CN105737285B - 一种低温余热驱动的溶液除湿系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种低温余热驱动的溶液除湿系统及方法，涉及溶液除湿、余热制冷技术领域。该系统包括再生器、溶液泵、溶液换热器、一级冷却器、一级吸湿塔、二级冷却器、余热制冷单元、二级吸湿塔、再生加热器、送风回热器和排风回热器。余热的高温部分提供溶液再生过程所需热量，余热的低温部分用以提供余热制冷过程所需热量，实现对余热的梯级利用。再生器产生的室温下的高浓度盐溶液，在一级吸湿塔对湿空气进行初步除湿，然后一级吸湿塔出口的中间浓度盐溶液被余热制冷机组降温，进入二级吸湿塔，完成对初步除湿后空气的深度除湿。本发明对低温余热进行了梯级利用，与常规表冷式除湿相比，可以达到相同的除湿效果，主要消耗低温热量，大幅减少了电能消耗。

Description

一种低温余热驱动的溶液除湿系统及方法
技术领域
本发明涉及余热利用、能源技术领域，是一种集成了溶液除湿、余热制冷、余热利用等关键单元技术的溶液除湿系统及方法。
背景技术
经济迅猛发展促使能源消耗与日俱增。目前我国建筑能耗已经达到社会总能耗的1/4以上，空调系统约占建筑能耗的50％-70％，其中除湿负荷约占30％-40％。随着人民生活水平提高和我国城市住宅公共建筑建设的发展，民用建筑能耗呈不断上升的趋势，传统以电除湿的空调系统必然给电力供应带来巨大的压力。在能源压力下必须寻求新的解决方案。
在工业生产中，使用着各种窑炉，如回转窑、加热炉、转炉、反射炉、沸腾焙烧炉等。这些窑炉都耗用大量的燃料，它们的热效率都很低，一般只有30％左右，而被高温烟气、高温炉渣、高温产品等带走的热量却达到40％-60％，其中可利用的余热在冶金方面约占燃料消耗量的三分之一，机械、玻璃、造纸等方面占15％以上。
传统空调技术对于空气除湿的处理方式是采用表冷器降温除湿，要求将空气的温度冷却到很低。24℃的空气中水蒸气露点温度为14℃，为了有很好的除湿效果，冷水温度要低于7℃，而制冷剂的蒸发温度要低于2～5℃。而溶液除湿技术是将除湿过程和降温过程独立开来，先将新风冷却至30℃，即先用常温状态下的浓溶液去除湿，然后再冷却至18℃，进一步对湿空气吸湿干燥。相比之下，溶液除湿技术所需冷源温度更高，节约能源消耗量，且能分别通过调节溶液的流量与温度来独立地控制送风的湿度和温度。但目前溶液除湿仍然以电力驱动为主，利用工业余热或来自可再生能源的低温热量满足除湿需求具有重要的节能潜力和应用前景。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种低温余热驱动的溶液除湿系统及方法，通过采用集成了溶液除湿、余热制冷等关键单元技术，大幅减小了溶液除湿过程对电力的消耗。该方法通过集成了余热制冷设备，体现出了“梯级利用”的用能思想，进一步提升了系统的除湿性能和热力性能。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明提供了一种低温余热驱动的溶液除湿系统，该系统包括再生器1、溶液泵2、溶液换热器3、一级冷却器4、一级吸湿塔5、二级冷却器6、余热制冷单元7、二级吸湿塔8、再生加热器9、送风回热器10和排风回热器11，其中：
再生器1分为溶液侧和空气侧，溶液侧出口与溶液泵2入口相连接，溶液泵2出口与溶液换热器3浓溶液入口相连接，溶液换热器3浓溶液出口与一级冷却器4溶液侧入口相连接，一级冷却器4溶液出口与一级吸湿塔5溶液侧入口相连接，一级吸湿塔5溶液侧出口与二级冷却器6溶液入口相连接，二级冷却器6溶液出口与二级吸湿塔8溶液侧入口相连接，二级吸湿塔溶液侧8出口与溶液换热器3稀溶液侧入口相连接，溶液换热器3稀溶液侧出口与再生加热器9溶液侧入口相连接，再生加热器9溶液侧出口与再生器1溶液侧入口相连接，盐溶液从而实现一个工质循环；
送风回热器10新风出口与一级吸湿塔5空气侧入口相连接，一级吸湿塔5空气侧出口与二级吸湿塔空气侧入口相连接，二级吸湿塔8空气侧出口与送风回热器10送风侧入口相连接；排风回热器11新风出口与再生器1空气侧入口相连接，再生器1空气侧出口与排风回热器11排风侧入口相连接，空气侧从而实现一个工质循环；
余热制冷单元7循环冷冻水出口与入口分别于二级冷却器的循环水入口与出口相连接。
上述方案中，所述再生器1是气液混合设备，设备内部空气与盐溶液进行传热传质，由于盐溶液表面水蒸汽分压力大于空气中水蒸气分压力，空气将吸收盐溶液中的部分水分。
上述方案中，所述溶液泵2是液体增压设备，用于提高盐溶液压力，维持系统循环进行。
上述方案中，所述溶液换热器3、送风回热器10、排风回热器11是流体换热设备，用于冷热物流之间的热量交换。
上述方案中，所述一级冷却器4和二级冷却器6是流体换热设备，一级冷却器4采用环境冷却水对盐溶液进行降温，使盐溶液具有一定除湿能力；在二级冷却器6中盐溶液通过与余热制冷单元7之间循环的冷冻水换热而降温，进一步提升盐溶液除湿能力。
上述方案中，所述一级吸湿塔5和二级吸湿塔8是气液混合吸收设备，空气和盐溶液在设备内部由于水蒸气分压力差进行传热传质，盐溶液将空气中的部分水蒸气吸收。
上述方案中，所述余热制冷单元7对再生加热器出口的余热热源进行再次利用，且将低品位余热转换成冷量的设备，通过二级冷却器6中的循环冷冻水，使盐溶液降温，余热制冷单元可以为吸收式制冷装置或吸附式制冷装置。
上述方案中，所述再生加热器9内部，低品位余热加热盐溶液，为其提供再生所需热量。
上述方案中，该系统采用低温余热驱动，低温余热为工业余热、低温太阳能集热或地热；除湿溶液采用氯化锂溶液、溴化锂溶液或氯化钙溶液。
为达到上述目的，本发明还提供了一种低温余热驱动的溶液除湿方法，该方法包括：在系统输入侧，将低温余热的不同温度段的热量加以利用，高温段用以提供溶液再生过程所需热量，低温段用以提供余热制冷过程所需热量；在系统输出侧，将溶液除湿流程设置为两级除湿，在溶液进行第一级除湿前，用环境冷却水降温，使其除湿能力上升；在溶液进行第二级除湿前，利用余热制冷设备输出冷量，使溶液进一步降温并在二级吸湿塔中进行深度除湿。
(三)有益效果
从上述技术方案看，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种低温余热驱动的溶液除湿系统及方法，主要以低温工业余热和太阳能集热、地热等来自可再生能源的低温热量为驱动，消耗很少外界电能，从而达到节能减排的目的。采用盐溶液这种自然工质为循环介质，环保无污染。
2、本发明提供的这种低温余热驱动的溶液除湿系统及方法，通过集成了余热制冷设备，对溶液再生单元不能利用的余热进行了深度利用，实现了对低温热源的梯级利用。
3、本发明提供的这种低温余热驱动的溶液除湿系统及方法，相比于常规表冷除湿系统，可将空气除至更低的含湿量。
4、本发明提供的这种低温余热驱动的溶液除湿系统及方法，流程简单，各单元技术较为成熟，便于工业化利用。
附图说明
图1是依照本发明实施例的低温余热驱动的溶液除湿系统及方法的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供了一种低温余热驱动的溶液除湿方法，该方法将低温余热用以提供溶液再生过程所需热量。将溶液除湿分成两级除湿，在溶液进行第一级除湿前，用环境冷却水降温，使其除湿能力上升；在溶液进行第二级除湿前，利用余热驱动余热制冷设备输出冷量，通过循环冷冻水将冷量传递给溶液，使低温溶液在二级吸湿塔中进行深度除湿。该方法体现出了溶液除湿能力梯级利用的思想，即在初步除湿时，空气含湿量较高，对盐溶液的除湿能力要求不高，于是使用廉价的环境冷却水使盐溶液降温，对空气进行初步除湿；初步除湿后，空气的含湿量降低，若要进一步使空气含湿量降低，则要求较高的溶液除湿能力；虽然盐溶液在初步除湿后质量略微浓度下降，导致溶液除湿能力有一定降低，但是其除湿能力还受温度影响，此时利用余热制冷设备将余热转化为冷量，使盐溶液进一步降温，使溶液的除湿能力显著上升。该方法通过集成了余热制冷设备，使得溶液侧的表面水蒸气分压力与空气侧水蒸气分压力的匹配更加合理，从而使得溶液除湿能力与湿空气所处状态更好地对应，实现了溶液除湿能力的品位对口。
如图1所示，图1是依照本发明的实施例的低温余热驱动的溶液除湿系统及方法的示意图。在本实施例中该低温余热驱动的溶液除湿系统及方法，其中S1至S9为循环工质，为盐溶液；S10至S14为新风至送风段；S15至S18为回风至排风段；S19至S20为热源水或蒸汽；S21至S22为循环冷冻水；S23至S24为环境循环冷却水。该低温余热驱动的溶液除湿系统及方法包括：再生器1、溶液泵2、溶液换热器3、一级冷却器4、一级吸湿塔5、二级冷却器6、余热制冷单元7、二级吸湿塔8、再生加热器9、送风回热器10、排风回热器11。
其中，再生器1分溶液侧和空气侧，溶液侧出口与溶液泵2入口相连接，溶液泵2出口与溶液换热器3浓溶液入口相连接，溶液换热器3浓溶液出口与一级冷却器4溶液侧入口相连接，一级冷却器4溶液出口与一级吸湿塔5溶液侧入口相连接，一级吸湿塔5溶液侧出口与二级冷却器6溶液入口相连接，二级冷却器6溶液出口与二级吸湿塔8溶液侧入口相连接，二级吸湿塔溶液侧8出口与溶液换热器3稀溶液侧入口相连接，溶液换热器3稀溶液侧出口与再生加热器9溶液侧入口相连接，再生加热器9溶液侧出口与再生器1溶液侧入口相连接，盐溶液从而实现一个工质循环。送风回热器10新风出口与一级吸湿塔5空气侧入口相连接，二级吸湿塔8空气侧出口与送风回热器10送风侧入口相连接；排风回热器11回风出口与再生器1空气侧入口相连接，再生器1空气侧出口与排风回热器11排风侧入口相连接，空气侧从而实现一个工质循环。另外，余热制冷单元7循环冷冻水出口与入口分别于二级冷却器的循环水入口与出口相连接。
其中，再生器1是气液混合吸收设备，设备内部空气与盐溶液进行传热传质，由于盐溶液表面水蒸汽分压力大于空气中水蒸气分压力，空气将吸收盐溶液中的部分水分。溶液泵2是液体增压设备，用于提高盐液体压力，维持系统循环进行。溶液换热器3、送风回热器10、排风回热器11是流体换热设备，用于冷热物流之间的热量交换。一级冷却器4是流体换热设备，采用环境冷却水对盐溶液进行降温，使盐溶液具有一定除湿能力。二级冷却器6，通过与余热制冷单元7之间循环的冷冻水，使盐溶液降温，进一步提升盐溶液除湿能力。一级吸湿塔5和二级吸湿塔8是气液混合吸收设备，空气和盐溶液在设备内部由于水蒸气分压力差进行传热传质，盐溶液将空气中的部分水蒸气吸收。余热制冷单元7是将低品位余热转换成冷量的设备，通过二级冷却器6中的循环冷冻水，使盐溶液降温。再生加热器9内部，低品位余热以水或者蒸汽的形式加热盐溶液，为其提供再生所需热量。
再参照图1分析具体流程，S1为再生后的浓溶液，经泵2升压后变为流股S2，由于此时浓溶液S2具有较高温度，因此在溶液换热器3中与稀溶液S7进行换热，回收部分热量，从而减少余热的输入，提升系统热力性能。溶液换热器3出口的浓溶液S3在一级冷却器4中与环境冷却水S23换热后降温，浓溶液S4具有一定的除湿能力；浓溶液S4进入一级吸湿塔5中对空气S11进行初步除湿后，浓度略微下降，温度略微升高。此时，中等浓溶液S5在二级冷却器6中，与循环冷冻水S22进行换热，换热后的S6具有更低的温度，除湿能力进一步加强；低温溶液S6进入二级吸湿塔7对空气S12进行深度除湿后，转变为稀溶液S7。稀溶液S7进入溶液换热器3回收浓溶液S2部分能量，稀溶液S8在再生加热器9中吸收余热的热量后升温；升温后的稀溶液S9再次进入再生器1，完成一个工质循环。
室外空气S15先在排风回热器11中换热升温后，进入再生器1中与高温稀溶液S9接触进行传热传质，升温后的空气S17在排风回热器11中放热后排空；室外空气S10先在送风回热器10中降温后，S11进入一级吸湿塔与盐溶液进行传热传质，S11脱除部分水分变为S12。S12进入二级吸湿塔7，与降温后的盐溶液S6接触，进行深度除湿。低温余热通过水或者蒸汽形式被余热制冷单元7利用，低温余热在余热制冷单元7中转化为冷量，并通过循环冷冻水S21、S22与二级冷却器相连接，并使溶液S5降温成S6，进一步提升溶液的除湿能力。
本发明提供的低温余热驱动的溶液除湿系统及方法，其系统节能性以及热力性能提高的根本原因在于：1、本发明提供的低温余热驱动的溶液除湿系统及方法，相比于常规表冷除湿系统，本系统主要消耗低温余热，大幅降低了电能的消耗。2、该方法通过集成了余热制冷设备，体现了“梯级利用”的思想，系统不仅对外部余热“分级利用”，还实现了溶液除湿能力的梯级利用，进一步提升了系统的除湿性能和热力性能。
通过对新系统的模拟计算，可知：在相同新风工况下，保证新系统和常规表冷除湿的除湿量相同，此时，表冷除湿系统耗电5.23MW，与此同时，新系统再生需要的余热量为32.2MW，制冷需要余热量为28.48MW，这里采用折合发电效率来评价新系统利用余热的能力，即是用余热代替电能的能力。从表1可看出，新系统的折合发电效率为8.62％，而在同温度下(75℃)，利用R245fa的有机朗肯循环的发电效率只有6.4％。通过对新系统和参比系统的模拟研究可表明：本发明所提出的低温余热驱动的溶液除湿系统及方法节能性优越，除湿性能高，可作为一种代替传统除湿技术的新型技术方案。
表1新系统性能参数表
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低温余热驱动的溶液除湿系统，其特征在于，该系统包括再生器(1)、溶液泵(2)、溶液换热器(3)、一级冷却器(4)、一级吸湿塔(5)、二级冷却器(6)、余热制冷单元(7)、二级吸湿塔(8)、再生加热器(9)、送风回热器(10)和排风回热器(11)，其中：
再生器(1)分为溶液侧和空气侧，溶液侧出口与溶液泵(2)入口相连接，溶液泵(2)出口与溶液换热器(3)浓溶液入口相连接，溶液换热器(3)浓溶液出口与一级冷却器(4)溶液侧入口相连接，一级冷却器(4)溶液出口与一级吸湿塔(5)溶液侧入口相连接，一级吸湿塔(5)溶液侧出口与二级冷却器(6)溶液入口相连接，二级冷却器(6)溶液出口与二级吸湿塔(8)溶液侧入口相连接，二级吸湿塔(8)溶液侧出口与溶液换热器(3)稀溶液侧入口相连接，溶液换热器(3)稀溶液侧出口与再生加热器(9)溶液侧入口相连接，再生加热器(9)溶液侧出口与再生器(1)溶液侧入口相连接，盐溶液从而实现一个工质循环；
送风回热器(10)新风出口与一级吸湿塔(5)空气侧入口相连接，一级吸湿塔(5)空气侧出口与二级吸湿塔空气侧入口相连接，二级吸湿塔(8)空气侧出口与送风回热器(10)送风侧入口相连接；排风回热器(11)新风出口与再生器(1)空气侧入口相连接，再生器(1)空气侧出口与排风回热器(11)排风侧入口相连接，空气侧从而实现一个工质循环；
余热制冷单元(7)循环冷冻水出口连接于二级冷却器(6)的循环水入口，余热制冷单元(7)循环冷冻水入口连接于二级冷却器(6)的循环水出口。
2.根据权利要求1所述的低温余热驱动的溶液除湿系统，其特征在于，所述再生器(1)是气液混合设备，设备内部空气与盐溶液进行传热传质，由于盐溶液表面水蒸汽分压力大于空气中水蒸气分压力，空气将吸收盐溶液中的部分水分。
3.根据权利要求1所述的低温余热驱动的溶液除湿系统，其特征在于，所述溶液泵(2)是液体增压设备，用于提高盐溶液压力，维持系统循环进行。
4.根据权利要求1所述的低温余热驱动的溶液除湿系统，其特征在于，所述溶液换热器(3)、送风回热器(10)、排风回热器(11)是流体换热设备，用于冷热物流之间的热量交换。
5.根据权利要求1所述的低温余热驱动的溶液除湿系统，其特征在于，所述一级冷却器(4)和二级冷却器(6)是流体换热设备，一级冷却器(4)采用环境冷却水对盐溶液进行降温，使盐溶液具有一定除湿能力；在二级冷却器(6)中盐溶液通过与余热制冷单元(7)之间循环的冷冻水换热而降温，进一步提升盐溶液除湿能力。
6.根据权利要求1所述的低温余热驱动的溶液除湿系统，其特征在于，所述一级吸湿塔(5)和二级吸湿塔(8)是气液混合吸收设备，空气和盐溶液在设备内部由于水蒸气分压力差进行传热传质，盐溶液将空气中的部分水蒸气吸收。
7.根据权利要求1所述的低温余热驱动的溶液除湿系统，其特征在于，所述余热制冷单元(7)对再生加热器出口的余热热源进行再次利用，且将低品位余热转换成冷量的设备，通过二级冷却器(6)中的循环冷冻水，使盐溶液降温，余热制冷单元为吸收式制冷装置或吸附式制冷装置。
8.根据权利要求1所述的低温余热驱动的溶液除湿系统，其特征在于，所述再生加热器(9)内部，低品位余热加热盐溶液，为其提供再生所需热量。
9.根据权利要求1所述的低温余热驱动的溶液除湿系统，其特征在于，该系统采用低温余热驱动，低温余热为工业余热、低温太阳能集热或地热；除湿溶液采用氯化锂溶液、溴化锂溶液或氯化钙溶液。
10.一种低温余热驱动的溶液除湿方法，应用于权利要求1至9中任一项所述的溶液除湿系统，其特征在于，该方法包括；
在系统输入侧，将低温余热的不同温度段的热量加以利用，高温段用以提供溶液再生过程所需热量，低温段用以提供余热制冷过程所需热量；
在系统输出侧，将溶液除湿流程设置为两级除湿，在溶液进行第一级除湿前，用环境冷却水降温，使其除湿能力上升；在溶液进行第二级除湿前，利用余热制冷设备输出冷量，使溶液进一步降温并在二级吸湿塔中进行深度除湿。
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