一种含结晶的吸收式化学蓄能装置

摘要

一种含结晶的吸收式化学蓄能装置，包含发生器、吸收器、蒸发器、冷凝器、节流阀、溶液泵、浓溶液储罐、稀溶液储罐、气液热交换器以及制冷剂储罐等。所述浓溶液储罐的内部设有溶液换热管和冷却盘管，所述的溶液换热管外旁通一溶晶管用于溶解晶体。本发明提出的蓄能装置，即将太阳能、工业余热、富足的电量等转化为化学能存储下来，改善源侧与用户侧的空间、时间和数量的不匹配性。这种蓄能技术化弊为利，利用了吸收剂结晶现象进行能量蓄存，提高了蓄能密度；提出了溶晶措施，保证释蓄能正常运行；改进系统循环形式，实现梯级利用热能，提高了热源的利用效率；扩展了装置的功能，使装置能实现蓄能、释能、直接供能和边蓄边释四种模式。

权利要求

1.一种含结晶的吸收式化学蓄能装置，其特征在于：含有发生器（1）、吸收器（2）、蒸发器（3）、冷凝器（4）、节流阀（5）、溶液泵（6）、浓溶液储罐（8）、稀溶液储罐（9）、气液热交换器（13）以及制冷剂储罐（10）；所述浓溶液储罐（8）上设有溶晶管（17）入口，并在其内部设有溶液换热管（18）；所述发生器（1）的浓溶液出口通过管道与浓溶液储罐（8）、吸收器（2）和稀溶液储罐（9）依次相连；发生器（1）的蒸汽出口通过管道与气液热交换器（13）、冷凝器（4）、制冷剂储罐（10）、节流阀（5）、蒸发器（3）和吸收器（2）依次相连；稀溶液储罐（9）出口处的管路上设有溶液泵（6），在溶液泵（6）出口处分别连接浓溶液储罐（8）的溶液换热管（18）和溶晶管（17）；溶液换热管（18）出口连接到气液热交换器（13）的冷端入口，气液热交换器（13）的冷端出口连接到发生器（1）的稀溶液入口；在浓溶液储罐（8）和吸收器（2）之间的管路设置第一阀门（11），在制冷剂储罐（10）和节流阀（5）之间的管路上设置第二阀门（12），在浓溶液储罐（8）的溶液换热管出口与气液热交换器（13）的冷端入口之间的管路上设置第三阀门（14），在浓溶液储罐（8）的溶液换热管（18）和溶晶管（17）上分别设置第四阀门（15）和第五阀门（16）。

2.根据权利要求1所述的一种含结晶的吸收式化学蓄能装置，其特征在于：所述的浓溶液储罐（8）内设有冷却盘管（19）。

3.根据权利要求1所述的一种含结晶的吸收式化学蓄能装置，其特征在于：化学蓄能装置内的制冷剂为水系、醇系或氟系中的一种或几种物质的混合物；化学蓄能装置内的吸收剂为LiBr、LiCl、LiNO3、NaBr、KBr、CaCl2、MgBr2和ZnCl2中的一种或几种物质的混合物。

4.根据权利要求3所述的一种含结晶的吸收式化学蓄能装置，其特征在于：所述的吸收剂包含具有促进结晶、延缓腐蚀或提高溶解度作用的添加剂。

说明书

一种含结晶的吸收式化学蓄能装置

技术领域

[0001] 本发明为一种含结晶的吸收式化学蓄能装置，涉及采用化学蓄能进行系统容量调节和控制的领域，特别涉及太阳能、地热能等可再生能源利用、余热回收、冷热电三联供系统等领域，属于制冷空调设备领域。

背景技术

[0002] 蓄能技术是用于解决能源供给和需求之间在时间、空间和强度上的不匹配矛盾，以提高能源利用率的一种手段，也是一种重要的节能方式。作为未来具有巨大发展潜力的太阳能等可再生能源，由于其具有周期性、随机性、低密度、低品位的供能特点，蓄能技术在其利用过程中将发挥至关重要的作用。在各种热能蓄存技术中，显热和潜热(相变)蓄能技术是最为广泛研究和应用的蓄能技术，其发展也较为成熟，而热化学蓄能技术目前则处于理论探索和实验室研究阶段。作为热化学蓄能技术之一的基于吸收式制冷原理的化学溶液蓄能技术具有蓄能密度高、热损失小、可以利用低品位热能驱动(如太阳能、工业余热、冷热电联供系统排烟余热等)，并采用如溴化锂溶液、氨水等环保型工质对等优点，对提高能源效率和保护环境都具有重要意义。

[0003] 目前国内外研究的化学溶液蓄能技术，主要采用图1所示的原理结构。以溴化锂溶液为工质对为例：充能时，来自稀溶液储罐中的稀溶液进入发生器1，在外部驱动热源的加热下解吸出制冷剂蒸汽，制冷剂蒸汽在冷凝器4中凝结，凝结热可以通过冷却塔排放至周围环境或提供给供热用户，冷凝后的制冷剂以液态形式储存在制冷剂储罐10内，而解吸后的浓溶液则储存在浓溶液储罐8内。在释能阶段，储存在制冷剂罐10的液态制冷剂进入蒸发器气化，其制冷剂蒸汽与来自浓溶液储罐8的浓溶液在吸收器内接触发生吸收反应而放出热量。充能与释能过程的切换通过安装在系统中的控制阀来实现。根据用户侧的用能需求和系统设计形式，在蒸发器侧产生的冷效应可用于供冷，而吸收器放出的热量可用于供热。溶液热交换器7则是用于发生器1出来的热浓溶液和回到发生器2的冷稀溶液之间的换热。不同的专利之间主要是存储罐的个数以及发生器、蒸发器和吸收器的热量来源有所不同。中国专利文献(公开号CN 1560539A和CN 101619908A)提到的化学溶液蓄能技术，分别采用太阳能和压缩机排气作为发生器的热源。

[0004] 上述化学溶液蓄能技术可将电能、太阳能等转化为工作溶液的制冷/制热潜能而存储下来，能对昼夜波动大的电力负荷起到削峰填谷的作用，也可以为间歇的太阳能提供有效利用手段，这种蓄能技术相比于其他显热和潜热蓄能技术提高了蓄能密度，降低了存储空间。然而该技术方案仍存在以下不足：①由于发生器浓溶液出口的浓度较大，经过溶液热交换器进一步冷却降温后，溶液热交换器出口极易发生结晶风险，将会导致吸收式机组不能正常运行；②浓溶液罐只能存储溶液，用于存储晶体后，没有有效的溶晶措施；③蓄能密度仍有较大的提高余地；④该装置循环的内部回热仍有较大的可利用空间；⑤装置只能实现释能和蓄能两种运行模式。

[0005] 为了解决上述问题，本发明提出一种含结晶的吸收式化学蓄能装置，蓄存溶液晶体，以提高蓄能密度；提出了对应的溶晶措施，保证释能和蓄能的正常运行；扩展装置的功能，使装置能够实现蓄能、释能、直接供能和边蓄边释四种模式，以降低功能设备的制造成本；通过梯级利用热能，以提高热源的利用效率。

发明内容

[0006] 针对现有技术存在的问题，本发明提出一种含结晶的吸收式化学蓄能装置，即将太阳能、工业余热、富足的电量等转化为化学能而存储下来，从而改善源侧与用户侧的空间、时间和数量的不匹配性。

[0007] 其具体技术方案为：

[0008] 一种含结晶的吸收式化学蓄能装置，其特征在于：含有发生器、吸收器、蒸发器、冷凝器、节流阀、溶液泵、浓溶液储罐、稀溶液储罐、气液热交换器以及制冷剂储罐；所述浓溶液储罐上设有溶晶管入口，并在其内部设有溶液换热管；所述发生器的浓溶液出口通过管道与浓溶液储罐、吸收器和稀溶液储罐依次相连；发生器的蒸汽出口通过管道与气液热交换器、冷凝器、制冷剂储罐、节流阀、蒸发器和吸收器依次相连；稀溶液罐出口处的管路上设有溶液泵，在溶液泵出口处分别连接浓溶液储罐的溶液换热管和溶晶管；溶液换热管出口连接到气液热交换器的冷端入口，气液热交换器的冷端出口连接到发生器的稀溶液入口；在浓溶液储罐和吸收器之间的管路设置第一阀门，在制冷剂储罐和节流阀之间的管路上设置第二阀门，在浓溶液储罐的溶液换热管出口与气液热交换器的冷端入口之间的管路上设置第三阀门，在浓溶液储罐的溶液换热管和溶晶管上分别设置第四阀门和第五阀门；所述的浓溶液储罐内设有冷却盘管；化学蓄能装置内的制冷剂为水系、醇系或氟系中的一种或几种物质的混合物；化学蓄能装置内的吸收剂为LiBr、LiCl、LiNO3、NaBr、KBr、CaCl2、MgBr2和ZnCl2中的一种或几种物质的混合物；所述的吸收剂包含具有促进结晶、延缓腐蚀或提高溶解度作用的添加剂。

[0009] 本发明通过以上技术方案对现有技术存在的不足进行了有效的改进和完善，此蓄能技术化弊为利，利用了吸收式机组常出现的结晶现象进行能量蓄存，并提出了对应的溶晶措施，保证释能和蓄能的正常运行，通过改变了系统的循环形式，进一步提高了蓄能密度和能源效率。主要表现在以下几个方面：

[0010] 1)取消了现有技术的溶液热交换器7，减少了在溶液热交换器处的结晶风险；

[0011] 2)浓溶液储罐不仅能存储液体，也能存储晶体及其混合物，并能实现晶体和溶液的有效分离，提高了装置的蓄能密度。

[0012] 3)增设了采用稀溶液打回浓溶液储罐的溶晶支路，采用稀溶液溶解晶体，使得晶体能够充分溶解，保证了释能过程的顺利进行。

[0013] 4)增加了采用浓溶液储罐和冷凝器二次加热从吸收器回到发生器的冷稀溶液的过程，通过梯级利用热能，以提高热源的利用效率；

[0014] 5)本蓄能机组扩展了装置的功能，能实现蓄能、释能、边蓄边释和单独供能四种运行模式，降低了功能设备的制造成本。

附图说明

[0015] 图1为现有技术的一种吸收式化学蓄能装置及其结构原理图。

[0016] 图2为本发明的一种含结晶的吸收式化学蓄能装置以及边蓄边释模式的结构原理图。

[0017] 图3为本发明的一种含结晶的吸收式化学蓄能装置的蓄能模式的原理图。

[0018] 图4为本发明的一种含结晶的吸收式化学蓄能装置的释能模式的原理图。

[0019] 图5为本发明的一种含结晶的吸收式化学蓄能装置的单独供能(制冷或者供热)模式的原理图。

[0020] 图中：1-发生器，2-吸收器，3-蒸发器，4-冷凝器，5-节流阀，6-溶液泵，7-溶液热交换器，8-浓溶液储罐，9-稀溶液储罐，10-制冷剂储罐，11-第一阀门，12-第二阀门，13-气液热交换器，14-第三阀门，15-第四阀门，16-第五阀门，17-溶晶管，18-溶液换热管，19-冷却盘管

具体实施方式

[0021] 图2给出了本发明的一种含结晶的吸收式化学蓄能装置的结构原理图，一种含结晶的化学蓄能装置其特征在于：含有发生器1、吸收器2、蒸发器3、冷凝器4、节流阀5、溶液泵6、浓溶液储罐8、稀溶液储罐9、气液热交换器13以及制冷剂储罐10；所述浓溶液储罐8上设有溶晶管17入口，并在其内部设有溶液换热管18；所述发生器1的浓溶液出口通过管道与浓溶液储罐8、吸收器2和稀溶液储罐9依次相连；发生器1的蒸汽出口通过管道与气液热交换器13、冷凝器4、制冷剂储罐10、节流阀5、蒸发器3和吸收器2依次相连；稀溶液罐9出口处的管路上设有溶液泵6，在溶液泵6出口处分别连接浓溶液储罐8的溶液换热管18和溶晶管17；溶液换热管18出口连接到气液热交换器13的冷端入口，气液热交换器13的冷端出口连接到发生器1的稀溶液入口；在浓溶液储罐8和吸收器2之间的管路设置第一阀门11，在制冷剂储罐10和节流阀5之间的管路上设置第二阀门12，在浓溶液储罐8的溶液换热管出口与气液热交换器13的冷端入口之间的管路上设置第三阀门14，在浓溶液储罐8的溶液换热管18和溶晶管17上分别设置第四阀门15和第五阀门16；所述的浓溶液储罐8内设有冷却盘管19；化学蓄能装置内的制冷剂为水系、醇系或氟系中的一种或几种物质的混合物；化学蓄能装置内的吸收剂为LiBr、LiCl、LiNO3、NaBr、KBr、CaCl2、MgBr2和ZnCl2中的一种或几种物质的混合物；所述的吸收剂包含具有促进结晶、延缓腐蚀或提高溶解度作用的添加剂。

[0022] 运行模式1：蓄能模式

[0023] 图3为本发明的一种含结晶的吸收式化学蓄能装置的蓄能模式的原理图。当外界能量较为充裕，而用户又不需要能量供给时运行蓄能模式。此时，关闭第一阀门11、第二阀门12、第五阀门16，开启第三阀门14、第四阀门15，稀溶液储罐9里的稀溶液由溶液泵6加压，经浓溶液储罐8内的溶液换热管14、第三阀门14、气液热交换器13进入发生器1中，由于稀溶液温度较低，在进入发生器1之前依次吸收了浓溶液储罐8和气液热交换器13中的热量，实现了能量回收。发生器1内的稀溶液在外部驱动热源的加热下解吸出制冷剂蒸汽和高温浓溶液，浓溶液将热量释放给稀溶液后存储在浓溶液储罐8内，逸出的制冷剂蒸汽经气液热交换器13将一部分热量释放给稀溶液后进入冷凝器4冷凝，最终以液态形式存储在制冷剂储罐10中。该模式的特点是：装置间歇运行；浓溶液储罐8、稀溶液储罐9里的溶液量逐渐增加，制冷剂储罐10里的制冷剂液体量也在增加；取消了常规的溶液热交换器7，增加了采用浓溶液储罐8和冷凝器13再热从吸收器2回到发生器1的冷稀溶液的过程，提高了机组的蓄能效率。浓溶液储罐8不仅能存储液体，也同时存储盐溶液晶体，提高了装置的蓄能密度。

[0024] 运行模式2：释能模式

[0025] 图4为本发明的一种含结晶的吸收式化学蓄能装置的释能工况的原理图。当用户需要热量或者冷量供给，但发生器1无热源供给时，运行释能模式进行制冷或者制热。此时，关闭第三阀门14和第四阀门15，开启第一阀门11、第二阀门12和第五阀门16，制冷剂储罐10的制冷剂液体经节流阀12节流膨胀后进入蒸发器3气化，最后在吸收器2中被来自浓溶液储罐8的浓溶液吸收，变成稀溶液，此过程产生了大量的吸收热。由于浓溶液储罐8中存有部分晶体或者全部晶体，将稀溶液储罐9里的部分冷稀溶液泵入浓溶液储罐8溶解晶体，产生高浓度的浓溶液进入吸收器2，此过程产生了大量的溶解热。吸收器2和浓溶液储罐8中产生的热量或给用户供热、或采用冷却水带走由需求决定：当机组作为制冷用时，吸收器2和浓溶液储罐8产生的热量由冷却水带走，蒸发器3外接冷冻水制冷；当机组作为供热用时，吸收器2和浓溶液储罐8产生的热量用于供热，蒸发器3连接地源、污水源、空气源等低品位热源吸收其热量。该模式的特点是：装置间歇运行；浓溶液储罐8、稀溶液储罐
9里的溶液量逐渐减少，制冷剂储罐10里的制冷剂液体量也逐渐减少。

[0026] 运行模式3：直接供能模式

[0027] 图5为本发明的一种含结晶的吸收式化学蓄能装置的制冷/供热工况的原理图。当能源供应刚好满足用户需求时，可直接将该装置运行成普通的制冷/热泵机组形式。此时，关闭第五阀门16，开启第一阀门11、第二阀门12、第三阀门14和第四阀门15。发生器1内的稀溶液在外部驱动热源的加热下解吸出制冷剂蒸汽和高温浓溶液，逸出的制冷剂蒸汽经气液热交换器13将一部分热量释放给稀溶液后进入冷凝器4冷凝，此过程产生了大量的冷凝热。冷凝后的制冷剂液体经节流阀12节流膨胀后进入蒸发器气化，最后在吸收器2中被来自浓溶液储罐8的浓溶液吸收，变成稀溶液进入稀溶液储罐9，此过程吸收器内产生了大量的吸收热。稀溶液储罐9里的稀溶液由溶液泵6加压，经浓溶液储罐8内的溶液换热管15、第三阀门14、气液热交换器13进入发生器1中，由于稀溶液温度较低，在进入发生器
1之前依次吸收了浓溶液储罐8和气液热交换器13中的热量，实现了能量回收。该模式的特点是：装置连续运行，浓溶液储罐8、稀溶液储罐9里的溶液量以及制冷剂储罐10里的制冷剂液体量都不变。

[0028] 运行模式4：边蓄边释模式

[0029] 图2为本发明的一种含结晶的吸收式化学蓄能装置的边蓄边释工况的原理图。当能源供应与用户使用存在时间上重叠，但数量上又不完全一致时，采用边蓄边释模式。具体调控方式需要根据能源供应强度和用户需求强度确定。此时，开启所有阀门，发生器1内的稀溶液在外部驱动热源的加热下解吸出制冷剂蒸汽和高温浓溶液，逸出的制冷剂蒸汽经气液热交换器13将一部分热量释放给稀溶液后进入冷凝器4冷凝，此过程产生了大量的冷凝热。冷凝后的制冷剂液体存储到制冷剂储罐10中，部分制冷剂液体经节流阀12节流膨胀后进入蒸发器3气化，最后在吸收器2中被来自浓溶液储罐8的浓溶液吸收，变成稀溶液进入稀溶液储罐9，此过程吸收器内产生了大量的吸收热。稀溶液储罐9里的部分稀溶液由溶液泵6加压，经浓溶液储罐8内的溶液换热管15、第三阀门14、气液热交换器13进入发生器1中，由于稀溶液温度较低，在进入发生器1之前依次吸收了浓溶液储罐8和气液热交换器13中的热量，实现了能量回收。另外，稀溶液储罐9里的还有部分稀溶液进入浓溶液罐8内的溶晶管16，溶解浓溶液罐8内的晶体，产生高浓度的浓溶液进入吸收器2。该模式的特点是：装置连续运行，浓溶液储罐8、稀溶液储罐9里的溶液量以及制冷剂储罐10里的制冷剂液体量的变化由逐时的能源供应强度和用户需求强度决定。

[0030] 以上所述的浓溶液储罐8和稀溶液储罐9，若制作成一体化存储罐，仍属于本发明技术方案的范围。