CN112211801B - 一种基于气体吸附脱附效应的高效空气压缩装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于气体吸附脱附效应的高效空气压缩装置，包括吸附脱附装置，气囊，气体转化装置，压缩装置和储气装置；吸附脱附装置内填充有温敏吸附脱附材料，温敏吸附脱附材料上可逆性地吸附有气体工质；气囊与吸附脱附装置连通，用于储存气体工质；并且气囊安装于气体转化装置内部；气体转化装置通过气囊体积变化进行空气压缩；压缩装置用于进行空气压缩，空气压缩产生的热能供给于吸附脱附装置；储气装置分别连通气体转化装置和压缩装置，用于储存压缩空气。本发明可实现对低品位压缩热的回收利用，提高空气压缩机能耗的利用率。

Description

一种基于气体吸附脱附效应的高效空气压缩装置及其方法
技术领域
本发明属于工业压缩空气***领域，具体涉及一种基于气体吸附脱附效应的高效空气压缩装置及其方法。
背景技术
压缩空气作为工业三大动力传输介质之一在现代工业生产中应用广泛。相比较电力和液压传输介质，压缩空气利用效率低。同时，产生压缩空气的能耗大，总能耗约占全国发电量的9％，在全球气候变暖的环境下，提高压缩机能耗的利用率是实现节能减排的有效途径之一，具有重要的意义。
目前，空气压缩机压缩过程大约只有50％左右的电能转换成压缩空气有效能使用，约50％的能量以热能的形式散失，能耗巨大且效率偏低。因此，热回收是提高空气压缩机能耗利用率的一种有效途径。然而，传统空压机的排气温度约80～150℃，属于低品质热源(一般<230℃)，并且产生压缩热规模小，使得压缩热的回收、存储、再利用较难实现。因此，如何对压缩热进行有效利用，提高空气压缩装置能耗利用率是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于气体吸附脱附效应的高效空气压缩装置及其方法，在传统空气压缩装置的基础上，增加吸附脱附装置、气体转换装置和气囊，利用吸附脱附装置在不同温度模式下温敏吸附脱附材料对气体工质的吸附脱附，实现气体转换装置中压缩空气的产生，进而实现压缩热的有效回收利用，提高空气压缩能源的利用率。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于气体吸附脱附效应的高效空气压缩装置，
包括吸附脱附装置，气囊，气体转化装置，压缩装置和储气装置；
吸附脱附装置内填充有温敏吸附脱附材料，温敏吸附脱附材料上可逆性地吸附有气体工质；
气囊与吸附脱附装置连通，用于储存气体工质；并且气囊安装于气体转化装置内部；
气体转化装置通过气囊体积变化进行空气压缩；
压缩装置用于进行空气压缩，空气压缩产生的热能供给于吸附脱附装置；
储气装置分别连通气体转化装置和压缩装置，用于储存压缩空气。
温敏吸附脱附材料目前主要应用于制备单质的高压吸附气体，利用温敏吸附脱附材料在高温下脱附气体工质、低温下吸附气体工质的特性，以压缩热作为热源，通过温度变化过程中气体工质吸附脱附变化引起的气囊体积变化，使得气体转化装置中压力变化，从而在气体转化装置中完成空气压缩，有效实现压缩装置的余热回收，进而提高能量利用率。
优选地，温敏吸附脱附材料指在不同温度下可实现对气体工质可逆性吸附脱附的材料。
优选地，温敏吸附脱附材料可选用储气合金，如MmNi4.7Al0.3、MmNi4.7Fe0.3、La0.85Ce0.15Ni5等。
优选地，气体工质可选用二氧化碳、氮气、氢气等气体。
常用的压缩装置排气温度在80-150℃之间，可满足温敏吸附脱附材料进行脱附气体工质的温度。
优选地，气囊选用抗张强度高、弹性好、气密性佳的材料制成。
优选地，压缩装置上连接有排气管路；排气管路穿设于吸附脱附装置内部，并且连接储气装置。
排气管路的设置，可在排气过程中，将压缩空气所带热量传送至吸附脱附装置，进而使温敏吸附脱附材料受热脱附气体工质。
进一步优选地，排气管路位于吸附脱附装置外部的部分可设置隔热层或采用绝热材料，减少热量损失；排气管路位于吸附脱附装置内部的部分可采用导热材料，以便快速传热。
进一步优选地，排气管路位于吸附脱附装置内部的部分可设置为蛇状、盘状等，通过均匀分布、延长路径以充分接触温敏吸附脱附材料。
优选地，压缩装置上设置有夹套，夹套内通入传热介质；并且夹套上连接有传热管路，传热管路用于为吸附脱附装置供热。
传热介质可选用气体介质或液体介质。
优选地，上述基于气体吸附脱附效应的高效空气压缩装置还包括制冷装置，制冷装置用于对吸附脱附装置进行降温处理。
一种基于气体吸附脱附效应的高效空气压缩方法，利用上述高效空气压缩装置进行空气压缩，包括压缩、吸附脱附、气体转换和气体储存；
其中，
压缩：
使用压缩装置对空气进行压缩，空气压力升高，产生压缩空气和压缩热；
吸附脱附包括热模式和冷模式：
1)热模式：利用压缩过程产生的压缩热为吸附脱附装置提供热源，使气体工质从温敏吸附脱附材料上脱附；
2)冷模式：吸附脱附装置在冷却状态下，气体工质吸附到温敏吸附脱附材料上；
气体转换包括吸气过程和压缩过程：
A)吸气过程：冷模式下，温敏吸附脱附材料吸附气体工质，气囊体积缩小，大气进入气体转换装置中，完成吸气；
B)压缩过程：热模式下，温敏吸附脱附材料受热脱附气体工质，气囊体积增大，对气体转换装置中的大气进行压缩，完成压缩；
气体储存：压缩装置和气体转换装置中产生的压缩空气输送至储气装置。
优选地，冷模式的冷源由低温环境或制冷装置提供。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明利用压缩空气产生的压缩热作为温敏吸附脱附材料对气体工质脱附的热源，利用气体工质的脱附和吸附所引起的气囊体积变化实现气体转换装置中压缩空气的产生，有效提高空气压缩能耗的利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1所示为实施例2基于气体吸附脱附效应的高效空气压缩装置示意图；
图2所示为实施例3基于气体吸附脱附效应的高效空气压缩装置示意图；
附图标记：1.吸附脱附装置；2.气囊；3.气体转化装置；4.压缩装置；5.储气装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种基于气体吸附脱附效应的高效空气压缩装置，包括吸附脱附装置，气囊，气体转化装置，压缩装置和储气装置。
吸附脱附装置内填充有温敏吸附脱附材料，温敏吸附脱附材料上可逆性地吸附有气体工质。
温敏吸附脱附材料指在不同温度下可实现对气体工质可逆性吸附脱附的材料；可选用储气合金，如MmNi4.7Al0.3、MmNi4.7Fe0.3、La0.85Ce0.15Ni5等。气体工质可选用二氧化碳、氮气、氢气等气体。
气囊与吸附脱附装置连通，用于储存气体工质；并且气囊安装于气体转化装置内部。
气体转化装置通过气囊体积变化进行空气压缩。
压缩装置用于进行空气压缩，空气压缩产生的热能供给于吸附脱附装置。
储气装置分别连通气体转化装置和压缩装置，用于储存压缩空气。
利用上述高效空气压缩装置进行空气压缩：
将吸附脱附装置置于低温环境下或使用制冷装置对吸附脱附装置进行降温(冷模式)，气囊中的气体工质吸附于温敏吸附脱附材料上，气囊体积缩小，大气进入气体转换装置中，完成吸气；
使用压缩装置对空气进行压缩，空气压力升高，产生压缩空气和压缩热；
收集压缩热传递至吸附脱附装置(热模式)，温敏吸附脱附材料受热，气体工质脱附进入气囊，气囊体积增大，对气体转换装置中的大气进行压缩，完成压缩；
压缩装置和气体转换装置中产生的压缩空气均输送至储气装置。
待吸附脱附装置冷却后，可进行下一个冷模式-热模式循环。
实施例2
如图1所示，一种基于气体吸附脱附效应的高效空气压缩装置，包括吸附脱附装置1，气囊2，气体转化装置3，压缩装置4和储气装置5。
吸附脱附装置1内填充有温敏吸附脱附材料，温敏吸附脱附材料上可逆性地吸附有气体工质。
温敏吸附脱附材料指在不同温度下可实现对气体工质可逆性吸附脱附的材料；可选用储气合金，如MmNi4.7Al0.3、MmNi4.7Fe0.3、La0.85Ce0.15Ni5等。气体工质可选用二氧化碳、氮气、氢气等气体。
气囊2与吸附脱附装置1连通，用于储存气体工质；并且气囊2安装于气体转化装置3内部。
气体转化装置3连通储气装置5，气体转化装置3通过气囊2体积变化进行空气压缩。
压缩装置4用于进行空气压缩。压缩装置4上连接有排气管路；排气管路穿设于吸附脱附装置1内部，并且连接储气装置5。
使用时，压缩装置4产生的压缩气体经排气管路输送至储气装置5；输送过程中，由于排气管路经过吸附脱附装置1，可使温敏吸附脱附材料受热、气体工质脱附。其余步骤同实施例1。
在另一个优选的实施方案中，排气管路位于吸附脱附装置1外部的部分可设置隔热层或采用绝热材料，减少热量损失；排气管路位于吸附脱附装置1内部的部分可采用导热材料，以便快速传热。排气管路位于吸附脱附装置内部的部分可设置为蛇状、盘状等形状。
在另一个优选的实施方案中，压缩装置4的进气口、出气口，气体转化装置3的进气口以及排气管路，储气装置5上均设置阀门，便于控制气体的开关流动和流向。
实施例3
如图2所示，压缩装置4外部设置有夹套；夹套内通入传热介质；并且夹套上连接有传热管路，传热管路用于为吸附脱附装置1供热。传热介质可选用气体介质或液体介质。压缩装置上还连接有排气管路。其余结构同实施例1。
使用时，压缩装置4产生的热量通过在传热管路中流通的传热介质传递到吸附脱附装置，进而使温敏吸附脱附材料受热、气体工质脱附。排气管路用于将压缩气体输送至储气装置5。其余步骤同实施例1。
实施例4
使用实施例2高效空气压缩装置进行空气压缩：
气体工质为氢气；温敏吸附脱附材料为储氢合金材料La0.85Ce0.15Ni5，吸附温度10℃，脱附温度110℃，标况下吸附气体最高能达到150L/kg，吸附脱附时间小于60秒。
压缩装置4正常运转产生压缩空气和压缩热，压缩空气排气压力1.0MPa，压缩热大于110℃。
冷模式下，使吸附脱附装置1温度不超过10℃，La0.85Ce0.15Ni5储氢合金材料La0.85Ce0.15Ni5吸附气体工质氢气，气态氢气质量减小，压力减小，La0.85Ce0.15Ni5完成氢气的吸附并达到饱和状态时气囊内压力约0.193MPa；由于气囊2体积缩小，大气进入气体转换装置3中，在60秒的时间内即可完成气体工质吸附及气体转换装置吸气；
对压缩装置4进行排气，压缩装置4产生的压缩气体经排气管路输送至储气装置5；输送过程中，排气管路经过吸附脱附装置1，热模式下，La0.85Ce0.15Ni5受热脱附氢气，气态氢气质量增大，压力增大，气囊2体积增大，最高压力可达2.85MPa，在60秒的时间内完成气体工质脱附及气体转换装置3中的大气压缩。
可以根据压缩装置4的排气量、排气压力、排气温度对温敏吸附脱附材料和气体工质的质量进行优化，以及对吸附脱附装置1与压缩装置4之间的换热结构进行优化，从而优化吸气过程、压缩过程及中间冷热模式转换的时间。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种基于气体吸附脱附效应的高效空气压缩装置，其特征在于，
包括吸附脱附装置，气囊，气体转化装置，压缩装置和储气装置；
所述吸附脱附装置内填充有温敏吸附脱附材料，所述温敏吸附脱附材料上可逆性地吸附有气体工质；
所述气囊与所述吸附脱附装置连通，用于储存所述气体工质；并且所述气囊安装于所述气体转化装置内部；
所述气体转化装置通过所述气囊体积变化进行空气压缩；
所述压缩装置用于进行空气压缩，空气压缩产生的热能供给于所述吸附脱附装置；
所述储气装置分别连通所述气体转化装置和所述压缩装置，用于储存压缩空气。
2.根据权利要求1所述的一种基于气体吸附脱附效应的高效空气压缩装置，其特征在于，
所述压缩装置上连接有排气管路；所述排气管路穿设于所述吸附脱附装置内部，并且连接所述储气装置。
3.根据权利要求1所述的一种基于气体吸附脱附效应的高效空气压缩装置，其特征在于，
所述压缩装置上设置有夹套，所述夹套内通入传热介质；并且所述夹套上连接有传热管路，所述传热管路用于为所述吸附脱附装置供热。
4.根据权利要求1所述的一种基于气体吸附脱附效应的高效空气压缩装置，其特征在于，
还包括制冷装置，
所述制冷装置用于对所述吸附脱附装置进行降温处理。
5.一种基于气体吸附脱附效应的高效空气压缩方法，其特征在于，利用权利要求1-4任一项所述的高效空气压缩装置进行空气压缩，包括压缩、吸附脱附、气体转换和气体储存；
其中，
压缩：
使用压缩装置对空气进行压缩，空气压力升高，产生压缩空气和压缩热；
吸附脱附包括热模式和冷模式：
1)热模式：利用压缩过程产生的压缩热为吸附脱附装置提供热源，使气体工质从温敏吸附脱附材料上脱附；
2)冷模式：吸附脱附装置在冷却状态下，气体工质吸附到温敏吸附脱附材料上；
气体转换包括吸气过程和压缩过程：
A)吸气过程：冷模式下，温敏吸附脱附材料吸附气体工质，气囊体积缩小，大气进入气体转换装置中，完成吸气；
B)压缩过程：热模式下，温敏吸附脱附材料受热脱附气体工质，气囊体积增大，对气体转换装置中的大气进行压缩，完成压缩；
气体储存：压缩装置和气体转换装置中产生的压缩空气输送至储气装置。
6.根据权利要求5所述的一种基于气体吸附脱附效应的高效空气压缩方法，其特征在于，
冷模式的冷源由低温环境或制冷装置提供。
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