CN111473660B - 一种基于真空膜蒸馏的热源塔溶液再生系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于真空膜蒸馏的热源塔溶液再生系统，包括热源塔热泵系统、溶液循环加热系统、中空纤维膜组件和真空冷凝收集系统；所述溶液循环加热系统用于将热源塔泵系统中稀的循环喷淋防冻液加热到设定温度并送入所述的中空纤维膜组件；所述中空纤维膜组件用于将加热后的稀溶液中的部分水分分离后变成浓溶液用作热源塔热泵系统的防冻液；所述真空冷凝收集系统用于将所述中空纤维膜组件中分离出来的水蒸气进行冷凝回收。本发明再生效率高、能耗小、成本低、应用范围广。

Description

一种基于真空膜蒸馏的热源塔溶液再生系统

技术领域

本发明属于溶液再生及膜蒸馏领域，具体涉及一种基于真空膜蒸馏的热源塔溶液再生系统。

背景技术

热源塔热泵系统是一种采用空气作为冷热源，通过水和空气的接触，从空气中吸收或释放热能，为建筑物供暖或供冷的新型热泵系统。在冬季，该系统利用冰点低于零度的特殊载体介质，高效提取低温环境下的相对湿度较高的空气中的低品位热能，通过向能源塔热泵机组输入少量高品位能源，实现低温环境下低品位热能向高品位转移，进而对建筑物进行供热以及提供热水，避免了空气源热泵的结霜及地源热泵受地理条件限制的问题；在夏季，该系统按照常规的水冷冷水机组制冷模式运行，通过蒸发作用来散去空调中产生的热量，从而达到调节温度的目的。热源塔热泵特别适合于夏热冬冷，低温高湿的长江中下游地区，具有很大的节能优势。

防冻液是热源塔热泵系统的关键组成部分。冬季，室外气温一般低于0℃，为防止发生冻结危险，热源塔热泵系统一般采用冰点低于零度的醋酸钾、氯化钠、氯化钙或溴化锂等盐溶液作为循环工质。热源塔热泵系统在冬季制热运行时，由于空气中水蒸汽与溶液表面的水蒸汽存在分压力差，空气中的水分将进入溶液，使溶液的浓度降低，溶液的冰点将上升。为了保证系统运行的安全可靠，需要将溶液从空气中吸入的水分从溶液中排出，提高溶液的浓度，即实现溶液的再生。

膜蒸馏是将膜技术和传统蒸馏技术结合在一起的一种新型分离技术。膜蒸馏所用的膜具有较强的疏水性，只有蒸汽能够进入并透过膜孔,液体不能透过膜孔,膜两侧组分的蒸汽压差作为传质的推动力,因此可以实现液体和气体的分离。膜蒸馏一般可分为四种类型：直接接触式膜蒸馏（DCMD）、气隙式膜蒸馏（AGMD）、真空式膜蒸馏（VMD）、气扫式膜蒸馏（SGMD）。其中, 真空膜蒸馏（VMD）能够获得最大的膜两侧蒸气压差亦即最大的驱动力、最小的膜孔内蒸气传质阻力和最小的跨膜的热传导,因而也能获得较高的蒸气通量。图2简述了中空纤维膜真空膜蒸馏的基本原理,稀的热料液从中空纤维膜的一端进入膜的内侧，在膜的内表面上蒸发,蒸气通过膜孔到达中空纤维膜的真空侧,在真空负压下,蒸气流入外置的冷凝装置中冷凝成液体，膜丝内侧的溶液也因水分的蒸发而由稀变浓，并从膜丝的另外一端流出，从而实现溶液的再生。

因此，将溶液再生技术和真空膜蒸馏技术相结合，开发一种简单易行的热源塔防冻液再生系统，使之成本低、节约能源、实用效率高，对于热源塔热泵系统的推广和大规模应用有着重要的意义。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种再生效率高、能耗小、成本低、应用范围广和能够大规模应用的基于真空膜蒸馏的热源塔溶液再生系统，以确保溶液浓度维持在一定范围内，保证机组能够持续正常运行。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种基于真空膜蒸馏的热源塔溶液再生系统，包括热源塔热泵系统、溶液循环加热系统、中空纤维膜组件和真空冷凝收集系统；所述溶液循环加热系统用于将热源塔泵系统中稀的循环喷淋防冻液加热到设定温度并送入所述的中空纤维膜组件；所述中空纤维膜组件用于将加热后的稀溶液中的部分水分水份分离后变成浓溶液用作热源塔热泵系统的防冻液；所述真空冷凝收集系统用于将所述中空纤维膜组件中分离出来的水蒸气进行冷凝回收。

所述的基于真空膜蒸馏的热源塔溶液再生系统，所述热源塔热泵系统包括热源塔、与热源塔通过热源塔端循环泵连接的热泵机组、设置在热源塔里面的换热盘管、位于热源塔底部的喷淋池，所述热泵机组通过用户端循环泵连接用户端循环回路，所述喷淋池通过喷淋泵连接设置在热源塔内部上方的喷淋管道，所述喷淋池通过管道连接再生溶液储存箱，所述喷淋池还连接有自来水供给管道以及喷淋液泄放管道，所述自来水供水管道上设置有自来水进水阀，所述喷淋水泄放管道上设置有喷淋水泄放阀，所述喷淋池通过溶液补给管道和喷淋溶液泄放管道连接储液箱，所述溶液补给管道上安装有溶液进口阀和溶液补给泵，所述喷淋溶液泄放管道上安装有喷淋溶液泄放阀。

所述的基于真空膜蒸馏的热源塔溶液再生系统，所述热源塔里面还设置有风机，所述热源塔上位于所述换热盘管和所述喷淋池之间设置有进风栅。

所述的基于真空膜蒸馏的热源塔溶液再生系统，所述溶液循环加热系统包括与所述喷淋池通过管道连接的再生溶液存储箱、所述再生溶液储存箱通过再生溶液泄放管道连接储液箱，所述再生溶液泄放管道上设置有再生溶液泄放阀，所述再生溶液储存箱通过管道连接太阳能加热器，所述太阳能加热器通过管道连接电加热器，所述电加热器连接所述的中空纤维膜组件，所述再生溶液储存箱与所述太阳能加热器之间的连接管道上依次设置有电磁阀一、溶液泵、流量调节阀、流量计；太阳能加热器与所述电加热器的连接管道上设置有温度控制器一、电磁阀二；所述电加热器与所述中空纤维膜组件之间的连接管道上设置有温度控制器二、电磁阀三。

所述的基于真空膜蒸馏的热源塔溶液再生系统，所述中空纤维膜组件由若干个中空纤维膜将其分成热料液侧和真空侧，所述真空侧连接所述真空冷凝收集系统，所述热料液侧的出液口通过管路连接所述的再生溶液储存箱。

所述的基于真空膜蒸馏的热源塔溶液再生系统，所述真空冷凝收集系统包括冷凝装置，所述冷凝装置连接冷凝水箱，所述冷凝水箱依次连接干燥器、电磁阀四、缓冲罐、真空泵，所述真空压力控制器输出控制信号控制电磁阀四。

所述的基于真空膜蒸馏的热源塔溶液再生系统，还包括有液位自动控制系统，所述液位自动控制系统包括安装在所述喷淋池里面的液位监控器一、安装在所述再生溶液储存箱里面的液位监控器二、液位监控器三、液位监控器四，安装在喷淋池与再生溶液储存箱之间的连接管道上的电磁阀五、安装在再生溶液储存箱与储液箱之间的管道上的电磁阀六、安装在再生溶液储存箱与所述太阳能加热器之间的连接管道上的电磁阀一。

有益效果：

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明采用真空膜蒸馏技术易获得较大的膜两侧蒸汽分压力差，气体传质阻力小，通过膜的热传导损失可以忽略，因此过程通量大，再生效率高，且运行时对操作温度和操作压力要求较低。

2、本发明中设置多个控制器和电磁阀，能自动对喷淋池中的溶液进行再生，以使溶液的浓度保持在合理的范围之内，不但控制精准，而且减少了人力的投入，大大降低了运营成本。

3、本发明将太阳能加热和电加热耦合，充分利用了自然界的清洁能源，具有节能减排的效果。

4、本发明具有占地面积小、重量轻、操作简单，且可根据外界状况对操作条件进行优化。

5、本发明制造成本低，易于安装维护，适合于大规模应用。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据本发明的具体实施方式并结合附图，对本发明作进一步的详细说明，其中：

图1为本发明所述一种基于真空膜蒸馏的热源塔溶液再生系统的结构示意图；

图2为本发明所述真空膜蒸馏的原理示意图；

图中：1-用户端循环回路，2-用户端循环泵，3-热泵机组，4-热源塔端循环泵，5-换热盘管，6-热源塔，7-喷淋循环泵，8-喷淋池，9-再生溶液储存箱，10-电磁阀一，11-溶液泵，12-流量调节阀，13-流量计，14-太阳能加热器，15-温度控制器，16-电磁阀二，17-电加热器，18-温度控制器，19-电磁阀三，20-中空纤维膜组件，21-冷凝装置，22-冷凝水箱，23-干燥器，24-电磁阀四，25-缓冲罐，26-真空泵，27-进风栅，28-风机，29-自来水进水阀，30-喷淋溶液泄放阀，31-喷淋水泄放阀，32-溶液进口阀，33-溶液补给泵，34-储液箱，35-液位监控器一，36-电磁阀五，37-液位监控器二，38-液位监控器三，39-电磁阀六，40-液位监控器四，41-真空压力控制器，42-泄放阀，43-再生溶液泄放阀，44-热料液侧，45-真空侧，46-水蒸气。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1中所示，本实施例中公开了一种基于真空膜蒸馏的热源塔溶液再生系统，系统组成包括：热源塔热泵系统、溶液循环加热系统、中空纤维膜组件和真空冷凝收集系统。

其中，热源塔热泵系统包括用户端循环回路1、用户端循环泵2、热泵机组3、热源塔端循环泵4、换热盘管5、热源塔6、喷淋循环泵7。热泵机组3通过用户端循环泵2与用户端循环回路1相连接，热泵机组3中的传热介质通过热源塔端循环泵4泵送至换热盘管5与喷淋而下的防冻溶液进行热交换，喷淋循环泵7用于将喷淋池8中的液体泵送至高处喷淋循环使用。

溶液循环加热系统包括再生溶液储存箱9、电磁阀一10、溶液泵11、流量调节阀12、流量计13、太阳能加热器14、温度控制器15、电磁阀二16、电加热器17、温度控制器18、电磁阀三19、中空纤维膜组件20。再生溶液储存箱9中的稀溶液由溶液泵11泵送至加热模块加热到设定温度后进入中空纤维膜组件20，热溶液在中空纤维膜组件20内蒸发，蒸发后的浓溶液继续回流至再生溶液储存箱9，由此不断循环。

中空纤维膜组件20内包含多根中空纤维膜，并将膜组件划分为热料液侧44和真空侧45。因中空纤维膜具有很强的疏水性，使得热料液侧44的溶液不能穿过膜孔到达另一侧，而热料液侧44的溶液产生的水蒸气46在膜两侧的蒸气压差下，穿过膜孔进入真空侧45，在真空侧45冷凝，从而实现溶液中水分的分离。膜丝内部的溶液也由稀而变浓，并继续回流至再生溶液储存箱9，从而实现热源塔6中防冻溶液的再生。中空纤维膜的材质包括以下几种：PTFE、PVDF、PP。

真空冷凝收集系统包括冷凝装置21、冷凝水箱22、干燥器23、电磁阀四24、缓冲罐25、真空泵26，上述各部件依次相连形成通路。所述冷凝装置21对从中空纤维膜组件20中出来的水蒸气进行冷凝，冷凝水顺势流入冷凝水箱22中，真空泵26用于维持系统整个真空侧的真空度。

本发明的具体运行方法如下：

冬季工况下，关闭自来水进水阀29和喷淋溶液泄放阀30，打开喷淋水泄放阀31，将夏季工况下喷淋池8中的喷淋水彻底释放掉，然后开启溶液进口阀32和溶液补给泵33将储液箱34中的溶液注入至喷淋池8中，并将其液面调至适当高度。

此时，热源塔换热盘管5内流动工质也更换为防冻溶液，高效提取空气中水蒸气凝结为水的过程中所放出的能量，以达到制热目的。当换热盘管5表面温度低于冰点时，防霜系统会立即启动，喷淋防冻溶液，以降低换热盘管5表面冰点，从而确保热泵机组3能够高效安全运行。防冻溶液在喷淋过程中，由于空气中水蒸汽与溶液表面的水蒸汽存在分压力差，空气中的水分将进入防冻溶液，使溶液的浓度降低，溶液的冰点将上升。为了保证系统运行的安全可靠，需要将溶液从空气中吸入的水分从溶液中排出，提高溶液的浓度，以实现溶液的再生。

热源塔6在运行过程中，喷淋池8中的液面会因循环喷淋溶液吸收水分而上升，当液位监控器一35检测到喷淋池8中的液面上升至预设的高度H1时，液位监控器一35给出控制信号打开电磁阀五36，喷淋池8中多余的溶液流入再生溶液储存箱9；当再生溶液储存箱9中的液面上升至液位监控器二37预设的高度H2时，液位监控器二37给出控制信号关闭电磁阀五36，开启电磁阀一10，真空膜蒸馏再生系统开始运行；当再生溶液储存箱9中的液面下降至液位监控器三38预设的高度H3时，液位监控器三38给出控制信号关闭电磁阀一10，开启电磁阀六39，通过溶液补给泵33将再生后的溶液泵入喷淋池8中；当再生溶液储存箱9中的液面下降至液位监控器四40预设的高度H4时, 液位监控器四40给出控制信号关闭电磁阀六39，停止向喷淋池8中泵送溶液。当喷淋池8中的液面再次上升至液位监控器一35预设的高度H1时，真空膜蒸馏系统继续进入新一轮的循环。中空纤维膜组件20入口的流量通过流量调节阀12和流量计13进行调节。

在系统进行真空膜蒸馏过程中，溶液泵11泵送的稀溶液首先经太阳能加热器14加热，加热后的溶液经温度监控器15检测，若温度达到温度监控器15设定的温度，温度监控器15给出控制信号打开电磁阀二16，热溶液进入中空纤维膜组件20蒸发；若温度未达到温度监控器15设定的温度，则溶液继续流经电加热器17进行加热，直到温度达到温度监控器18所设定的温度时，温度监控器18才给出控制信号使电磁阀三19打开，热溶液得以进入中空纤维膜组件20蒸发。

该系统真空侧的压力通过真空压力控制器41来控制，当真空压力控制器41检测到系统的真空度高于所设定的真空度上限时，真空压力控制器41给出控制信号关闭电磁阀四24停止抽真空；当系统的真空度回落到所设定的真空度下限时，真空压力控制器41给出控制信号打开电磁阀四24开始抽真空，直至达到所设定的真空度上限才停止抽真空。由此不断进行循环，从而使系统的真空度稳定在某一特定值的上下小范围内。

该系统中的冷凝装置21用于对从中空纤维膜组件20出来的水蒸气进行冷凝，冷凝装置21中冷却水来自于热泵机组3的蒸发器支路，以实现能量的互补利用。真空侧未被冷凝装置21冷凝下来的水蒸气通过干燥管23来吸收，以防止水蒸气对电磁阀四24和真空泵26造成腐蚀和液击；系统真空侧还设置了缓冲罐25用于缓冲系统压力的波动，从而避免了真空泵26因系统压力的变化而频繁启停，同时也避免了真空压力控制器41的示数变化与系统真实压力的不同步；冷凝水箱22中的冷凝水和系统的真空压力通过泄放阀42来泄放。

当冬季工况结束切换到夏季工况时，先关闭喷淋水泄放阀31，打开喷淋溶液泄放阀30，打开再生溶液泄放阀43，将喷淋池8和再生溶液储存箱9中的溶液全部排到储液箱34中，然后开启自来水进水阀29给喷淋池8中注入适当高度的冷却水。当喷淋池8中的冷却水因飘液而有所损失时，可开启自来水进水阀29对其进行补充。

本发明还可以有其它实施方式，凡依据本发明的技术实质所采用的任何细微修改、等效变换、替代所形成的技术方案，均落在本发明专利要求保护的范围之内。

Claims (1)

1.一种基于真空膜蒸馏的热源塔溶液再生系统，其特征在于：包括热源塔热泵系统、溶液循环加热系统、中空纤维膜组件和真空冷凝收集系统；所述溶液循环加热系统用于将热源塔热泵系统中稀的循环喷淋防冻液加热到设定温度并送入所述的中空纤维膜组件；所述中空纤维膜组件用于将加热后的稀溶液中的部分水分分离后变成浓溶液用作热源塔热泵系统的防冻液；所述真空冷凝收集系统用于将所述中空纤维膜组件中分离出来的水蒸气进行冷凝回收；

所述热源塔热泵系统包括热源塔（6）、与热源塔（6）通过热源塔端循环泵（4）连接的热泵机组（3）、设置在热源塔里面的换热盘管（5）、位于热源塔底部的喷淋池（8），所述热泵机组（3）通过用户端循环泵（2）连接用户端循环回路（1），所述喷淋池（8）通过喷淋泵连接设置在热源塔内部上方的喷淋管道，所述喷淋池（8）通过管道连接再生溶液储存箱（9），所述喷淋池（8）还连接有自来水供水管道以及喷淋液泄放管道，所述自来水供水管道上设置有自来水进水阀（29），所述喷淋池（8）通过溶液补给管道和喷淋液泄放管道连接储液箱（34），所述溶液补给管道上安装有溶液进口阀（32）和溶液补给泵（33），所述喷淋液泄放管道上安装有喷淋液泄放阀（30），在喷淋液泄放阀（30）上游的喷淋液泄放管道上连通有喷淋水泄放管道，所述喷淋水泄放管道上设置有喷淋水泄放阀（31）；

所述热源塔里面还设置有风机（28），所述热源塔（6）上位于所述换热盘管（5）和所述喷淋池（8）之间设置有进风栅（27）；

所述溶液循环加热系统包括与所述喷淋池（8）通过管道连接的再生溶液储存箱（9）、所述再生溶液储存箱（9）通过再生溶液泄放管道连接储液箱（34），所述再生溶液泄放管道上设置有再生溶液泄放阀（43），所述再生溶液储存箱（9）通过管道连接太阳能加热器（14），所述太阳能加热器通过管道连接电加热器（17），所述电加热器连接所述的中空纤维膜组件（20），所述再生溶液储存箱（9）与所述太阳能加热器（14）之间的连接管道上依次设置有电磁阀一（10）、溶液泵（11）、流量调节阀（12）、流量计（13）；太阳能加热器与所述电加热器的连接管道上设置有温度控制器一（15）、电磁阀二（16）；所述电加热器与所述中空纤维膜组件之间的连接管道上设置有温度控制器二（18）、电磁阀三（19）；

所述中空纤维膜组件（20）由若干个中空纤维膜将其分成热料液侧（44）和真空侧（45），所述真空侧（45）连接所述真空冷凝收集系统，所述热料液侧（44）的出液口通过管路连接所述的再生溶液储存箱（9）；

所述真空冷凝收集系统包括冷凝装置（21），所述冷凝装置（21）连接冷凝水箱（22），所述冷凝水箱（22）依次连接干燥器（23）、电磁阀四（24）、缓冲罐（25）、真空泵（26），所述真空压力控制器（41）输出控制信号控制电磁阀四（24）；

还包括有液位自动控制系统，所述液位自动控制系统包括安装在所述喷淋池（8）里面的液位监控器一（35）、安装在所述再生溶液储存箱（9）里面的液位监控器二（37）、液位监控器三（38）、液位监控器四（40），安装在喷淋池（8）与再生溶液储存箱（9）之间的连接管道上的电磁阀五（36）、安装在再生溶液储存箱（9）与储液箱（34）之间的管道上的电磁阀六（39）、安装在再生溶液储存箱（9）与所述太阳能加热器（14）之间的连接管道上的电磁阀一（10）。

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