ХИМИЧЕСКИЙ ТЕПЛОВОЙ НАСОС, РАБОТАЮЩИЙ С ГИБРИДНЫМ ВЕЩЕСТВОМ Российский патент 2011 года по МПК F25B17/00 

Настоящее изобретение относится к химическому тепловому насосу, работающему по гибридному принципу.

Принцип функционирования химического теплового насоса хорошо известен, см., например, патенты США 5440889, 5056591, 4993239, 4754805 и опубликованные международные заявки на патент WO 94/21973, WO 00/31206, WO 00/37864 и WO 2005/054757. В химическом тепловом насосе использовано активное вещество, которое осуществляет сам процесс функционирования теплового насоса и которое работает вместе с летучей средой, абсорбентом, который обычно является биполярной жидкостью, в большинстве случаев водой. В качестве рабочего активного вещества может, в соответствии с известным уровнем техники, быть использовано твердотельное вещество, жидкое вещество или «гибридное вещество». Под «твердотельным» активным веществом подразумевается, что данное вещество постоянно, в течение всего процесса и всех циклов, остается в твердотельном состоянии, т.е. как с абсорбированной в нем летучей средой, так и без нее. Под «жидким» активным веществом подразумевается, что данное вещество постоянно, в течение всего процесса и всех циклов, остается в жидком состоянии, т.е. как с абсорбированной в нем летучей средой, так и без нее. Под «гибридным» веществом подразумевается, что данное активное вещество во время функционирования теплового насоса находится попеременно в твердотельном состоянии и в жидком состоянии.

Для твердотельного активного вещества реализованы преимущества, которые включают то, что температура охлаждения в системе, в которую включен тепловой насос, остается постоянной во время всего процесса выпуска, и что может быть получена сравнительно большая аккумулирующая способность. Типичная величина запасаемой емкости для твердотельного вещества при использовании воды в качестве абсорбента, принимаемой в качестве энергии охлаждения, составляет примерно 0,3 кВт·ч/л вещества. Другим преимуществом, связанным с использованием твердотельного вещества, является то, что не требуется использования подвижных компонентов в системе. Теплота подается в данное вещество или отводится из него посредством ламеллярного теплообменника или пластинчатого теплообменника, который находится в равномерном соприкосновении с веществом. Следовательно, в химическом тепловом насосе, описанном в вышеприведенной заявке на патент WO 00/31206, не предусматриваются подвижные компоненты в процессе эксплуатации. Недостатком, связанным с твердотельным веществом, является ограниченная мощность, которая может быть достигнута, что обусловлено обычно низкой теплопроводностью твердотельных веществ. В той же самой заявке на патент, среди прочих особенностей, описан способ для решения проблемы, связанной с плохой теплопроводностью твердотельных веществ и обусловленной этой низкой мощностью/эффективностью. Способ включает то, что твердотельное вещество диспергировано в сорбате с образованием суспензии, которая имеет такую консистенцию, что она может простым образом заполнять пространство вокруг теплообменника или внутри него. Количество сорбата в суспензии должно превышать концентрацию сорбата, которая будет затем иметься в разгруженном состоянии теплового насоса. После этого, когда вещество загружено, оно приобретает конечную агломерированную форму, так называемую матрицу, которая не растворяется при обычной абсорбции сорбата во время функционирования теплового насоса.

В случае использования жидкого вещества достигается преимущество, заключающееся в высокой мощности, поскольку вещество может быть распылено над теплообменником как в процессе загрузки, так и в процессе выпуска и, следовательно, может быть, соответственно, эффективно охлаждено и нагрето.

Недостатком, связанным с твердотельным веществом, является то, что охлаждающая способность уменьшается как функция разбавления абсорбента. Фактически, это значительным образом ограничивает интервал функционирования, в пределах которого данное вещество может быть использовано, что, в свою очередь, уменьшает аккумулирующую способность, за которую принимают, как указано выше, энергию охлаждения на литр вещества. Большинство жидких веществ для использования в химических тепловых насосах являются растворами неорганических солей с высокой гигроскопичностью, предпочтительно в воде, и равным образом вода используется в качестве абсорбента. Это создает дополнительное ограничение вследствие того, что нельзя допускать кристаллизации растворенного вещества. Кристаллизация создает проблемы в распылительных соплах и насосах.

Посредством использования так называемого гибридного вещества некоторые преимущества, связанные с твердотельной и жидкостной системами, могут быть объединены, см. вышеприведенную международную заявку на патент WO 00/37864. Химический тепловой насос, раскрытый в этой заявке на патент, функционирует в соответствии со специальной процедурой, которая может быть названа гибридным принципом, гибридным способом или гибридным процессом. В этом процессе вещество существует как в твердотельном, так и в жидком состоянии во время протекания процесса, при этом твердотельная фаза используется для сохранения энергии при такой большой плотности энергии, как это имеет место в твердотельных системах, в то время как теплообмен с передачей тепла веществу и от него осуществляется лишь в жидкой фазе данного вещества с такой высокой эффективностью, которая присуща обычным жидким системам. Лишь жидкая фаза используется для теплообмена с окружающей средой. Условием этого является то, что твердотельная и жидкая фазы могут поддерживаться раздельно во время процесса. Разделение может быть обеспечено фильтрацией при использовании разделяющего средства подходящего вида, такого как сетка или фильтр, или некоторыми другими способами. Жидкая фаза, часто называемая «раствором», закачивается и распыляется над теплообменником. Как и в случае систем, использующих лишь раствор, т.е. систем с веществом, которое является жидкостью все время, важно, чтобы насосы, клапаны и распылительные сопла гибридных систем не блокировались кристаллами в линии для циркуляции.

Соответственно, как правило, твердотельная система имеет в этом отношении очевидное преимущество, поскольку она не требует каких-либо насосов, клапанов и распылительных сопел.

На фиг.1 химический тепловой насос показан в целом схематическим образом, данный тепловой насос предназначен для охлаждения или нагревания и функционирования в соответствии с гибридным процессом, описанным в вышеприведенной международной заявке на патент WO 00/37864. Тепловой насос включает первый резервуар 1 или аккумулятор, содержащий более или менее растворенное вещество 2, которое может экзотермически абсорбировать или эндотермически десорбировать сорбат. Первый резервуар 1 соединен со вторым резервуаром 3, также называемым конденсатором/испарителем, посредством трубы 4. Второй резервуар 3 работает как конденсатор для конденсации газообразного сорбата 6, чтобы образовать жидкий сорбат 5 во время эндотермической десорбции из вещества 2 в первом резервуаре 1, и как испаритель жидкого сорбата 5, чтобы образовать газообразный сорбат 6 во время экзотермической абсорбции сорбата в веществе 2 в первом резервуаре 1. Вещество 2 в аккумуляторе 1 находится в соприкосновении с возможностью передачи тепла с первым теплообменником 7, расположенным внутри, через который можно по очереди доставлять посредством потока 8 жидкости тепло от окружающей среды или к окружающей среде. Жидкость 5 в узле 3 испарителя/конденсатора аналогичным образом находится в соприкосновении с возможностью передачи тепла со вторым теплообменником 9, расположенным внутри, посредством которого тепловым потоком 10 может доставляться тепло от окружающей среды или к окружающей среде соответственно. Для того чтобы тепловой насос работал в соответствии с гибридным принципом, первый теплообменник 7 вместе с веществом 2 в твердотельном состоянии помещен в мелкоячеистую сетку или фильтр 11. Раствор, который является веществом в жидком состоянии, находится в нижней части аккумулятора 1 и собирается в ней в свободном пространстве 12, расположенном ниже первого теплообменника 7. Из этого пространства раствор может через трубопровод 13 и насос 14 распыляться над первым теплообменником 7.

В качестве обобщения справедливо следующее:

в системе, работающей с твердотельным веществом, достигается постоянная температура охлаждения, поскольку реакция происходит между двумя фазовыми состояниями вещества. Оба эти фазовые состояния являются твердотельными, и при преобразовании из одного состояния в другое состояние поддерживается постоянное реакционное давление абсорбента. Реакционное давление остается постоянным до тех пор, пока все вещество не преобразуется из одного состояния в другое состояние. Недостатком данной системы является очень низкая теплопроводность и обусловленная этим низкая мощность. Ее преимущества включают то, что она работает без каких-либо подвижных частей, имеет высокую аккумулирующую способность и постоянное реакционное давление;

в системе, работающей с гибридным веществом, первая фаза, когда абсорбент абсорбирован веществом, т.е. в процессе выпуска, является твердотельной, в то время как вторая фаза является жидкостью, и тогда таким же образом, как указано выше, поддерживается постоянное реакционное давление абсорбента. Вещество будет затем последовательно преобразовываться из твердого тела в жидкость, и в то же время поддерживается постоянная температура охлаждения. Данный процесс продолжается при постоянном реакционном давлении до тех пор, пока все вещество не перейдет из твердотельного состояния в жидкое состояние. Аналогичным образом реакционное давление постоянно в процессе загрузки, когда вещество переходит из жидкости в твердотельное состояние. Аккумулирующая способность и реакционное давление эквивалентны этим параметрам для твердотельного вещества. Способ, использованный в системах, работающих с гибридным веществом, чтобы получить высокую мощность, представляет собой функционирование с растворами таким же образом, как и в системе, работающей с жидким веществом. Жидкость закачивается из контейнера для вещества через узел для отделения кристаллов в распылительный узел, посредством которого раствор разбрызгивается над теплообменником, который образует отдельный узел в реакторе.

Задачей данного изобретения является предоставление эффективного химического теплового насоса, работающего в соответствии с гибридным принципом.

Другой задачей данного изобретения является предоставление химического теплового насоса, в котором преимущества твердотельной системы объединены с преимуществами гибридной системы.

Как указано выше, химические тепловые насосы, работающие с твердотельным веществом, обладают недостатком, который связан с очень низкой теплопроводностью и, соответственно, с низкой мощностью или эффективностью, и преимуществами, заключающимися в возможности функционирования без каких-либо подвижных частей, высокой аккумулирующей способности и постоянном реакционном давлении. Химические тепловые насосы, работающие с гибридным веществом, обладают преимуществами, заключающимися в высокой мощности или эффективности в результате более высокой теплопроводности и, кроме того, в том, что они также могут функционировать без каких-либо подвижных частей и могут обладать высокой аккумулирующей способностью и постоянным реакционным давлением.

В случае химического теплового насоса, работающего с гибридным веществом, если раствор активного вещества используется, чтобы увеличить теплопроводность между активным веществом и теплообменником в аккумуляторе, что может, например, быть достигнуто посредством того, что активное вещество не подвергается какому-либо смещению во время протекания общего процесса в химическом тепловом насосе, т.е. посредством того, что активное вещество все время неподвижно или размещено стационарным образом, то может быть получен химический тепловой насос, имеющий так называемое «твердотельное» гибридное вещество. Чтобы достигнуть этого, раствор активного вещества может быть впитан в пассивное вещество и/или связан с ним; такое пассивное вещество, называемое здесь матрицей или носителем, обычно должно находиться в соприкосновении с обеспечением хорошей теплопроводности с теплообменником в аккумуляторе и может быть размещено в виде одного или нескольких тел, которые, в свою очередь, плотно соединены одно с другими. То, что это вещество является пассивным, означает, что оно не содействует абсорбции и высвобождению летучей среды активным веществом. Таким образом, назначением матрицы является поддержание раствора активного вещества в месте ее расположения и увеличение тем самым теплопроводности между теплообменником и активным веществом, когда активное вещество переходит из жидкого состояния в твердотельное состояние в процессе загрузки и из твердотельного состояния в жидкое состояние в процессе выгрузки. Посредством этого может быть использовано то, что раствор часто имеет более высокую теплопроводность, чем твердотельное вещество. Матрица выполнена из вещества, которое является инертным по отношению к процессу, протекающему в тепловом насосе, и может обычно иметь способность к связыванию активного вещества в виде раствора, позволяя в то же самое время активному веществу взаимодействовать с летучей средой. В частности, может оказаться желательным, чтобы тело или тела, из которых образована матрица, были способны к эффективной абсорбции и/или связыванию активного вещества в виде раствора посредством капиллярного эффекта. Матрица может включать более или менее разделенные частицы, такие как порошки с разным размером частиц, содержащие частицы разной формы, волокна разного диаметра и разной длины и/или спеченную массу подходящей пористости, которая, например, может не быть постоянной и может изменяться в пределах тел сформированной матрицы. Размер и форма частиц, т.е. в особых случаях размер частиц, диаметр и пористость, и пористость в случае твердотельной матрицы и выбор материала в телах матрицы влияют в соответствующих случаях на емкость, мощность и эффективность конечного аккумулятора. В случае, когда матрица наносится в виде слоя на поверхность теплообменника, толщина слоя также может оказывать влияние на мощность или эффективность аккумулятора.

Способность матрицы к впитыванию жидкости таким образом, что жидкость образует теплопередающую среду, и ее способность, кроме того, к обеспечению возможности транспорта газа через матрицу равным образом применимы к узлу конденсатора/испарителя в химическом тепловом насосе. При загрузке химического теплового насоса газ транспортируется через матрицу, чтобы конденсироваться на поверхности теплообменника и затем абсорбироваться матрицей, после чего абсорбированная жидкость увеличивает теплопроводность матрицы, так что больше газа может быть охлаждено, конденсировано и абсорбировано. При выгрузке химического теплового насоса матрица высвобождает водяной пар, что охлаждает абсорбированную летучую жидкость, которая вследствие ее хорошей теплопроводности подводит тепло для испарения от поверхности теплообменника через жидкость к зоне испарения.

Таким образом, можно сказать, что процессы в тепловом насосе выполняются активным веществом, впитанным в тело или фитиль из волокон или же порошок, которое преобразовано таким образом, чтобы обеспечить высокую мощность или эффективность. Мощность или эффективность мало зависит от теплопроводности тела или фитиля, однако зависит от реакции в жидкой фазе, т.е., помимо прочего, от того, что активное вещество в тонко разделенном состоянии преобразуется в раствор, который проводит тепло лучше тонко диспергированного твердотельного материала.

Матрица, которая должна быть впитывающим или абсорбирующим материалом, может быть выбрана среди множества различных материалов. Например, успешные тесты выполняются при использовании тканей из диоксида углерода в качестве матрицы и матрицы, включающей песок и стеклянные порошки в разных долях. Тепловой насос работает посредством того, что тепло передается в жидкой фазе, одновременно с тем, что структура матрицы достаточно проницаема для обеспечения транспортировки паровой фазы летучей среды. Также возможно изготовление матрицы спеканием порошка или волокон для образования более твердотельной структуры.

Дополнительные задачи и преимущества данного изобретения будут представлены ниже в последующем описании и будут отчасти очевидны из данного описания или же они могут быть определены посредством практического использования данного изобретения. Задачи и преимущества данного изобретения могут быть реализованы и достигнуты посредством способов, процессов, инструментальных средств и комбинаций, указанных детально в прилагаемой формуле изобретения.

Несмотря на то, что элементы новизны данного изобретения сформулированы далее детально в прилагаемой формуле изобретения, полное понимание данного изобретения в отношении как структуры, так и содержания, а также его вышеуказанных и других отличительных признаков может быть достигнуто, и данное изобретение будет лучше понято из рассмотрения последующего подробного описания неограничивающих вариантов осуществления, представленных ниже в данном документе со ссылкой на сопутствующие чертежи, на которых:

фиг.1 представляет схему химического теплового насоса в соответствии с известным уровнем техники, работающего по гибридному принципу,

фиг.2a представляет схему, аналогичную фиг.1, за исключением того, что в химическом тепловом насосе активное вещество абсорбируется носителем,

фиг.2b представляет схему, аналогичную фиг.2a, альтернативного варианта осуществления химического теплового насоса,

фиг.3 представляет диаграмму процесса загрузки в химическом тепловом насосе в соответствии с фиг.2 при использовании LiCl в качестве активного вещества,

фиг.4 представляет диаграмму, подобную фиг.3, однако для процесса выгрузки,

фиг.5 представляет схему аккумуляторного бака для химического теплового насоса, показанного на фиг.2,

фиг.6 представляет схему химического теплового насоса, подобного представленному на фиг.2, однако имеющего другую конструкцию,

фиг.7 и 8 представляют схемы вариантов исполнения аккумуляторных баков для химического теплового насоса, показанного на фиг.2,

фиг.9a представляет схему трубчатого узла или модуля, функция которого аналогична функции химического теплового насоса по фиг.2a, за исключением другой структуры и внешних теплообменных поверхностей,

фиг.9b представляет схему, аналогичную фиг.9b, за исключением того, что трубчатый модуль имеет функцию, подобную функции химического теплового насоса по фиг.2b,

фиг.10a представляет схему химического теплового насоса, содержащего множество модулей по фиг.9a или 9b,

фиг.10b представляет схему, иллюстрирующую расположение трубчатых модулей по фиг.9a или 9b для теплообмена в потоках воздуха,

фиг.11a, 11b и 11c представляют подробные виды поперечного сечения материала матрицы, размещенного на поверхности теплообменника,

фиг.11d представляет подробный вид поперечного сечения материала матрицы, расположенного на поверхности теплообменника, от которой выступает фланец, и

фиг.12a и 12b представляют схемы, иллюстрирующие химический тепловой насос, который осуществляет теплообмен с воздухом и с жидкой средой соответственно.

На фиг.2a схематически показан модифицированный химический тепловой насос для производства холода/охлаждения или тепла, который использует гибридный процесс и матрицу для поддержки и/или размещения активного вещества.

Модифицированный химический тепловой насос включает обычно первый резервуар 1, также называемый аккумулятором или реактором, который содержит активное вещество 2, в данном документе также называемое просто «веществом». Вещество может экзотермически абсорбировать и эндотермически десорбировать сорбат, также называемый абсорбентом, который обычно является водой. Вещество 2 проиллюстрировано здесь как поддерживаемое матрицей или носителем 13, размещаемое в ней или впитанное в нее, при этом матрица обычно сформирована в виде по меньшей мере одного пористого тела с открытыми порами и изготовлена из подходящего инертного вещества. Матрица может в типичных случаях состоять из тонко диспергированного порошка, например оксида алюминия, нанесенного в виде слоя подходящей толщины, например в виде сравнительно тонкого слоя, такого как слой толщиной 5-10 мм. В этом варианте осуществления матрица в первом резервуаре 2 наносится лишь на внутренние поверхности этого резервуара, которые прилегают к первому теплообменнику 7, как показано, в частности лишь на вертикальные внутренние поверхности первого резервуара. Первый резервуар 1 соединен с другим резервуаром 3, также называемым конденсатором/испарителем, неподвижным или стационарным газовым соединителем 4, имеющим форму трубы, которая соединена своими концами с верхними сторонами резервуаров 1, 3. Второй резервуар работает в качестве конденсатора для конденсации газообразного сорбата 6 с образованием жидкого сорбата 5 в ходе эндотермической десорбции вещества 2 в первом резервуаре 1 и в качестве испарителя жидкого сорбата 5 с образованием газообразного сорбата 6 при экзотермической абсорбции сорбата в веществе в первом резервуаре. Второй резервуар 3 здесь показан как имеющий половину внутренней поверхности, которая прилегает ко второму теплообменнику 9, покрытую материалом 14, обладающим способностью к впитыванию капиллярным образом, и половину внутренней поверхности, которая свободна. В варианте осуществления в соответствии с данной фигурой это означает, что половина внутренней вертикальной поверхности второго резервуара 3 покрыта материалом, предназначенным для капиллярного впитывания, в то время как остальная часть его внутренней поверхности свободна. Конденсация газообразного сорбата 6 происходит на свободной поверхности теплообменника 9 во втором резервуаре 3, а испарение происходит из материала 14 с капиллярным впитыванием на внутренней поверхности второго резервуара.

Различные компоненты химического теплового насоса, также называемого системой, т.е. внутренние пространства в первом и втором резервуарах 1, 3 и газовом трубопроводе 4, которые соединены один с другим с возможностью протекания текучей среды, являются полностью газонепроницаемыми, и из них удалены все другие газы, за исключением газа 6, принимающего участие в химическом процессе, также называемого летучей средой или абсорбентом, который обычно представляет собой водяной пар. Активное вещество 2 в аккумуляторе 1 находится в непосредственном соприкосновении с возможностью передачи тепла с поверхностями первого теплообменника 7, который в этом варианте осуществления расположен на вертикальных внутренних поверхностях, окружающих аккумулятор 1, и, тем самым, можно сказать, что он также окружает аккумулятор, при этом посредством первого потока 8 жидкости в данный теплообменник может быть подано тепло из окружающей среды или из него может быть доставлено тепло в окружающую среду. Жидкость 5 в узле испарителя/конденсатора 3 аналогичным образом находится в непосредственном соприкосновении с возможностью передачи тепла с поверхностями второго теплообменника 9, который в этом варианте осуществления расположен на вертикальных внутренних поверхностях узла испарителя/конденсатора, и, тем самым, можно сказать, что он также окружает узел испарителя/конденсатора, при этом посредством второго потока 11 жидкости соответственно в узел испарителя/конденсатора может быть подано тепло из окружающей среды или из него может быть доставлено тепло в окружающую среду.

Активное вещество 2 в химическом тепловом насосе выбирается таким образом, чтобы оно при температурах, для которых предназначен тепловой насос, могло функционировать с изменением между твердотельным и жидким состоянием в процессах выгрузки и загрузки теплового насоса. Таким образом, реакция в аккумуляторе 1 происходит между двумя фазами, твердотельной фазой и жидкой фазой активного вещества. В процессе выгрузки, когда абсорбент абсорбируется веществом, первая фаза является твердотельной, в то время как вторая фаза является жидкостью, и при этом для абсорбента поддерживается постоянное реакционное давление. Вещество будет затем последовательно преобразовываться из твердого тела в жидкость, и в то же время поддерживается постоянная температура охлаждения. Данный процесс продолжается при постоянном реакционном давлении до тех пор, пока в основном все активное вещество не перейдет из твердотельного состояния в жидкое состояние. Соответствующим образом, реакционное давление в процессе загрузки постоянно, в то время как вещество изменяет свое состояние из жидкого в твердотельное.

При этом может быть эффективно использовано обычное гибридное вещество, см. заявку на патент WO 00/37864, указанную выше, которое разбавляется до желательной концентрации в растворе сорбата и после этого впитывается в матрицу, состоящую из инертного порошка, т.е. порошка материала, который не подвергается каким-либо существенным изменениям во время функционирования химического теплового насоса. Соответственно, материал должен находиться в твердотельным состоянии во время изменения условий в тепловом насосе и не должен химически взаимодействовать, т.е. не должен оказывать химического воздействия и подвергаться химическому влиянию, с любыми веществами или средами, которые изменяют свои агрегатные состояния во время функционирования теплового насоса. В выполненных тестах этот порошок являлся, например, оксидом алюминия, и активное вещество представляло собой LiCl. Другими возможными активными веществами могут быть SrBr₂ и т.п., см. также международную заявку на патент WO 00/37864, указанную выше. При этом может иметь значение размер частиц порошка, который влияет на способность порошка к впитыванию или абсорбции капиллярным образом. Для формирования подходящих тел матрицы такой порошок может вначале быть нанесен на одну или несколько поверхностей теплообменника в виде слоя подходящей толщины, например толщиной от 5 мм до 10 мм. В большинстве случаев затем на теплообменнике должна быть закреплена сетчатая структура некоторого вида, не показана, чтобы поддерживать соответствующий слой и образовать из порошка тело. Например, проведены тесты с использованием слоев толщиной 10 мм, нанесенных на внешнюю поверхность труб, внутреннюю поверхность труб и на дно резервуара. Раствор, т.е. активное вещество, разбавленное летучей средой, также называемой сорбатом, в жидком состоянии впитывается затем в порошок данных слоев, и этот процесс протекает до тех пор, пока весь оставшийся раствор не связывается капиллярным образом с порошком слоев. После этого реактор может быть использован таким же образом, как используется реактор для твердотельного вещества, см., например, международную заявку на патент WO 00/31206, указанную выше.

Матрица вместе с удерживаемым в ней веществом не является в этом случае твердотельным телом, а представляет собой лишь рыхлую массу, подобную влажному песку, в разгруженном состоянии теплового насоса. Однако в загруженном состоянии теплового насоса матрица является твердой. Раствор активного вещества имеет значительно более высокую теплопроводность по сравнению с теплопроводностью вещества в твердотельном состоянии. Тепло от первого теплообменника 7 может быть затем эффективным образом передано активному веществу или от него. Если, например, матрица, состоящая из оксида алюминия, заполнена 3 М раствором LiCl, то очень быстрая и эффективная загрузка системы выполняется до снижения концентрации раствора примерно до 1 М. После этого мощность уменьшается, поскольку активное вещество теперь не содержит больше какого-либо раствора, т.е. не существует в какой-либо части в жидкой фазе или в виде раствора. Однако при этом отсутствуют препятствия для протекания процесса далее до концентрации 0 М. В ходе выгрузки данный процесс работает очень хорошо вплоть до состояния, в котором раствор имеет концентрацию 2,7 М - 2,8 М, после чего его протекание замедляется. Это обусловлено тем, что матрица больше не обладает проницаемостью для газа, когда концентрация достигает величины в 3 М. При этом условии матрица заполнена, т.е. матрица абсорбировала столько раствора, сколько это возможно в принципе.

Функция и мощность гибридных систем, использующих раствор, впитанный в матрицу, обычно значительно лучше, чем в случае твердотельных систем. Однако при этом требуется увеличенная площадь поверхностей теплообменников по сравнению с системами, использующими гибридные вещества лишь в виде свободного раствора. Тесты показывают, что требуется площадь теплообменника в 2-3 раза больше, чтобы в гибридной системе с использованием «связанного» раствора достичь такой же мощности, что и в гибридной системе с использованием лишь свободного раствора. Однако в таком случае плотность мощности на поверхности в такой системе, имеющей увеличенную эффективную площадь поверхности теплообменника, так мала, что теплообменник не обязательно должен действовать непосредственным образом, но может быть выгодным образом увеличен в размерах. Термин «теплообменник, действующий непосредственным образом» или «теплообмен непосредственным образом между теплообменником и активным веществом/раствором» означает, что вещество/раствор находится на внешней поверхности гладкой простой стенки теплообменника, в то время как среда для переноса тепла/охлаждения или текучая среда в теплообменнике циркулирует вдоль внутренней поверхности той же самой стенки, т.е. вещество/раствор приводится в основном в непосредственное соприкосновение с теплообменной средой через лишь сравнительно тонкую и плоскую стенку в теплообменнике. Термин «теплообменник» или «теплообмен с увеличенной поверхностью» означает, что вещество/текучая среда присутствует на поверхности теплообменника, который имеет данную увеличенную эффективную площадь теплообмена посредством, например, гофрирования и/или образования выступающих участков некоторого подходящего вида, таких как фланцы. Для гибридной системы с использованием раствора, впитанного в матрицу, это означает, что матрица также расположена на такой поверхности теплообменника.

Тесты, которые были выполнены в лабораторном масштабе и затем пересчитаны для полного масштаба, обеспечили получение данных для загрузки и выгрузки, соответственно, которые представлены на графиках фиг.3 и 4. Эти тесты были выполнены при использовании аккумуляторов 1 в виде цилиндрических резервуаров на 1 литр диаметром 100 мм и высотой 130 мм, в которых слой 13 толщиной 10 мм из инертного материала с содержащимся в нем веществом расположен на внутренней цилиндрической поверхности резервуара, т.е. на внутренней стороне поверхности их оболочки. Материал матрицы и вещество в этом варианте осуществления поддерживаются в их местоположениях посредством сетчатой структуры, включающей сетку 15, которая имеет внешнее покрытие с более мелкоячеистой структурой, такое как хлопчатобумажная ткань 16 или мелкоячеистая сетка, см. фиг.5. Во время выполненных тестов не наблюдались какие-либо изменения структуры или функции слоя, включающего инертный носитель и вещество.

Общая структура матрицы схематически показана на фиг.11a. Слой или тело 13 пористого матричного материала образовано на одной стороне стенки 23 теплообменника и имеет поры 24. Поры обычно имеют такое поперечное сечение, что они обеспечивают транспортирование и абсорбцию газообразного сорбата. Матрица может служить носителем активного вещества 2 на стенках в порах, которое может взаимодействовать с газообразным сорбатом в остальных каналах 25, которые могут иметься на некоторых стадиях функционирования теплового насоса. Поры могут быть также полностью заполнены, как показано при использовании для обозначения числа 26, раствором или конденсатом, соответственно. Материал матрицы выбирается таким образом, чтобы на его поверхности могло связываться активное вещество/раствор/конденсат, и, следовательно, он может, соответственно, быть гидрофильным или по меньшей мере иметь гидрофильную поверхность, если в качестве текучей среды в системе используется вода. Однако возможно использование материалов, которые не имеют гидрофильной поверхности или, в общем смысле, поверхности, которая увлажняется активным веществом в виде раствора, или поверхности, с которой связывается существенным образом активное вещество в виде раствора, при условии, что активное вещество вводится в матрицу, например, смешиванием или перемешиванием вместе с ним перед его нанесением на стенки теплообменника, хотя химический тепловой насос с такой матрицей часто работает удовлетворительно лишь в течение нескольких циклов функционирования теплового насоса. Размер пор может быть выбран, например, таким образом, чтобы они могли посредством капиллярного эффекта впитывать жидкую фазу, которую они должны абсорбировать и которая может особенно подходить для матрицы, размещенной в конденсаторе/испарителе. Типичные размеры поперечного сечения пор 24 могут находиться в интервале 10-60 мкм. Может оказаться неблагоприятным иметь слишком узкие поры, поскольку это может затруднять взаимодействие летучей среды со всеми компонентами активного вещества. Объем пор может составлять, например, по меньшей мере 20% и предпочтительно составляет по меньшей мере 40%, более предпочтительно по меньшей мере 50% от объема матричного тела. Матрица может, как указано выше, в качестве альтернативы быть образована из спеченного или эквивалентного материала, т.е. представлять собой в основном твердотельное связанное тело. Матрица может также быть образована из частиц разной формы, например из более или менее сферических частиц, см. фиг.11b, или из удлиненных частиц, например из сравнительно коротких кусочков волокон с соотношением длина/толщина в интервале, например, от 1:2 до 1:10, см. фиг.11c. Стенка 23 теплообменника может быть снабжена фланцами 27, как показано на фиг.11d.

Пример 1 матричного материала

Материал, подходящий в качестве материала матрицы, получают из порошка Al₂O₃. Плотность частиц порошка составляет 2,8 кг/см³, а их диаметр составляет 2-4 мкм. Порошок наносят в виде слоев вместе с содержащимся в нем раствором активного вещества в соответствии с приведенным выше описанием, при этом сухой материал матрицы в данных слоях имеет объемную плотность примерно 0,46 кг/см³, что дает среднюю величину или степень заполнения конечного материала матрицы 0,45, т.е. почти половину объема, занимаемого зернами порошка. Каналы между зернами порошка в образованных слоях имеют диаметр примерно 60 мкм.

Пример 2 матричного материала

Материал, подходящий в качестве материала матрицы, получают формованием смеси из 1 (массовой) части портландцемента и 5 (массовых) частей порошка Al₂O₃, как в Примере 1. Этот материал может в приближении рассматриваться как «спеченный».

Пример 3 матричного материала

Волокнистый материал, подходящий в качестве материала матрицы, получают из волокон, которые состоят из 54% SiO₂ и 47% Al₂O₃ и имеют температуру плавления примерно 1700°C. Плотность волокон составляет 2,56 кг/см³, а их диаметр составляет 2-4 мкм. Волокна прессуют во влажном состоянии, чтобы увеличить их плотность размещения. Объемная плотность после сушки прессованного материала составляет примерно 0,46 кг/см³, что предоставляет среднюю плотность заполнения 0,17 для конечного материала матрицы. Каналы между волокнами в прессованном материале имеют диаметр между примерно 5 и 10 мкм.

В варианте осуществления, описанном выше, слой 13 матрицы наносят наиболее простым образом, например, на в основном гладкую внутреннюю поверхность теплообменника. Различные формы теплообменных структур и нанесенных на них слоев матрицы могут быть приняты во внимание в соответствии с заявкой на патент WO 00/31206, указанной выше. Ниже в данном документе представлены примеры таких дополнительных возможных конструкций разного вида для матрицы и теплообменников, которые могут подходить для устройств, в которых используется технология образования матрицы, описанная выше. В обычных стационарных устройствах слой матрицы, соответственно, может быть, например, нанесен на внешнюю сторону одной или нескольких труб, в которых циркулирует теплообменная среда или теплопередающая среда. Например, выполнены тесты для труб диаметром 22 мм, вокруг которых сформированы слои матрицы толщиной 10 мм.

Если несколько таких теплообменных труб соединено параллельно и помещено в резервуар, то может быть получен мощный реактор 1. Фиг.6 представляет такую теплообменную трубу 7', установленную горизонтально в резервуаре аккумулятора 1, термически изолированном с его внешней стороны, в испытательной установке. Очевидно, что несколько таких труб может быть соединено и расположено параллельно, хотя это не показано на фигуре. Труба 7' по меньшей мере на ее участке, расположенном внутри резервуара, изготовлена из материала с высокой теплопроводностью, например из подходящего металла, такого как медь. Посредством подходящих трубопроводов с установленным насосом 17 она соединена с нагревательным узлом, таким как солнечная панель 18. На внешнюю сторону медной трубы 7' нанесен слой 13 с удерживаемым в нем веществом. Газовый канал 4 от реактора 1, содержащий клапан 19, соединен с вакуумирующим узлом через клапан 20 и соединен с верхней частью 3' испарителя/конденсатора 3, нижняя часть которого является резервуаром 3'' конденсатора для приема конденсированного абсорбента. Теплообменник 9 для испарителя/конденсатора здесь показан как простой охлаждающий контур, расположенный в верхней части испарителя/конденсатора и соединенный посредством подходящих трубопроводов, на которых установлен насос 21, с охладителем 22 охлаждающей среды.

В аккумуляторном баке такие трубы могут быть размещены горизонтальным образом, как на фиг.6, или вертикальным образом, т.е. в вертикальном положении. Если они расположены вертикально в резервуаре, то они могут образовывать структуру, показанную на фиг.7.

Также возможно образование горизонтальных секций в виде тарелок 25 с элементами 26 теплопереноса, расположенных на дне резервуара и выше одна над другой, см. фиг.8. Каналы соединяют пространства с верхней стороны и между тарелками с верхней частью резервуара, где располагается выполненное подходящим образом соединение с газовым каналом 3, не показанное на фигуре. Соответственно, такие каналы могут образовывать пространства 27 на вертикальных поверхностях с внутренней стороны. Такой канал 28 может быть также расположен вертикально и проходить через тарелки. Например, он может быть расположен в центре, так как это показано на фигуре. Тарелки 25 должны, кроме того, иметь соответствующие сквозные отверстия, например отверстия, расположенные в центре.

В другом варианте осуществления предоставлены трубчатые модули 29, в которых реактор 1 и конденсатор 3 расположены внутри одной и той же закрытой трубы. Реакторная часть 1 в этом случае имеет матрицу 2, расположенную вокруг донной части внутренней поверхности стенок, см. фиг.9a. Верхний участок трубы, который образует конденсатор/испаритель 3, отделен диафрагмой 30, от которой газовый канал 31 во внутренней трубе 32 проходит к верхней части 33 трубы, из которой пар затем может быть конденсирован и собран в пространстве 34 между указанным газовым каналом и верхними поверхностями стенки трубчатого модуля и испаряться из этого пространства. Такие трубчатые модули могут изготавливаться полностью герметичными из стекла или стали, покрытой эмалью.

Донная часть трубчатого модуля 29, реактор, может затем быть размещена в теплопередающей среде, которая циркулирует, соответственно, к солнечной панели и охладителю, размещенным с наружной стороны, и от них, или же размещена в охладителе, в то время как верхняя часть трубы размещена в теплопередающей среде, которая протекает к радиаторам в системе кондиционирования воздуха (AC) для охлаждения, например, частного дома, квартиры или офиса или к охладителю, размещенному с наружной стороны, соответственно, или размещена в охладителе, см. фиг.10a и 10b. Как видно на фиг.10b, батарея 35 трубчатых модулей размещается таким образом, что верхние части труб расположены в верхнем воздушном канале 36, а их нижние части расположены в нижнем воздушном канале 37. В процессе загрузки наружный воздух протекает в верхнем воздушном канале и при этом охлаждает верхние части трубчатых модулей 29, части конденсатора/испарителя 3, чтобы конденсировать в них водяной пар, а в нижнем воздушном канале протекает нагретый воздух от, например, не показанной солнечной панели, который нагревает нижние части трубчатых модулей для высвобождения водяного пара. В процессе выгрузки наружный воздух протекает в нижнем воздушном канале 37, охлаждая нижние части трубчатых модулей 29, части реактора 1, а воздух, протекающий в верхнем воздушном канале 36, охлаждается посредством соприкосновения с верхними частями трубчатых модулей и перемещается, например, в комнату частного дома или квартиры для кондиционирования воздуха.

Трубчатый модуль 29 может также иметь матричное вещество 14, размещенное в его части конденсатора/испарителя 3, и оно может также быть размещено на верхней части внутренней поверхности трубы, внутри пространства 34, так что между внешней поверхностью трубы 32 и внутренней поверхностью матрицы образован канал 38, обеспечивающий возможность прохождения конденсата и пара ко всем участкам матрицы, см. фиг.9b.

В устройстве с тепловым насосом, представленном на фиг.12a и основанном на передаче тепла воздухом, химический тепловой насос 40 посредством трубопроводов соединен с источником тепла, таким как солнечная панель 18, с охладителем 22 охлаждающей среды, таким как узел впуска наружного воздуха, и с системой 41 кондиционирования воздуха. Дроссельные затворы 42, 43 установлены в разных местах, чтобы направлять воздух требуемым образом в верхнем воздушном канале 36 и нижнем воздушном канале теплового насос для охлаждения/нагревания частей реактора и конденсатора/испарителя, соответственно, см. фиг.10b. Вместо воздуха может быть использована какая-либо теплопередающая жидкая среда, например, как в устройстве, представленном на фиг.12b. Двойные трубопроводы здесь соединяют узлы 18, 22 и 41 с тепловым насосом 40. Двойные трехходовые клапаны 44, 45 регулируют протекание данной теплопередающей среды требуемым образом.

Также возможно, чтобы вся текучая среда, т.е. обычно вся вода в конденсаторе, могла быть впитана капиллярным образом и тем самым полностью устранена в качестве свободной жидкости в химическом тепловом насосе, см. устройство на фиг.12b. Здесь все внутренние поверхности испарителя/конденсатора 3, за исключением верхней внутренней поверхности, снабжены материалом матрицы, который способен к капиллярному впитыванию. Теплообменная среда должна затем также циркулировать на дне этого резервуара.

Другой возможностью является объединение трубчатых модулей, указанных выше, которые в этом случае изготовлены из стекла, с солнечной панелью, которая тем самым также становится узлом для хранения и производства холода/охлаждения или тепла. Также возможно использование этих модулей в воздушных каналах, в которых они могут загружаться и выгружаться и обеспечивать производство холода/охлаждения или тепла.

Несмотря на то, что в данном документе проиллюстрированы и описаны конкретные варианты осуществления данного изобретения, следует понимать, что могут быть предусмотрены многочисленные другие варианты осуществления, и что многочисленные дополнительные преимущества, модификации и изменения могут быть легко реализованы специалистами в данной области техники без отклонения от сущности и объема данного изобретения. Поэтому данное изобретение в его расширенных аспектах не ограничивается данными конкретными деталями, типичными устройствами и иллюстративными примерами, представленными и описанными в данном документе. Соответственно, различные модификации могут быть сделаны без отклонения от сущности и объема основной идеи данного изобретения, которая определена прилагаемой формулой изобретения и ее эквивалентами. Поэтому следует понимать, что прилагаемая формула изобретения предназначена для охватывания всех таких модификаций и изменений, которые находятся в пределах сущности и объема данного изобретения. Многочисленные другие варианты осуществления могут быть предусмотрены без отклонения от сущности и объема данного изобретения.

Химический тепловой насос включает реактор (1), который содержит активное вещество, и испаритель/конденсатор (3), который содержит ту часть летучей жидкости, которая находится в конденсированном состоянии и может быть абсорбирована активным веществом. Канал (4) соединяет реактор и испаритель/конденсатор. В реакторе размещена матрица (13) для активного вещества таким образом, что активное вещество как в его твердотельном состоянии, так и в его жидком состоянии или в виде раствора поддерживается матрицей и/или связывается с ней. Матрица является преимущественно инертным материалом, таким как оксид алюминия, и имеет поры, которые проницаемы для летучей жидкости и в которых размещено активное вещество. Техническим результатом является повышение эффективности. 5 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Химический тепловой насос, включающий активное вещество и летучую жидкость, которая может абсорбироваться данным веществом при первой температуре и десорбироваться данным веществом при второй, более высокой, температуре, при этом активное вещество находится при первой температуре в твердотельном состоянии, из которого активное вещество при абсорбции летучей жидкости и ее паровой фазы незамедлительно или непосредственным образом частично переходит в жидкое состояние или в раствор, а при второй температуре находится в жидком состоянии или в виде раствора, из которого активное вещество при высвобождении летучей жидкости, в частности ее паровой фазы, непосредственным образом переходит частично в твердотельное состояние, и содержащий:
- реактор, содержащий активное вещество и снабженный первым теплообменником,
- испаритель/конденсатор, содержащий часть летучей жидкости, которая находится в конденсированном состоянии, и снабженный вторым теплообменником, и
- канал для паровой фазы летучей жидкости, соединяющий реактор и испаритель/конденсатор один с другим,
отличающийся тем, что реактор содержит матрицу для активного вещества, так что активное вещество как в его твердотельном состоянии, так и в жидкой фазе или в виде раствора поддерживается матрицей и/или связывается с ней, при этом матрица выполнена из материала, содержащего поры, который проницаем для летучей жидкости и в котором размещено активное вещество.

2. Химический тепловой насос по п.1, отличающийся тем, что матрица представляет собой инертный материал, в частности, включающий по меньшей мере оксид алюминия.

3. Химический тепловой насос по п.1, отличающийся тем, что матрица выполнена из материала, имеющего поверхность, с которой может связываться активное вещество в его жидком состоянии, в частности, имеющего поверхность, которая увлажняется активным веществом в его жидком состоянии и/или летучей жидкостью в ее жидком состоянии.

4. Химический тепловой насос по п.1, отличающийся тем, что матрица выполнена из материала, содержащего отдельные частицы, в частности из порошка или спрессованного волокнистого материала.

5. Химический тепловой насос по п.1, отличающийся тем, что матрица имеет форму слоя материала, нанесенного на поверхность первого теплообменника.

6. Химический тепловой насос по п.1, отличающийся тем, что матрица вместе с поддерживаемым в ней активным веществом окружена ограничительной структурой, в частности сетчатым элементом, содержащим по меньшей мере сетку или ткань из волокнистого материала.

7. Химический тепловой насос по п.1, отличающийся тем, что испаритель/конденсатор по меньшей мере на части поверхности второго теплообменника содержит пористый материал, проницаемый для летучей жидкости.