CN103256831A - 一种空气与溶液或水之间的热质交换系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种空气与溶液或水之间的热质交换系统，属于能源及化工技术领域。包括：第一换热器、热质交换器和水泵，热质交换器内自上而下依次设有风机、淋水喷头和填料塔。第一换热器上设有溶液或水入口、溶液或水出口、空气进口以及空气出口，第一换热器的溶液或水出口与淋水喷头相连，第一换热器的空气出口与填料塔下部的进风口相连；所述的水泵与填料塔下部的溶液或水相连通。本发明的热质交换系统，适用范围广泛，可用于空气与溶液或水组成的热质交换系统，实现各种空气处理、蓄热要求及冷/热源供给，可应用在水蒸气，氨气，氢气等气体与水或其他溶液组成的热质交换系统中。
Description
技术领域
本发明涉及一种空气与溶液或水之间的热质交换系统，属于能源及化工技术领域。
背景技术
气体（空气）与溶液或水之间的热质交换系统一直是致力于营造舒适、健康居住环境的科研人员的研究重点之一。更重要的是，由于气体和溶液或水组成的系统具有显热和潜热两种热/冷量存储形式，且具有较大的储能密度。因此，气体与溶液或水之间的传热传质性能研究也在储能领域广泛开展。
空气作为一种典型的气体，其与溶液或水组成的热质交换系统主要是利用空气和溶液或水的温度差和湿度差（水蒸气浓度差），实现显热和潜热之间的相互转化，达到对空气加湿/除湿以及制冷/制热的效果。现有的空气与溶液或水热湿耦合处理系统，主要存在两个问题：1、只能实现单一目标，例如：蒸发冷却系统，旨在获取低温水或空气；溶液除湿系统，利用工业余热实现除湿功能；吸收式化学蓄能系统，旨在利用浓度差存储热能；2、未能充分利用空气与溶液或水之间的最大传质势差，达到最大化传质或蓄能的目标。在溶液除湿系统和吸收式化学蓄能系统中，提高系统性能的主要手段是尽可能利用余热，提高溶液入口温度，已有研究中并未考虑空气本身的显热对提高系统传质能力的作用。
发明内容
本发明的目的是提出一种空气与溶液或水之间的热质交换系统，改变已有的热质交换系统的结构，用于同时获得高浓度溶液及低温冷源；或同时实现高除湿量，并获得高温热源；或在空气和溶液或水之间转换除湿和加湿功能，以及存储热/冷量。
本发明提出的空气与溶液或水之间的热质交换系统，包括：第一换热器、热质交换器和水泵，所述的热质交换器内自上而下依次设有风机、淋水喷头和填料塔；所述的第一换热器上设有溶液或水入口、溶液或水出口、空气进口以及空气出口，第一换热器的溶液或水出口与淋水喷头相连，第一换热器的空气出口与填料塔下部的进风口相连；所述的水泵与填料塔下部的溶液或水相连通。
本发明的空气与溶液或水之间的热质交换系统，另一种结构还可以包括：外置式能量输入装置、热质交换器、水泵和第二换热器，所述的热质交换器内自上而下依次设有风机、淋水喷头和填料塔；所述的外置式能量输入装置与热质交换器的淋水喷头相连；所述的第二换热器上设有溶液或水入口、溶液或水出口、空气进口以及空气出口，第二换热器上的溶液或水入口与所述的水泵的出口相连，第二换热器的溶液或水出口与淋水喷头相连，第二换热器的空气出口与填料塔下部的进风口相连；所述的水泵的进口与填料塔下部的溶液或水相连通。
本发明的空气与溶液或水之间的热质交换系统，还有一种结构包括：内置式能量输入装置、热质交换器、水泵和第二换热器，所述的热质交换器内自上而下依次设有风机、淋水喷头和填料塔；所述的内置式能量输入装置置于热质交换器的填料塔内；所述的第二换热器上设有溶液或水入口、溶液或水出口、空气进口以及空气出口，第二换热器上的溶液或水入口与所述的水泵的出口相连，第二换热器的溶液或水出口与淋水喷头相连，第二换热器的空气出口与填料塔下部的进风口相连；所述的水泵的进口与填料塔下部的溶液或水相连通。
本发明提出的空气与溶液或水之间的热质交换系统，其优点是，本发明的热质交换系统，与传统的溶液除湿系统相比，加入了第一换热器，能够对入口处的湿空气和溶液或水进行换热。在某些工况，第一换热器可以增加系统的传质量，进一步提高溶液的浓度。与已有的蒸发冷却系统相比，它能够在提供低温冷源的同时获得最大的空气除湿量，适合既有冷量需求又有空气处理要求的场合。此外，同时添加第一换热器和第二换热器，可以让系统同时获得最高浓度的溶液及最低温度的冷源，或是最大的空气除湿量及最高温度的热源，即在空气和溶液或水之间最大限度地交换传热传质能力，从而便于用户根据需求自由利用工业余热/余冷。本发明提出的空气与溶液或水之间的热质交换系统，适用范围广泛，可用于空气与溶液或水组成的热质交换系统，实现各种空气处理、蓄热要求及冷/热源供给。同时，本发明的热质交换系统也可以应用在水蒸气，氨气，氢气等气体与水或其他溶液组成的热质交换系统中。
附图说明
图1是本发明提出的空气与溶液或水之间的热质交换系统的结构示意图。
图2～图6分别是图1所示的热质交换系统的不同实施例的结构示意图。
图7和图8分别是本发明提出的热质交换系统的另外两种结构的示意图。
图1～图8中，1是第一换热器，2是第二换热器，3是水泵，4是热质交换器，5是填料塔，6是淋水喷头，7是风机，8是外置式能量输入装置，9是内置式能量输入装置。其中，热质交换器4由填料塔5与淋水喷头6及风机7组成。
具体实施方式
本发明提出的空气与溶液或水之间的热质交换系统，其结构如图1所示，包括：第一换热器1、热质交换器4和水泵3，所述的热质交换器4内自上而下依次设有风机7、淋水喷头6和填料塔5；所述的第一换热器1上设有溶液或水入口、溶液或水出口、空气进口以及空气出口，第一换热器1的溶液或水出口与淋水喷头6相连，第一换热器1的空气出口与填料塔5下部的进风口相连；所述的水泵3与填料塔5下部的溶液或水相连通。
本发明的空气与溶液或水之间的热质交换系统，另一种结构如图7所示，包括：外置式能量输入装置8、热质交换器4、水泵3和第二换热器2，所述的热质交换器4内自上而下依次设有风机7、淋水喷头6和填料塔5；所述的外置式能量输入装置8与热质交换器4内的淋水喷头6相连；所述的第二换热器2上设有溶液或水入口、溶液或水出口、空气进口以及空气出口，第二换热器2上的溶液或水入口与所述的水泵3的出口相连，第二换热器2的溶液或水出口与外置式能量输入装置8相连，第二换热器2的空气出口与填料塔5下部的进风口相连；所述的水泵3的进口与填料塔5下部的溶液或水相连通。图7所示的热质交换系统，适用于：（1）空气温度低于溶液/水入口温度，空气入口温度和含湿量所对应的溶液浓度高于溶液入口浓度，有蓄热需求或加湿空气需求，以及提供低温冷源的场合；（2）空气温度高于溶液入口温度，空气入口温度和含湿量所对应的溶液浓度低于溶液入口浓度，有除湿空气需求，以及提供高温热源的场合。
本发明的空气与溶液或水之间的热质交换系统，还有一种结构如图8所示，包括：内置式能量输入装置9、热质交换器4、水泵3和第二换热器2，所述的热质交换器4内自上而下依次设有风机7、淋水喷头6和填料塔5；所述的内置式能量输入装置9置于热质交换器4的填料塔5内；所述的第二换热器2上设有溶液或水入口、溶液或水出口、空气进口以及空气出口，第二换热器2上的溶液或水入口与所述的水泵3的出口相连，第二换热器的溶液或水出口与淋水喷头6相连，第二换热器2的空气出口与填料塔5下部的进风口相连；所述的水泵3的进口与填料塔5下部的溶液或水相连通。如图8所示的热质交换系统适用场合和主要功能与图7中的实施例完全相同，并且内置式能量输入装置9能够进一步增强溶液和湿空气在热质交换器4中的传热传质性能。
本发明提出的空气与溶液或水之间的热质交换系统，是实现制取最高溶液浓度，或最大空气加湿量的最简单系统，适用于无外部热源，空气温度高于入口溶液/水温度，空气含湿量低于入口溶液/水表面饱和湿空气含湿量，且只需制取高浓度溶液或加湿空气的场合。同时，该系统也是获得最大空气除湿量的最简单系统，适用于无外部冷源，空气温度低于溶液/水入口温度，空气含湿量高于入口溶液/水表面饱和湿空气含湿量，且需要尽可能除湿空气的场合。此外，该系统还可以用于空气入口含湿量低于溶液表面饱和湿空气含湿量，空气入口温度和含湿量所对应的溶液浓度低于溶液入口浓度时，需要对空气进行除湿的场合；以及空气入口含湿量高于溶液表面饱和湿空气含湿量，空气入口温度和含湿量所对应的溶液浓度高于溶液入口浓度时，需要对空气进行加湿的场合。
本发明提出的空气与溶液或水之间的热质交换系统的工作原理是：在入口处，当空气温度高于溶液温度，空气含湿量低于溶液表面饱和湿空气含湿量时，溶液通过第一换热器1与空气换热之后，将尽可能达到空气的入口温度。同时，空气在风机7的作用下与淋水喷头6中喷淋下来的溶液接触后进行传热传质，即在水蒸气分压力差的作用下，溶液中的水分不断蒸发进入空气来加湿空气，同时溶液自身的浓度也将提高，并被水泵3抽出后存储备用，或循环使用。该原理同样适用于空气与水系统，用来达到加湿空气的目的。此外，当空气入口温度低于溶液入口温度，空气含湿量高于溶液表面饱和湿空气含湿量时，经过第一换热器1，溶液将尽可能降至湿空气入口温度，并在热质交换器4中除湿空气。
以下是本发明的如图1所示的热质交换系统的实施例。
如图2所示的实施例中，热质交换系统还包括外置式能量输入装置8，该外置式能量输入装置8置于第一换热器1的溶液或水出口与热质交换器4的淋水喷头6相连通的管路上。该外置式能量输入装置8与本发明热质交换系统外部的热源或冷源相连。图2所示的热质交换系统，适用于以下四种场合：（1）空气温度高于溶液温度，空气含湿量低于溶液表面饱和湿空气含湿量，有蓄热需求，以及提供高浓度溶液或加湿空气需求的场合；（2）空气温度低于溶液温度，空气含湿量高于溶液表面饱和湿空气含湿量，需要尽可能除湿空气的场合；（3）空气含湿量低于溶液表面饱和湿空气含湿量，空气入口温度和含湿量所对应的溶液浓度低于溶液入口浓度，有除湿空气需求的场合，其中外置式能量输入装置8输入的冷量可以提供额外的除湿势差；（4）空气入口含湿量高于溶液/水表面饱和湿空气含湿量，空气入口温度和含湿量所对应的溶液浓度高于溶液入口浓度，有加湿空气需求的场合，其中外置式能量输入装置8输入的热量可以提供额外的加湿势差。
如图3所示的实施例中，热质交换系统还包括内置式能量输入装置9，该内置式能量输入装置置于热质交换器的填料塔内。该内置式能量输入装置9与本发明热质交换系统外部的热源或冷源相连。图3所示的热质交换系统，适用场合和主要功能与图2中热质交换系统完全相同。
如图4所示的实施例中，热质交换系统还包括第二换热器2，所述的第二换热器2的溶液或水进口与水泵3出口相连，第二换热器2的溶液或水出口与第一换热器1的溶液或水进口相连，第二换热器2的进风口与第一换热器的出风口相连，第二换热器2的出风口与热质交换器4的下部相连。图4所示的热质交换系统适用于：（1）当空气温度高于溶液/水温度，空气含湿量低于溶液/水表面饱和湿空气含湿量，无外部热源，且需要提供高浓度溶液，以及低温冷源，或加湿空气的场合；（2）当空气温度低于溶液温度，空气含湿量高于溶液表面饱和湿空气含湿量，无外部冷源，且需要尽可能除湿空气，以及提供高温热源的场合。
如图5所示的实施例中，热质交换系统还包括第二换热器2和外置式能量输入装置8，所述的第二换热器2的溶液或水进口与水泵3出口相连，第二换热器2的溶液或水出口与第一换热器1的溶液或水进口相连，第二换热器2的进风口与第一换热器的出风口相连，第二换热器2的出风口与热质交换器4的下部相连；所述的外置式能量输入装置置于第一换热器1的溶液或水出口与热质交换器4的淋水喷头6相连通的管路上。图5所示的系统可用于以下两种场合：（1）入口处，空气温度高于溶液/水温度，空气含湿量低于溶液/水表面饱和湿空气含湿量；（2）入口处，空气温度低于溶液温度，空气含湿量高于溶液表面饱和湿空气含湿量。对于应用场合（1），该系统主要实现三个功能：1、获得低温冷源，热质交换器4出口处可以获得低至空气露点温度的水，或表面饱和水蒸气含湿量和浓度与空气入口含湿量和溶液入口浓度分别相等的溶液，作为低温冷源提供给用户；2、蓄热功能，溶液出口可以获得高浓度溶液，可以将湿空气的显热、潜热以及外置式能量输入装置8输入的热量通过高浓度，高温溶液储存起来；3、加湿空气，在热质交换器4中，溶液/水将水分传递给空气，实现了加湿空气的功能，并且外置式能量输入装置8使得进入热质交换器4中水/溶液的表面饱和湿空气含湿量增大，可以进一步增加空气的加湿量。对于应用场合（2），该系统主要实现两个功能：1、获得热源，热质交换器4出口可以获得表面饱和水蒸气含湿量和浓度与空气入口含湿量和溶液入口浓度分别相等的溶液，可以作为高温热源供给用户；2、除湿功能，在热质交换器4中，溶液吸收空气中的水分，实现了除湿空气的目的，并且外置式能量输入装置8使得进入热质交换器4中的溶液的表面饱和湿空气的含湿量减小，可以进一步增加空气的除湿量。
如图6所示的实施例中，热质交换系统还包括第二换热器2和内置式能量输入装置9，所述的第二换热器2的溶液或水进口与水泵3出口相连，第二换热器2的溶液或水出口与第一换热器1的溶液或水进口相连，第二换热器2的进风口与第一换热器的出风口相连，第二换热器2的出风口与热质交换器4的下部相连；所述的内置式能量输入装置9置于热质交换器4的填料塔5内。该内置式能量输入装置9与本发明热质交换系统外部的热源或冷源相连。图6所示的热质交换系统适用场合和主要功能与图5中的实施例完全相同。
本发明的热质交换系统中，能量输入装置可以是内置式或外置式，能源来源可以选择工业余热或是余冷，太阳能等等。
本发明空气与溶液或水热质交换系统中，所用的第一换热器和第二换热器，可以是逆流管式/板式换热器，如：德国克林根堡有限公司生产的GS型逆流板式换热器，也可以是逆流管式/板式换热器，北京奇瑞特热能设备有限责任公司生产的板式换热器。所用的热质交换器包括风机、淋水喷头和填料芯或喷淋塔芯，其中，风机可以选择大丰苏强机电工具厂的离心式抽风机，淋水喷头可以采用余姚金达喷雾器厂生产的塑料喷头，填料塔中的填料芯可以选择河北华强科技开发有限公司生产的冷却塔用PVC填料。
Claims (8)
1.一种空气与溶液或水之间的热质交换系统，其特征在于该热质交换系统包括：第一换热器、热质交换器和水泵，所述的热质交换器内自上而下依次设有风机、淋水喷头和填料塔；所述的第一换热器上设有溶液或水入口、溶液或水出口、空气进口以及空气出口，第一换热器的溶液或水出口与淋水喷头相连，第一换热器的空气出口与填料塔下部的进风口相连；所述的水泵与填料塔下部的溶液或水相连通。
2.如权利要求1所述的热质交换系统，其特征在于还包括外置式能量输入装置，该外置式能量输入装置置于第一换热器的溶液或水出口与热质交换器的淋水喷头相连通的管路上。
3.如权利要求1所述的热质交换系统，其特征在于还包括内置式能量输入装置，该内置式能量输入装置置于热质交换器的填料塔内。
4.如权利要求1所述的热质交换系统，其特征在于还包括第二换热器，所述的第二换热器的进水口与水泵出口相连，第二换热器的出水口与第一换热器的溶液或水进口相连，第二换热器的进风口与第一换热器的出风口相连，第二换热器的出风口与热质交换器的下部相连。
5.如权利要求4所述的热质交换系统，其特征在于还包括外置式能量输入装置，该外置式能量输入装置置于第一换热器的溶液或水出口与热质交换器的淋水喷头相连通的管路上。
6.如权利要求4所述的热质交换系统，其特征在于还包括内置式能量输入装置，该内置式能量输入装置置于热质交换器的填料塔内。
7.一种空气与溶液或水之间的热质交换系统，其特征在于该热质交换系统包括：外置式能量输入装置、热质交换器、水泵和第二换热器，所述的热质交换器内自上而下依次设有风机、淋水喷头和填料塔；所述的外置式能量输入装置与热质交换器的淋水喷头相连；所述的第二换热器上设有溶液或水入口、溶液或水出口、空气进口以及空气出口，第二换热器上的溶液或水入口与所述的水泵的出口相连，第二换热器的溶液或水出口与外置式能量输入装置的溶液或水入口相连，第二换热器的空气出口与填料塔下部的进风口相连；所述的水泵的进口与填料塔下部的溶液或水相连通。
8.一种空气与溶液或水之间的热质交换系统，其特征在于该热质交换系统包括：内置式能量输入装置、热质交换器、水泵和第二换热器，所述的热质交换器内自上而下依次设有风机、淋水喷头和填料塔；所述的内置式能量输入装置置于热质交换器的填料塔内；所述的第二换热器上设有溶液或水入口、溶液或水出口、空气进口以及空气出口，第二换热器上的溶液或水入口与所述的水泵的出口相连，第二换热器的溶液或水出口与淋水喷头相连，第二换热器的空气出口与填料塔下部的进风口相连；所述的水泵的进口与填料塔下部的溶液或水相连通。
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