一种基于热泵辅助的热化学储热系统及储热方法

技术领域

本发明属于储热技术领域，具体涉及一种基于热泵辅助的热化学储热系统及储热方法。

背景技术

当前能源供应紧张的情况下，人们不断寻求既节能又环保的新能源。热泵是一种能够实现热能转移的装置。它通过利用外部环境中的低温热源，使用压缩机等设备将低温热能提升到高温，大量利用自然资源和余热资源中的热量，并传递给需要加热的对象或空间，有效节约民用和工业所需的一次能源。作为一种新的供热技术，热泵因为具有高效、节能、环保、安全、稳定等特点而受到广泛关注，并迅速应用于实际工程中。然而，传统的热泵系统不太适用于低温工况。随着外界环境温度的降低，传统热泵的制热能力会逐渐受限，同时耗电量可能会增加。

热化学储热技术是一种将热能转化为化学能并在需要时再次释放出来的储热技术。热化学储热技术具有高储能密度、长期储存、可控性强等优点，可以实现季节性长期存储和长距离运输，并且能够实现热能品位的提升，适用于低温工况。但是，热化学储热系统的整体效率较低，若将热泵系统与热化学储热系统相结合，就能够克服两者技术缺陷，进行优势互补。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足，并提供一种基于热泵辅助的热化学储热系统及储热方法。

本发明所采用的具体技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种基于热泵辅助的热化学储热系统，包括换热器、四通换向阀、压缩机、冷凝热化学蓄热器和冷凝蒸发器。其中四通换向阀四个接口。

换热器的第一接口通过换热流体管路与四通换向阀的一个接口连接。四通换向阀的两个压缩机接口分别与压缩机的出口和入口相连。四通换向阀的另一个接口与冷凝热化学蓄热器的第一接口相连。冷凝热化学蓄热器的第二接口通过换热流体管路与换热器的第二接口相连，构成热泵循环子系统。

冷凝热化学蓄热器内设置吸附剂。冷凝蒸发器内设置液态吸附质。冷凝热化学蓄热器的进出口通过吸附质管路与冷凝蒸发器的进出口相连，构成吸附循环子系统。

作为优选，上述冷凝热化学蓄热器的第二接口与换热器的第二接口连接的换热流体管路上设置节流阀。

作为优选，上述吸附质管路上设置开关阀。

作为优选，上述换热流体管路中的换热流体为水、导热油、熔融盐、液态金属或空气中的一种。

作为优选，上述冷凝蒸发器内设置的液态吸附质为液氨、甲醇或液态氢中的一种。

作为优选，上述冷凝热化学蓄热器内设置的吸附剂为金属氯化物、活性炭或复合吸附剂。

第二方面，本发明提供一种利用第一方面所述的基于热泵辅助的热化学储热系统的储热方法，其特征在于，包括热泵循环子系统的储热过程和吸附循环子系统的放热过程。

储热过程为：打开节流阀和开关阀。为换热器提供外部热源，使得经过换热器升温后的换热流体从换热器的第一接口流出，通过换热流体管路进入四通换向阀。换热流体依次通过四通换向阀和压缩机后进入冷凝热化学蓄热器中，为冷凝热化学蓄热器中的吸附剂提供热量，使得吸附剂上的吸附质解吸。解吸的气态吸附质从冷凝热化学蓄热器的进出口流出，通过吸附质管路进入冷凝蒸发器中吸收热量冷凝后成为液态吸附质。当解吸完成后，关闭开关阀，使得热量储存在冷凝蒸发器中。完成热交换的换热流体从冷凝热化学蓄热器的第二接口流出，通过换热流体管路经过节流阀降压后，通过换热器的第二接口进入换热器中。

放热过程为：打开开关阀。为冷凝蒸发器提供外部热源，使得液态吸附质蒸发成为气态吸附质。气态吸附质从冷凝蒸发器的进出口流出，通过吸附质管路进入冷凝热化学蓄热器中，与冷凝热化学蓄热器中的吸附剂发生吸附反应，放出大量的热，与换热流体进行热交换。升温后的换热流体从冷凝热化学蓄热器的第一接口流出，通过换热流体管路进入四通换向阀，换热流体依次通过四通换向阀和压缩机后进入换热器中，得到高温的换热流体。

作为优选，上述储热过程和放热过程交替进行，获得更高的温升，实现热量的储存与利用。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

(1)本发明将普通热化学储热系统与热泵循环相结合，能够在充热阶段有效降低热源需求温度，在放热阶段提高输出温度，提高了储热效率和储热性能，改善了供热效果；

(2)本发明相较于普通的热泵系统，能够实现热能的存储，可更好的实现需求侧的供热要求；

(2)本发明采用冷凝器和换热器相结合的冷凝热化学蓄热器，能够有效降低传热过程中的热量损耗，提高传热效率。

附图说明

图1是本发明一种基于热泵辅助的热化学储热系统的储热过程的示意图。

图2是本发明一种基于热泵辅助的热化学储热系统的放热过程的示意图。

图中：换热器1、四通换向阀2、压缩机3、节流阀4、换热流体管路5、冷凝热化学蓄热器6、开关阀7、吸附质管路8、冷凝蒸发器9。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。本发明各个实施例中的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

本发明的一个较佳实施例提供了一种基于热泵辅助的热化学储热系统。如图1和图2所示，该储热系统包括换热器1、四通换向阀2、压缩机3、节流阀4、换热流体管路5、冷凝热化学蓄热器6、开关阀7、吸附质管路8和冷凝蒸发器9。该储热系统可分为热泵循环子系统和吸附循环子系统。

四通换向阀是一种用于控制流体流向的阀门，本实施例采用的四通换向阀2包括四个接口。

热泵循环子系统的连接方式为：换热器1的第一接口通过换热流体管路5与四通换向阀2的一个接口连接。四通换向阀2的两个压缩机接口分别与压缩机3的出口和入口相连。四通换向阀2的另一个接口与冷凝热化学蓄热器6的第一接口相连。冷凝热化学蓄热器6的第二接口通过换热流体管路5与换热器1的第二接口相连。需要说明的是，本实施例中，冷凝热化学蓄热器6的第二接口与换热器1的第二接口连接的换热流体管路5上设置用于控制换热流体流量的节流阀4。

本实施例中采用的冷凝热化学蓄热器6是指将冷凝器和换热器相结合的装置，该装置能够有效降低了传热过程中的热量损耗，提高了传热效率。

吸附循环子系统的连接方式为：冷凝热化学蓄热器6的进出口通过吸附质管路8与冷凝蒸发器9的进出口相连，且吸附质管路8上设置开关阀7。开关阀7用于控制该储热系统的储热过程和放热过程。

冷凝热化学蓄热器6内设置吸附剂。冷凝蒸发器6内设置液态吸附质。通过吸附剂、吸附质之间的吸附反应、解吸反应及热泵系统的换热实现储热过程和放热过程的循环。

需要说明的是，冷凝蒸发器6内设置的液态吸附质可以为液氨、甲醇或液态氢中的一种。冷凝热化学蓄热器6内设置的吸附剂为金属氯化物、活性炭或复合吸附剂，其中复合吸附剂是指包括盐和多孔基质的一类吸附剂。

本实施例还提供了一种利用上述基于热泵辅助的热化学储热系统的储热方法，包括热泵循环子系统的储热过程和吸附循环子系统的放热过程。其中换热流体包括但不限于水、导热油、熔融盐、液态金属、空气。

如图1所示，储热过程为：

打开节流阀4和开关阀7。为换热器1提供外部热源，使得换热器1中的换热流体升温，升温后的换热流体从换热器1的第一接口流出，通过换热流体管路5进入四通换向阀2。换热流体通过四通换向阀2和压缩机3之间的接口，经过压缩机3的压缩后回到四通换向阀2。换热流体通过四通换向阀2的另一接口进入冷凝热化学蓄热器6中。换热流体为冷凝热化学蓄热器6中的液态吸附剂提供热量，使得液态吸附剂上的吸附质解吸。解吸的气态吸附质从冷凝热化学蓄热器6的进出口流出，通过吸附质管路8进入冷凝蒸发器9中。气态吸附质在冷凝蒸发器9中，吸收热量冷凝后成为液态吸附质。当解吸完成后，关闭开关阀7，使得热量储存在冷凝蒸发器9中。完成热交换的换热流体从冷凝热化学蓄热器6的第二接口流出，通过换热流体管路5进入节流阀4，经过节流阀4降压后，通过换热器1的第二接口进入换热器1中。

如图2所示，放热过程为：

打开开关阀7。为冷凝蒸发器9提供外部热源，使得冷凝蒸发器9中的液态吸附质蒸发成为气态吸附质。气态吸附质从冷凝蒸发器9的进出口流出，通过吸附质管路8进入冷凝热化学蓄热器6中，与冷凝热化学蓄热器6中的吸附剂发生吸附反应，放出大量的热，与换热流体进行热交换。升温后的换热流体从冷凝热化学蓄热器6的第一接口流出，通过换热流体管路5进入四通换向阀2。换热流体通过四通换向阀2和压缩机3之间的接口，经过压缩机3的压缩后回到四通换向阀2。换热流体通过四通换向阀2的另一接口流出，通过换热流体管路5进入换热器1中，得到高温的换热流体。

储热过程和放热过程交替进行，通过吸附循环子系统中，材料吸附反应和解吸反应的循环进行，再结合热泵循环子系统，从而获得更高的温升，实现热量的储存与利用。

本发明结合了热泵系统与热化学储热系统，能够在充热阶段有效降低热源需求温度，提高了储热效率和储热性能，在放热阶段提高输出温度，改善了供热效果；可对低品位热能进行利用，同时适用于高温和低温工况。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。