CN110173918B - 基于电驱动膜分离技术提升氨水溴喷射式热泵性能的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电驱动膜分离技术提升氨水溴喷射式热泵性能的装置，包括溶液循环系统，所述溶液循环系统包括吸收器(5)、溶液泵(6)、喷射器(7)、溶液热交换器(8)、电驱动膜分离器(9)、分凝器(10)、发生器(11)，电驱动膜分离器(9)包括两个以上的高浓度氨‑水‑溴化锂溶液室、低浓度氨‑水‑溴化锂溶液室、阴阳离子交换膜隔，本发明利用两级喷射器分别强化蒸发器中氨的蒸发过程，根据具体工况开启喷射器，提高了环境热量的利用能力；同时利用电驱动膜分离技术保证三元工质提高发生效率并不影响吸收能力，扩大温度利用区间，并提高工业余热的在第一类吸收式热泵中的利用效率。

Description

基于电驱动膜分离技术提升氨水溴喷射式热泵性能的装置

技术领域

本发明涉及一种电驱动膜分离提升氨-水-溴化锂吸收-喷射式热泵性能的方法技术，属于热泵技术领域。

背景技术

随着人们对能源紧缺问题的关注度提高，工业余热废热的转化成为了能源利用方面的重要研究问题。造纸工业、化工印染、发电站等行业在生产过程中会产生大量温度范围在60-90℃的低品位热量废水，此温度区间的大量余热难以被直接利用，造成了能量的损失。第一类吸收式热泵系统可以利用高温热量产生大量中温热量，通过工业余热废热驱动吸收式热泵，吸收环境热量在冬季提供供暖用水是工业余热利用的有效方式。

氨水吸收式热泵使用氨-水作为工质对有价格低廉、不破坏自然环境等优点，在工业生产部件的质量和精度有保障的现代，越来越受到人们的重视。然而，氨与水的标准沸点相差相对比较小(仅有133.4℃)，氨水溶液在发生器加热沸腾分离时水含量大，对热泵机组的稳定性有影响，所以必须用精馏装置提纯氨气，对驱动热源的温度要求高，设备初投资大且精馏过程能耗大。在常规氨水二元工质中加入第三种工质溴化锂可以有效提高氨的发生效率，降低吸收式热泵对热源温度和热量的需求，使工业余热废热可以作为吸收式热泵的驱动热源。溴化锂作为第三种工质在吸收器中会阻碍氨的吸收过程，降低了吸收器中溶液对氨的吸收能力，减少了高压吸收器中的高品位热的产热量，降低第二类双级吸收式热泵的性能系数。利用电渗析技术的电驱动膜分离装置中膜对阴阳离子的选择透过性，可以实现溶液中溴化锂的合理分配，将溴化锂保留在发生器侧并将吸收器侧的溴化锂分离到发生器侧，实现溴化锂在提高氨的发生能力的同时降低了溶液对氨的吸收性能的抑制，进一步提高了两级第二类氨吸收式热泵系统的性能系数。

冬季的环境温度较低，蒸发器采用热源塔或翅片管换热器难以从环境中提取足够多热量，使得蒸发的氨量太少，吸收式热泵的性能系数太低。低浓度稀溶液节流时会产生能量损失，使用高压溶液喷射引流低压氨气的方式，消除节流的能量损耗，同时提高蒸发器中氨的蒸发能力，强化冬季室外温度的利用效果，可以有效提高供暖热水产量和热品位；且当室外温度过低时，开启补热喷射器，进一步降低蒸发温度，提高环境热量利用率和大幅度热量品位提升。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于电驱动膜分离技术提升氨水溴喷射式热泵性能的装置，该装置能够实现吸收式热泵溴化锂在吸收器和发生器中的分配，在提高高压吸收器产热能力的同时提高了氨吸收式热泵的发生效率，同时扩大了氨吸收式热泵的温度利用区间；为了解决冬季寒冷天气难以从环境取热问题，结合喷射器进一步降低蒸发温度，减少节流过程能量损耗，提高吸收式热泵性能系数。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于电驱动膜分离技术提升氨水溴喷射式热泵性能的装置，包括溶液循环系统，所述溶液循环系统包括吸收器、溶液泵、喷射器、溶液热交换器、电驱动膜分离器、分凝器、发生器，其中：

吸收器的高浓度氨低浓度溴化锂溶液出口与溶液泵的入口相连接，溶液泵的出口与溶液热交换器的低温高浓度氨低浓度溴化锂溶液入口相连，溶液热交换器的高温高浓度氨低浓度溴化锂溶液出口与电驱动膜分离器的高浓度氨低浓度溴化锂溶液入口相连，电驱动膜分离器的高浓度氨高浓度溴化锂溶液出口与发生器相连，发生器与分凝器直接连接，分凝器出口与冷凝器相连，发生器的低浓度氨高浓度溴化锂溶液出口与电驱动膜分离器的低浓度氨高浓度溴化锂溶液入口相连，电驱动膜分离器的低浓度氨低浓度溴化锂溶液出口与溶液热交换器的高温低浓度氨低浓度溴化锂溶液入口相连，溶液热交换器的低温低浓度氨低浓度溴化锂溶液出口与喷射器的入口相连，喷射器的出口与吸收器的溶液入口相连；

电驱动膜分离器包括两个以上的高浓度氨-水-溴化锂溶液室，每两个高浓度氨-水-溴化锂溶液室之间设置有一个低浓度氨-水-溴化锂溶液室，所述低浓度氨-水-溴化锂溶液室与高浓度氨-水-溴化锂溶液室之间通过一对阴阳离子交换膜隔开，同时位于两端的高浓度氨-水-溴化锂溶液室分别设置有正电极和负电极；每对阴阳离子交换膜均包括一个阳离子交换膜和阴离子交换膜，靠近正电极的高浓度溴化锂室一侧设置阴离子交换膜，靠近负电极的高浓度溴化锂室一侧设置阳离子交换膜。

进一步地：还包括制冷剂系统，所述制冷剂系统包括冷凝器、节流阀、蒸发器、补热喷射器，分凝器出口分别与冷凝器和补热喷射器的入口相连，冷凝器的出口与节流阀的入口相连，节流阀的出口与蒸发器的入口相连，蒸发器出口分别与补热喷射器和喷射器的低压气体入口相连，补热喷射器出口与吸收器的制冷剂蒸汽入口相连。

进一步地：还包括供回水系统，所述供回水系统包括供回水管路，供回水管路将吸收器、分凝器、冷凝器、热水供水网依次串联。

本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

本发明提供的一种基于电驱动膜分离技术提升氨水溴喷射式热泵性能的装置，利用三元工质提高氨的发生效率，并结合电渗析技术，降低溴化锂对吸收过程的抑制作用有更高的性能系数，三元工质的使用使工业余热废热等低品位热能可以高效应用在吸收式热泵以制取更多高品位热能；结合喷射器提高了从环境中取热的能力，提高了中温热量的产热量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中，1为冷凝器，2为节流阀，3为蒸发器，4为补热喷射器，5为吸收器，6为溶液泵，7为喷射器，8为溶液热交换器，9为电驱动膜分离器，10为分凝器，11为发生器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种基于电驱动膜分离技术提升氨水溴喷射式热泵性能的装置，如图1所示，包括溶液循环系统、制冷剂系统、供回水系统，所示溶液循环系统包括吸收器5、溶液泵6、喷射器7、溶液热交换器8、电驱动膜分离器9、分凝器10、发生器11，其中：

吸收器5的高浓度氨低浓度溴化锂溶液出口与溶液泵6的入口相连接，溶液泵6的出口与溶液热交换器8的低温高浓度氨低浓度溴化锂溶液入口8a相连，溶液热交换器8的高温高浓度氨低浓度溴化锂溶液出口8b与电驱动膜分离器9的高浓度氨低浓度溴化锂溶液入口9a相连，电驱动膜分离器9的高浓度氨高浓度溴化锂溶液出口9b与发生器11相连，发生器11与分凝器10直接连接，分凝器10出口与冷凝器1相连，发生器11的低浓度氨高浓度溴化锂溶液出口与电驱动膜分离器9的低浓度氨高浓度溴化锂溶液入口9c相连，电驱动膜分离器9的低浓度氨低浓度溴化锂溶液出口9d与溶液热交换器8的高温低浓度氨低浓度溴化锂溶液入口8c相连，溶液热交换器8的低温低浓度氨低浓度溴化锂溶液出口8d与喷射器7的入口相连，喷射器7的出口与吸收器5的溶液入口相连；系统的热源由工业余热作为热源，为发生器(11)提供热量；在发生器11中由工业余热废热为发生过程提供热量；

电驱动膜分离器9采用电渗析技术，包括两个以上的高浓度氨-水-溴化锂溶液室，每两个高浓度氨-水-溴化锂溶液室之间设置有一个低浓度氨-水-溴化锂溶液室，所述低浓度氨-水-溴化锂溶液室与高浓度氨-水-溴化锂溶液室之间通过一对阴阳离子交换膜隔开，同时位于两端的高浓度氨-水-溴化锂溶液室分别设置有正电极和负电极；每对阴阳离子交换膜均包括一个阳离子交换膜和阴离子交换膜，靠近正电极的高浓度溴化锂室一侧设置阴离子交换膜，靠近负电极的高浓度溴化锂室一侧设置阳离子交换膜；

所述制冷剂系统包括冷凝器1、节流阀2、蒸发器3、补热喷射器4，分凝器10出口分别与冷凝器1和补热喷射器4的入口相连，冷凝器1的出口与节流阀2的入口相连，节流阀2的出口与蒸发器3的入口相连，蒸发器3出口分别与补热喷射器4和喷射器7的低压气体入口相连，补热喷射器4出口与吸收器5的制冷剂蒸汽入口相连；工作时溶液热交换器的高压稀溶液进入喷射器7的高压溶液入口，引射蒸发器3的氨，降低蒸发温度和压力，提高从环境中取热的能力；在室外温度过低时，分凝器19出口的高压氨气大部分进入冷凝器1并进行节流和蒸发，少部分高压氨气直接进入喷射器7引流蒸发器5中的低压氨气，实现进一步降低蒸发器5中氨的压力和蒸发温度，提升从环境中取热的能力。

所述供回水系统包括供回水管路，供回水管路将吸收器5、分凝器10、冷凝器1、热水供水网依次串联；供回水管路将回水送进入吸收器5的管程，吸收器5管程出口与分凝器10的冷却水入口相连，分凝器10的冷却水出口与冷凝器1的冷却水入口相连，冷凝器1的冷却水出口与热水供水网相连；

热泵循环工作流程：

发生器11由工业余热废热提供热量加热溶液，顶部产生的蒸汽通过精馏塔和分凝器10得到纯氨并进入冷凝器1，底部产生的溶液进入电驱动膜分离器9。在环境温度低于15℃时，全部的纯氨进入冷凝器1被回水冷却，液氨经过节流和蒸发过程，全部由喷射器7引射进入吸收器；在环境温度低于15℃时，大部分纯氨在冷凝器1中被冷却水冷却，得到液氨和大量中温热水，小部分氨进入补热喷射器4中；液氨经节流阀2节流后进入蒸发器3，氨在蒸发器3中吸收室外环境热，蒸发完成的氨气被喷射器引射进入吸收器5后被高压低温低浓度氨低浓度溴化锂溶液吸收完成制冷剂循环。

发生器11底部的高压高温低浓度氨高浓度溴化锂溶液进入电驱动膜分离器9，在电驱动膜分离器9中将溴化锂分离到另一侧形成高压高温低浓度氨低浓度溴化锂溶液，高压高温低浓度氨低浓度溴化锂溶液进入溶液热交换器8实现热量交换，得到高压低温低浓度氨低浓度溴化锂溶液，高压低温低浓度氨低浓度溴化锂溶液经喷射器7降压后进入吸收器5，吸收器5吸收来自蒸发器的氨形成低压低温高浓度氨低浓度溴化锂溶液；低压低温高浓度氨低浓度溴化锂溶液经溶液泵6加压形成高压低温高浓度氨低浓度溴化锂溶液，高压低温高浓度氨低浓度溴化锂溶液进入溶液热交换器8实现热量回收，得到高压高温高浓度氨低浓度溴化锂溶液，高压高温高浓度氨低浓度溴化锂溶液再进入电驱动膜分离器9接收另一侧溶液中的溴化锂，形成高压高温高浓度氨高浓度溴化锂溶液，高压高温高浓度氨高浓度溴化锂溶液最后喷淋进入精馏塔完成溶液循环。

供暖回水进入吸收器5回收吸收过程产生的大量热能，再进入分凝器10中回收发生过程中消耗的部分热量并实现氨的精馏，最后进入冷凝器1冷却高温氨蒸汽并产生大量热水，完成冷却水循环。

本发明利用三元工质提高氨的发生效率，并结合电渗析技术，降低溴化锂对吸收过程的抑制作用有更高的性能系数，三元工质的使用使工业余热废热等低品位热能可以高效应用在吸收式热泵以制取更多高品位热能；结合喷射器提高了从环境中取热的能力，提高了中温热量的产热量。利用两级喷射器分别强化蒸发器中氨的蒸发过程，根据具体工况开启喷射器，提高了环境热量的利用能力；同时利用电驱动膜分离技术保证三元工质提高发生效率并不影响吸收能力，扩大温度利用区间，并提高工业余热的在第一类吸收式热泵中的利用效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于电驱动膜分离技术提升氨水溴喷射式热泵性能的装置，其特征在于：包括溶液循环系统，所述溶液循环系统包括吸收器（5）、溶液泵（6）、喷射器（7）、溶液热交换器（8）、电驱动膜分离器（9）、分凝器（10）、发生器（11），其中：

吸收器（5）的高浓度氨低浓度溴化锂溶液出口与溶液泵（6）的入口相连接，溶液泵（6）的出口与溶液热交换器（8）的低温高浓度氨低浓度溴化锂溶液入口（8a）相连，溶液热交换器（8）的高温高浓度氨低浓度溴化锂溶液出口（8b）与电驱动膜分离器（9）的高浓度氨低浓度溴化锂溶液入口（9a）相连，电驱动膜分离器（9）的高浓度氨高浓度溴化锂溶液出口（9b）与发生器（11）相连，发生器（11）与分凝器（10）直接连接，分凝器（10）出口与冷凝器（1）相连，发生器（11）的低浓度氨高浓度溴化锂溶液出口与电驱动膜分离器（9）的低浓度氨高浓度溴化锂溶液入口（9c）相连，电驱动膜分离器（9）的低浓度氨低浓度溴化锂溶液出口（9d）与溶液热交换器（8）的高温低浓度氨低浓度溴化锂溶液入口（8c）相连，溶液热交换器（8）的低温低浓度氨低浓度溴化锂溶液出口（8d）与喷射器（7）的入口相连，喷射器（7）的出口与吸收器（5）的溶液入口相连；

电驱动膜分离器（9）包括两个以上的高浓度氨-水-溴化锂溶液室，每两个高浓度氨-水-溴化锂溶液室之间设置有一个低浓度氨-水-溴化锂溶液室，所述低浓度氨-水-溴化锂溶液室与高浓度氨-水-溴化锂溶液室之间通过一对阴阳离子交换膜隔开，同时位于两端的高浓度氨-水-溴化锂溶液室分别设置有正电极和负电极；每对阴阳离子交换膜均包括一个阳离子交换膜和阴离子交换膜，靠近正电极的高浓度溴化锂室一侧设置阴离子交换膜，靠近负电极的高浓度溴化锂室一侧设置阳离子交换膜；

还包括制冷剂系统，所述制冷剂系统包括冷凝器（1）、节流阀（2）、蒸发器（3）、补热喷射器（4），分凝器（10）出口分别与冷凝器（1）和补热喷射器（4）的入口相连，冷凝器（1）的出口与节流阀（2）的入口相连，节流阀（2）的出口与蒸发器（3）的入口相连，蒸发器（3）出口分别与补热喷射器（4）和喷射器（7）的低压气体入口相连，补热喷射器（4）出口与吸收器（5）的制冷剂蒸汽入口相连。

2.根据权利要求1所述基于电驱动膜分离技术提升氨水溴喷射式热泵性能的装置，其特征在于：还包括供回水系统，所述供回水系统包括供回水管路，供回水管路将吸收器（5）、分凝器（10）、冷凝器（1）、热水供水网依次串联。

Images