CN110173920A - 基于电驱动膜分离技术提升氨水溴余热型热泵性能的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电驱动膜分离技术提升氨水溴余热型热泵性能的装置，该热泵为余热型氨‑水‑溴化锂两级第二类吸收式热泵，包括一级溶液循环系统、二级溶液循环系统、制冷剂系统、供热系统，一级溶液循环系统包括高压吸收器、一级溶液热交换器、一级电驱动膜分离器、一级节流阀、低压发生器、低压分凝器、一级溶液泵，二级溶液循环系统包括低压吸收器、二级溶液热交换器、二级电驱动膜分离器、二级节流阀、高压发生器、高压分凝器、二级溶液泵。本发明装置与技术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二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余热型热泵性能的装置
技术领域
本发明涉及一种电驱动膜分离装置的新型第二类两级氨水吸收式热泵技术,属于热泵技术技术领域。
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。第二类吸收式热泵系统是指将较低温度的废热变为较高温度可利用的热量的热泵，是升温型热泵，双级第二类吸收式热泵可以大幅度提升余热品位，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。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并减小精馏设备体积。
氨水第二类吸收式热泵依靠氨气在高压吸收器中被水吸收放出热量提高热品位，当进入吸收器的氨水溶液浓度降低时，可以提高溶液对氨的吸收能力，提高高品位热的产热量。但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，对吸收过程不利，同样会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作用，进一步提高了两级第二类氨吸收式热泵系统的性能系数。
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余热型热泵性能的装置，该系统能够实现高压级和低压级中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第二类双级氨水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。
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余热型热泵性能的装置，该热泵为余热型氨-水-溴化锂两级第二类吸收式热泵，包括一级溶液循环系统、二级溶液循环系统、制冷剂系统，其中：
一级溶液循环系统包括高压吸收器、一级溶液热交换器、一级电驱动膜分离器、一级节流阀、低压发生器、低压分凝器、一级溶液泵，其中：高压吸收器的高浓度氨低浓度溴化锂溶液出口与一级节流阀的入口相连，一级节流阀的出口与一级溶液热交换器的高温高浓度氨低浓度溴化锂溶液入口相连，一级溶液热交换器的低温高浓度氨低浓度溴化锂溶液出口与一级电驱动膜分离器的高浓度氨低浓度溴化锂溶液入口相连，一级电驱动膜分离器的高浓度氨高浓度溴化锂溶液出口与低压发生器高浓度氨高浓度溴化锂溶液入口相连，低压发生器与低压分凝器相连；低压发生器的低浓度氨高浓度溴化锂溶液出口与一级溶液热交换器的低温低浓度氨高浓度溴化锂溶液入口相连，一级溶液热交换器的低温低浓度氨高浓度溴化锂溶液出口与一级电驱动膜分离器的高温低浓度氨高浓度溴化锂溶液进口相连，一级电驱动膜分离器的低浓度氨低浓度溴化锂溶液出口与一级溶液泵进口相连，一级溶液泵出口与高压吸收器低浓度氨低浓度溴化锂溶液进口相连；
二级溶液循环系统包括低压吸收器、二级溶液热交换器、二级电驱动膜分离器、二级节流阀、高压发生器、高压分凝器、二级溶液泵；低压分凝器的氨出口与低压吸收器的氨入口相连，低压吸收器高浓度氨低浓度溴化锂溶液出口与二级溶液泵的入口相连，二级溶液泵的出口与二级溶液热交换器的低温高浓度氨低浓度溴化锂入口相连，二级溶液热交换器的高温高浓度氨低浓度溴化锂出口与二级电驱动膜分离器的高浓度氨低浓度溴化锂入口相连，二级电驱动膜分离器的高浓度氨高浓度溴化锂溶液出口与高压发生器高浓度氨高浓度溴化锂溶液入口相连，高压发生器与高压分凝器相连；高压发生器的低浓度氨高浓度溴化锂溶液出口与二级溶液热交换器的高温低浓度氨高浓度溴化锂溶液入口相连，二级溶液热交换器的低温低浓度氨高浓度溴化锂溶液出口与二级电驱动膜分离器的低浓度氨高浓度溴化锂溶液进口相连，二级电驱动膜分离器的稀浓度氨稀浓度溴化锂溶液出口与二级节流阀相连，二级节流阀与低压发生器相连；
所述制冷剂系统包括蒸发器、冷凝器、工质泵，高压分凝器的氨气出口、冷凝器、工质泵、蒸发器和高压吸收器的氨气入口依次连接；
所述一级电驱动膜分离器、二级电驱动膜分离器均为电驱动膜分离器，所述电驱动膜分离器包括一个以上的高浓度氨-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。
优选的：还包括供热系统，所述供热系统通过热源管路依次将热源、高压发生器和低压发生器串联，热源管路将余热送进入高压发生器提供热量后进入低压发生器提供热量。
优选的：所述供热系统的热源供给为80℃以上的工业余热废热热水。
优选的：还包括供回水系统，供回水系统通过回水管路依次将低压分凝器、低压吸收器的冷却盘管、冷凝器、高压吸收器串联，回水管路将回水送进入低压分凝器的吸收低温热量，再进入低压吸收器的冷却盘管吸收中温热量，回水从低压吸收器的冷却盘管出口进入冷凝器降低氨气温度，最后进入高压吸收器吸收高温热量，得到供热高温热水。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
本发明提供的含电驱动膜分离装置的氨-水-溴化锂两级第二类吸收式热泵循环系统，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。
附图说明
图1为本发明的结构示意图
其中，1为蒸发器，2为高压吸收器，3为一级溶液泵，4为一级电驱动膜分离器，5为一级溶液热交换器，6为一级节流阀，7为低压分凝器，8为低压发生器，9为低压吸收器，10为二级节流阀，11为二级电驱动膜分离器，12为二级溶液热交换器，13为二级溶液泵，14为高压发生器，15为高压分凝器，16为冷凝器，17为工质泵。
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。
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余热型热泵性能的装置，该热泵为余热型氨-水-溴化锂两级第二类吸收式热泵，包括一级溶液循环系统、二级溶液循环系统、制冷剂系统、供热系统、供回水系统，其中：
一级溶液循环系统包括高压吸收器2、一级溶液热交换器5、一级电驱动膜分离器4、一级节流阀6、低压发生器8、低压分凝器7、一级溶液泵3，其中：高压吸收器2的高浓度氨低浓度溴化锂溶液出口与一级节流阀6的入口相连，一级节流阀6的出口与一级溶液热交换器5的高温高浓度氨低浓度溴化锂溶液入口5a相连，一级溶液热交换器5的低温高浓度氨低浓度溴化锂溶液出口5b与一级电驱动膜分离器4的高浓度氨低浓度溴化锂溶液入口4a相连，一级电驱动膜分离器4的高浓度氨高浓度溴化锂溶液出口4b与低压发生器8高浓度氨高浓度溴化锂溶液入口相连，低压发生器8与低压分凝器7相连；低压发生器8的低浓度氨高浓度溴化锂溶液出口与一级溶液热交换器5的低温低浓度氨高浓度溴化锂溶液入口5c相连，一级溶液热交换器5的高温低浓度氨高浓度溴化锂溶液出口5d与一级电驱动膜分离器4的低浓度氨高浓度溴化锂溶液进口4c相连，一级电驱动膜分离器4的低浓度氨低浓度溴化锂溶液出口4d与一级溶液泵3进口相连，一级溶液泵3出口与高压吸收器2低浓度氨低浓度溴化锂溶液进口相连；
二级溶液循环系统包括低压吸收器9、二级溶液热交换器12、二级电驱动膜分离器11、二级节流阀10、高压发生器14、高压分凝器15、二级溶液泵13；低压分凝器7的氨出口与低压吸收器9的氨入口相连，低压吸收器9高浓度氨低浓度溴化锂溶液出口与二级溶液泵13的入口相连，二级溶液泵13的出口与二级溶液热交换器12的低温高浓度氨低浓度溴化锂入口12a相连，二级溶液热交换器12的高温高浓度氨低浓度溴化锂出口12b与二级电驱动膜分离器11的高浓度氨低浓度溴化锂入口11a相连，二级电驱动膜分离器11的高浓度氨高浓度溴化锂溶液出口11b与高压发生器14高浓度氨高浓度溴化锂溶液入口相连，高压发生器14与高压分凝器15相连；高压发生器14的低浓度氨高浓度溴化锂溶液出口与二级溶液热交换器12的高温低浓度氨高浓度溴化锂溶液入口12c相连，二级溶液热交换器12的低温稀浓度氨高浓度溴化锂溶液出口12d与二级电驱动膜分离器11的低浓度氨高浓度溴化锂溶液进口11c相连，二级电驱动膜分离器11的稀浓度氨稀浓度溴化锂溶液出口11d与二级节流阀10相连，二级节流阀10与低压发生器9相连；
所述一级电驱动膜分离器4、二级电驱动膜分离器11均为电驱动膜分离器，电驱动膜分离器采用电驱动的电渗析技术，所述电驱动膜分离器包括一个以上的高浓度氨-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蒸发器1、冷凝器16、工质泵17，高压分凝器15的氨气出口、冷凝器16、工质泵17、蒸发器1和高压吸收器2的氨气入口依次连接；
纯氨在冷凝器16中被冷却水冷却凝结成液氨，液氨经工质泵17增压后在蒸发器1中吸收低品位热量蒸发出氨气，送入高压吸收器2中被吸收并产生高品位热量；
所述供热系统通过热源管路依次将热源、高压发生器14和低压发生器8串联，热源管路将余热送进入高压发生器14提供热量后进入低压发生器8提供热量。所述供热系统的热源供给为80℃以上的工业余热废热热水。
供回水系统通过回水管路依次将低压分凝器7、低压吸收器9的冷却盘管、冷凝器16、高压吸收器2串联，回水管路将回水送进入低压分凝器7的吸收低温热量，再进入低压吸收器9的冷却盘管吸收中温热量，回水从低压吸收器9的冷却盘管出口进入冷凝器16降低氨气温度，最后进入高压吸收器2吸收高温热量，得到供热高温热水。
热泵循环工作流程：高压吸收器2中低浓度氨低浓度溴化锂的氨-水-溴化锂三元工质吸收来自蒸发器1的氨气放热产生高品位热量，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经一级节流阀6节流降压后得到低压高温高浓度氨低浓度溴化锂溶液，低压高温高浓度氨低浓度溴化锂溶液进入一级溶液热交换器5进行溶液换热，得到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进入一级电驱动膜分离器4接受来自另一侧被阴阳离子交换膜筛选出的溴化锂离子，产生低压低温高浓度氨高浓度溴化锂溶液，低压低温高浓度氨高浓度溴化锂溶液进入低压发生器8；低压低温高浓度氨高浓度溴化锂溶液在低压发生器8中经余热废热加热，得到低压高温高浓度氨高浓度溴化锂溶液，低压高温高浓度氨高浓度溴化锂溶液经过精馏和低压分凝器7后产生高纯度氨蒸汽送入低压吸收器9，低压分凝器7产生的低压高温低浓度氨高浓度溴化锂溶液进入到低压发生器8中；低压发生器8发生完成后的低压低温低浓度氨高浓度溴化锂溶液经一级溶液热交换器5换热后，得到低压高温低浓度氨高浓度溴化锂溶液，低压高温低浓度氨高浓度溴化锂溶液送入一级膜分离器4中，在电场力的驱动和离子交换膜对离子选择透过特性下，把溶液中的溴化锂离子筛选到离子交换膜另一侧，产生低压高温低浓度氨低浓度溴化锂溶液，低压高温低浓度氨低浓度溴化锂溶液送入高压吸收器2吸收氨气产生高品位热能。
低压吸收器9吸收来自低压发生器8的高纯度氨蒸汽产生热量并被回水吸收，生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二级溶液泵13升压后得到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送入二级溶液热交换器12，在二级溶液热交换器12中吸热后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进入二级电驱动膜分离器11，溶液接受来自另一侧被阴阳离子交换膜筛选出的溴化锂离子，产生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进入高压发生器14，溶液在高压发生器14中再次经余热废热等中温热源加热，得到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经过精馏和高压分凝器15后产生高纯度氨蒸汽进入冷凝器16；剩余高压高温低浓度氨高浓度溴化锂溶液进入到二级溶液热交换器12，得到高压低温低浓度氨高浓度溴化锂溶液，高压低温低浓度氨高浓度溴化锂溶液进入到二级电驱动膜分离器11，在电场力的驱动和离子交换膜对离子选择透过特性下，把溶液中的溴化锂离子筛选到离子交换膜另一侧，产生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二级节流阀10节流降压后得到低压低温低浓度氨低浓度溴化锂溶液，低压低温低浓度氨低浓度溴化锂溶液进入低压吸收器9，在低压吸收器9吸收高纯度氨蒸汽，得到低压低温高浓度氨低浓度溴化锂溶液。
本发明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二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 (3)

1.一种基于电驱动膜分离技术提升氨水溴余热型热泵性能的装置，该热泵为余热型氨-水-溴化锂两级第二类吸收式热泵，其特征在于：包括一级溶液循环系统、二级溶液循环系统、制冷剂系统、供热系统，其中：
一级溶液循环系统包括高压吸收器(2)、一级溶液热交换器(5)、一级电驱动膜分离器(4)、一级节流阀(6)、低压发生器(8)、低压分凝器(7)、一级溶液泵(3)，其中：高压吸收器(2)的高浓度氨低浓度溴化锂溶液出口与一级节流阀(6)的入口相连，一级节流阀(6)的出口与一级溶液热交换器(5)的高温高浓度氨低浓度溴化锂溶液入口(5a)相连，一级溶液热交换器(5)的低温高浓度氨低浓度溴化锂溶液出口(5b)与一级电驱动膜分离器(4)的高浓度氨低浓度溴化锂溶液入口(4a)相连，一级电驱动膜分离器(4)的高浓度氨高浓度溴化锂溶液出口(4b)与低压发生器(8)高浓度氨高浓度溴化锂溶液入口相连，低压发生器(8)与低压分凝器(7)相连；低压发生器(8)的低浓度氨高浓度溴化锂溶液出口与一级溶液热交换器(5)的低温低浓度氨高浓度溴化锂溶液入口(5c)相连，一级溶液热交换器(5)的高温低浓度氨高浓度溴化锂溶液出口(5d)与一级电驱动膜分离器(4)的低浓度氨高浓度溴化锂溶液进口(4c)相连，一级电驱动膜分离器(4)的低浓度氨低浓度溴化锂溶液出口(4d)与一级溶液泵(3)进口相连，一级溶液泵(3)出口与高压吸收器(2)低浓度氨低浓度溴化锂溶液进口相连；
二级溶液循环系统包括低压吸收器(9)、二级溶液热交换器(12)、二级电驱动膜分离器(11)、二级节流阀(10)、高压发生器(14)、高压分凝器(15)、二级溶液泵(13)；低压分凝器(7)的氨出口与低压吸收器(9)的氨入口相连，低压吸收器(9)高浓度氨低浓度溴化锂溶液出口与二级溶液泵(13)的入口相连，二级溶液泵(13)的出口与二级溶液热交换器(12)的低温高浓度氨低浓度溴化锂入口(12a)相连，二级溶液热交换器(12)的高温高浓度氨低浓度溴化锂出口(12b)与二级电驱动膜分离器(11)的高浓度氨低浓度溴化锂入口(11a)相连，二级电驱动膜分离器(11)的高浓度氨高浓度溴化锂溶液出口(11b)与高压发生器(14)高浓度氨高浓度溴化锂溶液入口相连，高压发生器(14)与高压分凝器(15)相连；高压发生器(14)的低浓度氨高浓度溴化锂溶液出口与二级溶液热交换器(12)的高温低浓度氨高浓度溴化锂溶液入口(12c)相连，二级溶液热交换器(12)的低温低浓度氨高浓度溴化锂溶液出口(12d)与二级电驱动膜分离器(11)的低浓度氨高浓度溴化锂溶液进口(11c)相连，二级电驱动膜分离器(11)的低浓度氨低浓度溴化锂溶液出口(11d)与二级节流阀(10)相连，二级节流阀(10)与低压发生器(9)相连；
所述制冷剂系统包括蒸发器(1)、冷凝器(16)、工质泵(17)，高压分凝器(15)的氨气出口、冷凝器(16)、工质泵(17)、蒸发器(1)和高压吸收器(2)的氨气入口依次连接；
所述一级电驱动膜分离器(4)、二级电驱动膜分离器(11)均为电驱动膜分离器，所述电驱动膜分离器包括一个以上的高浓度氨-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；
所述供热系统通过热源管路依次将热源、高压发生器(14)和低压发生器(8)串联，热源管路将余热送进入高压发生器(14)提供热量后进入低压发生器(8)提供热量。
2.根据权利要求1所述利用电驱动膜分离提升热泵性能的装置，其特征在于：所述供热系统的热源供给为80℃以上的工业余热废热热水。
3.根据权利要求2所述利用电驱动膜分离提升热泵性能的装置，其特征在于：还包括供回水系统，供回水系统通过回水管路依次将低压分凝器(7)、低压吸收器(9)的冷却盘管、冷凝器(16)、高压吸收器(2)串联，回水管路将回水送进入低压分凝器(7)的吸收低温热量，再进入低压吸收器(9)的冷却盘管吸收中温热量，回水从低压吸收器(9)的冷却盘管出口进入冷凝器(16)降低氨气温度，最后进入高压吸收器(2)吸收高温热量，得到供热高温热水。
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