专利名称：生成热量的方法
生成热量的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于生成热量以供在加热系统且尤其是家用加热系统中被使用的方法。
众所周知的是，许多化学反应是放热的(exothermic),即，这些化学反应产生热量，并且，这样的反应的示例包括酸碱反应。
本发明利用受控的放热反应以产生热量，该热量随后在热交换器中被交换以提供可用的热源(heat source),以用于加热例如家用供水系统中的水等的流体。
因此，在第一方面，本发明提供一种用于产生热流体的供给(asupply of a heated fluid)的方法，该方法包括递送流体穿过热交换器单元，在该热交换器单元中，该流体由热源加热；其特征在于，热源从两个或更多个化学反应物(reactant)的放热反应中得到(derive)热量。
放热反应可发生在热交换器内的反应器(reactor)之内。备选地，反应物可在与热交换器单元相分离的容器中被混合到一起，并且，混合反应物流和/或其反应产物流可净皮递送穿过热交换器以充当热源。
在一个实施例中，本发明提供一种用于产生热流体的供给的方法，该方法包括递送流体穿过热交换器单元，其中，该热交换器单元包括
(a) 热交换器元件，流体可流动穿过该热交换器元件；
(b) 反应腔，该反应腔具有至少一个进口，穿过该至少一个进口，反应物可被引入到反应腔中；以及，至少一个出口，穿过该至少一个出口 ，废反应物(spent reactant)可乂人反应腔中净皮去除；
(c) 第一定量加料(dosing)单元，该第一定量加料单元用于使受控的量的(controlled amount of)第 一反应物穿过进口而被引入到反应腔中；以及
(d)第二定量加料单元，该第二定量加料单元用于使受控的量的
第二反应物穿过进口而被引入到反应腔中；
其中，第 一和第二反应物以放出热量的形式(exothermically)反应，并且，与穿过热交换器元件的流体交换由此所产生的热量，控制进入到反应腔中的第 一和第二反应物的引入以产生所要求的加热等级(level of heating)。
流体可以是气体或液体。
在一个实施例中，流体是气体。
在另一个实施例中，流体是液体，它的一个特殊示例为水。热交换器元件与反应腔处于热接触中。在一个实施例中，热交换
器元件穿过反应腔。例如，热交换器元件可采取穿过反应腔的导管的形式。
应意识到的是，该流体不与反应物相接触。
反应腔具有至少一个进口和至少一个出口 。各个反应物可设有其特有的进口。备选地，可提供预混合腔，在将第一和第二反应物引入到反应腔中之前将其引入到该预混合腔中。但是优选的是，各个反应物有其自己的进口。
提供定量加料单元以用于以受控的方式将第一和第二反应物引入到反应腔中以便产生所要求的加热等级。各个定量加料单元可采取具有孔口的贮存器(例如料斗或储罐)的形式，该孔口可被打开或被关闭以允许反应物朝着反应腔运动。该反应物或各个反应物可借助于重力给料(gravity feed)而被运送至反应腔。备选地或附加地，可使用泵或其他的运送器具(例如，螺旋推运器或螺杆推进器)。
可提供一个或多个传感器，以用于在流体离开热交换器时测量其温度。传感器典型地连接至控制器，该控制器又可连接至定量加料单元和/或进入反应腔的各个进口处的阀。同样可提供传感器以用于监控进入燃烧室的反应物的流动速率(rate of flow)。
6同样可提供一个或多个反应监控传感器，以用于监控反应物之间的反应的程度。反应监控传感器(其可例如为pH传感器)可设置在该出口或各个出口的附近或设置在该出口或各个出口处以确定反应物之间的反应是否已完成。反应监控传感器可被联结至控制器和/或直接地被联结至关闭各个出口的阀或其它闭合器具。响应于来自反应监控传感器或控制器的信号，阀或其它闭合器具可^皮驱动至打开位置，以允许废反应物离开反应腔。
在前述的本发明的方面和实施例中的每一个中，反应物(例如，第
一和第二反应物)优选地分别是酸性物(acid)和碱性物(base)。
优选地选择和/或配制(formulate)酸性物和碱性物以便提供延长的反应时间，/人而引起更加长时间的热量释》丈。
酸性物的特殊示例是具有>0、更典型地〉2、并且优选地〉3的pKa值的、例如具有在3至7范围中的pKa的那些酸性物。当酸性物是多元酸(例如柠檬酸)时，前述限定指的是第 一 电离作用(firstionisation)。
特殊的酸性物是多元酸性物。
一种优选的酸性物是柠檬酸。
碱性物的示例是具有〉0、更典型地>2、并且优选地〉3的pKb值的、例如具有在3至7范围中的pKb的那些i威性物。
特殊的碱性物是碱性的胺，并且尤其是单烷基胺、双烷基胺、以及三烷基胺。可以水溶液或凝胶体的形式提供碱性物、尤其是例如乙胺(沸点16.6。C)等的较易挥发的胺。
一组优选的碱性物包括单烷基胺、双烷基胺、以及三烷基胺，在其中，每个烷基(alkyl group)包括1至4个碳原子，更优选地1至3个碳原子，并且最优选地l或2个碳原子。这样的碱性物包括曱胺、二曱胺、三曱胺、乙胺、二乙胺、以及三乙胺。可4吏用的其它石威性物包括例如氢氧化钠(苛性钠)等的碱金属氢氧化物，以及例如碳酸钠等的碳酸盐。特别优选的碱性物是乙胺，例如以50-70%的水溶液或凝胶体的形式。
酸性物及;咸性物和/或其物理形态(physical form)如此地加以选择，即，使得当其混合时(例如，被引入到反应腔中)，其提供持续的热量释放，而不是温度的快速突然的升高(紧接有温度的类似地快速的
降低)。持续的热量释放可通过使用相对弱的酸性物或碱性物(其相对缓慢地反应)而达到。备选地或附加地，酸性物和/或石威性物可以这样的物理形态而被配制和/或呈现，即，使得两者之间的反应被减速。例如，依赖于酸性物和石威性物的天然的物理状态，酸性物和i咸性物可以经涂覆的微粒(例如，经涂覆的粉末或颗粒)或凝胶体的形式被引入，在其中，覆层或凝胶成分使酸性物和碱性物之间的反应减速。
在一个实施例中，碱性物可呈液体或凝胶体的形式，并且，酸性物可呈固体形式。 一种这样的酸性物和碱性物的组合是呈固体形式的杵檬酸和含水乙胺(aqueous ethylamine)的组合。
在另一个实施例中，石咸性物呈固体形式，并且，酸性物呈液体形式。
酸性物和碱性物之间的反应可在无水或有水的情形下完成。在一个实施例中，无水被添加至反应混合物。
在一个优选的运行模式中(在其中，反应腔形成热交换器的一部分)，经计量的量的(metered amounts of)第一和第二反应物被引入到反应腔中，并且，从热交换器中排出的流体(例如，水)的温度被监控，一旦流体的温度降到预定的数值以下，引入更多的经计量的量的第一和/或第二反应物。
在另一个方面中，本发明提供用于加热流体的热交换器单元，该热交换器单元包括
(a) 热交换器元件，流体可穿过该热交换器元件而流动；
(b) 反应腔，该反应腔具有至少一个进口，穿过该至少一个进口，反应物可被引入到反应腔中；以及，至少一个出口，穿过该至少一个出口，废反应物可从反应腔中被去除；
(c) 第一定量加料单元，该第一定量加料单元用于将受控的量的
第一反应物穿过进口而引入到反应腔中；以及
(d) 第二定量加料单元，该第二定量加料单元用于将受控的量的 第二反应物穿过进口而引入到反应腔中；并且可选地，包括
(e) —个或多个传感器，该一个或多个传感器用于(i)监控表示反 应物之间的反应完整性(completeness)的参数；和/或(ii)流体的温度， 和/或(iii)进入到反应腔中的反应物的流动速率；以及
(f) 控制器，该控制器操作性地(operativdy)联结至一个或多个传 感器，以用于控制进入腔室的反应物的流动和离开腔室的废反应物的 流动。
现在将通过参考附图中显示的特定实施例更详细地(但非限制性 地)阐明本发明。
图1是根据本发明的一个实施例的装置的示意性视图。
具体实施例方式
如图1中所示，根据本发明的方法用于产生热量的装置采取这样 的热交换器2的形式，该热交换器2包括隔热的(insulated)反应腔4和 呈导管的形式、用于输送水穿过反应腔的热交换器元件6。导管可形 成家用水加热系统的一部分，并且，可例如联结至散热器或热水箱， 或直接联结至热水龙头。该导管同样可被隔热。
反应腔具有一对由进口管8和IO供料的进口 7和9,该进口管8 和IO联结至料斗12和14。控制阀(未显示)存在于进口管中以控制至 反应腔中的反应物的流动。第一料斗12容纳第一反应物，该第一反 应物可例如为粉末状的柠檬酸。第二料斗容纳第二反应物，该第二反 应物可例如为含水乙胺或碳酸钠。下文将参考柠檬酸和含水乙胺描述本装置的功能，但是应理解的是，作为代替，可使用其它的酸性物和 碱性物，且事实上可使用其它放热反应配对物。
进口管8和10中的每一个具有定量加料传感器13, 15,该定量 加料传感器13， 15的用途是监控进入腔室的反应物的量。在反应腔 的下端处有出口 16,该出口 16包括过滤器以防止废反应物的较大颗 粒穿过进入到排废管中。传感器18直接地布置在出口上方，以用于 测量反应混合物的pH。出口 16连接至排废管24，该排废管24输送 废反应物至排废贮藏容器(未显示)。
在使用中，水(例如，形成家用供水系统的部分)沿箭头方向被泵 送穿过导管6。呈流体形式的柠檬酸从料斗12穿过进口管8和进口 7 而被重力给料入反应腔4中。引入的柠檬酸的数量由定量加料传感器 13所测量，并且， 一旦预定量的柠檬酸已穿过进入到反应腔4中，则 借助于岡停止来自料斗的流。同时(或者按顺序地在柠檬酸被引入之前 或之后)，50-70%含水乙胺或包含乙胺的凝胶体或碳酸钠自料斗14穿 过进口管10和进口 9而被供入反应腔4中。优选的是，使用过量的 乙胺，以使得反应混合物呈浆状，从而便于混合物朝向出口流动穿过 反应腔。柠檬酸以放热的方式与乙胺反应以形成流体。通过反应所释 放的热量促使反应腔的内容物温度增高，并且因此，穿过导管6的水 被加热。使用柠檬酸和含水乙胺的组合时，已得知的是，合重300g 的反应物产生1KW的输出，并且，能够在5小时中将15升水加热rc。 从柠檬酸的单次装料(single charge)和乙胺的单次装料可获得的加热 效果典型地维持4小时至24小时。
必要时可利用柠檬酸和含水乙胺的进一步装料来装满反应腔。温 度计可定位在导管6中、在热交换器的下流，以用于监控水温。温度 计可联结至控制器20。当温度下降到预定值以下时，控制器可驱动阀 (未显示)以促使柠檬酸和含水乙胺的进一 步的装料被引入到反应腔 中。
使用柠檬酸和含水乙胺作为反应物的优点是，柠檬酸是天然地存
10在的物质，并且因此可从可再生源中获得。乙胺(虽然其无法以商品化
的方式(commercially)从天然源中获得)可随后从作为来自该反应的废 产物的所分离出的柠檬酸盐中再生。
本发明的加热方法和装置可用于这样的情形中，即，在其中，用 于加热水的传统能源无法获得，或者，可用于补足传统能源。来自本 方法的唯一废产物是水溶性流体或浆，其可被收集并取走以用于处理 或回收。
图1中示出的实施例仅表示实施本发明的方式中的一种，并且， 显而易见的是，可对所示的具体实施例进行众多变型和改型而不会背 离构成本发明基础的原理。所有这样的变型和改型应被本申请所包 含。
权利要求
1.一种用于产生热流体的供给的方法，所述方法包括将所述流体递送穿过热交换器单元，在该处，该流体由热源所加热；其特征在于，所述热源从两个或更多个化学反应物的放热反应中得到热量。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述放热反应在该 热交换器内的反应器之内发生。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反应物在与所 述热交换器相分离的容器中被混合到一起，并且，混合反应物流和/ 或其反应产物流被递送穿过所述热交换器以充当所述热源。
4. 根据权利要求1所述的用于产生热流体的供给的方法，所述方 法包括将所述流体递送穿过热交换器单元，其中，所述热交换器单元 包括(a) 所述流体可穿过其而流动的热交换器元件；(b) 具有至少一个进口和至少一个出口的反应腔，穿过所述至少 一个进口，反应物可^^皮引入到所述反应腔中，穿过所述至少一个出口， 废反应物可/人所述反应腔中#皮去除；(c) 用于使受控的量的第 一反应物穿过进口而被引入到所述反应 腔中的第一定量加料单元；以及(d) 用于使受控的量的第二反应物穿过进口而被引入到所述反应 腔中的第二定量加料单元；其中，所述第一和第二反应物以放出热量的形式反应，并且，与 穿过所述热交换器元件的所述流体交换由此产生的热量，控制进入到 所述反应腔中的第一和第二反应物的引入以产生所要求的加热等级。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述 流体是液体。
6. 才艮据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述液体是水。
7. 根据权利要求4和任何从属于其的权利要求所述的方法，其特征在于，所述热交换器元件穿过所述反应腔。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述热交换器元件采取穿过所述反应腔的导管的形式。
9. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，各个反应物设有其特有的进口。
10. 根据权利要求4和任何从属于其的权利要求所述的方法，其特征在于，所述定量加料单元采耳又具有可被打开或关闭以允许反应物朝着所述反应腔而运动的孔口的贮存器的形式。
11. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述反应物包括酸性物和碱性物。
12. 根据权利ll所述的方法，其特征在于，所述酸性物选自具有>0、更典型地>2、且优选地>3的pKa值的酸性物。
13. 根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述酸性物是柠檬酸。
14. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述石威性物选自具有>0、更典型地〉2、且优选地>3的pKb值的、例如具有在3至7范围中的pKb的^5威性物。
15. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述碱性物是胺，例如单烷基胺、双烷基胺或三烷基胺，或者是碳酸盐，例如碳酸钠。
16. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述胺选自曱胺、二甲胺、三曱胺、乙胺、二乙胺、以及三乙胺。
17. 根据权利要求11至16中任一项所述的方法，其特征在于，所述碱性物呈水溶液或凝胶体的形式。
18. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述碱性物是呈50-70%的水溶液或凝胶体的形式的乙胺。
19. 根据权利要求4和任何从属于其的权利要求所述的方法，其特征在于，经计量的量的所述第一和第二反应物被引入到所述反应腔中，并且从所述热交换器中排出的流体(例如，水)的温度被监控，一旦所述流体的温度降到预定的数值以下，引入更多的经计量的量的所述第 一和/或第二反应物。
20. —种用于加热流体的热交换器单元，所述热交换器单元包括(a) 所述流体可穿过其而流动的热交换器元件；(b) 具有至少一个进口和至少一个出口的反应腔，穿过所述至少一个进口反应物可被引入到所述反应腔中，穿过所述至少一个出口可为所述反应腔去除废反应物；(c) 用于使受控的量的第一反应物穿过进口而被引入到所述反应腔中的第一定量加料单元；以及(d) 用于使受控的量的第二反应物穿过进口而被引入到所述反应腔中的第二定量加料单元；并且可选地包括(e) 用于(i)监控表示所述反应物之间的反应的完整性的参数；和/或(ii)所述流体的温度和/或(iii)进入所述反应腔的反应物的流动速率的一个或多个传感器；以及(f) 操作性地联结至所述一个或多个传感器以用于控制进入所述腔室的反应物的流动和离开所述腔室的废反应物的流动的控制器。
全文摘要
本发明提供一种用于产生热流体的供给的方法，该方法包括将流体递送穿过热交换器单元(2)，在此，该流体由热源(4)所加热；其特征在于，该热源(4)从两个或更多个化学反应物的放热反应中得到热量。化学反应物优选为酸性物和碱性物。
文档编号F24J1/00GK101688691SQ200880012988
公开日2010年3月31日 申请日期2008年2月25日 优先权日2007年2月23日
发明者马克·柯林斯 申请人:马克·柯林斯