一种基于有机骨架多孔纳米材料优化热力循环的辅助冷凝装置及循环系统

技术领域

本发明属于制冷技术领域，具体涉及一种基于有机骨架多孔纳米材料优化热力循环的辅助冷凝装置及循环系统。

背景技术

近年来，由于气候变化的影响，极端冷热环境对人们的生产生活产生重要的影响。空调广泛用于调节室内气温，但空调的运行需要消耗大量的电力，建筑物总能耗约40％由空调等装置消耗。制冷循环过程中冷凝温度和冷凝压力的下降可以提升制冷循环效率，减少压缩功耗。一般来说，为了使制冷剂蒸汽在冷凝器中冷凝需要预先利用压缩机对其进行加压处理，提高其冷凝压力。在绝热压缩过程中，制冷剂蒸汽温度升高，最终产生过热损失，降低了热力循环效率。在保证舒适性不变和室外环境条件极端化的情况下，如何改变冷凝温度/压力从而尽可能减少过热损失，使热力循环效率提升是一个难题。

已有相关文献报道基于多孔材料的吸附作用可以调控目标物分子的物理和化学性质。这主要是因为物质的熔、沸点等理化性质通常受到分子间作用力(包括范德华力和氢键)、空间限域效应和吸附作用等因素的影响。有机骨架材料包括金属有机骨架材料(MOFs)和共价有机骨架材料(COFs)。MOFs或COFs由于其高孔隙率、高比表面积和高度可调的物理化学结构在气体吸附领域受到广泛关注。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于有机骨架多孔纳米材料优化热力循环的辅助冷凝装置及循环系统。该辅助冷凝装置可起到辅助冷凝的作用，降低制冷剂蒸汽冷凝成制冷剂液体所需要的冷凝压力。

本发明所提供的技术方案如下：

一种基于有机骨架多孔纳米材料优化热力循环的辅助冷凝装置，包括：

管体；

设置在所述管体中的柱状的蜂窝状沸石固定床，所述蜂窝状沸石固定床的蜂窝中装填有有机骨架多孔纳米材料；

分别螺纹连接在所述管体的两端开口内的两个紧固螺纹管；

以及分别夹紧在所述紧固螺纹管和所述蜂窝状沸石固定床的端面之间的网孔垫片。

上述技术方案，将有机骨架多孔纳米材料均匀填充到固定床中从而得到填充有多孔纳米材料的固定床装置，即辅助冷凝装置，并可将该装置固定在冷凝器进气口前。发明人发现，当从压缩机排气口排出的制冷剂蒸汽流过该辅助冷凝装置时，由于多孔纳米材料吸附作用的影响，辅助冷凝装置可以高效吸附制冷剂蒸汽使其达到饱和状态。通过压力驱动，将多孔材料中的制冷剂蒸汽脱附出来，解吸的饱和制冷剂蒸汽在冷凝器上快速冷凝。

所述多孔材料的吸附作用是指：多孔材料由于其大量的微小空隙具有较大的比表面积，可以将制冷剂蒸汽分子吸附在孔道内和表面。在吸附过程中，由于制冷剂分子与多孔材料表面的各种物理化学作用(如静电作用、氢键作用、范德华力等)，制冷剂的理化性质发生变化，可较容易达到饱和状态。

所述压力驱动是指利用压缩机提供的排气压力，无需添加其他的压力驱动设备。

具体的，所述有机骨架多孔纳米材料为金属有机骨架纳米材料或共价有机骨架纳米材料，其具有多孔结构和非常大的比表面积。

金属有机骨架纳米材料可选自现有技术。例如，MOF-205纳米材料，可购买自齐岳生物科技有限公司；镍基Ni-MOF纳米材料，可购买自西安瑞禧生物科技有限公司的多孔镍基Ni-MOF材料品牌产品。

共价有机骨架纳米材料可选自现有技术，例如，1,4-二醛基-2,5-二乙烯基苯纳米材料，可购买自齐岳生物科技有限公司。

所述的固定床装置为蜂窝状沸石固定床，可购买自北京中航豫泓环保技术有限公司的固定床式蜂窝沸石分子筛品牌产品。该固定床的产品性能参数如下：堆积密度为370kg/m

具体的，一端的所述紧固螺纹管为制冷剂进口或出口，对应的，另一端的所述紧固螺纹管为制冷剂出口或进口。

具体的，各所述紧固螺纹管的一端螺纹连接所述管体，另一端可拆卸连接系统管路，或者与系统管路一体成型。

优选的，所述有机骨架多孔纳米材料的孔隙率大于50％。

本发明还提供了一种循环系统，至少包括依次连通的压缩机和冷凝器，在所述压缩机的排气口和所述冷凝器的进气口之间连通设置所述的基于有机骨架多孔纳米材料优化热力循环的辅助冷凝装置。

具体的，所述辅助冷凝装置的固定位置为距离冷凝器进气口2-5cm处。

具体的，所述基于有机骨架多孔纳米材料优化热力循环的辅助冷凝装置水平设置、倾斜设置或竖直设置。

具体的，所述循环系统为制冷系统或制热系统。

本发明的技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本发明利用一种基于有机骨架多孔纳米材料优化热力循环的辅助冷凝装置，可以高效吸附制冷剂蒸汽使其达到饱和状态，降低制冷剂蒸汽冷凝成制冷剂液体所需要的冷凝压力，从而降低压缩机的压缩功耗，使系统节能。

2)本发明具有操作简单、高效、绿色环保等优势，可显著提高制冷循环效率。

3)在实际工程中，该装置可用于逆卡诺循环的制冷设备中，根据环境温度、多孔纳米材料最大吸附能力，最大限度提高制冷效率。

附图说明

图1是本发明所提供的基于有机骨架多孔纳米材料优化热力循环的辅助冷凝装置的结构示意图。

附图1中，各标号所代表的结构列表如下：

1、管体，2、蜂窝状沸石固定床，3、有机骨架多孔纳米材料，4、紧固螺纹管，5、网孔垫片。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，基于有机骨架多孔纳米材料优化热力循环的辅助冷凝装置包括：管体1；设置在管体1中的柱状的蜂窝状沸石固定床2，蜂窝状沸石固定床的蜂窝中装填有有机骨架多孔纳米材料3；分别螺纹连接在管体1的两端开口内的两个紧固螺纹管4；以及分别夹紧在紧固螺纹管4和蜂窝状沸石固定床的端面之间的网孔垫片5。辅助冷凝装置通过两侧的紧固螺纹管连通系统管路，或直接连接压缩机和冷凝器。有机骨架多孔纳米材料根据实施例的情况具体设置。

实施例1

多组分寒冰制冷剂(HBR-22A)工质为湖北绿冷高科控股集团有限公司产品，测试机组为格力立式空调(KF-72LW)，制冷剂工质加入量2000g，环境温度为33℃。该条件下经测试，当多组分寒冰制冷剂(HBR-22A)从压缩机排气口的排出压力为13.6MPa时，才能在冷凝器中较好地冷凝。

镍基Ni-MOF多孔纳米材料(金属有机骨架纳米材料)，购买自西安瑞禧生物科技有限公司。将镍基Ni-MOF多孔纳米材料均匀填充在蜂窝状沸石固定床中，制备得到填充有多孔纳米材料的固定床装置，即辅助冷凝装置。将该装置固定在距离格力立式空调(KF-72LW)的冷凝器进气口3cm处。其他测试条件同上。该条件下经测试，当多组分寒冰制冷剂(HBR-22A)从压缩机排气口的排出压力为11.0MPa时，即可在冷凝器中较好地冷凝。

寒冰制冷剂压缩能效的测试：

测试仪器：莱帕克压缩制冷性能测定实验装置LPK-SRDE。

测试方法：测量压缩机制冷量，测量压缩机输入功率，然后二者相除得到能效比。

测试结果：与对照组(无辅助冷凝装置)相比，测试得到添加辅助冷凝装置的实验组的压缩能效提高8％。

以上结果表明，基于金属有机骨架多孔纳米材料优化热力循环的辅助冷凝装置，可以高效吸附制冷剂蒸汽使其达到饱和状态，降低制冷剂蒸汽冷凝成制冷剂液体所需要的冷凝压力，从而降低压缩机的压缩功耗，使系统节能。

实施例2

多组分寒冰制冷剂(HBR-22A)工质为湖北绿冷高科控股集团有限公司产品，测试机组为格力立式空调(KF-72LW)，制冷剂工质加入量2000g，环境温度为33℃。该条件下经测试，当多组分寒冰制冷剂(HBR-22A)从压缩机排气口的排出压力为13.6MPa时，才能在冷凝器中较好地冷凝。

将1,4-二醛基-2,5-二乙烯基苯多孔纳米材料(共价有机骨架纳米材料)均匀填充在蜂窝状沸石固定床中，制备得到填充有多孔纳米材料的固定床装置，即辅助冷凝装置。将该装置固定在距离格力立式空调(KF-72LW)的冷凝器进气口3cm处。其他测试条件同上。该条件下经测试，当多组分寒冰制冷剂(HBR-22A)从压缩机排气口的排出压力为11.5MPa时，即可在冷凝器中较好地冷凝。

寒冰制冷剂压缩能效的测试仪器和方法同实施例1。

测试结果：与对照组(无辅助冷凝装置)相比，测试得到添加辅助冷凝装置的实验组的压缩能效提高7％。

以上结果表明，基于共价有机骨架多孔纳米材料优化热力循环的辅助冷凝装置，可以高效吸附制冷剂蒸汽使其达到饱和状态，降低制冷剂蒸汽冷凝成制冷剂液体所需要的冷凝压力，从而降低压缩机的压缩功耗，使系统节能。

对比例1

辅助冷凝装置的蜂窝状沸石固定床的蜂窝中不添加任何纳米材料。将该装置固定在距离格力立式空调(KF-72LW)的冷凝器进气口3cm处。其他测试条件同实施例1。该条件下经测试，当多组分寒冰制冷剂(HBR-22A)从压缩机排气口的排出压力为13.4MPa时，才能在冷凝器中较好地冷凝。

寒冰制冷剂压缩能效的测试仪器和方法同实施例1。

测试结果：与对照组(无辅助冷凝装置)相比，不添加任何纳米材料的辅助冷凝装置对于压缩能效提高不足1％。

结果分析比较：对比实施例1和对比例1，所需排气压力值下降0.2MPa，所需排气压力值的略微下降可能原因是蜂窝状沸石固定床对制冷剂蒸气有一定吸附作用。但所需排气压力值13.4MPa仍然显著高于设置辅助冷凝装置实验组的11.5MPa。此外，压缩能效的提高主要源于辅助冷凝装置中多孔纳米材料高效吸附制冷剂蒸汽使其达到饱和状态，降低制冷剂蒸汽冷凝成制冷剂液体所需要的冷凝压力，从而降低压缩机的压缩功耗，使系统节能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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。