流被送到减压装置，而所述另一流体包括至少一部分在蒸发器中至少部分气化的工质，其中由至少一部分至少部分气化的工质加热所得的基本上为气态的低压工质被用于吸收器。 [0118] 在本发明的另一个实施例中，热驱动的工艺还包括： [0119] 减少至少一部分来自发生器的高压吸收剂液体流的压力取得低压吸收剂液体流; [0120] 将至少一部分低压吸收剂液体流送到吸收器中。 [0121] 在又一个本发明的实施例的，热驱动的工艺进一步包括： [0122] 在第二热交换器中冷却至少一部分从发生器底部得到的高压吸收剂的液流，取得一个过冷却的吸收剂液体流，同时加热并部分气化至少一部分来自于上述增压装置的高压液体溶液，取得高压两相流; [0123] 将至少一部分高压两相流送入发生器的中间位置;并且 [0124] 将至少一部分过冷却的吸收剂液体流送到第二减压装置以取得低压吸收剂液体流。 [0125] 根据本发明的热驱动的工艺中的一个实施例，在分离步骤中使用一个以上的发生器。例如，一个根据本发明的一个热驱动工艺的实施例可以包括使用一个高压发生器，一个比高压发生器压力低的中压发生器，其特征在于，所述高压力发生器的顶部与中压发生器之间有热交换。 [0126] 在另一个实施例中，热驱动的工艺被用于发电。该工艺进一步包括： [0127] 在膨胀机膨胀至少一部分基本上汽化的高压工质并产生机械能;并且 [0128] 在吸收器中吸收至少一部分从膨胀机排出的低压工质流。 [0129] 在本发明的一个实施例中，所述工质选自R134a（1,1,1,2-四氟乙烷），二甲醚，R152a的（F2HC-CH3），CF3I（R13I1），丙烯，丙烷，环丙烷，异丁烷，正丁烷，HFO1234yf，以及它们的组合。 [0130] 在本发明的另一个实施例中，所述溶剂是选自有机含氧化合物在其分子中含有氮（N），磷（P），氟（F），硫（S）原子中至少一个，以及它们的组合，且在1个大气压其露点为大于130℃，20℃时的粘度低于2.5厘泊。 [0131] 在本发明的一个实施例中，该溶剂选自N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP），二甲亚砜（DMSO），二甲基甲酰胺（DMF），二甲基乙酰胺（DMAc中）及其组合。 [0132] 吸收剂包含工质和溶剂。吸收剂在本申请中也被称为贫工质液。 [0133] 工质在吸收器或吸收步骤中被吸收形成富工质液体溶液。此液体溶液在本申请中也被称为弱溶液。 [0134] 在本发明的一个实施例中，来自上述增压装置的高压液体溶液被分成至少一个主流和一个次流。其中次流构成高压液体溶液的总流量的 （摩尔），并且被输送到发生器的顶部。而主流在热交换器中被加热并部分汽化，得到两相物流，即液体和蒸气，然后被输送到发生器中间位置。 [0135] 在本发明的另一个实施例中，用过冷却器冷却至少一部分从冷凝器产生、基本上冷凝的工质流，并同时加热并进一部气化至少一部分所述的来自蒸发器的至少部分汽化的工质流。后者可能含 （摩尔）液体。 [0136] 图1显示了一个根据本发明的一个单效吸收式热泵实施例的一个例子。在这个过程中，基本上为气态的低压工质流（306）和低压液体吸收剂（314）被送到吸收器（31），得到液体溶液（308）。由此产生的富工质溶液或弱溶液（308）被输送到一台泵（32）以获得高压弱溶液（309），随后又被分为一个主流（310）和次流（312）。弱溶液主流（310），通常为80-99％（摩尔）的弱溶液，在基本上逆流的热交换器（33）中被加热并部分汽，由此产生的高压两相物流（311）被输送到位于所述发生器（34）的中间位置的入口。而高压弱溶液次流（312），通常为 （摩尔），未被加热就被送到所述发生器（34）的一个更高的入口。所述发生器（34）是一个蒸馏塔，产生高压工质蒸气（301）及塔底液体（313），即贫工质组分的吸收剂。 [0137] 塔顶的高压工质蒸汽（301）在冷凝器（35）内被冷凝，释放出热量。将此冷凝液分成两个物料流：回到发生器顶部的回流（315），及在基本上为逆流的换热器或过冷却器（30）内进行过冷却的其余部分（303）。此系统的回流（315）是冷凝器出来的工质流中的非常小的部分，通常小于10％（摩尔）。提供给发生器（34）的底部区域的热量QG是用来提供蒸馏塔的重沸热的。此热交换可以在发生器的内部或外部进行。 [0138] 基本上冷凝的工质（303），由在蒸发器（13）中基本上全部气化的低压工质流（305a）在过冷却器（30）即大致逆流热交换器中冷却。所得到的过冷却的工质（304）在节流阀（12）降压。由此产生了在温度更低的的两相流（305）。这个温度更低的的两相流（305）在蒸发器（13）中加热并基本上被蒸发。外部热量（110）用于蒸发此两相流（305）。这个外部热量在系统被用于加热时可以是从环境中得到；当系统被用于冷却时，可能来自于室内空气或工艺流（110），产生较低温度下的物料流（112）。较低的温度下的物料流（112）的温度低于303的温度。基本完全汽化的工质(305a)在过冷却器（30）中进一步加热并基本上完全气化。然后，由此产生的基本上气化的低压气态工质（306）在吸收器（31）中被吸剂（314）吸收，在高于物料流112的温度的温度下释放热量（Qb）。这种热的去除，可以在吸收器内的一个或多个热交换器中进行。 [0140] 这个工艺中的独特的热交换方案使得效率明显提高。由于在溴化锂制冷机内的压力非常低，溴化锂制冷机不适用采用至少一些根据本发明的实施例的特别的热交换技术方案。 [0141] 为了简化系统，所述发生器（34）的顶部的回流（315）可以被拿掉。此时次流（312）则被输送到回流通常回到的发生器（34）的顶部。在这种情况下，工质（301）会含一些少量的溶剂。为了缓解这状况，从蒸发器（13）出来的工质（305）是允许包含一些液体的，通常在（摩尔）范围内。我们发现当使用基本上逆流的过冷却器（30）用于冷却基本上冷凝的工质（303），及对从冷凝器出来的基本上是蒸气的工质305a的进一步汽化和加热时，基本上所有的工质（305a）中的剩余液体都会在过冷却器（30）中蒸发。从我们的模拟研究中，我们惊奇地发现，这样的简化，不仅不会导致效率下降，相反，冷却COP值增加约1％。因此，我们认为这是一个优选的实施方案. [0142] 本发明的实施例还包括双效或多效的热泵和他们的应用。 [0143] 图2显示出了一个双效系统的一个例子。这一工艺与在图1中展示工艺之间的区别如下： [0144] 从泵（55）出来的高压液体溶液被分成两股。工艺流（409）在节流阀（67）中降压到比泵（55）上游的溶液（408）的压力高的在中等压力。将所得的中压溶液进一步分为主要部分（410）和次要部分（412）。基本上为逆流的中压热交换器（56）中的中压溶液的主要部分（410）被加热并部分汽化，得到的中压二相流（411）被送到中压发生器（57）下进料口。将中压溶液次流（412）直接送入中压发生器（57）的上进料口。中压发生器（57）顶部产生基本上为气体的中压工质流（431）。从底部也产生含工质少的中压吸收剂（413）。然后中压吸收剂（413）在基本上是个逆流换热器的中压过冷却器（56）中冷却。得到的过冷的含工质少的中压液体进一步在节流阀（59）中降压。 [0145] 从泵（55）出来的高压溶液（420）首先在基本上逆流的高压换热器（68）中被加热。从热交换器（68）中取出侧流（422），并送到高压发生器（69）的上部进料口。高压液体溶液的剩余部分在大致逆流的高压换热器（68）中被进一步加热并部分汽化。所得到的高压两相流（421），被送到高压力发生器（69）的下端进料口。高压发生器（69）在底部或较低的部位被热量Qg加热。高压发生器（69）从顶部产生基本上是工质的高压蒸汽流（423），而含工质量少的吸收剂（425）从底部产出。 [0146] 高压塔顶的蒸气流（423）在位于中压塔（57）的底部区域的再沸器/冷凝器（60）中冷凝。由此产生的基本上纯的工质的高压冷凝物被分成两股：被送回到高压发生器（69）顶部的回流（433），剩下的部分可以在中压发生器（57）中的过冷却器（61）中被进一步过冷却。过冷的高压工质然后再在节流阀62降压，产生一股两相流，随后与来自于中压发生器（57）顶部的工质蒸气（431）混合。 [0147] 由中压塔顶部出来的工质蒸气与从阀门（62）过来的两相流混合后的形成的中压工质蒸气（401）被送到冷凝器（68），放出热量。由此产生的工质冷凝液被分为两股：被送回中压发生器（57）顶部的回流（432）与被送到基本上为逆流换热器的中压过冷器（50）进一步过冷的液体工质（403）。 [0148] 从高压发生器（69）产生的吸收剂流（425）在基本上逆流的高压热交换器（68）中被过冷。将所得的过冷吸收剂流（426）首先在节流阀（63）降压。由此所得的低压吸收剂流（427），与在节流阀（59）形成的低压吸收剂流（428）混合，然后送入到吸收器（54）重复使用。 [0149] 此流程的其余部分与图1中的流程无异。 [0150] 同样地，高压和中压发生器的回流（433）和（432）也可以被拿掉，并将次进料流（422）及（412）分别送到高，中压发生器的顶部。在这种情况下，发生器顶部的工质流（431）和（423）将含有一些溶剂，通常在10ppm到5％的范围内。在这种情况下，离开蒸发器（53）的工质流305a最好含有0.1-5％（摩尔）的液体，然后让它在过冷却器（50）基本上完全蒸发。 [0151] 在本文中，本领域技术人员会容易地知道，根据本发明的实施例的系统和工艺可用于加热或冷却一个封闭的空间或工艺物流，如建筑物内部或车辆或工业过程中的工艺流。当这类系统用于冷却时，在蒸发器中除去的是密闭空间或工艺物流的热量，而冷凝器和吸收器的热被排出到环境中。当用于加热系统中，蒸发器从环境中吸收热量，而冷凝器和吸收器为密闭空间或工艺物料流提供热量。也可以把此类系统造成使用同一系统随着季节的变化，比如说通过转换冷凝器和蒸发器的功能，用于冬季取暖和夏季降温。 [0152] 为了降低工质的全球变暖潜能值（GWP），并仍然保持工质的不可燃性，在一个优选的实施方案中，工质可包括一种或多种有机成分，如R134a，CF3I，二甲基甲酰胺，或HFO1234yf的化合物。二甲醚由于其优良的热力学性质，成本低，无毒，低GWP性质，和一个稍高的R134a的沸点比被选做例子。R134a的掺入使得工质不易燃。由于两个组分的沸点非常接近，这种混合物的行为很像共沸混合物。CF3I的GWP值为1。因此，CF3I和二甲醚的混合物中，有一个非常低的全球变暖潜值GWP。另一方面，虽然其消耗臭氧潜能值非常小（小于0.008，有可能小于0.0001），CF3I和二甲醚的混合物，被认为是有一定的臭氧消耗潜能值（ODP）。HFO1234yf的GWP在4左右，比R134a的1430值小得多，但稍微易燃。 [0153] 许多烃类和有机含氧化合物具有所需的性能：具有高于130℃的沸点（或对混合溶剂而言在1个大气压露点温度大于130℃），相对便宜，而且与上述工质相溶，从而可以用来作为溶剂。例如润滑油的基础油，多元醇，如乙二醇，三乙二醇，丙二醇，二丙二醇，四甘醇二甲醚，及甘醇二甲醚或乙二醇和醛或酮之间的缩合反应的产品等等。润滑油的基础油，四甘醇二甲醚（或如使用在Solexol过程相结合的甘醇二甲醚），乙二醇，三乙二醇等普通商品化学品单价较低且毒性也低，因此，被我们优先考虑。 [0154] 我们用了很多的溶剂，包括十六烷，乙二醇，二甘醇，三甘醇，四甘醇二甲醚对该系统进行了模拟计算。结果发现，含有选自N，P，F，和S，其沸点大于130℃的低分子量的有机含氧化合物，如N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP），二甲基亚砜（DMSO原子的系统），二甲基甲酰胺（DMF），二甲基乙酰胺（DMAc）作为溶剂，有较高的COP值和低得多的热交换器UA值，这是因为其较小的分子质量（例如，NMP为99克/摩尔，DMSO为78克/摩尔，二甲基甲酰胺为73克/摩尔,DMAc为87克/摩尔。与之相比四甘醇二甲醚为280克/摩尔），比热（如NMP的比热为0.40，而四甘醇二甲醚的比热为0.49）。它们还应该有较大的传热系数和相对低的粘度（在20℃，NMP：1.65厘泊，DMSO：2.0厘泊，DMF：0.92厘泊，DMAc：2.0厘泊。与之相比，四甘醇二甲醚：5.8厘泊）。 [0155] 例如，NMP的其他的物理，健康和阻燃性能如下图所示： [0156] 沸点：396°F（摄氏202度） [0157] 凝固点：-11°F（摄氏-24度） [0158] 闪点：199°F（93℃） [0159] 自燃：518°F（270℃） [0160] 爆炸极限：下限：0.99％，爆炸上限：3.9％ [0161] 毒性数据：3914毫克/千克口服大鼠LD50 [0162] DMSO的那些如下： [0163] 沸点：372°F（189℃） [0164] 凝固点：66°F（19℃） [0165] 闪点：192°F（89℃） [0166] 自燃：419°F（215℃） [0167] 爆炸极限：下限：2.6％，爆炸上限：42％ [0168] 毒性数据：急性口服毒性（LD50）：7920毫克/千克[小鼠] [0169] 急性经皮毒性（LD50）：40000毫克/千克[大鼠] [0170] DMF的如下： [0171] 沸点：307°F（153℃） [0172] 冰点：-78°F（61℃） [0173] 闪点：136.4°F（58℃） [0174] 自燃：833°F（445℃） [0175] 爆炸极限：下限：2.2％，UEL：15.2％ [0176] 毒性数据：ORL大鼠LD50为2800毫克/千克 [0177] IPR大鼠LD50为1400毫克/千克 [0178] IVN大鼠LD502000毫克/千克 [0179] IPR大鼠LD50为1000毫克/千克 [0180] DMAc的如下： [0181] 沸点：325.4°F（165℃） [0182] 冰点：1.5°F（18.6℃） [0183] 闪点：150.8°F（摄氏66度） [0184] 自燃：914°F（490℃） [0185] 爆炸极限：下限：1.8％，爆炸上限：11.5％ [0186] 毒性数据：急性口服毒性（LD50）：7920毫克/千克[小鼠]。 [0187] 大鼠急性经皮毒性（LD50）：40000毫克/千克。 [0188] 在一个优选的实施例中，在下面的描述中NMP因为它的综合性能优越被选为溶剂。然而，表中的其他成员也可能有更可取的某些属性的值。因此，包括，但并不限于，二甲基亚砜，二甲基甲酰胺，乙酰胺，NMP，的一个或多个这样的组分的组合，可能在某些特定的条件会成为优选的溶剂。 [0189] 虽然在图1和图2所示的发生器的底部的液体通过与进料流在发生器外的基本上逆流热交换器中进行热交换，这些物料流也可以在发生器内部由下降液体冷却。在吸收器中，从吸收塔的底部出来的富工质溶液在增压后可用于通过与吸收器内的物料流热交换吸收一些从吸收器所放出的热。 [0190] 根据本发明的一个实施例的热泵系统是适合于居住空间的冷却或加热，在住宅和车辆的应用，以及在商业应用中。使用这样的系统中用于加热，可以大大地降低燃料消耗，而对于空调应用，它可以使用太阳能热水器或车辆引擎的冷却水，从而可以大大地减少在炎热的夏天当用电需求达到峰值时对空调的电力需求及昂贵的，并且变得更加昂贵的液体燃料燃烧所产生的电力。 [0191] 值得注意的是，根据本发明的实施例的一个热驱动的系统根据这种吸收系统的原则，可以作为一种热驱动的压缩机。这样的热压缩机也可以有其他的用途。例如，在原则上讲，用膨胀机取代冷凝器-蒸发器中可以用于发电。 [0192] 图3显示了这样一个流程。在此流程中，吸收-分离部件与图1中的相同。所不同的是，在这个过程中的蒸汽流（501）直接取出所述发生器（34）的顶部，并在膨胀机（70）膨胀。从膨胀机（70）得到的功可从膨胀机（70）机械地连接到一个发电机（72）发电。然后将由此产生的低压蒸汽（502）送到吸收器（31），以供进一步使用。从发生器出来的的蒸气流（501）可以在被送到膨胀机（70）之前进一步加热。这是在图3中未示出的。 [0193] 此热泵可能有如下组件：冷凝器，过冷器，减压阀，蒸发器，及与之并联的膨胀机及切换阀，以使系统当需要加热时或冷却时可以用来作为一种热驱动的热泵，当不需要加热及冷却时，可以用来作为一个发电系统，甚至同时作为热泵及发电系统使用。 [0194] 下面的实施例提供使本领域技术人员能够实施本发明，用于阐明本发明的。所用例子不应被理解为对本发明的在权利要求中所定义的范围产生限制。 [0195] 示例： [0196] 模拟用NMP作为溶剂和R134a-DME作为混合工质的遵循图1的系统，用于加热和冷却。其结果列于表1。 [0197] 在表1中，下标b表示吸收器冷却器，c为发生器冷凝器，e为蒸发器，g为发生器加热器。注意发生器的热负荷分布在进料塔板及汽提段中的（包括底部）的3块塔板，所以大部分的热量吸收发生在Tg以下的温度下。如果热是以显热的形式提供的，这点很重要。其中CCOP和HCOP的值是热能的COP值：CCOP=蒸发器负荷/重沸器负荷，HCOP=（冷凝器负荷+吸收剂冷却器负荷）/重沸器负荷。 [0198] 表1.吸收器冷却器，冷凝器，蒸发器，以及发生器的重沸器，压力，工质组成，以及CCOP和HCOP值的温度 [0199] [0200] 表2.四个案例的弱吸收剂与强吸收剂的组成 [0201] [0202] [0203] 在模拟中所用的其它条件如下：发生器有6个理论级（精馏段2级，汽提段4级，包括在进料段），吸收器只有一级（即它是一个混合器）。后来的研究表明，当从蒸发器出来的工质允许含有百分之几的液体时，发生器的级数可以减少到3到4而不显着地影响系统的性能。这少量液体在基本上逆流的过冷却器中基本上完全蒸发。泵功（假定泵效率60％，电机效率95％）的值分别是发生器的再沸器的负荷的0.8％，2.1％，1.4％和2.3％。 [0204] 四种情况的强吸收和弱吸收的组合物示于表2。 [0205] 可以看出，当蒸发器温度为40.4°F（4.7℃），冷凝器和吸收冷却器温度约81°F（摄氏27度），发生器重沸器温度为188℃（87℃）时用于加热时HCOP值可以达到1.90，当环境温度较低时，例如当蒸发器的温度为17度（-8℃）时，HCOP变小，而发生器的重沸器的温度提高到226.5°F（108℃）。当本机用于冷却，如果蒸发器的温度为57.7°F（14.3℃），冷凝器和吸收器的冷却器温度在98°F（37℃），如发生器的重沸器为170°F（76.7℃），CCOP为0.83；如果发生器的重沸器是在160°F（71℃），CCOP为0.78。 [0206] 后两种情况表明，这样的制冷机可以用低成本的平板太阳能集热器的热水驱动，此时此系统仍然可以得到比溴化锂吸收式制冷机的典型的0.6-0.75CCOP值大得多的CCOP值，也比用更高温度的热源驱动的氨水吸收式热泵大得多。 [0207] 在本技术领域的熟练技术人员能够理解，上述的实施例可以作出不脱离其广泛的发明构思的变化。因此，本发明并不限于本文的具体实施例，而意在覆盖由所附权利要求所界定的本发明的精神和范围内的变动。 |
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