CN109990427A - 一种中空纤维膜溶液复合冷凝除湿新风系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种中空纤维膜溶液复合冷凝除湿新风系统，包括新风处理组件和回风处理组件，其内部均交叉布置中空纤维膜管道与制冷剂管道，并且新风处理组件与回风处理组件的中空纤维膜管道相互连通形成除湿溶液循环管路，制冷剂管道相互连通形成制冷剂循环管路。与现有技术相比，本发明的新风湿负荷处理是采用的溶液除湿与冷凝除湿的复合形式，除湿效果更加明显，除湿溶液与空气以及其他换热设备不直接接触，避免了送风中携带除湿溶液液滴和设备的腐蚀问题，整个系统成本低、使用寿命长、节能效果显著。

Description

一种中空纤维膜溶液复合冷凝除湿新风系统

技术领域

本发明涉及一种除湿新风系统，特别涉及一种中空纤维膜溶液复合冷凝除湿新风系统。

背景技术

随着人们对办公、生活以及居住舒适度要求的提高，新风系统在建筑空调系统中的使用越来越广泛。在常规空调系统承担了建筑室内的绝大部分显然负荷的前提下，新风系统的主要任务就是处理新风和室内的潜热负荷。建筑环境内的空气湿度对于人们的舒适体验和健康有着极其重要的影响，特别是在夏季和梅雨季节，湿热的环境给人们的生活带来了极大的困扰，所以对送入室内的空气进行除湿很有必要；另一方面，对于图书馆、档案馆、博物馆、体育场、游泳馆、餐厅等公共建筑而言，空气的湿度控制与其功能的实现密切相关，在这些场所配备性能完善且高效节能的除湿机组也是其空调系统设计的重要一环。

目前工程中所使用的新风除湿机组大多数都采用的是冷凝除湿的方式。在进行冷凝除湿时，需要将进入机组内的空气温度冷却至其对应状态的露点温度以下，此时空气中的水分会冷凝析出。要实现这种方法，新风机组内制冷循环所提供的冷源温度必须非常低，而新风机组内一般都是采用的蒸汽压缩式制冷循环，即蒸汽压缩式制冷循环的运行蒸发温度必须很低，而过低的蒸发温度会极大的提升系统的能耗，所以单纯的冷凝除湿新风机组的节能效果欠佳。另外，一般经过冷凝除湿后的送风温度往往会过低，因此还需在新风机组后设置额外的再热单元，来提升送风温度，这又导致了空调系统的能耗进一步增加。

近些年，面对传统新风机组能耗过大的问题，采用非机械除湿方式的溶液除湿机组在国内外得到了广泛的应用，这类机组多采用热泵与溶液系统耦合的形式。在溶液除湿机组中，空气与除湿溶液进行直接接触，空气中的水分会被除湿溶液直接吸收，而稀释后的除湿溶液又可以利用热泵的冷凝热来进行再生。这类系统的最大优点是节能效果显著，蒸汽压缩式循环(热泵)的制冷温度不需要很低，只需要满足显热负荷的处理要求即可，热泵的冷凝热还能够被应用，另外溶液除湿过程还伴随着热量的释放，因此空气被除湿降温后温度也不会特别低。

虽然溶液除湿机组有着明显的优势，然而其运行过程中的两个问题仍待解决。首先，在溶液除湿新风机组中，空气和除湿溶液是直接接触的，这会导致送风中夹带有除湿溶液的微小液滴，影响到送入室内的空气品质；其次，目前溶液除湿机组中通常使用的氯化钙、氯化锂和溴化锂溶液对于金属都具有极强的腐蚀性，机组内的除湿溶液与换热设备进行接触时会导致管道和各种壁面的腐蚀，这会极大的降低机组运行的稳定性和使用寿命。公布号为CN101975421A和CN106979573A的两个中国发明专利申请中分别公开了两种热泵驱动的溶液除湿空调系统，这两个系统中都采用膜除湿组件来解决溶液与空气直接接触所带来的问题，然而它们的共同缺陷是除湿溶液仍需要利用额外的换热设备来进行冷却和加热，因此并没有解决设备的腐蚀问题，所以系统仍待改进。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供了一种中空纤维膜溶液复合冷凝除湿新风系统，其能够有效解决除湿溶液对设备的腐蚀问题，整个机组设备少，结构简单，且节能效果明显。

技术方案：本发明所述的中空纤维膜溶液复合冷凝除湿新风系统，包括新风处理组件和回风处理组件，其内部均交叉布置中空纤维膜管道与制冷剂管道，并且新风处理组件与回风处理组件的中空纤维膜管道相互连通形成除湿溶液循环管路，制冷剂管道相互连通形成制冷剂循环管路。

所述制冷剂循环管路中设置有压缩机和膨胀阀，新风处理组件内部的制冷剂通过压缩机进入回风处理组件，然后在回风处理组件内部流通，最后再通过膨胀阀返回新风处理组件，形成循环。

所述除湿溶液循环管路中设置有溶液泵，新风处理组件内部的除湿溶液通过溶液泵进入回风处理组件，然后在回风处理组件内部流通，最后再通过溶液泵返回新风处理组件，形成循环。

所述系统中还包括新风风道和回风风道，其进口均分别设有风机。

所述除湿溶液在只允许水分子通过膜壁而不允许溶质分子通过的中空纤维膜管道中流动。

所述新风处理组件和回风处理组件均包括串联设置的多个空气处理组件，两种空气处理组件的数量相同，且一一对应相互连通形成除湿溶液循环管路和制冷剂循环管路。

优选的，所述新风处理组件和回风处理组件均包括串联设置的两个空气处理组件，形成两级除湿系统，第一级除湿溶液循环管路中的除湿溶液为氯化钙溶液，第二级除湿溶液循环管路中的除湿溶液为氯化锂溶液或者溴化锂溶液。

本发明中空纤维膜溶液复合冷凝除湿新风系统的工作原理及优选的方案如下：

本发明所述系统优选包括两级新风处理与回风利用模块，以及相应的热泵系统、溶液循环系统和空气动力装置。

该系统中两级新风处理与回风利用模块是由两个完整的热泵驱动的溶液除湿再生系统构成。每级模块包括两个空气处理组件、一个压缩机、一个膨胀阀和两个溶液泵。溶液除湿循环的作用是除去新风中的湿负荷，热泵的作用是为系统提供冷量和溶液再生的热量，回风作为溶液再生的再生空气使用、同时可以带走热泵多余的冷凝热。在新风风道内，新风经过每级的空气处理组件时都会被除湿降温；在回风风道内，回风经过每级的空气处理组件时都会带走溶液中的水分和系统的多余冷凝热。

进一步的，所述系统中的空气处理组件为本发明的核心部件。系统内所有的空气处理组件的主体结构均采用的是中空纤维膜管道与制冷剂管道的复合形式。空气处理组件内，除湿溶液只在中空纤维膜管道内流动，中空纤维膜管道壁只允许水蒸气(水分)透过而不允许如溶质分子的其它物质透过；热泵系统的制冷剂只在制冷剂管道内流动，制冷剂管道与中空纤维膜管道采用的是横向交叉纵向平行的布置方式；空气流经空气处理组件时，通过制冷剂管壁与内部的制冷剂发生冷热量的传递，同时通过中空纤维膜管壁与其内部的除湿溶液发生水分的传递和热量的传递。

进一步的，所述系统中新风风道从新风进口端依次布置两级模块的第一空气处理组件和第二空气处理组件。新风在第一空气处理组件内完成的是初步除湿和一级降温过程，此处的中空纤维膜管道内使用的是除湿能力相对较弱的氯化钙溶液，制冷剂管道内的制冷剂温度只是低于进口处的环境空气的露点温度，新风内的水蒸气在溶液吸收和制冷剂冷凝的双重作用下析出，水蒸气最终都透过中空纤维膜壁进入到其中的管道中，此时除湿溶液被稀释，新风从第一空气处理组件流出后湿度和温度都初步降低；新风在第二空气处理组件内完成的是深度除湿和二级降温过程，此处的中空纤维膜管道内使用的是除湿能力相对较强的氯化锂或者溴化锂溶液，制冷剂管道内的制冷剂温度进一步降低至低于经初步降温和除湿后的新风所对应的露点温度，此时新风再次在溶液吸收和制冷剂冷凝的双重作用下完成深度除湿和二次降温，除湿溶液同时被稀释，新风经第二空气处理组件处理后达到送风状态，最终送入相应的空调区域。

所述系统中的除湿溶液的运行浓度范围不固定，可以根据系统的运行工况进行实时调节。

进一步的，所述系统中回风风道从回风进口端依次布置两级模块中的第三空气处理组件和第四空气处理组件，其中第四空气处理组件与第一空气处理组件属于第一级模块，第三空气处理组件与第二空气处理组件属于第二级模块。回风首先进入的是第三空气处理组件，第三空气处理组件的中空纤维膜内流动的是来自第二空气处理组件中被稀释的氯化锂或者溴化锂溶液；制冷剂管道内流动的是需要释放冷凝热的制冷剂；回风进入空气处理组件后吸收制冷剂管道所释放的冷凝热并将部分热量传递给中空纤维膜内的除湿溶液，除湿溶液吸收了热量后温度升高，此时水蒸气透过中空纤维膜壁从除湿溶液转移到回风中，除湿溶液完成再生浓度得到恢复。回风在第三空气处理组件中吸收了水分和热量后进入第四空气处理组件，第四空气处理组件的中空纤维膜内流动的是来自第一空气处理组件中被稀释的氯化钙溶液；制冷剂管道内流动的同样是需要释放冷凝热的制冷剂；进入第四空气处理组件的回风相对进入第三空气处理组件时湿度是增加的、吸湿能力有所减弱，然而第一空气处理组件完成的是对新风的初步除湿过程，所以进入第四空气处理组件中空纤维膜中的溶液浓度也更低，其再生难度相对于前面的第三空气处理组件中的除湿溶液要低；所以，此时在第三空气处理组件中，回风首先吸收了制冷剂管道的冷凝热，然后将冷凝热传递给中空纤维膜内的除湿溶液，除湿溶液升温后又将水分透过中空纤维膜壁传递给回风；最终回风携带除湿溶液排出的水分和系统的多余冷凝热后排出机组中。

进一步的，所述系统中第一空气处理组件与第四空气处理组件、第二空气处理组件与第三空气处理组件之前的溶液交换通过设置在空气处理组件之间的溶液泵和溶液管路完成。其中，第一空气处理组件的溶液进口和第四空气处理组件的溶液出口管路上设置第一溶液泵，第一空气处理组件的溶液出口和第四空气处理组件的溶液进口管路上设置第二溶液泵；第二空气处理组件的溶液进口和第三空气处理组件的溶液出口管路上设置第三溶液泵，第二空气处理组件的溶液出口和第三空气处理组件的溶液进口管路上设置第四溶液泵。

进一步的，所述系统中空气处理组件中制冷剂管道内的冷热量由两套热泵系统提供，热泵系统由压缩机、膨胀阀和制冷剂管道组成。其中，第一压缩机的进口连接至第一空气处理组件的制冷剂管道出口，第一压缩机的出口连接至第四空气处理组件的制冷剂管道进口，第一膨胀阀的进口连接第四空气处理组件的制冷剂管道出口，第一膨胀阀的出口连接至第一空气处理组件的制冷剂管道进口；第二压缩机的进口连接至第二空气处理组件的制冷剂管道出口，第二压缩机的出口连接至第三空气处理组件的制冷剂管道进口，第二膨胀阀的进口连接第三空气处理组件的制冷剂管道出口，第二膨胀阀的出口连接至第二空气处理组件的制冷剂管道进口。热泵系统的冷量可以用于对新风的降温和除湿以及对除湿溶液的降温，热泵系统的冷凝热则用于除湿溶液的再生。

所述系统的新风风道和回风风道的入口分别设置有第一风机和第二风机，为新风和回风在机组内的流动提供动力。

技术效果：本发明系统与现有技术相比，具有如下优点：

(1)与目前工程中所使用的依靠单一冷凝除湿方式的新风除湿机组相比，本发明采用溶液吸湿和冷凝除湿相复合的形式，有效的升高了冷源温度，并且经处理后的送风不需要经过再热过程，所以整体系统的节能效果更加明显；

(2)与常规的溶液除湿系统相比，本发明的空气处理组件中除湿溶液只在中空纤维膜管道内流动，中空纤维膜壁只允许水蒸气通过，因此溶液与空气不需要直接接触就可以完成水分的转移，所以送风和排风中均没有携带除湿溶液液滴，整个系统运行时更加健康和环保；

(3)与现有的热泵驱动的溶液除湿系统相比，本发明的系统中除湿溶液在利用热泵提供的冷量和热量时不需要与其它设备进行直接接触，除湿溶液与制冷剂的换热是通过空气传递的，因此本发明解决了以往除湿机组中除湿溶液对于管道和设备的腐蚀问题，使得系统运行更稳定、使用寿命更长；

(4)本发明对新风的处理优选采用两级除湿降温的模式，每级模块中根据处理负荷的不同采用的不同种类和不同参数的除湿溶液，除湿溶液的运行参数能够更好的与热泵系统的运行参数相对应，进一步有助于系统的节能运行，同时合理的溶液配制能够节省系统在除湿溶液使用上的成本投入。

附图说明

图1是本发明的系统整体结构示意图；

图2是本发明系统中空气处理组件1～4的结构俯视图；

图3是本发明系统中空气处理组件1～4以制冷剂管道处作为剖面的侧视图；

图4是本发明系统中空气处理组件1～4以中空纤维膜管道处作为剖面的侧视图。

具体实施方式

下面结合附图1～4进一步说明本发明的具体实施方式。

本发明中空纤维膜溶液复合冷凝除湿新风系统，其结构如图1所示，该系统主要包括两级新风处理与回风利用模块，系统的主要部件有4个空气处理组件和2套蒸汽压缩式热泵装置、以及相应的空气与溶液循环装置，以夏季工况为例，本发明能够实现对新风的除湿降温处理。

具体结构及工作原理如下：

具体的，机组开启时，室外新风首先由第一风机13从新风风道进口送入到第一空气处理组件1内。在第一空气组件1内，除湿溶液(氯化钙溶液)由顶部的溶液分配管道进入竖直方向并列设置的各组中空纤维膜管道中，中空纤维膜只允许水蒸气分子通过而不允许其它分子通过，新风流过中空纤维膜管道外时，由于膜内除湿溶液的水蒸气分压力低于新风，新风中的水分会通过中空纤维膜管道壁进入到膜内的除湿溶液中，此时新风被除湿而除湿溶液被稀释；制冷剂由组件顶部的制冷剂分配管道进入竖直方向并列设置的各组制冷剂管道内，在组件内制冷剂释放冷量，第一空气处理组件1内的制冷剂温度低于进入的新风的露点温度，新风经过制冷剂管道外时被除湿冷凝，冷凝水随后又被带入到中空纤维膜内，同时新风将制冷剂释放的冷量也传递给除湿溶液；除湿溶液吸收冷量后能够有助于其维持较低的水蒸气分压力，有助于除湿效果的加强。

第一空气处理组件1对新风进行了一级除湿冷却处理，第二空气处理组件2设置在第一空气处理组件1的正后方，用于对新风进行二次冷却除湿。第二空气处理组件2与第一空气处理组件1的结构相同，包含中空纤维膜管道和制冷剂管道，但是两个空气处理组件的运行工况并不一致。因为进入第二空气处理组件2内的新风相对于环境新风温度和湿度都更低，所需的除湿水蒸气分压力和冷凝温度都更低。第二空气处理组件2的中空纤维膜管道内使用的工质是氯化锂溶液或者溴化锂溶液，这两种溶液的除湿能力均强于第一空气处理组件1内所使用的氯化钙溶液。新风经过第二空气处理组件2的中空纤维膜管道时，新风中的水蒸气通过膜壁进入到除湿溶液中；同时，新风流经制冷剂管道时会被冷凝除湿，此时制冷剂的温度为了对应新风的露点，会低于第一空气处理组件1制冷剂管道内的温度，新风同样会把制冷剂管道的冷量和冷凝水带给中空纤维膜内的除湿溶液。新风在第二空气处理组件2内被除湿冷却后达到送风状态，最后送入到空调房间内。

第一空气处理组件1和第二空气处理组件2要持续工作必须有持续的冷量和一定浓度的除湿溶液供给。本发明的一种中空纤维膜溶液除湿复合冷凝除湿新风系统新风处理过程中的冷量和溶液再生过程的热量均由热泵系统供给；在本发明的回风风道中，从进口端依次布置有第三空气处理组件3和第四空气处理组件4用于除湿溶液的再生。

如图1所述的系统中，包含有两个热泵循环用于提供系统所需的冷热量，其中，第一压缩机5的制冷剂进口与第一空气处理组件1的制冷剂管道出口相连，第一压缩机5的制冷剂出口与第四空气处理组件4的制冷剂管道进口相连接，而第四空气处理组件4的制冷剂管道出口则连接至第一膨胀阀6的制冷剂进口，第一膨胀阀6的制冷剂出口则连接至第一空气处理组件1的制冷剂管道进口；第二压缩机7的制冷剂进口与第二空气处理组件2的制冷剂管道出口相连，第二压缩机7的制冷剂出口与第三空气处理组件3的制冷剂管道进口相连接，而第三空气处理组件3的制冷剂管道出口则连接至第二膨胀阀8的制冷剂进口，第二膨胀阀8的制冷剂出口则连接至第二空气处理组件2的制冷剂管道进口。热泵系统产生的冷量由制冷剂带入到第一空气处理组件1和第二空气处理组件2的制冷剂管道内，为新风的除湿降温过程提供冷量；热泵系统产生的冷凝热则由制冷剂带入到第三空气处理组件3和第四空气处理组件4中的制冷剂管道中用于除湿溶液的再生。

与新风处理组件相对应，回风风道中依次设置第三空气处理组件3和第四空气处理组件4，用于除湿溶液的再生和处理热泵的多余冷凝热，本发明专利中所有空气处理组件的结构均保持一致，具体工作方式为：机组运行时，第二风机14首先将回风送入第三空气处理组件3中，第三空气处理组件3的中空纤维膜内流动的是自第二空气处理组件2中流出的稀释氯化锂或者溴化锂溶液，制冷剂管道内流动的是自第二压缩机7送出的带有冷凝热的制冷剂，回风吸收冷凝热后传递给稀释的除湿溶液，除湿溶液温度升高后水蒸气分压力也随之升高，除湿溶液中的水分随之通过中空纤维膜壁传递到回风中，除湿溶液得以浓缩再生，吸收了水分和多余冷凝热的回风随后排出空气处理组件3；温度和湿度都升高的回风随后进入到第四空气处理组件4中，第四空气处理组件4的中空纤维膜内流动的是自第一空气处理组件1中流出的稀释氯化钙溶液，制冷剂管道内流动的是自第一压缩机5送出的带有冷凝热的制冷剂，由于第一空气处理组件1内完成的是新风的初步除湿和降温，所以第一级模块内使用的除湿溶液浓度相对于第二级模块较低，而且冷量需求也少，这使得第四空气处理组件4内的除湿溶液更容易再生，并且需要回风带走的热量也更少，所以即使进入第四空气处理组件4内的回风相对回风风道入口时温度和湿度都上升了，但是并不会影响此处溶液的再生效果和冷凝热的处理，在第四空气处理组件4内回风吸收制冷剂排出的冷凝热后同样传递给除湿溶液，中空纤维膜内除湿溶液温度上升、水蒸气分压力升高，水分通过膜壁传递给回风，除湿溶液得以再生，回风携带水分和多余冷凝热后排出机组外。

上述系统中，空气处理组件之间的除湿溶液在溶液泵的驱动下进行交换，第一空气处理组件1与第四空气处理组件4之间有溶液管道相连，用于除湿和再生溶液的交换，其中：第一溶液泵9的输入端连接至第四空气处理组件4的溶液出口，第一溶液泵9的输出端连接至第一空气处理组件1的溶液进口；第二溶液泵10的输入端连接至第一空气处理组件1的溶液出口，第二溶液泵10的输出端连接至第四空气处理组件4的溶液进口；第二空气处理组件2与第三空气处理组件3之间同样有溶液管道相连，其中：第三溶液泵11的输入端连接至第三空气处理组件3的溶液出口，第三溶液泵11的输出端连接至第二空气处理组件2的溶液进口；第四溶液泵12的输入端连接至第二空气处理组件2的溶液出口，第四溶液泵12的输出端连接至第三空气处理组件3的溶液进口。进一步的，本发明的一种中空纤维膜溶液除湿复合冷凝除湿新风系统中四个空气处理组件的热质交换主体结构均采用的是中空纤维膜管道与制冷剂管道的复合形式。图2是空气处理组件1～4的结构俯视图，制冷剂管道相互之间横向并列布置、中空纤维膜管道相互之间横向并列布置、制冷剂管道与中空纤维膜管道纵向交叉布置；图3是空气处理组件1～4以制冷剂管道处作为剖面的侧视图，每排制冷剂竖管的顶部都有一个连通的输入管道用于制冷剂的输入，每排制冷剂竖管的底部都有一个连通的输出管道用于制冷剂的流出；图4是空气处理组件1～4以中空纤维膜管道处作为剖面的侧视图，每排中空纤维膜管道上部都有一个连通的输入管道用于除湿溶液的输入，每排中空纤维膜管道下部都有一个连通的输出管道用于除湿溶液的输出，同时空气处理组件的底部还设有一个溶液槽，用于储存机组中多余的溶液，溶液槽的底部设有溶液进出口，用于除湿溶液在空气处理组件之间的交换。

Claims (7)

1.一种中空纤维膜溶液复合冷凝除湿新风系统，其特征在于，包括新风处理组件和回风处理组件，其内部均交叉布置中空纤维膜管道与制冷剂管道，并且新风处理组件与回风处理组件的中空纤维膜管道相互连通形成除湿溶液循环管路，制冷剂管道相互连通形成制冷剂循环管路。

2.根据权利要求1所述的中空纤维膜溶液复合冷凝除湿新风系统，其特征在于，所述制冷剂循环管路中设置有压缩机和膨胀阀，新风处理组件内部的制冷剂通过压缩机进入回风处理组件，然后在回风处理组件内部流通，最后再通过膨胀阀返回新风处理组件，形成循环。

3.根据权利要求1所述的中空纤维膜溶液复合冷凝除湿新风系统，其特征在于，所述除湿溶液循环管路中设置有溶液泵，新风处理组件内部的除湿溶液通过溶液泵进入回风处理组件，然后在回风处理组件内部流通，最后再通过溶液泵返回新风处理组件，形成循环。

4.根据权利要求1所述的中空纤维膜溶液复合冷凝除湿新风系统，其特征在于，所述系统中还包括新风风道和回风风道，其进口均分别设有风机。

5.根据权利要求1所述的中空纤维膜溶液复合冷凝除湿新风系统，其特征在于，所述除湿溶液在只允许水分子通过膜壁而不允许溶质分子通过的中空纤维膜管道中流动。

6.根据权利要求1所述的中空纤维膜溶液复合冷凝除湿新风系统，其特征在于，所述新风处理组件和回风处理组件均包括串联设置的多个空气处理组件，两种空气处理组件的数量相同，且一一对应相互连通形成除湿溶液循环管路和制冷剂循环管路。

7.根据权利要求6所述的中空纤维膜溶液复合冷凝除湿新风系统，其特征在于，所述新风处理组件和回风处理组件均包括串联设置的两个空气处理组件，形成两级除湿系统，第一级除湿溶液循环管路中的除湿溶液为氯化钙溶液，第二级除湿溶液循环管路中的除湿溶液为氯化锂溶液或者溴化锂溶液。