CN111811156A - 一种微孔闪蒸制取低温水的系统及方法 - Google Patents

一种微孔闪蒸制取低温水的系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微孔闪蒸制取低温水的系统及方法，包括水箱，增压泵，回流泵，冷凝液罐，真空泵，冷凝器，压缩机，微孔疏水材料组件，减压阀，散冷器。本发明基于拉普拉斯定律，即凸面液滴表面的饱和蒸汽压力高于平面液滴，通过将水增压穿透微孔疏水材料组件后形成凸面液滴，提高水闪蒸时的闪蒸压力，降低压缩机的压缩比。本发明以水作为冷媒，系统具有显著的环保特性；以微孔疏水材料组件获取凸面状水滴，改变水分闪蒸时的饱和压力及比容，可显著降低系统的运行能耗及压缩机设备尺寸。本发明所述的一种微孔闪蒸制取低温水的系统具有节能、环保等优势。

Description

一种微孔闪蒸制取低温水的系统及方法
技术领域
本发明涉及一种制取低温水系统，尤其涉及一种通过微孔闪蒸技术制取低温水的系统及方法，属于制冷技术领域。
背景技术
目前，制冷领域的冷媒大多采用氟利昂类制冷剂，其环保性能较差，均具有或多或少的臭氧层破坏或温室气体效应问题。水(冷媒代号：R718)作为一种自然类工质，其在系统成本、安全性、环保性及热工性等方面均具有显著优势。专利CN106705308A公开了一种机械闪蒸式空调制冷系统，其以水为冷媒，通过机械闪蒸的方式制取空调用低温冷水，系统具有较好的热力循环性能，然而由于低温条件下水蒸汽的比容较大，如7℃时饱和水蒸汽的比容为129m3/kg，而在同等温度条件下R134a的蒸汽比容为0.054m3/kg，R407C的蒸汽比容为0.042m3/kg，可见水蒸汽的比容远大于同温度的氟利昂类制冷剂的气体比容，这导致水冷媒系统需配套超大流量的蒸汽压缩机，系统设备投资较高，一定程度上限制了水冷媒制冷系统的推广及应用。
发明内容
本发明的目的是针对上述已有技术存在的不足，提供了一种微孔闪蒸制取低温水的系统及方法。
一种微孔闪蒸制取低温水的系统，其特征在于：包括水箱，增压泵，回流泵，冷凝液罐，真空泵，冷凝器，压缩机，微孔疏水材料组件，减压阀，散冷器。所述水箱底部设有循环水出口，侧壁设有循环水回水口及冷凝液回流口；所述微孔疏水材料组件内部设有微孔疏水材料，微孔疏水材料组件一侧设有循环水进口及循环水出口，另一侧设有闪蒸汽出口；所述散冷器设有进水口及出水口；所述冷凝器设有进汽口、凝液口及冷却水进口及出口；所述冷凝液罐顶部设有凝液进口及真空口，底部设有凝液出口；
所述水箱底部的循环水出口与所述增压泵进口相连，增压泵出口与所述微孔疏水材料组件的循环水进口相连，微孔疏水材料组件的循环水出口与减压阀进口相连，减压阀出口与所述散冷器的进水口相连，散冷器的出水口与所述水箱侧壁的循环水回水口相连；所述微孔疏水材料组件的闪蒸汽出口与所述压缩机的进汽口相连，压缩机的出汽口与所述冷凝器的进汽口相连，冷凝器的凝液口与所述冷凝液罐的凝液进口相连，冷凝液罐的凝液出口与回流泵进口相连，回流泵出口与水箱侧壁的冷凝液回流口相连；所述冷凝液罐顶部的真空口与真空泵的进汽口相连。
优选地：
所述压缩机为螺杆压缩机、罗茨压缩机、离心压缩机、涡旋压缩机或活塞压缩机；压缩形式为单级压缩或多级压缩。
所述冷凝器为板式换热器或管壳式换热器。
所述真空泵为水环式真空泵、螺杆真空泵。
所述微孔疏水材料的孔道当量直径范围为0.001～10μm，微孔疏水材料与水的接触角大于90°，材质为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或聚丙烯。
本发明的一种微孔闪蒸制取低温水的系统的工作方法如下：系统运行后，增压泵将水箱内的水增压后输至微孔疏水材料组件，在微孔疏水材料两侧压差的驱动下，液体水穿过微孔疏水材料的孔道，由于水的表面张力作用，其在穿出孔道后形成凸面状液滴，根据拉普拉斯定律，凸面液滴表面的饱和蒸汽压力较平面液体将有所增加，增加值为ΔP＝2×ε×cos(θ)/R，其中ε为水在工作温度下的表面张力；θ为水在微孔疏水材料的接触角；R为微孔疏水材料的当量孔道半径；凸面液滴在低压条件下气化闪蒸并从微孔疏水材料组件另一侧的水中吸收热量，水放热后降温，降温后的低温水经过减压阀减压后输送至散冷器释放冷量，之后返回水箱进入下一次循环；微孔疏水材料组件的气相侧闪蒸所产蒸汽进入压缩机，经压缩机增压后进入冷凝器冷凝液化，冷凝液流入冷凝液罐，并通过回流泵再次返回水箱内；系统内的不凝性气体通过真空泵排出系统。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明以水作为系统的闪蒸制冷介质，与现有冷水机组所大量应用的氟利昂类制冷剂相比，水对臭氧层无破坏(ODP＝0)，并且无温室效应(GWP＝0)，环保特性显著。此外，水作为制冷剂还具有安全、无毒、不可燃、经济实用等优点。
(2)水的汽化闪蒸过程在微孔疏水材料表面形成的凸面液滴表面进行，较平液面闪蒸，凸面液滴闪蒸时表面的饱和蒸汽压力升高，根据克拉伯龙方程，在水蒸汽温度一定，压力升高时，其对应的蒸汽比容降低。可见水微孔闪蒸可提高压缩机的吸气压力，并降低压缩机的吸气比容，有助于降低压缩机的运行能耗及压缩机的设备尺寸。
附图说明
图1为本发明的系统原理图；
图2为微孔疏水材料工作原理示意图；
图3为对比例一的系统流程图；
其中，1为水箱，2为增压泵，3为回流泵，4为冷凝液罐，5为真空泵，6为冷凝器，7为压缩机，8为微孔疏水材料组件，9为减压阀，10为散冷器。
具体实施方式
实施例一：
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
图1为本实施例的系统原理图；一种微孔闪蒸制取低温水的系统，由水箱1，增压泵2，回流泵3，冷凝液罐4，真空泵5，冷凝器6，压缩机7，微孔疏水材料组件8，减压阀9，散冷器10组成。
所述水箱1底部设有循环水出口，侧壁设有循环水回水口及冷凝液回流口；所述微孔疏水材料组件8内部为微孔疏水材料，微孔疏水材料组件8一侧设有循环水进口及循环水出口，另一侧设有闪蒸汽出口；所述散冷器10设有进水口及出水口；所述冷凝器6设有进汽口、凝液口及冷却水进出口；所述冷凝液罐4顶部设有凝液进口及真空口，底部设有凝液出口；所述水箱底部的循环水出口与所述增压2泵进口相连，增压泵出口与所述微孔疏水材料组件的循环水进口相连，微孔疏水材料组件的循环水出口与减压阀9进口相连，减压阀出口与所述散冷器的进水口相连，散冷器的出水口与所述水箱侧壁的循环水回水口相连；所述微孔疏水材料组件的闪蒸汽出口与所述压缩机7的进汽口相连，压缩机的出汽口与所述冷凝器的进汽口相连，冷凝器的凝液口与冷凝液罐的凝液进口相连，冷凝液罐的凝液出口与回流泵3进口相连，回流泵出口与水箱侧壁的冷凝液回流口相连；所述冷凝液罐顶部的真空口与真空泵5的进汽口相连。所述压缩机选用离心式压缩机，所述冷凝器选用板式换热器，所述真空泵选用水环式真空泵，所述微孔疏水材料组件选用聚四氟乙烯材质，水与微孔疏水材料组件孔道的接触角为108°。
本实施例所述的一种微孔闪蒸制取低温水的系统的工作方法如下：
增压泵将水箱内12℃的水增压至3～6bar后输至微孔疏水材料组件，在微孔疏水材料两侧压差的驱动下，液体水穿过微孔疏水材料的孔道，如图2所示，由于水的表面张力作用，其在穿出孔道后形成凸面状液滴，液滴在低压条件下闪蒸汽化，温度降低至5℃，液滴闪蒸汽化所需的热量通微孔疏水材料的导热由另一侧12℃的水的降温显热提供，降温至7℃的循环水经减压阀减压后输送至散冷器释放冷量，之后再次返回至水箱。微孔疏水材料组件的气相侧闪蒸所产蒸汽进入压缩机，经压缩机增压后进入冷凝器冷凝液化，冷凝液流入冷凝液罐，并通过回流泵再次返回水箱内；系统内的不凝性气体通过真空泵排出系统。
本实施例的有益效果是：与现有冷水机组所大量应用的氟利昂类制冷剂相比，水的环保特性显著。此外，水作为制冷剂还具有安全、无毒、不可燃、经济实用等优点。此外，水在微孔出口的凸液面闪蒸可提高压缩机的吸气压力，并降低压缩机的吸气比容。有利于压缩机的运行能耗及设备投资。
在本实施例中，不同微孔疏水材料孔径时的系统运行参数如下：
表1.不同微孔疏水材料孔径时的系统运行参数
Figure BDA0002608366010000041
对比例一：
如图3所示，本对比例采用压缩机7直接对水箱1内的水进行闪蒸降温，降温后的低温水通过增压泵2直接输送至散冷器10，释放冷量后的水再次返回水箱。低温水的供水温度按7℃，回水温度按12℃，则闪蒸温度为7℃，此时压缩机的吸气温度为7℃，对应的饱和水蒸汽分压(平面液体)为1kPa，吸气比容为129m3/kg，压缩机的排气冷凝温度与实施例一保持一致，为35℃，排气压力为5.6kPa，则压缩机的压比为5.6；制冷量为1000kW时，闪蒸水量为0.4kg/s，压缩机功率为183kW，压缩机的抽气量为51.8m3/s。可见本对比例的压缩机耗功及所需压缩机的设备尺寸均显著大于实施例一。
本对比例的系统运行参数如下所示：
表2.对比例一的系统运行参数
Figure BDA0002608366010000051
本发明所述的一种微孔闪蒸制取低温水的系统，根据拉普拉斯定律，即弯曲液面存在附加压力，通过将水增压穿透微孔疏水材料组件后形成凸面液滴，凸面液滴表面的水蒸汽饱和压力得以升高，可提高水闪蒸时压缩机的吸气压力，降低压缩机压比及吸气比容。对以水为冷媒的闪蒸制冷系统，本发明可解决由于水在低温下汽化比容过高导致的压缩机尺寸过大等问题，系统具有绿色节能等优势。
尽管上文结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种微孔闪蒸制取低温水的系统，其特征在于：包括水箱，增压泵，回流泵，冷凝液罐，真空泵，冷凝器，压缩机，微孔疏水材料组件，减压阀，散冷器；所述水箱底部的循环水出口与所述增压泵进口相连，增压泵出口与所述微孔疏水材料组件的循环水进口相连，微孔疏水材料组件的循环水出口与减压阀进口相连，减压阀出口与所述散冷器的进水口相连，散冷器的出水口与所述水箱侧壁的循环水回水口相连；所述微孔疏水材料组件的闪蒸汽出口与所述压缩机的进汽口相连，压缩机的出汽口与所述冷凝器的进汽口相连，冷凝器的凝液口与所述冷凝液罐的凝液进口相连，冷凝液罐的凝液出口与回流泵进口相连，回流泵出口与水箱侧壁的冷凝液回流口相连；所述冷凝液罐顶部的真空口与真空泵的进汽口相连。
2.根据权利要求1所述的一种微孔闪蒸制取低温水的系统，其特征在于：所述微孔疏水材料组件所使用的微孔疏水材料的孔道当量直径范围为0.001～10μm，微孔疏水材料组件与水的接触角大于90°，所述微孔疏水材料组件为四氟乙烯、聚偏氟乙烯或聚丙烯材质。
3.根据权利要求1所述的一种微孔闪蒸制取低温水的系统，其特征在于：系统内的循环介质为水。
4.根据权利要求1所述的一种微孔闪蒸制取低温水的系统，其特征在于：所述压缩机为螺杆压缩机、罗茨压缩机、离心压缩机、涡旋压缩机或活塞压缩机；压缩形式为单级压缩或多级压缩。
5.根据权利要求1所述的一种微孔闪蒸制取低温水的系统，其特征在于：所述冷凝器为板式换热器或管壳式换热器。
6.根据权利要求1所述的一种微孔闪蒸制取低温水的系统，其特征在于：所述真空泵为水环式真空泵或螺杆真空泵。
7.如权利要求1所述的一种微孔闪蒸制取低温水的系统，其工作方法为：系统运行后，增压泵将水箱内的水增压后输至微孔疏水材料组件，在微孔疏水材料组件两侧压差的驱动下，液体水穿过微孔疏水材料组件的孔道，由于水的表面张力作用，其在穿出微孔疏水材料的孔道后形成凸面状液滴，凸面液滴在低压条件下气化闪蒸并从微孔疏水材料另一侧的水中吸收热量，水放热后降温，降温后的低温水经过减压阀减压后输送至散冷器释放冷量，之后返回水箱进入下一次循环；微孔疏水材料组件的气相侧闪蒸所产蒸汽进入压缩机，经压缩机增压后进入冷凝器冷凝液化，冷凝液流入冷凝液罐，并通过回流泵再次返回水箱内；系统内的不凝性气体通过真空泵排出系统。
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