CN106564979A - 用太阳能或低温热源的一体化制冷、除湿及纯水制备系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用太阳能或低温热源的一体化制冷、除湿及纯水制备系统。由吸附式热泵系统、转轮除湿系统组成。该系统利用太阳能或低品位热能实现制冷、制备淡水和空气干燥。所述的吸附式热泵系统将经预处理过的海水通过蒸发-吸附-脱附-冷凝过程转化为淡水。通过蒸发器换热将常温水转化成冷水，该冷水作为转轮除湿系统除湿冷却器的冷源。所述的转轮除湿系统将湿空气转化成干燥空气。设有除湿转轮用于湿空气除湿，将湿空气中的水转化成淡水。所述的吸附热泵系统分子筛型吸附剂涂覆于换热器以及除湿转轮上。所述的吸附式热泵系统、转轮除湿系统的热源采用太阳能或120℃以下低品位热。

Description

用太阳能或低温热源的一体化制冷、除湿及纯水制备系统

技术领域

本发明涉及吸附式热泵、海水淡化、除湿干燥领域，特别涉及一种集海水淡化、制冷及除湿一体化系统。

背景技术

吸附热泵是一种以低品位热能驱动的节能环保型热泵技术，利用吸附剂与吸附质间的吸附热实现制冷或制热效果，特别适合采用可再生能源-太阳能及廉价的工厂余热，也适合在偏远无电的地区使用，其优点是与当前能源、环境协调发展的总趋势能很好地吻合，被称为绿色热泵技术。

吸附制冷是利用固体吸附剂对制冷剂气体的吸收，造成制冷剂液体蒸发，形成制冷效果。用作热泵循环时，制冷剂的冷凝热以及高温溶液和吸附剂的热可以作为采暖使用。其优点：1)可采用多种能源驱动循环运行：太阳能、燃油、燃气、电、蒸汽，或者各种工业废热；2)采用对环境友好的物质作为工作介质，无温室效应、破坏大气臭氧层等；3)能在不同温度范围工作；4)具有能量贮存功能，贮能期间对温度压力要求低，且无时间限制，这对于实行昼夜峰谷差电价的地区尤其适用。经对现有技术文献的检索发现，文献专利1公开了一种吸附热泵以及吸附材料作为吸附热泵用吸附材料的使用。其特征在于：被吸附物、具有用于吸附\解析被吸附物的吸附剂的吸附床、蒸发器、冷凝器，吸附材料是在骨架构造上含有铝和磷酸和杂原子的沸石。但该装置无法实现空气除湿及制备淡水。

常用的除湿方法有：冷冻除湿法、热风除湿法和吸附除湿法。吸附除湿法是采用吸附材料动态吸附空气中的水蒸气，可分为湿式液体吸收式除湿和固体吸附式除湿。其中以固体吸附剂为核心成分的转轮吸附式除湿因其具有除湿效率高、运行连续、湿度可控、结构紧凑节能节材等特点，且还可利用太阳能、工业废热等低品位的热源而具有广阔的应用前景。转轮除湿机利用硅胶、氯化锂、分子筛等吸附剂的良好亲水性吸附处理空气，使其满足湿度要求。转轮除湿机由除湿转轮、传动装置、风机、冷却器、再生加热器等组成。除湿转轮为绝热型除湿装置，蜂窝状结构表面附着有硅胶等吸湿材料，对新风进行除湿。经对现有技术文献的检索发现，文献专利2公开了一种吸附热泵耦合干燥系统，特征是：该装置由热泵系统、干燥系统和吸附除湿系统耦合而成。该发明具有干燥速率快，干燥效果好，干燥过程能耗低，可以利用太阳能、地热能或工业废热等优点，但是该装置无法实现海水或浓盐水制备淡水。

海水淡化方法主要有蒸馏法、膜法、结晶法、溶剂萃取法和离子交换法等，其中多级闪蒸(MSF)、低温多效蒸馏(LT-MED)、反渗透(R0)为三大主流海水淡化技术技术。但是这3种方法设备投资大、造价高、能耗高，对海水的预处理要求高，仅适合大规模范围生产淡水，不适合解决小量的淡水需求，比如海岛地区、偏远地区、旅游景点、类似海上平台的施工地点等的淡水需求；且这3种方法消耗短缺的电能或石化能源，对环境具有非常不利的影响。经对现有技术文献的检索发现，文献专利3公开了一种海水淡化装置，特征是：将太阳能驱动的除湿转轮应用到海水淡化装置中，以处理空气侧制得的冷冻水作为冷凝过程的冷源，系统在常压下运行，不需要压缩机或真空泵机等升降压装置，降低了耗能量。该发明降低了电力消耗，提高了太阳能利用率，但是该装置流程复杂，且无法实现湿空气的除湿。

目前，由于吸附式热泵制冷、吸附式热泵海水淡化技术、干燥除湿技术的不断发展，现有技术中已有应用。其虽能满足普通的制冷、干燥、除湿功能，但是其功能单一，结构复杂，电能或石化能源消耗量大。尤其是对于电力资源、淡水资源匮乏、气候潮湿的海岛地区或海上船舶、海上作业平台等淡水需求量小，且需求分散地区的用水、除湿以及制冷问题，难以实现有效的利用能源、系统多功能化。利用本发明的一体化系统，可以利用低品位热源驱动吸附式热泵以及转轮除湿系统，同时由海水蒸发以及空气除湿两种途径制备淡水，并且同步实现密闭空间的调温调湿。本发明的一体化系统还具有结构紧凑，低品位热源利用效率高的特点。。

专利文献1：中国发明专利授权公开号CN 1880882A

专利文献2：中国发明专利授权公开号CN 101526301 A

专利文献3：中国发明专利授权公开号CN 102674491 A

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述技术现状而提出的一种工艺合理、采用对环境友好介质、利用太阳能或低温余热的海水淡化、制冷及除湿一体化系统。

本发明所要解决的技术问题采用的技术方案为：

海水淡化、制冷及除湿一体化系统由两部分组成：固体分子筛型吸附式热泵和转轮除湿机。吸附式热泵系统利用太阳能或低品位热作为驱动热源，海水经蒸发-吸附-脱附-冷凝后产出淡水。吸附式热泵有两个吸附床，两个吸附床交替的进行吸附和脱附过程，使系统能连续的产出淡水。分子筛型吸附剂被涂覆于换热表面上，强化传热、传质过程。

当吸附床发生吸附时，吸附放热由常温水取走；当吸附床发生脱附时，由太阳能或低温热源输出的热水提供脱附热。蒸发器热源采用常温水，常温水经蒸发器换热后转化为冷水，该冷水作为转轮除湿系统冷却器的冷源。

转轮除湿系统中湿空气通过转轮的除湿区，湿空气中的水分被吸附，除湿后的干燥空气经除湿冷却器降温后输出系统，除湿冷却器的冷源采用吸附式热泵输出的冷水；再生空气经再生加热器加热后通过除湿转轮的再生区，再生加热器的热源采用太阳能或低温热源输出的热水，除湿转轮再生区中的水脱附，由再生空气带出，进入再生冷却器，再生空气中的水冷凝，经回收作为淡水输出系统，同时经脱水的再生空气排出系统。

本发明中的吸附式热泵以及转轮除湿系统所使用的水蒸汽吸附材料，只要能够在120℃以下实现水蒸汽脱附再生即可，没有特别限制，能够使用活性碳、介孔二氧化硅、分子筛、金属有机框架材料、化学有机框架材料，高分子吸附体等具有微孔，中孔，大孔结构及吸附功能的物质。从吸附特性的观点出发，特别优选为选自沸石、硅胶、介孔二氧化硅，金属有机框架材料中的1种或2种以上。作为容易吸附水蒸汽且在低温区域内可以容易地脱附的分子筛，优选铝硅酸盐类、铝磷酸盐类等分子筛，特别是从价格低廉，容易生产，吸附稳定性好的观点出发，更优选在骨架结构上至少含有Al和P的结晶性铝磷酸盐类分子筛。

本发明的吸附式热泵系统所用的分子筛涂敷在热交换器上，分子筛颗粒与粘结剂均匀混合，培烧在换热金属壁面上，减小分子筛和换热壁面的接触热阻，同时也改善了分子筛传热、传质性能，提高了循环速度。粘结剂有粘结作用，还可以提高分子筛的机械强度合稳定性，延长分子筛的使用寿命，增强烧结层的导热性能。吸附换热器优选板翅式换热器或管翅式换热器。

本发明的转轮除湿系统所用的分子筛涂敷在转轮上，分子筛颗粒与粘结剂均匀混合，焙烧在转轮基材上，均布在基材上的分子筛吸附空气中的水分。分子筛在低湿度(20％-40％)、相对高温下(40-60℃)环境下仍能有良好的吸湿性能，适用于低露点深度除湿。涂覆于除湿转轮的分子筛具有良好的耐热性能和机械强度。分子筛再生温度适中(80-120℃)，可以利用太阳能或低温余热的热量，降低转轮除湿系统能耗。

该一体化系统实现了海水淡化系统、制冷系统以及除湿干燥系统的耦合。

本发明同时利用吸附式热泵系统及转轮除湿系统制造淡水。

附图说明

图1为本发明一种海水淡化、制冷及除湿一体化系统工艺流程图。图1中1-吸附床A，2-吸附床B，3-蒸发器，4-冷凝器，5-四通阀，6-浓盐水泵，7-淡水泵，8-除湿转轮，9-除湿冷却器，10-除湿风机，11-再生加热器12-再生风机，13-再生冷却器，14-热水泵，15-常温水罐，16-热水罐，17-常温水泵，18-低温热源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明详细说明，以下仅为本发明的较佳实施例，不能以此限定本发明的范围。即大凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属于本发明所涵盖的范围。

吸附式热泵制冷系统与海水淡化系统耦合，首先去除海水中存在的颗粒泥砂、胶体、微生物等固体杂质，然后预处理过的海水经减压后进入吸附式热泵系统的蒸发器3，蒸发器3的结构为水平管喷淋式蒸发器，包括海水进口、浓海水出口、水蒸汽出口、常温水进口、冷水出口、喷淋器、金属列管等。蒸发器3处于真空状态(1-3kPa)，蒸发器的热源为常温水，常温水罐15中的常温水经常温水泵17由常温水进口进入蒸发器的金属列管换热后由冷水出口流出；常温水经蒸发器换热后转化为8-14℃的冷水，该冷水可作为转轮除湿系统冷却器13的冷源；海水经海水进口进入蒸发器的喷淋器喷淋换热，蒸发出的水蒸汽进入交替作业的并联设置的吸附床A或B(1或2)进行吸附，蒸发器3的浓海水由泵6输出系统。

吸附热泵制冷系统由两个吸附床A、B(1、2)、一个蒸发器3、一个冷凝器4组成。吸附床层由涂敷或填充了固体分子筛的板翅式换热器构成，两个吸附床(1、2)交替的进行吸附和脱附过程，吸附温度为20-40℃，脱附温度为60-80℃，发生吸附时吸附床通入常温水(经常温水泵17泵出的常温水罐15中的常温水)，由常温水取走吸附热；发生脱附时吸附床通入热水(热水罐16中的热水经热水泵14进入吸附床A或B)，由热水提供脱附热，热水罐中的热水是由太阳能或120℃以下低温热源提供热量将由温水B(由常温水吸附吸附床中的热量后形成温水A，该温水A再经冷凝器换热后温度进一步升高后形成温水B)加热后形成的。分子筛型吸附剂被涂在吸附床板翅式换热器表面上，强化了传热、传质过程。

自蒸发器3来的水蒸汽进入吸附床A或B(1或2)进行吸附，吸附放出的热量由常温水取走。吸附床A或B(1或2)达到吸附平衡之后，吸附床A或B(1或2)由常温水切换成60-80℃的热水，常温水与热水的切换由二个四通阀5实现，吸附床A或B(1或2)达到脱附温度后，开始进行脱附过程，脱附出的水蒸汽进入冷凝器4，冷凝器为壳管式冷凝器，冷凝器4冷源来自经吸附床A或B(1或2)换热的温水A(由常温水吸附吸附床中的热量后形成)，该温水A经冷凝器4换热后温度进一步升高，经换热后输出系统作为待加热的温水B加热成热水。水蒸汽经冷凝器4冷凝，冷凝水作为淡水经淡水泵7输出系统；脱附过程的热水经吸附床降温后的输入温水输出系统。

转轮除湿系统由除湿转轮8(其结构为纤维或者陶瓷与分子筛吸附剂复合而成蜂窝状转轮，转轮由密封装置分为除湿区域与再生区域)、除湿冷却器9(其结构为管壳式换热器)、再生加热器11(其结构为管壳式换热器)、再生冷却器13(其结构为管壳式换热器)、除湿风机10、再生风机12组成。新空气通过除湿转轮8的除湿区除湿后，经除湿风机10进入除湿冷却器9降温，除湿冷却器9冷源为吸附热泵制冷系统输出的8-14℃的冷水(常温水经蒸发器换热后转化为8-14℃的冷水)，经降温的干燥空气输出系统(如输出至室内)；待再生的空气(如室内的空气)经再生加热器11加热，再生加热器11热源为60～120℃的热水(如热水罐中的热水)或低温余热，被加热的再生空气通过除湿转轮8的再生区，将脱附出的水带出除湿转轮8，再生的湿空气经再生风机12进入再生冷却器13后形成再生空气，再生冷却器13冷源为8-14℃的冷水(如由常温水经蒸发器换热后转化为8-14℃的冷水)，湿空气中的水蒸汽在再生冷却器13中冷凝，冷凝水作为淡水输出除湿系统。

Claims (7)

1.用太阳能或低温热源的一体化制冷、除湿及纯水制备系统，低温热源为提供60℃-120℃温度热量的低温热源，用于制备淡水、制冷及空气干燥，其特征在于：

包括，转轮除湿机和用于海水蒸发的蒸发器；

利用吸附式热泵将预处理过去除固体杂质的海水经蒸发器蒸发-吸附床吸附-吸附床再生脱附-冷凝器冷凝过程转化为淡水，浓海水排出系统；利用蒸发器通过换热将常温水转化为冷水，该冷水可作为转轮除湿系统冷却器的冷源；

转轮除湿机的除湿转轮至少分为除湿区和再生区两部分；利用除湿转轮将湿空气转化成干燥空气；利用待再生空气将除湿转轮再生区中的水脱除，之后通过冷却将再生空气中的水汽冷凝成淡水。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：采用并联的两个吸附剂床，交替的进行吸附、脱附过程。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：包括，1)固体分子筛型吸附式热泵；2)固体分子筛型吸附剂转轮除湿机；分子筛型吸附剂涂覆于吸附式热泵的吸附床换热器表面上；除湿转轮含有固体分子筛型吸附剂。

4.根据权利要求1所述的吸附热泵系统，其特征在于：低温热源为太阳能、地热、工业余热或废热。

5.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：除湿冷却器的冷源采用吸附热泵输出的冷水；再生加热器的热源采用太阳能或其他低温热源，其他低温热源为地热、工业余热或废热。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：用太阳能或低温热源的一体化制冷、除湿及纯水制备系统包括，1)固体分子筛型吸附式热泵；2)固体吸附剂转轮除湿机；3)用于海水蒸发的蒸发器；4)太阳能集热器或低温热源及热水存贮罐；5)淡水回收；海水经蒸发器蒸发，在固体分子筛型吸附式热泵中生成冷水和淡水，冷水用以作为制冷冷源；固体吸附剂转轮除湿机吸附空气中的水分实现空气除湿同时生成淡水；吸附式热泵生成的淡水与转轮除湿机生成的淡水进行回收利用；太阳能集热器或低温热源生成的热水由热水存贮罐供应给固体分子筛型吸附式热泵及转轮除湿机，使得吸附式热泵及转轮除湿机中的分子筛脱水再生。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：具体结构为，

预处理去除固体杂质的海水经减压后进入吸附式热泵系统的蒸发器，蒸发器的结构为水平管喷淋式蒸发器，常温水罐中的常温水经常温水泵由常温水进口进入蒸发器的列管换热后由冷水出口流出；常温水经蒸发器换热后转化为冷水，该冷水可作为转轮除湿系统冷却器的冷源；海水经海水进口进入蒸发器的喷淋器喷淋换热，蒸发出的水蒸汽进入交替作业的并联设置的吸附床A或B进行吸附，蒸发器的浓海水由泵输出系统；

吸附热泵制冷系统由两个吸附床A、B、一个蒸发器、一个冷凝器组成；两个吸附床交替的进行吸附和脱附过程，发生吸附时吸附床通入经常温水泵17泵出的常温水罐15中的常温水，由常温水取走吸附热；发生脱附时吸附床通入经热水泵14泵出的热水罐16中的热水，由热水提供脱附热，热水罐中的热水是由太阳能或120℃以下低温热源提供热量将由常温水或由常温水先经吸附床吸热再经冷凝器换热升温后形成的温水B加热后形成的；

自蒸发器来的水蒸汽进入吸附床A或B进行吸附，吸附放出的热量由常温水取走；吸附床A或B达到吸附平衡之后，吸附床A或B由常温水切换成热水罐中的热水，常温水与热水的切换由二个四通阀实现，吸附床A或B达到脱附温度后，开始进行脱附过程，脱附出的水蒸汽进入冷凝器，冷凝器冷源来自经吸附床A或B换热的由常温水吸附吸附床中的热量后形成温水A，该温水A经冷凝器换热后温度进一步升高，经换热后输出系统作为待加热的温水B加热成热水；水蒸汽经冷凝器冷凝，冷凝水作为淡水经淡水泵输出系统；脱附过程的热水经吸附床降温后的输入温水输出系统；

转轮除湿系统由包括除湿区域与再生区域的除湿转轮、除湿冷却器、再生加热器、再生冷却器、除湿风机、再生风机；新空气通过除湿转轮的除湿区除湿后，经除湿风机进入除湿冷却器降温，除湿冷却器冷源为吸附热泵制冷系统输出的由常温水经蒸发器换热后转化的冷水，经降温的干燥空气输出系统；待再生的空气经再生加热器加热，再生加热器热源为热水罐中的热水或低温余热，被加热的再生空气通过除湿转轮的再生区，将脱附出的水带出除湿转轮，再生的湿空气经再生风机进入再生冷却器后形成再生空气，再生冷却器冷源为常温水经蒸发器换热后转化的冷水，湿空气中的水蒸汽在再生冷却器中冷凝，冷凝水作为淡水输出除湿系统。