CN111765550A - 一种基于闪蒸再生的溶液除湿及淡水制取复合系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于闪蒸再生的溶液除湿及淡水制取复合系统，包括由除湿器和闪蒸再生器组成的溶液除湿循环回路；所述除湿器内设有除湿填料，除湿填料的上部设有布液器，相变除湿液通过布液器喷洒在除湿填料上，湿空气通过风机从除湿器下部进入除湿器中；闪蒸再生器内包括冷凝管和喷淋管，冷凝管通过管道与外部冷却水池形成冷却水循环回路；被除湿后的干燥空气从除湿器上部的排气口排出，被稀释并吸热的相变除湿液通过连接管道进入闪蒸再生器中并通过闪蒸再生器内的喷淋管喷出，相变除湿液喷出瞬间闪蒸形成的蒸汽在冷凝管作用下形成液体并被集水盘收集；未闪蒸的相变除湿液进入溶液槽中，通过溶液泵送入除湿器中通过布液器喷洒出来再次进行除湿。

Description

一种基于闪蒸再生的溶液除湿及淡水制取复合系统
技术领域
本发明涉及一种基于闪蒸再生的溶液除湿及淡水制取复合系统。
背景技术
在制冷空调领域，现有研究针对溶液除湿和再生过程的性能提升进行了大量积极有益的探索。在溶液除湿/再生过程中，分别对应着空气中水分被吸收和溶液中水分汽化，伴随着水分进入/离开溶液的质量迁移，同时也发生水分相变潜热传递，导致溶液温度升高或降低，这一溶液热力学状态的变化进而会制约除湿/再生过程热质交换效率，且理论上水分质量迁移越大，其相变潜热带来对传质过程的反向抑制效应越明显。常规技术措施是通过设置内部换热管、采用冷源或热源(即内冷或内热)对这一问题进行改善，但并没有从根本上解决热质交换强化与溶液热力状态变化过程间的内在矛盾。此外，从再生或除湿过程单一角度进行改进，会对系统中其它过程及系统整体带来不容忽视的影响，比如虽然除湿效率提高，但是除湿溶液的再生过程会导致能耗大幅增大，因此需要从系统协同角度进行审视。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于闪蒸再生的溶液除湿及淡水制取复合系统，该系统在对空气进行除湿实现空调作用的同时，也对溶液闪蒸再生排放的水蒸汽进行常温冷凝而获得淡水，不仅实现了空调溶液除湿与闪蒸淡水制取的有机结合，而且也解决了现有含有相变微胶囊除湿溶液的再生问题。
本发明的技术方案为：一种基于闪蒸再生的溶液除湿及淡水制取复合系统，包括由除湿器和闪蒸再生器组成的溶液除湿循环回路；所述除湿器内设有除湿填料，所述除湿填料的上部设有布液器，相变除湿液通过布液器喷洒在除湿填料上，湿空气通过风机从除湿器下部通入除湿器中；所述闪蒸再生器内包括冷凝管以及喷淋管，冷凝管通过管道与外部冷却水池形成冷却水循环回路；除湿后的干燥空气从除湿器上部的排气口排出，被稀释并吸热的相变除湿液通过连接管道进入闪蒸再生器中并通过闪蒸再生器内的喷淋管喷出，相变除湿液喷出瞬间闪蒸形成的蒸汽在冷凝管作用下形成液体并被集水盘接收；未闪蒸的相变除湿液进入溶液槽中，通过溶液泵送入除湿器中通过布液器喷洒出来再次进行除湿。
其中，所述相变除湿液通过在除湿盐溶液中添加质量分数不超过10％的相变微胶囊而得到；其中，除湿盐溶液为氯化锂溶液、溴化锂溶液或氯化钙溶液。
其中，所述相变除湿液具体由如下方法制备而成：将相变微胶囊加入除湿盐溶液中，搅拌使相变微胶囊分散均匀后，往悬浮液中加入复合表面活性剂，继续搅拌得到稳定的相变除湿液。本发明采用相变微胶囊除湿悬浮液(相变除湿液)作为工作流体。
其中，所述闪蒸再生器通过真空泵与外部抽真空装置连接。
其中，所述闪蒸再生器包括通过隔板隔离的淡水制取区和溶液再生区，所述冷凝管位于淡水制取区，所述喷淋管位于溶液再生区，所述冷凝管下方设有集水盘，所述喷淋管下方设有浓溶液盘。
其中，所述集水盘通过管道与水槽连接，所述浓溶液盘通过管道与溶液槽连接。
其中，所述隔板的高度不低于喷淋管喷嘴至闪蒸再生器底板的垂直距离。
其中，还包括太阳能电池板，太阳能电池板通过逆变器分别给系统中的各个泵和风机供电。
添加相变微胶囊后可以显著提高除湿溶液的除湿量与除湿效率。实验数据显示：当微胶囊在相变除湿液中质量浓度为0.5％时，除湿量和除湿效率比纯氯化锂溶液分别提高了8.9％和8.2％。对除湿过程的强化作用随相变微胶囊用量的增加而提高，当微胶囊用量达到2％时，除湿量和除湿效率分别比纯氯化锂溶液提高了18％和17％。添加相变微胶囊的除湿液比同温度下的氯化锂基液具有更低的表面水蒸气分压力，在相变除湿液中，水分子粒径远小于微胶囊颗粒，部分水分子会包裹在微胶囊颗粒上，导致逸出的自由水分子数目减少，表面蒸汽压降低。因此相变除湿液比氯化锂溶液具有更大的除湿能力，除湿过程具有更大的质量传递驱动力。测量结果显示：在35％质量浓度的氯化锂溶液基液中，添加微胶囊质量浓度为2.0％时，在温度为293.2K、298.2K、303.2K、308.2K和313.2K条件下，对应相变除湿液的表面蒸汽压降低率分别为10.68％、11.86％、14.34％、12.04％和10.55％。除湿过程中的水蒸气释放的汽化潜热部分被微胶囊吸收，在相变温度范围，添加相变微胶囊能够显著提升相变除湿液的比热容，并且随着微胶囊质量浓度的升高，相变除湿液比热容的提升率逐渐增加。测量结果显示：当微胶囊质量浓度为3.0％，氯化锂质量浓度为35％时，相变除湿液的比热容可达6.112J/(g·K)，此时相变除湿液的比热容提升率为117.51％，比热容增大可以使相变除湿液维持在较低的温度，因而具有更大的除湿能力。添加微胶囊使相变除湿液的粘度变大，相变微胶囊质量浓度从0.2％逐渐增加到1％时，相变除湿液的粘度随相变微胶囊质量浓度的增加而上升，且上升速率逐渐增大；相变微胶囊的质量浓度由1％增加到5％时，相变除湿液的粘度在各温度下均呈近似线性增加。当相变除湿液与氯化锂溶液流态类似时，相变除湿液具有更大的舍伍德数Sh，即相变除湿液的传质系数更高。
在溶液除湿过程中，在除湿盐溶液中加入相变微胶囊后，虽然能够有效提高除湿溶液的除湿量与除湿效率，但是会使除湿溶液表面蒸气压降低，因此对含有相变微胶囊的除湿溶液采用现有的加热方式进行再生难度很大，即现有的加热方式对该溶液再生的影响是负面的，现有的加热方式将使再生过程传质推动力(溶液表面水蒸气分压力与再生空气中的水蒸气分压力之差)减弱，从而增大了水分由溶液传递到再生空气中的难度。要弥补表面蒸气压下降的不利影响，只能通过提高再生加热温度来提升溶液表面蒸汽压，一方面这必然导致溶液加热的能耗增大；另一方面，由于溶液中含有相变微胶囊，在加热的过程会有部分热量以显热传热方式施加给微胶囊，从而进一步加剧了加热能耗增大的趋势；此外，后续微胶囊内部囊芯重新凝固过程还需要耗费更多的冷量。
本发明技术方案能够避免添加相变微胶囊对溶液再生过程的不利作用，同时又不影响相变微胶囊在除湿系统中的循环利用，充分发挥其对除湿过程性能的促进作用，还能提升溶液除湿系统的整体性能和有效降低能耗。首先，低压闪蒸再生过程无需消耗外加热能，溶液温度在20～35℃左右即可闪蒸，而在除湿过程中吸收了水蒸气凝结热的相变除湿液温度通常高于30℃，因此无需传统再生过程的加热耗能，避免了由于添加微胶囊而导致的加热能耗增加的问题；其次，相变微胶囊可强化闪蒸再生，其原因是微胶囊内部相变材料发生液-固转变而释放热量，可缓解闪蒸过程中液体温度降低的趋势，这一相变微胶囊“自内热”特性应用于除湿液闪蒸再生过程，预期会有利于低压条件下水分从溶液中的蒸发；最后，低压闪蒸可同时实现对除湿液降温及囊芯液-固相变，水分从除湿液中闪蒸这一传质过程伴随吸热，除湿液在得以重新浓缩的同时温度也下降，这非常有利于微胶囊内部囊芯材料的凝固，节省了采用外部冷媒对除湿液及微胶囊进行后续冷却降温的能耗。
有益效果：本发明复合系统利用闪蒸再生器和以相变微胶囊除湿悬浮液为工作流体，在对空气进行除湿实现空调作用的同时，也对溶液闪蒸再生排放的水蒸汽进行常温冷凝而获得淡水，从而实现了空调溶液除湿与闪蒸淡水制取的有机结合；本发明复合系统能够实现除湿、再生这两个溶液热力过程所涉溶液-空气/水蒸气热质传递的协同强化，从而提高系统的整体能效，本发明复合系统对处于高湿气候、缺少淡水、缺乏能源供给的海洋岛礁开发建设有着重要的应用价值。
附图说明
图1为本发明复合系统的系统原理图；图1中实线表示相变除湿液流程，虚线表示淡水制取流程，点划线表示冷却水流程；
图2为本发明复合系统利用太阳能电池板供电的原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步说明。
如图1～2所示，本发明基于闪蒸再生的溶液除湿及淡水制取复合系统，能将溶液除湿与淡水制取整合到一个系统中实现，溶液再生和淡水制取同时在低压闪蒸再生器14中进行；本发明复合系统包括由除湿器19和闪蒸再生器14组成的溶液除湿循环回路；除湿器19内设有除湿填料1，除湿填料1的上部设有布液器15，相变除湿液通过布液器15喷洒在除湿填料1上，湿空气通过风机8从除湿器19下部进入除湿器19中；闪蒸再生器14内包括冷凝管9以及喷淋管3，冷凝管9通过管道与外部冷却水池形成冷却水循环回路；被除湿后的干燥空气从除湿器19上部的排气口排出，供空调用；被稀释并吸热的相变除湿液通过连接管道进入闪蒸再生器14中并通过闪蒸再生器14内的喷淋管3喷出(在除湿过程中，除湿液的温度可达到30-40度)，相变除湿液喷出瞬间闪蒸形成的蒸汽在冷凝管9作用下形成液体并被集水盘10收集；未闪蒸的相变除湿液进入溶液槽6中，通过溶液泵7送入除湿器19中通过布液器15喷洒出来再次进行除湿。
相变除湿液由相变微胶囊和除湿盐溶液构成；即本发明采用相变微胶囊除湿悬浮液(相变除湿液)作为工作流体。将相变微胶囊加入质量分数为35％的氯化锂溶液中；采用搅拌器，搅拌30min，将相变微胶囊的大团聚打开；然后往悬浮液中加入复合表面活性剂，继续搅拌30min，得到分散性和稳定性均好的悬浮液。复合表面活性剂能够改善悬浮液的稳定性，与单一表面活性剂相比，采用复合表面活性剂能够显著提高悬浮液的稳定性。悬浮液中，微胶囊质量浓度为1％，复合表面活性剂中，CTAB的用量为0.1％，Tween80为0.15％时，悬浮液稳定性最好。
相变微胶囊的制备：以正十八烷为芯材、三聚氰胺-甲醛树脂为壁材，采用原位聚合法制备相变材料微胶囊，具体为：将3g三聚氰胺、6g甲醛溶液(w％为37％)溶解于去离子水中，在70℃条件下恒温搅拌，搅拌速率为500-600r/min。搅拌30min后，用三乙醇胺溶液调pH至8.5-9.0，1h后得到澄清透明的三聚氰胺-甲醛预聚体溶液；将复配乳化剂与10g正十八烷混合后，加入到5mL温度为80℃的去离子水，复配乳化剂的种类和配比为SDS(十二烷基硫酸钠)：Span80(司盘-80)：Tween80(吐温-80)＝0.1：0.6：0.3，复配乳化剂用量为芯材(正十八烷)加入质量的10％，乳化转速为1000r/min。在80℃恒温水浴中高速剪切，预乳化5min后，再以5mL/min的速度滴加100mL去离子水，得到乳液；在三口烧瓶中加入乳液，水浴温度40℃，在400r/min搅拌速度下缓慢滴入三聚氰胺-甲醛预聚体，并用10％的氯化铵溶液调节pH值至5.5，升温至65℃继续反应2h后用10％的冰醋酸溶液调pH值至3.5-4.0，再持续搅拌30min后结束；经抽滤并用无水乙醇和去离子水洗涤数次，所得滤饼在真空干燥箱内于40℃条件下干燥24h，最终得到相变微胶囊。
制得的相变微胶囊粒径集中分布在0.3-1μm，平均粒径为0.636μm，相变潜热最高为147.59J/g，对应囊芯含量为63.69％；制得的相变微胶囊熔融温度区间为26～32℃，符合氯化锂除湿溶液在除湿阶段的理想温度范围；结晶温度范围在20～26℃，过冷度低，可以利用高温冷源使囊芯重新凝固，容易实现相变微胶囊的重复利用。
闪蒸再生器14通过真空泵13与外部抽真空装置连接。闪蒸再生器14内的低压由真空泵13在系统运行前初步营造，系统运行过程中由冷凝管9中冷却水流量和温度控制来维持和调节闪蒸再生器14内的真空度。本发明系统还包括PLC控制箱，溶液泵7、输出泵12和真空泵13分别通过电缆与PLC控制箱连接。
闪蒸再生器14包括通过隔板16隔离的淡水制取区17和溶液再生区18，隔板的高度h不低于喷淋管3喷嘴至闪蒸再生器14底板的垂直距离H；冷凝管9位于淡水制取区17，喷淋管3位于溶液再生区18，冷凝管9下方设有集水盘10，喷淋管3下方设有浓溶液盘5；集水盘10通过管道与水槽11连接，水槽11通过输出泵12给外部进行淡水供应，浓溶液盘5通过管道与溶液槽6连接，溶液槽6通过溶液泵7与除湿器19内的布液器15连接。
本发明除湿填料1主要用于湿空气与相变除湿液的热质交换，湿空气将水分释放给相变除湿液变成干燥空气，相变除湿液吸收水分由浓溶液变成稀溶液。溶液除湿循环回路的低压闪蒸再生器主要由溶液再生区18工作，稀释后的稀相变除湿液在闪蒸再生器14中进行低压闪蒸，水分闪蒸成为水蒸气，溶液得以浓缩再生。淡水制取流程的低压闪蒸再生器主要由淡水制取区17工作，由稀相变除湿液中闪蒸出的水蒸气与冷凝管9管壁面接触，被冷凝成液态水汇集入集水盘10中，可用做生活淡水。
本发明复合系统还包括太阳能电池板20，太阳能电池板20通过逆变器21分别给系统中的各个泵(7，12，13)和风机8供电。
本发明复合系统溶液除湿循环过程为：由溶液泵7送出的浓相变除湿液与风机8送入的湿空气在除湿填料1中发生热质交换，由于湿空气中的水蒸汽分压力与除湿溶液表面的水蒸汽分压力之差产生了除湿过程的推动力，伴随空气中水分被相变除湿液吸收所放出的凝结热会导致溶液温度升高，溶液表面水蒸汽分压力也相应升高，相变除湿液的浓度逐渐降低变为稀溶液；稀释后的稀相变除湿液在除湿器19和闪蒸再生器14之间压差驱动下，由除湿器19底部经节流阀2进入闪蒸再生器14的溶液再生区18顶部的喷淋管3中，再由喷淋管3均匀喷淋在闪蒸再生器14内部，稀相变除湿液在闪蒸再生器14中进行低压闪蒸，水分闪蒸成为水蒸气，相变除湿液得以浓缩再生；闪蒸再生后的浓相变除湿液经浓溶液盘5进入溶液槽6中，再由溶液泵7输送到除湿器19中，如此周而复始地循环。湿空气由风机8从除湿器19下部进入，与除湿器19(除湿填料1)中的相变除湿液形成逆流流动状态，空气中的水分被相变除湿液吸收，得以除湿；被除湿后的干燥空气再经除湿器19顶部的排气口送入空调区域，用以空气调节。
本发明复合系统淡水制取流程为：溶液低压闪蒸再生过程中得到的水蒸气由闪蒸再生器14内的溶液再生区18转移至淡水制取区17，水蒸气与通有冷却水的冷凝管9管壁面接触，被冷凝成液态水经集水盘10汇集入水槽11中，再由输出泵12送入用户进行淡水供应。
本发明复合系统采用相变微胶囊除湿悬浮液(相变除湿液)为工作流体。在除湿过程中，相变微胶囊发生固-液相变，吸收除湿过程中由于水分凝结进入溶液中而释放的热量，从而缓解因溶液温升导致除湿能力下降的问题，实现溶液“自内冷”，有利于除湿过程。在低压闪蒸再生过程中，相变微胶囊内部相变材料发生液-固转变而释放热量，不仅可缓解闪蒸过程中液体温度降低的趋势，强化闪蒸再生，无需传统再生过程的加热能耗；而且水分从相变除湿液中闪蒸这一传质过程伴随吸热，相变除湿液在得以重新浓缩的同时温度也下降，这非常有利于相变微胶囊内部囊芯材料的凝固，节省了采用外部冷媒对除湿液及微胶囊进行后续冷却降温的能耗，低压闪蒸同时实现了对除湿液降温及囊芯液-固相变。

Claims (8)

1.一种基于闪蒸再生的溶液除湿及淡水制取复合系统，其特征在于：包括由除湿器和闪蒸再生器组成的溶液除湿循环回路；所述除湿器内设有除湿填料，所述除湿填料的上部设有布液器，相变除湿液通过布液器喷洒在除湿填料上，湿空气通过风机从除湿器下部通入除湿器中；所述闪蒸再生器内包括冷凝管和喷淋管，冷凝管通过管道与外部冷却水池形成冷却水循环回路；除湿后的干燥空气从除湿器上部的排气口排出，被稀释并吸热的相变除湿液通过连接管道进入闪蒸再生器中并通过闪蒸再生器内的喷淋管喷出，相变除湿液喷出瞬间闪蒸形成的蒸汽在冷凝管作用下形成液体并被集水盘接收；未闪蒸的相变除湿液进入溶液槽中，通过溶液泵送入除湿器中通过布液器喷洒出来再次进行除湿。
2.根据权利要求1所述的基于闪蒸再生的溶液除湿及淡水制取复合系统，其特征在于：所述相变除湿液通过在除湿盐溶液中添加质量分数不超过10％的相变微胶囊而得到；其中，除湿盐溶液为氯化锂溶液、溴化锂溶液或氯化钙溶液。
3.根据权利要求2所述的基于闪蒸再生的溶液除湿及淡水制取复合系统，其特征在于：所述相变除湿液具体由如下方法制备而成：将相变微胶囊加入除湿盐溶液中，搅拌使相变微胶囊分散均匀后，往悬浮液中加入复合表面活性剂，继续搅拌得到稳定的相变除湿液。
4.根据权利要求1所述的基于闪蒸再生的溶液除湿及淡水制取复合系统，其特征在于：所述闪蒸再生器通过真空泵与外部抽真空装置连接。
5.根据权利要求1所述的基于闪蒸再生的溶液除湿及淡水制取复合系统，其特征在于：所述闪蒸再生器包括通过隔板隔离的淡水制取区和溶液再生区，所述冷凝管位于淡水制取区，所述喷淋管位于溶液再生区，所述冷凝管下方设有集水盘，所述喷淋管下方设有浓溶液盘。
6.根据权利要求5所述的基于闪蒸再生的溶液除湿及淡水制取复合系统，其特征在于：所述集水盘通过管道与水槽连接，所述浓溶液盘通过管道与溶液槽连接。
7.根据权利要求5所述的基于闪蒸再生的溶液除湿及淡水制取复合系统，其特征在于：所述隔板的高度不低于喷淋管喷嘴至闪蒸再生器底板的垂直距离。
8.根据权利要求1所述的基于闪蒸再生的溶液除湿及淡水制取复合系统，其特征在于：还包括太阳能电池板，太阳能电池板通过逆变器分别给系统中的各个泵和风机供电。
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