一种耦合逆电渗析原理的脱电式吸收式制冷方法及装置

本发明属于制冷空调领域，涉及一种耦合逆电渗析原理的脱电式吸收式制冷方法及装置。

背景技术：

1、在制冷空调行业中，吸收式制冷通过低品位热能驱动实现制冷，与利用电能驱动的制冷机相比具有诸多优势，由于在真空状态下运行，无爆炸危险，更安全可靠；运动部件少，运转安静；热能驱动，节省电耗；所用工质利于满足环保要求等。吸收式制冷系统(absorption refrigeration system，ars)中常用工质对有h2o-libr(溴化锂)、nh3-h2o，h2o-libr工质对中，水作为制冷剂，溴化锂水溶液作为吸收剂，利用溴化锂的强烈吸收水蒸汽的能力，通过浓、稀溶液发生和吸收过程使制冷剂水在封闭系统中不断循环，冷剂水在低压的真空环境下蒸发吸热制取冷量，工作溶液在热源驱动下再生。溴化锂吸收式制冷机在我国工业领域被广泛应用，缓解了用电耗能问题、解决了余热回收利用问题，满足了生产发展的需要。但吸收式制冷机在运行过程中，系统所配备的溶液泵、冷剂泵、抽气装置和控制系统依旧需要外部向其输入电能。例如11630kw制冷量的吸收式制冷机年耗电量达8.76万度(按年运行5个月，日均20小时计算)，如果能减少这部分电能的使用，可节省大量能耗。

2、目前世界环境问题日益突出，能源资源紧缺问题日益严重，是世界各国经济发展中一个迫切需要解决的重要问题。在工业生产和自然界中存在大量的低品位热能，如工业余热、太阳能、地热能等，如果将其合理利用，可节约能源并减少环境污染。虽然低品位热能可作为热源用于上述吸收式制冷领域，但其考虑到受季节性限制影响，很多研究提出将低品位热能持续转化为电能。目前应用低品位热能发电主要是利用“热-功”转换技术，例如有机朗肯循环技术等，但这些“热-功”转换技术存在诸多缺陷，如对低品位热能和工质的特性要求高等，因此实际应用中限制了其在低品位热能回收利用方面的应用。近年来结合溶液热分离技术和逆向电渗析(reverse electrodialysis，red)盐差能发电技术的“red热机”应运而生，其核心由溶液热再生子系统和red电堆子系统构成，可以将低品位热能(≥60℃)先转换为浓、稀溶液间的化学势能，再将工作溶液化学势能转化为电能。

3、将ars和red系统进行耦合，利用低品位热源驱动red热机将低品位热能转化为工作溶液之间的化学势能进而转化为电能，输送给ars配备的上述用电设备，便可实现ars的完全“脱电”运行。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提出一种耦合逆电渗析原理的脱电式吸收式制冷方法。

2、其基本技术原理是：

3、ars子系统的作用在于基于余热吸收式制冷方法将低品位热能转换为冷量。ars子系统主要包括制冷剂循环和溶液循环，发生器内的工作溶液在低品位热能加热下解析出冷剂蒸汽，冷剂蒸汽经冷凝器后转变成液态冷剂，节流后进入蒸发器吸热蒸发，完成制冷剂循环，制取冷量。发生器内剩余工作溶液浓度增加，降温降压后进入吸收器。冷剂蒸汽从蒸发器流出后进入吸收器，被来自发生器的浓溶液吸收，而后浓溶液变成为稀溶液回到发生器，在低品位热源加热下再生为浓溶液和冷剂蒸汽，完成循环。在此循环过程中，主要驱动力为外界输入的热量，但溶液泵、控制系统等仍然需要消耗一定的电能，ars系统不能脱离电网独立运行。在ars系统工作过程中，工作溶液在不同状态下是存在明显盐差梯度的。基于逆电渗析原理，可以将一部分的浓、稀溶液间的盐差能转换为电能。为此，适当增大原ars系统的溶液循环与再生能力，再接入red子系统，便可将溶液化学势能转换为电能，并进而为负载吸收式制冷机组供电。

4、为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

5、一种耦合逆电渗析原理的脱电式吸收式制冷系统，主要部件包括发生器、吸收器、冷凝器、蒸发器、两个溶液热交换器、red电堆、两个吸收液泵、冷剂泵、浓溶液泵、稀溶液泵、废液泵、电极液循环泵、浓溶液储罐、稀溶液储罐、废液回收储罐、储电器、溶液切换阀、三个节流装置、抽气装置以及主机控制系统，该系统通过低品位热能驱动实现“热-电”转换，为吸收式制冷机连续提供电能。整套系统由三个子系统：热子系统，逆电渗析red(reverseelectrodialysis)子系统和吸收式制冷系统ars(absorption refrigeration system)子系统组成。

6、所述的热子系统由发生器1、冷凝器2、稀溶液储罐12、浓溶液储罐13、废液回收储罐14、稀溶液泵15、浓溶液泵16、废液泵17、溶液切换阀23、节流装置二26和溶液热交换器二28构成，各设备通过管路相连接。所述的ars子系统由发生器1、冷凝器2、吸收液泵一3、溶液热交换器一4、吸收液泵二5、吸收器6、冷剂泵7、蒸发器8、节流装置一9和节流装置三27组成。所述的red子系统主要由阳电极19，阴电极20，交错排布的阳离子交换膜21、阴离子交换膜22，端板24，以及由端板24、阳电极19、阴电极20、两端的2片阳离子交换膜21所隔出的阳极室和阴极室，交错排布的阴离子交换膜22、阳离子交换膜21所隔出的交错排布的稀、浓溶液室构成。阴、阳两电极室间的电极液在电极液泵25的驱动下在red电堆外部循环流动；red子系统生的电能储存在储电器18中。具体的：

7、所述的热子系统中的发生器1为特殊设计的发生器，由互不影响的左、右两室构成，左室用于驱动ars系统的运行，右室用于驱动red子系统运行，外界低品位热源分成两支路，分别通过管路进入左室和右室；发生器1的左室预先放置稀溶液，右室预先放置中间浓度溶液，发生器左室和右室溶液浓度不同。所述冷凝器2也由互不影响的左右两室构成。所述发生器1左室通过管路与冷凝器2左室相连接，发生器1右室通过管路与冷凝器2右室相连接。冷凝器2左室通过管路与蒸发器8连通，该管路上设有节流装置一9，冷剂泵7将蒸发器8中的冷剂泵入喷淋装置；冷凝器2右室通过管路与稀溶液储罐12连通。所述发生器1右室出液口通过管路与溶液热交换器二28连通，溶液热交换器二28与浓溶液储罐13连通；发生器1右室的进液口与废液回收储罐14的出液口通过管路连接，该管路上设有废液泵17、节流装置二26和溶液热交换器二28。所述发生器1左室与吸收器6连通，吸收液泵二5将发生器1左室的浓溶液泵入溶液热交换器一4，溶液热交换器与吸收器6联通，该管路上设有节流装置三27，吸收器6将浓溶液稀释后，由吸收液泵一3将稀溶液泵入溶液热交换器一4。抽气装置10通过管路与吸收器6、吸收器6的出液口相连接。所述浓溶液储罐13和稀溶液储罐12之间的连接管路上设有溶液切换阀23，浓溶液储罐13和稀溶液储罐12的出口分别和red子系统的浓溶液室和稀溶液室的进液口相连接，该管路上分别设有浓溶液泵16和稀溶液泵15，red子系统的出液口通过管路合并为一路与废液回收储罐14的进液口相连接。在电极液循环泵25的驱动下，电极液在阳电极19和阴电极20之间循环流动。吸收液泵一3、吸收液泵二5、冷剂泵7、抽气装置10、主机控制系统11、稀溶液泵15、浓溶液泵16、废液泵17和电极液循环泵25通过导线与储电器18并联连接。进一步的，所述发生器1、冷凝器2、吸收器6和蒸发器8内均设有换热管簇。图1和图2中发生器1和冷凝器2均需进行特殊设计。发生器1内部空间分为左右互不影响的左室和右室，两室均内置换热管簇，换热管簇内流动的为外界低品位热源，外界低品位热源分成两支路分别进入左右室，从发生器出来后再合并为一路输出到外界。冷凝器2内部同样设计为左右不相通的两室，左室的冷却水来自吸收器6，右室的冷却水则直接来自冷却塔。冷却水从吸收器6换热管簇进口流入，从冷凝器2左室换热管簇出口流出。所述的冷凝器2为水冷式冷凝器。冷冻水经蒸发器8换热管簇向冷剂水放出热量后流出。溶液热交换器一4、溶液热交换器二28均为板式换热器。所述节流装置可以是u型管、手动式膨胀阀、浮球式膨胀阀、热力式膨胀阀、电子式膨胀阀、毛细管、孔板等。

8、进一步的，所述主机控制系统11控制制冷机的制冷量、工作溶液液位及流量等，所述抽气装置10可以是机械真空泵抽气装置和自动抽气装置，抽气装置在系统运行前抽出系统中的空气，使系统处于真空状态，在系统运行过程中及时排出系统中的不凝性气体。

9、本发明提出一种耦合逆电渗析原理的脱电式吸收式制冷方法，基于上述装置实现，其运行过程如下：

10、首先，将外界低品位热能通过热子系统转化为工作溶液的浓差能。

11、所述热子系统的发生器1的左室用于驱动ars系统的运行，右室用于驱动red子系统运行，外界低品位热源分成两支路，分别进入发生器1的左室和右室。

12、发生器1的左室预先放置稀溶液，右室预先放置中间浓度溶液，发生器1左室和右室溶液浓度不同。在red回路中，流入各个浓稀溶液室的浓稀溶液流出red子系统后汇合成一股，再次成为中间浓度溶液，中间浓度溶液进入废液回收储罐14。外界低品位热源输入发生器1右室加热中间浓度溶液，溶液中部分低沸点组分即溶剂蒸发从发生器1右室上部蒸汽出口逸出，由于中间浓度溶液中溶质的沸点远高于溶剂，因此从发生器逸出的蒸汽中几乎不含有溶质组分，全部为溶剂蒸气。之后溶剂蒸气进入冷凝器2右室，被通入冷凝器2右室的冷却水冷却冷凝之后成为液态稀溶液，流入稀溶液储罐12。而部分溶剂水蒸发使发生器1右室中的中间浓度溶液浓度升高，成为浓溶液，从发生器1右室下方接口流出，进入溶液热交换器二28与从red子系统浓、稀溶液室流出汇合形成的中间浓度溶液进行换热，浓溶液放出热量，冷却降温后进入浓溶液储罐13。由于稀溶液储罐12中的稀溶液此时为纯的溶剂，溶液电导率过低对red子系统的运行不利，在浓溶液储罐13和稀溶液储罐12之间设置的溶液切换阀23能够调节稀溶液储罐12中的稀溶液浓度。废液回收储罐14的出液口和发生器1右室的进液口相连接，废液回收储罐14中的中间浓度溶液在废液泵17的驱动下经节流装置二26节流降压，低压的中间浓度溶液进入溶液热交换器二28升温后进入发生器1右室中，在外界低品位热源的驱动下再生为浓、稀溶液，重复进行上述循环。所述的浓溶液储罐13和稀溶液储罐12的出口分别和red子系统的浓溶液室和稀溶液室的进液口相连接，浓、稀溶液分别在浓溶液泵16和稀溶液泵15的驱动下泵入red子系统的各个浓、稀溶液室。

13、进一步的，所述低品位热源可以是蒸汽、热水、燃料(轻油、重油、气等)燃烧产生的高温烟气，工业废热以及自然界中的太阳能、地热能等。

14、第二步，通过red子系统将工作溶液的化学势能转化为电能。

15、red子系统中，交错排布的阴、阳离子交换膜之间形成交错排布的浓、稀溶液流道。稀、浓溶液分别从稀溶液罐12和浓溶液罐13被引入稀、浓溶液室内，并在溶液浓度差(化学势差)作用下，溶质的阴、阳离子分别透过阴离子交换膜22、阳离子交换膜21，进入稀溶液室内，在电池内形成定向离子流，失去部分阴、阳离子的浓溶液变稀，由浓溶液流道流出，稀溶液获得浓溶液失去的部分阴阳离子浓度变高，由稀溶液流道流出，与浓溶液流道流出的浓溶液一起流入废液回收储罐14，成为中间浓度溶液。电极液在电极液泵25的驱动下在阴、阳两电极室间作循环流动，电极液中的金属离子在阳电极19处发生氧化反应失去电子，在阴电极20处获得电子被还原，电子则通过外电路由阳电极19流向阴电极20而产生外电流。至此将工作溶液的化学势能转换成电能。

16、进一步的，所述red子系统产生的电能储存在储电器18中。由于吸收式制冷系统在实际应用中受季节更替的影响，限制了其对于低品位热能的连续利用，因此在red子系统中加设储电器18，当吸收式制冷机停机时red子系统可继续工作，储电器18可将red子系统产生的直流电进行存储，使red子系统能够充分连续地利用低品位热能。此外，发生器分离出的浓、稀溶液还可在浓溶液储罐13、稀溶液储罐12中，以浓差能的形式储存起来，以应对部分特殊情况下(如机组启停)的小规模发电要求。

17、进一步的，所述阴离子交换膜22、阳离子交换膜21分别只允许浓溶液中的阴离子和阳离子通过。阴、阳电极室的一侧均是阳离子交换膜21以防止电极液中的阴离子进入溶液流道。而阴离子交换膜22和阳离子交换膜21交错排布，即red系统中阳离子交换膜21比阴离子交换膜22多一片。

18、进一步的，所述电极包括石墨电极、普通金属(例如cu、zn等)、贵金属电极(例如pt,pd等)、及其合金电极例如(钛镀钌铱合金)。所述电极液为fecl2/fecl3、[fe(cn)6]4–/fe(cn)6]3–等氧化还原对(浓度为0.005mol/l至其饱和浓度)、或碱金属水溶液等。在实施案例中采用含有[fe(cn)6]4–/fe(cn)6]3–氧化还原电对的盐溶液，与镀钌铱的钛电极匹配使用以达到更好的发电效果。red电堆串联系统中的电堆个数依据特定条件下浓差能可以驱动发电的电堆个数而定，每个电堆的发电功率以净功率为准，已经从该电堆的发电功率中减去其本身的泵功消耗。

19、第三步，ars子系统在red子系统产生的电能的驱动下将低品位热能转化为冷量。

20、在ars回路中，与上述热子系统循环方式类似，输入发生器1左室的外界低品位热源加热左室内的稀溶液使部分溶剂(冷剂)蒸发，从发生器左室上方接口进入冷凝器2。失去部分溶剂的稀溶液浓缩为浓溶液从左室下方接口流出，吸收液泵二5将浓溶液泵入溶液热交换器一4降温，低温的浓溶液经节流装置三27节流降压进入吸收器6，在溶液热交换器一4中浓溶液向来自吸收器6的稀溶液放出热量后进入吸收器6吸收来自蒸发器8的冷剂蒸汽，浓溶液稀释为稀溶液从吸收器6底部接口流出，吸收液泵一3将稀溶液泵入溶液热交换器一4，稀溶液吸收来自发生器1的浓溶液的热量后流回发生器1的左室，在发生器1的左室中经外界热源加热后再生为浓溶液和冷剂蒸汽，完成溶液循环。

21、从发生器1左室顶部产生的汽即ars循环中的冷剂从顶部逸出进入冷凝器2，被流经冷凝器2的冷却水冷却冷凝为液态冷剂，冷剂从冷凝器2下端接口流出，经节流装置一9节流降压后转换为低温低压的液态冷剂和少部分闪发蒸汽低温低压的液态冷剂进入蒸发器8，冷剂泵7将蒸发器8中的冷剂泵入蒸发器8内部上方的喷淋装置，喷淋出的冷剂在蒸发器8中吸收冷冻水的热量变为冷剂蒸汽，进入吸收器6被浓溶液吸收，浓溶液变为稀溶液，完成制冷循环。

22、至此，便实现了以溶液热分离技术和逆电渗析法发电原理为基础发电，低品位热能持续转换为电能和冷量的方法。

23、进一步的，所述循环系统中吸收液泵一3、吸收液泵二5、冷剂泵7、抽气装置10、主机控制系统11、稀溶液泵15、浓溶液泵16、废液泵17和电极液循环泵25均通过red产生的电能驱动运行。red子系统产生的电能为直流电(direct current，dc)储存在储电器18中，对于交流电机需先将直流电经逆变器29转换为交流电(alternating current，ac)再输送给上述用电设备，对于直流电机则不需要配备逆变器29，储电器18直接将red子系统产生的直流电输送给各用电设备。

24、进一步的，所述的ars中的发生器左室内预先放置的稀溶液为制冷剂和吸收剂组成的工质对，制冷剂包括水、氨、胺类、醇类和氟利昂等，吸收剂包括溴化锂等无机盐类、水、硫氰酸钠等有机盐类和脂类、醚类等有机溶剂。其中水系工质对(包括二元工质对：h2o-libr、h2o-licl、h2o-lii、h2o-naoh、h2o-cacl2、h2o-liscn、h2o-csf、h2o-rbf、h2o-csbr。三元：libr水溶液+licl、cacl2、liscn、nascn、cacl2、zncl2、znbr2、c3h8o2、c2h6o2中的一种；licl水溶液+cacl2。四元：h2o-licl-cacl2-zncl2、h2o-licl-cacl2-mgcl2。五元：h2o-libr-lii-licl-lino3)主要以水为制冷剂，盐为吸收剂。氨系工质对(包括nh3-h2o、nh3-liscn、nh3-nascn、nh3-lino3、nh3-liscn-h2o、nh3-nascn-h2o、nh3-libr-h2o)以氨为制冷剂，水或盐作吸收剂，由于氨和水的沸点相差不大，因此nh3-h2o吸收式循环需增加精馏装置。醇系工质对可由甲醇(ch3oh)+氯溴碘的锂盐或锌盐，也可由tfe(三氟乙醇)或hfip(六氟异丙醇)和高沸点的有机溶剂dma、dmeu、dmpu、nmc、nmp、medeg、dmeteg(e181)、pyr(吡咯烷酮)组成。氟利昂系工质对由r22、r134a、r32、r152a或非共沸工质和有机溶剂(如dma、dmf、degdmf或e181)组成。

25、在本专利具体实施案例中的工作溶液以溴化锂水溶液(libr-h2o)为例，水作为溶剂，溴化锂水溶液的质量分数不应超过65％，无论是在运行还是停机状态，均要保证溴化锂水溶液为液态，防止溶液结晶的发生。

26、本发明所适用的吸收式制冷循环，不仅局限于单效循环，也适用于双效循环和三效循环及多效循环(效数等于发生器的个数，如双效与单效相比增加了一个高压发生器、一个高温溶液热交换器，高温热源在高压发生器和低压发生器中两次利用)，在本专利四个具体实施案例中均单效循环为例进行说明。

27、进一步的，如图1实施例所示，该方法中所有用电设备均消耗直流电，因此red子系统产生的直流电储存在储电器18后可直接供给上述用电设备。

28、进一步的，如图2实施例所示，该方法中所有用电设备均消耗交流电，因此red子系统产生的直流电储存在储电器18后先经过逆变器29转换为交流电再供给上述用电设备。

29、进一步的，如图3实施例所示，该方法中增加red电堆流出的中间浓度溶液与冷凝器右室流出的溶剂换热过程，从而回收溶剂的部分热量，减小发生器的热负荷，提高系统整体能量转换效率。

30、本发明的有益效果是：

31、(1)低品位热能得以充分、高效、连续利用；

32、(2)吸收式制冷机完全脱离电网独立运行；

33、(3)对外界条件变化的适应性强，对低品位热能的品质要求低；

34、(4)发电系统简单、可靠，无需精密复杂的叶轮发电机械设备；

35、(5)运动部件少，噪音小，管理维修方便；

36、(6)系统在低压状态下运行，无爆炸危险，安全可靠；

37、(7)产生的电能为直流电，具有一定的储能效果。