CN104976816B - 一种常压式吸收器以及吸收式热泵系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种常压吸收器和采用该常压吸收器的吸收式热泵系统，该吸收器包括膜组件，所述膜组件包括对稀释液蒸汽具有选择透过性的膜材，所述稀释液流动于膜材的一侧，所述热媒流动于所述膜材另一侧，所述膜材包括有气隙，且在所述膜材一侧的热媒的平衡蒸汽压小于另一侧的稀释液的表面的蒸气压，因此，在吸收器中，在稀释液和热媒同时流经吸收器时，稀释液的蒸汽和热量透过膜材传递至热媒中，热媒被稀释并升温，与现有技术相比，吸收器能够在常压下工作，并且稀释液不需要被汽化后再输入吸收器中，系统的结构大幅简化，而且减少了稀释液的汽化、液化过程，系统的能耗大幅降低，能效得到有效提高。

Description

一种常压式吸收器以及吸收式热泵系统

技术领域

本申请涉及吸收式热泵技术领域，特别是涉及一种常压式吸收器以及吸收式热泵系统。

背景技术

日常生活和工业生产过程中,大量场所需要通过一定的方法获取热流体或将环境温度升高,常见的方法是通过燃烧化石燃料获取高温热能或直接采用电能驱动制冷或制热机组来获取热量。直接使用电能会消耗高品位能源，而燃烧化石燃料则是消耗地球上宝贵的不可再生能源,同时化石燃料燃烧后排出的烟气也将对环境造成一定程度的破坏。因此,很多学者致力于研究开发利用可再生能源或低温工业废热直接驱动的制热系统,从而减少不可再生能源或高品位能源的消耗,实现节能和环保的目的。常见的方式主要有喷射式、吸附式、吸收式等。然而这些方式都存在一定的缺点,例如喷射式以水作为循环工质时,易造成发生器温度过高，而采用有机物作为工质在有效降低发生温度的同时亦降低了循环效率；而吸附式则存在循环效率低、发生器温度高、设备占地面积大等缺点。因此，目前国内外相对成熟,并进行工业化示范运行的制热方案就是采用吸收式循环。

吸收式热泵作为热源机械,以溶液（热媒）和制冷剂（稀释液）为工作介质，并由热能驱动，通过循环实现将热能从一个热源输送到另一个热源的目的，是一种能有效利用可再生能源和低品位热能的装置，具有节能和环保的优点。吸收式热泵可将余热的温度提高到满足用户需求的水平，而其运转所需要的热能可由太阳能或地热能以及工业废水和废气余热等廉价能源提供。

常见吸收式热泵的主要构件包括作为制冷剂液体蒸发场所的蒸发器、作为溶液吸收制冷剂蒸气场所的吸收器、作为制冷剂从溶液脱离场所的发生器、作为制冷剂蒸汽凝结场所的冷凝器。在系统运转时，吸收式热泵的发生器利用热能加热溶液以使溶液浓度提高，吸收器中利用浓溶液吸收来自蒸发器的制冷剂蒸汽而生成吸收热来使得溶液温度升高，并以此来加热对象介质。

在传统的吸收式热泵中，制冷剂和溶液都是直接接触的，如公告号CN104236160A中国发明专利申请公开说明书提到了一种结合冷却装置与吸收式热泵的混合系统,该混合系统由一吸收式热泵以及一压缩式冷却装置构成。在该发明中，吸收式热泵的吸收器连接在第一蒸发器与发生器之间,吸收剂与蒸发后的冷媒分别从发生器与第一蒸发器被传送至吸收器,直接相混合后排出。由于制冷剂和溶液需要直接接触，因此需要进行真空或者高压处理，而且会造成二次能源浪费，能源效率低，而且制冷剂需要专门配备蒸发器和冷凝器，系统结构复杂、成本高。

发明内容

本申请的目的设计一种常压吸收式热泵系统，使该系统具有结构紧凑而简单、能耗低、成本低及环保的优点。

发明思路：本发明借鉴到膜蒸馏技术，膜蒸馏技术是利用高分子膜的固有特性和某些结构上的功能达到蒸馏目的的技术，是集合传统蒸馏方法与膜分离技术于一身的高效分离技术。在进行膜蒸馏循环时，不需要将膜组件内溶液加热到沸腾状态,只需要在膜两侧营造适当的温差或浓度差即可实现蒸馏,因此膜蒸馏过程的操作温度相比于传统的蒸馏要低得多，自然的，设备运转过程的压力为常压或接近常压,故设备简单、操作方便。虽然膜蒸馏技术主要是用户蒸馏（分离的过程），与热泵系统的核心过程——热媒和稀释液的混合是相反的过程，但是本申请发明人注意到，膜蒸馏的传质推动力由膜两侧的蒸汽压差产生，如果利用膜两侧的蒸汽压差产生的推动力来将稀释液蒸汽推动到热媒中，即可有效的利用高分子膜的特性，达到简化设备，提高热效的目的。

本申请的目的通过以下技术方案实现：

提供了一种常压式吸收器，所述吸收器包括膜组件，所述膜组件包括对稀释液蒸汽具有选择透过性的膜材，所述稀释液流动于膜材的一侧，所述热媒流动于所述膜材另一侧，所述膜材包括有气隙，且在所述膜材一侧的热媒的平衡蒸汽压小于另一侧的稀释液的表面的蒸气压，以使得稀释液的蒸汽和热量透过膜材传递至热媒中。

其中，所述膜组件是板式膜组件或者板翅式膜组件，所述板式膜组件或者板翅式膜组件的膜材将吸收器的内腔分割为热媒流道和稀释液流道，所述热媒流道和稀释液流道相互平行，所述热媒流向和稀释液流向相互交叉或者相逆。

其中，所述板翅式膜组件由多层相互平行的板翅式膜材叠加而成，所述板翅式膜材包括翅状突起，所述翅状突起是三角形、正弦型或矩形。

其中，所述膜组件的俯视图形状为四边形或者六边形。

其中，所述膜组件为中空纤维膜组件，所述中空纤维膜组件包括相互平行的热媒中空纤维排布层和稀释液中空纤维排布层，所述热媒中空纤维排布层排布有热媒中空纤维管，所述稀释液中空纤维排布层排布有稀释液中空纤维管，所述热媒中空纤维管中热媒的流向与稀释液中空纤维管稀释液的流向相交或者相逆。

还提供一种常压吸收式热泵系统，包括热媒循环回路和稀释液回路，所述热媒循环回路包括吸收器、第一换热器和再生器，所述热媒在吸收器中稀释升温后输出至第一换热器中加热待加热的流体，在第一换热器中被冷却后传送至再生器，在再生器中被蒸发浓缩后传送至吸收器，所述稀释液循环回路将稀释液传送至吸收器中以稀释热媒，所述吸收器是上述任意一种常压式吸收器，以使得稀释液的蒸汽和热量透过膜材传递至热媒中并对热媒进行稀释并升温。

其中，还包括第三换热器和储液槽，所述再生器的输出端输出的热媒经第三换热器后传送储液槽，所述储液槽存储热媒并给吸收供给热媒，所述稀释液回路的稀释液流经所述第三换热器以将所述热媒冷却。

其中，还包括第二换热器，所述再生器的输出端输出的热媒经第三换热器后传送至吸收器，所述第一换热器的热媒输出端输出的热媒流经第二换热器以和所述再生器的输出端输出的热媒进行热交换。

其中，还包括至少一个辅助换热器，所述再生器中浓缩热媒时产生的高温蒸汽经辅助换热器来对第一换热器流出的热媒或者待加热的流体进行加热。

有益效果：本申请提供了一种常压吸收器和采用该常压吸收器的吸收式热泵系统，该吸收器包括膜组件，所述膜组件包括对稀释液蒸汽具有选择透过性的膜材，所述稀释液流动于膜材的一侧，所述热媒流动于所述膜材另一侧，所述膜材包括有气隙，且在所述膜材一侧的热媒的平衡蒸汽压小于另一侧的稀释液的表面的蒸气压，因此，在吸收器中，在稀释液和热媒同时流经吸收器时，稀释液的蒸汽和热量透过膜材传递至热媒中，热媒被稀释并升温，与现有技术相比，吸收器能够在常压下工作，并且稀释液不需要被汽化后再输入吸收器中，系统的结构大幅简化，而且减少了稀释液的汽化、液化过程，系统的能耗大幅降低，能效得到有效提高。

附图说明

图1是依据本发明所提供的一种常压吸收式热泵系统及其应用第1种结构和流程示意图。

图2是依据本发明所提供的一种常压吸收式热泵系统及其应用第2种结构和流程示意图。

图3是依据本发明所提供的一种常压吸收式热泵系统及其应用第3种结构和流程示意图。

图4是依据本发明所提供的一种常压吸收式热泵系统及其应用第4种结构和流程示意图。

图5是图1至图4所示吸收器为板式膜组件时流道结构示意图。

图6是图1至图4所示吸收器为侧进侧出板式膜组件时流道结构示意图。

图7是图1至图4所示吸收器为六边形板式膜组件时流道结构示意图。

图8是图1至图4所示吸收器为板翅式膜组件时流道结构示意图。

图9是图1至图4所示吸收器为中空纤维膜组件时流道结构示意图。

在图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9中包括有：

1——吸收器、2——第一换热器、3——第四换热器、4——再生器、5——再生加热器、6——第二换热器、7——第三换热器、8——溶液储液槽、9——水泵、10——储水槽、11——溶液泵、12——第五换热器、13——板式膜、14——密封材料、15——溶液出液口、16——水进口、17——溶液进液口、18——气隙、19——水出口、20——板翅式膜、21——中空纤维膜。

具体实施方式

下面结合实施例对本申请作进一步具体详细描述，但本申请的具体实施方式不限于以下介绍，对于下述实施例中未特别注明的工艺参数，可参考常规技术进行。为了便于描述，在以下实施例中，稀释液以水为例，热媒以能够吸收水的溶液为例，但是本领域技术人员应该能够明晰，具体的热媒和稀释液选择何种材料并不会影响本技术的实现，本领域技术人员可以在现有技术中选择合适的热媒和稀释液组合。

实施例1

图1所示的一种常压吸收式热泵系统，主要包括吸收器1、第一换热器2、第四换热器3、再生器4、再生加热器5、第二换热器6、第三换热器7、溶液储液槽8、水泵9、储水槽10和溶液泵11；溶液储液槽8由浓溶液管路经溶液泵11与吸收器1的溶液进液口连接，吸收器1的溶液出液口经稀溶液管路依次连接第一换热器2、第二换热器6后与再生器4的溶液进液口相连接，再生器4的溶液出液口经浓溶液管路与第二换热器6相连接，经第三换热器7后与溶液储液槽8连接以完成循环；储水槽10由水管路经水泵9后依次连接第三换热器7、吸收器1，经吸收器1后重新连接储水槽10；再生加热器5收集热量后加热需要流进再生器4进行再生的流体，被再生加热器5加热后的流体经管路连接再生器4热换后重新连接再生加热器5；再生器4再生蒸发出来的水蒸气经蒸汽管路连接第四换热器3，在第四换热器3中换热后由蒸汽出口排出；用户需要的流体在流经第一换热器2时被加热，而后经管路连接第四换热器3，在第四换热器3进一步被加热。

如图5所示，吸收器1包括板式膜组件。板式膜组件由多层相互平行的板式膜13叠加而成，板式膜设置有气隙，各层板式膜13间被密封材料14支撑并形成相互平行的流道，这些流道被交替的周围溶液流道和水流道。溶液由溶液流道的进液口17进入，由出液口15排出；水流体由水流道的进水口16进入，由出水口19排出，从而使得溶液的流向与水的流向相互垂直。当然，溶液的流向与水的流向还可以是其他方向，但是建议使两者相交或者相逆，这样才能提高交换效率。

本实施例的工作过程如下：

如图1所示，常压吸收式热泵系统工作时，吸收器1中浓度较高的吸水性溶液吸收来自于另一侧膜流道的水蒸气，浓溶液吸收水蒸气后变成温度高的稀溶液，高温的稀溶液流经第一换热器2时与用户需要加热的流体换热。

稀溶液换热后需要再生，稀溶液流进再生器4被加热后进行再生，在再生器中4，利用来自再生加热器5的热量对需要再生的稀溶液加热，使稀溶液温度升高至可再生温度从而蒸发水蒸气后变成浓溶液，稀溶液在再生器4内蒸发水蒸气而变成浓溶液。再生加热器5可以利用太阳能或地热或工业废气（废水）余热或化石燃料或电产生热量，再经过管路将热量传递到再生器4中。

再生后的溶液还具有一定温度，再生后的溶液流进第二换热器6对从第一换热器2输出的需要再生的稀溶液进行预加热，同时也令再生后的溶液进行降温。再生后的浓溶液流至第三换热器7，在第三换热器7中被水流冷却后存储至溶液储液槽8，再通过溶液泵11连接吸收器1。如果没有第二换热器6，从再生器6出来的浓溶液全部需要在第三换热器7中被冷却，增加了第三换热器7的冷负荷，增加第二换热器6，达到了预冷却的目的，从而提高整个系统的热利用效率。

储水槽10经水泵9连接第三换热器7连后与吸收器1相连，水在吸收器1的膜组件内蒸发出水蒸气，水蒸气被另一侧膜流道的溶液吸收，水经过吸收器1后回到储水槽10；再生器4中溶液再生蒸发出来的水蒸气连接第四换热器3，第四换热器3作为辅助换热器，其利用再生出来的蒸汽辅助加热用户需要加热的流体。

本实施例中，吸水性溶液为二甘醇、三甘醇、LiBr溶液、LiCl溶液、CaCl₂溶液中的一种或两种以上的混合液，其一定浓度的溶液平衡水蒸汽压比一定温度下纯水流体表面的水蒸气分压小，这些溶液作为吸水剂具有强烈的吸水性。

本实施例中，板式膜采用的是聚偏氟乙烯多孔膜，并采用表面涂覆一薄层液体硅胶、聚二甲基硅氧烷等对其改性，增加膜的疏水性。改性后的膜具有选择透过性，从而只允许水蒸气通过膜进行传递，而其它的气体和液体不能透过膜。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

（1）本发明所述热泵为常压吸收式热泵，与真空吸收式热泵或其它非常压吸收式热泵相比，本发明减少了系统的重量和简化了系统的结构，降低了系统的复杂性和设备制造成本。

（2）系统结构紧凑、可扩展性强，能够在狭小的空间使用。

实施例2

本申请的具体实施方式之二，本实施例的主要技术方案与实施例1相同，在本实施例中未解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1的区别在于：

如图2所示，用户需要加热的流体先在第四换热器3中被加热，然后再流进第一换热器2，在第一换热器2中再次被加热。

实施例3

本申请的具体实施方式之二，本实施例的主要技术方案与实施例1相同，在本实施例中未解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1的区别在于：

如图3所示，第一换热器2和第二换热器6之间增加第五换热器12，第一换热器2的溶液出口连接第五换热器12的溶液进口，第五换热器12的溶液出口连接第二换热器6的溶液进口；第四换热器3的蒸汽出口连接第五换热器12的蒸汽进口。第五换热器同样作为辅助换热器，其作用是进一步利用再生器产生的高温蒸汽，达到充分利用能源的目的。

实施例4

本申请的具体实施方式之二，本实施例的主要技术方案与实施例3相同，在本实施例中未解释的特征，采用实施例3中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1的区别在于：

如图4所示，用户需要加热的流体先在第四换热器3中被加热，然后再流进第一换热器2，在第一换热器2中再次被加热。

实施例5

本申请的具体实施方式之二，本实施例的主要技术方案与实施例1相同，在本实施例中未解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1的区别在于：

吸收器1为如图6所示的侧进侧出板式膜组件。

如图6所示，板式膜组件由多层相互平行的带气隙板式膜13叠加而成，各层板式膜13间被密封材料14支撑并形成相互平行的矩形膜流道，其中溶液流道与水流道以上下交替的方式排列。吸水性溶液由溶液流道一侧的进液口17进入，再从另一侧的出液口15排出，溶液进出膜组件的形式为侧进侧出形式；水流体由水流道的进水口16进入，由出水口19排出。吸水性溶液和水被带气隙板式膜13隔开。

实施例6

本申请的具体实施方式之二，本实施例的主要技术方案与实施例1相同，在本实施例中未解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1的区别在于：

吸收器1为如图7所示的六边形板式膜组件。

如图7所示，六边形板式膜组件由多层相互平行的带气隙六边形板式膜13叠加而成，各层板式膜13间被密封材料14支撑并形成相互平行的矩形膜流道，其中溶液流道与水流道以上下交替的方式排列。吸水性溶液由溶液流道的进液口17进入，再从出液口15排出；水流体由水流道的进水口16进入，由出水口19排出。吸水性溶液和水被带气隙六边形板式膜13隔开。

实施例7

本申请的具体实施方式之二，本实施例的主要技术方案与实施例1相同，在本实施例中未解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1的区别在于：

吸收器1为如图8所示的板翅式膜组件。

如图8所示，板翅式膜组件由多层带气隙的板翅式膜20叠加而成，板翅式膜2由多个翅状突起构成，所述翅状突起是三角形，从而使得各层板翅式膜20间被密封材料14支撑并形成多个并排的三角形流道，其中溶液流道与水流道以上下交替的方式排列。吸水性溶液由溶液流道的进液口17进入，再从出液口15排出；水流体由水流道的进水口16进入，由出水口19排出。吸水性溶液和水被带气隙板翅式膜20隔开。根据实际的设计需求，翅状突起也可以是正弦型或矩形。

实施例8

本申请的具体实施方式之二，本实施例的主要技术方案与实施例1相同，在本实施例中未解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1的区别在于：

吸收器1为如图9所示的中空纤维膜组件。

如图9所示，中空纤维膜组件由多层相互平行的带气隙中空纤维膜21交错叠加而成，其中溶液流道与水流道以上下交替的方式排列。吸水性溶液由溶液流道的中空纤维膜管内进液口17进入，再从中空纤维膜管出液口15流出；水流体由水流道的中空纤维膜管进水口16进入，由中空纤维膜管出水口19流出。吸水性溶液和水被带气隙中空纤维膜21隔开。

上面结合相关附图所描述的本申请发明优选的具体实施例仅用于说明本申请发明的技术方案及实施方式，而不是作为对本申请发明保护范围的限制，尽管参照具体实施例对本申请发明作了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，凡是依据本申请的技术方案对以上实施例所做的进行修改或者等同替换，而不脱离本申请技术方案的实质和范围,均仍属本发明技术和权利保护范畴。

Claims (9)

1.一种常压式吸收器，其特征在于：所述吸收器包括膜组件，所述膜组件包括对稀释液蒸汽具有选择透过性的膜材，所述稀释液流动于膜材的一侧，热媒流动于所述膜材另一侧，所述膜材包括有气隙，且在所述膜材一侧的热媒的平衡蒸汽压小于另一侧的稀释液的表面的蒸气压，以使得稀释液的蒸汽和热量透过膜材传递至热媒中。

2.如权利要求1所述的一种常压式吸收器，其特征在于：所述膜组件是板式膜组件或者板翅式膜组件，所述板式膜组件或者板翅式膜组件的膜材将吸收器的内腔分割为热媒流道和稀释液流道，所述热媒流道和稀释液流道相互平行，所述热媒流向和稀释液流向相互交叉或者相逆。

3.如权利要求2所述的一种常压式吸收器，其特征在于，所述板翅式膜组件由多层相互平行的板翅式膜材叠加而成，所述板翅式膜材包括翅状突起，所述翅状突起是三角形、正弦型或矩形。

4.如权利要求2所述的一种常压式吸收器，其特征在于，所述膜组件的俯视图形状为四边形或者六边形。

5.如权利要求1所述的一种常压式吸收器，其特征在于：所述膜组件为中空纤维膜组件，所述中空纤维膜组件包括相互平行的热媒中空纤维排布层和稀释液中空纤维排布层，所述热媒中空纤维排布层排布有热媒中空纤维管，所述稀释液中空纤维排布层排布有稀释液中空纤维管，所述热媒中空纤维管中热媒的流向与稀释液中空纤维管稀释液的流向相交或者相逆。

6.一种常压吸收式热泵系统，包括热媒循环回路和稀释液回路，所述热媒循环回路包括吸收器、第一换热器和再生器，所述热媒在吸收器中稀释升温后输出至第一换热器中加热待加热的流体，在第一换热器中被冷却后传送至再生器，在再生器中被蒸发浓缩后传送至吸收器，所述稀释液循环回路将稀释液传送至吸收器中以稀释热媒，其特征在于：所述吸收器是权利要求1-5中任意一项所述的常压式吸收器，以使得稀释液的蒸汽和热量透过膜材传递至热媒中并对热媒进行稀释并升温。

7.如权利要求6所述的一种常压吸收式热泵系统，其特征在于：还包括第三换热器和储液槽，所述再生器的输出端输出的热媒经第三换热器后传送储液槽，所述储液槽存储热媒并给吸收供给热媒，所述稀释液回路的稀释液流经所述第三换热器以将所述热媒冷却。

8.如权利要求6所述的一种常压吸收式热泵系统，其特征在于：还包括第二换热器，所述再生器的输出端输出的热媒经第三换热器后传送至吸收器，所述第一换热器的热媒输出端输出的热媒流经第二换热器以和所述再生器的输出端输出的热媒进行热交换。

9.如权利要求6所述的一种常压吸收式热泵系统，其特征在于，还包括至少一个辅助换热器，所述再生器中浓缩热媒时产生的高温蒸汽经辅助换热器来对第一换热器流出的热媒或者待加热的流体进行加热。