專利名稱：生成熱量的方法
生成熱量的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于生成熱量以供在加熱系統(tǒng)且尤其是家用加熱系統(tǒng)中被使用的方法。
眾所周知的是，許多化學反應是放熱的(exothermic),即，這些化學反應產生熱量，并且，這樣的反應的示例包括酸堿反應。
本發(fā)明利用受控的放熱反應以產生熱量，該熱量隨后在熱交換器中被交換以提供可用的熱源(heat source),以用于加熱例如家用供水系統(tǒng)中的水等的流體。
因此，在第一方面，本發(fā)明提供一種用于產生熱流體的供給(asupply of a heated fluid)的方法，該方法包括遞送流體穿過熱交換器單元，在該熱交換器單元中，該流體由熱源加熱；其特征在于，熱源從兩個或更多個化學反應物(reactant)的放熱反應中得到(derive)熱量。
放熱反應可發(fā)生在熱交換器內的反應器(reactor)之內。備選地，反應物可在與熱交換器單元相分離的容器中被混合到一起，并且，混合反應物流和/或其反應產物流可凈皮遞送穿過熱交換器以充當熱源。
在一個實施例中，本發(fā)明提供一種用于產生熱流體的供給的方法，該方法包括遞送流體穿過熱交換器單元，其中，該熱交換器單元包括
(a) 熱交換器元件，流體可流動穿過該熱交換器元件；
(b) 反應腔，該反應腔具有至少一個進口，穿過該至少一個進口，反應物可被引入到反應腔中；以及，至少一個出口，穿過該至少一個出口 ，廢反應物(spent reactant)可乂人反應腔中凈皮去除；
(c) 第一定量加料(dosing)單元，該第一定量加料單元用于使受控的量的(controlled amount of)第 一反應物穿過進口而被引入到反應腔中；以及
(d)第二定量加料單元，該第二定量加料單元用于使受控的量的
第二反應物穿過進口而被引入到反應腔中；
其中，第 一和第二反應物以放出熱量的形式(exothermically)反應，并且，與穿過熱交換器元件的流體交換由此所產生的熱量，控制進入到反應腔中的第 一和第二反應物的引入以產生所要求的加熱等級(level of heating)。
流體可以是氣體或液體。
在一個實施例中，流體是氣體。
在另一個實施例中，流體是液體，它的一個特殊示例為水。熱交換器元件與反應腔處于熱接觸中。在一個實施例中，熱交換
器元件穿過反應腔。例如，熱交換器元件可采取穿過反應腔的導管的形式。
應意識到的是，該流體不與反應物相接觸。
反應腔具有至少一個進口和至少一個出口 。各個反應物可設有其特有的進口。備選地，可提供預混合腔，在將第一和第二反應物引入到反應腔中之前將其引入到該預混合腔中。但是優(yōu)選的是，各個反應物有其自己的進口。
提供定量加料單元以用于以受控的方式將第一和第二反應物引入到反應腔中以便產生所要求的加熱等級。各個定量加料單元可采取具有孔口的貯存器(例如料斗或儲罐)的形式，該孔口可被打開或被關閉以允許反應物朝著反應腔運動。該反應物或各個反應物可借助于重力給料(gravity feed)而被運送至反應腔。備選地或附加地，可使用泵或其他的運送器具(例如，螺旋推運器或螺桿推進器)。
可提供一個或多個傳感器，以用于在流體離開熱交換器時測量其溫度。傳感器典型地連接至控制器，該控制器又可連接至定量加料單元和/或進入反應腔的各個進口處的閥。同樣可提供傳感器以用于監(jiān)控進入燃燒室的反應物的流動速率(rate of flow)。
6同樣可提供一個或多個反應監(jiān)控傳感器，以用于監(jiān)控反應物之間的反應的程度。反應監(jiān)控傳感器(其可例如為pH傳感器)可設置在該出口或各個出口的附近或設置在該出口或各個出口處以確定反應物之間的反應是否已完成。反應監(jiān)控傳感器可被聯(lián)結至控制器和/或直接地被聯(lián)結至關閉各個出口的閥或其它閉合器具。響應于來自反應監(jiān)控傳感器或控制器的信號，閥或其它閉合器具可^皮驅動至打開位置，以允許廢反應物離開反應腔。
在前述的本發(fā)明的方面和實施例中的每一個中，反應物(例如，第
一和第二反應物)優(yōu)選地分別是酸性物(acid)和堿性物(base)。
優(yōu)選地選擇和/或配制(formulate)酸性物和堿性物以便提供延長的反應時間，/人而引起更加長時間的熱量釋》丈。
酸性物的特殊示例是具有>0、更典型地〉2、并且優(yōu)選地〉3的pKa值的、例如具有在3至7范圍中的pKa的那些酸性物。當酸性物是多元酸(例如檸檬酸)時，前述限定指的是第 一 電離作用(firstionisation)。
特殊的酸性物是多元酸性物。
一種優(yōu)選的酸性物是檸檬酸。
堿性物的示例是具有〉0、更典型地>2、并且優(yōu)選地〉3的pKb值的、例如具有在3至7范圍中的pKb的那些i威性物。
特殊的堿性物是堿性的胺，并且尤其是單烷基胺、雙烷基胺、以及三烷基胺?？梢运芤夯蚰z體的形式提供堿性物、尤其是例如乙胺(沸點16.6。C)等的較易揮發(fā)的胺。
一組優(yōu)選的堿性物包括單烷基胺、雙烷基胺、以及三烷基胺，在其中，每個烷基(alkyl group)包括1至4個碳原子，更優(yōu)選地1至3個碳原子，并且最優(yōu)選地l或2個碳原子。這樣的堿性物包括曱胺、二曱胺、三曱胺、乙胺、二乙胺、以及三乙胺?？?吏用的其它石威性物包括例如氫氧化鈉(苛性鈉)等的堿金屬氫氧化物，以及例如碳酸鈉等的碳酸鹽。特別優(yōu)選的堿性物是乙胺，例如以50-70%的水溶液或凝膠體的形式。
酸性物及;咸性物和/或其物理形態(tài)(physical form)如此地加以選擇，即，使得當其混合時(例如，被引入到反應腔中)，其提供持續(xù)的熱量釋放，而不是溫度的快速突然的升高(緊接有溫度的類似地快速的
降低)。持續(xù)的熱量釋放可通過使用相對弱的酸性物或堿性物(其相對緩慢地反應)而達到。備選地或附加地，酸性物和/或石威性物可以這樣的物理形態(tài)而被配制和/或呈現(xiàn)，即，使得兩者之間的反應被減速。例如，依賴于酸性物和石威性物的天然的物理狀態(tài)，酸性物和i咸性物可以經(jīng)涂覆的微粒(例如，經(jīng)涂覆的粉末或顆粒)或凝膠體的形式被引入，在其中，覆層或凝膠成分使酸性物和堿性物之間的反應減速。
在一個實施例中，堿性物可呈液體或凝膠體的形式，并且，酸性物可呈固體形式。 一種這樣的酸性物和堿性物的組合是呈固體形式的杵檬酸和含水乙胺(aqueous ethylamine)的組合。
在另一個實施例中，石咸性物呈固體形式，并且，酸性物呈液體形式。
酸性物和堿性物之間的反應可在無水或有水的情形下完成。在一個實施例中，無水被添加至反應混合物。
在一個優(yōu)選的運行模式中(在其中，反應腔形成熱交換器的一部分)，經(jīng)計量的量的(metered amounts of)第一和第二反應物被引入到反應腔中，并且，從熱交換器中排出的流體(例如，水)的溫度被監(jiān)控，一旦流體的溫度降到預定的數(shù)值以下，引入更多的經(jīng)計量的量的第一和/或第二反應物。
在另一個方面中，本發(fā)明提供用于加熱流體的熱交換器單元，該熱交換器單元包括
(a) 熱交換器元件，流體可穿過該熱交換器元件而流動；
(b) 反應腔，該反應腔具有至少一個進口，穿過該至少一個進口，反應物可被引入到反應腔中；以及，至少一個出口，穿過該至少一個出口，廢反應物可從反應腔中被去除；
(c) 第一定量加料單元，該第一定量加料單元用于將受控的量的
第一反應物穿過進口而引入到反應腔中；以及
(d) 第二定量加料單元，該第二定量加料單元用于將受控的量的 第二反應物穿過進口而引入到反應腔中；并且可選地，包括
(e) —個或多個傳感器，該一個或多個傳感器用于(i)監(jiān)控表示反 應物之間的反應完整性(completeness)的參數(shù)；和/或(ii)流體的溫度， 和/或(iii)進入到反應腔中的反應物的流動速率；以及
(f) 控制器，該控制器操作性地(operativdy)聯(lián)結至一個或多個傳 感器，以用于控制進入腔室的反應物的流動和離開腔室的廢反應物的 流動。
現(xiàn)在將通過參考附圖中顯示的特定實施例更詳細地(但非限制性 地)闡明本發(fā)明。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的裝置的示意性視圖。
具體實施例方式
如圖1中所示，根據(jù)本發(fā)明的方法用于產生熱量的裝置采取這樣 的熱交換器2的形式，該熱交換器2包括隔熱的(insulated)反應腔4和 呈導管的形式、用于輸送水穿過反應腔的熱交換器元件6。導管可形 成家用水加熱系統(tǒng)的一部分，并且，可例如聯(lián)結至散熱器或熱水箱， 或直接聯(lián)結至熱水龍頭。該導管同樣可被隔熱。
反應腔具有一對由進口管8和IO供料的進口 7和9,該進口管8 和IO聯(lián)結至料斗12和14?？刂崎y(未顯示)存在于進口管中以控制至 反應腔中的反應物的流動。第一料斗12容納第一反應物，該第一反 應物可例如為粉末狀的檸檬酸。第二料斗容納第二反應物，該第二反 應物可例如為含水乙胺或碳酸鈉。下文將參考檸檬酸和含水乙胺描述本裝置的功能，但是應理解的是，作為代替，可使用其它的酸性物和 堿性物，且事實上可使用其它放熱反應配對物。
進口管8和10中的每一個具有定量加料傳感器13, 15,該定量 加料傳感器13， 15的用途是監(jiān)控進入腔室的反應物的量。在反應腔 的下端處有出口 16,該出口 16包括過濾器以防止廢反應物的較大顆 粒穿過進入到排廢管中。傳感器18直接地布置在出口上方，以用于 測量反應混合物的pH。出口 16連接至排廢管24，該排廢管24輸送 廢反應物至排廢貯藏容器(未顯示)。
在使用中，水(例如，形成家用供水系統(tǒng)的部分)沿箭頭方向被泵 送穿過導管6。呈流體形式的檸檬酸從料斗12穿過進口管8和進口 7 而被重力給料入反應腔4中。引入的檸檬酸的數(shù)量由定量加料傳感器 13所測量，并且， 一旦預定量的檸檬酸已穿過進入到反應腔4中，則 借助于岡停止來自料斗的流。同時(或者按順序地在檸檬酸被引入之前 或之后)，50-70%含水乙胺或包含乙胺的凝膠體或碳酸鈉自料斗14穿 過進口管10和進口 9而被供入反應腔4中。優(yōu)選的是，使用過量的 乙胺，以使得反應混合物呈漿狀，從而便于混合物朝向出口流動穿過 反應腔。檸檬酸以放熱的方式與乙胺反應以形成流體。通過反應所釋 放的熱量促使反應腔的內容物溫度增高，并且因此，穿過導管6的水 被加熱。使用檸檬酸和含水乙胺的組合時，已得知的是，合重300g 的反應物產生1KW的輸出，并且，能夠在5小時中將15升水加熱rc。 從檸檬酸的單次裝料(single charge)和乙胺的單次裝料可獲得的加熱 效果典型地維持4小時至24小時。
必要時可利用檸檬酸和含水乙胺的進一步裝料來裝滿反應腔。溫 度計可定位在導管6中、在熱交換器的下流，以用于監(jiān)控水溫。溫度 計可聯(lián)結至控制器20。當溫度下降到預定值以下時，控制器可驅動閥 (未顯示)以促使檸檬酸和含水乙胺的進一 步的裝料被引入到反應腔 中。
使用檸檬酸和含水乙胺作為反應物的優(yōu)點是，檸檬酸是天然地存
10在的物質，并且因此可從可再生源中獲得。乙胺(雖然其無法以商品化
的方式(commercially)從天然源中獲得)可隨后從作為來自該反應的廢 產物的所分離出的檸檬酸鹽中再生。
本發(fā)明的加熱方法和裝置可用于這樣的情形中，即，在其中，用 于加熱水的傳統(tǒng)能源無法獲得，或者，可用于補足傳統(tǒng)能源。來自本 方法的唯一廢產物是水溶性流體或漿，其可被收集并取走以用于處理 或回收。
圖1中示出的實施例僅表示實施本發(fā)明的方式中的一種，并且， 顯而易見的是，可對所示的具體實施例進行眾多變型和改型而不會背 離構成本發(fā)明基礎的原理。所有這樣的變型和改型應被本申請所包 含。
權利要求
1.一種用于產生熱流體的供給的方法，所述方法包括將所述流體遞送穿過熱交換器單元，在該處，該流體由熱源所加熱；其特征在于，所述熱源從兩個或更多個化學反應物的放熱反應中得到熱量。
2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述放熱反應在該 熱交換器內的反應器之內發(fā)生。
3. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述反應物在與所 述熱交換器相分離的容器中被混合到一起，并且，混合反應物流和/ 或其反應產物流被遞送穿過所述熱交換器以充當所述熱源。
4. 根據(jù)權利要求1所述的用于產生熱流體的供給的方法，所述方 法包括將所述流體遞送穿過熱交換器單元，其中，所述熱交換器單元 包括(a) 所述流體可穿過其而流動的熱交換器元件；(b) 具有至少一個進口和至少一個出口的反應腔，穿過所述至少 一個進口，反應物可^^皮引入到所述反應腔中，穿過所述至少一個出口， 廢反應物可/人所述反應腔中#皮去除；(c) 用于使受控的量的第 一反應物穿過進口而被引入到所述反應 腔中的第一定量加料單元；以及(d) 用于使受控的量的第二反應物穿過進口而被引入到所述反應 腔中的第二定量加料單元；其中，所述第一和第二反應物以放出熱量的形式反應，并且，與 穿過所述熱交換器元件的所述流體交換由此產生的熱量，控制進入到 所述反應腔中的第一和第二反應物的引入以產生所要求的加熱等級。
5. 根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的方法，其特征在于，所述 流體是液體。
6. 才艮據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于，所述液體是水。
7. 根據(jù)權利要求4和任何從屬于其的權利要求所述的方法，其特征在于，所述熱交換器元件穿過所述反應腔。
8. 根據(jù)權利要求7所述的方法，其特征在于，所述熱交換器元件采取穿過所述反應腔的導管的形式。
9. 根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，各個反應物設有其特有的進口。
10. 根據(jù)權利要求4和任何從屬于其的權利要求所述的方法，其特征在于，所述定量加料單元采耳又具有可被打開或關閉以允許反應物朝著所述反應腔而運動的孔口的貯存器的形式。
11. 根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述反應物包括酸性物和堿性物。
12. 根據(jù)權利ll所述的方法，其特征在于，所述酸性物選自具有>0、更典型地>2、且優(yōu)選地>3的pKa值的酸性物。
13. 根據(jù)權利要求12所述的方法，其特征在于，所述酸性物是檸檬酸。
14. 根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述石威性物選自具有>0、更典型地〉2、且優(yōu)選地>3的pKb值的、例如具有在3至7范圍中的pKb的^5威性物。
15. 根據(jù)權利要求14所述的方法，其特征在于，所述堿性物是胺，例如單烷基胺、雙烷基胺或三烷基胺，或者是碳酸鹽，例如碳酸鈉。
16. 根據(jù)權利要求15所述的方法，其特征在于，所述胺選自曱胺、二甲胺、三曱胺、乙胺、二乙胺、以及三乙胺。
17. 根據(jù)權利要求11至16中任一項所述的方法，其特征在于，所述堿性物呈水溶液或凝膠體的形式。
18. 根據(jù)權利要求17所述的方法，其特征在于，所述堿性物是呈50-70%的水溶液或凝膠體的形式的乙胺。
19. 根據(jù)權利要求4和任何從屬于其的權利要求所述的方法，其特征在于，經(jīng)計量的量的所述第一和第二反應物被引入到所述反應腔中，并且從所述熱交換器中排出的流體(例如，水)的溫度被監(jiān)控，一旦所述流體的溫度降到預定的數(shù)值以下，引入更多的經(jīng)計量的量的所述第 一和/或第二反應物。
20. —種用于加熱流體的熱交換器單元，所述熱交換器單元包括(a) 所述流體可穿過其而流動的熱交換器元件；(b) 具有至少一個進口和至少一個出口的反應腔，穿過所述至少一個進口反應物可被引入到所述反應腔中，穿過所述至少一個出口可為所述反應腔去除廢反應物；(c) 用于使受控的量的第一反應物穿過進口而被引入到所述反應腔中的第一定量加料單元；以及(d) 用于使受控的量的第二反應物穿過進口而被引入到所述反應腔中的第二定量加料單元；并且可選地包括(e) 用于(i)監(jiān)控表示所述反應物之間的反應的完整性的參數(shù)；和/或(ii)所述流體的溫度和/或(iii)進入所述反應腔的反應物的流動速率的一個或多個傳感器；以及(f) 操作性地聯(lián)結至所述一個或多個傳感器以用于控制進入所述腔室的反應物的流動和離開所述腔室的廢反應物的流動的控制器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于產生熱流體的供給的方法，該方法包括將流體遞送穿過熱交換器單元(2)，在此，該流體由熱源(4)所加熱；其特征在于，該熱源(4)從兩個或更多個化學反應物的放熱反應中得到熱量?；瘜W反應物優(yōu)選為酸性物和堿性物。
文檔編號F24J1/00GK101688691SQ200880012988
公開日2010年3月31日 申請日期2008年2月25日 優(yōu)先權日2007年2月23日
發(fā)明者馬克·柯林斯 申請人:馬克·柯林斯