一种基于化学反应的热泵系统及方法

本发明涉及热能转换，具体涉及一种基于化学反应的热泵系统及方法。

背景技术：

1、在“双碳”大背景下，热泵技术作为一种高效的热能转换技术，在削减碳排放、可再生能源利用、余热回收、提升能源利用效率等方面有着突出贡献。

2、传统的压缩式热泵系统包括蒸发器、冷凝器、压缩机、节流阀四大部件，通过压缩和膨胀使制冷剂循环流动，蒸发端制冷剂蒸发吸热，实现制冷，冷凝端制冷剂冷凝放热，实现制热。其本质是通过调节压强改变相变温度，实现在较高压强下的高温放热和在较低压强下的低温吸热。

3、吸收式热泵由蒸发器、冷凝器、吸收器、发生器等部件构成，通过制冷剂蒸汽与溶液在吸收器中混合放出热量，实现制热，混合后稀溶液经泵输送到发生器加热使制冷剂蒸发，实现溶液由稀溶液到浓溶液的转换，浓溶液由泵输送到吸收器，蒸发的制冷剂经冷凝器冷凝放热，再经蒸发器吸热后进入吸收器与溶液混合放热，完成循环。其本质是通过调节溶液浓度改变溶液吸收/解吸收制冷剂的吸放热温度，实现制热和制冷。

4、化学吸附是吸附质分子与固体表面原子发生电子的转移、交换或共有，形成吸附化学键的吸附。由于固体表面存在不均匀力场，表面上的原子往往还有剩余的成键能力，当气体分子碰撞到固体表面上时便与表面原子间发生电子的交换、转移或共有，形成吸附化学键的吸附作用。

5、cn201810378840公布了一种以氨气为制冷剂，通过固化混合吸附剂吸收氨气放出热量，在通过压缩机增大压强的情况下，吸附侧吸附放热温度增大，在相同的温升条件下，其放热量和cop较蒸气压缩热泵提升较大。

6、上述的几种热泵在放热或吸热时，换热物质均未发生化学变化，难以实现更高温度的供热和更低温度的制冷。

7、本发明公开了一种通过调节反应条件压强，控制化学反应平衡温度，实现制冷和制热目的的热泵系统。通过控制压强，高压侧化学反应平衡温度高，与换热介质进行换热，实现制热；低压侧化学反应平衡温度低，与换热介质进行换热，实现制冷。通过疏导反应某侧的化学物质，可实现持续的制热和制冷。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于化学反应的热泵系统及方法，以解决现有技术中热泵在放热或吸热时，换热物质均未发生化学变化，难以实现更高温度的供热和更低温度的制冷的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明一方面提供一种热泵系统，包括顺次连接并形成闭合回路的第二反应器、压缩机、第一反应器和阀门；

3、所述第一反应器和所述第二反应器用于储存反应剂溶液和气态反应物，并且，所述第一反应器和所述第二反应器内均设置有用于供换热介质流通的换热管；

4、所述阀门关闭时，所述压缩机将所述第二反应器中的气态反应物压缩至所述第一反应器中，能够提高所述第一反应器中化学反应的平衡温度，并降低所述第二反应器中化学反应的平衡温度；

5、所述阀门开启时，处于高压状态的所述第一反应器中的气态反应物流向处于低压状态的第二反应器中，以平衡两个反应器中的压强。

6、作为本发明的一种优选方案，所述第一反应器和所述第二反应器底部均设置有搅拌器。

7、本发明第二方面提供一种间歇热泵系统，包括经由管路顺次连接的第二换热系统、双向压缩系统、第一换热系统和双向膨胀系统；

8、所述第一换热系统和第二换热系统用于储存反应剂溶液和气态反应物，并用于与换热器内的换热介质换热；

9、所述双向压缩系统用于将热泵系统内的气态反应物压缩至第一换热系统或第二换热系统，以提高一个换热系统中化学反应的平衡温度，并降低另一个换热系统中化学反应的平衡温度；

10、所述双向膨胀系统高压侧的换热系统内的气态反应物能够通过所述双向膨胀系统膨胀做工，并被所述双向膨胀系统转化为低压状态输入至低压侧的换热系统中，以平衡两个换热系统中的压强；

11、所述第二换热系统和所述第一换热系统轮流做为高压侧。

12、作为本发明的一种优选方案，所述双向压缩系统包括压缩机；所述压缩机的入口和出口分别通过第一气管与所述第二换热系统和所述第一换热系统连通，并且每个第一气管上均设置有阀门；

13、所述压缩机的入口和出口还分别通过第二气管与所述第一换热系统和所述第二换热系统连通，并且每个第二气管上均设置有阀门；

14、所述第一气管上的阀门开启，并且所述第二气管上的阀门关闭时，所述压缩机能够将所述第二换热系统内的气态反应物压缩至所述第一换热系统中；

15、所述第二气管上的阀门开启，并且所述第一气管上的阀门关闭时，所述压缩机能够将所述第一换热系统内的气态反应物压缩至所述第二换热系统中。

16、作为本发明的一种优选方案，所述双向膨胀系统包括膨胀机；所述膨胀机的入口和出口分别通过第三气管与所述第一换热系统和所述第二换热系统连通，并且每个第三气管上均设置有阀门；

17、所述膨胀机的入口和出口还分别通过第四气管与所述第二换热系统和所述第一换热系统连通，并且每个第四气管上均设置有阀门；

18、所述第三气管上的阀门开启，并且所述第四气管上的阀门关闭时，所述第一换热系统内的高压气态反应物能够通过所述膨胀机做工，并转化为低压气态反应物进入所述第二换热系统中，以平衡两个换热系统的压强；

19、所述第四气管上的阀门开启，并且所述第三气管上的阀门关闭时，所述第二换热系统内的高压气态反应物能够通过所述膨胀机做工，并转化为低压气态反应物进入所述第一换热系统中，以平衡两个换热系统的压强。

20、作为本发明的一种优选方案，所述第一换热系统包括经由液体管顺次连接并形成回路的第一反应器、第一换热器和循环泵；

21、所述第一反应器与所述双向压缩系统和所述双向膨胀系统连通，用于储存反应剂和气态反应物；

22、所述循环泵能够泵送反应剂在所述第一反应器和所述第一换热器中循环流转，以加热或冷却所述第一换热器中的换热介质；

23、所述第二换热系统与所述第一换热系统的结构相同。

24、作为本发明的一种优选方案，所述第一反应器的底部设置有搅拌器，以使所述反应剂混合均匀。

25、作为本发明的一种优选方案，所述第一反应器的顶部设置有喷洒装置，用于将所述第一换热器中流出的反应剂喷淋进入所述第一反应器中，以提高气态反应物与反应剂的反应速率。

26、作为本发明的一种优选方案，所述第一换热系统和第二换热系统共用同一热水出口和冷水出口。

27、本发明第三方面提供一种间歇热泵换热方法，使用上述的间歇热泵系统，包括以下步骤：

28、通过双向压缩系统将热泵系统内的气态反应物压缩至第一换热系统或第二换热系统，提高一个换热系统中化学反应的平衡温度，并降低另一个换热系统中化学反应的平衡温度；

29、向第一换热系统和第二换热系统中的换热器中通入换热介质，对换热介质进行加热或冷却；

30、在换热系统中的气态反应物与反应剂反应完全后，高压的换热系统中的气态反应物通过双向膨胀系统膨胀做功，并转化为低压气态反应物通入低压的换热系统中，以平衡两个换热系统中的压强；

31、待两个换热系统的压强平衡后，通过双向压缩系统将原高压侧的换热系统中的气态反应物压缩至原低压侧的换热系统中，两个换热系统交替作为高压侧。

32、作为本发明的一种优选方案，气态反应物正向压缩过程包括以下步骤：

33、开启第一气管上的阀门，关闭其他阀门；

34、启动压缩机将热泵系统内的气态反应物压缩至第一换热系统中，使第一换热系统的反应平衡温度升高，第二换热系统中的反应平衡温度降低；

35、向第一换热系统和第二换热系统中的换热器中分别通入换热介质，第一换热系统中的换热介质被加热，第二换热系统中的换热介质被冷却；

36、在换热系统中的气态反应物与反应剂反应完全后，打开第三气管上的阀门，关闭其他阀门；

37、第一换热系统中的高压气态反应物通过膨胀机做工，并转化为低压气态反应物通入第二换热系统中，平衡两个换热系统中的压强；

38、随后进行逆向压缩过程，正向压缩过程和逆向压缩过程循环进行。

39、作为本发明的一种优选方案，第一换热系统中的换热过程包括以下步骤：

40、启动循环泵，使反应剂在第一反应器和第一换热器之间循环，反应剂从第一反应器中流入第一换热器中，对换热器中的换热介质进行加热或冷却；

41、换热过后的换热介质从第一反应器顶部，经由喷洒装置喷洒进入第一反应器中，与第一反应器中的气态反应物充分接触并反应，进行放热或吸热；

42、在换热过程中，搅拌器持续或间歇运行，避免反应剂沉淀，提高反应效率。

43、本发明第四方面提供一种连续热泵系统，包括：

44、第一储罐，用于储存高浓度反应物溶液，并向多个串联设置的第一反应器中输送高浓度反应物溶液；

45、第二储罐，用于储存高浓度生成物溶液，并向多个串联设置的第二反应器中输送高浓度生成物溶液；

46、压缩机，通过多个气管分别与各所述第一反应器和各所述第二反应器连通，用于将第二反应器中的气态反应物压缩进所述第一反应器中，以提高所述第一反应器中化学反应的平衡温度，并降低所述第二反应器中化学反应的平衡温度；

47、涡轮机，用于被第一反应器中的高压溶液推动做工，并将转化的低压溶液输送至第二储罐中；

48、所述涡轮机的入口与最下游的第一反应器连通，以降低第一反应器中生成物溶液浓度，促进所述第一反应器中正向反应的进行，并提高所述第二储罐中的生成物溶液浓度；

49、泵，与最下游的第二反应器连通，用于将高浓度反应物溶液输送至所述第一储罐中，以促进所述第二反应器中逆向反应的进行，并提高所述第一储罐中的反应物溶液浓度；

50、所述第一反应器和所述第二反应器中均设置有换热管，换热管内的换热介质能够与反应物溶液或生成物溶液换热。

51、本发明第五方面提供一种连续热泵换热方法，使用上述的连续热泵系统，

52、启动压缩机，将第二反应器中的气态反应物压缩进第一反应器中，提高第一反应器中的化学平衡温度，降低第二反应器中的化学平衡温度；

53、将第一储罐中的高浓度反应物溶液通入第一反应器中，高浓度反应物溶液顺次经过多个第一反应器，在每个第一反应器中均与气态反应物发生反应，溶液中的反应物浓度逐级降低，生成物浓度逐级升高；

54、最下游的第一反应器中的高压高浓度生成物溶液进入涡轮机，推动涡轮机做工，并将转化的低压高浓度生成物溶液通入第二储罐中；

55、将第二储罐中的高浓度生成物溶液通入第二反应器中，高浓度生成物溶液顺次经过多个第二反应器，在每个第二反应器中均发生分解反应，分解生成反应物和气态反应物，溶液中的生成物浓度逐级降低，反应物浓度逐级升高，并且气态反应物被压缩机压缩进入第一反应器中；

56、启动泵，将最下游的第二反应器中的高浓度反应物溶液泵入第一储罐中去；

57、循环上述过程。

58、本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：

59、该热泵系统通过将一个换热系统中的气态反应物压缩至另一个换热系统中，通过改变化学反应的的压强来打破化学平衡；在建立新的平衡后，高压侧化学反应平衡温度升高，低压侧化学反应平衡温度降低，达到制冷或制热的目的；并且这种通过化学反应制冷制热的热泵系统，能够实现更高温度的供热及更低温度的制冷。