Система для каскадной обработки смесей твердых веществ и паров и способ каскадной обработки смесей твердых веществ и паров - RU2101626C1

Чертежи

Описание

В этой области техники известно использование соединений, включающих в себя смеси твердых веществ и паров, образующиеся при адсорбции, иногда называемой абсорбцией, молекул газа на твердом адсорбенте, в качестве рабочих материалов теплового насоса.

Системы теплового насоса, использующие такие материалы, имеют некоторые преимущества по сравнению с другими тепловыми насосами для остаточного и коммерческого конденсирования помещений, промышленной перекачки тепла и охлаждения.

Такие преимущества включают в себя более высокое повышение температуры, создаваемое средами твердых веществ и паров, по сравнению с другими сорбционными средами, что исключает потребность в градирнях или в каскадировании подъема. Кроме того, аппаратура, используемая для тепловых насосов на соединениях твердых веществ и паров, если и требует, то немногих движущихся частей, что приводит к простому и надежному оборудованию. Кроме того, такие системы не используют нежелательные схемы управления потоком (CFC).

Смеси твердых веществ и паров, подходящие для тепловых насосов, включают в себя сложные составы, которые являются материалами, адсорбирующими молекулы газа для образования координационных связей, в которых газовый реагент координируется через смещение электронов с твердым адсорбентом, обычно твердой неорганической солью металла. Процесс адсорбции-десорбции выделяет значительное количество тепла во время адсорбции и поглощает энергию во время фазы десорбции.

В отличие от большинства других процессов сорбции, все реакции адсорбции или десорбции могут происходить при постоянной температуре, тем самым исключая проблемы с горячим и холодным концами сорбера. Полезные газообразные реагенты включают в себя воду, аммиак, метанол и подобные вещества. Некоторое число таких материалов описывается в патентах США 4 822 391 и 4 848 994.

Приводимые в действие теплом тепловые насосы состоят из подсистемы теплового двигателя, которая порождает пары хладагента с очень высоким давлением, по существу, теплового компрессора и подсистемы теплового насоса, которая использует хладагент с высоким давлением для создания охлаждения и перекачки тепла.

Тепловой компрессор, тепловой насос и их сочетание в приводимом в действие теплом тепловом насосе содержат полезные термодинамические системы, которые выгодно используют реакции твердого вещества и газа. В патенте США N 5027607 описывается аппаратура и методы, использующие каскадные методы постоянного давления, приводящие к улучшенным системам приводимых в действие теплом тепловых насосов.

Задачей настоящего изобретения состоит в использовании таких реакций и каскадных методов для еще большей выгоды и эффективности.

В настоящем изобретении обеспечиваются усовершенствования аппаратуры, используемые в приводимом теплом в действие тепловом насосе, описанном в упомянутых выше совместно рассматриваемых заявках.

Эти усовершенствования содержать паровой рекуператор и жидкостный переохладитель и могут использоваться по отдельности или в сочетании. Паровой рекуператор используется вместе с системой, включающей в себя конденсатор хладагента и испаритель или приемники абсорбера-десорбера для газового реагента, направляемого к реакторам и от них. Жидкостный переохладитель используется только в системе изменения фазы хладагента (конденсатор и испаритель).

Для другого воплощения раскрываются множественные схемы для направления через реакторы других текучих сред переноса тепла. Еще в одном другом воплощении предпочитаемые среды реагента включают использование в различных реакторах одного или большего числа специальных сложных соединений.

Раскрываются эти предпочитаемые сложные соединения.

На фиг.1 и 2 показаны эти схематические иллюстрации аппаратуры, согласно настоящему изобретению, включающей паровой рекуператор; на фиг.3 - схематическая иллюстрация аппаратуры, согласно изобретению, включающей жидкостный переохладитель; на фиг.4 схематическая иллюстрация той же аппаратуры, согласно изобретению, включающей в себя и паровой рекуператор, и переохладитель.

При использовании здесь термина "соединение" подразумевается, что он означает любой продукт реакции, образованный адсорбцией и десорбцией газообразного реагента, то есть хладагента на твердом реагенте в объеме изобретения.

При применении дискретного каскадирования цикла двигателя с постоянным давлением, соответствующего изобретению, выбирается множество из двух или большего числа различных твердых реагентов, а отличающийся твердый реагент вводится в другой реактор или место реакции в аппаратуре теплового насоса.

Различные соединения из набора, ряда или группы соединений, используемых в процессе, выбираются и располагаются в возрастающем порядке давления паров газообразного реагента, так что температура адсорбции соединения с более низким давлением паров при более низком давлении реакции (адсорбция) по меньшей мере на 8^oC выше, чем температура десорбции следующего соединения с более высоким давлением паров при высоком давлении реакции (десорбция).

Каждое из соединений из таких наборов или групп обнаруживает также отличающиеся кривые давления паров, то есть каждая имеет отличающуюся связь давления паров с температурой, которые независимы от концентрации газообразного реагента. Путем выбора соответствующих соединений и расположения их в упомянутой выше последовательности цикла процесса будет проводиться так, что тепло адсорбции всегда создает температуру, достаточную для возбуждения следующей или более поздней реакции десорбции в цикле.

Кроме того, из ряда выбираются соединения, так что никакое из соединений в том же самом реакторе не имеет дополнительного координационного шага при более низкой температуре равновесия, которые могут адсорбировать больше газа реагента из двух смесей во время температуры равновесия или состояния простоя, что уменьшало бы эффективность цикла во время прерывающейся работы.

Кроме того, массы каждого соединения регулируются таким образом, что для десорбции каждого соединения требуется приблизительно равное количество тепла.

Специальные реагенты, используемые для образования соединений, полезных в изобретении, содержат оксиды, галогениды, фторобораты, карбонаты, нитриты, нитраты, оксалаты, сульфиды, сульфаты и хлораты металла.

Предпочитаемые металлы для неорганических солей выбираются из щелочных и щелочноземельных металлов, переходных металлов, алюминия, цинка, кадмия и олова. Предпочитаемыми металлами переходного ряда являются марганец, железо, никель и кобальт. Полезны также дихлоридные соли металлов для упомянутых выше металлов, особенно щелочных, щелочноземельных, алюминия и предпочитаемых переходных металлов.

Ниже эти реагенты иногда будут называться твердыми веществами, солями или твердыми реагентами. Особенно предпочитаются галогениды кальция и стронция.

Газообразные реагенты, которые адсорбируются на твердых веществах для образования соединений, которые особенно полезны в процессах из настоящего изобретения, это аммиак, вода, метиламин и метанол, причем особенно подходит аммиак из-за того, что он устойчив и образует высокоэнергетические комплексы.

Однако могут также использоваться диоксид серы, другие низшие спирты, пиридин, алкиламины, полиамины и фосфин, а также любой другой полярный хладагент, имеющий по крайней мере три пары свободных электронов. С оксидами металлов также полезен диоксид углерода.

Эти газообразные реагенты называются в дальнейшем также хладагентами. Особенно предпочитаемыми насыщенными аммиаком комплексными соединениями являются:
BaCl₂•0-8 (NH₃ ), CaCl₂•4-8 (NH₃), CaCl₂•2-4 (NH₃), SrCl₂•1-8 (NH₃),
LiCl•0-3 (NH₃), SrBr₂ •2-8 (NH₃), CaBr₂•2-6 (NH₃), CoCl₂•2-6 (NH₃), NiCl₂•2-6 (NH₃), FeCl₂•2-6 (NH₃), FeBr₂•2-6 (NH₃), CoBr₂•2-6 (NH₃),
NiBr₂•2-6 (NH₃), AlCl₃•3-5 (NH₃), CaCl₂•0-1 (NH₃), CaCl₂•1-2 (NH₃),
CuSO₄•2-4 (NH₃), NaBF₄•0,5-2,5 (NH₃) и NaBr•0-5,25 (NH₃).

Хотя в упомянутых выше комплексных соединениях дается числовое значение молей аммиака на моль соли, в некоторых комплексах даваемый диапазон молей содержит несколько координационных шагов. Таким образом, например, в случае соединений NaBF₄, число различных шагов реакции заключено между данными числовыми пределами.

Однако, обычно практические соображения позволяют нам использовать только часть предназначаемого координационного диапазона. Соответственно упомянутые выше диапазоны предназначаются для их приближения, как будет понято специалистам.

В конкретном примере набора или ряда соединений для иллюстрации системы, соответствующей изобретению, соли FeCl₂, SrBr₂ , SrCl₂ и BaCl₂ используются в тепловом насосе, состоящем из четырех отдельных реакционных сосудов или отдельных областей переноса тепла в одном или нескольких реакторах. Соединения содержат аммиачное лигандовое комплексное соединение упомянутых выше солей, как говорилось выше.

На фиг.1 схематично иллюстрируется пример воплощения аппаратуры для осуществления разделенного на каскады теплового насоса с дискретным постоянным давлением. Соли загружаются в реакторы 12, 14, 16 и 18 соответственно в последовательном возрастающем порядке давления паров лиганда комплексного соединения.

Таким образом, первый реактор 12 загружается FeCl₂, реактор 14 - SrBr₂, реактор 16 SrCl₂, а реактор 18 BaCl₂.

Аппаратура содержит горелку 20, теплообменник 22, испаритель 24 и конденсатор 26 вместе с соответствующими клапанами и трубопроводами, для направления аммиачного газа из реакторов и конденсатора и испарителя к ним, и клапаны 52, 54 и 56 для направления текучей среды переноса тепла между реакторами, а также насосы и трубопроводы теплового обмена для перекачки текучей среды переноса тепла в системе.

В первом полуцикле реактора 12, содержащий имеющую высокую температуру соль FeCl₂, находится под высоким давлением, и реактор 16, содержащий SrCl₂, тоже находится под высоким давлением. Реакторы 14 и 18 находятся при низком давлении, причем реактор 18 содержит BaCl₂, а реактор 14 содержит SrCl₂.

Во время первого полуцикла клапаны 52 и 56 располагаются так, что насос 19 осуществляет циркуляцию текучей среды теплового переноса через реакторы 14 и 16, перенося этим энергию, выделяющуюся во время адсорбции газа, от реактора 14 к твердому реагенту в реакторе 16 для возбуждения реакции десорбции, происходящей там.

Посредством установок клапана и надлежащего расположения клапана 15 энергия, выделяющаяся во время адсорбции в реакторе 18, отводится или восстанавливается через теплообменник 22.В этой первой половине теплообменного цикла клапана 25 тоже располагается для направления аммиачных паров от реакторов 12 и 16 к конденсатору 26 и от испарителя 24 к реакторам 14 и 18.

Насос 17 осуществляет циркуляцию текучей среды теплового переноса от горелки 20 к реактору 12 для запуска десорбции соединения в этом реакторе.

До начала второго полуцикла процесса требуется короткая фаза тепловой рекуперации и температурного сдвига. Клапанные положения изменяются так, что реакторы 12 и 14 связываются, и реакторы 16 и 18 связываются соответственно, для связи теплового переноса. Текучая среда теплового переноса перекачивается через каждую пару связанных реакторов для переноса тепла от более горячего реактора к более холодному.

Таким образом, реактор 12 охлаждается, тогда как реактор 14 нагревается; реактор 16 охлаждается, тогда как реактор 18 нагревается. Это оканчивает рекуперативную и связанную с регулировкой температуры фазу в приготовлении к второму полуциклу.

Во втором полуцикле горелка 20 не используется. Твердый реагент в реакторе 14 десорбирует свой хладагент при возбуждении теплом от реакции адсорбции в реакторе 12. Соединение в реакторе 18 десорбирует при возбуждении теплом, выделяемым от адсорбции соединения в реакторе 16. Аммиак от реакций десорбции направляется к конденсатору 26, а аммиак для реакций адсорбции получается от испарителя 24.

В заключении второго полуцикла другая фаза рекуперации и регулировки температуры, подобная описанной раньше, подготавливает системы к повторению первого полуцикла. Аппаратура с Фиг.1 может, кроме того, модифицироваться объединенными реакторами 12 и 16 и объединенными реакторами 14 и 18 в одном соседу соответственно, так как оба реактора в каждой из двух пар всегда находятся под одним и тем же давлением.

Все четыре соединения могут находиться в одном реакторе, причем каждый насос состоит из двух таких реакторов, и каждый работает попеременно под высоким и под низким давлением.

При выборе предпочитаемых соединений, соответствующих настоящему изобретению, предпочитаемыми соединениями с самым высоким давлением паров для использования в одном или более каскадных с более высоким давлением паров являются CaCl₂•4-8 (NH₃), CaCl₂•2-4 (NH₃) и их смеси, SrCl₂•1-8 (NH₃), BaCl₂•0-8 (NH₃), LiCl•0-3 (NH₃), SrBr₂•2-8 (NH₃), CaBr₂•2-6 (NH₃), FeCl₂ •2-6(NH₃), CoCl₂•2-6 (NH₃), NaBF₄•0,5-2,5 (NH₃) и NaBr•0-5,25 (NH₃).

Предпочитаемыми соединениями, используемыми в одном или большем числе каскадов с более низким давлением паров, является SrCl₂•1-8 (NH₃, CaCl₂ •2-4 (NH₃), LiCl•0-3 (NH₃), SrBr₂•2-8 (NH₃), CaBr₂•2-6 (NH₃), FeCl₂•2-6 (NH₃ ) и CoCl₂• 2-6 (NH₃), CoBr₂•2-6 (NH₃), NiCl₂)•2-6 (NH₃), CuSO₄•2-4 (NH₃) и CaCl₂•0-1 (NH₃) и CaCl₂•1-2 (NH₃), используемые по отдельности или в сочетании.

Самая предпочитаемая группировка соединений использует CaCl₂•4-8 (NH₃), CaCl₂•2-4 (NH₃) или их сочетание, или SrCl₂•1-8 (NH₃) низкотемпературном каскаде, то есть, соединения с самым высоким давлением паров, CaBr₂•2-6 (NH₃) в промежуточном каскаде и CaCl₂•0-1 (NH₃), CaCl₂•1-2 (NH₃) и их смеси в высокотемпературном каскаде (низкого давления).

Важная особенность и преимущество изобретения состоят в каскадировании реакций адсорбции и десорбции, таком, что тепло, порождаемое экзотермическими реакциями адсорбции направляется к реакторам для возбуждения эндотермических реакций десорбции.

Согласно настоящему изобретению, различные комплексные соединения, находящиеся в различных реакторах, используются в порядке возрастания давления паров газообразного реагента так, что температура адсорбции для соединения с более низким давлением паров при давлении адсорбции по крайней мере на 8^oC выше, чем температура десорбции соединения со следующим по порядку более высоким давлением паров при давлении десорбции.

Таким образом, линии для направления текучей среды теплового переноса между реакторами и в тепловой связи с соединениями таковы, что текучая среда направляется последовательно от составов с более низким давлением паров к составам с более высоким давлением паров.

Упомянутые выше специальные комплексные соединения могут использоваться в системе приводимого в действие теплом теплового насоса, заключающего в себе принимающие средства, содержащие один или большее число испарителей и один или большее число конденсаторов, в которой хладагент проходит через газо-жидкостное фазовое изменение, как иллюстрируется на фиг.1, или используется в системе, в которой принимающие средства содержат реакторы для адсорбирования (абсорбирования) и десорбирования хладагента для замены испарителя и конденсатора, как в патенте США 5 079 928.

Там, где используется один испаритель и один конденсатор, хладагент направляется к конденсатору от всех реакторов десорбции и от испарителя ко всем реакторам адсорбции.

Там, где используется множество испарителей или множество конденсаторов, каждый испаритель будет работать при отключающейся температуре, как и каждый из конденсаторов.

Могут использоваться другие принимающие средства, включающие устройства генерирования мощности, такие как турбина или другие средства расширения, или же цикл сорбции паров жидкости.

Кроме того, каскадная система этого типа может использоваться на тепловом насосе вместо стороны теплового двигателя для увеличения подъема температуры для данного коэффициента давления или для уменьшения коэффициента давления для данного подъема. При использовании в этом режиме система может приводится в действие либо механическим, либо тепловым компрессором.

Для каскадирования теплового насоса, как описывается в упомянутой выше заявке, комплексные соединения выбираются и располагаются в порядке возрастания температур адсорбции при одном и том же давлении адсорбции и десорбции соответственно, так что температура адсорбции соединения с более низкой температурой адсорбции при высоком давлении реакции по крайней мере на 8^oC, чем температура десорбции соединения со следующей по порядку более высокой температурой адсорбции при низком давлении реакции.

Паровой рекуператор. Согласно изобретению, увеличение коэффициента полезного действия (КПД) и удельной емкости охлаждения обеспечивается паровым рекуператором, содержащим теплообменник, расположенным вдоль путей потока хладагента к реакторам и от них.

Как иллюстрируется на фиг.1, паровой рекуператор 40 помещается удобно вдоль трубопроводов 38 и 39 между реакторами и испарителями 24 и конденсатором 26 соответственно. При таком расположении рекуператор 40 обеспечивает тепловой обмен между потоками паров хладагента, текущими между реакторами и конденсатором и между испарителем и реакторами.

При добавлении такого рекуператора перегретый пар, текущий от реакторов десорбции к конденсатору, охлаждается против относительно холодного пара, направляемого от испарителя к реакторам адсорбции.

Поскольку рекуперированная энергия от перегретого хладагента, уходящего от реакции десорбции, переносится к холодному газообразному хладагенту, обычно уходящему от испарителя и затем подвергающемуся экзотермической адсорбции, термический коэффициент полезного действия увеличивается.

Паровой рекуператор может также выгодно устанавливаться между реакторами (каскадами) или, вместо этого, между реактором с самым высоким давлением и конденсатором и испарителем. Пары хладагента, выходящие из следующего самого горячего реактора, используются для нагревания паров, входящих в следующий самый холодный паровой реактор.

Кроме того, часто желательны сочетания различных размещений рекуператора, например, между реактором с самым высоким давлением и конденсатором и испарителем и/или между двумя реакторами более низких каскадов.

В воплощении, показанном на фиг.2, реакторы 55 и 57 заменяют компоненты испарителя и конденсатора, используемые в аппаратуре изменения фазы хладагента с фиг.1. Такие реакторы содержат твердые и жидкие растворы для попеременного адсорбирования (абсорбирования) и десорбирования хладагента, направляемого от каскадных реакторов 72, 74 и 76.

Реакторы 55 и 57 работают совместно с теплообменами (не показаны) для восстановления энергии из реакции попеременной хемисорбции.

Паровой рекуператор 40 в этом воплощении функционирует таким же самым образом, как и на фиг.1, для охлаждения перегретого пара хладагента, направляемого от каскадного реактора десорбции к реактору адсорбции (55 или 57), против относительно холодного пара, направляемого от реактора десорбции (55 или 57) к каскадному реактору адсорбции.

Жидкостный переохладитель. В другом воплощении изобретения жидкостный переохладитель используется в аппаратуре изменения фазы хладагента, заключающей в себя испаритель и конденсатор.

Как иллюстрируется на фиг.3, жидкостный переохладитель 42, содержащий жидкостно-паровой теплообменник, обеспечивается для охлаждения жидкого хладагента, текущего от конденсатора к регулирующему вентилю 31 через трубопровод 33 против относительно холодного пара, выходящего из испарителя 24.

Жидкостный переохладитель 42 удобно располагается вдоль трубопроводов 33 между конденсатором 26 и испарителем 24 на стороне конденсатора регулирующего вентиля 31 или других средств газового распространения и трубопровода 38, благодаря чему эти потоки текучей среды находятся в тепловой связи для обеспечения между ними переноса тепла.

Этот тепловой перенос вызывает то, что жидкий хладагент в трубопроводе 33 становится переохлажденным, путем теплового обмена против относительно холодного пара от испарителя в трубопроводе 38, благодаря чему меньшая часть жидкости будет мгновенно превращаться в пар в изонтальпическом расширении, увеличивая этим холодопроизводительность и охлаждающую способность системы на основании количества текучей среды хладагента, направляемой через систему.

Еще одним преимуществом переохладителя является увеличение энергии, обеспечиваемой в потоке пара от испарителя к реактору (реакторам) адсорбирования, что у конечном итоге уменьшает первичную энергию, нужную для запуска реакций десорбции. Соответственно холодопроизводительность и КПД увеличиваются.

На фиг.4 иллюстрируется пример аппаратуры, заключающей в себе и паровой рекуператор 40, и жидкостный переохладитель 42.

Кроме того, на фиг.2 иллюстрируется воплощение, использующее множественные схемы для направления текучих сред теплового переноса к солям в реакторах и от них с прохождением текучих сред теплового переноса через реакторы. Использование множественных схем в реакторах предусматривает использование различных текучих сред теплового переноса и различных фаз этих текучих сред.

Например, реактор 72 может прямо зажигаться топочным газом или выхлопом из горелки 71 во время фазы десорбции, и отличающаяся текучая среда, и другая жидкость теплового переноса может использоваться для отведения и удаления тепла во время фазы десорбции.

Множество различных текучих сред теплового переноса может использоваться в различных схемах для поддержания высоких коэффициентов переноса тепла выше температуры теплообмена, требуемой при каскадировании реакторов и соединений. К системе может приспосабляться использование специальных и различных текучих сред теплового переноса, в зависимости от различных сочетаний солей и диапазонов температур, достигаемых в фазах реакций.

При использовании таких систем текучие среды теплового переноса могут выбираться для получения оптимального преимущества их соответствующих свойств теплового переноса.

В еще одном примере в иллюстрируемой трехсолевой системе высокотемпературная соль в реакторе 72 может десорбироваться прямым зажиганием или нагреванием горячей текучей средой от печи 71, причем теплопереносящая среда фазового изменения, такая, как Dowtherm J^® используемая для переноса тепла от высокотемпературного реактора 72 к реактору с промежуточной температурой 74 во время адсорбции высокотемпературной соли и десорбции соединений с промежуточной температурой.

Вода может использоваться для переноса энергии от промежуточного реактора к реактору нижнего каскада 76 с практичным фазовым изменением или переносом перекачиваемого тепла, а аммиак фазового изменения для переноса тепла от низкотемпературной соли в реакторе 76 к теплообменнику 70 (отвод тепла). Такое использование четырех несовместимых текучих сред требует двойных схем в каждом реакторе.

Такие множественные схемы могут также использоваться для получения преимущества использования высокотемпературных выхлопных газов от печи 71 или от внешних источников отходов или отвода тепла путем направления таких нагреваемых текучих сред через реакторы и другой текучей среды, например, воды или масла теплового переноса для отвода тепла.

Каскадные циклы могут использовать две или три различных текучих среды теплового переноса и/или теплопереносящих текучих сред фазового изменения для поддержания хороших транспортировочных свойств выше всех температур теплообмена, требуемых для каскадирования.

Для специалистов будут очевидны эти и другие преимущества, находящиеся в объеме изобретения.

Реферат

Использование: изобретение относится к системам перекачки тепла и охлаждения. Сущность изобретения: система содержит множество из двух или более реакционных камер 12, 14, 16 и 18, где в каждой имеется различное соединение, содержащее твердый реагентный адсорбент и газообразный реагент, адсорбируемый на нем, причем каждое из названных соединений имеет отличающееся давление паров газообразного реагента, по существу, независимое от концентрации газообразного реагента, и имеет возрастающий порядок давления паров газообразного реагента, в котором температура адсорбции соединения с низким давлением паров при давлении адсорбции по крайней мере на 8^o C выше температуры десорбции следующего по порядку соединения с более высоким давлением паров при давлении десорбции, средства 17, 19, 52, 54 и 56 для направления текучей среды теплового переноса к названным реакционным камерам и от них, с помощью которых тепло от экзотермической реакции адсорбции направляется к реакционной камере для возбуждения эндотермической реакции десорбции, и средства теплового обмена для избирательного выделения и/или поглощения тепла из названных реакционных камер, средства конденсатора 26, содержащие одиночный конденсатор и трубопроводные средства 38 для направления газообразного реагента от названного испарителя к каждой из названных реакционных камер, или два или больше испарителей, каждый из которых работает при отличающейся температуре. Газообразный реагент содержит аммиак, воду, диоксид углерода, диоксид серы, низший спирт, акиламин, полиамин, фосфин или полярный хладагент, имеющий по крайней мере одну пару свободных электронов, а твердый реагент содержит неорганическую соль. Кроме того, система содержит паровой рекуператор 40 для обмена теплом между хладагентом, текущим от реакторов к конденсатору и от испарителя к реакторам, и жидкостный переохладитель 42 для теплового обмена для охлаждения хладагента, текущего от конденсатора 26, холодным паром, выходящим из испарителя 24. 5 с. и 15 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула