CN103807932A - 一种正渗透溶液除湿再生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种正渗透溶液除湿再生装置，包括工作子系统和再生子系统；工作子系统包括通过溶液除湿器的稀除湿溶液出口、除湿溶液循环泵、第一调节阀以及溶液除湿器的浓除湿溶液进口依次连接后形成的循环回路；再生子系统包括通过正渗透装置相互耦合的除湿溶液循环回路和汲取溶液循环回路；除湿溶液循环回路包括依次串联的除湿溶液增压泵、过滤器、正渗透装置和第二调节阀；除湿溶液增压泵与除湿溶液循环泵的出口相连接；第二调节阀与第一调节阀的出口相连接；汲取溶液循环回路包括依次串联的第三调节阀、汲取溶液换热器的低温溶液管道、发生器、汲取溶液换热器的高温溶液管道、汲取溶液循环泵以及冷却器；第三调节阀和冷却器分别与正渗透装置相互连接。

Description

一种正渗透溶液除湿再生装置
技术领域
本发明涉及空调制冷领域，具体是一种正渗透溶液除湿再生装置。
背景技术
在夏季工况下，对空气进行降温、减湿处理是空调系统的主要任务，这一过程通常由表冷器来完成。在实际应用过程中，要实现表冷器露点除湿则需要将表冷器表面温度控制在较低水平，这很容易导致空气过冷而需要再热，从而造成较大的冷热抵消，另外除湿时所需要的较低冷水温度也在一定程度上降低了制冷机的cop。正因为如此，最近几年，温湿度独立控制越来越得到重视和应用，其指导思想是利用溶液除湿技术对新风进行除湿，并用除湿后的新风承担全部室内负荷，另外利用高温冷水（18℃）解决室内送风空气的降温，这样就克服了表冷器中热、湿处理耦合的问题，具有较大的节能效益。
目前，所采用的溶液除湿装置基本上都可归类为非沸腾式再生类型（如申请号200610012259.3和201020541934.3）。其原理是通过加热升温使除湿后的稀溶液表面的水蒸汽分压力大于环境空气的水蒸汽分压力，并使稀溶液与环境空气进行直接接触（如申请号201020541934.3）或间接接触（申请号200810236452.4），在水蒸汽分压力差的推动作用下，稀溶液中的水分将扩散到环境空气中，从而实现对稀溶液的浓缩再生。非沸腾式再生的溶液除湿装置存在的问题主要表现为两方面：一是再生时传质能力较差，为了保证一定的分离量就必须加大传质势差；二是再生时尽管对环境空气进行了回热，但仍然需要对环境空气进行加热。以上两方面问题都会造成耗热量的大大增加，系统的除湿效率较低。
相比之下，比较节能再生方式为沸腾式再生，一般需要在真空条件下操作。申请号为201210376692.0的专利提出了一种沸腾再生式溶液除湿装置，但其存在的问题是溶液除湿系统的除湿器为开式，与空气直接接触，因此除湿后的稀溶液中含有大量的不凝性气体，在真空下进行沸腾再生时，不凝性气体会从稀溶液中逸出，被夹带在水蒸气中进入冷凝器，大大降低冷凝器的冷凝换热效果，若采用真空泵对不凝性气体进行排空，则又会增加额外功耗，降低系统性能。申请号为200810236452.4的专利采用了膜蒸馏的溶液再生措施，利用膜对水蒸汽的选择性，可以起到对不凝性气体的有效隔绝作用，但是该方法仍具有膜蒸馏的局限性，即膜的通量较小，在70℃及2000pa水蒸气压差下也只有2L/m2.h左右，申请号为201010291776.5的专利在40℃条件下进行膜蒸馏再生，只获得了不到0.2L/m2.h的通量，可见采用膜蒸馏再生的通量都大大低于以渗透压差驱动的正渗透膜的15～20L/m2.h的常规通量。
为此，为了利用较为节能的沸腾式再生方式，既需要解决不凝气问题也要保证高效的传质分离特性，才能保证系统具备较好的技术经济价值。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单的正渗透溶液除湿再生装置。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种正渗透溶液除湿再生装置，包括工作子系统和再生子系统；所述工作子系统包括通过溶液除湿器的稀除湿溶液出口、除湿溶液循环泵、第一调节阀以及溶液除湿器的浓除湿溶液进口依次连接后形成的循环回路；所述再生子系统包括通过正渗透装置相互耦合的除湿溶液循环回路和汲取溶液循环回路；所述除湿溶液循环回路包括依次串联的除湿溶液增压泵、过滤器、正渗透装置和第二调节阀；所述除湿溶液增压泵与除湿溶液循环泵的出口相连接；所述第二调节阀与第一调节阀的出口相连接；所述汲取溶液循环回路包括依次串联的第三调节阀、汲取溶液换热器的低温溶液管道、发生器、汲取溶液换热器的高温溶液管道、汲取溶液循环泵以及冷却器；所述第三调节阀和冷却器分别与正渗透装置相互连接。
作为对本发明所述的正渗透溶液除湿再生装置的进一步改进：所述过滤器与正渗透装置的稀除湿溶液进口相连接，所述正渗透装置的浓除湿溶液出口与第二调节阀相连接；所述正渗透装置的稀汲取溶液出口与第三调节阀相连接，所述正渗透装置的浓汲取溶液进口与冷却器相连接。
作为对本发明所述的正渗透溶液除湿再生装置的进一步改进：所述发生器的浓汲取溶液出口与汲取溶液换热器的高温溶液管道相连接；所述发生器的稀汲取溶液进口与汲取溶液换热器的低温溶液管道相连接；所述发生器的蒸汽出口依次设置冷凝器、冷凝水箱以及冷凝水泵。
作为对本发明所述的正渗透溶液除湿再生装置的进一步改进：所述正渗透装置内设置有半透膜；所述正渗透装置的稀除湿溶液进口和正渗透装置的浓除湿溶液出口之间的空腔与正渗透装置的稀汲取溶液出口和正渗透装置的浓汲取溶液进口之间的空腔通过半透膜相互隔离。
作为对本发明所述的正渗透溶液除湿再生装置的进一步改进：所述工作子系统和除湿溶液循环回路中所使用的除湿溶液以及汲取溶液循环回路中使用的汲取溶液均为有机物水溶液或无机物水溶液；所述汲取溶液的平均渗透压高于除湿溶液的平均渗透压。
作为对本发明所述的正渗透溶液除湿再生装置的进一步改进：所述除湿溶液和汲取溶液为同为有机物水溶液或同为无机物水溶液。
与现有溶液除湿系统相比，本发明具有以下优点：
1）相比直接沸腾式再生方式，避免了不凝气体问题。本发明采用半透膜（正渗透膜）将稀除湿溶液与汲取溶液隔开，利用汲取溶液的高渗透压吸收稀除湿溶液中的多余水分，然后再对汲取溶液在真空下进行沸腾再生，汲取溶液为闭式循环，不与空气直接接触。
2）相比膜蒸馏的沸腾式再生方式，具有更高效的传质分离特性，对低品位热源的适用范围更广。本发明中稀溶液中的多余水分是在渗透压差的驱动下通过半透膜，具有远高于膜蒸馏的通量，汲取溶液的沸腾再生环节也具有非常高的传质特性，因此本发明可以用更低温度的热源进行驱动。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1是本发明的正渗透溶液除湿再生装置的主要结构示意图。
具体实施方式
实施实例1、图1给出了一种正渗透溶液除湿再生装置；包括工作子系统和再生子系统。
工作子系统由溶液除湿器1、除湿溶液循环泵2和第一调节阀7组成，即溶液除湿器1的稀除湿溶液出口、除湿溶液循环泵2、第一调节阀7以及溶液除湿器1的浓除湿溶液进口依次连接后形成循环回路。
再生子系统由通过正渗透装置5相互耦合的除湿溶液循环回路和汲取溶液循环回路组成。除湿溶液循环回路包括依次串联的除湿溶液增压泵3、过滤器4、正渗透装置5和第二调节阀6；除湿溶液增压泵3还与除湿溶液循环泵2的出口相连接；所述第二调节阀6还与第一调节阀7的出口相连接；过滤器4与正渗透装置5的稀除湿溶液进口相连接，正渗透装置5的浓除湿溶液出口与第二调节阀6相连接。汲取溶液循环回路包括依次串联的第三调节阀9、汲取溶液换热器10的低温溶液管道、发生器12、汲取溶液换热器10的高温溶液管道、汲取溶液循环泵11以及冷却器8；正渗透装置5的稀汲取溶液出口与第三调节阀9相连接，正渗透装置5的浓汲取溶液进口与冷却器8相连接；发生器12的浓汲取溶液出口与汲取溶液换热器10的高温溶液管道相连接，发生器12的稀汲取溶液进口与汲取溶液换热器10的低温溶液管道相连接，发生器12的蒸汽出口依次设置冷凝器13、冷凝水箱14以及冷凝水泵15，分别通过冷凝器13、冷凝水箱14以及冷凝水泵15排出水分。
以上所述的正渗透装置5内设置有半透膜；正渗透装置5的稀除湿溶液进口和正渗透装置5的浓除湿溶液出口之间的空腔与正渗透装置5的稀汲取溶液出口和正渗透装置5的浓汲取溶液进口之间的空腔通过半透膜相互隔离。该半透膜可以在膜两侧渗透压差的作用下选择性地通过水分，并对除湿溶液和汲取溶液中的其余组分有很高的截留作用。
以上所述的工作子系统和除湿溶液循环回路中所使用的除湿溶液以及汲取溶液循环回路中使用的汲取溶液均可以选有机物水溶液（如乙二醇溶液）或无机物水溶液（如氯化钙溶液，溴化锂溶液，氯化锂溶液），且宜采用同一种溶液；汲取溶液的平均渗透压高于除湿溶液的平均渗透压10Mpa左右。
发生器12的热源宜采用60℃～70℃范围内低品位热源，如太阳能、废热源等，也可利用热泵系统作为热源。冷却器8和冷凝器13采用外部冷却水冷却。
实际使用的时候，步骤如下：
系统分为间隙运行和连续运行两种模式，当间隙运行时，工作子系统始终保持打开，再生子系统只在需要再生时才打开。连续运行模式时，工作子系统和再生子系统都同时打开。
一、间隙运行模式：
1、当溶液除湿器1的稀除湿溶液出口流出的稀除湿溶液（除湿溶液即以上所述的除湿溶液；此处即稀除湿溶液）浓度在设定上限和下限之间时，系统处于工作模式，第一调节阀7打开，第二调节阀6完全关闭，即工作子系统运行，再生子系统关闭。
此时稀除湿溶液通过除湿溶液循环泵2经第一调节阀7后，又流回溶液除湿器1的浓除湿溶液进口，与空气进行热质交换，将空气除湿。
经过反复不断循环，稀除湿溶液的浓度将不断变小。
2、当溶液除湿器1的稀除湿溶液出口流出的稀除湿溶液浓度低于设定下限时，系统处于工作再生模式，第一调节阀7和第二调节阀6打开，即工作子系统和再生子系统都同时开启。
2.1、稀除湿溶液在除湿溶液循环泵2后分为两路：
2.1.1、第一路（稀除湿溶液Ⅰ）直接通过第一调节阀7被旁通；
2.1.2、第二路（稀除湿溶液Ⅱ）通过除湿溶液增压泵3后，压强变大（压强变大以克服通过正渗透装置5时的流动阻力），再通过过滤器4过滤后达到正渗透装置5要求的进口水质，然后通过正渗透装置5的稀除湿溶液进口进入正渗透装置5；
在溶液渗透压的作用下，稀除湿溶液Ⅱ中的水分通过半透膜进入另一侧的汲取溶液，稀除湿溶液Ⅱ浓度变大（成为浓除湿溶液），再从正渗透装置5的浓除湿度溶液出口流出，经过第二调节阀6降至常压后再与从第一调节阀7流出的稀除湿溶液Ⅰ混合，使得混合后的溶液浓度比溶液除湿器1的稀除湿溶液出口流出的稀除湿溶液（步骤2.1的稀除湿溶液）浓度更大。
2.2、混合后的除湿溶液（步骤2.1.2）从溶液除湿器1的浓除湿溶液进口流入溶液除湿器1，与空气进行热质交换，将空气除湿。
2.3、浓汲取溶液从正渗透装置5的汲取溶液进口进入后，在溶液渗透压的作用下，吸收稀除湿溶液Ⅱ中的水分（步骤2.1.2），浓汲取溶液浓度变小，成为稀汲取溶液，再从正渗透装置5的稀汲取溶液出口流出，经过第三调节阀9降压到发生器12压力，再经过汲取溶液换热器10的低温液体管道，吸收从高温液体管道中浓汲取溶液释放的热量后，温度升高，再流入发生器12，在发生器12内吸收外部低品位热源提供的热量后，溶液沸腾并产生水蒸汽，同时稀汲取溶液的浓度变大，成为浓汲取溶液；产生的水蒸汽和浓汲取溶液分别从发生器12的气蒸汽出口和汲取溶液出口流出。
2.4、从发生器12的蒸汽出口流出的水蒸汽流入冷凝器13的冷凝管道，被外部冷却水冷却，放出汽化潜热，变成冷凝水，然后进入冷凝水箱14，最后从冷凝水箱14出水口流出，再通过冷凝水泵15加压到常压排出。
2.5、从发生器12的浓汲取溶液出口流出的浓汲取溶液进入汲取溶液换热器10的高温液体管道，向低温液体管道中的稀汲取溶液放热后（步骤2.3），温度降低，再被汲取溶液循环泵11加压后进入冷却器8的冷却管道，被外部冷却水冷却到常温后，再从正渗透装置5的浓汲取溶液进口进入正渗透装置5（循环到步骤2.3）。
2.6、在工作再生模式下，从再生子系统排出的水量大于溶液除湿器1从空气中所吸收的水量（因为这样才能使得溶液除湿器1中流出的稀除湿溶液被不断浓缩），经过不断反复循环，从溶液除湿器1稀溶液出口流出的稀溶液浓度将不断变浓。
3、当溶液除湿器1的稀除湿溶液出口流出的稀除湿溶液浓度高于设定上限时，系统重新回到工作模式，工作子系统运行，再生子系统关闭。
二、连续运行模式：
连续运行模式的具体步骤与间隙运行模式下的步骤2.1～2.5相同，但溶液除湿器1从空气中所吸收的水量等于再生子系统排出的水量，系统在稳态下运行。
实施实例1的计算参数见表1（针对溶液除湿器1从空气中吸收的1kg水蒸汽），系统处于连续运行模式，设计条件为：环境温度30℃，冷却水温度30℃，环境空气相对湿度80%，除湿后空气的湿度为40%。除湿溶液和汲取溶液都采用溴化锂溶液，除湿溶液的循环倍率为120，旁通管路循环倍率为111.4，进入正渗透装置5的稀除湿溶液的循环倍率为9.6，流出正渗透装置5的浓除湿溶液的循环倍率为8.6，流进/流出正渗透装置5的除湿溶液的浓度为50%/55.81%。稀汲取溶液的循环倍率为9.7，浓汲取溶液的循环倍率为8.7，流进/流出正渗透装置5的汲取溶液的浓度为56.3%/50.5%，正渗透的平均渗透压差为7.46Mpa，发生器12压力为5582.4pa，发生器12最高/最低溶液温度为71.5℃/60.2℃。所需热源温度为76.5℃，总耗热量为2588kJ/kg，总耗热火用为344.4kJ/kg，总泵功耗（是指汲取溶液循环泵11、冷凝水泵15、除湿溶液增压泵3和除湿溶液循环泵2的功耗）为29.68kJ/kg，其中再生子系统泵功耗（是指汲取溶液循环泵11、冷凝水泵15、除湿溶液增压泵3的功耗）为11.68kJ/kg，除湿所需最小（火用），即exergy为97.03kJ/kg，则再生环节（火用）效为27.25%（再生环节（火用）效定义为除湿所需最小（火用）与总耗热（火用）及再生子系统泵功耗的比值）。当采用非沸腾式再生时，若设溶液循环倍率为120，风水比为1.5，
回热器效率为70%，则总耗热量约为7386kJ/kg,是本发明的2.85倍。当采用膜蒸馏再生时，要产生2L/m2.h左右的通量，需要2000pa左右的水蒸汽分压差作为推动力，而本发明中正渗透时所对应水蒸汽分压差只有40pa左右，即可产生高达20L/m2.h的通量。
由此可见，本发明与现有技术相比，避免了不凝气问题，再生效率高，具有更好的技术经济价值，有效实现了本发明的初衷。
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（针对1kg冷凝器出口液体工质R134a）
Figure BDA0000466719260000061
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.正渗透溶液除湿再生装置，包括工作子系统和再生子系统；所述工作子系统包括通过溶液除湿器（1）的稀除湿溶液出口、除湿溶液循环泵（2）、第一调节阀（7）以及溶液除湿器（1）的浓除湿溶液进口依次连接后形成的循环回路；其特征是：所述再生子系统包括通过正渗透装置（5）相互耦合的除湿溶液循环回路和汲取溶液循环回路；
所述除湿溶液循环回路包括依次串联的除湿溶液增压泵（3）、过滤器（4）、正渗透装置（5）和第二调节阀（6）；所述除湿溶液增压泵（3）与除湿溶液循环泵（2）的出口相连接；所述第二调节阀（6）与第一调节阀（7）的出口相连接；
所述汲取溶液循环回路包括依次串联的第三调节阀（9）、汲取溶液换热器（10）的低温溶液管道、发生器（12）、汲取溶液换热器（10）的高温溶液管道、汲取溶液循环泵（11）以及冷却器（8）；
所述第三调节阀（9）和冷却器（8）分别与正渗透装置（5）相互连接。
2.根据权利要求1所述的正渗透溶液除湿再生装置，其特征是：所述过滤器（4）与正渗透装置（5）的稀除湿溶液进口相连接，所述正渗透装置（5）的浓除湿溶液出口与第二调节阀（6）相连接；
所述正渗透装置（5）的稀汲取溶液出口与第三调节阀（9）相连接，所述正渗透装置（5）的浓汲取溶液进口与冷却器（8）相连接。
3.根据权利要求2所述的正渗透溶液除湿再生装置，其特征是：所述发生器（12）的浓汲取溶液出口与汲取溶液换热器（10）的高温溶液管道相连接；
所述发生器（12）的稀汲取溶液进口与汲取溶液换热器（10）的低温溶液管道相连接；
所述发生器（12）的蒸汽出口依次设置冷凝器（13）、冷凝水箱（14）以及冷凝水泵（15）。
4.根据权利要求3所述的正渗透溶液除湿再生装置，其特征是：所述正渗透装置（5）内设置有半透膜；
所述正渗透装置（5）的稀除湿溶液进口和正渗透装置（5）的浓除湿溶液出口之间的空腔与正渗透装置（5）的稀汲取溶液出口和正渗透装置（5）的浓汲取溶液进口之间的空腔通过半透膜相互隔离。
5.根据权利要求4所述的正渗透溶液除湿再生装置，其特征是：所述工作子系统和除湿溶液循环回路中所使用的除湿溶液以及汲取溶液循环回路中使用的汲取溶液均为有机物水溶液或无机物水溶液；
所述汲取溶液的平均渗透压高于除湿溶液的平均渗透压。
6.根据权利要求5所述的正渗透溶液除湿再生装置，其特征是：所述除湿溶液和汲取溶液为同为有机物水溶液或同为无机物水溶液。
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