CN101398238B - 二级双重热化学吸附制冷循环系统 - Google Patents

Abstract

一种二级双重热化学吸附制冷循环系统，属于制冷空调技术领域。本发明中，右中温反应器出口与右高温调节阀进口连接，右高温调节阀出口与高温反应器进口连接，高温反应器出口与左高温调节阀进口连接，左高温调节阀出口与左中温反应器进口连接，左中温反应器出口与左中温调节阀进口连接，左中温调节阀出口与冷凝器进口连接，冷凝器出口与节流阀进口连接，节流阀出口与蒸发器进口连接，蒸发器出口与右中温调节阀进口连接，右中温调节阀出口与右中温反应器进口连接。高温反应器内填充高温反应化学吸附剂，左右中温反应器内填充相同的中温反应化学吸附剂。本发明可提高固体吸附式制冷循环的工作性能，还能解决基本型制冷过程的不连续问题。

Description

二级双重热化学吸附制冷循环系统

技术领域

本发明涉及一种制冷和空调技术领域的系统，具体是一种二级双重热化学吸附制冷循环系统。

背景技术

自从2007年我国颁布了节约能源法以来，节能减排成为各个相关行业的目标，而如何降低和节约空调能耗也成为制冷空调领域的研究焦点；固体吸附式制冷技术作为一种可有效利用太阳能和低品位余热的绿色制冷技术，可以利用大量因得不到合理利用而被排放的低品位余热(如废热、工业余热等)，避免了能源的极大浪费，从而成为国内外制冷空调节能技术领域关注的热点。

目前，固体吸附式制冷循环系统根据吸附制冷作用力的不同可分为物理吸附式和热化学吸附式。前者主要依靠普遍存在于分子间的范德瓦尔斯力来实现吸附制冷，单位质量吸附剂的吸附量较小；后者热化学吸附式制冷循环系统主要是利用化学吸附剂表面分子(原子)与被吸附分子之间发生的化学作用来实现吸附制冷，相对物理吸附，化学吸附的单位质量吸附剂的吸附量较大，近年来得到了国内外研究者的广泛关注。然而，热化学吸附制冷循环中，加热化学吸附剂使其解吸所需的解吸温度往往高于物理吸附剂的解吸温度，特别是将热化学吸附制冷技术应用于冷冻工况时，其余热驱动温度通常要高于150℃，从而使得余热的利用受到了很大程度的限制。

同时，热化学吸附式制冷循环系统根据制冷机理的不同又可分为吸附制冷循环和再吸附制冷循环。前者利用制冷剂的蒸发相变潜热来实现制冷，而在吸附制冷循环中，因加热吸附剂使其解吸所需的解吸热远大于制冷剂的蒸发相变潜热，从而导致系统的工作性能较低；后者采用两种不同的化学吸附剂，利用低温反应器中的吸附剂在解吸过程中吸收解吸热来实现制冷，由于解吸热通常约为制冷剂蒸发潜热的两倍，因此再吸附制冷循环相对吸附制冷循环可有效提高系统的工作性能。无论是吸附制冷循环还是再吸附制冷循环，其不足之处是基本型循环的制冷过程均是间歇的，且都是一次高温解吸热输入，一次制冷量(蒸发相变潜热制冷或解吸热制冷)输出。因此，这种热量输入和制冷量输出的方式也在一定程度上限制了吸附、再吸附制冷循环中系统工作性能的提高。

经对现有技术的文献检索，以中国申请号为CN200410084550.2的“余热驱动双热管化学吸附的渔船用制冰机”专利为例，其固体化学吸附式制冷循环系统的解吸过程采用的是直接对吸附剂加热，当吸附剂温度到达解吸温度后，解吸出来的制冷剂氨随即进入冷凝器冷却，在此过程中系统平衡压力很高，需要的约束压力也很高，而此压力下许多化学吸附剂的解吸温度非常高，因此对热源的温度要求也相应提高；中国专利申请号为CN200410025398.0的“基于分离热管的高效可靠的吸附制冷机”专利，即是通过采用热管强化换热技术来提高制冷系统的工作性能，但目前尚没有涉及可降低解吸温度并提高工作性能的二级双重热化学吸附式制冷循环系统的开发。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于吸附-再吸附技术以及变压解吸技术的回热型二级双重热化学吸附制冷循环系统，使其解决了传统热化学吸附制冷循环中吸附剂解吸温度较高，限制了余热利用温度范围以及这一问题；同时本发明系统中，每输入一次高温解吸热就可以得到两次制冷量的输出，相对基本型吸附制冷循环和再吸附制冷循环，本发明不仅可提高固体吸附式制冷循环的工作性能，还能解决基本型制冷过程的不连续问题。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：两个中温反应器、中温反应器加热及冷却盘管、右高温调节阀、高温反应器、高温反应器加热及冷却盘管、左高温调节阀、左中温调节阀、冷凝器、冷凝器换热盘管、节流阀、蒸发器、蒸发器换热盘管、右中温调节阀、高温反应化学吸附剂、中温反应化学吸附剂。其中高温反应器内填充高温反应化学吸附剂，两个中温反应器内填充相同的中温反应化学吸附剂。

右中温反应器出口与右高温调节阀进口连接，右高温调节阀出口与高温反应器进口连接，高温反应器出口与左高温调节阀进口连接，左高温调节阀出口与左中温反应器进口连接，左中温反应器出口与左中温调节阀进口连接，左中温调节阀出口与冷凝器进口连接，冷凝器出口与节流阀进口连接，节流阀出口与蒸发器进口连接，蒸发器出口与右中温调节阀进口连接，右中温调节阀出口与右中温反应器进口连接。高温反应器内填充高温反应化学吸附剂、并安装加热及冷却盘管，两个中温反应器内填充相同的中温反应化学吸附剂、并安装加热及冷却盘管，冷凝器中安装冷凝器换热盘管，蒸发器中安装蒸发器换热盘管。

在相同的工作压力下，所述高温反应化学吸附剂的工作温度高于中温反应化学吸附剂。

所述系统加热解吸过程为二级解吸过程，由高温反应器内高温反应化学吸附剂向左中温反应器内中温反应化学吸附剂的变压解吸过程和左中温反应器内中温反应化学吸附剂向冷凝器的解吸过程组成。

所述高温反应化学吸附剂在每次循环过程中的解吸热由外界余热提供，所述高温反应器与左中温反应器之间采用内部回热技术，左中温反应器内的中温反应化学吸附剂的解吸热由高温反应化学吸附剂的吸附热提供。

所述系统只需一次外界热量的输入，可以获得两次冷量的输出，即右中温反应器与蒸发器之间的吸附制冷过程以及高温反应器与右中温反应器之间的再吸附制冷过程。

所述系统中，制冷剂的流动均是单向的，制冷剂依次经过右中温反应器、高温反应器、左中温反应器、冷凝器、蒸发器、再回到右中温反应器，形成一个环状的流动循环回路。

本发明的工作过程主要包括四个阶段：

第一阶段：高温反应器内高温反应化学吸附剂的加热解吸过程以及左中温反应器内中温反应化学吸附剂的冷却吸附过程，利用变压解吸技术降低高温反应化学吸附剂的解吸温度。

第二阶段：左中温反应器内中温反应化学吸附剂向冷凝器的加热解吸过程以及制冷剂的冷凝和节流过程。此过程中，高温反应器内高温反应化学吸附剂与左中温反应器内中温反应化学吸附剂之间采用内部回热技术，即中温反应化学吸附剂消耗的解吸热由高温反应化学吸附剂释放的吸附热提供。

第三阶段：右中温反应器内中温反应化学吸附剂的冷却吸附过程，利用化学吸附剂与制冷剂发生化学反应来使得蒸发器中低温低压的液态制冷剂发生相变从而产生制冷效果，这是本系统的第一次冷量输出。

第四阶段：高温反应器与右中温反应器之间的再吸附制冷过程。在此过程中，由于高温反应器解吸完全后具有较强的吸附性能，而右中温反应器处于吸附饱和状态，利用两种化学吸附剂不同的工作温度范围，对右中温反应器内的中温反应化学吸附剂冷却降温，使其发生低温下的解吸，其需要的解吸热由外界传热流体提供，由此实现了制冷效果，这是本系统的第二次冷量输出。

本发明系统中，首先是将传统吸附制冷循环系统的解吸技术进行了改进，由原来吸附剂向冷凝器直接加热解吸改进为本发明中吸附剂先向左中温反应器解吸、然后左中温反应器再向冷凝器加热解吸的二级解吸过程，其原理是利用不同反应温区化学吸附剂的单变量吸附特性，使得吸附剂在变压过程中完成降温解吸来达到降低驱动余热温度的目的；除此之外，本发明还利用了吸附-再吸附的双重热化学吸附制冷技术，不仅使得系统的工作性能有了很大提高，并且能够实现连续制冷。

本发明具有显著的优点和积极的效果：其一，二级双重热化学吸附制冷循环系统中，由于采用变压解吸技术，相对传统热化学吸附制冷循环系统，在相同的工作压力下，本发明热化学吸附制冷循环系统所需的驱动热源温度较低，从而扩大了余热的利用范围；其二，由于采用内部热量回收过程，整个系统只需外界提供一次热量，就能实现两次冷量的输出，其中高温反应器解吸热由外界热源提供，左中温反应化学吸附剂的解吸热由高温反应化学吸附剂的吸附热提供；其三，二级双重热化学吸附制冷循环系统可以实现连续制冷，当高温反应器向左中温反应器加热解吸时，右中温反应器与蒸发器之间发生制冷剂相变潜热制冷；当高温反应器解吸完毕时，右中温反应器吸附饱和，系统切换为右中温反应器和高温反应器之间的再吸附制冷。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图1中：1是右中温反应器，2是右中温反应器加热及冷却盘管，3是中温反应化学吸附剂，4是右高温调节阀，5是高温反应器，6是高温反应器加热及冷却盘管，7是高温反应化学吸附剂，8是左高温调节阀，9是左中温反应器加热及冷却盘管，10是左中温反应器，11左中温调节阀，12是冷凝器换热盘管，13是冷凝器，14是节流阀，15是蒸发器，16是蒸发器换热盘管，17是右中温调节阀；

图中实线箭头方向表示制冷剂的流动方向，虚线箭头方向表示换热盘管中传热流体的流动方向。

图2为上述系统的吸附制冷循环图；

图2中：P为系统工作压力，T_e为系统制冷温度，T_c为系统冷凝温度，T₁为本发明系统在工作压力P下的所需的解吸驱动热源温度，T₂为传统吸附制冷系统在工作压力P下的所需的解吸驱动热源温度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括右中温反应器1，右中温反应器加热及冷却盘管2，中温反应化学吸附剂3，右高温调节阀4，高温反应器5，高温反应器加热及冷却盘管6，高温反应化学吸附剂7，左高温调节阀8，左中温反应器加热及冷却盘管9，左中温反应器10，左中温调节阀11，冷凝器换热盘管12，冷凝器13，节流阀14，蒸发器15，蒸发器换热盘管16，右中温调节阀17。

右中温反应器1出口与右高温调节阀4进口连接，右高温调节阀4出口与高温反应器5进口连接，高温反应器5出口与左高温调节阀8进口连接，左高温调节阀8出口与左中温反应器10进口连接，左中温反应器10出口与左中温调节阀11进口连接，左中温调节阀11出口与冷凝器13进口连接，冷凝器13出口与节流阀14进口连接，节流阀14出口与蒸发器15进口连接，蒸发器15出口与右中温调节阀17进口连接，右中温调节阀17出口与右中温反应器1进口连接。右中温反应器1内安装加热及冷却盘管2，高温反应器5内安装加热及冷却盘管6，左中温反应器10内安装加热及冷却盘管9，冷凝器13中安装冷凝器换热盘管12，蒸发器15中安装蒸发器换热盘管16。右中温反应器1和左中温反应器10内均填充相同的中温反应化学吸附剂3，高温反应器5内填充高温反应化学吸附剂7。

在相同的工作压力下，所述高温反应化学吸附剂7的工作温度高于中温反应化学吸附剂3。

所述系统加热解吸过程为二级解吸过程，由高温反应器5内高温反应化学吸附剂7向左中温反应器10内中温反应化学吸附剂3的变压解吸过程和左中温反应器10内中温反应化学吸附剂3向冷凝器13的解吸过程组成。

所述系统冷却吸附过程为双重吸附制冷过程，即右中温反应器1与蒸发器15之间的吸附蒸发相变制冷过程以及高温反应器5与右中温反应器1之间的再吸附制冷过程。

本实施例中，制冷剂的流动均是单向的，制冷剂依次经过右中温反应器1、高温反应器5、左中温反应器10、冷凝器13、蒸发器15、再回到右中温反应器1，形成一个环状的流动循环回路。

本实施例工作时，具体实施过程为：

①高温反应器5内高温反应化学吸附剂7的加热解吸过程以及左中温反应器10内中温反应化学吸附剂3的冷却吸附过程。在此过程中，关闭高温反应器5与右中温反应器1之间的右高温调节阀4以及左中温反应器10与冷凝器13之间的左中温调节阀11，利用外界余热通过高温反应器加热盘管6对高温反应器5内的高温反应化学吸附剂7进行加热，使其处于解吸状态；同时通过左中温反应器冷却盘管9对左中温反应器10内的中温反应化学吸附剂3进行冷却，使其处于吸附状态；从高温反应器5内解吸出来的制冷剂蒸汽进入左中温反应器10并与填充其内部的中温反应化学吸附剂3发生化学反应，完成了高温反应器5内高温反应化学吸附剂7的变压解吸过程。

②左中温反应器10内中温反应化学吸附剂3向冷凝器13的加热解吸过程以及制冷剂蒸汽的冷凝和节流过程。此过程中，高温反应器5与左中温反应器10之间采用内部回热技术，左中温反应器10内中温反应化学吸附剂3消耗的解吸热由高温反应化学吸附剂7释放的吸附热提供。在加热解吸过程中，关闭高温反应器5和左中温反应器10之间的左高温调节阀8，采用内部热量回收技术，回收高温反应器5中高温反应化学吸附剂7在再吸附过程中释放的吸附热，并利用该吸附热通过左中温反应器加热盘管9对左中温反应器10内的中温反应化学吸附剂3进行加热；当中温反应化学吸附剂3的温度上升到解吸温度之后，开启左中温反应器10和冷凝器13之间的左中温调节阀11，从左中温反应器10里解吸出来的制冷剂蒸汽进入冷凝器13，与冷凝器换热盘管12内的传热流体交换热量后冷凝成液态，同时经过节流阀14，成为低温低压的液态制冷剂流入蒸发器15。

③右中温反应器1内中温反应化学吸附剂3的冷却吸附过程。在此过程中，关闭右中温反应器1和高温反应器5之间的右中温调节阀4，通过右中温反应器冷却盘管2对右中温反应器1内的中温反应化学吸附剂3进行冷却，当中温反应化学吸附剂3的温度降到吸附温度后，打开右中温反应器1和蒸发器15之间的右中温调节阀17，右中温反应器1中的中温反应化学吸附剂3开始对蒸发器15中的制冷剂进行吸附，蒸发器15内低温低压液态制冷剂在此作用下发生相变并吸收蒸发器换热盘管16中传热流体的热量从而产生制冷效果，实现了本实施例的第一次冷量输出。

④右中温反应器1与高温反应器5之间的冷却再吸附制冷过程。在此过程中，关闭高温反应器5与左中温反应器10之间的左高温调节阀8以及右中温反应器1与蒸发器之间的右中温调节阀17，高温反应器5内的高温反应化学吸附剂7由于解吸完成具有较强的吸附性能，而右中温反应器1内的中温反应化学吸附剂3因吸附完成处于吸附饱和状态。此时，利用高温反应器冷却盘管6对高温反应化学吸附剂7进行冷却，当吸附剂温度下降到吸附温度后，打开高温反应器5和右中温反应器1之间的右高温调节阀4，高温反应器5内的高温反应化学吸附剂7发生高温下的冷却吸附，右中温反应器1内的中温反应化学吸附剂3发生低温下的解吸作用。其中，高温反应器5产生的吸附热由高温反应器冷却盘管内的冷却水带走，右中温反应器1所需的解吸热由右中温反应器冷却盘管中的冷媒水提供，被降温的冷媒水可以用于空调制冷，从而实现了本实施例的第二次冷量输出。

如图2所示，为本实施例系统以及传统热化学吸附制冷系统的吸附制冷循环图比较。其中：A-B-C-D-E-F-C-G-A为本实施例的系统制冷循环图，B-H-E-F-B为传统热化学吸附制冷循环图。对于本实施例系统的吸附制冷循环A-B-C-D-E-F-C-G-A，A-B-C是高温反应器5内高温反应化学吸附剂7向左中温反应器10的加热解吸过程以及左中温反应器10内中温反应化学吸附剂3与制冷剂蒸汽发生合成反应的过程，即变压解吸过程，此时高温反应化学吸附剂7所需的解吸驱动热源温度为T₁，C-D-E是左中温反应器10内中温反应化学吸附剂7向冷凝器13的加热解吸过程，E-F是制冷剂的节流降压过程，F-C是右中温反应器1内的中温反应化学吸附剂3吸附蒸发器15内的制冷剂从而产生吸附制冷的过程，C-G-A是高温反应器5内的高温反应化学吸附剂7吸附右低温反应器1内的制冷剂从而发生再吸附制冷的过程；对于传统热化学吸附制冷循环B-H-E-F-B，B-H-E是反应器的加热解吸过程，T₂为此系统中化学吸附剂的解吸驱动热源温度，E-F是制冷剂的节流降压过程，F-B是反应器内化学吸附剂的吸附制冷过程。图2中可以看出，在相同工作压力P下，本实施例系统的解吸温度T₁远小于传统制冷循环系统的解吸温度T₂，同时本实施例系统一次热量输入就有两次冷量输出，而传统制冷循环系统只有一次制冷量的输出。

Claims (4)

1.一种二级双重热化学吸附制冷循环系统，包括：右中温反应器(1)，右中温反应器加热及冷却盘管(2)，中温反应化学吸附剂(3)，右高温调节阀(4)，高温反应器(5)，高温反应器加热及冷却盘管(6)，高温反应化学吸附剂(7)，左高温调节阀(8)，左中温反应器加热及冷却盘管(9)，左中温反应器(10)，左中温调节阀(11)，冷凝器换热盘管(12)，冷凝器(13)，节流阀(14)，蒸发器(15)，蒸发器换热盘管(16)和右中温调节阀(17)，其特征在于：右中温反应器(1)出口与右高温调节阀(4)进口连接，右高温调节阀(4)出口与高温反应器(5)进口连接，高温反应器(5)出口与左高温调节阀(8)进口连接，左高温调节阀(8)出口与左中温反应器(10)进口连接，左中温反应器(10)出口与左中温调节阀(11)进口连接，左中温调节阀(11)出口与冷凝器(13)进口连接，冷凝器(13)出口与节流阀(14)进口连接，节流阀(14)出口与蒸发器(15)进口连接，蒸发器(15)出口与右中温调节阀(17)进口连接，右中温调节阀(17)出口与右中温反应器(1)进口连接；右中温反应器(1)内安装有右中温反应器加热及冷却盘管(2)，高温反应器(5)内安装有高温反应器加热及冷却盘管(6)，左中温反应器(10)内安装有左中温反应器加热及冷却盘管(9)，冷凝器(13)中安装有冷凝器换热盘管(12)，蒸发器(15)中安装有蒸发器换热盘管(16)，相同的中温反应化学吸附剂(3)填充于右中温反应器(1)和左中温反应器(10)内，高温反应化学吸附剂(7)填充于高温反应器(5)内。

2.根据权利要求1所述的二级双重热化学吸附制冷循环系统，其特征是，所述系统加热解吸过程为二级解吸过程，由高温反应器(5)内高温反应化学吸附剂(7)向左中温反应器(10)内中温反应化学吸附剂(3)的变压解吸过程和左中温反应器(10)内中温反应化学吸附剂(3)向冷凝器(13)的解吸过程组成。

3.根据根据权利要求1所述的二级双重热化学吸附制冷循环，其特征是，所述系统冷却吸附过程为双重吸附制冷过程，即右中温反应器(1)与蒸发器(15)之间的吸附蒸发相变制冷过程以及高温反应器(5)与右中温反应器(1)之间的再吸附制冷过程。

4.根据权利要求1所述的二级双重热化学吸附制冷循环系统，其特征是，所述系统中，制冷剂的流动均是单向的，制冷剂依次经过右中温反应器(1)、高温反应器(5)、左中温反应器(10)、冷凝器(13)、蒸发器(15)、再回到右中温反应器(1)，形成一个环状的流动循环回路。

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