CN101373111A - 基于反渗透膜溶液再生的空气源溶液热泵装置 - Google Patents

Abstract

基于反渗透膜溶液再生的空气源溶液热泵装置涉及一种借助溶液从空气中吸收热量作为热泵热源，同时利用反渗透膜进行溶液再生的热泵制热方法和实现这种方法的装置，该装置包括制冷剂循环回路、溶液循环回路和冷热水回路；其中，制冷剂循环回路包括压缩机(1)、四通阀(2)、第一换热器(3)、第一单向阀(4)、第二单向阀(5)、第三单向阀(9)、第四单向阀(10)、储液器(6)、过滤器(7)、电子膨胀阀(8)、第二换热器(11)、气液分离器(12)及其相关连接管道；溶液循环回路分为第一溶液回路和第二溶液回路；本发明解决空气源热泵夏季制冷性能系数较低(与水冷冷水机组比)，冬季运行存在结霜现象的问题，实现夏季水冷制冷、冬季借助溶液从空气中吸热。

Description

基于反渗透膜溶液再生的空气源溶液热泵装置

技术领域

本发明涉及一种借助溶液从空气中吸收热量作为热泵热源，同时利用反渗透膜进行溶液再生的热泵制热方法和实现这种方法的装置，属于制冷空调系统设计和制造的技术领域。

背景技术

由于化石能源的逐渐枯竭，能源问题已经成为制约全球发展的主要问题之一。随着经济的发展和生活水平的提高，夏季制冷，冬季供热成为人们生活、工作和学习的必要保障。空气源热泵装置具有节能，使用方便，能够夏季提供冷水、冬季提供热水等优点，得到广泛使用。但空气源热泵存在夏季制冷效率不高(相比水冷冷水机组)，冬季运行蒸发器表面易结霜等不足。冬季运行蒸发器表面结霜将导致蒸发器中制冷剂与空气的换热热阻增大，换热量下降，热泵性能也随之降低。随着霜层的增厚，热泵将不能正常工作，甚至烧毁压缩机。而对热泵进行除霜不仅需要中断供热，同时也要消耗大量热量，降低了热泵系统的可靠性和供热效率。

因此，解决空气源热泵夏季制冷性能系数较低(与水冷冷水机组比)，冬季运行存在结霜现象等问题，设计出一种新型高效的热泵装置成为本领域技术人员迫切需要解决的技术难题。

发明内容

技术问题：本发明的目的是解决空气源热泵夏季制冷性能系数较低(与水冷冷水机组比)，冬季运行存在结霜现象的问题，提出一种可实现夏季水冷制冷、冬季借助溶液从空气中吸热，并基于反渗透膜溶液再生的空气源溶液热泵装置。

技术方案：本发明基于反渗透膜溶液再生的空气源溶液热泵装置中，包括制冷剂循环回路、溶液循环回路和冷热水回路。制冷剂循环回路由压缩机、四通阀、第一换热器、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀、储液器、过滤器、电子膨胀阀、第二换热器、气液分离器及其相关连接管道组成。压缩机的输出端接四通阀的第一输入端，四通阀的第一输出端接第一换热器第一输入端，第一换热器第一输出端通过第一单向阀接储液器的输入端，同时第一换热器第一输出端也通过第一单向阀、第二单向阀接第二换热器第一输入端，储液器的输出端通过过滤器接电子膨胀阀输入端，电子膨胀阀输出端通过第四单向阀接第二换热器第一输入端，同时电子膨胀阀的输出端还通过第三单向阀接第一换热器第一输出端，第二换热器第一输出端接四通阀第二输入端，四通阀第二输出端接气液分离器输入端，而气液分离器的输出端接压缩机的输入端；溶液回路分为第一溶液回路和第二溶液回路。第一溶液回路由冷却塔、第一溶液储存器、第一手阀、第二手阀、第三手阀、第一水泵、第二换热器及其相关连接管道组成；第二溶液回路由第一溶液储存器、第一电磁阀、第二水泵、第三换热器、过滤装置、高压泵、膜渗透装置、第二溶液储存器、溶液控制阀及其相关连接管道组成。第一溶液回路中冷却塔出口分成两路，一路通过第一手阀接第一溶液储存器第一输入口，第一溶液储存器第一输出口通过第三手阀接第一水泵的入口，另外一路通过第二手阀也接第一泵的入口。第一水泵出口接第二换热器第二输入端，第二换热器第二输出端与冷却塔的输入口相连。第二溶液回路中第一溶液储存器第二输出端经过第一电磁阀接第二水泵输入端，第二水泵输出端接第三换热器第一输入端，第三换热器第一输出端接过滤装置输入端，过滤装置输出端接高压泵输入端，高压泵输出端接膜渗透装置输入端，膜渗透装置输出端接第二溶液储存器输入端，第二溶液储存器输出端通过溶液控制阀接第一溶液储存器第二输入端，从而构成一个回路。冷热水回路由第一换热器、第三水泵、第二电磁阀、第三换热器及其相关连接管路组成。冷热水回路中第一换热器第二输出端接第三水泵的输入端，第三水泵的出口分成两路，一路作为热泵装置的冷热水出水端，另外一路通过第二电磁阀接第三换热器第二输入端，第三换热器第二输出端接第一换热器第二输入端。

本发明的具体方法是：

基于反渗透膜溶液再生的空气源溶液热泵夏季制冷运行时：制冷剂循环回路中制冷剂气体从气液分离器中被压缩机吸入、压缩、排出后，经过四通阀进入第二换热器中，制冷剂放出热量，冷凝成液体，再依次经过第二单向阀、储液器、过滤器、电子膨胀阀后变成低温低压的气液两相，再经过第三单向阀进入第一换热器，制冷剂在第一换热器中吸热完全蒸发，制取冷冻水，制冷剂从第一换热器出来经过四通阀进入气液分离器，然后再次被吸入压缩机，从而完成循环。此时溶液循环回路中第一手阀、第三手阀都关闭，第二手阀打开，冷却塔、第一水泵、第二换热器及其连接管路充满冷却水，其余部分都为溶液。冷却水在溶液循环回路中从冷却塔出来后，经过第二手阀进入第一水泵，经过第一水泵加压后，进入第二换热器中，吸收热量将制冷剂冷凝成液体，自身温度升高后进入冷却塔与空气进行热湿交换，温度降低后再次从冷却塔流出。冷热水回路中，第二电磁阀关闭，第三换热器不工作，冷冻水从热泵冷热水回水端进入第一换热器，冷冻水在其中与制冷剂换热，放出热量，自身温度降低，出来后进入第三水泵，被第三水泵加压后，冷冻水从热泵冷热水出水端送出。

基于反渗透膜溶液再生的空气源溶液热泵冬季制热运行时：制冷剂循环回路中，气液分离器中制冷剂气体被压缩机吸入、压缩后排出，经过四通阀进入第一换热器，制冷剂在第一换热器中放出热量，制取热水，同时自身冷凝成液体，然后依次通过第一单向阀、储液器、过滤器、电子膨胀阀，被电子膨胀阀节流降压后以气液两相经过第四单向阀进入第二换热器中，在第二换热器中进行蒸发吸热，制冷剂完全蒸发后从第二换热器出来流经四通阀进入气液分离器，最后再次被压缩机吸入，重新被压缩，如此循环。此时溶液循环回路中第一溶液回路和第二溶液回路都充灌着溶液。第一溶液回路中，溶液从冷却塔出来后通过第一手阀进入第一溶液储存器(此时第二手阀关闭)，再经过第三手阀后进入第一水泵，溶液经第一水泵加压后进入第二换热器，与制冷剂进行换热，放出热量，自身温度降低，溶液从第二换热器出来后进入冷却塔，溶液(溶液温度低于空气温度，溶液的水蒸汽分压力小于或等于空气中的水蒸汽分压力)在冷却塔中与空气进行热湿交换，溶液从空气中吸收热量，空气中水蒸汽向溶液中凝结，溶液的温度升高，浓度有所降低，然后从冷却塔流出再次参与循环。第二溶液回路中，当第一溶液储存器中溶液浓度低于下限时，第二溶液回路工作，溶液从第一溶液储存器中流出，经过第一电磁阀、第二水泵后进入第三换热器，溶液在其中与热水进行换热，自身温度升高，然后进入过滤装置，将溶液中各种杂质和颗粒过滤，满足膜渗透装置的入口要求。溶液从过滤装置出来后经过高压泵进行增压，进入膜渗透装置，高压的溶液在其中反渗透膜的作用下，溶液中水分子透过反渗透膜从溶液中分离出来，从膜渗透装置的纯水出口流出，从而实现溶液浓度的提升。从膜渗透装置出来的高浓度溶液进入第二溶液储存器，浓溶液再通过溶液控制阀进入第一溶液储存器，从而提高第一溶液储存器中溶液的浓度。冷热水回路中，热水在第一换热器中与制冷剂换热，温度升高，从第一换热器出来后，当第二溶液回路工作时，第二电磁阀打开，热水经过第三水泵后分成两路，一路从热泵冷热水出水端流出，另外一路，经过第二电磁阀进入第三换热器，热水在其中与溶液换热，放出热量，温度降低。热水从第三换热器出来后与热泵冷热水回水端的回水一起进入第一换热器；当第二溶液回路不工作时，第二电磁阀关闭，热水经过第三水泵后直接从热泵冷热水出水端流出，热水经过空调末端降温后将从热泵冷热水回水端返回系统，进入第一换热器与制冷剂进行再次换热，如此循环。

有益效果：

1、本发明提出的基于反渗透膜溶液再生的空气源溶液热泵装置，在夏季可具有水冷冷水机组的性能系数，相比现有空气源热泵，具有更高的性能系数。

2、在冬季运行时借助溶液从空气中吸取热量，蒸发器表面不会结霜，彻底解决了空气源热泵所不可避免的结霜问题，提高了热泵的性能系数和供热效率，同时增加了系统的寿命和可靠性。

3、利用反渗透膜进行溶液再生相比现有溶液再生方法(加热再生)具有节能、高效和紧凑的特点。

4、溶液基于膜渗透再生，使得热泵系统能够适用各种高湿低温地区，并具有较高的性能，不再受到溶液再生热源的限制。

附图说明

附图1是本发明基于反渗透膜溶液再生的空气源溶液热泵装置示意图。

以上图中有：压缩机1；四通阀2；四通阀第一输入端2a；四通阀第一输出端2b；四通阀第二输入端2c；四通阀第二输出端2d；第一换热器3；第一换热器第一输入端3a；第一换热器第一输出端3b；第一换热器第二输入端3c；第一换热器第二输出端3d；第一单向阀4；第二单向阀5；储液器6；过滤器7；电子膨胀阀8；第三单向阀9；第四单向阀10；第二换热器11；第二换热器第一输入端11a；第二换热器第一输出端11b；第二换热器第二输入端11c；第二换热器第二输出端11d；气液分离器12；冷却塔13；第一手阀14；第二手阀15；第三手阀16；第一溶液储存器17；第一溶液储存器第一输入端17a；第一溶液储存器第一输出端17b；第一溶液储存器第二输入端17c；第一溶液储存器第二输出端17d；第一水泵18；第一电磁阀19；第二水泵20；第三换热器21；第三换热器第一输入端21a；第三换热器第一输出端21b；第三换热器第二输入端21c；第三换热器第二输出端21d；过滤装置22；高压泵23；膜渗透装置24；第二溶液储存器25；溶液控制阀26；第三水泵27；第二电磁阀28。

具体实施方式

结合附图1进一步说明本发明的具体实施方式：本发明基于反渗透膜溶液再生的空气源溶液热泵装置包括制冷剂循环回路、溶液循环回路和冷热水回路。具体连接方法是压缩机1的输出端接四通阀第一输入端2a，四通阀第一输出端2b接第一换热器第一输入端3a，第一换热器第一输出端3b通过第一单向阀4接储液器6的输入端，同时第一换热器第一输出端3b也通过第一单向阀4、第二单向阀5接第二换热器第一输入端11a，储液器6的输出端通过过滤器7接电子膨胀阀8输入端，电子膨胀阀8输出端通过第四单向阀10接第二换热器第一输入端11a，同时电子膨胀阀8的输出端还通过第三单向阀9接第一换热器第一输出端3b，第二换热器第一输出端11b接四通阀第二输入端2c，四通阀第二输出端2d接气液分离器12的输入端，而气液分离器12的输出端接压缩机1的输入端。

溶液循环回路包括第一溶液回路和第二溶液回路。第一溶液回路中冷却塔13出口分成两路，一路通过第一手阀14接第一溶液储存器第一输入口17a，第一溶液储存器第一输出口17b通过第三手阀16接第一水泵18的入口，另外一路通过第二手阀15也接第一泵18的入口。第一水泵18出口接第二换热器第二输入端11c，第二换热器第二输出端11d与冷却塔13的输入口相连。第二溶液回路中第一溶液储存器第二输出端17d经过第一电磁阀19接第二水泵20输入端，第二水泵20输出端接第三换热器第一输入端21a，第三换热器第一输出端21b接过滤装置22输入端，过滤装置22输出端接高压泵23输入端，高压泵23输出端接膜渗透装置24输入端，膜渗透装置24输出端接第二溶液储存器25输入端，第二溶液存储器25输出端通过溶液控制阀26接第一溶液储存器第二输入端17c。

冷热水回路中第一换热器第二输出端d接第三水泵27的输入端，第三水泵27的出口分成两路，一路作为热泵装置的冷热水出水端，另外一路通过第二电磁阀28接第三换热器第二输入端21c，第三换热器第二输出端21d接第一换热器第二输入端3c。

基于反渗透膜溶液再生的空气源溶液热泵夏季制冷运行：气液分离器12中的制冷剂气体被压缩机1吸入、压缩并排出后通过四通阀2进入第二换热器11中与冷却水进行换热，制冷剂冷凝放出热量变成液体，再依次经过第二单向阀5、储液器6、过滤器7、电子膨胀阀8后被节流成低温低压的气液两相，经过第三单向阀9进入第一换热器3，制冷剂在第一换热器3中吸热蒸发，制取冷水，制冷剂完全蒸发后从第一换热器3出来，通过四通阀2进入气液分离器12，再次被吸入压缩机1进行压缩，完成制冷循环，制取冷水。此时溶液循环回路中冷却塔13、第一水泵18、第二换热器11及其连接管路中充满冷却水，其余部分都为溶液。冷却水在第一溶液回路中从冷却塔13出来后，直接通过第二手阀15进入第一水泵18(此时第一手阀14和第三手阀16关闭)，经过第一水泵18加压后，冷却水进入第二换热器11中，吸收热量将制冷剂冷凝成液体，自身温度升高后进入冷却塔13与空气进行热湿交换，冷却水温度降低后再次从冷却塔13流出。冷热水回路中，第二电磁阀28关闭，第三换热器21不工作，冷冻水从热泵冷热水回水端进入第一换热器3，冷冻水在第一换热器3中与制冷剂换热，放出热量，自身温度降低，出来后进入第三水泵27，被第三水泵27加压后，冷冻水从热泵冷热水出水端送出。

基于反渗透膜溶液再生的空气源溶液热泵冬季制热运行时：制冷剂循环回路中，气液分离器12中制冷剂气体被压缩机1吸入、压缩后排出，经过四通阀2进入第一换热器3，制冷剂在第一换热器3中放出热量，制取热水，同时自身冷凝成液体，然后依次通过第一单向阀4、储液器6、过滤器7、电子膨胀阀8，被电子膨胀阀8节流降压后以气液两相经过第四单向阀10进入第二换热器11中，在第二换热器11中进行蒸发吸热，制冷剂完全蒸发后从第二换热器11出来流经四通阀2进入气液分离器12，最后再次被压缩机1吸入，重新被压缩，如此循环。此时溶液循环回路中第一溶液回路和第二溶液回路都充灌着溶液。第一溶液回路中溶液从冷却塔13出来后通过第一手阀14进入第一溶液储存器17(此时第二手阀15关闭)，再经过第三手阀16后进入第一水泵18，溶液经第一水泵18加压后进入第二换热器11，与制冷剂进行换热，放出热量，自身温度降低，溶液从第二换热器11出来后进入冷却塔13，溶液(溶液温度低于空气温度，溶液的水蒸汽分压力小于等于空气中的水蒸汽分压力)在冷却塔13中与空气进行热湿交换，溶液从空气中吸收热量，空气中水蒸汽向溶液中凝结，溶液的温度升高，浓度有所降低，然后从冷却塔13流出再次参与循环。第二溶液回路中，当第一溶液储存器17中溶液浓度低于下限时，第二溶液回路工作，溶液从第一溶液储存器17中流出，经过第一电磁阀19、第二水泵20后进入第三换热器21，溶液在其中与热水进行换热，自身温度升高，然后进入过滤装置22，将溶液中各种杂质和颗粒过滤，满足膜渗透装置24的入口要求。溶液从过滤装置22出来后经过高压泵23被增压后，进入膜渗透装置24，高压的溶液在其中反渗透膜的作用下，溶液中水分子透过反渗透膜从溶液中分离出来，并从膜渗透装置24的纯水出口流出，从而实现溶液浓度的提升，从膜渗透装置24出来的高浓度溶液进入第二溶液储存器25，浓溶液再通过溶液控制阀26进入第一溶液储存器17，从而实现第一溶液储存器17中溶液浓度的调节。冷热水回路中，热水在第一换热器3中与制冷剂换热，温度升高，从第一换热器3出来后，当第二溶液回路工作时，第二电磁阀28打开，热水经过第三水泵27后分成两路，一路从热泵冷热水出水端流出；另外一路，经过第二电磁阀28进入第三换热器21，热水在其中与溶液换热，放出热量，温度降低，热水从第三换热器21出来后与热泵冷热水回水端的回水一起进入第一换热器3；当第二溶液回路不工作时，第二电磁阀28关闭，热水经过第三水泵27后直接从热泵冷热水出水端流出，热水经过空调末端降温后将从热泵冷热水回水端返回热泵，进入第一换热器3与制冷剂进行再次换热，如此循环。

从基于反渗透膜溶液再生的空气源溶液热泵夏季运行可以看出，热泵系统与普通水冷冷水机组流程类似，热泵可达到水冷冷水机组的COP，相比风冷热泵具有更高的性能系数。基于反渗透膜溶液再生的空气源溶液热泵在冬季运行时，溶液在冷却塔中从空气中吸取热量的关键是：a、保证溶液的凝固点温度低于参与循环的溶液可能出现的最低温度，从而保证热泵运行过程中溶液不会出现凝固现象，本发明通过调节初始加入溶液循环回路中的溶液浓度可以实现；b、进入冷却塔的溶液温度低于空气温度，从而保证热量从空气传给溶液，本发明通过控制第一水泵的频率(即控制水泵的转速)调节进入第二换热器的溶液流量，从而保证进入冷却塔的溶液温度低于空气温度(溶液温度高时，减小溶液流量，溶液温度太低时，增加溶液流量)；c、溶液中水蒸汽分压力小于或等于空气中的水蒸汽分压力，使水蒸汽从空气中进入溶液，水蒸汽凝结放出热量给溶液(水蒸汽的分压力差是水蒸汽扩散的驱动力)，在溶液温度一定时溶液中水蒸汽分压力的大小取决于溶液的浓度，控制溶液的浓度即可实现溶液中水蒸汽分压力的控制。本发明当第一溶液储存器中浓度较低时，启动第二溶液回路，将第一溶液储存器中的溶液经过第二溶液回路中膜渗透装置，通过膜渗透装置中的反渗透膜作用，将溶液中的水分分离，从而实现溶液浓度的提高，再将高浓度的溶液存入第二溶液储存器，通过控制溶液控制阀，调节进入第一溶液储存器中的浓溶液量，从而实现第一溶液储存器中溶液浓度的控制；d、在膜渗透装置中，在一定温度范围内，反渗透膜的出水量与溶液的温度成正比，温度每下降1℃，出水量下降3-5％，同时反渗透膜的入口溶液温度小于5℃时会破坏反渗透膜的结构；而且溶液温度较低时，溶液的粘度变大，溶液的流动阻力将增加。在冬季运行时，溶液从空气中吸取热量，溶液温度必定较低，甚至低于0℃。因此在第二溶液回路中设置第三换热器，并在第二溶液回路工作时，第三换热器中溶液通过与热水换热，保证溶液进入过滤装置和膜渗透装置时的温度高于20℃。

当热泵从冬季制热运行切换到夏季制冷运行时，可将第一溶液回路中的溶液全部回收到第一溶液存储器中，关闭第一手阀和第三手阀后，再将第一溶液回路中灌满水即可。当热泵夏季制冷运行切换到冬季制热运行时，将原有第一溶液回路中冷却水排掉，关闭第二手阀，打开第一手阀和第三手阀，放出第一溶液储存器中溶液即可。

Claims (3)

1.一种基于反渗透膜溶液再生的空气源溶液热泵装置，其特征在于该装置包括制冷剂循环回路、溶液循环回路和冷热水回路；

其中，制冷剂循环回路包括压缩机(1)、四通阀(2)、第一换热器(3)、第一单向阀(4)、第二单向阀(5)、第三单向阀(9)、第四单向阀(10)、储液器(6)、过滤器(7)、电子膨胀阀(8)、第二换热器(11)、气液分离器(12)及其相关连接管道；压缩机(1)的输出端接四通阀第一输入端(2a)，四通阀第一输出端(2b)接第一换热器输入端(3a)，第一换热器第一输出端(3b)通过第一单向阀(4)接储液器(6)的输入端，同时第一换热器第一输出端(3b)也通过第一单向阀(4)、第二单向阀(5)接第二换热器第一输入端(11a)，储液器(6)的输出端通过过滤器(7)、电子膨胀阀(8)、第四单向阀(10)接第二换热器第一输入端(11a)，同时电子膨胀阀(8)的输出端还通过第三单向阀(9)接第一换热器第一输出端(3b)，第二换热器第一输出端(11b)接四通阀第二输入端(2c)，四通阀第二输出端(2d)接气液分离器(12)输入端，而气液分离器(12)的输出端接压缩机(1)的输入端；

溶液循环回路分为第一溶液回路和第二溶液回路；第一溶液回路包括冷却塔(13)、第一溶液储存器(17)、第一手阀(14)、第二手阀(15)、第三手阀(16)、第一水泵(18)、第二换热器(11)及其相关连接管道；第二溶液回路包括第一溶液储存器(17)、第一电磁阀(19)、第二水泵(20)、第三换热器(21)、过滤装置(22)、高压泵(23)、膜渗透装置(24)、第二溶液储存器(25)、溶液控制阀(26)及其相关连接管道；第一溶液回路中冷却塔(13)出口分成两路，一路通过第一手阀(14)接第一溶液储存器第一输入口(17a)，第一溶液储存器第一输出口(17b)通过第三手阀(16)接第一水泵(18)的入口，第一溶液回路中冷却塔(13)出口的另外一路通过第二手阀(15)接第一泵(18)的入口；第一水泵(18)出口接第二换热器第二输入端(11c)，第二换热器第二输出端(11d)与冷却塔(13)的输入口相连；第二溶液回路中第一溶液储存器第二输出端(17d)经过第一电磁阀(19)、第二水泵(20)、第三换热器(21)、过滤装置(22)、高压泵(23)、膜渗透装置(24)、第二溶液储存器(25)、溶液控制阀(26)接第一溶液储存器第二输入端(17c)，从而构成一个回路；

冷热水回路包括第一换热器(3)、第三水泵(27)、第二电磁阀(28)、第三换热器(21)及其相关连接管路；冷热水回路中第一换热器第二输出端(3d)接第三水泵(27)的输入端，第三水泵(27)的出口分成两路，一路作为热泵装置的冷热水出水端，另外一路通过第二电磁阀(28)接第三换热器热水进口(21c)，第三换热器热水出口(21d)接第一换热器第二输入端(3c)。

2.根据权利要求1所述的基于反渗透膜溶液再生的空气源溶液热泵装置，其特征是采取反渗透膜的方法进行溶液的再生，通过膜渗透装置(24)实现。

3.根据权利要求1所述的基于反渗透膜溶液再生的空气源溶液热泵装置，其特征是采取热泵所制热水作为热源加热再生过程中的溶液，通过第三换热器(21)将溶液温度加热到20℃以上。