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碱土金属卤化物化学吸附式热能制冷系统

阅读：257发布：2020-05-15

专利汇可以提供碱土金属卤化物化学吸附式热能制冷系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种碱土金属卤化物化学吸附式热能制冷系统，包括N个吸附床组件，每个吸附床组件包括吸附床单元管组件、氨气吸附管路和氨气脱附管路、热源进入管路、冷却水进水管路和冷却水回水管路；所述吸附床单元管组件包括M个吸附单元管，每个吸附单元管包括吸附外管、设置在吸附外管内的多个托盘、设置在多个托盘中部的滤网，每个托盘内设置有吸附剂，所述吸附外管的顶端连接气总管；所述氨气脱附管路和氨气吸附管路之间依次连接有冷凝器、液氨储罐、节流阀和蒸发器。本发明通过吸附和脱附化学吸附床配合应用，达到不间断地加热或冷却，在同等热源条件下，提高制冷量和制冷深度。，下面是碱土金属卤化物化学吸附式热能制冷系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种碱土金属卤化物化学吸附式热能制冷系统，其特征在于：包括并联连接的N个吸附床组件，每个吸附床组件包括吸附床单元管组件(1)、氨气吸附管路(20)和氨气脱附管路(13)、热源进入管路(15)、冷却水进水管路(14)和冷却水回水管路(21)；
所述吸附床单元管组件(1)包括M个吸附单元管，每个吸附单元管包括吸附外管(1.1)、设置在吸附外管(1.1)内的多个托盘(1.2)、设置在多个托盘(1.2)中部的滤网(1.3)，每个托盘(1.2)内设置有吸附剂(1.4)，所述吸附外管(1.1)的顶端连接气总管(6)；
所述气总管(6)通过三通分别与氨气吸附管路(20)和氨气脱附管路(13)连通，所述吸附床单元管组件的顶端与所述冷却水进水管路(14)连通，所述吸附床单元管组件的底端与所述冷却水回水管路(21)连通，所述吸附床单元管组件的顶端连接有热源出口(23)；
所述氨气脱附管路(13)和氨气吸附管路(20)之间依次连接有冷凝器(8)、液氨储罐(9)、节流阀(10)和蒸发器(11)；
所述氨气吸附管路(20)上设置有单向回气控制阀组(17)，所述氨气脱附管路(13)上设置有单向出气控制阀组(16)，所述冷却水进水管路(14)上设置有冷却水进水控制阀组(18)，所述热源进入管路(15)上设置有热源输入控制阀组(19)，所述单向出气控制阀组(16)包括氨气脱附管路(13)与每个吸附床单元管组件(1)之间连接的支路上设置的阀a1-n1，所述单向回气控制阀组(17)包括氨气吸附管路(20)与每个吸附床单元管组件(1)之间连接的支路上设置的阀a2-n2，所述冷却水进水控制阀组(18)包括冷却水进水管路(14)与每个吸附床单元管组件(1)之间连接的支路上设置的阀a3-n3，所述热源输入控制阀组(19)包括热源进入管路(15)与每个吸附床单元管组件(1)之间连接的支路上设置的阀a4-n4；所述单向回气控制阀组(17)、单向出气控制阀组(16)、冷却水进水控制阀组(18)、热源输入控制阀组(19)均与电控箱(12)连接；所述N为整数，3≤N≤8，所述M为大于2的整数。
2.根据权利要求1所述的碱土金属卤化物化学吸附式热能制冷系统，其特征在于：所述多个托盘(1.2)层叠设置。
3.根据权利要求1或2所述的碱土金属卤化物化学吸附式热能制冷系统，其特征在于：
所述吸附剂(1.4)为一种碱土金属卤化物或一种以上碱土金属卤化物的混合物。
4.根据权利要求3所述的碱土金属卤化物化学吸附式热能制冷系统，其特征在于：所述滤网(1.3)为钢丝网制成。
5.根据权利要求1所述的碱土金属卤化物化学吸附式热能制冷系统，其特征在于：所述热源进入管路(15)通入热源温度在300℃以上的内燃机尾气。
6.根据权利要求1所述的碱土金属卤化物化学吸附式热能制冷系统，其特征在于：所述热源进入管路(15)通入压力在0.2Mpa以上或温度在110℃以上的饱和蒸汽。
7.根据权利要求3所述的碱土金属卤化物化学吸附式热能制冷系统，其特征在于：所述吸附外管(1.1)为不锈钢无缝钢管。
8.根据权利要求2所述的碱土金属卤化物化学吸附式热能制冷系统，其特征在于：所述托盘(1.2)横截面呈圆环状，多个托盘(1.2)同心布置。
9.根据权利要求2或8所述的碱土金属卤化物化学吸附式热能制冷系统，其特征在于：
所述托盘(1.2)为铝板制成。

说明书全文

碱土金属卤化物化学吸附式热能制冷系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种化学吸附式热能制冷系统，具体涉及碱土金属卤化物化学吸附式热能制冷系统。

背景技术

[0002] 热能制冷技术分为吸收式制冷和吸附式制冷两大类。由于目前吸收式制冷产品主要以溴化锂的水溶液作制冷剂，且工艺复杂，只能应用于空调工况(7℃以上)制冷场所，而且无法小型化(功率至少40kw)，同时，这类产品所需求的能源也是较高的品质，如工业饱和蒸汽、天燃气或煤气，虽有溴气锂热水机组，但驱动该机组的热水需较大的扬程和流量进行热交换，其泵功所耗电能已与同类压缩机系统耗电量接近同一数量级。

[0003] 在吸附制冷技术中，又分为物理式吸附式制冷和化学吸附式制冷。由于物理式吸附制冷技术存在需对吸附材料定期清洗，吸附材料易老化、失效等诸多运营和工艺上的缺陷，很少有商业化的产品应用。而化学吸附式制冷技术的优点在于：可利用内燃机烟气及低压废蒸汽等低品位热源，化学吸附剂吸附量大，可深度制冷。但是，当前化学吸附式制冷仍然存在一些问题，也导致化学吸附式制冷产品也没有开始商业化应用：一是当前学术界对化学吸附式制冷的研究，大多以单组吸附床为主，构成单向化学吸附热能制冷系统，或双向切换间歇式的化学吸附热能制冷系统，化学吸附充分反应时间无穷长的，这种特性无法在产品中得到应用，而一些前沿研究者从事的双吸附床研究，将一组吸附床处于冷却状况，吸附制冷剂，同时，另一组吸附床加热，脱附制冷剂，两组吸附床加上制冷系统核心配套组成制冷循环回路，由于化学吸附剂对制冷剂吸附的效率与脱附的效率不相同，产生两组吸附床工作不平衡状况，影响制冷效果，加上在两组吸附床切换的过程中，有段时间是停止加热或冷却，两组吸附床同时都未处于吸附和脱附状态，由于没有吸附就不能制冷，这一过程形成制冷空挡的间歇，只能达到非连续制冷的较差效果，现有的这种单向的、间歇的制冷工况没有实用价值。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种碱土金属卤化物化学吸附式热能制冷系统，包括并联连接的N个吸附床组件，每个吸附床组件包括吸附床单元管组件、氨气吸附管路和氨气脱附管路、热源进入管路、冷却水进水管路和冷却水回水管路；所述吸附床单元管组件包括M个吸附单元管，每个吸附单元管包括吸附外管、设置在吸附外管内的多个托盘、设置在多个托盘中部的滤网，每个托盘内设置有吸附剂，所述吸附外管的顶端连接气总管；所述气总管通过三通分别与氨气吸附管路和氨气脱附管路连通，所述吸附床单元管组件的顶端与所述冷却水进水管路连通，所述吸附床单元管组件的底端与所述冷却水回水管路连通，所述吸附床单元管组件的顶端连接有热源出口；

[0005] 所述氨气脱附管路和氨气吸附管路之间依次连接有冷凝器、液氨储罐、节流阀和蒸发器；所述氨气吸附管路上设置有单向回气控制阀组，所述氨气脱附管路上设置有单向出气控制阀组，所述冷却水进水管路上设置有冷却水进水控制阀组，所述热源进入管路上设置有热源输入控制阀组，所述单向出气控制阀组包括氨气脱附管路与每个吸附床单元管组件之间连接的支路上设置的阀a1-n1，所述单向回气控制阀组包括氨气吸附管路与每个吸附床单元管组件之间连接的支路上设置的阀a2-n2，所述冷却水进水控制阀组包括冷却水进水管路与每个吸附床单元管组件之间连接的支路上设置的阀a3-n3，所述热源输入控制阀组包括热源进入管路与每个吸附床单元管组件之间连接的支路上设置的阀a4-n4；所述单向回气控制阀组、单向出气控制阀组、冷却水进水控制阀组、热源输入控制阀组均与电控箱连接，所述N为整数，3≤N≤8，所述M为大于2的整数。

[0006] 上述技术方案中的多个托盘层叠设置。

[0007] 上述技术方案中的吸附剂为一种碱土金属卤化物或一种以上碱土金属卤化物的混合物。

[0008] 上述技术方案中的滤网为钢丝网制成。

[0009] 上述技术方案中的热源进入管路通入热源温度在300℃以上的内燃机尾气。

[0010] 上述技术方案中的热源进入管路通入压力在0.2Mpa以上或温度在110℃以上的饱和蒸汽。

[0011] 上述技术方案中的吸附外管为不锈钢无缝钢管。

[0012] 上述技术方案中的托盘横截面呈圆环状，多个托盘同心布置。

[0013] 上述技术方案中的托盘为铝板制成。

[0014] 本发明在低品位热源条件下，以制冷配套和终端产品持续运行为条件，为获得实际吸附和脱附切换时间的最佳效率，设计了N个吸附床组件，通过在N个吸附床组件，分配各个吸附床组件处于吸附和脱附相配合的工作状态，提高了在同等热源条件下制冷量和制冷深度，提高了吸附制冷能力，促进吸附制冷技术由科研成果向产业化发展迈出了新的步伐。

[0015] 本发明的化学吸附床单元管中，设置有多层托盘，这种多层式的托盘结构可将外界进入的热能充分而均匀地传导给托盘内的化学吸附剂，同时在环形托盘的中间设置钢丝滤网，钢丝网之间的间隙以及多层托盘之间的间隙，可确保制冷剂进出化学吸附剂的通路通畅。

[0016] 本发明将氨气吸附管路和氨气脱附管路、热源进入管路、冷却水进水管路和冷却水回水管路集合到化学吸附床单元内，并通过电控箱进行单独控制，相互间互不干扰，控制精确度高。

[0017] 本发明打破传统的单组吸附床，或双组吸附床切换间歇式的化学吸附热能制冷结构，通过设置三组以上化学吸附床，并根据制冷深度的要求设置化学吸附床单元总数，以及在该制冷深度的工况条件下，合理分配参加吸附和脱附的化学吸附床的数量，保证任一时间点上，通过三组或以上吸附和脱附化学吸附床配合应用，能够达到不间断地加热或冷却，在同等热源条件下，提高制冷量和制冷深度，整个系统能够利用低品位热源，如低压蒸汽和发动机尾气等废余热源等，作为驱动能源，达到梯级利用废余热源的节能减排功效。附图说明

[0018] 图1是本发明的系统结构示意图；

[0019] 图2是本发明的系统结构原理图；

[0020] 图3是本发明的吸附单元管结构示意图；

[0021] 图中：1、吸附床组件(1.1、吸附外管；1.2、托盘；1.3、滤网；1.4、吸附剂)；3、吸附床单元管；5、连管；6、气总管；7、吸附床组；8、冷凝器；9、液氨储罐；10、节流阀；11、蒸发器；12、电控箱；13、氨气脱附管路；14、冷却水进水管路；15、热源进入管路；16、单向出气控制阀组；17、单向回气控制阀组；18、冷却水进水控制阀组；19、热源输入控制阀组；20、氨气吸附管路；21、冷却水回水管路；22、热源进口；23、热源出口；24、冷却水进口；25、冷却水出口。

具体实施方式

[0022] 以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

[0023] 碱土金属卤化物化学吸附式热能制冷系统，如图1、图2所示，包括并联连接的N个吸附床组件1，每个吸附床组件1包括吸附床单元管组件、氨气吸附管路20和氨气脱附管路13、热源进入管路15、冷却水进水管路14和冷却水回水管路21；吸附床单元管组件包括M个吸附单元管，每个吸附单元管包括不锈钢无缝钢管制成的吸附外管1.1、设置在吸附外管
1.1内的多个托盘1.2，多个托盘1.2层叠设置，以及设置在多个托盘1.2中部的滤网1.3，如图3所示，滤网1.3为钢丝网制成，每个托盘1.2内设置有吸附剂1.4，吸附剂1.4为一种碱土金属卤化物或一种以上碱土金属卤化物的混合物。吸附外管1.1的顶端连接气总管6；气总管6通过三通分别与氨气吸附管路20和氨气脱附管路13连通，吸附床单元管组件的顶端与冷却水进水管路14连通，所述吸附床单元管组件的底端与所述冷却水回水管路21连通，所述吸附床单元管组件的顶端连接有热源出口23；氨气脱附管路13和氨气吸附管路20之间依次连接有冷凝器8、液氨储罐9、节流阀10和蒸发器11；氨气吸附管路20上设置有单向回气控制阀组17，氨气脱附管路13上设置有单向出气控制阀组16，冷却水进水管路14上设置有冷却水进水控制阀组18，热源进入管路15上设置有热源输入控制阀组19，单向出气控制阀组
16包括氨气脱附管路13与每个吸附床单元管组件1之间连接的支路上设置的阀a1-n1，所述单向回气控制阀组17包括氨气吸附管路20与每个吸附床单元管组件1之间连接的支路上设置的阀a2-n2，冷却水进水控制阀组18包括冷却水进水管路14与每个吸附床单元管组件1之间连接的支路上设置的阀a3-n3，热源输入控制阀组19包括热源进入管路15与每个吸附床单元管组件1之间连接的支路上设置的阀a4-n4；单向回气控制阀组17、单向出气控制阀组
16、冷却水进水控制阀组18、热源输入控制阀组19均与电控箱12连接，N为3-8的整数，M为大于2的整数。

[0024] 热源进入管路15通入热源温度在300℃以上的内燃机尾气，或者在热源进入管路15通入压力在0.2Mpa以上或温度在110℃以上的饱和蒸汽。

[0025] 吸附外管1.1为不锈钢无缝钢管，托盘1.2为铝板制成，托盘1.2横截面呈圆环状，多个托盘1.2同心布置。

[0026] 如图3所示，每组吸附床组系统，是集氨通路、热通路和水通路的三位一体结构，即：在一个相对封闭的主机容器内，由吸附床单元管组成的管组居中，气总管6出口通过一个三通接头分别连接了两个热源输入控制阀组组，其中一个热源输入控制阀组组是单向出气控制阀组16，另一个为单向进气控制阀组17；进水管通过一个冷却水进水控制阀组18，将进水口延伸进主机容器内，在主机容器下方，冷却水流出，汇入冷却水回水管路21；热源沿专门管路通过一个热源输入控制阀组19，进入主机容器内，传热降温后，从热源出口23逸出主机容器。

[0027] 本发明的基本原理是利用碱土金属卤化物与氨的可逆络合反应过程中的放热和吸热完成的。以碱土金属CaCl2为例，可逆络合反应过程如下：

[0028]

[0029] 吸附床单元管3中的吸附剂1.4在常温下，可与制冷剂氨气通过分子间的范德华力，结合成稳定的络合物，并释放出一定的反应热，当稳定的碱土金属卤化物与氨气的络合物受热时，热量从金属容器外部将热量传导给托盘1.2，托盘1.2再将热量传导给化学吸附剂，吸附剂脱附出的高温高压的氨气，穿过滤网1.3和连管5，进入单向的氨气脱附管路13，参与外部制冷循环；而滤网1.3作用是防止氨气带压力逸出时，将吸附剂1.4粉末带出托盘1.2，进入到循环管道中，影响阀类零件正常工作。而外部流回的低温低压氨气，回到吸附床单元管内时，又开始了新一轮的吸附并形成碱土金属卤化物与氨的络合物过程。

[0030] 实施例1

[0031] 如图1所示，吸附床单元管3中的吸附外管1.1为Φ70×2×500mm的IG18Ni9Ti不锈钢无缝钢管主材，托盘1.2用0.4mm的纯铝板制成环状容器，托盘1.2装碱土金属卤化物吸附剂500克，每组吸附床由4支吸附床单元管3组成。

[0032] 如图2，热源为7kw×2电热低压蒸汽发生器，每小时可输出压力为0.3Mpa的饱和蒸汽5kg，冷凝器8为以盘管为蒸发器的乙二醇冰桶，容积为20升。

[0033] 如图3，采用低压蒸汽为热源，所以热源进入管路15安置于吸附床组7的上方，热源出口23放置于吸附床组7的下部。本样机目标是将乙二醇制冷至-15℃，采用三组吸附床单元结构，其中1组吸附床加热脱附、另2组吸附床冷却吸附。

[0034] 如图2，当热源蒸汽沿热源进入管路15，通过热源输入控制阀组19阀组进入A组吸附床组，受编程控制器控制，蒸汽加热吸附床组7的A管组，脱附出高温高压氨气，经过单向出气控制阀组16的16阀进入到氨气脱附管路13，此时氨气脱附管路13上的单向出气控制阀组16的16阀开启，氨气吸附管路20的单向回气控制阀组17的a2阀关闭。

[0035] 从A组吸附床脱附出的氨气，经16阀进入氨气脱附管路13后，再进入冷凝器8中，冷凝为液氨，靠重力作用流入液氨储罐9中，液氨储罐9中的液氨经节流阀10扩散，并在蒸发器(盘管冰桶)中汽化，吸热制冷，成为低温低压的氨气，进入氨气吸附管路20，再经过氨气吸附管路20的单向回气控制阀组17的b2、n2阀，回到B组吸附床B和N组吸附床的管组中，与碱土金属卤化物结合为络合物。

[0036] 如图2，当A组吸附床加热脱附，B组和N组吸附床冷却吸附时，在可编程控制器的控制下，热源输入控制阀组19的三个阀中，a4阀开启，b4阀和n4阀关闭；氨气脱附管路13单向出气控制阀组16中，a1阀开启，b1阀和n1阀关闭；氨气脱附管路13单向回气控制阀组17的三个阀中，a2阀关闭，b2阀和n2阀开启；冷却水进水控制阀组18的三个阀中，a3阀关闭，b3阀和n3阀开启。

[0037] 当设定的A组吸附床脱附周期时间已到，需切换至B组吸附床脱附，而A组和N组吸附床同时吸附时，在可编程控制器的控制下，热源输入控制阀组19中，b4阀开启，a4阀和n4阀关闭；氨气脱附管路13的单向出气控制阀组16中，b1阀开启，16阀和n1阀关闭；氨气吸附管路20中的单向回气控制阀组17中，b2关闭，a2阀和n2阀开启；冷却水进水控制阀组18中，b3关闭，a3阀和n3阀开启。

[0038] 当设定的B组脱附周期时间已到，需切换至N组脱附，而A组和B组同时吸附时，在可编程控制器的控制下，热源输入控制阀组19中，n4开，a4、b4关；氨气脱附管路13的单向出气控制阀组16中，n1开，16、b1关；氨气吸附管路20的单向回气控制阀组17中，n3关，a3、b3开；冷却水进水控制阀组18中，n2关，a2、b2开。

[0039] 在本发明实施例样机中，向三组吸附床的碱土金属卤化物热能吸附式制冷设备输入0.3Mpa饱和蒸汽5kg/小时，实测输出制冷量755瓦，乙二醇最低温度达-19.5℃。

[0040] 本说明书未做详细介绍部分为现有技术。

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