CN109350991B - 一种用于吸收式化学蓄能的溶液主动结晶装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于吸收式化学蓄能的溶液主动结晶装置，本发明使用螺旋管换热器促进浓溶液在设定区域出现结晶，同时实现快速降低浓溶液的温度，促进溶液快速结晶，能有效减少结晶在底部及罐体竖直壁面的生成量。减少溶液循环管路结晶造成的故障，进一步优化了设备整体结构和运行效率。该装置能更好地在低品位能源的开发和利用中应用。

Description

一种用于吸收式化学蓄能的溶液主动结晶装置

技术领域

本发明涉及一种基于吸收式化学蓄能的主动结晶装置，属于制冷、制热及蓄能领域。

背景技术

吸收式蓄能具有蓄能密度高，热损失小的优点，在制冷与空调领域是一种具有发展潜力的应用技术，对工业余热及可再生能源等低品位能源的利用及环境保护都具有重要意义。

以往使用的热能蓄存技术中，显热和潜热蓄能技术被广泛的使用，技术较为成熟。吸收式化学蓄能技术能够使太阳能等可再生能源及工业余热能源在该系统中能够得到较好的应用，该技术研究起步较晚，尚存在一些问题。

当含有工质对(制冷剂、吸收剂)的溶液受热蒸发浓缩后，溶液的浓度增加，可提高吸收式蓄能装置的蓄能密度和蓄能效率。然而，当蓄能结束后，若不需要马上释能，高浓度溶液不可避免地需要存储一段时间，若存储时间较长，溶液受到环境缓慢冷却的影响后将会出现两大风险：1)溶液罐中的热量通过罐壁和罐底部传递出去，降温后的溶液会在温度较低的罐壁和罐底部析出晶体，从而会堆积于溶液罐底部这部分晶体难以在释能阶段完全溶解，后期运行蓄能及释能效率不断下降；2)高浓度溶液会在溶液泵、循环管路上析出晶体，影响溶液循环系统的正常运行。以上描述见图1更为清晰。

为追求高浓度溶液的长周期蓄存且避免结晶引起的堵塞等问题，法国LOCIE实验室在研究吸收式蓄能装置用于太阳能季节性问题时(见论文：N'TsoukpoeKE,LePierrèsN,andLuoL.ExperimentationofaLiBr–H2Oabsorptionprocessforlong-termsolarthermalstorage:Prototypedesignandfirst results.Energy,2013,53(1):179-198.)，提出如图2所示的吸收式蓄能储液罐结构。即改变传统蓄能溶液罐从底部取液的方式，该储液罐采用一个带有溶液取液口的浮球从储液罐上方取液。这种浮球取液方式始终保证能够取出是上清液，避免了沉积到底部的晶体堵塞溶液泵。但是该结构存在两个问题：1)若长时间静置后，溶液泵和喷淋管路上仍然会析出晶体，导致工作无法进行；2)由于溶液罐底部堆积的晶体层很致密，释能过程中无法将晶体全部溶解，经过多次蓄能释能后，参与循环的溶液浓度逐渐降低，逐渐偏离设计运行工况。

发明内容

借鉴以上描述吸收式蓄能所存在的问题，本发明提出了一种用于吸收式化学蓄能的溶液主动结晶装置。

一种用于吸收式化学蓄能的溶液主动结晶装置，包括制冷剂罐，溶液罐，制冷剂罐和溶液罐之间通过制冷剂蒸汽管路相连，且通过开闭阀控制，

制冷剂罐内部，含有制冷剂位于罐体最底部，第一换热器位于中间，制冷剂喷淋装置位于第一换热器上面，制冷剂罐外部含有制冷剂循环泵，制冷剂循环管路，连接制冷剂液体和制冷剂喷淋装置；

溶液罐内部，含有吸收剂及制冷剂组成的工质对溶液，位于罐体底部，第二换热器位于罐体中间，溶液喷淋装置位于第二换热器上部，挡液板在制冷剂蒸汽管路进出口，溶液罐外部含有溶液循环泵，溶液循环回路，连接溶液液体和溶液喷淋装置；

溶液罐内部包含有螺旋管换热器，螺旋管换热器浸入工质对溶液内部，螺旋管换热器表面粗糙，溶液循环回路上缠绕电辅助加热带给溶液加热；冷却水进口连接螺旋管换热器然后进入冷却水出口，螺旋管换热器下部放置过滤网，溶液循环管下部开口低于过滤网。

所述过滤网通过过滤网支架进行支撑。

本发明的溶液罐中过滤网结构放置在溶液罐底部，过滤网可防止竖直壁面结构物脱落到溶液罐底部，减少罐底部结晶量，以免影响释能效果和循环泵的运行效率，防止堵塞循环管路。

本发明的溶液罐循环管路上使用的辅助电加热装置，为防止循环管路上析出晶体而堵塞管路，溶液循环回路周围缠绕着保温棉和辅助电加热丝，当低于50℃电加热丝启动，当高于60℃电加热丝停止工作。辅助电加热亦可加快结晶溶解。

本发明的溶液罐、溶液循环回路外表面都使用柔性橡塑发泡绝热材料进行保温。

本发明的溶液罐中螺旋管换热器，在设定温度下溶液浓度达到最大的条件下，溶液缓慢降温时，结晶容易发生在溶液罐底部及壁面，为了使该浓溶液快速形成结晶在设定区域，使用螺旋管换热器，内部通入冷却水将浓溶液快速冷却。同时螺旋管换热器表面作为结晶过程的结晶核。在通入冷却水后，溶液的浓度下降，结晶增加，使用冷却水冷却溶液促进结晶过程所造成的能量损失相对于能溶液及结晶所蓄能量较小。

本发明的溶液罐中所使用的溶液吸收剂和制冷剂工质对可以为LiBr/H2O、H2O/NH3、LiCl/H2O、LiNO3/H2O、NaBr/H2O、CaCl2/H2O、MgBr2/H2O等，或者其中一种或几种物质的混合物。且需要在溶液加入延缓设备腐蚀和提高溶解度的添加剂。

本发明技术可应用于太阳能、地热能等可再生能源，工业余热回收及能源联共系统。特别适应于电力富裕地区及间歇性蓄能场所。

本发明使用螺旋管换热器促进浓溶液在设定区域出现结晶，同时实现快速降低浓溶液的温度，促进溶液快速结晶，能有效减少结晶在底部及罐体竖直壁面的生成量。减少溶液循环回路结晶造成的故障，进一步优化了设备整体结构和运行效率。该装置能更好地在低品位能源的开发和利用中应用。

附图说明

图1为传统的吸收式蓄释能装置示意图。

图2为法国LOCIE实验室对吸收式蓄能装置的溶液罐改进的结构示意图。

图3为本发明提出的主动结晶吸收式蓄能装置溶液罐结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和上述介绍内容，对本发明的技术方案做进一步的详细的描述。

如图1给出了传统的吸收式蓄释能装置示意图。该装置含有：制冷剂罐01，溶液罐02，制冷剂罐01和溶液罐02之间通过制冷剂蒸汽管路20相连，且通过开闭阀21控制。

制冷剂罐01内部，含有制冷剂03位于罐体最底部，第一换热器05位于中间，制冷剂喷淋装置07位于第一换热器05上面，第一换热器进口13和第一换热器出口14，可作为冷却水/冷冻水进出口。外部含有制冷剂循环泵09，制冷剂循环管路11，连接制冷剂03液体和制冷剂喷淋装置07。

溶液罐02内部，含有吸收剂及制冷剂组成的工质对溶液04，位于罐体底部，第二换热器06位于罐体中间，溶液喷淋装置08位于第二换热器上部，挡液板19在制冷剂蒸汽管路20进出口附近。外部含有溶液循环泵10，溶液循环回路12，连接溶液04液体和溶液喷淋装置08。

挡液板19在制冷剂蒸汽管路20进出口附近。开闭阀21用于控制气体的流动。

该装置能实现间歇性蓄能和释能过程。

蓄能过程伴随溶液罐02中的工质对溶液04的制冷剂蒸发和及在制冷剂罐01中的冷却成液体制冷剂03，溶液罐02中溶液04或者其晶体能量储存过程。溶液04通过溶液循环泵10及溶液循环回路12进入溶液喷淋装置08。太阳能，地热能等可再生能源、工业余热回收的低品位热能换热后的流体通过热源进口15经过第二换热器06(相当于发生器)，加热由溶液喷淋装置08喷淋下来的稀的工质对溶液04，热源换热流体通过热源出口16流出发生器。加热蒸发的制冷剂，通过制冷剂蒸汽管路20(开闭阀21)，使蒸汽进入制冷剂罐01中。溶液中制冷剂不断蒸发，吸收剂的浓度不断增加，最终达到设定温度及压力条件的溶液浓度极限值。进入制冷剂罐01中的制冷剂蒸汽通过第一换热器05(相当于冷凝器)冷却变成制冷剂液体沉降到罐体底部。第一换热器05中走的是冷却水，第一换热器进口13为冷却水进口，第一换热器出口14为冷却水出口。由于溶液罐02中的吸收剂工质浓度增加，当溶液浓度达到最大时，继续加热就会出现结晶。溶液的浓度的增加及吸收剂晶体的形成使外部的热量保存在溶液中。另外，螺旋管换热器22亦可作为溶液04的内部加热发生器，只需将热源流体通入冷却水进口17，能够加快溶液蓄能过程。

释能过程伴随制冷剂罐01中的液体制冷剂03的减少，溶液罐02中溶液04吸收制冷剂，溶液浓度变稀，工质中所含能量释放的过程。制冷剂罐01和溶液罐02都处于真空状态。打开开闭阀21，使制冷剂蒸汽能够通过制冷剂蒸汽管路20从制冷剂罐01到溶液罐02。溶液04通过溶液循环泵10及溶液循环回路12进入溶液喷淋装置08，吸收从制冷剂罐01过来的制冷剂蒸汽，吸收过程伴随热量的释放，通过第二换热器06进行冷却，可以制取生活或采暖热水。被加热的水从热源进口15进入，从热源出口16出来。溶液罐02中的溶液04浓度不断减少。在制冷剂罐01中，制冷剂液体03通过制冷剂循环泵09及制冷剂循环管路11进入制冷剂喷淋装置07，制冷剂液体喷淋到第一换热器05上，制冷剂03液体吸收热量蒸发，变成制冷剂气体，第一换热器05循环管路内部流体热量释放变成冷水，此过程可制取冷冻水。此时第一换热器05相当于蒸发器。第一换热器05内部流体从第一换热器进口13流入，从第一换热器出口14流出。制冷剂罐01中的制冷剂液体03不断减少，溶液罐02中溶液04不断增加，浓度不断减少，浓溶液变成稀溶液能量释放。

如图2为法国LOCIE实验室对吸收式蓄能装置的溶液罐进行改进的结构示意图。为了避免结晶冷却后长期贮存在底部堵塞溶液循环回路、影响系统效率，在图1溶液罐02的结构基础上，增加了浮球吸液装置。浮球27浮于溶液04液面上，吸液管管口位于溶液的上部吸收溶液清液部分，再通过下面的内部循环管路29通入溶液循环泵10，经过外部溶液循环回路12打入溶液喷淋装置08中。这种方式能够减少能溶液或结晶晶粒25进入循环管路，减少晶体在管路及循环泵上形成堆积，增加循环泵的运行寿命。但是，由于这种方法没有避免晶粒趋向溶液罐02底部的趋势，经过较长时间的运行，溶液集结在罐子的底部形成永久晶体层。该种方式未从根本上解决问题。需要将结晶过程设计在设定的区域，并且能够快速的结晶和溶解，减少或避免结晶发生在液体换热及流动死区。

针对以上方法的不足，本专利对溶液罐进行进一步的改进。如图3给出了该主动结晶吸收式蓄能装置的溶液罐结构示意图。螺旋管换热器22浸入工质对溶液04内部。外部含有溶液循环泵10，溶液循环回路12，电辅助加热带24缠绕溶液循环回路12给循环的溶液04加热。

螺旋管换热器22作为主动结晶蓄能的关键部件。冷却水进口17连接螺旋管换热器22然后进入冷却水出口18，热源进口15和热源出口16和第二换热器06相连。当进行蓄能时，第二换热器06中使用热源热水加热，当进行释能时，由于释能过程放热，第二换热器06中使用冷却水进行冷却。螺旋管换热器22进入溶液04中，在其下部放置过滤网23，其通过过滤网支架26进行支撑，防止过滤网23沉降到底部，影响溶液的循环流动和蓄能释能效果。溶液罐与制冷剂蒸汽管路20相连。溶液循环回路12下部开口低于过滤网23，溶液循环回路12外面包裹电辅助加热带24。

本专利所描述的吸收式蓄能装置的主动结晶过程及释能过程的具体的实施方式如下：

实施方式一：主动结晶蓄能过程

在设定的真空压力及加热温度条件下，溶液04浓度会达到极限值，继续加热时，溶液中的吸收剂会在罐体竖直壁面及底部温度较低的区域出现结晶，晶体在换热死区出现堆积，最终影响系统的蓄能和释能效果。因此，需要将吸收剂工质结晶在换热效果好的设定的区域。因此，考虑将螺旋管换热器22浸入溶液04中间，螺旋管换热器22表面粗糙，含有结晶过程的所需要的大量的结晶核。在溶液蓄能过程溶液04的浓度达到极限时(出现晶粒)，可迅速在螺旋管换热器22内部通入冷却水，从冷却水进口17流入，冷却水出口18流出，此过程溶液结晶过程就会在冷的螺旋管换热器22壁面上及其附近区域进行结晶，减少了罐体壁面及罐体底部结晶量。同时在螺旋管换热器22下面使用过滤网23，进一步减少结晶物脱落到罐体底部。使用冷却水冷却所损失的热量相对于结晶过程所蓄的能量是很小的。主动结晶后溶液浓度降低，低品位热能储存为吸收剂工质(浓溶液及结晶)的化学能。同样地，当溶液浓度达到极限值时，溶液04在第二换热器06的发生过程和溶液04在螺旋管换热器22上的主动结晶过程可同时进行，可进一步提高溶液罐中的结晶量。

实施方式二：快速溶晶释能过程

在溶液罐02中的浓溶液和吸收剂结晶物能量释放的过程中，有两种方法可使晶体快速溶解，一是在溶液循环回路12上加入电辅助加热带24，使循环液体被加热，使溶液的温度升高，晶体溶液。二是可在螺旋管换热器22中通入热流体，使晶体快速溶解。此过程需要打开开闭阀21，使制冷剂气体能从制冷剂罐01到溶液罐02中被吸收剂吸收。

实施案例

在一个案例中，溶液罐02的直径和高分别为0.35m和0.37m，最大容量为30L，蓄存质量为41kg、浓度为64.1％的溶液。促晶器(螺旋管换热器22)采用管径为16mm、材料为不锈钢304L的换热器。采用内外两个换热器盘管的形式。外盘圈直径是240mm，内盘是140mm，纵向上各6圈，相邻两圈之间相距30mm。采用不锈钢L304材质的喷淋器，大圆盘喷淋器(上面)和小圆盘喷淋器(下面)分别均匀布置了24个和14个3mm的小孔，用于喷淋溶液。底面过滤网23为50目，侧面过滤网为25目。选用最大扬程32m和最大流量32L/min的溶液泵。

在促晶过程中，采用17℃冷却降温手段促进局部晶体的形成，促晶约1个小时后，螺旋管换热器22周围的溶液温度约为22℃，溶液罐02底部溶液温度约为30℃。结果显示绝大部分晶体附着在螺旋管换热器22上，并呈现疏松的针片状。溶液质量为24.5kg，溶液浓度为61.0％。形成晶体的质量为13.3kg，结晶率约为32.4％。

以上所述为基于化学溶液主动结晶的吸收式蓄能装置的一种具体实施方式，最后要说明的是：以上实施方式及蓄能设备是其中部分合理的方式，本发明的保护范围并不以上述蓄能设备及实施方式为限，所述技术内容相关领域技术人员应该能理解技术思想，凡是根据本发明所揭示的主动结晶技术所做的等效修饰和修改替换，都没有脱离本发明技术内涵，且应该纳入到专利的保护范围内。

Claims (4)

1.一种用于吸收式化学蓄能的溶液主动结晶装置，包括制冷剂罐(01)，溶液罐(02)，制冷剂罐(01)和溶液罐(02)之间通过制冷剂蒸汽管路(20)相连，且通过开闭阀(21)控制，

制冷剂罐(01)内部，含有制冷剂(03)位于罐体最底部，第一换热器(05)位于中间，制冷剂喷淋装置(07)位于第一换热器(05)上面，制冷剂罐(01)外部含有制冷剂循环泵(09)，制冷剂循环管路(11)，连接制冷剂(03)液体和制冷剂喷淋装置(07)；

溶液罐(02)内部，含有吸收剂及制冷剂组成的工质对溶液(04)，位于罐体底部，第二换热器(06)位于罐体中间，溶液喷淋装置(08)位于第二换热器上部，挡液板(19)在制冷剂蒸汽管路(20)进出口，溶液罐(02)外部含有溶液循环泵(10)，溶液循环回路(12)，连接溶液(04)液体和溶液喷淋装置(08)；

其特征在于，溶液罐(02)内部包含有螺旋管换热器(22)，螺旋管换热器(22)浸入工质对溶液(04)内部，螺旋管换热器(22)表面粗糙，溶液循环回路(12)上缠绕电辅助加热带(24)给溶液(04)加热；冷却水进口(17)连接螺旋管换热器(22)然后进入冷却水出口(18)，螺旋管换热器(22)下部放置过滤网(23)，溶液循环回路(12)下部开口低于过滤网(23)。

2.根据权利要求1所述的一种用于吸收式化学蓄能的溶液主动结晶装置，其特征在于，所述过滤网(23)通过过滤网支架(26)进行支撑。

3.根据权利要求1所述的一种用于吸收式化学蓄能的溶液主动结晶装置，其特征在于，溶液罐中所使用的溶液吸收剂和制冷剂工质对为LiBr/H2O、H2O/NH3、LiCl/H2O、LiNO3/H2O、NaBr/H2O、CaCl2/H2O、MgBr2/H2O其中一种或几种物质的混合物。

4.根据权利要求1所述的一种用于吸收式化学蓄能的溶液主动结晶装置，其特征在于，溶液罐、溶液循环回路外表面都使用柔性橡塑发泡绝热材料进行保温。