CN103047725B - 双级反渗透再生的热源塔热泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双级反渗透再生的热源塔热泵系统；包括溶液循环系统和双级反渗透再生系统；所述双级反渗透再生系统包括第一反渗透再生系统和第二反渗透再生系统；所述溶液循环系统与第一反渗透再生系统之间通过热泵机组（4）相耦合；所述第一反渗透再生系统和第二反渗透再生系统之间通过第一反渗透器（10）相耦合。

Description

双级反渗透再生的热源塔热泵系统

技术领域

本发明涉及制冷与空调设备技术领域，尤其是一种双级反渗透再生的热源塔热泵系统。

背景技术

空气源热泵系统在冬季制热工况下通过蒸发器从室外空气吸取热量，具有较高的能效比，但当蒸发器表面温度低于0℃时，室外空气容易在蒸发翅片上结霜而影响系统的正常运行。为了解决这个问题，目前有两类途径，一是针对其结霜问题采取各种化霜措施；另一类途径则是利用近年来开始逐渐受到重视的热源塔热泵系统来代替空气源热泵系统，在避免了结霜问题的同时又保留了热泵系统冬夏两用、效率较高的特点。

热源塔热泵系统通过防冻溶液与空气进行热质交换，吸收空气中的显热和潜热为蒸发器提供热源，使系统在0℃以下的工况仍可高效和稳定的运行。另外热源塔热泵系统对于目前广泛采用的水冷机组加锅炉的冷热源方案具有很大的比较优势，因为无需为它设置专门的锅炉作为热源，省却了锅炉及锅炉房设备的投资以及因此产生的燃油/燃气消耗费用，尤其是在冷负荷和热负荷相近的夏热冬冷地区采用热源塔热泵更为适合，此外，基于热源塔热泵系统对水冷空调系统进行改造也具有较大的可行性，所以它在节能市场上具有很大的应用潜力，目前国内外对热源塔热泵系统开展的应用和研究还很少，从运行情况看，亟待解决的一个主要问题是如何对吸湿后的防冻溶液进行再生，通常所采用的再生方式为非沸腾式再生（例如：申请号201010567051.4和200910098008.5的两篇专利），这种再生方式具有低品位能源利用的优点，但存在系统环节较多、不可逆损失大和运行复杂的缺点，在实际推广过程中存在一定困难。专利申请200910307940.4提供了一种针对热源塔热泵系统的单级反渗透再生装置，虽然有系统简单及可控性强的优点，但是利用小型空气源热泵对水进行加热，同样易产生冬季工况下空气源热泵蒸发器的结霜问题；当再生浓度较大的防冻溶液时，容易使得操作压力较高而超过常规反渗透膜的耐压极限；没有对高压防冻溶液进行能量回收，机械能损失大。

为此，需要提供一种具有反渗透再生优点，又能克服其现有问题的反渗透再生的热源塔热泵系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种双级反渗透再生的热源塔热泵系统，使其具有效率高、系统简单、调节灵活的特点。

为了解决上述技术问题，本发明提出一种双级反渗透再生的热源塔热泵系统；包括溶液循环系统和双级反渗透再生系统；所述双级反渗透再生系统包括第一反渗透再生系统和第二反渗透再生系统；所述溶液循环系统与第一反渗透再生系统之间通过热泵机组相耦合；所述第一反渗透再生系统和第二反渗透再生系统之间通过第一反渗透器相耦合。

作为对本发明的双级反渗透再生的热源塔热泵系统的改进：所述溶液循环系统包括热源塔，所述热源塔连接有调节阀Ⅰ；所述调节阀Ⅰ连接有液循环泵；所述液循环泵与热泵机组的溶液入口相连接；所述热泵机组的溶液出口与热源塔相连接。

作为对本发明的双级反渗透再生的热源塔热泵系统的进一步改进：第一反渗透再生系统包括保安过滤器，所述保安过滤器的进液口通过调节阀Ⅱ与热源塔相连接，保安过滤器的出液口与溶液换热器的稀溶液通道相连接，溶液换热器的稀溶液通道与再冷器相连接，再冷器分别与第一高压泵以及第一能量回收器的稀溶液通道相连接，第一能量回收器的稀溶液通道与第一增压泵相连接，第一增压泵和第一高压泵均与第一反渗透器的第一溶液入口相连接；所述第一反渗透器的第一溶液出口与第一能量回收器的浓溶液通道相连接，所述第一能量回收器的浓溶液通道与液换热器的浓溶液通道相连接，所述液换热器的浓溶液通道通过调节阀Ⅳ与热泵机组的溶液入口相连接。

作为对本发明的双级反渗透再生的热源塔热泵系统的进一步改进：所述第二反渗透再生系统包括第二高压泵、第二反渗透器、第二增压泵、第二能量回收器和调节阀Ⅲ；所述第一反渗透器的第二溶液出口分别与第二高压泵和第二能量回收器的稀溶液通道相连接；第二高压泵和第二能量回收器的稀溶液通道均与第二反渗透器的第一溶液入口相连接；所述第二反渗透器的第一溶液出口与第二能量回收器的浓溶液通道相连接，所述第二能量回收器的浓溶液通道通过调节阀Ⅲ与第一反渗透器的第二溶液入口相连接。

作为对本发明的双级反渗透再生的热源塔热泵系统的进一步改进：所述热泵机组的冷剂出口与再冷器的冷剂入口相连接，所述热泵机组的冷剂入口与再冷器的冷剂出口相连接。

作为对本发明的双级反渗透再生的热源塔热泵系统的进一步改进：所述溶液循环系统和双级反渗透再生系统内均设置有防冻溶液。

作为对本发明的双级反渗透再生的热源塔热泵系统的进一步改进：所述防冻溶液为氯化钙溶液。

作为对本发明的双级反渗透再生的热源塔热泵系统的进一步改进：所述溶液循环系统和第一反渗透再生系统内的氯化钙溶液的质量浓度在15％～20％；所述第二反渗透再生系统内的氯化钙溶液的质量浓度在7.5％～10％。

反渗透再生的热源塔热泵系统在制热模式下工作时，双级反渗透再生系统采用间隙运行方式，即若防冻溶液的浓度偏低，系统切换为再生运行模式，双级反渗透再生系统开启，调节阀Ⅰ和溶液循环泵关闭；若防冻溶液浓度偏高，系统切换为一般运行模式，双级反渗透再生系统关闭，调节阀Ⅰ和溶液循环泵打开。双级反渗透再生系统的回收率不宜过高，否则反渗透压力较大，同时也不宜过低，否则双级反渗透再生系统运行时间延长而使能耗增加，因此应以防冻溶液能够一次性通过双级反渗透再生系统而再生来确定。双级反渗透再生的热源塔热泵系统在制冷模式下工作时，双级反渗透再生系统保持关闭，调节阀Ⅰ和溶液循环泵常开，此时循环溶液为水。本发明的双级反渗透再生的热源塔热泵系统适合于夏热冬冷地区，其气候特点是冷、热负荷相当，冬季温度通常在0℃以上。

本发明的双级反渗透再生的热源塔热泵系统对热源塔出口溶液进行浓缩，同时对液体压力能进行回收利用，具有无需热源、系统简单、调节灵活以及可行性强的特点，易于推广应用。

本发明与现有反渗透再生的热源塔热泵系统相比，具有以下优点：

1、采用双级反渗透再生，使得每一级再生时所需渗透压减小，因此可减小对反渗透膜的耐压要求，反之，在相同耐压条件下，可对更高浓度的防冻溶液进行再生，增加反渗透再生的适用范围。

2、利用能量回收器对高压防冻溶液进行能量回收，进一步提高了反渗透再生的效率。

3、利用热泵机组的再冷器对防冻溶液进行加热，不需要另外的加热系统，具有简单有效、系统环节少的优点。

附图说明

图1是双级反渗透再生的热源塔热泵系统流程图。

具体实施方式

实施实例1、图1给出了一种双级反渗透再生的热源塔热泵系统，包括热源塔1、调节阀Ⅰ2、液循环泵3、热泵机组4、调节阀Ⅱ5、保安过滤器6、溶液换热器7、再冷器8、第一高压泵9、第一反渗透器10、第二高压泵11、第二反渗透器12、第二增压泵13、第二能量回收器14、调节阀Ⅲ15、第一增压泵16、第一能量回收器17和调节阀Ⅳ18。

以上所述的热源塔1内从上至下依次设置有喷淋器、新风通道和溶液存储槽；溶液存储槽内存储有工质（防冻溶液或水）；溶液换热器7、第二能量回收器14和第一能量回收器17内分别设置有稀溶液通道和浓溶液通道，以上所述的稀溶液通道上均设置有稀溶液入口和稀溶液出口，浓溶液通道上均设置有浓溶液入口和浓溶液出口。

溶液存储槽的溶液出口分别连接调节阀Ⅰ2和调节阀Ⅱ5的溶液入口，调节阀Ⅰ2的溶液出口连接溶液循环泵3的溶液入口，液循环泵3的溶液出口连接热泵机组4的溶液入口43，热泵机组4的溶液出口44与热源塔1内的喷淋器相连接。

调节阀Ⅱ5的溶液出口连接保安过滤器6的溶液入口，保安过滤器6的溶液出口连接溶液换热器7的稀溶液入口，溶液换热器7的稀溶液出口连接再冷器8的溶液入口。再冷器8的溶液出口分为两路：其中一路与第一高压泵9的溶液入口相连；另外一路与第一能量回收器17的稀溶液入口相连，第一能量回收器17的稀溶液出口连接第一增压泵16的溶液入口，第一增压泵16的溶液出口与第一高压泵9的溶液出口连接后再与第一反渗透器10的第一溶液入口相连；第一反渗透器10的第一溶液出口与第一能量回收器17的浓溶液入口相连，第一能量回收器17的浓溶液出口与溶液换热器7的浓溶液入口相连，溶液换热器7的浓溶液出口通过调节阀Ⅳ18与热泵机组4的溶液入口43相连接。

第一反渗透器10的第二溶液出口分为两路：其中一路与第二高压泵11的溶液入口相连，另外一路与第二能量回收器14的稀溶液入口相连；第二能量回收器14的稀溶液出口连接第二增压泵13的溶液入口，第二增压泵13的溶液出口与第二高压泵11的溶液出口连接后再与第二反渗透器12的稀溶液入口相连；第二反渗透器12的浓溶液出口与第二能量回收器14的浓溶液入口相连，第二能量回收器14的浓溶液出口通过调节阀Ⅲ15后与第一反渗透器10的第二溶液入口相连；第二反渗透器12的纯水出口与外部排水口相连。

热泵机组4的冷剂出口41与再冷器8的冷剂入口连接，再冷器8的冷剂出口与热泵机组4的冷剂入口42连接。

本发明的双级反渗透再生的热源塔热泵系统中流过第一反渗透器10的第一溶液通道的防冻溶液（即氯化钙溶液，以下文中简称一级氯化钙溶液）为质量浓度在15％～20％的氯化钙溶液，以使得防冻溶液的凝固点在－10℃附近；流过第一反渗透器10的第二溶液通道的防冻溶液为质量浓度为7.5％～10％的氯化钙溶液（以下文中简称二级氯化钙溶液）。

本发明的双级反渗透再生的热源塔热泵系统的回收率不宜过高，否则反渗透压力较大，同时也不宜过低，否则双级反渗透再生系统运行时间延长而使能耗增加，因此应以防冻溶液能够一次性通过双级反渗透再生系统而再生来确定。

本发明的双级反渗透再生的热源塔热泵系统在制热模式下工作时，双级反渗透再生系统采用间隙运行方式，即若防冻溶液浓度偏低，系统切换为再生运行模式，双级反渗透再生系统开启，调节阀Ⅰ2和溶液循环泵3关闭；若防冻溶液浓度偏高，系统切换为一般运行模式，双级反渗透再生系统关闭，调节阀Ⅰ2和溶液循环泵3打开。

本发明的反渗透再生的热源塔热泵系统在制冷模式下工作时，双级反渗透再生系统保持关闭，调节阀Ⅰ2和溶液循环泵3常开，此时循环溶液为水。

本发明的双级反渗透再生的热源塔热泵系统适合于夏热冬冷地区，其气候特点是冷、热负荷相当，冬季温度通常在0℃以上。

本发明与现有反渗透再生的热源塔热泵系统相比，具有以下优点：

1、采用双级反渗透再生，使得每一级再生时所需渗透压减小，因此可减小对反渗透膜的耐压要求，反之，在相同耐压条件下，可对更高浓度的防冻溶液进行再生，增加反渗透再生的适用范围。

2、利用能量回收器对高压防冻溶液进行能量回收，进一步提高了反渗透再生的效率。

3、利用热泵机组的再冷器对防冻溶液进行加热防止反渗透水结冰，不需要另外的加热系统，具有简单有效以及系统环节少的优点。

实际使用时，分如下步骤：

1、在制热模式下，双级反渗透再生的热源塔热泵系统在一般运行模式和再生运行模式之间切换：

1.1、在一般运行模式时：

1.1.1、双级反渗透再生系统关闭，调节阀Ⅰ2和溶液循环泵3打开；

1.1.2、氯化钙溶液从溶液存储槽流出，经过调节阀Ⅰ2和溶液循环泵3后，再通过热泵机组4的溶液入口43进入热泵机组4，放出热量后温度降低；

1.1.3、再通过热泵机组4的溶液出口44将氯化钙溶液送入喷淋器内；

1.1.4、氯化钙溶液再从喷淋器内自动喷洒出，通过新风通道时，氯化钙溶液与通过新风通道的空气进行热质交换，吸收空气中的热量，温度升高，同时溶液浓度略微降低；

1.1.5、氯化钙溶液再进入溶液存储槽内，再进行循环。

1.2、氯化钙溶液在新风通道时，不断的吸收空气中的热量，使得溶液浓度越来越低，当氯化钙溶液的溶液浓度达到设定的下限值时，本发明的双级反渗透再生的热源塔热泵系统切换为再生运行模式（即双级反渗透再生系统打开，调节阀Ⅰ2和溶液循环泵3关闭）；

1.2.1、在再生运行模式下，溶液浓度达到设定的下限值的氯化钙溶液（以下简称稀溶液）从溶液存储槽流出，依次经过调节阀Ⅱ5和保安过滤器6后，通过溶液换热器7的稀溶液入口进入溶液换热器7；

1.2.2、稀溶液通过溶液换热器7的稀溶液通道，吸收来自溶液换热器7的浓溶液通道中的浓溶液所放出的热量，温度增加后进入再冷器8；

1.2.3、稀溶液通过再冷器8的溶液通道，吸收来自冷剂通道中的冷剂所释放的热量，稀溶液的温度增加后（0℃以上）从再冷器8的溶液出口流出，并分为两路：

其中一路稀溶液被第一高压泵9增压到一级反渗透器10所对应的渗透压（以下简称一级渗透压）以上；

另外一路稀溶液先通过第一能量回收器17的稀溶液通道，吸收来自第一能量回收器17的浓溶液通道（第一能量回收器17的浓溶液通道内为通过第一反渗透器10反应后，溶液浓度达到设定的上限值的氯化钙溶液，以下简称浓溶液）内浓溶液的液体压力能，压力升高，再通过第一增压泵16进一步加压到一级渗透压以上；

1.2.4、以上所述的两路稀溶液增压到一级渗透压以上后，均进入第一反渗透器10的第一溶液通道。在第一反渗透器10中，稀溶液中的一部分纯水通过反渗透膜排至第二溶液通道中的较低浓度的氯化钙溶液中，稀溶液得以再生后变成浓溶液，浓溶液再从第一反渗透器10的第一溶液出口流出；

1.2.5、从第一反渗透器10的第一溶液出口流出的浓溶液经过第一能量回收器17的浓溶液通道，将其大部分液体压力能传递给流过第一能量回收器17的稀溶液通道的稀溶液，同时压力降低，再通过溶液换热器7的浓溶液入口进入溶液换热器7的浓溶液通道；

1.2.6、浓溶液通过溶液换热器7的浓溶液通道，向溶液换热器7的稀溶液通道中的稀溶液放出热量，温度降低后再通过调节阀Ⅳ18降压到常压附近；

1.2.7、从第一反渗透器10的第二溶液出口流出的氯化钙溶液（以下简称二级稀溶液）分为两路：

其中一路二级稀溶液被第二高压泵11增压到二级反渗透器12所对应的渗透压（以下简称二级渗透压）以上；

另外一路二级稀溶液通过第二能量回收器14的稀溶液通道，吸收来自第二能量回收器14的浓溶液通道（第二能量回收器14的浓溶液通道内为通过第二反渗透器14反应后，被浓缩的氯化钙溶液，以下简称二级浓溶液）内二级浓溶液的液体压力能，压力升高，再通过第二增压泵13进一步加压到二级渗透压以上；

1.2.8、以上所述的两路二级稀溶液增压到二级渗透压以上后，均进入第二反渗透器12的稀溶液入口。在第二反渗透器12中，二级稀溶液中的一部分纯水通过反渗透膜排至外界，二级稀溶液得以浓缩后变成二级浓溶液，二级浓溶液再从第二反渗透器12的浓溶液出口流出；

1.2.9、从第二反渗透器12的浓溶液出口流出的二级浓溶液经过第二能量回收器14的浓溶液通道，将其大部分液体压力能传递给流过稀溶液通道的二级稀溶液，同时压力降低后通过调节阀Ⅲ15降压到常压附近；

1.2.10、二级稀溶液从第二溶液入口流入第一反渗透器10的第二溶液通道，在压力驱动下，吸收第一反渗透器10的第一溶液通道内的稀溶液从反渗透膜透过的水分，浓度降低后变成二级稀溶液；

1.2.11、通过调节阀Ⅳ18降压到常压附近的浓溶液由热泵机组4的溶液入口43进入热泵机组4放热，温度降低；

1.2.12、通过热泵机组4的溶液出口44再次将浓溶液送入喷淋器内，浓溶液再从喷淋器内自动喷洒出，通过新风通道时，与空气进行热质交换，吸收空气中的热量，温度升高，同时溶液浓度略微降低，进行新一轮的循环。

当浓溶液的浓度升高到设定的上限时，再生模式关闭，此时系统切换到一般运行模式。

本发明的双级反渗透再生的热源塔热泵系统在再生运行模式下，回收率为15％左右，循环倍率小，对溶液浓度改变大，而在一般运行模式下，循环倍率大，对溶液浓度改变小，因此一个周期内，再生运行模式的运行时间大大小于一般运行模式。

在制冷模式下，双级反渗透再生系统始终保持关闭，溶液存储槽内存储的溶液为水，水从溶液存储槽出来后经调节阀Ⅰ2，再通过溶液循环泵3加压后热泵机组4的溶液入口43后进入热泵机组4，吸收热量后，水的温度增加，之后再通过热泵机组4的溶液出口44进入喷淋器，通过喷淋器喷洒出来后，与通过新风管道的空气进行热质交换，放出热量，温度降低，完成一个冷却循环。

实施实例1的计算参数见表1双级反渗透再生栏。防冻液采用氯化钙溶液，设计计算参数为：一级氯化钙溶液质量浓度范围为15～17.5%，二级氯化钙溶液质量浓度范围为7.5～9.7%，能量回收器效率为95%，泵效率为80%。则再生单位质量的水，所需一级工作压为91.35bar，二级工作压为95.9bar，总耗功为28.2kJ/kg，定义再生效率为再生所需最小功与总耗功的比值，总耗功包括高压泵、增压泵功耗以及加热防冻溶液所耗功（即再冷器放热量所对应的热泵机组的功耗），则计算得到的再生效率为15.3%。若采用传统的单级反渗透再生方式（如：专利申请200910307940.4），其防冻溶液的加热量通过小型空气源热泵提供，且不包括溶液换热器，则在设计参数不变的条件下，计算结果见表1单级反渗透再生栏，从表中可见，一方面其工作压力高达160.1bar，比本发明的工作压力高出67%，大大超出了常规反渗透膜的耐压极限（不大于100bar）；另一方面，虽然它的再生系统相对本发明少了一个再生环节，但由于没有利用溶液换热器来回收防冻溶液的热量，造成对防冻溶液的加热量增加，所对应的空气源热泵系统的功耗也加大，最后导致其再生效率只有6%，大大低于本发明的再生效率。

由以上实施例1对比采用传统的单级反渗透再生方式（如：专利申请200910307940.4），具体的数据为两套系统通过实际运行后记录所得，由表1所知，实施例1在一级渗透压、一级工作压、一级高压泵耗功、一级增压泵耗功和防冻液加热耗功等方面比传统的单级反渗透再生方式有很大的进步，再生效率方面有巨大的提升。

以上实施实例中，可综合考虑具体的使用条件与要求、技术经济性能等因素合理确定系统的设计参数，以兼顾系统的适用性和经济性。

表1实施实例1的热力计算结果

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (6)

1.双级反渗透再生的热源塔热泵系统；其特征是：包括溶液循环系统和双级反渗透再生系统；

所述双级反渗透再生系统包括第一反渗透再生系统和第二反渗透再生系统；

所述溶液循环系统与第一反渗透再生系统之间通过热泵机组(4)相耦合；所述第一反渗透再生系统和第二反渗透再生系统之间通过第一反渗透器(10)相耦合；

所述溶液循环系统包括热源塔(1)，所述热源塔(1)连接有调节阀Ⅰ(2)；所述调节阀Ⅰ(2)连接有液循环泵(3)；所述液循环泵(3)与热泵机组(4)的溶液入口(43)相连接；

所述热泵机组(4)的溶液出口(44)与热源塔(1)相连接；

第一反渗透再生系统包括保安过滤器(6)，所述保安过滤器(6)的进液口通过调节阀Ⅱ(5)与热源塔(1)相连接，保安过滤器(6)的出液口与溶液换热器(7)的稀溶液通道相连接，溶液换热器(7)的稀溶液通道与再冷器(8)相连接，再冷器(8)分别与第一高压泵(9)以及第一能量回收器(17)的稀溶液通道相连接，第一能量回收器(17)的稀溶液通道与第一增压泵(16)相连接，第一增压泵(16)和第一高压泵(9)均与第一反渗透器(10)的第一溶液入口相连接；

所述第一反渗透器(10)的第一溶液出口与第一能量回收器(17)的浓溶液通道相连接，所述第一能量回收器(17)的浓溶液通道与溶液换热器(7)的浓溶液通道相连接，所述溶液换热器(7)的浓溶液通道通过调节阀Ⅳ(18)与热泵机组(4)的溶液入口(43)相连接。

2.根据权利要求1所述的双级反渗透再生的热源塔热泵系统，其特征是：所述第二反渗透再生系统包括第二高压泵(11)、第二反渗透器(12)、第二增压泵(13)、第二能量回收器(14)和调节阀Ⅲ(15)；

所述第一反渗透器(10)的第二溶液出口分别与第二高压泵(11)和第二能量回收器(14)的稀溶液通道相连接；第二高压泵(11)和第二能量回收器(14)的稀溶液通道均与第二反渗透器(12)的第一溶液入口相连接；

所述第二反渗透器(12)的第一溶液出口与第二能量回收器(14)的浓溶液通道相连接，所述第二能量回收器(14)的浓溶液通道通过调节阀Ⅲ(15)与第一反渗透器(10)的第二溶液入口相连接。

3.根据权利要求2所述的双级反渗透再生的热源塔热泵系统，其特征是：所述热泵机组(4)的冷剂出口(41)与再冷器(8)的冷剂入口相连接，所述热泵机组(4)的冷剂入口(42)与再冷器(8)的冷剂出口相连接。

4.根据权利要求3所述的双级反渗透再生的热源塔热泵系统，其特征是：所述溶液循环系统和双级反渗透再生系统内均设置有防冻溶液。

5.根据权利要求4所述的双级反渗透再生的热源塔热泵系统，其特征是：所述防冻溶液为氯化钙溶液。

6.根据权利要求5所述的双级反渗透再生的热源塔热泵系统，其特征是：所述溶液循环系统和第一反渗透再生系统内的氯化钙溶液的质量浓度为15％～20％；

所述第二反渗透再生系统内的氯化钙溶液的质量浓度为7.5％～10％。