[发明专利]用于泵热及发电的热驱动的增压装置

说明书

交叉参考相关申请

此申请依据35USC§119（e）享有与2011年2月23日提交的申请号为61/446,010的美国临时专利申请及于2011年6月23日提交的申请号为61/500,594的美国临时专利申请相应的优先权。上述美国临时专利申请整体被纳入本文作为参考。

政府特许权的声明

本发明受美国政府的国家科学基金会小公司创新项目颁发的批准号为1113100的基金资助。美国政府在本发明中有一定的权利。

背景技术

建筑物内的供暖与制冷用能在美国能源消耗总量的20％以上。车辆空调也消耗了部分运输燃料。此外，过程工业中，尤其在是化工和发电工业中，也需要对物料进行加热和冷却。随着能源价格的上升，用太阳热能来驱动加热和冷却系统的愿望变得越来越强烈。在对空调的需求最大，电网负荷达到高峰的炎热的夏日，太阳能正好很丰富。太阳能热水器的应用在许多地方，包括欧洲南部和中国南部，正在飞速发展。在炎热的夏天，太阳能热水器提供的热量往往过剩。在这样的时候将这种过剩的热量用于驱动空调，以满足此时对降温的高需求，是因时制宜的好方案。

然而，目前最先进的溴化锂（LiBr）水吸收式的热驱动的热泵（TAHP）系统不能适合于住宅和商业上的供暖和冷却用，因为它使用水作为制冷剂、盐溶液作为吸收剂。水的蒸气压很低，任何生活空间的加热和冷却系统，使用水作为工质（制冷剂）时必须在一个相当高的真空操作，这使得该系统体积庞大。此外，溴化锂是一种盐，它具有腐蚀性，如果操作条件没有得到很好的控制可能发生冻结。这意味着这些TAHP系统需要熟练工人来操作。此外，溴化锂-水吸收系统不适用于当环境温度低于水的冻结温度时的取暖，因为在0℃下水会结冰。因此，溴化锂-水吸收热泵通常被称为“溴化锂冷却机”，即它们被用来仅适用于冷却。溴化锂-水吸收系统通常需要大于88℃的热量，以避免冻结的问题，因此不能用一般的太阳能热水器驱动。

TAHP的取暖能效比（取暖COP）大于1，而传统的燃气或燃油炉的取暖COP小于1。一个好的单效TAHP的取暖COP在理论上可以大于1.7，而在理论上双效的TAHP，会有一个更高的取暖COP。因此，用一个单效的TAHP系统加热所需要的热能即可减少40％以上。双效的TAHP系统的节能效果会更加显著。由于取暖耗能巨大，用于空间加热的TAHP是极具吸引力的。

令人遗憾的是，在多年的研究和开发工作之后，这种前景美好的热效率更高的技术还没有被商业化。其部分原因是因为缺乏一个安全和高效的TAHP技术。目前的溴化锂-水吸收或其衍生的TAHP系统使用纯净水作为工质。它们不能被用于最需要时，即当环境温度接近或低于0℃时的空间加热，因为水在0℃下会结冰。

从理论上讲，可以将氨作为工质用于蒸气压缩式热泵和热驱动的热泵。然而，氨的问题之一是，它具高毒性的，因此不是适用于住宅和车辆。为了减轻毒性的问题，二次环路是必要的。这增加了系统的成本。此外，氨在水中的吸收的热量是远远大于氨的汽化潜热。这需要较大的热交换负荷用于在氨水吸收热泵系统中的吸收过程的冷却和蒸馏塔的重沸。这意味着一个非常大的换热器的成本及在热交换器中的更大的热能降级。这反过来又增加了TAHP的成本、减小了其COP值。即使使用所谓的GAX系统，其采用更有效的吸收过程中所放出的热用于蒸馏分离的方法，氨-水体系的单效取暖COP仍仅在约1.6，或约0.6的冷却COP，显著低于溴化锂吸收系统的约为0.75的COP值。氨还有其他问题，包括其对铜和铝这两个用于制造热交换器的最佳材料的腐蚀性，且需要很干净无油的传热表面等。这些问题极大地限制了氨作为工质的加热和空调用的热驱动的热泵的应用。