用于操作吸附式压缩机的方法及用于在所述方法中使用的吸附式压缩的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种操作吸附压缩机系统的方法，该系统包括热源和冷源及至少第一吸附床和第二吸附床，其中，第一床的初始温度低于所述第二床的初始温度，在该系统中，通过利用传热流体（HTF）使热循环，该方法包括下列阶段：阶段A），该阶段A）包括下列步骤：-通过将来自所述第二床的HTF可选择地经由所述热源供给至第一吸附床对第一吸附床进行加热，而同时维持住所述第一床中的热波；以及-通过将来自所述第一床的HTF可选择地经由所述冷源供给至第二吸附床对第二吸附床进行冷却，而同时维持住所述第二床中的热波；其中，维持阶段A）直至所述第一床和所述第二床的出口温度是基本相同的为止；以及阶段B），该阶段B）包括下列步骤：-将从所述第一床流出的HTF供给至所述热源并将来自所述热源的HTF供给回到所述第一床中；以及-将从所述第二床流出的HTF供给至所述冷源并将来自所述冷源的HTF供给回到所述第二床；其中，维持阶段B）直至所述第一床中的温度是基本均匀的并且所述第二床中的温度也是基本均匀的且低于所述第一床的温度，其中，通过所述第一床和所述第二床的所述HTF的流速可高于阶段A）中的流速。
【专利说明】用于操作吸附式压缩机的方法及用于在所述方法中使用的吸附式压缩机
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种吸附式压缩机及其操作方法。更为具体地，本发明涉及一种结合在热泵中的吸附式压缩机，其中，该压缩机利用经过由固体吸附剂构成的床的热波。这种压缩机例如在被全部结合在本文中的US-A-4610148中进行描述，其中，利用了两个由吸附剂构成的床，这两个由吸附剂构成的床设置在壳体中，穿过该壳体设置有热交换通道。热交换通道连接至热交换流体的闭合回路，该闭合回路包括一组泵、具有冷却作用的附加热交换器及具有加热作用的热交换器。这些吸附剂床的壳体侧连接至热泵，该热泵包括冷凝器、膨胀阀和蒸发器。这两个床均借助于止回阀既连接至冷凝器侧又连接至蒸发器侧。对吸附式热泵中的热波进行讨论的其它公开文献的示例有:US-A-4637218 Jones J.A.(Heatrecovery systems&CHP (热回收系统及热电联产)13 (1993) 363-371 );Pons Μ., (Appliedthermal engineering (实用热力工程)，16 (1996) 395_404);Sun L.M.等人，(Int.J.Heatmass transfer (国际传热传质期刊)，40 (1997) 281_293);Zheng ff.等人(Heat and masstransfer (传热传质)31 (1995) 1-9) ；ffang, R.Z.(Renewable and sustainable energyreviews (可再生与可持续能源评论)5 (2001) 1-37);以及Critoph, R.Ε.等人(AppliedThermal Engineering (实用热力工程)24 (2004) 661-678)。
【背景技术】
[0002]US-A-4610148中的床包括沸石，并且所应用的制冷剂或吸附蒸汽为水。来自吸附床的水蒸汽通过一组止回阀而被引导至热泵的冷凝器。在那里，水蒸汽在高压冷凝器中冷凝，并且冷凝水被引导经过释压阀，在该释压阀处，由于焦耳-汤姆孙效应，温度基本上绝热地降低，由此提供了冷却能力。在低压蒸发器中，水被再次蒸发并且可经过一组止回阀返回至冷的且正在接受蒸汽以进行吸附的吸附床。该蒸发器提供热泵的实际热力冷却能力。
[0003]通过用传热流体对固体吸附材料进行加热，迫使吸附蒸汽离开该固体吸附材料。为了在蒸发器中具有基本恒定的冷却功率，选用两个吸附床。一个床被加热以迫使吸附蒸汽离开而另一个床被冷却以便提供对吸附蒸汽的再吸附。
[0004]一系列止回阀允许该交替操作，使得在几乎所有时间中，均将高压蒸汽提供至冷凝器而将相对低压的蒸汽从蒸发器中收回。
[0005]为了提高与吸附材料的批量冷却和批量加热有关的效率，发现通过施加来回地经过固体材料的活动的温度廓线(prof iIe)而加热和冷却固体吸附材料充分地提高了热泵性能。来回推动温度廓线经过相对细长的材料被称之为热波。
[0006]这种热波的施加具有一些其它优点，即仅需要两个吸附单元，需要相对简单的工艺流程图，并且能够在整个周期中提供相对均匀的制冷剂质量流。
[0007]使用这些系统是由于驱动热可来自低热量废热或太阳热，并且所用的吸附蒸汽或气体可从对臭氧层无害的无氟利昂的类型中进行选择。
[0008]这些系统的缺点是冷凝器、蒸发器和两个吸附床在尺寸方面是相对庞大的。由于将水用作制冷剂，因此整个系统仅可在降低了的压力下进行操作，由此降低了该系统的单位制冷功率(SCP)。
[0009]在US-A-4637218中存在一种将沸石用作吸附剂的替代性的热泵，该文献的全部内容被结合于本文中。在该系统中，再次将水用作冷媒。在该公开文献中，提议了吸附床的壳管式结构和吸附床的单体式结构。由于为水蒸汽的蒸发和冷凝所施加的压力是相对低的，因此该系统还是尺寸庞大的。
[0010]P.Hu 等人(能量转换与管理(Energy Conversion and Management)50 (2009) 255-261)描述了一种在环形容器中包括吸附床的制冷系统，其中，热交换流体位于内侧上。
[0011]A.Sateesh 等人(国际氢能期刊(International Journal of Hydrogen Energy)35 (2010) 6950-6958)描述了一种单级金属氢化物热泵。该热泵基于一种吸收过程,其中，该金属氢化物粉末经历了化学变化。术语“吸收过程”通常专供基于化学吸收的过程使用，而“吸附过程”指的是物理吸附。
[0012]Z.Dehouche 等人(实用热力工程(Applied Thermal Engineering)18 (1998) 457-480)描述了用于多氢化物系统的热波概念。该系统也基于化学变化，而非基于与本发明相一致的物理变化。
[0013]虽然已知的基于吸附式热泵系统的热波导致特别是与性能系数(COP)和单位冷却功率(SCP)有关的效率的改良，但仍然期望改进COP和SCP。
【发明内容】
[0014]本发明的目的是缓解或解决现有技术中的热泵和吸附式压缩机的上述和/或其它问题，而同时维持和/或改进其优点。更为具体地，本发明的目的可以是减小整个热泵的尺寸及吸附式压缩机的尺寸、提供更为实用的床装置及提供在其操作上是更为经济且更为有效的系统和方法。另一目的是提供一种对具有改进的COP和SCP的吸附式压缩机进行操作的方法。
[0015]这些和/或其它目的通过一种操作吸附式压缩机系统的方法来实现，该系统包括热源和冷源及至少第一吸附床和第二吸附床，其中，第一床的初始温度低于所述第二床的初始温度，在该系统中，通过利用传热流体(HTF)而使热进行循环，该方法包括下列阶段:
[0016]阶段A)，其包括下列步骤:
[0017]-通过可选择地经由所述热源将来自所述第二床的HTF供给至所述第一吸附床，对所述第一吸附床进行加热，而同时维持所述第一床中的热波；以及
[0018]-通过可选择地经由所述冷源将来自所述第一床的HTF供给至所述第二吸附床，对所述第二吸附床进行冷却，而同时维持所述第二床中的热波；其中，维持阶段A)直至所述第一床和所述第二床的出口温度基本相同；
[0019]以及阶段B)，其包括下列步骤:
[0020]-将从所述第一床流出的HTF供给至所述热源；以及
[0021]-将从所述第二床流出的HTF供给至所述冷源；其中，维持阶段B)直至所述第一床中的温度是基本均匀的并且所述第二床中的温度也是基本均匀的且低于所述第一床的温度，其中，所述HTF通过所述第一床和所述第二床的流速可高于阶段A)中的流速。[0022]在现有技术的热波系统中，利用了单个HTF环路，该环路结合有两个吸附床，在这两个吸附床之间设置有加热和冷却设备。具有适合的转换阀的可逆的泵或单向泵用于在一旦波接近床的端部中的一个时使热波逆转通过床。这样一来，整个循环被划分为两个半循环。每个半循环在传热流体的流动方向被逆转后开始。流动逆转的转换时刻在热波显现、即在其到达床的另一侧时获得。
[0023]在不希望受到理论的约束的情况下，本发明人相信实际上热波明显没有现有技术中最初建议的那样陡峭(例如在US-A-4610148和US-A-4637218中)。这意味着沿着单元的长度具有相当平坦的温度廓线，使得当波逆转时，吸附的制冷剂中的朝向单元的端部的大部分尚未被吸附或解除吸附，这极大程度地限制了 SCP。用以对其进行改进的一种方式是使得更多的制冷剂能够被吸附或解除吸附，并且如果使得热波能够朝向单元的端部前进得更多以使更多的制冷剂可在一个半循环内被吸附或解除吸附，则可获得较高的SCP值。然而，在该情形下，由于在加热和冷却设备上逐渐增大的温度差，因此COP迅速地降低。由此，COP和SCP之间存在此消彼长的关系。
[0024]本发明提供了一种改进SCP而同时维持高的COP的新型热波循环。
[0025]可在参照图29A-D时描述本发明。出于简明的目的，在该图中仅示出了 HTF的流动方向，而并未绘出制冷剂流体连接部和流动。将会理解的是，制冷剂流体连接部可位于床的任一侧处，乃至可位于床的两侧处。在后一情形中，一侧可经由止回阀连接至制冷剂高压管线而另一侧可经由止回阀连接至制冷剂低压管线。
[0026]为此，制冷剂原则上可以是为所属领域已知的任何物质。优选地，制冷剂从氨、水(蒸汽)、二氧化碳、甲醇、正丁烷等中选择。更为优选的为氨、特别是与作为吸附材料的活性炭相结合的氨。
[0027]为此，吸附剂原则上可以是所属领域已知的任何物质。优选地，它从活性炭、沸石、有机金属框架、BaCl2等中选择。
[0028]根据本发明，整个吸附和解除吸附循环被划分为四个(而非两个)阶段，其中的阶段A和C为热再生阶段而阶段B和D为非热再生阶段。该系统中的吸附床需要适用于热波操作的吸附式压缩机。
[0029]在阶段A中，床I由来自热源的高温HTF进行加热。由于热波操作，最初低温的HTF离开床1，随后该HTF由冷源进一步冷却。同时，床2由来自冷源的低温HTF进行冷却。还是由于热波操作，最初高温的HTF离开床2，随后该HTF由热源进一步加热。
[0030]阶段2在某点处开始，主要是当离开床I和2的HTF的两个温度彼此基本相等时。当出口温度之间的绝对温度差小于热源与冷源之间的温度差的40%、优选地小于30%、更为优选地小于20%、甚至更为优选地小于10%、典型地为0-5%时，这些出口温度被视为是基本相等的。HTF转换系统可用于将床I直接连接至热源并且将床2直接连接至冷源，从而在没有热再生的情况下在床中结束热波，直至床的温度是基本均匀的。
[0031]在阶段A中，在两个床之间再生成热。在图28中所示的示例中，可再生的热的最大数量(假设有在时间上恒定的HTF流)与面积X成比例。当第一床和第二床的出口温度如上所述是基本相同的时，到达该热的最大数量。
[0032]在阶段B中，当入口温度与出口温度之间的绝对差小于热源与冷源之间的温度差的30%，优选地小于20%，更为优选地小于10%，甚至更为优选地小于5%时，床温被视为是基本均匀的。
[0033]图12和28示出了在阶段A和B期间，床I和床2的出口温度的示例。阴影区A与在热再生阶段期间需要由加热器供给至HTF的热量成比例，并且阴影区B与在非再生阶段期间需要供给的热量成比例。
[0034]在阶段B的末端处，最初为冷的第一床现在是较热的床，而最初为热的第二床现在是较冷的床。可如上所述地重复该操作，但现在两个床的作用被互换。
[0035]例如，接下来，新的热再生阶段可在阶段C中开始。操作类似于阶段A但床I和2的作用被颠倒:床I为冷却而床2为加热。随后是阶段D，该阶段D为颠倒了床I和2的作用的另一非再生阶段。
[0036]在本发明的系统中，床中的热波的方向对于所有的阶段而言可以是相同的并且这是优选的。作为选择，在阶段A和B之后，可在阶段C和D中颠倒HTF流动方向和热波方向，如图30中示意性地示出的那样。然而，这需要不同的且更为复杂的HTF流体转换系统。
[0037]如将在下文中变得清晰的那样，基于上述原理，许多变型和变更均是可能的。
[0038]例如，阶段之间的转换可通过利用转换阀、特别是三通阀来实现。作为选择，可以使用具有双通阀的分尚开的管线，如图32A-D中所不。也可使用四通阀，参见图33A-D。
[0039]本发明的另外的优点之一是，利用仅需要在一个方向上操作的的泵，这允许使用标准部件和工程实践。
[0040]在本发明的优选实施方式中，设置有适用于热波操作的吸附式压缩机的吸附单元，该吸附单元包括细长的固体吸附材料；细长的传热流体通道，其与固体吸附材料直接传热接触，其中，吸附材料的特`征尺寸r被选择成使得满足下列关系:
[0041]
【权利要求】
1.一种操作吸附式压缩机系统的方法，所述系统包括热源和冷源及至少第一吸附床和第二吸附床，其中，所述第一床的初始温度低于所述第二床的初始温度，在所述系统中，通过利用传热流体(HTF)使热循环，所述方法包括下列阶段: 阶段A)，所述阶段A)包括下列步骤: -通过将来自所述第二床的HTF可选择地经由所述热源供给至所述第一吸附床对所述第一吸附床进行加热，而同时维持住所述第一床中的热波；以及 -通过将来自所述第一床的HTF可选择地经由所述冷源供给至所述第二吸附床对所述第二吸附床进行冷却，而同时维持住所述第二床中的热波；其中，维持所述阶段A)直至所述第一床和所述第二床的出口温度基本相同为止； 以及阶段B)，所述阶段B)包括下列步骤: -将从所述第一床流出的HTF供给至所述热源并将来自所述热源的HTF供给回到所述第一床中；以及 -将从所述第二床流出的HTF供给至所述冷源并将来自所述冷源的HTF供给回到所述第二床中；其中，维持阶段B)直至所述第一床中的温度是基本均匀的并且所述第二床中的温度也是基本均匀的且低于所述第一床的温度，其中，通过所述第一床和所述第二床的所述HTF的流速可高于阶段A)中的流速。
2.根据权利要求1所述的方法，后面是阶段C和阶段D，其中，所述阶段C包括下列步骤: 通过将来自所述第二床的HTF可选择地经由所述冷源供给至所述第一床(26A)对所述第一床(26A)进行冷却，并且通·过将来自所述第一床的HTF可选择地经由所述热源供给至所述第二床(26C)对所述第二床(26C)进行加热；以及 其中，所述阶段D包括下列步骤: -将从所述第一床流出的HTF供给至所述冷源并将来自所述冷源的HTF供给回到所述第一床中；以及 -将从所述第二床流出的HTF供给至所述热源并将来自所述热源的HTF供给回到所述第二床。
3.根据前一权利要求所述的方法，其中，经过所述第一床和所述第二床的流动方向在所述阶段A和C中是相同的；或者其中，在所述阶段C中的流动方向与在所述阶段A中的流动方向是相反的。
4.根据前一权利要求所述的方法，其中，经过所述第一床和所述第二床的流动方向在所述阶段A、B、C和D中是相同的；或者其中，在所述阶段C和D中的流动方向与在所述阶段A和B中的流动方向是相反的。
5.一种吸附式压缩机(26、26A-F)，所述吸附式压缩机(26、26A-F)包括两个或更多个吸附床，其中，T字形连接器(16)或两个单独的连接器连接至分配连接器(13)中的每一个或者连接至传热集管，或者作为选择，所述分配连接器或所述传热集管设置有两个单独的连接器，其中，所述吸附床的第一侧(39A-D)的所述T字形连接器(16)或所述两个单独的连接器的臂中的每一个以使得每个单独的所述T字形连接器(16)或所述两个单独的连接器的不同的臂与不同的三通阀的转换侧流体连接的方式与第一对三通阀(27、28或53、56)的转换侧流体连接，并且其中，所述吸附床(26、26A-F)的第二侧(40A-D)的所述T字形连接器或所述两个单独的连接器的臂中的每一个以使得每个单独的所述T字形连接器(16)或所述两个单独的连接器的不同的臂与不同的三通阀(29、30或54、55)的转换侧流体连接的方式与第二对三通阀(29、30或54、55)的转换侧流体连接。
6.根据前一权利要求所述的吸附式压缩机，其中，所述第一对三通阀(27、28)的基部侧与加热器或热交换器(32)流体连接，所述加热器或热交换器(32)构造成提高经过的传热流体的温度，并且其中，所述第二对三通阀(29、30)的基部侧与冷却器或热交换器(31)流体连接，所述冷却器或热交换器(31)构造成对经过的传热流体进行冷却。
7.根据权利要求5所述的吸附式压缩机，其中，所述第一对三通阀(53、56)的第一三通阀(53)的基部侧和所述第二对三通阀(54、55)的第一三通阀(54)的基部侧与热交换器或加热器(32)流体连接，并且其中，所述第一对三通阀(53、56)的第二三通阀(56)的基部侧和所述第二对三通阀(54、55)的第二三通阀(55)的基部侧与热交换器或冷却器(31)流体连接。
8.一种用于执行如权利要求1所述的方法的吸附式压缩机，所述吸附式压缩机包括热源和冷源及至少第一吸附床和第二吸附床，在该系统中，通过利用传热流体(HTF)使热循环，所述吸附式压缩机包括两个 四通阀。
【文档编号】F25B35/04GK103597298SQ201280019777
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2012年2月22日 优先权日:2011年2月22日
【发明者】约翰内斯·法斯·比格尔, 罗伯特·扬·迈耶 申请人:库尔可持续能源解决方案有限公司