吸收式熱泵以及用于吸收式熱泵的包括甲磺酸的吸附介質(zhì)的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】吸收式熱泵以及用于吸收式熱泵的包括甲磺酸的吸附介質(zhì)
[0001] 本發(fā)明涉及吸收式熱栗，以及用于吸收式熱栗的吸附介質(zhì)，該吸附介質(zhì)包括甲磺 酸。
[0002] 典型的熱栗基于通過(guò)蒸發(fā)器和冷凝器的制冷劑循環(huán)。蒸發(fā)器中，制冷劑被蒸發(fā)，其 中通過(guò)被制冷劑獲取的蒸發(fā)熱量而從第一介質(zhì)得到熱量。然后被蒸發(fā)的制冷劑借助于壓縮 機(jī)被壓縮至更高的壓力并在冷凝器中在高于蒸發(fā)過(guò)程的溫度下冷凝，其中蒸發(fā)熱量再次被 釋放，且熱量在更高的溫度水平被傳遞至第二介質(zhì)。液化的制冷劑隨后被再次降壓至蒸發(fā) 器的壓力。
[0003] 典型的熱栗具有如下缺點(diǎn)，其耗費(fèi)大量的機(jī)械能以壓縮蒸汽態(tài)制冷劑。另一方面， 吸收式熱栗對(duì)機(jī)械能需求較少。吸收式熱栗除了具有典型熱栗的制冷劑、蒸發(fā)器和冷凝器 之外，還具有吸附介質(zhì)、吸收器和解吸器。蒸發(fā)的制冷劑在蒸發(fā)壓力下在吸收器中被吸附介 質(zhì)吸收，且隨后在較高的冷凝壓力下通過(guò)供應(yīng)的熱量在解吸器中再?gòu)奈浇橘|(zhì)中解吸。與 典型的熱栗中的制冷劑蒸汽的壓縮過(guò)程相比，制冷劑和吸附介質(zhì)組成的液體工作介質(zhì)的壓 縮需要較少的機(jī)械能，且機(jī)械能的消耗被制冷劑解吸過(guò)程中所用的熱能所代替。吸收式熱 栗的能效計(jì)算為用于制冷和加熱的熱流與吸收式熱栗運(yùn)行中供應(yīng)至解吸器的熱流的比值， 被稱(chēng)為"性能系數(shù)"，簡(jiǎn)稱(chēng)為C0P。
[0004] 大部分工業(yè)上應(yīng)用的吸收式熱栗使用的工作介質(zhì)包括用作制冷劑的水和用作吸 附介質(zhì)的溴化鋰。然而該工作介質(zhì)具有缺點(diǎn)，水在工作介質(zhì)中的濃度必須不低于35-40重 量％，否則會(huì)導(dǎo)致溴化鋰的結(jié)晶并且由此導(dǎo)致故障直至工作介質(zhì)固化。
[0005] W02005/113702和W02006/134015中，提供使用包含具有有機(jī)陽(yáng)離子的離子液體 作為吸附介質(zhì)的工作介質(zhì)，以避免由于吸附介質(zhì)結(jié)晶導(dǎo)致的故障。這些工作介質(zhì)具有缺點(diǎn)， 其在低含量的制冷劑時(shí)具有不需要的高粘性。
[0006] 包含作為吸附介質(zhì)的硫酸的工作介質(zhì)同樣具有缺點(diǎn)，其在低含量的制冷劑時(shí)具有 不需要的高粘性。另外，它們也是非常具有腐蝕性的。
[0007] 因此存在吸收式熱栗的吸附介質(zhì)的持續(xù)需求，通過(guò)其吸收式熱栗既能達(dá)到好的能 效，也不會(huì)因吸附介質(zhì)結(jié)晶而產(chǎn)生問(wèn)題，以及工作介質(zhì)同時(shí)具有低粘性和可控的腐蝕性。
[0008] 現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過(guò)使用甲磺酸，尤其是將甲磺酸與離子液體結(jié)合使用作為吸附介 質(zhì)能達(dá)到這種組合性能。
[0009] 本發(fā)明相應(yīng)地提供一種吸收式熱栗，其包括吸收器、解吸器、冷凝器、蒸發(fā)器和工 作介質(zhì)，其中工作介質(zhì)包括揮發(fā)性的制冷劑和吸附介質(zhì)，且吸附介質(zhì)包括甲磺酸。
[0010] 此外本發(fā)明還提供一種用于吸收式熱栗的吸附介質(zhì)，該吸附介質(zhì)包括甲磺酸和離 子液體。
[0011] 本發(fā)明進(jìn)一步地提供甲磺酸用作吸收式熱栗中的吸附介質(zhì)的用途。
[0012] 為了本發(fā)明的上述目的，術(shù)語(yǔ)吸收式熱栗包括熱量從低溫水平獲取、并在高溫水 平再次釋放且由供給解吸器的熱量來(lái)驅(qū)動(dòng)的所有裝置。因此本發(fā)明的吸收式熱栗在狹義中 包括吸收式制冷機(jī)器和吸收式熱栗，其中與解吸器和冷凝器相比，吸收器和蒸發(fā)器在較低 工作壓力下運(yùn)行，且在吸收式熱轉(zhuǎn)換器中，與解析器和冷凝器相比，吸收器和蒸發(fā)器在較高 工作壓力下運(yùn)行。在吸收式制冷機(jī)器中，從蒸發(fā)器的蒸發(fā)中獲取的熱量用于冷卻介質(zhì)。在 吸收式熱栗中，狹義地說(shuō)，冷凝器和/或吸收器中釋放的熱量用于加熱介質(zhì)。在吸收式熱轉(zhuǎn) 換器中，吸收器中釋放的吸收熱量用于加熱介質(zhì)，該吸收熱量在高于供應(yīng)至解吸器的熱量 的溫度水平獲得。
[0013] 本發(fā)明的吸收式熱栗包括吸收器、解吸器、冷凝器、蒸發(fā)器和工作介質(zhì)，工作介質(zhì) 包括揮發(fā)性的制冷劑和吸附介質(zhì)。
[0014] 本發(fā)明的吸收式熱栗的運(yùn)行中，蒸汽態(tài)制冷劑在吸收器中被貧制冷劑的工作介質(zhì) 吸收以形成富含制冷劑的工作介質(zhì)，并釋放吸收熱量。解吸器中被供給熱量，由此制冷劑從 如此獲得的富含制冷劑的工作介質(zhì)中以蒸汽態(tài)解吸，以形成貧制冷劑的工作介質(zhì)，且該工 作介質(zhì)再次循環(huán)至吸收器。解吸器中獲得的蒸汽態(tài)制冷劑在冷凝器中被冷凝，并釋放冷凝 熱量，獲得的液體制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)且吸收蒸發(fā)熱量，在此獲得的蒸汽態(tài)制冷劑再次 循環(huán)至吸收器。
[0015] 在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，吸收式熱栗為吸收式制冷機(jī)器，且在蒸發(fā)器中從待冷卻 的介質(zhì)中獲得熱量。
[0016] 本發(fā)明的吸收式熱栗的工作介質(zhì)包括揮發(fā)性制冷劑和包括甲磺酸的吸附介質(zhì)。適 合的揮發(fā)性制冷劑為沸點(diǎn)在-90~120°C范圍內(nèi)且與甲磺酸不可逆反應(yīng)的物質(zhì)。本發(fā)明的 吸收式熱栗的工作介質(zhì)優(yōu)選包含水作為制冷劑。
[0017] 在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，吸附介質(zhì)中的水和甲磺酸的組合含量為大于90重量％。
[0018] 在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，吸附介質(zhì)包括甲磺酸和離子液體。甲磺酸和離子液體 的重量比優(yōu)選在9 : 1到1 : 100的范圍內(nèi)。在甲磺酸和離子液體為高重量比時(shí)，優(yōu)選在范 圍9 : 1到1 : 4的范圍，更優(yōu)選地在9 : 1到1 : 1的范圍，能達(dá)到吸收器中所需溫度下 制冷劑的低蒸汽壓力以及吸收器和解吸器所需的溫度之間的高的蒸汽壓力差。甚至在甲磺 酸與離子液體的低重量比時(shí)，優(yōu)選在1 : 1到1 : 100的范圍，更優(yōu)選地在1 : 4到1 : 100 的范圍，甚至更優(yōu)選地在1 : 10到1 : 100的范圍內(nèi)，與僅使用離子液體作為吸收介質(zhì)的 工作介質(zhì)相比，本發(fā)明的工作介質(zhì)可以達(dá)到明顯更低的粘度和改進(jìn)的熱穩(wěn)定性。此外，在甲 磺酸與離子液體的重量比在9 : 1到1 : 10的范圍，優(yōu)選地在1 : 1到1 : 10的范圍，更 優(yōu)選地在1 : 1到1 : 4的范圍內(nèi)時(shí)，包含水作為制冷劑的工作介質(zhì)在解吸器所需的溫度 下令人驚異地達(dá)到了非理想的具有升高的蒸汽壓力的蒸汽壓力性能。
[0019] 術(shù)語(yǔ)離子液體指的是由陰離子和陽(yáng)離子組成的鹽或鹽混合物，其中鹽或鹽混合物 具有低于1〇〇°C的熔點(diǎn)。術(shù)語(yǔ)離子液體指的是不含非離子物質(zhì)或添加物的鹽或鹽混合物。 離子液體優(yōu)選由一種或多種具有有機(jī)陽(yáng)離子和有機(jī)或無(wú)機(jī)陰離子的鹽組成。離子液體優(yōu)選 具有低于20°C的熔點(diǎn)，以避免在吸收式熱栗中使用工作介質(zhì)時(shí)吸附介質(zhì)循環(huán)中的離子液體 固化。
[0020] 適合本發(fā)明的吸附介質(zhì)的離子液體具有強(qiáng)酸的陰離子，優(yōu)選為具有pKa小于0的 酸。適合的陰離子為硝酸根、高氯酸根、硫酸氫根、式R a0S03和RaS03的陰離子，其中1^為 具有1-30個(gè)碳原子的直鏈或支鏈的脂族烴基、具有5-40個(gè)碳原子的脂環(huán)族烴基、具有6-40 個(gè)碳原子的芳族烴基、具有7-40個(gè)碳原子的烷基芳基或具有1-30個(gè)碳原子的直鏈或支鏈 全氟烷基，以及式R a0S03和RaS03的其中Ra為聚醚基的陰離子。陰離子優(yōu)選為硝酸根、硫 酸氫根、甲磺酸根、甲基硫酸根或乙基硫酸根，更優(yōu)選地為甲磺酸根。
[0021] 離子液體的一種或多種有機(jī)陽(yáng)離子可以帶一個(gè)、兩個(gè)或多個(gè)正電荷且優(yōu)選為帶一 個(gè)正電荷。離子液體的一種或多種有機(jī)陽(yáng)離子優(yōu)選具有不高于260g/mol的分子量，特別地 優(yōu)選為不超過(guò)220g/mol，尤其是不超過(guò)195g/mol，最優(yōu)選地是不超過(guò)170g/mol。對(duì)陽(yáng)離子 的分子量的限制改進(jìn)了吸收式熱栗運(yùn)行中的工作介質(zhì)脫氣范圍。
[0022] 適合的有機(jī)陽(yáng)離子特別是通式（I)到（V)的陽(yáng)離子：
[0023] (I)