CN105299784B - 一种基于膜蒸馏的回热回质型溶液膜除湿系统及除湿方法 - Google Patents

一种基于膜蒸馏的回热回质型溶液膜除湿系统及除湿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于膜蒸馏的回热回质型溶液膜除湿系统及除湿方法，系统包括除湿机构和再生机构；利用膜分离技术中的膜蒸馏机理，基于气扫式膜蒸馏的盐溶液浓缩过程，为膜吸收器提供高浓度的盐溶液，利用气扫式膜蒸馏的湿空气吸收过程，实现湿空气的除湿目的；为了实现系统节能，在通过膜再生器后的高温溶液与通过膜吸收器后的低温溶液之间设置有基于中空纤维膜溶液热质交换器，实现回热回质功能；同时，再生器中气扫式膜蒸馏的气体变为高温高湿气体，与膜吸收器的低温溶液进行热量交换，实现高温高湿气体的热量回收。本发明利用膜蒸馏机理和膜材料，实现室内湿度的调节和整个系统的节能功能。

Description

一种基于膜蒸馏的回热回质型溶液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，涉及室内湿度调节，系统节能和膜蒸馏领域，特别涉及一种基于膜蒸馏的回热回质型溶液膜除湿系统及除湿方法。
背景技术
温度和湿度是空气调节过程中的两个最重要的参数，人们往往以为空气调节只是调节温度参数，而实际的系统和装置也大部分以控制温度为主。然而，在实际生活中，湿度参数对人、建筑、家具、衣物等等都有很大的影响，过高或过低的湿度都会使人产生不舒适感。由于空气中的水蒸气含量很低，每千克空气中只含有几十克水蒸气，但由于水蒸气的汽化潜热很高，除湿能耗往往占到空调总能耗的20-40％。
传统空调装置通过冷凝除湿来完成湿度调节，蒸发器的温度必须达到空气的冷凝温度之下，这样空气的温度也降低很多，而室内送风的时候，需要加热除湿后的空气温度以达到室内送风温度。这样的湿度处理方法被认为是不节能的过程。近年来出现的温湿度独立控制系统，将湿空气的温度和湿度分开处理，先调节空气的湿度，然后再调节处理后的空气温度，这样的处理方式大大提高了制冷系统的蒸发器温度，大大提高了制冷系统的COP，系统节能特性得到大大提高。
湿度调节和控制方法除了上述的冷凝除湿方法，常用的还有溶液吸收除湿和吸附除湿方法。其中溶液吸收式除湿方法是将盐溶液与湿空气以逆流或叉流的方法在填料上实现热量传递和水蒸气的传质过程，这种方法容易出现溶液液滴的液膜夹带或飞沫夹带。解决液膜夹带或飞沫夹带的根本方法是将溶液与湿空气隔离开来，使得水蒸气能够从湿空气中扩散传递到溶液中去，而溶液不能进入到湿空气中。膜分离技术中的膜蒸馏技术恰好符合这样的要求。
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。高分子膜将流体隔开，利用膜两侧水蒸气的分压差实现水蒸气的跨膜传递，而液体不能通过膜。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。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；另一种气扫式膜蒸馏的水蒸气扩散方向则相反，水蒸气从温度较高的湿空气中通过膜孔扩散传递到溶液中被溶液吸收。
因此，以膜材料为界面，利用湿空气与溶液的水蒸气分压差，实现湿空气中水蒸气的吸收和溶液的浓缩膜材料的重要应用之一。
此外，在直接接触式膜蒸馏中，膜两侧布置的都是溶液，利用膜两侧水蒸气的分压差实现水蒸气的跨膜传递，同时，利用膜壁面的导热作用实现热量的传递。
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基于膜蒸馏的回热回质型溶液膜除湿系统及除湿方法，本发明基于在常压下依靠膜两侧水蒸气分压差实现溶液浓缩的分离方法，利用除湿机构和再生机构进行空气的除湿过程，达到了湿空气的除湿和高温高湿气体的潜热回收。
本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。
一种基于膜蒸馏的回热回质型溶液膜除湿系统，该系统包括除湿机构和再生机构；
所述除湿机构包括膜吸收器，及与膜吸收器相连的膜式潜热回收器，所述膜式潜热回收器连通稀溶液储液器、中空纤维膜溶液热质交换器，并通过冷源换热器再连通至膜吸收器构成回路；
所述再生机构包括膜再生器，膜再生器与中空纤维膜溶液热质交换器通过热源换热器连接，膜再生器连接浓溶液储液器，并与中空纤维膜溶液热质交换器构成回路。
进一步地，所述膜吸收器的侧面设置有用于将新风或回风或者二者的混合风送到膜吸收器的中空纤维膜表面的1#送风机。
进一步地，所述膜再生器的侧面设置有用于将新风或新风与回风的混合风送到膜再生器的中空纤维膜表面2#送风机。
进一步地，所述稀溶液储罐和浓溶液储罐设置有保温层。
进一步地，所述除湿机构和再生机构中分别设有1#溶液循环泵和2#溶液循环泵。
相应地，本发明给出了一种利用基于膜蒸馏的回热回质型溶液膜除湿系统的除湿方法，包括下述步骤：
1)1#溶液循环泵和2#溶液循环泵开启，1#送风机、2#送风机开启，同时冷源交换冷源换热器和热源换热器开启，系统处于启动状态；
2)热源换热器加热盐溶液，溶液流入膜再生器中，与2#送风机送过来的空气在膜表面进行传热传质，溶液得到浓缩再生；吹除后的高温高湿空气流入膜式潜热回收器的壳侧进口，再次进行换热后，冷凝后的水和余气从膜式潜热回收器的壳侧出口排放；
3)再生后的溶液流入到浓溶液储液器中，再经过1#溶液循环泵流入到中空纤维膜溶液热质交换器中，进入冷源换热器中，得到冷却后溶液流入膜吸收器，与1#送风机送过来的空气在膜表面进行传热传质，空气得到除湿，溶液吸收水蒸气后变成稀溶液；
4)稀溶液经膜式潜热回收器进入稀溶液储液器中，再经过2#溶液循环泵流入到中空纤维膜溶液热质交换器，从中空纤维膜溶液热质交换器流出后进入热源换热器中，得到加热后溶液流入膜再生器中，进行溶液的循环。
进一步地，所述膜式潜热回收器使用的膜材料是致密疏水性无孔膜。
进一步地，所述稀溶液储液器和浓溶液储液器中存储有足量的浓盐溶液，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，所述膜吸收器、膜再生器和中空纤维膜溶液热质交换器使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。
因此，本发明利用膜分离技术中的膜蒸馏机理，基于气扫式膜蒸馏的盐溶液浓缩过程，为膜吸收器提供高浓度的盐溶液，利用气扫式膜蒸馏的湿空气吸收过程，实现湿空气的除湿目的，吸收后的溶液变为稀溶液，在膜再生器中再利用气扫式膜蒸馏的浓缩过程进行溶液的浓缩再生；为了实现系统节能，在通过膜再生器后的高温溶液与通过膜吸收器后的低温溶液之间设置有基于直接接触式膜蒸馏的中空纤维膜溶液热质交换器，实现热量的回收，同时，能够进一步浓缩盐溶液，稀释稀盐溶液；同时，再生器中气扫式膜蒸馏的气体变为高温高湿气体，将这股气体引入到膜吸收器出口的低温溶液，实现高温高湿气体的潜热回收。本发明利用膜蒸馏机理和膜材料，实现室内湿度的调节和整个系统的节能功能。
附图说明
图1是本发明的结构原理图。
图中：1：膜吸收器；2：膜式潜热回收器；3：稀溶液储液器；4：中空纤维膜溶液热质交换器；5：冷源换热器；6：热源换热器；7：膜再生器；8：浓溶液储液器；9：1#溶液循环泵；10：2#溶液循环泵；11：1#送风机；12：2#送风机。
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，本发明一种基于膜蒸馏的回热回质型溶液膜除湿系统，该系统包括除湿机构和再生机构；
所述除湿机构包括膜吸收器1，及与膜吸收器1相连的膜式潜热回收器2，所述膜式潜热回收器2连通稀溶液储液器3、中空纤维膜溶液热质交换器4，并通过冷源换热器5再连通至膜吸收器1构成回路；所述再生机构包括膜再生器7，膜再生器7与中空纤维膜溶液热质交换器4通过热源换热器6连接，膜再生器7连接浓溶液储液器8，并与中空纤维膜溶液热质交换器4构成回路。
系统具体的连接方式为：
膜吸收器1的出口与膜式潜热回收器2的管侧溶液进口连接；膜式潜热回收器2的管侧溶液出口与稀溶液储液器3的进口连接；稀溶液储液器3的出口与2#溶液循环泵10的进口连接；2#溶液循环泵10的出口与中空纤维膜溶液热质交换器4的壳侧进口连接，中空纤维膜溶液热质交换器4的管侧进口与冷源换热器5的进口连接，冷源换热器5的出口与膜吸收器1的进口连接。
膜再生器7的出口与浓溶液储液器8的进口连接，浓溶液储液器8的出口与与1#溶液循环泵9的进口连接；1#溶液循环泵9的出口与中空纤维膜溶液热质交换器4的管侧进口连接，中空纤维膜溶液热质交换器4的管侧壳侧出口与热源换热器6的进口连接，热源换热器6的出口与膜再生器7的入口连接。
膜吸收器1的侧面安装有1#送风机11，用于将新风或回风或者二者的混合风送到膜吸收器1的中空纤维膜表面。
膜再生器7的侧面安装有2#送风机12，用于将新风或新风与回风的混合风送到膜再生器7的中空纤维膜表面。
经过2#送风机12的新风或新风与回风的混合风吹过膜再生器7的中空纤维膜表面后，产生的高温高湿空气被送至膜式潜热回收器2的壳侧气体进口，与膜式潜热回收器2管侧的盐溶液在中空纤维膜表面进行潜热交换后，余气从膜式潜热回收器2的壳侧出口排放。
装置初始安装时，稀溶液储液器3和浓溶液储液器8中存储有足量的浓盐溶液，同时，稀溶液储液器3和浓溶液储液器8设置有保温措施。
膜吸收器1和膜再生器7的结构形式为两侧设置溶液管路和布液器，中间布置数条中空纤维膜，溶液从下侧流入溶液管路，通过布液器流经中空纤维膜，然后汇入上侧溶液管路；中空纤维膜溶液热质交换器4，膜式潜热回收器2采用工业上常见的中空纤维膜组件结构形式，即以中空纤维膜为界面，分为管侧和壳侧。
膜吸收器1、膜再生器7和中空纤维膜溶液热质交换器4使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。膜式潜热回收器2使用的膜材料是致密疏水性无孔膜。
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。
本发明利用膜蒸馏的回热回质型溶液膜除湿系统进行除湿的方法，包括下述步骤：
1)1#溶液循环泵9和2#溶液循环泵10开启，1#送风机11、2#送风机12开启，同时冷源交换去冷源换热器5和热源换热器6开启，系统处于启动状态；
2)热源换热器6加热盐溶液，溶液流入膜再生器7的下侧，从中空纤维膜中缓慢流动，与外面2#送风机12送过来的空气在膜表面进行传热传质过程(水蒸气从溶液中传递到空气中)，空气变为高温高湿空气，溶液得到浓缩再生；
3)再生后的溶液流入到浓溶液储液器8中，再经过1#溶液循环泵9流入到中空纤维膜溶液热质交换器4的管侧溶液进口，从中空纤维膜溶液热质交换器4的管侧出口流出后进入冷源换热器5中，得到冷却后流入膜吸收器1的下侧，从中空纤维膜中缓慢流动，与外面1#送风机11送过来的空气在膜表面进行传热传质过程(水蒸气从空气中传递到溶液中)，空气得到除湿，溶液吸收水蒸气后变成稀溶液；
4)稀溶液进入稀溶液储液器3中，再经过2#溶液循环泵10流入到中空纤维膜溶液热质交换器4的壳侧溶液进口，从中空纤维膜溶液热质交换器4的壳侧出口流出后进入热源换热器6中，得到加热后流入膜再生器7的下侧，开始了溶液的循环。
由于从浓溶液储液器8中流出的浓溶液与从稀溶液储液器3中流出的稀溶液既有温度差，又有浓度差，在中空纤维膜溶液热质交换器4中实现了水蒸气的潜热传递，传递的结果是既传递了热量，又进一步浓缩浓溶液，稀释稀溶液，中空纤维膜溶液热质交换器4形成了系统的回热回质功能。
由于从膜吸收器流出的溶液与从膜再生流出的空气存在着温度差，通过膜式潜热回收器2的膜表面将高温高湿空气中的水蒸气进行潜热回收，由于膜式潜热回收器2使用的膜材料是致密疏水性无孔膜，因此，水蒸气和液体水并不能从膜外侧传递到膜内侧，也就是说，膜式潜热回收器2只进行高温高湿空气的潜热回收，在膜外表面冷凝下来的水会和其他湿空气从膜式潜热回收器2的壳侧出口排放。
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 (5)

1.一种基于膜蒸馏的回热回质型溶液膜除湿系统，其特征在于，该系统包括除湿机构和再生机构；
所述除湿机构包括膜吸收器(1)，及与膜吸收器(1)相连的膜式潜热回收器(2)，所述膜式潜热回收器(2)连通稀溶液储液器(3)、中空纤维膜溶液热质交换器(4)，并通过冷源换热器(5)再连通至膜吸收器(1)构成回路；
所述再生机构包括膜再生器(7)，膜再生器(7)与中空纤维膜溶液热质交换器(4)通过热源换热器(6)连接，膜再生器(7)连接浓溶液储液器(8)，并与中空纤维膜溶液热质交换器(4)构成回路；
所述膜吸收器(1)的侧面设置有用于将新风或回风或者二者的混合风送到膜吸收器(1)的中空纤维膜表面的1#送风机(11)；
所述膜再生器(7)的侧面设置有用于将新风或新风与回风的混合风送到膜再生器(7)的中空纤维膜表面2#送风机(12)；
所述稀溶液储液器(3)和浓溶液储液器(8)设置有保温层；
所述除湿机构和再生机构中分别设有1#溶液循环泵(9)和2#溶液循环泵(10)；
经过2#送风机(12)的新风或新风与回风的混合风吹过膜再生器(7)的中空纤维膜表面后，产生的高温高湿空气被送至膜式潜热回收器(2)的壳侧气体进口，与膜式潜热回收器(2)管侧的盐溶液在中空纤维膜表面进行潜热交换后，余气从膜式潜热回收器(2)的壳侧出口排放。
2.一种利用权利要求1所述的基于膜蒸馏的回热回质型溶液膜除湿系统的除湿方法，其特征在于，包括下述步骤：
1)1#溶液循环泵(9)和2#溶液循环泵(10)开启，1#送风机(11)、2#送风机(12)开启，同时冷源交换冷源换热器(5)和热源换热器(6)开启，系统处于启动状态；
2)热源换热器(6)加热盐溶液，溶液流入膜再生器(7)中，与2#送风机(12)送过来的空气在膜表面进行传热传质，溶液得到浓缩再生；吹除后的高温高湿空气流入膜式潜热回收器(2)的壳侧进口，再次进行换热后，冷凝后的水和余气从膜式潜热回收器(2)的壳侧出口排放；
3)再生后的溶液流入到浓溶液储液器(8)中，再经过1#溶液循环泵(9)流入到中空纤维膜溶液热质交换器(4)中，进入冷源换热器(5)中，得到冷却后溶液流入膜吸收器(1)，与1#送风机(11)送过来的空气在膜表面进行传热传质，空气得到除湿，溶液吸收水蒸气后变成稀溶液；
4)稀溶液经膜式潜热回收器(2)进入稀溶液储液器(3)中，再经过2#溶液循环泵(10)流入到中空纤维膜溶液热质交换器(4)，从中空纤维膜溶液热质交换器(4)流出后进入热源换热器(6)中，得到加热后溶液流入膜再生器(7)中，进行溶液的循环。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述膜式潜热回收器(2)使用的膜材料是致密疏水性无孔膜。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述稀溶液储液器(3)和浓溶液储液器(8)中存储有足量的浓盐溶液，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。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述膜吸收器(1)、膜再生器(7)和中空纤维膜溶液热质交换器(4)使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。
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