CN101804301B - 热量交换塔载冷剂溶液浓度控制调节方法与装置 - Google Patents

Abstract

热量交换塔载冷剂溶液浓度控制调节方法，吸湿后的热量交换塔载冷剂溶液采用中空纤维疏水膜构成的膜蒸馏器低温蒸馏处理，通过膜蒸馏浓缩：浓溶液在中空纤维疏水膜的热侧温度37-85℃，蒸馏凝结后的水在中空纤维疏水膜的另一侧即冷侧排出。载冷剂热交换塔载冷剂溶液经第一换热器加热后，溶液进入膜蒸馏器的热侧，溶液出口直接回流至载冷剂热交换塔或回流至第一换热器，经不断浓缩后再回流至载冷剂热交换塔；本发明解决致载冷剂浓度降低盐份流失的问题。且装置简单，运行成本低。可以用于一切空气源热泵的热量交换塔。

Description

热量交换塔载冷剂溶液浓度控制调节方法与装置

技术领域

本发明涉及一种能量获取方式中载冷剂的调节方法，尤其是对载体(载冷剂)溶液浓度控制与调节的方法与装置。

背景技术

在寻求低碳经济的今天，对建筑物中使用的冷热空调和热水体系，常规的多为水和地源热泵技术，采用中国专利ZL200720025071新型能源塔即采用低融点载冷剂溶液吸取空气中能量的热量交换塔提供了一种空气和载冷剂进行热交换，提取空气中低品位热量的方法，用于解决地质和周边水环境的限制，换热效率高，节能环保，机组荷载低，能耗小，不受区域限制。但该能源塔系统属于开式塔，在春夏秋三季使用在运行过程中没有问题，但冬季运行时需要使用低融点载冷剂溶液和空气接触，当环境湿度大时，容易吸收高湿空气中的水分而稀释，导致溶液浓度(在冬季工作时溶液浓度需要有一定的盐份含量、如采用乙二醇、氯化镁、工业盐、氯化钙或氯化钠作为载冷剂溶质，一般要求溶液的浓度在14％以上)减小，冰点上升，如导致结冰则会使系统不能稳定工作。此外，现有的热量交换塔还存在当漂淋和雨水侵入，漂淋时也会损失载冷剂溶质，雨水侵入吸收高湿空气中的水分是大量的，也会导致溶液变稀和溶液的增加，导致载冷剂浓度降低且量大溢出，导致乙二醇、氯化镁、氯化钙或氯化钠的流失，导致成本的增高和或复杂的添加系统，如当浓度降低后通常的做法是定期手动或通过计量泵定时定量添加载冷剂溶质、碱性溶剂和缓释剂等。另还造成环境污染。以维持载冷剂浓度(保证冰点)，以达到可靠运行的目的，如中国专利2008202225189.4能源塔自动加药装置并已经在应用，但这种方案增加了带来了载冷剂溶质的消耗，造成了环境污染，大大提高了运营成本，而且能源塔自动加药装置本身的投入亦不低。由于未能有经济合适的除去载冷剂溶质的水分技术，因此能源塔热泵技术的发展和推广碰到了一个瓶颈。虽然海水淡化可采用多效蒸发，适用高盐水处理，但多效蒸发需要高频热源和强耐腐蚀设备，投资巨大，运行、能耗极高。另有反渗透膜(RO)技术分为海水淡化膜(~60mpa)、苦咸水膜及纯水膜(~10mpa))，投资的成本低，但只适用低含盐度，产水率低。且运行期短，膜污染严重、更换频繁。仍难以用于本发明的载冷剂溶液。

发明内容

本发明的目的是，提供一种能源塔载冷剂溶液浓度控制调节方法与装置，去除载冷剂中水分，浓缩载冷剂溶液，保证能源塔载冷剂在冬季的正常使用，解决现有的能源塔热泵系统能源塔载冷剂浓度在冬季使用时因吸收高湿空气中的水分，尤其是雨雪天稀释后导致载冷剂浓度降低且有相当溢出，导致载冷剂溶液凝固点下降使机组无法运行，也导致氯化钙、氯化镁、氯化钠、乙二醇或丙三醇等的流失的问题、增加成本及造成环境污染的问题(冬季使用状态)。

本发明是这样实现的：热量交换塔载冷剂溶液浓度控制调节方法，吸湿后的热量交换塔载冷剂溶液采用中空纤维疏水膜构成的膜蒸馏器低温蒸馏处理，通过膜蒸馏浓缩：浓溶液在中空纤维疏水膜的热侧温度37-85℃，尤其是40-60℃，蒸馏凝结后的水在中空纤维疏水膜的另一侧即冷侧排出。溶液和水均采用泵作为输送动力，也可以采用液位压力差送液。

载冷剂热交换塔载冷剂溶液尤其是经第一换热器加热后，溶液进入膜蒸馏器的热侧，溶液出口直接回流至载冷剂热交换塔、或回流至第一换热器，经不断浓缩后再回流至载冷剂热交换塔；采用平面或列管式结构的膜蒸馏器的冷侧凝结水流出，冷侧凝结水经过第二换热器，第二换热器串联在载冷剂热交换塔与第一换热器连接的管道上，经第二换热器后排出或再串入膜蒸馏器的冷侧循环。

尤其是至少热侧液体处于流动状态，其中热侧流速：0.3±0.2m/s；热侧浓缩后高盐水浓度增高很多。

典型的溶液条件热侧浓溶液：NaCl或CaCl2，冷测液体：水，热侧温度：50℃，冷测温度：1-38℃。

溶液侧采用适当加压包括液位提升的方法加压、或控制流动速度，而水侧的采取降低液位或抽一点真空的方式，

本发明载冷剂溶液浓度调节装置，利用中空纤维疏水膜制成管状，尤其是密排的管状结构，也可以采用弧形板、平板、中空纤维结构；密排的管状膜管的结构如下，密排的膜管的露出管内侧面的端面，且露出所有管内侧的端面通过密封层与膜管管外的侧面分开，即管内的腔均连通成为膜的一侧(热侧)，管外的腔亦是连通的膜的另一侧(冷侧)；密排的管状置于外壳内，并设有连通管内侧面与管外侧面的进出口。密排的管状膜管的内进入及流出浓缩后浓溶液，管的外腔则流出稀液(水)。载冷剂溶液浓度调节装置侧部开孔管道上设有抽吸泵。

热量交换塔载冷剂溶液浓度调节装置，用中空纤维疏水膜制成密排的管状结构，密排的膜管的端面在露出管内侧面与所有管外侧面之间设有密封层，将膜管的管内侧面与膜管的外侧面分开，即管内的腔均连通成为膜的一侧即热侧，管外的腔亦是连通的膜的另一侧即冷侧；密排的管状置于外壳内，并设有连通管内侧面的进出口，还设有连通管外侧面的进出口。进出口作为溶液和水的循环的进出口。

密排的管状膜管的内进入及流出浓缩后浓溶液，管的外腔则流出稀液(水)。

本发明热量交换塔的载冷剂容器上设有的溢流孔，设有储液罐接溢流的载冷剂工质或浓液，第一换热器可以是储液罐且是一个加热罐，将浓液进行加温处理，如采用水浴或电热的方法进行加热处理，达到工作温度时输入载冷剂溶液进行浓缩(采用疏水膜蒸馏方法，采用上述装置)，去除水分后的浓液再作为载冷剂溶液或再次浓缩(也可立即加入热量交换塔的载冷剂中)，也可以根据热量交换塔的载冷剂液体密度(浓度)进行添加，而载冷剂溶液浓度调节装置抽出的稀液(水)可直接无害排放。

本发明的有益效果是：通过本发明能源塔载冷剂溶液浓度控制调节方法与装置，去除载冷剂中水分，浓缩载冷剂溶液，而且溶液加热和稀液(水)的换热平衡合理，效果良好，保证能源塔载冷剂在冬季的正常使用，解决现有的能源塔热泵系统能源塔载冷剂浓度在冬季使用时因吸收高湿空气中的水分，稀释盐份后导致载冷剂浓度降低且溢出、导致乙二醇、氯化镁、氯化钙或氯化钠的流失的问题。本发明装置简单，运行成本低。用途极为广泛：可以用于一切空气源热泵的热量交换塔配套对载冷剂浓度进行控制，包括用于家用型热泵载冷剂溶液浓度控制与调节，冬季使用时可以使换热器不结霜，提高热泵的制热效率——这是目前冬季使用时一直存在的问题；夏天因采用制冷机组，塔蒸发散热，不需要用盐水降低熔点。

附图说明

图1是本发明方法流程示意图

图2是本发明热量交换塔的载冷剂容器的结构示意图

具体实施方式

疏水性微孔膜采用的材质也可以采PTFE、PVDF、PP；壁厚0.1-0.3mm，提供具有渗透膜的半透性壁，该渗透膜具有多个小孔、这些小孔中的至少一部分依尺寸制造成允许毛细冷凝；平均孔径0.12-0.17μm。将渗透流体渗透膜的热侧，其冷侧被暴露给渗透流体；本发明采用改性聚偏氟乙烯(PVDF)等材料构成中空纤维疏水膜，尤其是密排的管状结构；密排的管状膜管的结构如下，密排的管状膜管排成平的端面，露出管内的侧面，所有管外的侧面处均由环氧或PET等粘接材料进行粘接或其它方式固定(膜管固定在阵列的漏斗上，每个漏斗均通一根膜管导流)，因此，使管内的腔均连通成为膜的一侧(热侧)。管外侧的所有腔体亦连通的膜的另一侧(冷侧)；密排的管状膜管的内进入及流出溶液(包括浓缩后溶液)，管的外侧的所有腔体则流出稀液(水)；密排的管状可以是直线形，也可以是弧线形，所述端面结构密排的管状膜管置于一容器内，上下端构成浓溶液通道，从容器的侧部开孔可引出稀液通道。载冷剂溶液浓度调节装置侧部开孔管道上设有抽吸泵。浓溶液通道的浓液直接接入载冷剂循环系统，而稀液(水)直接排出或供冷却循环水使用。冷侧温度在1-37℃。

本发明根据载冷剂的浓度进行控制，当浓度低于某一阈值时，膜的通量膜的处理通量可以达到6-15L/m²h，在更优条件下高达15-21L/m²h。采用10平方米面积的疏水性微孔膜可以每小时排出80千克以上的淡水，随着膜技术的提高，此量还可以增加。利用此膜制成管状，低温疏水膜蒸馏法进行盐水浓缩处理，试验结果表明，采用1平方米面积的疏水性微孔膜，控制热侧的流速为0.5m/s，冷侧的流速为0.2m/s，用100L的进水含CaCl₂浓度8％(重量比)，当热侧温度在37-40℃时，运行时间2.5h，出水20千克，浓度提高到10％，运行4小时，可以出水31千克，浓度提高到12％。升温至45℃，连续运行时间3h，出水25千克，升温至55℃，连续运行时间3h，出水26千克。升温至60℃，连续运行时间3h，出水26千克，升温80度效果更好。采用NaCl溶液，基本上与CaCl₂的结果相同。采用工业盐溶液亦与CaCl₂的试验结果相同。控制热侧的流速逐渐减少到0.25m/s时，冷侧的透水通量略有减少，冷侧的流速减少到0.1m/s时冷侧的透水通量亦有减少，流速增加时不会对透水通量有所影响。维持热冷两侧的温度差(15-30度)对保持通量是有良好影响的。为了保证通量，可以将本将多套发明装置并联或串联。本发明采用列管式膜蒸馏器，可以采用并联或串联的结构，使排出无盐水的通量能够满足。

当然不进行循环时每次控制流量亦可以排出适量的水，通过第一和第二热交换器可使处理后的载冷剂热量充分应用，加温后的浓缩载冷剂液体进入热交换塔后均是有助于提高换热效率的。第二热交换器可以使冷侧的循环液降低温度，又提高了进液的温度，从而提高整个系统的效率，本发明膜蒸馏浓缩方法，可在较温和的实验条件下，尤其是40℃至60℃时将低浓度的盐溶液浓缩成高浓盐溶液的效率较高，因为增加温度使能量增加。

装置的实施例：所有露出管内侧的端面通过密封材料密封，即设有一种穿孔板或按孔板成型固化的材料11将所有膜管12的上下颈部均露出(膜管的中间部位可设有支撑骨架)，将穿孔板将所有膜管的上下颈部密封。因此，所有管内侧的腔均是连通的，管外侧的腔亦是连通的；密排的管状膜管的内进入及流出浓缩后浓溶液，管的外则流出稀液(水)；将所述端面结构密排的管状膜管置于一外壳或容器内，穿孔板的周边与外壳的内周完全密封13，使内侧流道与外侧流道隔离，并在外壳上设有连通管内侧面的进出口14，外壳上还设有连通管外侧面的进出口。考虑到膜管的强度，本发明膜管的长度采用30-80cm，尤其是采用若干台装置并联和串联的结构满足通量要求。

上下管内侧的流道构成浓溶液通道，从容器的侧部上下开口可引出稀液通道。即管内侧面的进出口连通密排的管状膜管的内，从容器的侧部上下开口可引出稀液通道连通管外侧面的上下部位，流出冷侧稀液(水)；载冷剂溶液浓度调节装置侧部开孔管道上设有抽吸泵。载冷剂溶液浓度调节装置侧部开孔管道上设有抽吸泵，抽吸出蒸汽后冷凝排出去盐水。控制热侧的流速为0.5±0.3m/s，冷侧的流速为0.2±0.1m/s。

本发明装置的实施例：如图2所示，载冷剂热交换塔A的溶液流入第一换热器B，最好经过过滤器，将1mm以上的固体杂质均过滤掉，第一换热器B为一个从热水系统取得热水的容器，当温度至膜系统工作温度时，即开始平衡后，载冷剂溶液1，经第一换热器B(可以是水浴或管程式热交换器或其它热交换器，也可以是电或燃气加热器)进入膜蒸馏器C的浓溶液(热侧)，即进入流2，浓溶液出口流5直接回流至载冷剂热交换塔A；膜蒸馏器C的水(冷侧)流出流3是经过一(管程式)换热器D，此换热器D串联在载冷剂热交换塔A与第一换热器B连接的管道上，串联后部分排出部分再串入膜蒸馏器C的冷侧循环，也可部分或全部排出4。根据溢流和载冷剂和浓度控制载冷剂热交换塔的溶液以不同流量进入第一换热器，也可以是溢流直接流入第一换热器。

载冷剂热交换塔的风道6见图示。当然，浓溶液出口流5可以直接回流至载冷剂热交换塔。也可以回流至第一换热器B(也是一只加热型容器)，经不断浓缩后再回流至载冷剂热交换塔。

Claims (4)

1.热量交换塔载冷剂溶液浓度控制调节方法，其特征是吸湿后的热量交换塔载冷剂溶液采用中空纤维疏水膜构成的膜蒸馏器低温蒸馏处理，通过膜蒸馏浓缩：浓溶液在中空纤维疏水膜的热侧温度40-60℃，蒸馏凝结后的水在中空纤维疏水膜的另一侧即冷侧排出；载冷剂热交换塔载冷剂溶液经第一换热器加热后，溶液进入膜蒸馏器的热侧，溶液出口直接回流至载冷剂热交换塔或回流至第一换热器，经不断浓缩后再回流至载冷剂热交换塔；膜蒸馏器的冷侧凝结水流出，冷侧凝结水经过第二换热器，第二换热器串联在载冷剂热交换塔与第一换热器连接的管道上，经第二换热器后排出或再串入膜蒸馏器的冷侧循环；载冷剂热交换塔的溶液流入第一换热器，第一换热器为一个从热水系统取得热水加热的容器，当温度至膜系统工作温度时，载冷剂溶液经第一换热器进入膜蒸馏器的热侧，采用列管式膜蒸馏器，溶液出口流直接回流至载冷剂热交换塔；膜蒸馏器的冷侧流出流经过第二换热器后部分排出、部分再串入膜蒸馏器的冷侧循环。

2.根据权利要求1所述的热量交换塔载冷剂溶液浓度控制调节方法，其特征是热侧溶液液体处于流动状态。

3.根据权利要求1所述的热量交换塔载冷剂溶液浓度控制调节方法，其特征是热侧的流速为0.5±0.3m/s，冷侧的流速为0.2±0.1m/s。

4.根据权利要求1所述的热量交换塔载冷剂溶液浓度控制调节方法，其特征是冷侧的采取降低液位或抽真空的方式。

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