CN105258250A - 一种太阳能驱动的溶液膜蓄能及膜除湿系统及除湿方法 - Google Patents

一种太阳能驱动的溶液膜蓄能及膜除湿系统及除湿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太阳能驱动的溶液膜蓄能及膜除湿系统及除湿方法，装置包括相互连接的太阳能集热模块、溶液膜浓缩蓄能模块和溶液膜除湿模块；太阳能集热模块包括与水-盐溶液热交换器循环连接的太阳能集热器；溶液膜浓缩蓄能模块包括与水-盐溶液热交换器相连的1#中空纤维膜组件和与其相连的浓溶液储罐，浓溶液储罐分别连接水-盐溶液热交换器和溶液膜除湿模块；溶液膜除湿模块包括与浓溶液储罐相连的稀溶液储罐、2#中空纤维膜组件。本发明以太阳能为驱动热源，加热对水蒸气具有吸收性的盐溶液；采用中空纤维膜组件对除湿空气进行膜除湿，实现盐溶液的浓缩、存储和蓄能，本发明能够利用太阳能资源，实现室内湿度的调节和整个系统的节能功能。

Description

一种太阳能驱动的溶液膜蓄能及膜除湿系统及除湿方法
技术领域
本发明属于暖通空调和建筑热工技术应用领域，涉及太阳能利用，蓄能，室内湿度调节和系统节能过程，特别涉及一种太阳能驱动的溶液膜蓄能及膜除湿系统及除湿方法。
背景技术
建筑能耗是整个社会能耗环节的重要组成部分，以采暖、空气调节为代表的能耗又占建筑总能耗的50％左右，而制冷空调消耗的电力占城市总消耗电力的20-30％。因此，大力发展节能减排技术、寻求清洁可再生能源替代日渐枯竭的传统化石能源被认为是未来社会发展的唯一出路。
太阳能是一种清洁可再生能源，其热利用技术由来已久。2010年，在中国，新能源产业被列为我国七大战略产业之一，其中的太阳能热利用作为重点发展产业。到2015年，全国太阳能产业保有量要达到4亿平方米，年均增长20％，太阳能热利用要占可再生能源利用的10％。
我国太阳能辐射年总量为3.35～8.40kJ/cm2，其平均值大约为5.86kJ/cm2。我国三分之二的国土面积年日照小时数在2200小时以上，年太阳辐射总量大于每平方米5000兆焦，属于太阳能利用条件较好的地区。西藏、青海、新疆、甘肃、内蒙古、山西、陕西、河北、山东、辽宁、吉林、云南、广东、福建、海南等地区的太阳辐射能量较大，尤其是青藏高原地区太阳能资源最为丰富。从我国建筑热工设计分区图与我国太阳能分布图的对比可以看出，我国北方地区处于寒冷或严寒地区，而这些地区的太阳能资源分布多处于Ⅰ类和Ⅱ类地区，年平均日照时数普遍在3000h以上，年辐射总量高于5800MJ/m2，应用潜力巨大。
膜蒸馏技术是传统蒸馏工艺与膜分离技术相结合的一种高效分离技术，膜蒸馏利用高分子膜的疏水性和某些结构上的功能达到溶液蒸馏浓缩的目的。高分子膜将溶液隔开，利用膜两侧水蒸气的分压差实现水蒸气的跨膜传递，而溶液不能通过膜。不同于传统的蒸馏工艺，膜蒸馏过程不需要将溶液加热至沸腾状态，只要膜两侧维持适当的温差就可实现蒸馏，因此操作温度比传统的蒸馏操作低得多，可有效利用地热能、太阳能以及工业废水余热等廉价能源，可望成为一种廉价、高效的分离手段。膜蒸馏是以疏水性微孔膜两侧的蒸汽压差为传质推动力的膜分离过程，膜蒸馏过程几乎是在常压下进行，设备简单、操作方便。在非挥发性溶质水溶液的膜蒸馏过程中，只有水蒸气能透过膜孔。
膜蒸馏大致分为四类，即减压膜蒸馏或真空膜蒸馏，直接接触式膜蒸馏，间隙式膜蒸馏和气扫式膜蒸馏，其中气扫式膜蒸馏将溶液布置在膜的内侧，外侧有空气吹扫，将膜外侧扩散出来的水蒸气吹除，从而保证膜两侧的水蒸气分压差，实现溶液的浓缩功能。
以膜材料为界面，利用湿空气与溶液的水蒸气分压差，实现湿空气的除湿功能是膜材料的重要应用之一。气扫式膜蒸馏的第二种方式，即湿空气在膜外侧流动，浓盐溶液在膜内侧流动，湿空气中的水蒸气会穿过膜材料的膜孔扩散至膜内侧，被浓盐溶液吸收，达到湿空气的除湿目的。
专利《一种基于蒸气压缩与溶液吸收的膜法除湿的装置及方法》(专利申请号：201310053755.3)公开了一种提高空气压力后的膜法除湿方法，这属于压力驱动膜除湿方法。专利《基于膜的复合除湿设备》(专利申请号：200420095112.1)公开了一种采用膜交换器回收排风中的余热余湿的方法，其中的膜交换器两侧都是气体。
发明内容
本发明的目的是提供一种太阳能驱动的溶液膜蓄能及膜除湿系统及其除湿方法，利用太阳能为热源加热盐溶液，采用气扫式膜蒸馏方法实现盐溶液的浓缩和蓄能，采用在常压下湿空气流过膜表面以及膜两侧的水蒸气分压差实现溶液浓缩的分离进而进行湿空气的除湿过程，形成了太阳能驱动的溶液膜浓缩及溶液除湿。
本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。
一种太阳能驱动的溶液膜蓄能及膜除湿系统，包括相互连接的太阳能集热模块、溶液膜浓缩蓄能模块和溶液膜除湿模块；
所述太阳能集热模块包括水-盐溶液热交换器，和与其循环连接的太阳能集热器；
所述溶液膜浓缩蓄能模块包括与水-盐溶液热交换器相连的1#中空纤维膜组件，和与1#中空纤维膜组件相连的浓溶液储罐，浓溶液储罐分别通过管线连接水-盐溶液热交换器和溶液膜除湿模块；
所述溶液膜除湿模块包括与浓溶液储罐相连的稀溶液储罐，稀溶液储罐连接2#中空纤维膜组件，2#中空纤维膜组件与稀溶液储罐循环连接；稀溶液储罐与浓溶液储罐循环连接。
进一步地，所述水-盐溶液热交换器通过辅助热源与1#中空纤维膜组件相连。
进一步地，所述1#中空纤维膜组件和2#中空纤维膜组件的侧部分别设有送风机。
进一步地，所述浓溶液储罐与水-盐溶液热交换器和稀溶液储罐之间通过循环泵、截止阀相连通。
进一步地，所述浓溶液储罐和稀溶液储罐分别设置有保温层。
相应地，本发明给出了利用所述太阳能驱动的溶液膜蓄能及膜除湿系统进行除湿的方法，包括下述步骤：
1)白天太阳辐射充分条件下，启动太阳能集热模块，加热水-盐溶液热交换器，此时1#液体循环泵开启；
2)开启溶液膜浓缩蓄能模块，实现溶液的浓缩和蓄能，将太阳能的热能转化为溶液的密度势能；此时，1#截止阀打开，2#截止阀关闭，1#送风机启动，2#液体循环泵开启，将浓溶液储罐中的溶液循环流过1#中空纤维膜组件，1#送风机送出的空气将1#中空纤维膜组件的表面扩散出来的水蒸气吹除，实现溶液的浓缩；
3)开启溶液膜除湿模块，实现新风或回风的溶液膜除湿；此时，2#送风机启动，2#截止阀打开，3#液体循环泵和4#液体循环泵开启，同时冷却装置启动；
4)3#截止阀打开，5#液体循环泵开启，自此，整个装置开始了太阳能驱动的溶液膜浓缩及溶液除湿循环过程。
进一步地，如果白天不需要开启膜除湿功能，系统只进行溶液的膜浓缩蓄能过程，此时，关闭溶液膜除湿模块，2#截止阀，3#截止阀关闭，3#液体循环泵，4#液体循环泵，5#液体循环泵关闭，冷却装置关闭，将太阳能的热能转化为溶液的密度势能；
如果白天太阳能辐射状况不佳，开启辅助热源进行辅助加热以确保溶液的膜浓缩过程。
进一步地，所述盐溶液为溴化锂溶液、氯化锂溶液、或氯化钙溶液中的一种或两种以上混合溶液。
进一步地，所述1#中空纤维膜组件和2#中空纤维膜组件采用的膜材料是致密疏水性微孔膜，包括聚乙烯PE膜材料、聚丙烯PP膜材料、聚四氟乙烯PTFE膜材料或聚偏氟乙烯PVDF膜材料以及膜表面经过疏水性增强处理的膜材料。
进一步地，太阳能集热模块内的工作介质为加有防冻液的纯净水。
本发明利用太阳能作为热源，基于气扫式膜蒸馏的盐溶液浓缩和蓄能过程，为溶液膜除湿系统提供高浓度的盐溶液，最终实现空气的除湿功能。一方面有效地利用太阳能这种可再生清洁能源，实现溶液在膜组件中的浓缩和蓄能过程；另一方面，利用气扫式膜蒸馏技术，实现盐溶液在较低操作温度下的浓缩蓄能过程，提高太阳能的能源利用效率，最后，利用中空纤维膜提供的巨大比表面积，利用湿空气与盐溶液的水蒸气分压差实现湿空气的除湿过程。
附图说明
图1是本发明的结构原理图。
图中：I：太阳能集热模块；II：溶液膜浓缩蓄能模块；III：溶液膜除湿模块；1：太阳能集热器；2：水-盐溶液热交换器；3：1#液体循环泵；4：1#中空纤维膜组件；5：浓溶液储罐；6：1#截止阀；7：2#液体循环泵；8：辅助热源；9：1#送风机；10：2#截止阀；11：3#液体循环泵；12：2#送风机；13：2#中空纤维膜组件；14：稀溶液储罐；15：冷却装置；16：4#液体循环泵；17：3#截止阀；18：5#液体循环泵。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的工作原理作进一步详细说明。
参照图1，本发明太阳能驱动的溶液膜蓄能及膜除湿系统，包括相互连接的太阳能集热模块I、溶液膜浓缩蓄能模块II和溶液膜除湿模块III。
其中，太阳能集热模块I包括水-盐溶液热交换器2，和通过1#液体循环泵3与其循环连接的太阳能集热器1。太阳能集热器1的出口与水-盐溶液热交换器2的水入口连接，水-盐溶液热交换器2的水出口与1#液体循环泵3的进口连接，1#液体循环泵3的出口与太阳能集热器1的入口连接。太阳能集热模块1内的工作介质为加有防冻液的纯净水。
溶液膜浓缩蓄能模块II包括与水-盐溶液热交换器2相连的1#中空纤维膜组件4，和与1#中空纤维膜组件4相连的浓溶液储罐5，浓溶液储罐5设置有保温层，1#中空纤维膜组件4侧部设有1#送风机9。浓溶液储罐5分别通过管线连接水-盐溶液热交换器2和溶液膜除湿模块III；与水-盐溶液热交换器2连接的一路管线上连接有辅助热源8，与水-盐溶液热交换器2连接的另一路管线连接浓溶液储罐5，浓溶液储罐5通过1#截止阀6、2#液体循环泵7连接水-盐溶液热交换器2，浓溶液储罐5通过2#截止阀10、3#液体循环泵11连接溶液膜除湿模块III。
溶液膜浓缩蓄能模块II的连接方式为：水-盐溶液热交换器2的盐溶液出口与辅助热源8的进口连接，辅助热源8的出口与1#中空纤维膜组件4的入口连接，1#中空纤维膜组件4的出口与浓溶液储罐5的上面进口连接，浓溶液储罐5的左侧出口与1#截止阀6的进口连接，1#截止阀6的出口与2#液体循环泵7的入口连接，2#液体循环泵7的出口与水-盐溶液热交换器2的盐溶液入口连接。1#送风机9从1#中空纤维膜组件4的侧面进行送风。
溶液膜除湿模块III包括与3#液体循环泵11相连的稀溶液储罐14，稀溶液储罐14连接2#中空纤维膜组件13，2#中空纤维膜组件13通过6#液体循环泵16、冷却装置15连接至稀溶液储罐14，稀溶液储罐14通过3#截止阀17、7#液体循环泵18与浓溶液储罐15相连。
溶液除湿模块III的连接方式为：浓溶液储罐5的右侧出口与2#截止阀10的入口连接，2#截止阀10的出口与3#液体循环泵11的进口连接，3#液体循环泵11的出口与稀溶液储罐14的左侧溶液进口连接，稀溶液储罐14的右侧溶液出口与冷却装置15的左侧进口连接，冷却装置15的出口与6#液体循环泵16的进口连接，6#液体循环泵16的出口与2#中空纤维膜组件13的入口连接，2#中空纤维膜组件13的出口与稀溶液储罐14的顶部入口连接，稀溶液储罐14的底部出口与3#截止阀17的入口连接，3#截止阀17的出口与7#液体循环泵18的进口连接，7#液体循环泵18的出口与浓溶液储罐5的底部进口连接。送风机12从2#中空纤维膜组件13的侧面进行送风。
本发明利用太阳能驱动的溶液膜蓄能及膜除湿系统进行除湿的方法，包括下述步骤：
1)白天太阳辐射充分条件下，启动太阳能集热模块I，加热水-盐溶液热交换器2，此时1#液体循环泵3开启；
2)开启溶液膜浓缩蓄能模块II，实现溶液的浓缩和蓄能，将太阳能的热能转化为溶液的密度势能；此时，1#截止阀6打开，2#截止阀10关闭，1#送风机9启动，2#液体循环泵7开启，将浓溶液储罐5中的溶液循环流过1#中空纤维膜组件4，1#送风机9送出的空气将1#中空纤维膜组件4的表面扩散出来的水蒸气吹除，实现溶液的浓缩；
3)开启溶液膜除湿模块III，实现新风或回风的溶液膜除湿；此时，2#送风机12启动，2#截止阀10打开，3#液体循环泵11和4#液体循环泵16开启，同时冷却装置15启动；
4)3#截止阀17打开，5#液体循环泵18开启，自此，整个装置开始了太阳能驱动的溶液膜浓缩及溶液除湿循环过程。
如果白天不需要开启膜除湿功能，装置只进行溶液的膜浓缩蓄能过程，此时，关闭溶液膜除湿模块III，截止阀10，17关闭，液体循环泵11，16，18关闭，冷却装置15关闭，将太阳能的热能转化为溶液的密度势能，其他流程和上述流程相同。
如果白天太阳能辐射状况不佳，可以开启辅助热源8进行辅助加热以确保溶液的膜浓缩过程。
装置初始安装时，浓溶液储罐5和稀溶液储罐14中存储有足量的浓盐溶液，同时，浓溶液储罐5和稀溶液储罐14设置有保温措施。所述的盐溶液为溴化锂溶液、氯化锂溶液、或氯化钙溶液中的一种或两种以上混合溶液。
所述的1#中空纤维膜组件4和2#中空纤维膜组件13采用的膜材料是致密疏水性微孔膜，主要包括聚乙烯(PE)膜材料、聚丙烯(PP)膜材料、聚四氟乙烯(PTFE)膜材料或聚偏氟乙烯(PVDF)膜材料。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (10)

1.一种太阳能驱动的溶液膜蓄能及膜除湿系统，其特征在于，包括相互连接的太阳能集热模块(I)、溶液膜浓缩蓄能模块(II)和溶液膜除湿模块(III)；
所述太阳能集热模块(I)包括水-盐溶液热交换器(2)，和与其循环连接的太阳能集热器(1)；
所述溶液膜浓缩蓄能模块(II)包括与水-盐溶液热交换器(2)相连的1#中空纤维膜组件(4)，和与1#中空纤维膜组件(4)相连的浓溶液储罐(5)，浓溶液储罐(5)分别通过管线连接水-盐溶液热交换器(2)和溶液膜除湿模块(III)；
所述溶液膜除湿模块(III)包括与浓溶液储罐(5)相连的稀溶液储罐(14)，稀溶液储罐(14)连接2#中空纤维膜组件(13)，2#中空纤维膜组件(13)与稀溶液储罐(14)循环连接；稀溶液储罐(14)与浓溶液储罐(5)循环连接。
2.根据权利要求1所述的太阳能驱动的溶液膜蓄能及膜除湿系统，其特征在于，所述水-盐溶液热交换器(2)通过辅助热源(8)与1#中空纤维膜组件(4)相连。
3.根据权利要求1所述的太阳能驱动的溶液膜蓄能及膜除湿系统，其特征在于，所述1#中空纤维膜组件(4)和2#中空纤维膜组件(13)的侧部分别设有送风机。
4.根据权利要求1所述的太阳能驱动的溶液膜蓄能及膜除湿系统，其特征在于，所述浓溶液储罐(5)与水-盐溶液热交换器(2)和稀溶液储罐(14)之间通过循环泵、截止阀相连通。
5.根据权利要求1所述的太阳能驱动的溶液膜蓄能及膜除湿系统，其特征在于，所述浓溶液储罐(5)和稀溶液储罐(14)分别设置有保温层。
6.一种利用所述太阳能驱动的溶液膜蓄能及膜除湿系统进行除湿的方法，其特征在于，包括下述步骤：
1)白天太阳辐射充分条件下，启动太阳能集热模块(I)，加热水-盐溶液热交换器(2)，此时1#液体循环泵(3)开启；
2)开启溶液膜浓缩蓄能模块(II)，实现溶液的浓缩和蓄能，将太阳能的热能转化为溶液的密度势能；此时，1#截止阀(6)打开，2#截止阀(10)关闭，1#送风机(9)启动，2#液体循环泵(7)开启，将浓溶液储罐(5)中的溶液循环流过1#中空纤维膜组件(4)，1#送风机(9)送出的空气将1#中空纤维膜组件(4)的表面扩散出来的水蒸气吹除，实现溶液的浓缩；
3)开启溶液膜除湿模块(III)，实现新风或回风的溶液膜除湿；此时，2#送风机(12)启动，2#截止阀(10)打开，3#液体循环泵(11)和4#液体循环泵(16)开启，同时冷却装置(15)启动；
4)3#截止阀(17)打开，5#液体循环泵(18)开启，自此，整个装置开始了太阳能驱动的溶液膜浓缩及溶液除湿循环过程。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，如果白天不需要开启膜除湿功能，系统只进行溶液的膜浓缩蓄能过程，此时，关闭溶液膜除湿模块(III)，2#截止阀(10)，3#截止阀(17)关闭，3#液体循环泵(11)，4#液体循环泵(16)，5#液体循环泵(18)关闭，冷却装置(15)关闭，将太阳能的热能转化为溶液的密度势能；
如果白天太阳能辐射状况不佳，开启辅助热源(8)进行辅助加热以确保溶液的膜浓缩过程。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述盐溶液为溴化锂溶液、氯化锂溶液、或氯化钙溶液中的一种或两种以上混合溶液。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述1#中空纤维膜组件(4)和2#中空纤维膜组件(13)采用的膜材料是致密疏水性微孔膜，包括聚乙烯PE膜材料、聚丙烯PP膜材料、聚四氟乙烯PTFE膜材料或聚偏氟乙烯PVDF膜材料以及膜表面经过疏水性增强处理的膜材料。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，太阳能集热模块(I)内的工作介质为加有防冻液的纯净水。
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