CN101458007B - 一种基于膜蒸馏技术的溶液蓄能装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种基于膜蒸馏技术的溶液蓄能装置及其方法，利用低温热源驱动将溴化锂水溶液进行膜蒸馏的浓缩分离，将热能转换为溴化锂溶液的浓度势能和制冷剂水的潜能予以存储，需要冷能或热能时，将存储的溴化锂溶液的浓度势能和制冷剂水的潜能通过吸收式系统进行转换，在蒸发器处得到所需的冷能，在吸收器中的得到所需的热能；本发明可应用于低品位热能驱动的溴化锂吸收式蓄能系统，也可以应用于电力低谷低价时段的电力驱动的溴化锂吸收式蓄能系统，具有驱动热源的温度更低，可利用的温差更大，装置的体积和重量更小，蓄能密度随意可调，储存的能量更易保存的特点。

Description

一种基于膜蒸馏技术的溶液蓄能装置及其方法 

技术领域

本发明属于蓄能技术和膜蒸馏技术应用领域，涉及溶液的能量转换和储存过程，特别涉及一种基于膜蒸馏技术的溶液蓄能装置及其方法。 

背景技术

建筑耗能已与工业耗能、交通耗能并列成为我国能源消耗的三大“耗能大户”。而以采暖和空调为代表的耗能已占建筑总消耗的50％左右，制冷空调消耗的电力占城市总消耗电力的20-30％；同时，由于用户用能时段非常集中，造成能量峰谷波动巨大，能量供应不足与能量浪费交替进行。因此，充分利用电力供应低谷低价时段进行电力系统削峰填谷的调整技术成为一项研究热点。同时，出于环保、节能的目的，余热、废热利用以及太阳能、地热能等可再生能源的利用越来越引起人们的重视。 

蓄能技术是解决能量供需矛盾的公认方法。蓄能技术对于平衡能量配置，缓解能源供应，合理配置电力负荷具有重要的作用。当前主要的蓄能技术包括显热蓄能技术，冰蓄冷技术，共晶盐蓄能技术，相变材料蓄能技术和热化学蓄能技术等。这些蓄能技术都是将能源直接存储为冷能或热能，然后进行储存，由于蓄热温度高于环境温度，蓄冷温度低于环境温度，在蓄能过程中，蓄能装置必须进行严格的绝热处理以防止能量的损失，而且所储存能量的温度有一定限制，不能任意变化。专利“一种蓄能制冷/热泵机组的蓄能制冷/制热方法”(专利号：200410021385.6)和专利“制冷/制热潜能储存技术”(专利号：02132742.4)对溴化锂吸收式系统和氨水吸收式系统进行改造，利用电力驱动的压缩机对溴化锂-水溶液和氨水溶液的蒸气进行抽取压缩，将压缩后的高温 气体作为热源加热溴化锂溶液或氨水溶液，将浓缩后的溴化锂溶液或稀释后的氨水溶液作为工作溶液进行储存，以备后续流程的使用，实现电能与工作溶液潜能的转换，以实现蓄能的目的。但在实际应用中，由于水蒸气的比容很大，氨气易燃易爆而且有毒性，因此对水蒸气压缩机和氨气压缩机的结构设计要求很高。 

在以浓度差为蓄能能量的技术中，溴化锂吸收式系统是一种理想的可操作平台；它利用热能驱动，将溴化锂稀溶液进行减压蒸馏，浓缩后的溴化锂溶液具有吸收水蒸气的潜在能力，因此作为工作溶液的浓度势能进行储存，减压蒸馏后的水蒸气经过冷凝后储存，具有释放潜热吸收冷媒水热量的潜在能力，可以作为制冷剂潜能进行储存。因此，溴化锂吸收式系统具有将热能转换为工作溶液潜能和制冷剂潜能的蓄能能力。 

然而，在溴化锂溶液的减压蒸馏中，受冷却水温度和溶液浓度的限制，溴化锂溶液的减压蒸馏温度较高，一般均高于85℃以上，因此对驱动热能的温度品质要求较高。在现实中，存在着大量的低品位热能，这些热能是高品位能源被利用过后的余热或废热，在所属领域中无法再次被利用，其温度大多数在75-85℃之间。另外，对于以太阳能为代表的可再生能源利用中，太阳能热水的利用最为普遍，限于太阳能集热器的技术和价格限制，太阳能热水利用中，热水的温度一般不超过85℃。因此，如何应用这些低品位热能作为溴化锂水溶液蓄能的驱动热源，是热能利用的热点和难点。 

膜蒸馏技术是传统蒸馏工艺与膜分离技术相结合的一种高效分离技术，膜蒸馏利用高分子膜的疏水性和某些结构上的功能达到溶液蒸馏的目的。不同于传统的蒸馏工艺，膜蒸馏过程不需要将溶液加热至沸腾状态，只要膜两侧维持适当的温差就可实现蒸馏，因此操作温度比传统的蒸馏操作低得多，可有效利用地热能、太阳能以及工业废水余热等廉价能源，可望成为一种廉价、高效的分离手段。膜蒸馏是以疏水性微孔膜两侧的蒸汽压差为传质推动力的膜分离过程，膜蒸馏过程几乎是在常压下进行，设备简单、操作方便。在非挥发性溶质水溶液的膜蒸馏过程中，只有水蒸气能透过膜孔，故蒸馏液十分纯净。膜蒸馏技术除了设备简单、操作方便、蒸馏液纯净以及易于组合扩大等特点外，它可以处理高浓度的水溶液，可以将溶液浓缩至饱和状态。另外，在膜组件的各种结构形式中，由于膜材料的多孔结构，膜组件单位体积所能提供的膜接触面积非常大，同时膜材料采用高分子聚合材料，在体积和重量上大大减小。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于膜蒸馏技术的溶液蓄能装置及其方法，基于膜蒸馏技术的基本原理和溴化锂溶液的减压蒸馏特性，将膜蒸馏技术应用于溴化锂溶液的以浓度差为蓄能能量的系统中，利用膜蒸馏技术将低品位热能如余热、废热或太阳能、地热能等可再生能源转换为溴化锂溶液的浓度势能和制冷剂水的潜能并进行储存，不但可以大大减小装置的体积和重量，而且所利用的热源温度可以降低，大大拓展了低品位热能的利用范围，增加了热能的可利用温差。 

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来解决的： 

一种基于膜蒸馏技术的溶液蓄能装置，包括稀溶液储液器15和浓溶液储液器12，稀溶液储液器15底部的循环溶液出口通过管道与第三截止阀16的进口连接，第三截止阀16的出口与稀溶液经循环泵17的进口相连，稀溶液经循环泵17的出口与溶液加热装置18的溶液进口连接，溶液加热装置18的溶液出口与膜蒸馏组件1的进口连接，膜蒸馏组件1的溶液出口与稀溶液储液器15上部的料液进口连接；膜蒸馏组件1的水蒸气出口与冷凝器2的水蒸气 进口连接，冷凝器2的液态水出口与制冷剂储液器3上部的进口连接，制冷剂储液器3下部的出口与流量调节阀4的进口连接，流量调节阀4的出口与膨胀阀5的进口连接，膨胀阀5的出口与蒸发器6的液体进口连接，蒸发器6的气态出口与吸收器9的气体进口连接，吸收器9的稀溶液出口与第一截止阀10的进口连接，第一截止阀10的出口与稀溶液泵11的进口连接，稀溶液泵11的出口与溶液热交换器13的冷侧进口连接，溶液热交换器13的冷侧出口与稀溶液储液器15侧面的料液进口连接；稀溶液储液器15底部的浓溶液出口与第二截止阀14的进口连接，第二截止阀14的出口与溶液热交换器13的热侧进口连接，溶液热交换器13的热侧出口与浓溶液储液器12顶部的料液进口连接，浓溶液储液器12底部的出口与流量调节阀19的进口连接，流量调节阀19的出口与吸收器9的浓溶液进口连接。 

另外，在蒸发器6上设置了蒸发器再循环泵7；在吸收器9上设置了吸收器再循环泵8。 

一种基于膜蒸馏技术的溶液蓄能方法，以稀溶液储液器、浓溶液储液器和制冷剂储液器作为能量转换过程的存储或释放部件，包含蓄能过程和释能过程两个阶段，在蓄能阶段，利用膜蒸馏组件对溴化锂稀溶液的浓缩分离特性将热能转换为工作溶液的浓度潜能和制冷剂的潜能；在释能阶段，利用工作溶液的浓度潜能和制冷剂的潜能释放能量，分别从蒸发器和吸收器得到所需的冷能和热能；具体如下： 

在蓄能阶段：关闭第二截止阀14，打开第三截止阀16，稀溶液储液器15中的稀溶液经循环泵17送入溶液加热装置18中加热，加热后的稀溶液在膜蒸馏组件1中进行膜蒸馏浓缩分离，其中产生的水蒸气由冷凝器2冷凝后流入制冷剂储液器3；初步浓缩后的溶液流入稀溶液储液器15中，如此循环，直至稀 溶液储液器15中的溶液浓度达到要求；开启第二截止阀14，关闭第三截止阀16，将浓缩后的浓溶液流入到浓溶液储液器12中，完成一次溶液储能过程。 

在释能阶段：关闭第二截止阀14和第三截止阀16，打开流量调节阀4，制冷剂储液器3中的液态水经过膨胀阀5的减压后进入蒸发器6中，释放潜热能量吸收冷媒水中的热量成为气态，开启流量调节阀19，浓溶液储液器12中的浓溶液进入吸收器9中，吸收来自于蒸发器6中的水蒸气，释放热能，变为稀溶液，开启第一截止阀10，由稀溶液泵11将吸收后的稀溶液送至稀溶液储液器15中，完成一次溶液释能过程。其中，在蒸发器6中可以取得所需要的冷能，在吸收器9中可以取得所需的热能。 

本发明的优点在于利用膜蒸馏技术中驱动热源温度比常规蒸馏操作温度低得多的优势，将大量存在的低温热源应用于溶液的蓄能系统中，具有较高的节能优势，也使得系统对于驱动热源的选择更加广泛，特别是应用电力低谷低价时段的电力作为驱动热源组件的蓄能系统，能有效的平衡电力能源配置，缓解电力负荷，需要热能或冷能时，利用储存的溴化锂溶液的浓度势能和制冷剂水的潜能转换为所需的热能或冷能；同时，由于膜材料属于有机高分子聚合材料，可以大大降低系统的体积和重量。因此，本发明可应用于低品位热能驱动的溴化锂吸收式蓄能系统，也可以应用于电力低谷低价时段的电力驱动的溴化锂吸收式蓄能系统，具有驱动热源的温度更低，可利用的温差更大，装置的体积和重量更小，蓄能密度随意可调，储存的能量更易保存的特点。 

附图说明

图1是本发明的溶液蓄能装置结构原理图和方法流程图。 

图2是本发明的膜蒸馏过程基本原理图。 

具体实施方式 

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。 

参照图1，本发明的溶液蓄能装置包括稀溶液储液器15和浓溶液储液器12，稀溶液储液器15底部的循环溶液出口通过管道与第三截止阀16的进口连接，第三截止阀16的出口与稀溶液经循环泵17的进口相连，稀溶液经循环泵17的出口与溶液加热装置18的溶液进口连接，溶液加热装置18的溶液出口与膜蒸馏组件1的进口连接，膜蒸馏组件1的溶液出口与稀溶液储液器15上部的料液进口连接；膜蒸馏组件1的水蒸气出口与冷凝器2的水蒸气进口连接，冷凝器2的液态水出口与制冷剂储液器3上部的进口连接，制冷剂储液器3下部的出口与流量调节阀4的进口连接，流量调节阀4的出口与膨胀阀5的进口连接，膨胀阀5的出口与蒸发器6的液体进口连接，蒸发器6的气态出口与吸收器9的气体进口连接，吸收器9的稀溶液出口与截止阀10的进口连接，第一截止阀10的出口与稀溶液泵11的进口连接，稀溶液泵11的出口与溶液热交换器13的冷侧进口连接，溶液热交换器13的冷侧出口与稀溶液储液器15侧面的料液进口连接；稀溶液储液器15底部的浓溶液出口与截止阀14的进口连接，第二截止阀14的出口与溶液热交换器13的热侧进口连接，溶液热交换器13的热侧出口与浓溶液储液器12顶部的料液进口连接，浓溶液储液器12底部的出口与流量调节阀19的进口连接，流量调节阀19的出口与吸收器9的浓溶液进口连接。 

其中，为了增强蒸发器6与冷媒水的传热，在蒸发器6上设置了蒸发器再循环泵7；为了增强吸收器9吸收能力，在吸收器9上设置了吸收器再循环泵8。 

鉴于减压膜蒸馏过程中膜外侧的压力与溴化锂吸收式系统中发生器的压力相近，因此采用减压膜蒸馏技术来实现溶液的蓄能。选择疏水性多孔膜材料如 聚乙烯(PE)膜材料、聚丙烯(PP)膜材料、聚四氟乙烯(PTFE)膜材料或聚偏氟乙烯(PVDF)膜材料以及膜表面经过疏水性增强处理的膜材料作为溴化锂水溶液进行膜蒸馏浓缩分离的载体；其结构形式根据制膜工艺做成板框式、螺旋卷式、圆管式、中空纤维式或毛细管式。 

所述的膜蒸馏组件1可以通过串联或并联的方式进行组合实现系统处理规模的扩展，系统的驱动热源温度比常规蒸馏的热源温度低，可以利用余热、废热等低品位热能和太阳能、地热能等可再生能源，还可以利用用电低谷低价时段的电力作为驱动热源。 

溶液蓄能装置既可以进行间歇式储能和释能运行，也可以连续运行。连续运行时，稀溶液储液器15，浓溶液储液器12以及制冷剂储液器3保持足量的溶液储备。此外，稀溶液储液器15需要做绝热保温处理，浓溶液储液器12和制冷剂储液器3不需要绝热保温处理。 

本发明的溶液蓄能方法包含蓄能过程和释能过程两个阶段，在蓄能阶段：关闭第二截止阀14，打开第三截止阀16，稀溶液储液器15中的稀溶液经循环泵17送入溶液加热装置18中加热，加热后的稀溶液在膜蒸馏组件1中进行膜蒸馏浓缩分离，其中产生的水蒸气由冷凝器2冷凝后流入制冷剂储液器3；初步浓缩后的溶液流入稀溶液储液器15中，如此循环，直至稀溶液储液器15中的溶液浓度达到要求，开启第二截止阀14，关闭第三截止阀16，将浓缩后的浓溶液流入到浓溶液储液器12中，完成一次溶液储能过程。在释能阶段：关闭第二截止阀14和第三截止阀16，打开流量调节阀4，制冷剂储液器3中的液态水经过膨胀阀5的减压后进入蒸发器6中，释放潜热能量吸收冷媒水中的热量成为气态。开启流量调节阀19，浓溶液储液器12中的浓溶液进入吸收器9中，吸收来自于蒸发器6中的水蒸气，释放热能，变为稀溶液，开启第一截 止阀10，由稀溶液泵11将吸收后的稀溶液送至稀溶液储液器15中，完成一次溶液释能过程。其中，在蒸发器6中可以取得所需要的冷能，在吸收器9中可以取得所需的热能。 

图1中：1为膜蒸馏组件；2为冷凝器；3为制冷剂储液器；4为流量调节阀；5为膨胀阀；6为蒸发器；7为蒸发器再循环泵；8为吸收器再循环泵；9为吸收器；10为第一截止阀；11为稀溶液泵；12为浓溶液储液器；13为溶液热交换器；14为第二截止阀；15为稀溶液储液器；16为第三截止阀；17为循环泵；18为溶液加热装置。 

参照图2，本发明的膜蒸馏过程为减压膜蒸馏过程，疏水微孔膜20的左侧为主体溶液-高温溴化锂溶液，右侧保持一定的真空度，真空度取决于后续的冷凝器的冷凝压力。由于疏水微孔膜20两侧存在一定的水蒸气压差，水蒸气会从左侧向右侧扩散，扩散的通量大小取决于膜材料本身和膜两侧的水蒸气压力差。另外，图2中，T1、T2分别表示疏水微孔膜20左右两侧的温度；P1、P2分别表示疏水微孔膜20左右两侧的压力。 

为了验证膜蒸馏技术在溶液蓄能过程应用，对溴化锂溶液进行了减压膜蒸馏试验。实验参数为：溴化锂溶液质量浓度50％；溶液温度范围为65-85℃；溶液流量范围为50-120L/h；膜真空侧真空度范围为0.085-0.095Mpa。实验采用的膜材料为PVDF膜，膜组件为中空纤维膜组件形式，PVDF膜材料和膜组件的结构参数如表1、表2所示。 

表1 PVDF膜管材料参数 

表2中空纤维膜组件参数 

试验结果表明，水蒸气的膜通量随着溶液温度的升高而提高，随着膜冷侧真空度的增加而提高，并且随着流量的增加而提高。对质量浓度为50％的溴化锂溶液，在上述膜材料和膜组件结构参数以及试验参数条件下，水蒸气的膜通量范围为0.6-2.4kg/(h·m²)。在膜组件中对于膜面积的扩展非常容易，而且还可以通过对膜组件的串联或并联来实现不同的蓄能处理要求。因此，膜蒸馏技术应用于溶液蓄能过程的方法是完全可行的。 

Claims (10)

1.一种基于膜蒸馏技术的溶液蓄能装置，包括稀溶液储液器(15)和浓溶液储液器(12)，其特征在于：稀溶液储液器(15)底部的循环溶液出口通过管道与第三截止阀(16)的进口连接，第三截止阀(16)的出口与稀溶液经循环泵(17)的进口相连，稀溶液经循环泵(17)的出口与溶液加热装置(18)的溶液进口连接，溶液加热装置(18)的溶液出口与膜蒸馏组件(1)的进口连接，膜蒸馏组件(1)的溶液出口与稀溶液储液器(15)上部的料液进口连接；膜蒸馏组件(1)的水蒸气出口与冷凝器(2)的水蒸气进口连接，冷凝器(2)的液态水出口与制冷剂储液器(3)上部的进口连接，制冷剂储液器(3)下部的出口与流量调节阀(4)的进口连接，流量调节阀(4)的出口与膨胀阀(5)的进口连接，膨胀阀(5)的出口与蒸发器(6)的液体进口连接，蒸发器(6)的气态出口与吸收器(9)的气体进口连接，吸收器(9)的稀溶液出口与第一截止阀(10)的进口连接，第一截止阀(10)的出口与稀溶液泵(11)的进口连接，稀溶液泵(11)的出口与溶液热交换器(13)的冷侧进口连接，溶液热交换器(13)的冷侧出口与稀溶液储液器(15)侧面的料液进口连接；稀溶液储液器(15)底部的浓溶液出口与第二截止阀(14)的进口连接，第二截止阀(14)的出口与溶液热交换器(13)的热侧进口连接，溶液热交换器(13)的热侧出口与浓溶液储液器(12)顶部的料液进口连接，浓溶液储液器(12)底部的出口与流量调节阀(19)的进口连接，流量调节阀(19)的出口与吸收器(9)的浓溶液进口连接。

2.根据权利要求1所述的溶液蓄能装置，其特征在于：所述的蒸发器(6)上设置了蒸发器再循环泵(7)。

3.根据权利要求1所述的溶液蓄能装置，其特征在于：所述的吸收器(9)上设置了吸收器再循环泵(8)。

4.根据权利要求1所述的溶液蓄能装置，其特征在于：所述的膜蒸馏组件(1)所用的膜材料是膜表面经过疏水性增强处理的膜材料。

5.根据权利要求1或4所述的溶液蓄能装置，其特征在于：所述的膜蒸馏组件(1)所用的膜材料是聚乙烯(PE)膜材料、聚丙烯(PP)膜材料、聚四氟乙烯(PTFE)膜材料或聚偏氟乙烯(PVDF)膜材料。

6.根据权利要求1所述的溶液蓄能装置，其特征在于：所述的膜蒸馏组件(1)的结构形式为板框式、螺旋卷式、圆管式、中空纤维式或毛细管式。

7.根据权利要求1所述的溶液蓄能装置，其特征还在于：所述的膜蒸馏组件(1)可以通过串联或并联的方式进行组合实现系统处理规模的扩展。

8.一种基于膜蒸馏技术的溶液蓄能方法，其特征在于：以稀溶液储液器(15)、浓溶液储液器(12)和制冷剂储液器(3)作为能量转换过程的存储或释放部件，包含蓄能过程和释能过程两个阶段，在蓄能阶段，利用膜蒸馏组件(1)对溴化锂稀溶液的浓缩分离特性将热能转换为工作溶液的浓度潜能和制冷剂的潜能；在释能阶段，利用工作溶液的浓度潜能和制冷剂的潜能释放能量，分别从蒸发器(6)和吸收器(9)得到所需的冷能和热能。

9.根据权利要求8所述的溶液蓄能方法，其特征还在于：所述的储能阶段包括以下步骤：关闭第二截止阀(14)，打开第三截止阀(16)，稀溶液储液器(15)中的稀溶液经循环泵(17)送入溶液加热装置(18)中加热，加热后的稀溶液在膜蒸馏组件(1)中进行膜蒸馏浓缩分离，其中产生的水蒸气由冷凝器(2)冷凝后流入制冷剂储液器(3)；初步浓缩后的溶液流入稀溶液储液器(15)中，如此循环，直至稀溶液储液器中(15)的溶液浓度达到要求后，开启第二截止阀(14)，关闭第三截止阀(16)，将浓缩后的浓溶液流入到浓溶液储液器(12)中，完成一次溶液储能过程。

10.根据权利要求8所述的溶液蓄能方法，其特征还在于：所述的释能阶段包括以下步骤：关闭第二截止阀(14)和第三截止阀(16)，打开流量调节阀(4)，制冷剂储液器(3)中的液态水经过膨胀阀(5)的减压后进入蒸发器(6)中，释放潜热能量吸收冷媒水中的热量成为气态，开启流量调节阀(19)，浓溶液储液器(12)中的浓溶液进入吸收器(9)中，吸收来自于蒸发器(6)中的水蒸气，释放热能，变为稀溶液，开启第一截止阀(10)，由稀溶液泵(11)将吸收后的稀溶液送至稀溶液储液器(15)中，完成一次溶液释能过程。

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