專利名稱：水的電加熱固體吸附式空氣源熱泵系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水的電加熱的能量轉(zhuǎn)換，固體吸附式熱泵循環(huán)和節(jié)能技術(shù)，尤其涉及一種水的電加熱固體吸附式空氣源熱泵系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
(1)在人們?nèi)粘Ｉ钪?，常用電加熱的方式獲取具有一定溫度的飲用水或生活用水。例如，電熱水器，電開水爐，電飲水機，太陽能熱水器電輔助加熱等。因其方便、清潔、環(huán)保，已廣泛用于家庭、 賓館、 學(xué)校、機關(guān)等場所，成為一種普通的生活電器。
為了節(jié)能，有的電加熱器采取了一些節(jié)能措施。采取的辦法主要是采用新型隔熱材料或加大隔熱材料的厚度。這些節(jié)能措施僅能減少因散熱造成的熱損失，因此至多只能將電能全部轉(zhuǎn)化為熱能。目前，還沒有能大幅節(jié)省這類電加熱器電能的技術(shù)和產(chǎn)品。
(2)沸石分子篩具有獨特的吸附性能，在開發(fā)和利用能源方面已有試驗性。的應(yīng)用。例如，利用太陽能，工業(yè)余熱等進行制冷，國外曾有相關(guān)的報道。國內(nèi)已開展這方面的研究，但還沒有實用化的產(chǎn)品走向市場。
對于脫附，吸附過程中的熱泵效應(yīng)，人們一直抱有很大的興趣。因為這種熱泵系統(tǒng)是與環(huán)境友好的裝置。在適當條件下，有很高的效率。而且裝置結(jié)構(gòu)簡單，沒有運動部件，運行可靠，壽命長。人們希望以此替換傳統(tǒng)的壓縮式熱泵系統(tǒng)，為此人們做了很多的探索和研究。但由于脫附、吸附循環(huán)過程不僅需要較高的加熱溫度，而且是間歇式循環(huán)，需要不斷地升溫和降溫才能實現(xiàn)循環(huán)，因此，不僅難以形成有效的連續(xù)循環(huán)，而且也難以提高系統(tǒng)的效率。盡管有一些固體吸附式熱泵系統(tǒng)在原理上是可行的，例如公告號2345386的發(fā)明專利，客車熱管吸附式制冷。/熱泵裝置，但難以在實際中應(yīng)用。
(3)現(xiàn)在實際應(yīng)用較多的是機械壓縮式熱泵，主要作為空調(diào)機使用。由于設(shè)備比較復(fù)雜，投資較高，作為供熱裝置使用的尚少。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是改變現(xiàn)有各種水的電加熱器的發(fā)熱方式，提出一種能夠降低能耗的水的電加熱固體吸附式空氣源熱泵系統(tǒng)。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種水的電加熱固體吸附式空氣源熱泵系統(tǒng)，包括熱桶，在熱桶內(nèi)設(shè)有隔熱腔體，在隔熱腔體內(nèi)設(shè)有吸附劑容器，在吸附劑容器內(nèi)設(shè)有吸附床和電熱管，在隔熱腔體上設(shè)有壓力閥且該壓力閥的出水口位于吸附劑容器的上方，在隔熱腔體上設(shè)有壓力閥且該壓力閥的進氣口與吸附劑容器內(nèi)部連通，在吸附劑容器上連接有吸附管，該吸附管的一端與吸附劑容器的內(nèi)部相通，另一端延伸至熱桶之外部，在吸附管上設(shè)有壓力閥，在隔熱腔體的下部設(shè)有出水用止回閥。。
本發(fā)明以沸石分子篩一水組成吸附對，以沸石分子篩和電熱管組成吸附床，以被加熱的水作為吸附床的冷卻液，使帶隔熱腔的吸附床在被加熱的水中運行。在吸附床的脫附、吸附循環(huán)中，吸附來自冷桶中的水蒸汽，并在吸附過程中放出吸附熱。冷桶中的水又通過桶壁的熱傳導(dǎo)不斷吸收空氣中的熱量，使空氣間接成為熱泵運行中的低溫?zé)嵩?。由此，形成空氣源熱泵循環(huán)。水在冷卻吸附床的過程中被逐漸加熱。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(1)利用固體吸附式空氣源熱泵系統(tǒng)對水加熱，獲得的熱量多于由消耗電能得到的熱量，省電節(jié)能可達25％左右。本發(fā)明之所以具有如此節(jié)能效果，是因為(a)本發(fā)明改變了現(xiàn)有水電器用電熱管直接加熱水的方法，采用在脫附，吸附循環(huán)過程中實現(xiàn)對水加熱的方法。在脫附、吸附循環(huán)過程中，以吸附來自冷桶水蒸氣的形式，吸收空氣中的熱量，并以吸附熱的形式，一起用于水的加熱，形成熱泵效應(yīng)。(b)本發(fā)明利用沸石分子篩的高溫吸附特性，實現(xiàn)了固體脫附、吸附過程和水的加熱過程的高度匹配。由電能轉(zhuǎn)換的熱能，在驅(qū)動吸附床進行熱泵循環(huán)的運行過程中，又全部轉(zhuǎn)變?yōu)樗臒崃俊Ｋ?，從水的電加熱全過程來看，其獲得的熱泵效應(yīng)，沒有能量的損耗。
(2)和機械壓縮式熱泵系統(tǒng)相比，沒有機械運動造成的能量損失，且結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低，運行可靠，特別適合于小型裝置應(yīng)用，易推廣。
(3)沒有任何污染，與環(huán)境友好。
(4)吸附床屬開口系統(tǒng)，運行壓力很低，沒有安全問題。且在水的加熱過程中，具有水、電分離的特點，因此，有利于提高水電器的用電安全性能。
(5)沸石分子篩具有出色的離子吸附能力，有利于凈化和改善水質(zhì)。由于電發(fā)熱管埋在分子篩之中，因此，有利于改善電發(fā)熱管的工作環(huán)境，有效減少結(jié)垢。
(6)適用面廣，可應(yīng)用于所有水的電加熱裝置。


圖1是本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的局部A結(jié)構(gòu)放大圖。
具體實施例方式
一種水的電加熱固體吸附式空氣源熱泵系統(tǒng)，包括熱桶1，在熱桶1內(nèi)設(shè)有隔熱腔體6，在隔熱腔體6內(nèi)設(shè)有吸附劑容器3，在吸附劑容器3內(nèi)設(shè)有吸附床4和電熱管5，在隔熱腔體6上設(shè)有壓力閥21且該壓力閥21的出水口位于吸附劑容器3的上方，在隔熱腔體6上設(shè)有壓力閥15且該壓力閥15的進氣口與吸附劑容器3內(nèi)部連通，在吸附劑容器3上連接有吸附管22，該吸附管22的一端與吸附劑容器3的內(nèi)部相通，另一端延伸至熱桶1之外部，在吸附管22上設(shè)有壓力閥23，在隔熱腔體6的下部設(shè)有出水用止回閥19。上述吸附床4可以采用外包金屬絲網(wǎng)的沸石。
上述的水的電加熱固體吸附式空氣源熱泵系統(tǒng)，在隔熱腔體6內(nèi)設(shè)有調(diào)壓閥，該調(diào)壓閥由閥體8及浮球9組成，浮球9設(shè)在閥體8內(nèi)，在閥體8上設(shè)有排氣孔12，在閥體8的下部設(shè)有使閥體內(nèi)腔體與隔熱腔體6相通的排水孔13，在閥體8還連接有散熱管10，在熱桶1上設(shè)有電磁閥17，該電磁閥17的推桿用于推動浮球9。
所述的水的電加熱固體吸附式空氣源熱泵系統(tǒng)，在吸附管22上連接有置有水的冷桶2，且吸附管22的端部高于冷桶內(nèi)水面，在冷桶2上設(shè)有冷桶進水管24，在冷桶進水管24的端部設(shè)有水位限制器27。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特點是(1)本發(fā)明涉及的熱泵系統(tǒng)安裝在各種水電器貯水箱(稱熱桶)的底部，熱桶外可設(shè)一個作為直接冷源的貯水容器(稱冷桶)。
(2)以沸石分子篩為固體吸附劑，以電熱管為加熱熱源，吸附劑和電熱管一起裝填在一個圓環(huán)形吸附劑容器內(nèi)組成吸附床。吸附床采用不同顆粒直徑的沸石分子篩按一定比例混裝的結(jié)構(gòu)，兩端用鋼板壓緊，以增加裝填量，減小傳熱熱阻。吸附劑容器內(nèi)壁設(shè)一層細金屬絲網(wǎng)，分子篩顆粒之間增填細裸金屬絲，以增強吸附床的傳熱傳質(zhì)能力。吸附床中的電熱管通過一個控制電路和電源相聯(lián)。
(3)吸附床安裝在一個帶隔熱腔的圓柱形容器內(nèi)(稱隔熱腔)，圓環(huán)形吸附劑容器中心有一個帶浮球的調(diào)壓閥，閥體上方有一根散熱管穿過隔熱腔伸出被加熱的液面，浮球的下方有一個電磁閥(4)隔熱腔頂部有一個進水管，管口安裝有壓力閥。底部有一個出水管，按裝有止回閥，只允許水流單向通過。
(5)吸附床有一根脫附管伸出隔熱腔外，浸沒在熱桶水中，脫附管的出口有一個壓力閥；有一根吸附管伸出隔熱腔至熱桶外，和冷桶相聯(lián)，吸附管的進口有一個壓力閥。
(6)吸附床、調(diào)壓閥和隔熱腔共同組成一個運行單元，被安裝在熱桶的底部。根據(jù)不同的水電熱器的特點使用要求，可采取二個、三個或多個運行單元聯(lián)動，由一個控制電路控制。
(7)冷桶上有通氣管，使桶內(nèi)外壓力一致，冷桶的進水管從熱桶伸入冷桶內(nèi)，出水口有水位限止器。冷桶內(nèi)設(shè)有金屬絲網(wǎng)，網(wǎng)上鋪墊吸水性強的多孔材料，比如棉紗布。用以擴大蒸發(fā)面，并起到加強傳熱的作用。
(8)所有閥門(壓力閥、止回閥)均采用滾珠，凹球面配合的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其運行可靠，反應(yīng)靈敏、結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧。
實施例1電熱水器將電熱水器的加熱棒加熱改為通過固體吸附床的運行進行加熱，將本發(fā)明涉及的吸附床運行單元安裝在電熱水器的貯水箱中，在貯水箱外單設(shè)一個冷桶，并用吸附管和貯水箱中的吸附床聯(lián)接，同時接上進水管即可運行。
以60L熱水器為例，可采用三個運行單元聯(lián)動，運行單元所占容積約占貯水箱容積的5％，冷桶實行自動補水，使冷桶內(nèi)始終保持一定的水量，因此冷桶的體積可以做得較小。
由于電熱水器的貯水容量一般都較大，所以其一次加熱過程的節(jié)能效果就很可觀。仍以60L熱水器為例，一次加熱過程可節(jié)電約0.8kw/h。粗略估計，推廣本發(fā)明，就此一項一年全國可節(jié)電超過十億度。
實施例2帶電輔助加熱的太陽能熱水器太陽能熱水器節(jié)能、環(huán)保，使用已十分廣泛。但其也有缺點，就是在光照不足的季節(jié)、陰雨天和梅雨季節(jié)，系統(tǒng)的效率不高?，F(xiàn)在解決的辦法一般是采用電能輔助加熱?？墒?，由于太陽能熱水器的水箱容積都較大，電加熱時不僅耗能大，而且實際使用又并不需要全部加熱，造成不必要的浪費。
在使用本發(fā)明前，先對太陽能熱水器的水箱作一點改動。即將水箱分隔成二部分。正常使用時，二部分是相通的，可以作為一個整體使用。需要使用電能輔助加熱時，其中一部分作為熱桶使用，把吸附床運行單元安裝在熱桶內(nèi)；而另一部分作為冷桶使用，為脫附、吸附熱泵循環(huán)提供低溫?zé)嵩?。在這過程中，間接吸收太陽能提供的熱量用于熱桶水的加熱。
這樣，可以用較少的電能，解決太陽能熱水器在冬季或陰雨天出水溫度低的問題。
下面參照附圖，對本發(fā)明的工作過程和工作原理加以詳細描述1.工作過程(1)打開電源，控制電路29首先進入加熱控制模式，對各工作單元中吸附床的電熱管的發(fā)熱時間依次實施定時控制。同時，電磁閥17通電，把浮球9推到調(diào)壓閥8的頂部，封住散熱管口11，使隔熱腔7成為一個密閉空間，進水管20不進水。
(2)吸附床4經(jīng)電加熱，溫度升高。當達到一定溫度時，被吸附床4吸附的水蒸汽開始脫附，使吸附床4內(nèi)的氣體壓力升高。當氣體壓力達到一定值時，壓力閥15打開，具有一定壓力的高溫蒸汽通過脫附管16和壓力閥15進入熱桶1中，水蒸汽通過凝結(jié)放熱加熱熱桶1中的水。
(3)當電加熱達到設(shè)計時間時，在控制電路29的控制下，該吸附床電熱管電源斷開。電磁閥17同時斷開電源，浮球9下落，使隔熱腔7成為一個開放空間，使腔內(nèi)的氣體壓力和腔外的環(huán)境壓力趨于平衡。熱桶1中的水在水位差的作用下，通過隔熱腔7頂部的進水管20和壓力閥21進入隔熱腔7內(nèi)。由于此時腔內(nèi)的溫度很高，當進入一點水量后，被立即汽化成水蒸汽。當隔熱腔內(nèi)壓力略有升高時壓力閥21在壓力作用下關(guān)閉，進水管20不進水。隔熱腔內(nèi)的水蒸汽通過調(diào)壓閥排氣孔12，進入散熱管10中，通過管壁凝結(jié)放熱，把熱量傳給熱桶1中的水；同時，水蒸汽還通過出水管18和止回閥19直接進入熱桶1的水中。當隔熱腔7中壓力降低后，進水管20又進水，重復(fù)上述過程。
當由水蒸汽帶走的汽化熱使吸附床冷卻到100℃以下后，從進水管20進入的冷卻水，通過導(dǎo)水槽14均勻地自上而下流經(jīng)吸附床容器3的外壁，帶走吸附床的熱量。當進入的水量達到設(shè)計位置時，調(diào)壓閥8內(nèi)的浮球9上浮至閥體頂部，關(guān)閉住散熱管口11。此時，隔熱腔7又成為一個密閉空間，腔內(nèi)因水蒸汽趨向飽和而使氣體壓力升高，進入隔熱腔7內(nèi)的冷卻水被反向從出水管18和止回閥19壓出，帶走吸附床的熱量。此時浮球9又落下，散熱管口11打開，隔熱腔7內(nèi)的氣體壓力通過閥體上的排氣孔12向熱桶1中擴散，使隔熱腔7內(nèi)外壓力又趨于平衡，熱桶1中的水又進入隔熱腔7重復(fù)上述冷卻過程。
由于熱桶1中的水不斷流進、流出隔熱腔7。使處于高溫狀態(tài)的吸附床4得到冷卻。同時，通過冷卻吸附床加熱熱桶中的水。
(4)當吸附床4中的電熱管5停止加熱后，吸附床4內(nèi)壓力降低，壓力閥23打開，吸附床4通過吸附管22和冷桶2相聯(lián)通。隨著吸附床4溫度的不斷降低，其吸附能力逐漸提高，吸附床4不斷吸附來自冷桶2的水蒸汽，并放出吸附熱。放出的熱量繼續(xù)由熱桶1中的水在冷卻過程中帶走，繼續(xù)加熱熱桶1中的水。同時，由于吸附床4的吸附作用，致使冷桶2中的水不斷蒸發(fā)，其蒸發(fā)過程吸收的汽化熱使冷桶2中的水溫度降低。冷桶2中低于環(huán)境溫度的水又通過冷桶壁不斷吸收空氣中的熱量。由于不斷蒸發(fā)使冷桶水減少，通過聯(lián)通熱桶的進水管24在水壓作用下即時給冷桶補水，進水量由水位限制器27控制。冷桶2中的溫度和水位都處于動態(tài)平衡狀態(tài)。
(5)當吸附過程達到設(shè)計時間時，在控制電路29的控制下，吸附床4中的電熱管5又與電源接通。此時，浮球9下方的電磁閥17又將浮球9推上去，封住散熱管口11，使隔熱腔7成為一個密閉空間，進水管20不再進水。同時，連通冷桶2的壓力閥23在吸附床4內(nèi)的氣體壓力作用下關(guān)閉。
下一循環(huán)開始。
(6)多個吸附床工作單元聯(lián)動時，在控制電路29的加熱控制模式下，實行依次輪流加熱運行。當熱桶1中的水達到設(shè)定的溫度點時，在溫度傳感器28控制下，控制電路29進入保溫控制模式。若不需要保溫功能，則通過溫控斷開電源。
2工作原理(1)關(guān)于脫附、吸附過程中的熱泵循環(huán)熱泵循環(huán)的目的在于把低溫?zé)嵩吹臒崃枯斔偷礁邷責(zé)嵩?。其?yōu)越之處在于消耗同樣多的能量可比其他方法提供更多的熱量。在本發(fā)明涉及的熱泵系統(tǒng)中，不僅將電能全部轉(zhuǎn)化為熱能，用于水的加熱；而且通過吸附過程，將取自空氣的熱量以吸附熱的形式，一起轉(zhuǎn)化為水的熱量。
本發(fā)明涉及的固體吸附式熱泵系統(tǒng)采用沸石分子篩為吸附劑，以水為吸附質(zhì)。沸石分子篩具有十分優(yōu)良的吸附性能。主要表現(xiàn)為對水分子的強烈的吸附能力，其吸附機理與微孔填寵無異。沸石分子篩對水的吸附主要是物理吸附，物理吸附在較低溫度時即可以很快的速度進行。物理吸附是自發(fā)過程，故Gibbs自由能ΔG為負值。發(fā)生物理吸附時，氣體分子活動自由度(無序程度)減小。以吸附床為研究對象，該體系的ΔS＜0。根據(jù)熱力學(xué)基本關(guān)系式ΔH＝ΔG+T·ΔS可知，進行物理吸附時，體系焓變ΔH必為負值，即物理吸附是放熱過程。沸石分子篩——水吸附對的吸附熱為3300-4200KJ/KG(摘自化學(xué)工業(yè)出版社《熱能存儲技術(shù)與應(yīng)用》)。
下面再從本發(fā)明涉及的熱泵循環(huán)能量轉(zhuǎn)換過程做進一步闡述當吸附床4被加熱時，已被吸附劑(沸石分子篩)吸附的吸附質(zhì)(水)獲得能量。當水分子獲得的能量足以克服吸附劑的吸引力時，水分子從吸附劑表面脫出，通過壓力閥15以凝結(jié)傳熱的形式把熱量傳給熱桶1中待加熱的水。當停止對吸附床加熱時，熱桶1中待加熱的水又以冷卻水的形式流入隔熱腔7中，把處于高溫狀態(tài)的吸附床4被冷卻的過程中，其吸附能力逐步提高，并不斷吸附冷桶2中的水蒸汽，放出吸附熱使其轉(zhuǎn)化為水的熱量。
由于吸附床的不斷吸附，造成冷桶2氣相空間的水蒸汽含量減少，在水蒸汽濃度差的推動下，致使冷桶2中的水不斷汽化。同時，低于環(huán)境溫度的冷桶水通過冷桶壁不斷吸取空氣中的熱量，使空氣成為熱泵循環(huán)的低溫?zé)嵩础?br> 以上脫附、吸附空氣源熱泵循環(huán)的能量轉(zhuǎn)換參照圖2Q由電加熱產(chǎn)生的熱量。
電加熱使吸附床升溫，脫附蒸汽的熱量全部被熱桶水吸收，吸附床的熱量也全部被熱桶水在冷卻時帶走。同時，使固體吸附劑獲得界面能。
Q1被吸附的水蒸汽所具有的熱量。
冷桶中的水蒸汽被吸附時，吸附床放出吸附熱，吸附熱被熱桶水在冷卻時帶走。同時，使固體吸附劑界面能減少。
Q2熱桶中被加熱的水通過吸收脫附水蒸汽和冷卻吸附床獲得的熱量。
由此可見，熱桶中的水獲得的熱量Q2＝Q+Q1其制熱系數(shù)Ψ＝Q2/Q＝Q+Q1/Q＝1+Q1/Q上式表明，該熱泵循環(huán)的制熱系數(shù)永遠大于1。熱泵節(jié)能的效率取決于吸附量的大小。
(2)關(guān)于脫附、吸附循環(huán)和水的加熱過程的結(jié)合和匹配本發(fā)明的主要內(nèi)容是在沸石分子篩的脫附吸附熱泵循環(huán)中完成對水的加熱。沸石分子篩的脫附、吸附熱泵循環(huán)需要不斷升溫、降溫；而水的加熱是一個從常溫到使用溫度的單一升溫過程，本發(fā)明把這二個似乎矛盾的過程結(jié)合在一起，同時實現(xiàn)水加熱和熱泵制熱循環(huán)的依據(jù)是沸石分子篩獨特的吸附性質(zhì)。
沸石分子篩對水的吸附能力很強，但同時，其再生比較困難，需要有較高的脫附溫度，這是事物兩面性的反映。這種兩面性恰恰都能為我們所用。
沸石分子篩很強的吸附能力表現(xiàn)在不僅常溫下有較高的吸附能力，而且在高溫時對水也有較高的吸附能力，是唯一可用的高溫吸附劑。例如，沸石分子篩的平衡吸附量一般≥25％。在1.33KPa水蒸汽分壓力下，100℃時，分子篩的吸水量就可達15-20％。(摘自化學(xué)工業(yè)出版社《吸附作用應(yīng)用原理》)。正是這種在一定水蒸氣壓力條件下的高溫吸附性能，使沸石分子篩吸附過程中產(chǎn)生的吸附熱可以用于水的加熱。與其相對應(yīng)的，脫附時需要較高的脫附溫度。這一性質(zhì)告訴我們，只要使吸附劑達到必須的脫附溫度，而不必使吸附床冷卻到常溫，同樣能得到足夠的吸附量。這就使我們在沸石分子篩脫附、吸附熱泵循環(huán)過程種，把水對吸附床的冷卻過程和水的升溫過程二者看來同樣似乎是矛盾的過程，可以結(jié)合成為一個過程。隨著水在冷卻吸附床4過程中的不斷升溫，吸附床也不斷在一個更高的溫度區(qū)間內(nèi)實現(xiàn)脫附、吸附循環(huán)。而在這過程中，水始終是被加熱的對象，又始終使吸附床的冷卻液。
這樣，我們就實現(xiàn)了二個過程的結(jié)合和匹配。即脫附、吸附循環(huán)和水的加熱升溫過程的結(jié)合和匹配，水對吸附床的冷卻過程和水的升溫過程的結(jié)合和匹配。
為了實現(xiàn)上述二個過程的結(jié)合和匹配，可以通過控制吸附床的溫度或者加熱時間來實現(xiàn)，為了簡化結(jié)構(gòu)，本發(fā)明對吸附床的加熱時間采取了定時控制的辦法。即在每一個脫附、吸附循環(huán)中，電熱管對吸附床的加熱時間時一定的。由于電功率一定，因此，每次加熱消耗的電能也是一定的。由于每次吸附床4被加熱時的起點溫度不同，使吸附床4達到的脫附溫度也不同。形成起點溫度越高，達到的脫附溫度也越高。
由于供生活用水的電加熱器要求達到的使用溫度并不高，例如，電熱水器要求達到75℃～80℃，太陽能熱水器電輔助加熱要求達到50℃，電開水爐要求達到100℃。而沸石分子篩的脫附溫度一般在70℃～250℃之間。因此，通過匹配吸附床工作單元中電熱管5的加熱時間和其他相關(guān)元素，我們能使吸附床4運行過程中達到的最低脫附溫度即第一個循環(huán)所達到的脫附溫度，足以使吸附劑發(fā)生脫附。而達到的最高脫附溫度即最后一個循環(huán)所達到的脫附溫度，又不太高。并使每個循環(huán)過程都又足夠的吸附量。
這里需要強調(diào)的是，本發(fā)明對電能的利用顯然優(yōu)于現(xiàn)有的水電器。
電能是可無限轉(zhuǎn)換的高級能量。消耗電能轉(zhuǎn)換獲得的熱量，溫度越高，做功能力越強，也就是說具有的熱量越大。相對于現(xiàn)有的水電器而言，在消耗相等數(shù)量電能的情況下，本發(fā)明利用的電能轉(zhuǎn)換成了高品位形態(tài)的能量，獲得的熱能具有驅(qū)動吸附床運行的能力，從而形成熱泵循環(huán)，獲得了更多的熱量。
因此，從能量利用的角度看，同樣是把水加熱，本發(fā)明對電能的利用更合理。
(3)關(guān)于吸附溫度和蒸發(fā)溫度的匹配在脫附、吸附運行過程中，隨著水溫的升高，吸附床的吸附溫度也同步升高，而作為直接低溫?zé)嵩吹睦渫八畢s保持略低于室溫的動態(tài)平衡狀態(tài)。因此，系統(tǒng)運行中，吸附溫度和蒸發(fā)溫度的溫差是逐步增大的。在這種情況下，仍能保持正常循環(huán)，同樣是鑒于沸石分子篩優(yōu)良的吸附性能。
由于沸石分子篩具有大的比表面和微孔體積，其孔穴小且較均一，吸附分子在該孔穴內(nèi)受到孔壁的疊加吸附力的作用，使沸石具有很大的色散力；而且沸石分子篩獨特的孔道結(jié)構(gòu)，使其還有較大的靜電力。在色散力和靜電力的共同作用下，沸石分子篩的吸附力特別強大。尤其對水，即使在低相對濕度、低濃度等不利條件下，仍有較強的吸附能力。分子篩的這些特性使其具有非線性等溫吸附性能。即吸附量在較低的相對壓力P/P。(氣體吸附平衡壓力/氣體在吸附溫度時的飽和壓力)時迅速增加，達到一定的P/P。值后吸附量趨于一恒定的數(shù)值。這說明沸石分子篩吸附系統(tǒng)有較強的環(huán)境適應(yīng)能力。
沸石分子篩對水強烈的吸附能力和可適應(yīng)較高溫度范圍的吸附性質(zhì)，使沸石分子篩-水吸附對可以在較大溫升，指吸附溫度和蒸發(fā)溫度之差，時使用。一般在70℃以上，可放寬對吸附溫度的要求，不僅有利于提高吸附溫度，也有利于縮短循環(huán)周期。
需要強調(diào)的是，盡管沸石分子篩對水有強烈的吸附力，但過低的水蒸氣分壓力對本系統(tǒng)的運行是不利的。本發(fā)明涉及的加熱系統(tǒng)的運行過程中重要的是取得足夠的沸石分子篩在高溫條件下的吸附量。只有在一定水蒸氣分壓力下的吸附過程，才能取得足夠的高溫條件下的吸附量。由此獲得的吸附熱，其所具有的能量品位，對水的加熱升溫才是有價值的。由于本發(fā)明涉及的水電器一般在室內(nèi)工作，在常溫下例如10℃，冷桶內(nèi)水蒸氣趨于該溫度點的飽和壓力，該水蒸氣壓力足以滿足高溫吸附要求。
由于吸附作用，冷桶水有一個降溫過程，但由于冷桶內(nèi)的氣相壓力和環(huán)境壓力處于動態(tài)平衡狀態(tài)，再加上采取了加強和空氣的熱交換措施以及冷桶的自動補水等原因，冷桶水的溫降是有限和可控的，冷桶中水的溫度在略低于室溫的其一點上達到動態(tài)平衡后基本上保持穩(wěn)定，冷桶氣相空間所具有的水蒸汽分壓力也是基本保持穩(wěn)定的(4)關(guān)于從空氣中獲取熱量本發(fā)明涉及的熱泵系統(tǒng)通過冷桶2間接從空氣中獲取熱量，但也可采用直接從空氣中獲取熱量的辦法。
沸石分子篩對水有強烈的吸附能力，盡管在常溫條件下空氣中的水蒸汽分壓力一般能滿足沸石分子篩的吸附要求，但受工作環(huán)境等因素的影響，例如，熱水器的工作環(huán)境無窗戶，和室外沒有暢通的空氣對流通道等，會引起空氣中水蒸汽分壓力有較大的變化，因此必將在一定程度上影響吸附過程。
設(shè)置一個冷桶2，使吸附床4中的吸附劑直接吸附來自冷桶2氣相空間的水蒸汽。由于冷桶2內(nèi)水蒸汽的分壓力趨向于該環(huán)境溫度點對應(yīng)的飽和壓力，因此，其水蒸汽分壓力足以滿足沸石分子篩的吸附要求。
冷桶2中略低于室溫的水通過冷桶壁，主要以熱傳導(dǎo)的形式不斷吸收空氣中的熱量，源源不斷把熱量供給冷桶水，補充因不斷蒸發(fā)而需要的汽化熱。在這過程中，一方面冷桶氣相空間的水蒸汽因不斷被吸附，在水蒸汽濃度差的推動下，冷桶水加速蒸發(fā)，同時造成冷桶2中水溫下降。另一方面，在溫度差的推動下，通過冷桶壁的熱傳導(dǎo)，冷桶水不斷吸收空氣中的熱量，又使水溫回升。這二個過程在某個略低于室溫的溫度點上達到動態(tài)平衡。在這個過程中，我們可以把冷桶2看成空氣熱量的貯存器和轉(zhuǎn)換器，而熱泵循環(huán)中真正的冷源是空氣。
由于冷桶內(nèi)設(shè)置了金屬絲網(wǎng)上鋪墊吸水性強的多孔材料，比如棉紗布。既擴大了蒸發(fā)面，又加快了冷桶水和空氣的熱交換，有利于冷桶溫度保持動態(tài)平衡。
但是，需要說明的是，冷桶并不是必需的。
我們周圍的空氣具有無限的熱能，是熱泵運行的一個取之不盡的低溫?zé)嵩?。常態(tài)下的空氣是含有水蒸汽的濕空氣。在一定條件下，例如空氣的溫度和濕度不是十分低，熱水器的工作環(huán)境具有和室外空氣交流的足夠通道等，可以不設(shè)冷桶，直接吸附空氣中的水蒸汽。
(5)關(guān)于加熱時間和吸附時間的匹配在脫附、吸附循環(huán)過程中，加熱時間和吸附時間是不一致的，吸附時間一般要長于加熱時間。
為加快吸附過程，本發(fā)明在吸附床的設(shè)計上采取了多項技術(shù)措施。例如吸附床容器采用圓環(huán)狀截面，可以減小傳熱厚度，增加冷卻時的換熱面。吸附劑容器壁設(shè)金屬絲網(wǎng)，分子篩之間鋪設(shè)的裸金屬絲等，以加強吸附床的傳熱傳質(zhì)過程。另外，系統(tǒng)在開口狀態(tài)下運行，在其吸附劑內(nèi)外形成一個正壓力系統(tǒng)，有助于傳熱傳質(zhì)過程的進行。
影響吸附過程的一個重要因素是吸附床的冷卻速度，冷卻速度越快，吸附床的吸附能力恢復(fù)越快。本發(fā)明采用水冷。由于水的比熱容較大，特別是汽化時能吸收很大的汽化熱，而分子篩的比熱容僅為0.95KJ/kg，金屬容器壁的比熱容僅為0.46KJ/kg，因此，可以在較短的時間內(nèi)帶走吸附床的熱量，獲得較快的冷卻速度。
另外，本發(fā)明涉及的熱泵系統(tǒng)采取二床、三床或多床可根據(jù)不同的水電器選用，聯(lián)動，依次加熱，自動切換，連續(xù)運行，相對加長了吸附時間，使加熱時間和吸附時間基本匹配。
需要進一步說明的是，在脫附、吸附循環(huán)中，每一次循環(huán)，吸附床未必一定要求達到平衡吸附量。原因之一是對于制熱來說，只要有吸附量就會有熱泵效應(yīng)。這一點顯然不同于固體吸附式熱泵制冷對吸附量的要求；原因之二是在定時加熱控制模式下，吸附床的運行具有自動調(diào)節(jié)能力，即若沸石分子篩吸水量減少，會引起脫附溫度升高，于是脫附量增大。同時，吸水量減少，又會使分子篩界面擴大，使吸附床在同等條件下吸附能力增強。
(6)關(guān)于自動冷卻在脫附、吸附循環(huán)中，對吸附床的冷卻包括對脫附后吸附床的冷卻和吸附過程中吸附熱的冷卻。本發(fā)明涉及的熱泵加熱系統(tǒng)采用水冷并使冷卻水流自動完成對吸附床的冷卻。
由隔熱腔7調(diào)壓閥8和浮球9，以及進水管20、壓力閥21、出水管18、止回閥19等構(gòu)成吸附床的自動冷卻系統(tǒng)。
該吸附床自動冷卻系統(tǒng)利用水蒸汽和空氣組成的混合氣體，在同一溫度點，在密閉空間和開放空間的兩個不同狀態(tài)下所具有的不同氣體壓力所形成的壓力差，和熱桶1中存在的水位差，作為冷卻水流進，流出隔熱腔的驅(qū)動源。
當吸附床4停止加熱時，電磁閥17打開，浮球9脫離散熱管口11，隔熱腔成為一個開放空間，腔內(nèi)壓力和環(huán)境壓力趨于一致，熱桶1中的水在水位差的作用下，從隔熱腔7頂部的壓力閥21和進水管20進入隔熱腔7冷卻吸附床。開始冷卻時，由于隔熱腔7內(nèi)的溫度較高，少量水進入時很快被汽化，水蒸汽通過調(diào)壓閥8上的排氣孔12和散熱管口11向外擴散，并通過散熱管10向熱桶1中的水凝結(jié)換熱。同時，通過出水管18和止回閥19直接進入熱桶1的水中。由于是開口系統(tǒng)且有足夠的通道，因此，腔內(nèi)壓力不會驟然升高。這一階段主要是通過冷卻水被汽化時吸收的汽化熱冷卻吸附床。由壓力閥21控制進入隔熱腔7的冷卻水量，不斷通過冷卻水被汽化帶走吸附床的熱量。
當吸附床4的溫度降至100℃以下后，冷卻水通過吸附床4上的導(dǎo)流槽14沿吸附床流下，冷卻吸附床4。
當水位達到設(shè)計位置時，浮球9上浮至閥體頂部并封住散熱管口11，此時，隔熱腔7成為一個密閉空間，隔熱腔7內(nèi)水蒸汽密度增加，水蒸汽分壓力趨向該溫度點的飽和壓力，使隔熱腔7內(nèi)的氣體壓力大于環(huán)境壓力。在內(nèi)外壓力差的作用下，進入隔熱腔7內(nèi)的冷卻水從隔熱腔7底部的出水管18和止回閥19流出隔熱腔7。這里，調(diào)壓閥8和隔熱腔7似一個連通器，在氣相空間壓力的作用下產(chǎn)生的水壓，使浮球8持續(xù)頂住散熱管口11，使隔熱腔7持續(xù)保持密閉狀態(tài)，直到冷卻水全部流出為止。
當水位下降至調(diào)壓閥8的排水口13時，浮球9脫離散熱管口11下落。此時，隔熱腔7又處于開放狀態(tài)，隔熱腔7內(nèi)外壓力又趨于一致，水流在水位差作用下又進入隔熱腔7，開始第二次冷卻。
權(quán)利要求
1.一種水的電加熱固體吸附式空氣源熱泵系統(tǒng)，其特征在于包括熱桶(1)，在熱桶(1)內(nèi)設(shè)有隔熱腔體(6)，在隔熱腔體(6)內(nèi)設(shè)有吸附劑容器(3)，在吸附劑容器(3)內(nèi)設(shè)有吸附床(4)和電熱管(5)，在隔熱腔體(6)上設(shè)有壓力閥(21)且該壓力閥(21)的出水口位于吸附劑容器(3)的上方，在隔熱腔體(6)上設(shè)有壓力閥(15)且該壓力閥(15)的進氣口與吸附劑容器(3)內(nèi)部連通，在吸附劑容器(3)上連接有吸附管(22)，該吸附管(22)的一端與吸附劑容器(3)的內(nèi)部相通，另一端延伸至熱桶(1)之外部，在吸附管(22)上設(shè)有壓力閥(23)，在隔熱腔體(6)的下部設(shè)有出水用止回閥(19)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水的電加熱固體吸附式空氣源熱泵系統(tǒng)，其特征在于在隔熱腔體(6)內(nèi)設(shè)有調(diào)壓閥，該調(diào)壓閥由閥體(8)及浮球(9)組成，浮球(9)設(shè)在閥體(8)內(nèi)，在閥體(8)上設(shè)有排氣孔(12)，在閥體(8)的下部設(shè)有使閥體內(nèi)腔體與隔熱腔體(6)相通的排水孔(13)，在閥體(8)還連接有散熱管(10)，在熱桶(1)上設(shè)有電磁閥(17)，該電磁閥(17)的推桿用于推動浮球(9)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水的電加熱固體吸附式空氣源熱泵系統(tǒng)，其特征在于在吸附管(22)上連接有置有水的冷桶(2)，且吸附管(22)的端部高于冷桶內(nèi)水面，在冷桶(2)上設(shè)有冷桶進水管(24)，在冷桶進水管(24)的端部設(shè)有水位限制器(27)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種水的電加熱固體吸附式空氣源熱泵系統(tǒng)，包括熱桶，在熱桶內(nèi)設(shè)有隔熱腔體，在隔熱腔體內(nèi)設(shè)有吸附劑容器，在吸附劑容器內(nèi)設(shè)有吸附床和電熱管，在隔熱腔體上設(shè)有壓力閥且該壓力閥的出水口位于吸附劑容器的上方，在隔熱腔體上設(shè)有壓力閥且該壓力閥的進氣口與吸附劑容器內(nèi)部連通，在吸附劑容器上連接有吸附管，該吸附管的一端與吸附劑容器的內(nèi)部相通，另一端延伸至熱桶之外部，在吸附管上設(shè)有壓力閥，在隔熱腔體的下部設(shè)有出水用止回閥。
文檔編號F25B30/04GK101055133SQ200710023010
公開日2007年10月17日 申請日期2007年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月30日
發(fā)明者李興榮 申請人:李興榮