一种基于多孔疏水膜的三相热化学储热装置

1.本发明涉及热质传递强化与相变储热系统应用技术领域，特别涉及一种基于多孔疏水膜的三相热化学储热装置。


背景技术：

2.为实现可再生能源和工业余热资源的综合利用，实施高效储能技术是解决可再生能源与余热资源瞬时性及不稳定性、能源供应和需求不匹配问题的必要手段。而全球用户终端需求中热能和冷能约占总能耗的一半，因而储热技术受到广泛关注。
3.储热技术包括显热、潜热和热化学储热三种主要储热方式，相比前两者热化学储热具有储热密度高、长周期存储热损小等特点，被认为是极具应用前景的长周期跨季节储热技术。其中热化学吸收/吸附储热，具有环境友好、再生温度低的特点，且可通过改变压力参数实现对储放热过程热能品质的调控，满足不同品位热能/冷能的存储与供应需求，尤其适用于-20～250℃中低温温区热能/冷能存储，建筑或工业热量/冷量供应需求，具有较高能源综合利用效率。
4.经对现有技术的文献检索，专利申请号为cn 101855508 a的中国专利公开了一种热化学储热装置，该发明通过比热交换器靠下侧的水流路与分散板，将供给于容器的水均匀地向上供给于储热材料，实现储热材料与水的均匀混合与散热过程，该设计可防止储热材料进入水流路的内部。该装置采用三相热化学储热，然而散热过程采用两相，不利于传质速率与放热速率的提高。
5.专利申请号为cn 103256729 a与cn 108548443 a的中国专利公开了两种热化学储热装置。两专利通过反应器与蒸发/冷凝器、制冷剂储液器的连接，实现制冷剂蒸汽与储热材料的分离与结合。然而，该装置仅可实现两相热化学储热，限制了储热密度的提高。同时，散热过程中一旦出现储热材料液化，会导致专利cn 103256729 a中储热材料通过阀门进入制冷剂储液器，或导致cn108548443a中气态制冷剂通道的淹没，增加了控制难度，对装置的稳定性是一个考验。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种提高储热装置传热传质效率，进而提高储热放热速率，同时提高储热密度并保证储热装置稳定运行的一种基于多孔疏水膜的三相热化学储热装置。
7.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
8.一种基于多孔疏水膜的三相热化学储热装置，包括：
9.吸收/吸附反应器，包括第一绝热外壳、微针肋阵列板组件和多孔疏水膜，在所述微针肋阵列板组件与多孔疏水膜之间形成吸收/吸附剂通道，在所述吸收/吸附剂通道内设置储热介质；在所述微针肋阵列板组件与第一绝热外壳之间形成冷/热源通道，所述冷/热源通道通过冷热源出口、冷热源进口与热源连通或者向外部供热；
10.冷凝器/蒸发器，设置于所述吸收/吸附反应器上方，所述多孔疏水膜将所述吸收/吸附剂通道与冷凝器/蒸发器内部空间隔开；
11.储液罐，通过泵液管道和排液管道与所述冷凝器/蒸发器相连；
12.其中，在吸热模式下，储热介质在热源作用下解析出气态制冷剂和固体结晶，所述气态制冷剂经多孔疏水膜进入冷凝器/蒸发器中冷凝，冷凝后的制冷剂通过排液管道存储至储液罐内，所述固体结晶依附于微针肋阵列板组件上微针肋板表面；在放热模式下，储液罐内的制冷剂通过泵液管道泵送至冷凝器/蒸发器，制冷剂在蒸发热作用下气化后经多孔疏水膜运动至吸收/吸附剂通道，并与微针肋板上的固体结晶发生化学反应放热，经冷/热源通道换热后向用户供热。
13.进一步的，所述微针肋阵列板组件还包括第一隔板，在所述第一隔板的上方设置微针肋板和第二隔板，所述微针肋板在所述第一隔板上呈阵列状布置，所述第二隔板设置在所述微针肋板的外侧，所述吸收/吸附剂通道形成在所述多孔疏水膜、第二隔板、第一隔板之间。
14.进一步的，所述第一隔板与所述多孔疏水膜呈平行状设置，所述微针肋板与所述第一隔板呈垂直状设置。
15.进一步的，所述微针肋板从靠近第一隔板的一端向靠近多孔疏水膜的一端呈截面渐缩状设置。
16.进一步的，所述第一隔板覆盖所述第一绝热外壳的整个内截面，在所述第一隔板上设置分散孔，其中，所述分散孔与所述冷热源进口设置在所述冷/热源通道的相对两端，所述冷热源进口与所述冷热源出口设置在所述冷/热源通道的同侧。
17.进一步的，在所述第一隔板的下方设置若干个微针肋板，多个所述微针肋板在所述第一隔板的下表面呈均匀阵列状布置。
18.进一步的，所述吸收/吸附反应器内部的横向截面面积大于所述冷凝器/蒸发器内部的横向截面面积，所述第一绝热外壳与所述冷凝器/蒸发器的第二绝缘外壳通过法兰密封装配连接，所述多孔疏水膜横向方向的长度与所述冷凝器/蒸发器横向方向的长度相等。
19.进一步的，所述冷凝器/蒸发器内部设置制冷剂托盘，在所述制冷剂托盘上缠绕换热盘管，所述泵液管道的两端分别为制冷剂出口和进液口，所述制冷剂出口设置在所述制冷剂托盘的底壁上，所述进液口设置在所述储液罐内部；所述排液管道的两端分别为排液口与制冷剂进口，所述排液口设置在所述储液罐内部，所述制冷剂进口设置在所述冷凝器/蒸发器内部。
20.进一步的，所述进液口设置在所述储液罐的上端，所述排液口设置在所述储液罐的下端，所述制冷剂进口设置在所述制冷剂托盘的上方，所述制冷剂托盘的中心有用于制冷剂蒸汽流通的通道，所述制冷剂托盘的顶部呈开放状设置，所述泵液管道与所述排液管道通过控制阀门切断管道的通断状态，在所述排液管道上设置排液泵。
21.进一步的，在所述排液管道上设置检修口，所述进液口设置在所述检修口与所述制冷剂出口之间。
22.相对于现有技术，本发明所述的基于多孔疏水膜的三相热化学储热装置具有以下优势：
23.(1)本发明所述的基于多孔疏水膜的三相热化学储热装置，利用微针肋阵列板组
件和多孔疏水膜，实现三相化学储热，提升储热密度与储放热反应速率，同时避免了液态的储热介质进入冷凝器/蒸发器，防止吸收/吸附剂通道在吸热状态下堵塞或者在放热状态下被淹没，便于控制，吸热、放热工作稳定。
24.(2)本发明所述的基于多孔疏水膜的三相热化学储热装置，冷/热源通道内设置的微针肋板，有利于减小冷热源流速方向与温度梯度的夹角，进一步强化对流换热的效率；吸收/吸附剂通道内设置的微针肋板阵列，有利于形成均匀分布的薄液膜，且垂直方向热量传递的强化有利于增加汽化核心促进液膜表面水分蒸发。
25.(3)本发明所述的基于多孔疏水膜的三相热化学储热装置，微针肋板阵列在吸收/吸附剂通道内可提供结晶核心，促进晶体在微针肋板表面的成核与生长，避免多孔薄膜表面及液膜表面晶体沉积，既有利于强化液膜表面水分蒸发，又有利于增大晶体比表面积，提升放热反应速率。
26.(4)本发明所述的基于多孔疏水膜的三相热化学储热装置，利用多孔疏水膜的孔隙结构构建的水蒸气传输通道，增加了吸收/吸附剂通道与水蒸气的接触面积，上述因素联合强化了吸收/吸附反应器内无机盐与水蒸气的热质传递作用，有利于协同提升储热密度与储放热反应速率。
附图说明
27.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
28.图1为本发明实施例所述三相热化学储热装置原理图；
29.图2为本发明实施例所述吸收/吸附反应器的俯视结构示意图；
30.图3为本发明实施例所述吸收/吸附反应器的侧视结构示意图；
31.图4为本发明实施例所述水蒸气穿过多孔疏水膜孔隙构建的水蒸气传输通道的原理示意图；
32.附图标记说明：
33.1-储液罐；2-排液口；3-排液泵；4-分散孔；5-微针肋板；6-吸收/吸附反应器；61-第一绝热外壳；7-冷热源出口；8-控制阀；9-进液口；10-检修口；11-制冷剂进口；12-制冷剂出口；13-制冷剂托盘；14-冷热源进口；15-换热盘管；16-吸收/吸附剂通道；18-微针肋阵列板组件；19-第一隔板；20-多孔疏水膜；21-冷凝器/蒸发器；211-第二绝热外壳；22-第二隔板；23-冷/热源通道；24-水蒸气。
具体实施方式
34.为了使本发明的技术手段及达到目的与功效易于理解，下面结合具体图示对本发明的实施例进行详细说明。
35.需要说明，本发明中所有进行方向性和位置性指示的术语，诸如：“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“顶”、“低”、“横向”、“纵向”、“中心”等，仅用于解释在某一特定状态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、连接情况等，仅为了便于描述本发明，而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能
理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
36.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
37.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
38.如图1～4所示，本发明公开了一种基于多孔疏水膜的三相热化学储热装置，包括：
39.吸收/吸附反应器6，包括第一绝热外壳61、微针肋阵列板组件18和多孔疏水膜20，在所述微针肋阵列板组件18与多孔疏水膜20之间形成吸收/吸附剂通道16，在所述吸收/吸附剂通道16内设置储热介质；在所述微针肋阵列板组件18与第一绝热外壳61之间形成冷/热源通道23，所述冷/热源通道23通过冷热源出口7、冷热源进口14与热源连通或者向外部供热；
40.冷凝器/蒸发器21，设置于所述吸收/吸附反应器6上方，所述多孔疏水膜20将所述吸收/吸附剂通道16与冷凝器/蒸发器21内部空间隔开；
41.储液罐1，通过泵液管道和排液管道与所述冷凝器/蒸发器21相连；
42.其中，在吸热模式下，储热介质在热源作用下解析出气态制冷剂和固体结晶，所述气态制冷剂经多孔疏水膜20进入冷凝器/蒸发器21中冷凝，冷凝后的制冷剂通过排液管道存储至储液罐1内，所述固体结晶依附于微针肋阵列板组件18上微针肋板5表面；在放热模式下，储液罐1内的制冷剂通过泵液管道泵送至冷凝器/蒸发器21，制冷剂在蒸发热作用下气化后经多孔疏水膜20运动至吸收/吸附剂通道16，并与微针肋板5上的固体结晶发生化学反应放热，经冷/热源通道23换热后向用户供热。
43.本发明所述的基于多孔疏水膜的三相热化学储热装置，在吸收/吸附反应器6内部设置的储热介质在初始吸热状态下为液态，液态的储热介质被限制在微针肋阵列板组件18和多孔疏水膜20之间的吸收/吸附剂通道16内部，吸热开始时，热源通过冷热源进口14向冷/热源通道23内供热，吸收/吸附剂通道16内的液态的储热介质中析出气态制冷剂(例如水蒸汽)和固体结晶(例如无机盐颗粒)，其中，由于多孔疏水膜20的作用，液态的储热介质被限制在吸收/吸附剂通道16内部，气化后的制冷剂穿过所述多孔疏水膜20后进入冷凝器/蒸发器21内被冷凝，而由于微针肋阵列板组件18上微针肋板5的作用，液态的储热介质析出固体结晶依附在微针肋板5上，既避免了吸收/吸附剂通道16在吸热状态下堵塞，又避免了吸收/吸附剂通道16在放热状态下被淹没；在冷凝器/蒸发器21内冷凝后的制冷剂通过排液管道存储至储液罐1内，吸热过程结束后，关闭制冷剂出口12与储液罐1间的控制阀门。同理，在放热过程中，打开制冷剂出口12与储液罐1间的控制阀门，将储液罐1内的制冷剂通过泵液管道泵送至冷凝器/蒸发器21，制冷剂蒸发气化后穿过多孔疏水膜20与微针肋板5上的固体结晶发生化学反应(例如水化学反应)，释放热量，此时，冷/热源通道23的冷热源出口7、冷热源进口14通过控制阀8与用户的待加热介质相连通，从而实现为用户供热。
44.本发明所述的多孔疏水膜的三相热化学储热装置，利用微针肋阵列板组件18和多孔疏水膜20，实现三相化学储热，提升储热密度与储放热反应速率，同时避免了液态的储热介质进入冷凝器/蒸发器21，避免了吸收/吸附剂通道16在吸热状态下堵塞或者在放热状态下被淹没，便于控制，吸热、放热工作稳定。
45.作为本发明的一个较佳示例，所述微针肋阵列板组件18还包括第一隔板19，在所述第一隔板19的上方设置微针肋板5和第二隔板22，所述微针肋板5在所述第一隔板19上呈阵列状布置，所述第二隔板22设置在所述微针肋板5的外侧，所述吸收/吸附剂通道16形成在所述多孔疏水膜20、第二隔板22、第一隔板19之间。作为本发明的示例，所述第一隔板19为金属隔板。
46.该设置公开了一种吸收/吸附剂通道16的形成结构，通过在吸收/吸附剂通道16内设置的微针肋板5阵列有利于形成均匀分布的薄液膜，有利于提高储热速率和储热密度，同时，由于微针肋板5阵列在无机盐通道内可提供结晶核心，促进晶体在微针肋板5表面的成核与生长，避免多孔疏水膜20表面及液膜表面晶体沉积，既有利于强化液膜表面水分蒸发，又有利于增大晶体比表面积，提升放热反应速率。
47.作为优选，所述第一隔板19与所述多孔疏水膜20呈平行状设置，所述微针肋板5与所述第一隔板19呈垂直状设置。
48.该设置通过垂直方向热量传递的强化有利于增加汽化核心，促进液膜表面水分蒸发，进一步提高储热速率。
49.作为优选，所述微针肋板5从靠近第一隔板19的一端向靠近多孔疏水膜20的一端呈截面渐缩状设置。
50.该设置进一步提高了晶体在微针肋板5上吸附生长或者发生化学反应的效率，提升吸热/放热反应速率。
51.作为本发明的一个较佳示例，所述第一隔板19覆盖所述第一绝热外壳61的整个内截面，在所述第一隔板19上设置分散孔4，其中，所述分散孔4与所述冷热源进口14设置在所述冷/热源通道23的相对两端，所述冷热源进口14与所述冷热源出口7设置在所述冷/热源通道23的同侧。
52.该设置使得热源或者冷源在通过冷热源进口14进入冷/热源通道23后，通过第一隔板19与第二隔板22之间形成的环绕在吸收/吸附剂通道16外侧的传热通道进行换热，然后再通过分散孔4进入第一隔板19下方的冷/热源通道23内部，最后经过冷热源出口7排出。该设置通过对冷/热源通道23内部的流道进行限制，进一步提高了吸收/吸附反应器6进行吸热或者放热的效率。
53.作为本发明的一个较佳示例，在所述第一隔板19的下方设置若干个微针肋板5，多个所述微针肋板5在所述第一隔板19的下表面呈均匀阵列状布置。作为优选，所述第一隔板19上表面的微针肋板5与所述第一隔板19下表面的微针肋板5呈对称状布置。
54.通过在冷/热源通道23内设置的微针肋板5阵列有利于减小冷热源流速方向与温度梯度的夹角，进一步强化对流换热的效率，保证吸热、放热的可靠性。
55.作为本发明的一个较佳示例，所述吸收/吸附反应器6内部的横向截面面积大于所述冷凝器/蒸发器21内部的横向截面面积，所述第一绝热外壳61与所述冷凝器/蒸发器21的第二绝热外壳211通过法兰密封装配连接，所述多孔疏水膜20横向方向的长度与所述冷凝
器/蒸发器21横向方向的长度相等。作为优选，所述多孔疏水膜20可以设置多层。
56.本发明所述的基于多孔疏水膜的三相热化学储热装置，通过吸收/吸附反应器6与冷凝器/蒸发器21连接处设置的多孔疏水膜20，利用多孔薄膜孔隙结构构建的水蒸气传输通道，同时避免液态的储热介质通过，增加了无机盐与水蒸气的接触面积，保证三相热化学储热装置吸热、放热的可靠性。
57.具体的，如图4所示，在所述第一隔板19的上下表面均设置有呈阵列状布置的微针肋板5，在所述第一隔板19与所述多孔疏水膜20之间形成储存储热介质的空间，多根微针肋板5形成储热介质在吸热过程中析出无机盐晶体的结晶核心，在多根所述微针肋板5之间形成流动水蒸气的吸收/吸附剂通道16，储热介质在吸热状态下沿着微针肋板5形成水蒸气液膜，水蒸气24最终穿过多孔疏水膜20孔隙结构构建的水蒸气传输通道流向冷凝器/蒸发器21，而液态的储热介质依然被隔绝在吸收/吸附剂通道16中，从而实现三相热化学储热装置吸热功能，该装置所述的三相热化学储热装置的放热功能与前述方案类似，在此不再重复赘述。
58.作为本发明的一个较佳示例，所述冷凝器/蒸发器21内部设置制冷剂托盘13，在所述制冷剂托盘13上缠绕换热盘管15，所述泵液管道的两端分别为制冷剂出口12和进液口9，所述制冷剂出口12设置在所述制冷剂托盘13的底壁上，所述进液口9设置在所述储液罐1内部；所述排液管道的两端分别为排液口2与制冷剂进口11，所述排液口2设置在所述储液罐1内部，所述制冷剂进口11设置在所述冷凝器/蒸发器21内部。作为优选，所述进液口9设置在所述储液罐1的上端，所述排液口2设置在所述储液罐1的下端，所述制冷剂进口11设置在所述制冷剂托盘13的上方，所述泵液管道与所述排液管道通过控制阀门切断管道的通断状态，在所述排液管道上设置排液泵3。作为本发明示例，所述制冷剂托盘13的中心有用于制冷剂蒸汽流通的通道，所述制冷剂托盘13的顶部呈开放状设置。
59.作为本发明的一个较佳示例，在所述排液管道上设置检修口10，所述进液口9设置在所述检修口10与所述制冷剂出口12之间。所述检修口10与所述进液口9之间设置通断阀，所述检修口10能够用于抽真空。
60.作为本发明的一个较佳示例，在所述储液罐1上设置辅助电加热设备。
61.本发明所述的基于多孔疏水膜的三相热化学储热装置，用于实现一种可调节梯级相变储热装置控制方法，包括以下步骤：
62.在使用本发明所述的基于多孔疏水膜的三相热化学储热装置前，将装置的检修口10连通真空泵抽真空并向储液罐1内加入适量的制冷剂，添加完毕后将检修口10关闭。
63.吸热过程：吸热过程初始，吸收/吸附剂通道16内的储热介质为液体。热源由冷热源进口14进入由第一隔板19与第二隔板22之间形成的传热通道(即冷/热源通道23第一隔板19上方的通道，该传热通道环绕吸收/吸附剂通道16)，再通过分散孔4进入第一隔板19下方带有微针肋板5的冷/热源通道23中。热源通过传热通道与微针肋板5将热量传递给吸收/吸附剂通道16内的储热介质，吸热后液态储热介质中的水蒸气分离，通过多孔疏水膜20离开吸收/吸附剂通道16进入冷凝器/蒸发器21，水蒸气与冷凝器/蒸发器21中的换热盘管15换热凝结于制冷剂托盘13中，并通过制冷剂托盘13底部的制冷剂出口12在重力与压差作用下流入储液罐1。
64.随着吸热过程的进行，水蒸气不断分离，使得液态储热介质浓度增大，直至浓缩为
饱和溶液，进而结晶水合物从饱和溶液中析出，微针肋板5阵列在吸收/吸附剂通道16)内提供结晶核心，析出的晶体附着于微针肋板5表面，直至吸热过程结束，关闭制冷剂出口12与储液罐1间的控制阀门。
65.放热过程：打开制冷剂进口11与储液罐1间的控制阀门，开启排液泵3，将制冷剂泵入冷凝器/蒸发器21，在冷凝器/蒸发器21中换热盘管15的换热作用下，制冷剂蒸发，在压差的作用下，制冷剂蒸汽通过多孔疏水膜20进入吸收/吸附剂通道16，与微针肋板5表面的储热介质结晶发生水合反应，形成水合盐，释放热量。同时，冷源由冷热源进口14进入由第一隔板19与第二隔板22之间形成的传热通道(即冷/热源通道23第一隔板19上方的通道，该传热通道环绕吸收/吸附剂通道16，如图2中箭头所示)，再通过分散孔4进入第一隔板19下方带有微针肋板5的冷/热源通道23中，带走吸收/吸附剂通道16产生的热量。水合盐吸收更多的水蒸气，直至完全形成饱和盐溶液，饱和溶液进一步吸收水蒸气，形成储热介质的稀溶液。冷/热源通道23带走的热量供给于用户侧。
66.本发明所述的基于多孔疏水膜的三相热化学储热装置，在冷凝器/蒸发器21与吸收/吸附反应器6的连通处设置多孔疏水膜20，有效避免液态储热介质进入冷凝器/蒸发器21，同时在吸收/吸附反应器6内部的微针肋阵列板组件18与多孔疏水膜20之间形成的吸收/吸附剂通道16，大大促进了晶体在微针肋板5表面的成核与生长，强化液膜表面水分蒸发，增大晶体比表面积，提高储热和放热效率，避免晶体与水发生水化学反应释放热量时淹没吸收/吸附反应器6内的流通通道，同时利用多孔疏水膜20的孔隙结构构建的水蒸气传输通道，增加了无机盐与水蒸气的接触面积，上述因素联合强化了反应器内无机盐与水蒸气的热质传递作用，有利于协同提升储热密度与储放热反应速率。
67.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。