[发明专利]热交换器

说明书

技术领域

本发明涉及热驱动冷却装置、热泵或热变压器的领域，特别涉及那些被称为吸附装置的装置，所述装置采用吸附剂或吸收剂材料作为化学压缩机以提升制冷气体的压力。本发明特别涉及一种适合用作下文中将被称为吸附装置的固体-气体反应器的热交换器。

背景技术

热泵、热变压器和冷却系统通常基于制冷气体的凝结和蒸发的热力学。在气体向液体凝结时，阻止热量到达环境，而在液体的蒸发时，吸收热量。蒸发/凝结循环通过压缩驱动。如果所选环境例如仅在蒸发阶段与气体/液体形成热接触，那么此环境经历总体冷却作用。

在传统的空气调节单元中，必须的压缩通过通常由电机提供的机械功来驱动。作为对比，固体吸附装置(无论是作为热泵还是作为冷却系统运行)由诸如氨的制冷气体(或吸着物)通过固体或液体吸附剂的吸附或吸收来驱动。吸附剂因此充当化学压缩机。

与传统的空气调节器相比，基于吸附循环的空气调节器具有如下益处：所需驱动系统的能量能是热的形式。吸附热泵或冷却系统可以是气体或油燃烧驱动或者甚至是太阳能驱动的。与诸如电的二次源相反，初级热能作为驱动器的使用意味着吸附装置在能量方面能固有地更加有效。

在输入能量方面，车辆中使用的空气调节系统是特别浪费的。传统地，这些空气调节系统是通过车辆发动机直接驱动的以燃料为动力的机械装置。已估计大约8％的汽车燃料损耗归因于空气调节系统。随着燃料价格的提高以及道路交通的环境后果的意识的增加，对更有效和环境友好型的移动式空气调节系统存在日益增加的需求。

基于吸附作用的空气调节系统理论上非常适于满足此需求。这些系统可通过来自发动机冷却水套和/或发动机废气的废热提供动力，因此减少了多达10％的燃料消耗。通过使用这种动力源可降低车辆的运行成本和不合需要的气体排放(诸如CO、CO2、NOx、SOx等)。

在其最简单的形式中，吸附装置由相连的发生器和封装吸着物气体的接收器组成。在不同的时期，该接收器或充当蒸发器或充当冷凝器。诸如活性炭、沸石或硅胶的吸附剂材料存在于该发生器中。

装置的运行通过使通过发生器泵送的热流体的温度循环来执行。该热流体可使用上述热源中的一个或多个加热，并冷却至环境温度。

当发生器基本处于环境温度时，相对大量的吸着物材料被吸附在吸附剂材料中。在加热发生器时，吸着物从吸附剂中解吸附，提升发生器的内部压力，该发生器形成具有接收器的封闭系统。在压力下，吸着物在接收器中凝结并阻止热量到达环境。

然后将发生器冷却回至环境温度，引起吸着物的再吸附，降低系统压力。接收器中的降低的压力导致其中的液体沸腾。因此，在此循环阶段中，将热量从环境提取到接收器，产生外部冷却/制冷效果。

如果期望进行冷却，则明显的是上述循环是不连续的，因为有用的冷却仅出现半个循环。然而，两个这种异相运行的系统理论上能提供连续的冷却。

通过准备热的再生能进一步提高效率。也就是说，使用在一个系统的发生器冷却时阻止的热量来对另一系统的发生器进行预加热。

存在许多在现有技术中描述的吸附装置。参见，例如WO 2004/011859，其公开了一种能量有效的再生热压缩装置。该装置包括一组沿两个堤岸布置到加热区的任一侧的发生器模块。热流体(热承载流体)被驱动沿可逆方向经过模块。在一个阶段期间，第一堤岸中的发生器被冷却并因此处于吸着物再吸附的各个阶段中。相关蒸发器区域中的吸着物因此沸腾，实现周围流体的冷却。另一堤岸中的发生器将处在解吸附的各个阶段中。相关冷凝器区域中的吸着物凝结，实现环境的加热。

在循环的后续阶段期间，发生器切换功能。

实际上，WO 2004/011859中描述的装置和其它吸附装置可基于许多吸着物/吸附剂对中的任一对。吸附剂材料可例如是活性炭、沸石、硅胶、金属卤化物、金属合金、水或其组合。吸着物材料的示例包括氨、水、酒精、氢、碳氢化合物、氢氟碳化合物和二氧化碳。

然而吸附装置遭受低冷却或加热功率密度和高投资成本的缺点。吸附装置的冷却或加热功率密度是每单位容量的吸附剂能实现的冷却或加热程度的指示器。因此，要产生指定的冷却或加热功率，可能需要增加吸附发生器(其容纳吸附剂)的尺寸并因此增加吸附发生器的成本。到目前为止，这些因素阻碍了商业可行的基于吸附作用的移动式空气调节单元的发展。