CN105627464B - 一种燃气热泵驱动的中空纤维膜液体除湿装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃气热泵驱动的中空纤维膜液体除湿装置，包括用于向室内输送空气的进气系统、用于向室外排气的排气系统、燃气热泵装置、除湿溶液循环系统、燃气发动机余热回收装置。本装置采用燃气热泵提供空气除湿前所需的冷量与溶液再生前所需的热量，提高膜组件两侧的水蒸气分压力差，具有良好的传质效率；同时采用燃气发动机余热回收装置与溶液回热装置，降低能耗，提高能量利用率。燃气热泵具有良好的部分负荷特性，可有效平衡燃气季节峰谷，缓解天然气的储量调峰问题，进一步提高燃气管网利用率、降低供气综合成本；同时有利于缓解夏季用电造成的供电紧张局面。天然气还是一种清洁高效的能源，基本没有有害物排放，有利于环境保护。

Description

一种燃气热泵驱动的中空纤维膜液体除湿装置
技术领域
本发明涉及空气除湿系统及其工艺，尤其涉及一种燃气热泵驱动的中空纤维膜液体除湿装置。
背景技术
据统计，人的一生有70%~90%的时间在室内度过，因此通过调节室内环境以保证人体舒适性就显得非常重要。调节室内环境主要是通过控制房间内的温度和湿度两个参数来实现的。湿度与温度一样，也对人体的舒适感与健康起着重要影响。湿热的天气阻碍人体汗液蒸发，抑制了人体排汗散热的调节，使人感到闷热；潮湿的环境容易让人患上风湿、哮喘、过敏性鼻炎等疾病；过高的湿度还会加剧室内水溶性污染物的释放，加速颗粒物气溶胶凝结核的形成，危害人体健康。ASHRAE美国供热、制冷与空调协会通过研究发现，当空气的相对湿度为30~60%时，人体感觉最为舒适，因此提出的夏天和冬天热舒适区都有相应的湿度要求。
除湿技术按照其除湿机理可以分为：冷却除湿、干燥剂除湿（包括液体吸收除湿和固体吸附除湿）、电化学除湿和膜渗透除湿等多种方法。冷却除湿方法利用冷却盘管将空气温度降至其露点温度以下，使得空气中的水分在冷却器表面结露冷凝。干燥剂除湿方法是利用干燥剂与湿空气进行相接触，利用两者之间的水蒸气分压差，使空气中的水分传递到干燥剂之中。其中固体吸附式除湿通常采用硅胶、分子筛等固体吸附剂作为除湿剂。而液体吸收式除湿通常采用LiCl、CaCl2等盐溶液或者二甘醇、三甘醇等有机物作为液体除湿剂。电化学除湿是利用水蒸气在电池阳极分解成氧气和质子，再将质子转移到阴极生成氢气分子或者与氧气结合生成水，以此来降低空气中的水分。膜渗透除湿方法是利用膜的选择透过性将空气中的水分从水蒸气分压高的一侧转移到水蒸气分压低的一侧，从而实现对高水蒸气分压侧空气除湿的方法。
上述前三种除湿方法存在很大的弊端。冷却除湿方法需要将空气的温度冷却到露点以下，冷却后的空气需要再进行加热后才能送入房间，这种先冷却后加热的过程造成能量冷热抵消浪费，系统能耗高；同时由于水蒸汽易于在冷却器表面冷凝造成冷却器常年潮湿，从而为细菌提供了生长和繁衍的场所，使室内空气品质严重下降；而对于露点温度过低的工况容易使冷却器表面结霜，需要停机利用额外的加热装置对其进行除霜处理，影响除湿过程的连续运行。固体吸附剂需要的再生温度高，因此较大的再生能耗制约了其在工程中的应用。液体吸收式除湿中吸湿剂与空气直接接触，空气不可避免地会夹带小液滴，进而会污染室内空气品质。而电化学除湿是作为一种新颖的除湿方法，目前其技术还不够成熟，而且除湿过程中需要直流电源，能源利用率不高。
膜法除湿利用膜技术替代现有的除湿方式实现非接触式液体除湿，从根本上解决了空气带液、飞沫污染的问题，代表了未来除湿技术发展的方向。公告号为CN101574612A的中国发明专利公布了一种非接触式液体除湿方法及除湿器，组件由数千根管径2-3毫米的中空纤维膜管束填装而成，吸湿溶液流经管内，空气横掠管外。空气中的水蒸气在膜两侧蒸汽压差的作用下通过跨膜运动实现水分的去除。由于膜具有水蒸气的选择透过性，拒绝了其他物质通过。同时这种间接的方式进行水分的热质交换，可以避免液滴漂移现象。公告号为CN103920374A的中国发明专利指出在中空纤维膜液体除湿中对空气进行压缩以提高水蒸气的跨膜驱动力，并利用压缩后的高温气体实现溶液的再生。但是组件压力升高容易造成膜破裂，污染空气品质，同时压缩空气需要消耗大量能量，系统的能源利用率不高，在用电高峰期会增大电网的负荷。公告号为CN105258250A的中国发明专利提出利用太阳能来再生溶液，虽然太阳能是一种清洁的可再生能源，但是其受天气条件的影响，限制了它的大规模工程应用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术与设备的不足，提供一种燃气热泵驱动的中空纤维膜液体除湿装置及空气除湿方法，采用中空纤维膜组件实现气液间接接触，通过燃气热泵装置同时为中空纤维膜液体除湿系统提供除湿前的冷却与再生前的加热，解决现有技术中存在的室内空气品质下降、电网负荷大、能源利用率不高的问题。
本发明采用如下方案来实现：
一种燃气热泵驱动的中空纤维膜液体除湿装置，包括用于向室内输送空气的进气系统、用于向室外排气的排气系统，还包括燃气热泵装置、除湿溶液循环系统、燃气发动机余热回收装置，
所述的进气系统包括进气通道、沿空气进入方向依次设置在所述进气通道上的新风风机和中空纤维膜除湿组件；所述的排气系统包括排气通道、沿空气排出方向依次设置在所述排气通道上的排风风机和中空纤维膜再生组件；
所述的除湿溶液循环回路通过溶液泵将除湿溶液从溶液储罐流出，与进气通道中的空气以错流流动方式进入中空纤维膜除湿组件，再与排气通道中的空气以错流流动方式进入中空纤维膜再生组件后返回溶液储罐；
所述的热泵系统包括首尾相连形成制冷剂循环回路的燃气压缩机、冷凝器、膨胀阀、制冷剂储罐、蒸发器，制冷剂循环回路中的制冷剂经过燃气发电压缩机加压，在冷凝器释放热量，通过膨胀阀和制冷剂储罐后，在蒸发器内吸收热量，然后回到燃气发电压缩机；
所述的燃气发动机余热回收装置包括设置在燃气发动机上的燃气发动机缸套冷却水换热器，利用燃气发动机余热使除湿溶液的温度得到进一步提高；
所述的除湿溶液循环系统包括溶液泵、除湿溶液储液罐，所述溶液泵通过管路将除湿溶液储液罐中的除湿溶液依次送入冷凝器、燃气发动机缸套冷却水换热器、中空纤维膜再生组件、蒸发器、中空纤维膜除湿组件并回流至除湿溶液储液罐中。
进一步地，还包括设置在所述燃气发动机排烟处的排烟余热回收换热器，所述除湿溶液从燃气发动机缸套冷却水换热器中流出后，经排烟余热回收换热器再流入中空纤维膜再生组件，利用所述燃气发动机排烟处的排烟余热使除湿溶液的温度得到进一步提高。
进一步地，还包括溶液回热装置，所述溶液回热装置用于将流出中空纤维膜再生组件的除湿溶液与流出除湿溶液储液罐的除湿溶液进行换热，以达到一个较低的除湿温度。
进一步地，还包括溶液辅助冷却器，所述溶液辅助冷却器设置于溶液回热装置与蒸发器之间的管路上，用于对流入蒸发器之前的除湿溶液进行冷却，进一步达到一个较低的除湿温度。
进一步地，所述的除湿溶液为LiCl溶液。
进一步地，所述的LiCl溶液质量浓度为35%~40%。
进一步地，所述中空纤维膜除湿组件的下部设置有水收集装置及用于收集水收集装置排水的水储罐，可将除湿过程中除去的水分汇集后集中排出并收集，防止二次污染。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
（1）除湿能力强，再生温度低：液体除湿剂水蒸气分压力低，具有较高的吸湿能力，同时再生所需要的温度比固体除湿剂低，可利用的再生能源范围广，除湿效率高：
（2）不产生气液夹带现象：空气与液体除湿剂间接接触，避免了气液直接接触夹带除湿剂液滴对室内环境的污染；
（3）清洁环保，合理平衡夏季空调气电负荷：天然气热泵的尾气主要为二氧化碳，可以降低有害气体排放。夏季是空调用电高峰而用气低谷时节，采用燃气驱动热泵代替传统电压缩热泵，可以同时缓解电网与气网的负荷波动。
（4）能量综合利用率高：本装置增加了燃气发动机余热回收装置，降低了燃气热泵的冷凝温度，通过溶液回热装置，降低了能耗，进一步提高了能量利用率。
附图说明
图1为本发明实施例的燃气热泵驱动的中空纤维膜除湿装置结构示意图。
图中：1-新风风机 2-新风进气口 3-中空纤维膜除湿组件 4-新风出气口 5-除湿组件进液口 6-除湿组件出液口 7-除湿溶液储液罐 8-回热装置A进液口 9-溶液回热装置 10-回热装置B出液口 11-溶液泵 12-溶液辅助冷却器 13-蒸发器除湿液进液口 14-蒸发器 15-蒸发器除湿液出液口 16-蒸发器制冷剂进液口 17-蒸发器制冷剂出气口 18-燃气压缩机 19-燃气发动机缸套冷却水换热器 20-缸套冷却水换热器进液口 21-缸套冷却水换热器出液口 22-排烟余热回收换热器 23-余热回收换热器进液口 24-余热回收换热器出液口 25-冷凝器制冷剂进气口 26-冷凝器 27-冷凝器制冷剂出液口 28-冷凝器除湿液进液口 29-冷凝器除湿液出液口 30-膨胀阀 31-制冷剂储罐 32-排气风机 33-混合进气口 34-再生组件进液口 35-再生组件出液口 36-中空纤维膜再生组件 37-混合出气口 38-回热装置C进液口 39-回热装置D出液口 40-水收集装置 41-水储罐。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1所示，一种燃气热泵驱动的中空纤维膜液体除湿装置，包括用于向室内输送空气的进气系统、用于向室外排气的排气系统，还包括燃气热泵装置、除湿溶液循环系统、燃气发动机余热回收装置，
所述的进气系统包括进气通道、沿空气进入方向依次设置在所述进气通道上的新风风机1和中空纤维膜除湿组件3；所述的排气系统包括排气通道、沿空气排出方向依次设置在所述排气通道上的排风风机32和中空纤维膜再生组件36；
所述的除湿溶液循环回路通过溶液泵12将除湿溶液从溶液储罐14流出，与进气通道中的空气以错流流动方式进入中空纤维膜除湿组件3，再与排气通道中的空气以错流流动方式进入中空纤维膜再生组件36后返回溶液储罐(14)，所述的除湿溶液为质量浓度为35%~40%的LiCl溶液。
所述的热泵系统包括首尾相连形成制冷剂循环回路的燃气压缩机18、冷凝器26、膨胀阀30、制冷剂储罐31、蒸发器14，制冷剂循环回路中的制冷剂经过燃气发电压缩机加压，在冷凝器释放热量，通过膨胀阀和制冷剂储罐后，在蒸发器内吸收热量，然后回到燃气发电压缩机；
所述的燃气发动机余热回收装置包括设置在燃气发动机上的燃气发动机缸套冷却水换热器19，利用燃气发动机余热使除湿溶液的温度得到进一步提高；
所述的除湿溶液循环系统包括溶液泵11、除湿溶液储液罐7，所述溶液泵11通过管路将除湿溶液储液罐7中的除湿溶液依次送入冷凝器26、燃气发动机缸套冷却水换热器19、中空纤维膜再生组件36、蒸发器14、中空纤维膜除湿组件3并回流至除湿溶液储液罐7中。
具体而言，还包括设置在所述燃气发动机排烟处的排烟余热回收换热器22，所述除湿溶液从燃气发动机缸套冷却水换热器19中流出后，经排烟余热回收换热器22再流入中空纤维膜再生组件36，利用所述燃气发动机排烟处的排烟余热使除湿溶液的温度得到进一步提高。
具体而言，还包括溶液回热装置9，所述溶液回热装置9用于将流出中空纤维膜再生组件36的除湿溶液与流出除湿溶液储液罐7的除湿溶液进行换热，以达到一个较低的除湿温度。
具体而言，还包括溶液辅助冷却器12，所述溶液辅助冷却器12设置于溶液回热装置9与蒸发器14之间的管路上，用于对流入蒸发器14之前的除湿溶液进行冷却，进一步达到一个较低的除湿温度。
具体而言，所述中空纤维膜除湿组件3的下部设置有水收集装置40及用于收集水收集装置40排水的水储罐41，水收集装置40连接水储罐41，可将除湿过程中除去的水分汇集后集中排出并收集，防止二次污染。
详细而言，所述的中空纤维膜除湿组件3的新风进气口2与新风风机1相连，中空纤维膜再生组件36的混合进气口33与排气风机 32相连；
蒸发器14的蒸发器制冷剂出气口17通过燃气压缩机18与冷凝器26的冷凝器制冷剂进气口25相连，冷凝器26的冷凝器制冷剂出液口27依次通过膨胀阀30、制冷剂储罐31与蒸发器14的蒸发器制冷剂进液口16相连；
除湿溶液储液罐7的进口与中空纤维膜除湿组件3的除湿组件出液口6相连，除湿溶液储液7的出口与溶液回热装置9的A进口8相连，冷凝器26的C进液口28与溶液回热装置9的回热装置B出液口10相连，燃气发动机缸套冷却水换热器19的缸套冷却水换热器进液口20与冷凝器26的冷凝器除湿液出液口29相连，燃气发动机缸套冷却水换热器19的缸套冷却水换热器出液口21与排烟余热回收换热器22的余热回收换热器进液口23相连，中空纤维膜再生组件36的再生组件进液口34与排烟余热回收换热器22的余热回收换热器出液口24相连，中空纤维膜再生组件36的再生组件出液口35与溶液回热装置9的回热装置C进液口38相连，溶液回热装置9的回热装置D出液口39经过溶液泵11和溶液辅助冷却器12与蒸发器14的蒸发器除湿液进液口13相连，蒸发器14的蒸发器除湿液出液口15与中空纤维膜除湿组件3的除湿组件进液口5相连；
上述装置对空气进行除湿的原理及过程如下：
室外空气通过新风风机1输入中空纤维膜除湿组件3的新风进气口2并通过中空纤维膜除湿组件3降温除湿，从中空纤维膜除湿组件3的新风出气口4出来的空气是低温低湿的空气，被除去的水进入中空纤维膜除湿组件下部的水收集装置40中，然后输出并进入到水储罐41中；室外空气与室内空气以一定比例混合通过排气风机 32输入中空纤维膜再生组件36的混合进气口33并通过中空纤维膜再生组件36加热再生，对LiCl溶液进行再生，从中空纤维膜再生组件36的混合出气口37出来的空气为高温高湿的空气。LiCl溶液由溶液泵11经过溶液辅助冷却器12和蒸发器14进入中空纤维膜除湿组件3的除湿组件进液口5，其中LiCl溶液经过溶液辅助冷却器12和蒸发器14冷却达到一个较低的除湿温度，LiCl溶液在中空纤维膜除湿组件3中对湿空气进行除湿，从中空纤维膜除湿组件3的除湿组件出液口6出来的LiCl溶液经过空气除湿后温度上升，浓度下降。除湿后的LiCl溶液经过除湿溶液储罐7后进入溶液回热装置9中与再生后的高温除湿溶液进行换热，然后再进入冷凝器26的冷凝器除湿液进液口28与制冷剂换热，达到一个较高的再生温度，然后从冷凝器26的冷凝器除湿液出液口29输出，LiCl溶液再从燃气发动机缸套冷却水换热器19的缸套冷却水换热器进液口20流入，吸收燃气发动机的余热后从燃气发动机缸套冷却水换热器19的缸套冷却水换热器出液口21流出，接着 LiCl溶液从排烟余热回收换热器22的余热回收换热器进液口23流入，回收高温排气中的烟气热量后从排烟余热回收换热器22的余热回收换热器出液口24流出，LiCl溶液的温度得到进一步提高，接着LiCl溶液从中空纤维膜再生组件36的再生组件进液口34进入中空纤维膜再生组件36中与再生空气进行再生后，从中空纤维膜再生组件36的再生组件出液口35出来的高温LiCl溶液进入溶液回热装置9中与由除湿溶液储罐7中出来的低浓度LiCl溶液换热，完成LiCl溶液循环，实现对室内空气的除湿及除湿溶液的再生过程。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种燃气热泵驱动的中空纤维膜液体除湿装置，包括用于向室内输送空气的进气系统、用于向室外排气的排气系统，其特征在于：还包括燃气热泵装置、除湿溶液循环系统、燃气发动机余热回收装置，
所述的进气系统包括进气通道、沿空气进入方向依次设置在所述进气通道上的新风风机(1)和中空纤维膜除湿组件(3)；所述的排气系统包括排气通道、沿空气排出方向依次设置在所述排气通道上的排风风机(32)和中空纤维膜再生组件(36)；
所述的除湿溶液循环回路通过溶液泵(12)将除湿溶液从溶液储罐(14)流出，与进气通道中的空气以错流流动方式进入中空纤维膜除湿组件(3)，再与排气通道中的空气以错流流动方式进入中空纤维膜再生组件(36)后返回溶液储罐(14)；
所述的热泵系统包括首尾相连形成制冷剂循环回路的燃气压缩机(18)、冷凝器(26)、膨胀阀(30)、制冷剂储罐(31)、蒸发器(14)；
所述的燃气发动机余热回收装置包括设置在燃气发动机上的燃气发动机缸套冷却水换热器(19)；
所述的除湿溶液循环系统包括溶液泵(11)、除湿溶液储液罐(7)，所述溶液泵(11)通过管路将除湿溶液储液罐(7)中的除湿溶液依次送入冷凝器(26)、燃气发动机缸套冷却水换热器(19)、中空纤维膜再生组件(36)、蒸发器(14)、中空纤维膜除湿组件(3)并回流至除湿溶液储液罐(7)中。
2.根据权利要求1所述的燃气热泵驱动的中空纤维膜液体除湿装置，其特征在于：还包括设置在所述燃气发动机排烟处的排烟余热回收换热器(22)，所述除湿溶液从燃气发动机缸套冷却水换热器(19)中流出后，经排烟余热回收换热器(22)再流入中空纤维膜再生组件(36)。
3.根据权利要求1或2所述的燃气热泵驱动的中空纤维膜液体除湿装置，其特征在于：还包括溶液回热装置(9)，所述溶液回热装置(9)用于将流出中空纤维膜再生组件(36)的除湿溶液与流出除湿溶液储液罐(7)的除湿溶液进行换热。
4.根据权利要求3所述的燃气热泵驱动的中空纤维膜液体除湿装置，其特征在于：还包括溶液辅助冷却器(12)，所述溶液辅助冷却器(12)设置于溶液回热装置(9)与蒸发器(14)之间的管路上，用于对流入蒸发器(14)之前的除湿溶液进行冷却。
5.根据权利要求1所述的燃气热泵驱动的中空纤维膜液体除湿装置，其特征在于：所述的除湿溶液为LiCl溶液。
6.根据权利要求5所述的燃气热泵驱动的中空纤维膜液体除湿装置，其特征在于：所述的LiCl溶液质量浓度为35%~40%。
7.根据权利要求1所述的燃气热泵驱动的中空纤维膜液体除湿装置，其特征在于：所述中空纤维膜除湿组件(3)的下部设置有水收集装置(40)及用于水收集装置(40)排水的水储罐(41)。
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