CN101907333A - 基于膜分离技术的空气冷却方法及其装置 - Google Patents

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冯诗愚
王赞社
李云
高秀峰
刘卫华
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Abstract

本发明公开了一种基于膜分离技术的空气冷却方法及其装置,其将被冷却空气依次通过间接蒸发冷却器的冷侧通道和直接蒸发冷却器进行冷却即可,所述间接蒸发冷却器中用于与被冷却空气进行热交换的热源介质通过以下步骤制取:将定量的空气增压、冷却后输入膜除湿组件高压侧进行除湿处理以获得低湿度空气,并在膜除湿组件的低压侧采用吹扫气法吹除低压侧膜壁面上的水蒸气,所述的低湿度空气再次冷却后即可输入间接蒸发冷却器热源通道,由此可知,本发明采用膜除湿和蒸发式冷却技术来实现空气的冷却和调节,因此系统可工作在高湿的环境中,同时相对于其他除湿方法,膜除湿方法能耗低,可靠性高,因此装置的综合性能也十分优良。

Description

基于膜分离技术的空气冷却方法及其装置
技术领域
本发明属于空气调节和膜分离技术领域,涉及一种空气冷却方法及其装置,特别涉及一种基于膜分离技术的空气冷却方法及其装置。
背景技术
对于空气的冷却和调节是改善人们生活环境或保证设备正常运行的必要手段,通常可采用强制通风或采用合适的制冷技术实现,但是前者主要由外界环境所决定,无法从根本上加以解决,而后者是目前空气调节所采用的主要手段,常见的有采用氟利昂工质的机械压缩式制冷方法、采用热能驱动的吸收式或喷射式制冷方法,但是这些方法均存在能耗大或维护保养困难的缺点。
随着我国对低碳经济的重视,很多古老的空气调节技术在新技术新工艺的推动下,再次焕发出新的生命,其中最典型的就是蒸发冷却技术。蒸发冷却是人类已知最早的冷却方式,其工作原理十分简单,就是利用环境中空气的相对湿度通常未达到100%,从而将水喷入空气中,使水蒸发吸收热量,从而对空气达到冷却的目的,过去在纺织厂等行业得到广泛应用,但是该技术也有一些缺点,例如水蒸发的效率低、冷却后的空气湿度大等。随着能源短缺和环境问题的日趋突出,由于蒸发冷却技术节能、环保、经济及改善室内空气品质等独特优势,在进入20世纪80年代以来再次广泛地引起众多学者的关注,并提出了一些新的方法克服其原来的缺点,例如采用间接蒸发冷却。总体而言,蒸发冷却技术相对于传统的制冷技术而言,COP可提高2.5倍~5倍,在炎热干燥地区可节能80%~90%,在炎热潮湿地区可节能20%~25%,在中湿度地区可节能40%,因此在空调领域有着广阔的应用前景,例如申请号为02100431.5的专利“一种间接蒸发式供冷的方法及其装置”,申请号为200810017581.4的专利“一种间接蒸发冷却式冷风/冷水复合型空调机组”和申请号为200710173263.2的专利“基于超声波技术的蒸发冷却空调装置”均从不同技术侧面对蒸发冷却技术进行了相应的改进。
但是,从前述分析也可以发现,蒸发冷却技术的节能效果取决于所处地区或工作环境中空气的相对湿度和温度,当空气温度较高及空气中水蒸气含量接近饱和时,则蒸发冷却的效果就会大大降低,甚至无法工作。理论上,可以先设法降低空气中的水蒸气含量,即对空气除湿,然后再通过蒸发冷却设备来调节空气的温度,从而提高其效率,如申请号为200710045902.7的专利“太阳能驱动的单个转轮两级除湿空调器”就公开了一种首先采用 吸附式转轮对空气除湿,然后再通过间接和直接蒸发冷却器降低回风温度的装置。然而,吸附式转轮除湿效率降低,且需要消耗大量的热量,除非可利用“免费”的可再生能源,否则系统的综合性能系数较传统的制冷方法更低,不能达到节能的目的。
实际上,除湿的方法很多,例如采用膜分离技术就可以高效地对空气中的水蒸气进行脱除。膜法除湿作为一种新的除湿方法,具有传统除湿方法的不具有的许多优点,如除湿过程连续进行,无腐蚀问题,无需阀门切换,无运动部件,系统可靠性高,易维护,能耗小,维护费用低等。
要使水蒸气透过膜,必须在膜的两端产生一个浓度差,这种浓度差既可由膜两端压力差造成,又可由膜两端温度差造成。目前对膜空气除湿基本都是以膜两边的水蒸气分压差作为驱动势,因此为了强化传湿,应尽量增大膜两侧的压力差。具体在系统方案上,有压缩法、真空法和膜/除湿剂混合法等,而其中压缩法由于能耗低、除湿效率高,因此被最为广泛地使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可运行于较高相对湿度环境下的蒸发冷却空气调节方法,其采用膜分离技术将空气中的水蒸气去除,然后再通过间接式蒸发冷却器和直接式蒸发冷却器,将被冷却空气的温度和湿度调节到合适范围后,送入被冷却对象,以达到空气调节的目的。
本发明的技术目的是通过以下技术方案来解决的:
一种基于膜分离技术的空气冷却方法,其将被冷却空气依次通过间接蒸发冷却器的冷侧通道和直接蒸发冷却器进行冷却即可,所述间接蒸发冷却器中用于与被冷却空气进行热交换的热源介质通过以下步骤制取:将定量的空气增压、冷却后输入膜除湿组件高压侧进行除湿处理以获得低湿度空气,并在膜除湿组件的低压侧采用吹扫气法吹除低压侧膜壁面上的水蒸气,所述的低湿度空气再次冷却后即可输入间接蒸发冷却器热源通道。
本发明的另一技术目的是提供一种基于膜分离技术的空气冷却装置,包括膜除湿装置和空气蒸发冷却装置,所述膜除湿装置包括膜除湿组件、增压器、预冷器、后冷器和扫气风机,所述预冷器和后冷器皆为热交换器,所述增压器出口与后冷器热侧通道、膜除湿组件高压侧、后冷器热侧通道、空气蒸发冷却装置的热侧通道以及增压器入口顺序连接,扫气风机出口与膜除湿组件低压侧入口连接,所述膜除湿组件低压侧出口及扫气风机入口均与外界连通,且所述预冷器和后冷器的冷侧通道均流过外界环境空气,而空气蒸发冷却装置的冷侧通道内则流过被冷却空气。
进一步地,所述空气蒸发冷却装置包括间接蒸发冷却器、直接蒸发冷却器和水箱,所述水箱出水口分别与间接蒸发冷却器及直接蒸发冷却器入水口连接,间接蒸发冷却器及直接蒸发冷却器出水口汇集后通过循环水泵与水箱回水口连接,所述间接蒸发冷却器热侧通道入口与后冷器热侧通道出口连接,而该间接蒸发冷却器热侧通道出口则与增压器入口连接,同时,所述间接蒸发冷却器的冷侧通道流过被冷却空气,且该间接蒸发冷却器冷侧通道出口与直接蒸发冷却器进气口连接。
进一步地,所述间接蒸发冷却器为换热管内外均有螺纹的列管式换热器或者为换热管呈光管、且该光管的外表面附加有翅片的翅片管换热器。
进一步地,所述增压器入口与压缩空气补充装置连接。
进一步地,所述压缩空气补充装置包括储气罐、过滤干燥器、空气压缩机和空气滤清器,所述空气滤清器出口、空气压缩机、过滤干燥器及储气罐入口顺序相连通,而空气滤清器的入口与外界环境连通,另外空气滤清器与储气罐之间的连接管道上安装有进气单向阀,且储气罐出口通过排气单向阀与增压器入口连接。
进一步地,所述增压器为罗茨式、离心式无油增压器。
进一步地,所述空气压缩机为无油空气压缩机。
根据以上的技术方案,可以实现以下的有益效果:
1、本发明所述空气冷却方法采用膜除湿和蒸发式冷却技术来实现空气的冷却和调节,因此系统可工作在高湿的环境中,同时相对于其他除湿方法,膜除湿方法能耗低,可靠性高,因此装置的综合性能也十分优良。
2、本发明所述空气冷却装置利用增压器提高来自间接换热器热侧出口高湿循环空气的压力,在膜除湿组件中将高湿循环空气中的大部分水蒸气脱除后,进入间接蒸发冷却器热侧入口,由来自水箱的液态水喷淋降温,与间接蒸发冷却器冷侧通道流过的被冷却空气换热,达到使被冷却空气等湿降温的目的,同时被冷却空气进入直接蒸发冷却器,进一步达到所需的温度和湿度。本发明中采用膜分离技术除湿,采用蒸发冷却技术降温吸热,因此系统可工作在高湿的环境中,且综合能效比高,维护工作量小。
3、本发明所述空气冷却装置包括两个循环系统,即间接蒸发冷却器热源介质的除湿循环系统,以及间接蒸发冷却器以及直接蒸发冷却器喷淋水循环系统,因此,本发明可以节约能耗,缩小设备体积,进一步提高其综合性能。
4、本发明所述空气冷却装置在增压器入口处连接压缩空气补充装置,以对经过膜除湿组件除去的水蒸气进行补充,维持整个除湿循环过程中,制作热源介质空气量的恒定。
附图说明
图1是本发明的结构示意图;
其中,1为膜除湿组件;2为扫气风机;3为后冷器;4为间接蒸发冷却器;5为储气罐;6为进气单向阀;7为过滤干燥器;8为空气压缩机;9为空气滤清器;10为排气单向阀;11为增压器;12为预冷器;13为直接蒸发冷却器;14为循环水泵;15为水箱。
具体实施方式
附图非限制性地公开了本发明一个优选实施例的结构示意图,以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。
本发明所述基于膜分离技术的空气冷却方法,将被冷却空气依次通过间接蒸发冷却器4的冷侧通道和直接蒸发冷却器13进行冷却即可,所述间接蒸发冷却器4中用于与被冷却空气进行热交换的热源介质通过以下步骤制取:将定量的空气增压、冷却后输入膜除湿组件1高压侧进行除湿处理以获得低湿度空气,并在膜除湿组件1的低压侧采用吹扫气法吹除低压侧膜壁面上的水蒸气,所述的低湿度空气再次冷却后即可输入间接蒸发冷却器4热源通道。
如图1所示,其公开了一种用于实现上述基于膜分离技术的空气冷却方法的空气冷却装置,包括膜除湿装置和空气蒸发冷却装置,所述膜除湿装置包括膜除湿组件1、增压器11、预冷器12、后冷器3和扫气风机2,所述预冷器12和后冷器3皆为热交换器,所述增压器11出口与后冷器3热侧通道、膜除湿组件1高压侧、后冷器3热侧通道、空气蒸发冷却装置的热侧通道以及增压器11入口顺序连接,扫气风机2出口与膜除湿组件1低压侧入口连接,所述膜除湿组件1低压侧出口及扫气风机2入口均与外界连通,且所述预冷器12和后冷器3的冷侧通道均流过外界环境空气,所述空气蒸发冷却装置包括间接蒸发冷却器4、直接蒸发冷却器13和水箱15,所述间接蒸发冷却器4为换热管内外均有螺纹的列管式换热器或者为换热管呈光管、且该光管的外表面附加有翅片的翅片管换热器,所述水箱15出水口分别与间接蒸发冷却器4及直接蒸发冷却器13入水口连接,间接蒸发冷却器4及直接蒸发冷却器13出水口汇集后通过循环水泵14与水箱15回水口连接,所述间接蒸发冷却器4热侧通道入口与后冷器3热侧通道出口连接,而该间接蒸发冷却器4热侧通道出口则与增压器11入口连接,同时,所述间接蒸发冷却器4的冷侧通道流过被冷却空气,且该间接蒸发冷却器4冷侧通道出口与直接蒸发冷却器13进气口连接。即本发明所述间接蒸发冷却器4热侧通道均与间接蒸发冷却器4入水口及出水口连通。
所述增压器11入口与压缩空气补充装置连接。
由于膜除湿组件1中通过膜壁有少量空气从高压侧扩散到低压侧,因此所述膜除湿装置中的空气量会减少,压力会发生变化,因此,需要在增压器11入口处连接压缩空气补充装置对除湿空气进行补充,所述压缩空气补充装置包括储气罐5、过滤干燥器7、空气压缩机和空气滤清器9,所述空气滤清器9出口、空气压缩机、过滤干燥器7及储气罐5入口顺序相连通,而空气滤清器9的入口与外界环境连通,另外空气滤清器9与储气罐5之间的连接管道上安装有进气单向阀6,且储气罐5出口通过排气单向阀10与增压器11入口连接。
所述增压器11为罗茨式、离心式无油增压器11。
所述空气压缩机为无油空气压缩机。
本发明的工作原理如下:
所述增压器11将来自间接蒸发器热侧通道高湿循环空气加压后,其压力和温度均上升,然后通过预冷器12热侧通道,由来自环境的空气通过预冷器12冷侧通道降温,使高湿循环空气的相对湿度进一步提高后进入膜除湿组件1高压侧,由于高湿循环空气的压力高于外界环境压力,因此在分离膜的作用下,高湿循环空气中的水蒸气通过膜壁扩散到膜除湿组件1低压侧,由扫气风机2从外界环境引入的空气吹走,同时高湿循环空气的相对湿度和绝对湿度均降低,从膜除湿组件1高压侧离开后变为低湿循环空气,低湿循环空气流过后冷器3热侧通道后,由外界环境空气通过后冷器3冷侧通道进一步降温,直至其温度接近环境温度,然后低湿循环空气流入间接蒸发器热侧通道沿着换热管外表面流动,在流动过程中,来自水箱15的液态水喷淋到换热管外表面,部分液态水蒸发扩散到低湿循环空气中,同时吸收热量,使低湿循环空气的湿度增加,温度降低,流出间接蒸发器热侧通道后低湿循环空气变为高湿循环空气,再次进入增压器11,完成了除湿循环。
所述间接蒸发器冷侧通道流入被冷却空气,被冷却空气在换热管内流动过程中,与间接蒸发器热侧通道中沿换热管外侧流动的低湿循环空气换热,使被冷却空气的温度降低,而含湿量保持恒定,被冷却空气流出间接蒸发器冷侧通道后,再进入直接蒸发器中,由来自水箱15的液态水直接喷淋,液态水和被冷却空气直接接触后,部分液态水蒸发进入被冷却空气,因此被冷却空气的温度进一步降低,而相对湿度和绝对湿度均增加,直至达到合适的值后,流出直接蒸发器,送往被冷却对象,完成冷却循环。
由于膜除湿组件1中通过膜壁有少量空气从高压侧扩散到低压侧,因此所述膜除湿装置中的空气量会减少,压力会发生变化,因此需要由所述的储气罐5中的压缩空气进行补充,当储气罐5的压力降低后,空气压缩机吸入空气滤清器9过滤后的外界环境的空气,并加压通过干燥过滤器净化后泵入储气罐5,直至储气罐5压力达到设定值后,空气压缩机 停止工作,当所述增压器11入口压力低于设定值后,储气罐5中气体自动流入增压器11,补充通过所述膜除湿组件1的膜壁所泄漏的空气。此外,在储气罐5进排气口均设置单向阀,以确保膜除湿装置中的空气不通过压缩空气补充装置直接泄漏到环境中去。
间接蒸发器和直接蒸发器下部均设置出水口,使来自水箱15中在两个蒸发器中未蒸发的液态水可在循环水泵14加压作用下,通过水箱15上设置的回水口返回水箱15,从而节约水消耗。
上面结合附图所描述的本发明优选具体实施例仅用于说明本发明的实施方式,而不是作为对前述发明目的和所附权利要求书内容和范围的限制,凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属本发明技术和权利保护范畴 。

Claims (8)

1.一种基于膜分离技术的空气冷却方法,其特征在于,将被冷却空气依次通过间接蒸发冷却器的冷侧通道和直接蒸发冷却器进行冷却即可,所述间接蒸发冷却器中用于与被冷却空气进行热交换的热源介质通过以下步骤制取:将定量的空气增压、冷却后输入膜除湿组件高压侧进行除湿处理以获得低湿度空气,并在膜除湿组件的低压侧采用吹扫气法吹除低压侧膜壁面上的水蒸气,所述的低湿度空气再次冷却后即可输入间接蒸发冷却器热源通道。
2.一种基于膜分离技术的空气冷却装置,其特征在于,包括膜除湿装置和空气蒸发冷却装置,所述膜除湿装置包括膜除湿组件、增压器、预冷器、后冷器和扫气风机,所述预冷器和后冷器皆为热交换器,所述增压器出口与后冷器热侧通道、膜除湿组件高压侧、后冷器热侧通道、空气蒸发冷却装置的热侧通道以及增压器入口顺序连接,扫气风机出口与膜除湿组件低压侧入口连接,所述膜除湿组件低压侧出口及扫气风机入口均与外界连通,且所述预冷器和后冷器的冷侧通道均流过外界环境空气,而空气蒸发冷却装置的冷侧通道内则流过被冷却空气。
3.根据权利要求
Figure FSA00000199419300011
所述基于膜分离技术的空气冷却装置,其特征在于,所述空气蒸发冷却装置包括间接蒸发冷却器、直接蒸发冷却器和水箱,所述水箱出水口分别与间接蒸发冷却器及直接蒸发冷却器入水口连接,间接蒸发冷却器及直接蒸发冷却器出水口汇集后通过循环水泵与水箱回水口连接,所述间接蒸发冷却器热侧通道入口与后冷器热侧通道出口连接,而该间接蒸发冷却器热侧通道出口则与增压器入口连接,同时,所述间接蒸发冷却器的冷侧通道流过被冷却空气,且该间接蒸发冷却器冷侧通道出口与直接蒸发冷却器进气口连接。
4.根据权利要求3所述基于膜分离技术的空气冷却装置,其特征在于,所述间接蒸发冷却器为换热管内外均有螺纹的列管式换热器或者为换热管呈光管、且该光管的外表面附加有翅片的翅片管换热器。
5.根据权利要求2所述基于膜分离技术的空气冷却装置,其特征在于,所述增压器入口与压缩空气补充装置连接。
6.根据权利要求5所述基于膜分离技术的空气冷却装置,其特征在于,所述压缩空气补充装置包括储气罐、过滤干燥器、空气压缩机和空气滤清器,所述空气滤清器出口、空气压缩机、过滤干燥器及储气罐入口顺序相连通,而空气滤清器的入口与外界环境连通,另外空气滤清器与储气罐之间的连接管道上安装有进气单向阀,且储气罐出口通过排气单向阀与增压器入口连接。
7.根据权利要求2所述基于膜分离技术的空气冷却装置,其特征在于,所述增压器为罗茨式、离心式无油增压器。
8.根据权利要求2所述基于膜分离技术的空气冷却装置,其特征在于,所述空气压缩机为无油空气压缩机。
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