CN1414308A

CN1414308A - 空气调节(制冷和制热)方法及其设备

Info

Publication number: CN1414308A
Application number: CN 01141371
Authority: CN
Inventors: 袁一军
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-10-25
Filing date: 2001-10-25
Publication date: 2003-04-30

Abstract

本发明是有关利用液体除湿，蒸发冷却制冷；及其逆循环制热的方法及其设备。其液体除湿方法为：除湿器为“微分除湿”结构的逆流除湿器，有两类相互交错的宽大通道，即除湿通道和加湿通道。在沿空气流动的方向上，浓度、温度和湿度等均分段以形成梯度，实现真正的逆流传热传质。利用沸腾蒸发和非沸腾蒸发联合实现除湿液的再生。本发明旨在获得能满足空调(包括制冷和制热)温度、湿度及空气质量要求的空气。

Description

空气调节(制冷和制热)方法及其设备

本发明涉及一种空气调节(包括制冷和制热)的方法及其设备，特别是涉及一种利用液体除湿，蒸发冷却制冷；及其逆循环制热的方法及其设备。

传统的液体除湿一般仅用于获得干燥空气，对温度无调节作用，且需利用天然或人工冷却水吸收除湿过程中产生的冷凝热，往往用于对空气湿度有特殊要求的场合。传统的空气调节采用压缩式制冷或吸收式制冷，并配以空气处理装置、冷却塔等，实现空气调节，一般不具有空气净化功能、新风能量回收功能和独立的热、湿处理功能。传统的液体除湿装置往往采用单效再生，或沸腾蒸发再生，或非沸腾蒸发再生。前者需将溶液加热到沸点，使溶液沸腾、水分蒸发。后者无需将溶液加热到沸点，只需将溶液加热到一定温度，使其水蒸汽分压高于再生空气中水蒸汽分压，使热溶液与再生空气直接接触，依靠水蒸汽分压差推动力，使热溶液中的水分蒸发。传统的吸收式制冷机(如LiBr制冷机)，其溶液再生方式分为单效、双效(或多效)，其双效(或多效)再生需在二个(或多个)不同压力下进行，其依据的机理是，在不同压力下，溶液具有不同的沸腾温度。

专利文献“空气调节方法及其设备”(中国专利97 1 15278.0)涉及一种空气调节方法和设备，具有如下特征：能满足空调制冷时的空气温、湿度及空气质量要求，不利用天然或人工冷却水，具有制冷、空气净化功能、新风能量回收功能及独立的热湿处理功能，利用沸腾蒸发与非沸腾蒸发两种不同的再生方式，实现常压条件下的两效(或多效)蒸发。其缺点主要体现在以下几个方面：除湿器结构复杂，所需传热面积大，不能实现完全的逆流传热传质，其传热传质效率较低；在潮湿炎热的气候条件下，其除湿和制冷能力不足，效率下降较快；除湿液的沸腾蒸发局限于在常压条件下进行；没有制热功能等。

本发明旨在获得能满足空调(包括制冷和制热)温度、湿度及空气质量要求的空气。本发明涉及的方法和设备同时具有制冷、制热、独立的空气热湿处理功能、空气净化功能及新风能量回收功能等。本发明的制冷循环无需利用天然或人工的冷却水。本发明的除湿器有如下显著特征：多级分段“微分除湿”结构、宽大的空气通道、较少的传热面积、喷淋强化传热传质、充分的逆流传质传热等。本发明还设计了预处理器，在制冷时，对潮湿的热空气进行预除湿，在制热时，对除湿液进行预再生。本发明的除湿液的沸腾蒸发既可在常压条件下进行，又可在真空或有压条件下进行。

一种空气调节(包括制冷和制热)方法，利用液体除湿，蒸发冷却制冷；其逆循环制热。其特征在于：所述的液体除湿方法为：除湿器有两类相互交错且平行布置的宽大通道，即除湿通道和加湿通道。待除湿的空气流经除湿通道，同时有冷却空气(或待加热加湿空气)与待除湿的空气逆向地流过加湿通道；在除湿通道中，有除湿液喷淋，在加湿通道中，有水喷淋。在沿空气流动的方向上，除湿液的浓度和温度、水的温度、空气的温度和湿度等均分段以形成梯度，实现完全的逆流传热传质。所述的预除湿方法为：热湿空气与除湿液直接接触，进行绝热除湿，空气温度升高，含湿量降低。这是因为热湿空气中含湿量大，水蒸汽分压高，使得在无冷却，空气温度升高的条件下，预除湿仍能有效地进行。这既简化了装置，又为从预处理器进入除湿器的空气与冷却空气进行热交换创造了条件，即增大了二者的温差。所述的空气间接蒸发冷却(或空气间接加热加湿)的方法为：空气通过间接蒸发冷却器干通道的同时，另有空气逆向通过加湿通道，在湿通道表面分布有均匀的水膜，水分蒸发吸热冷却干通道的空气，而湿通道的空气本身被加热加湿。在制冷循环时，空气通过预除湿、除湿、间接蒸发冷却和直接蒸发冷却(饱和)实现降温减湿。在逆循环即制热时，经过除湿器的加湿通道被加热加湿的空气，进入间接蒸发冷却器被进一步加热加湿。此后，须进一步升温，其升温的方法为：热湿空气与除湿液接触，绝热除湿升温。经除湿升温的空气与从再生器排出的高温空气换热，继续被加热。除湿液的再生采用沸腾蒸发与非沸腾蒸发联合实现再生，沸腾蒸发可在常压条件下进行，又可在真空或有压条件下进行。在制热时，除湿液在进入再生器前，被预再生且无热量代价，其方法为：除湿液在进入再生器前与从除湿器除湿通道出来的干燥空气直接接触，除湿液被部分再生，其机理仍为非沸腾蒸发。

一种空气调节设备，如图6、图8所示，其特征在于：包括风机(图中未示出)、泵(图中未示出)、除湿器16、间接蒸发冷却器18、直接蒸发冷却器(饱和器)20、预处理器21、再生器22和绝热除湿器23、空气热交换器24及空气预热器25等。其中后三项仅用于制热，直接蒸发冷却器(饱和器)20仅用于制冷。其中再生器22与除湿器16、预处理器21及绝热除湿器23相连，除湿器16与间接蒸发冷却器18相连，间接蒸发冷却器18与直接蒸发冷却器(饱和器)20及绝热除湿器23相连，绝热除湿器23与空气热交换器24相连，直接蒸发冷却器20与空气预热器25相连，预处理器21与除湿器16和绝热除湿器23相连。

该方法及设备严格遵循能量的梯级利用原则，包括双效(或多效)再生，具有“微分除湿”结构的逆流除湿器，制冷时对热湿空气进行预除湿，空气处理全过程中的逆流传热传质等；液体喷淋强化传热传质的；新风能量回收；在制热时，充分利用再生器余热，利用外排干燥空气对除湿液进行预再生等。因而其能耗低，能效比高。由于无氟，同时由于能效比高导致化石能源消耗的减少，进而减少温室气体，有利于环境保护。可用热驱动，耗电少。除了在某些情况下沸腾再生有可能不在常压下运行外，其它设备均在常压下运行，再加之其部件大部分为塑料制品，因而加工工艺简单。同时其结构为模块化结构，使用安装及选型方便。由于是常压设备，没有压缩机，运动部件少，设备运行可靠，维修简单方便，便于拆卸和更换零部件。在除湿过程中，可有效除去空气中的粉尘、花粉、细菌、真菌及病毒等，空气质量好。在调节进程中，热湿处理各自独立，便于控制调节，舒适效果好；同时可避免过冷现象，既保证舒适，又节约能源。沸腾蒸发再生不局限于常压条件，可对不同品位的能量输入进行充分地利用，如对100℃左右的热量输入，沸腾再生可在真空条件下进行，与非沸腾再生联合实现双效(或多效)再生。“微分除湿”结构的逆流除湿器允许浓溶液与待再生的稀溶液有较大的浓度差，减少除湿器与再生器之间的溶液循环量，既可减少溶液输送动力，又可减小有关设备，如溶液热交换器、溶液泵等的容量；此外，较大的浓度差也有利于溶液的再生，提高再生的效率。具有宽大空气通道的“微分除湿”结构的逆流除湿器，不仅具有如上所述的提高效率，易于加工安装等优点，还具有热交换面积小，耗材少等特点，其经济性好。整个设备制造成本低，运行费用少。

图1为除湿器平面结构示意图

图2为除湿器立面结构示意图

图3为除湿器结构立体结构剖视图

图4为制冷循环除湿过程焓湿图

图5为制热循环除湿过程焓湿图

图6为制冷循环系统图

图7为制冷循环焓湿图

图8为制热循环系统图

图9为制热循环焓湿图

图10为再生循环系统图

由图1可知，液体除湿牵涉到四种流体，即待除湿空气a₀、冷却空气(待加热加湿空气)b₀、水与除湿液。在与空气运动的平行方向上，将除湿器划分为n段，在与空气运动垂直的方向上，有p个加湿通道1，p-1个除湿通道2。通道与通道之间用不透气的传热壁3分开，段与段之间采用气液分离器4。使得空气容易通过，且阻力小，但液体(溶液和水)得到分离，可防止液体的混合和气体荷载液体。这样就形成了n(2p-1)个单元，其中n(p-1)个单元5除湿，np个单元6加湿。图2对应图1中n段中的一段，即图1中的a-a面。如图2所示，在n(2p-1)单元的每个单元都有垂直的多孔管7、8，7为水喷淋，8为溶液喷淋。多孔管在垂直方向上布置了多个喷嘴，使得每个单元的布液非常均匀。在任意一段中，所有加湿单元的水喷淋多孔管7与一根主水管9相连，同样，所有除湿单元的溶液喷淋多孔管8与一根主溶液管10相连。如图3所示，每一段分别采用一个水泵11和一个溶液泵(图3中未示出)，主水管9与水泵11相连，主溶液管10与溶液泵相连。n段的n个水泵用传动轴12相互连接起来，形成一个泵组，用一个电机驱动。同样，n段的n个溶液泵也采用传动轴相互连接起来，形成一个泵组，用一个电机驱动。这种“微分除湿”方法使得各段之间溶液浓度和温度及水的温度都可保持一定的差值，以对应不同的空气湿度和温度，保证在与空气运动平行的方向上，形成均匀的传质与传热动力，实现完全的逆流传热传质。

除湿器结构概括起来有以下几个特点：①采用宽大的通道，通道宽度一般在10-20cm，与一般热交换器的通道宽度相比，相差两个数量级；②通道交错布置，即除湿通道和加湿通道交错布置；③通道分为若干段，每段之间有气液分离装置；④由通道壁和气液分离装置将除湿器分为n(2p-1)个单元，每个单元有独立的喷淋装置，实现立体喷淋(非平面喷淋)。

上述结构带来以下几个好处：采用宽大通道，避免了常规的微小通道带来的不便，如布液、风流的进出口集气、用材多、加工难度增大、通道堵塞等诸多问题。采用宽大通道也是上述其它三个特点实现的必要条件。宽大通道易于实现通道的交错排列，也易于在每个通道内设置气液分离装置和喷淋装置。通道的交错排列，可实现同时传质传热，通道分为若干段，可实现分级除湿，立体喷淋，可实现均匀布液，强化传质传热。

图3中，3为传热壁，4为气液分离器，11为水泵，12为传动轴，13为泵组底座，14为气液分离器的固定槽，15为通道盖。

在制冷循环时，除湿过程是接近于等温除湿的一个过程，如图4中a₀→a₁，加湿过程是沿接近于饱和线升温增湿的过程，如图4中b₀→b₁。

在制热循环时，除湿过程是一个降温除湿的过程，如图5中a₀→a₂，加湿过程是升温增湿的过程，如图5中b₀→b₂。

由于相邻通道内过程反向，即：空气流动方向相反，且一侧除湿，另一侧加湿，加大了两侧的传热温差。同时由于在沿空气流动平行的方向上建立了均匀的传热传质温差和浓度差，使得制冷时等温除湿得以实现，而不是升温除湿；另一方面，也使得制热时除湿通道内的降温除湿得以实现，从而增强了加湿通道内加湿升温效果。

如图6所示，室外空气m₁经预处理器21，被绝热除湿，变为m₂；m₂进入除湿器16的除湿通道2，变为干燥空气m₃，在除湿器16的加湿通道中有空气被不断地加湿吸收除湿过程中产生的热量，除湿通道2中的除湿过程接近于等温除湿。干燥空气m₃然后进入间接蒸发冷却器18的干通道19，实现等湿冷却，即m₃→m₄。m₄进入到直接蒸发冷却器(饱和器)20，被等焓加湿，温度进一步降低变为m₅。直接蒸发冷却器需补充水w。m₅送入房间，在房间内吸收热量和空气中的水蒸汽，温度升高，湿度增大，变为R。R排出房间，被引入间接蒸发冷却器18的湿通道17，在其中被不断地加湿，水在其中喷淋蒸发，吸收干通道19中的热量，使得如上所述的干通道19中的等湿冷却能够实现。间接蒸发冷却器18的湿通道17需补充水w。R被不断地加湿并升温后变为m₆。m₆进入除湿器16的加湿通道1，温度升高，湿度增大，变为m₇，即m₆→m₇。加湿通道需补充水w。

除湿器和预处理器需从再生器22补充浓除湿液L_c，并排出稀除湿液L_d到再生器被再生。再生器将稀除湿液L_d浓缩产生浓除湿液L_c，并排出水W。

该循环包括除湿器16，间接蒸发冷却器18，直接蒸发冷却器(饱和器)20，预处理器21和再生器22，另外空气流动尚需风机，水和除湿液流动需要泵，图6中均未示出。绝热除湿器23、空气热交换器24及空气预热器25等仅用于制热，图6中均未示出。该循环具有制冷除湿的空气调节功能，并具有独立的热湿处理功能，新风能量回收功能及空气净化功能。其中m₁→m₂为绝热除湿，m₂→m₃为等温除湿，m₃→m₁为等湿降温，m₄→m₅为降温、加湿，上述过程可独立调节。溶液吸收空气中水分除湿的过程同时也是空气净化的过程。室内的排风作为间接蒸发冷却器和除湿器的冷却空气，起到了排风能量二级回收的作用。

图7为该循环的焓湿图。

如图8所示，室外空气进入n₁除湿器16的加湿通道1，被加热加湿后变为n₂。加湿通道需补充水w。n₂然后进入间接蒸发冷却器18的湿通道17，进一步升温加湿，变为n₃，间接蒸发冷却器18的湿通道17需补充水w。n₃此后经过绝热除湿器23除湿后，温度升高，变为n₄。n₄再经空气热交换器24被再生器排出的热空气h加热后，温度进一步升高，变为n₅，n₅进入到室内被冷却，变为R。R排出房间，经空气预热器25再生器排出的热空气h加热后，温度升高，变为n₆，然后进入间接蒸发冷却器18的干通道19，在其中不断地被冷却并提供湿通道17中的加湿升温所需的热量，使得如上所述的湿通道17中的加湿升温能够实现。n₆被冷却后变为n₇。n₇然后进入除湿器16的除湿通道2，在通道2中，空气被除湿，其热量传递到通道1，n₇变为n₈。离开通道1的干空气n₈进入预处理器21对除湿液进行预再生，最后排出的空气状态为n₉。

绝热除湿器需从再生器22补充浓除湿液L_c，并排出稀除湿液L_d1到预处理器21，L_d1经预处理器21部分浓缩后变为L_d2，L_d2再被送到再生器被进一步再生。除湿器需从再生器22补充浓除湿液L_c，并排出稀除湿液L_d到再生器被再生。再生器将稀除湿液L_d、L_d2浓缩产生浓除湿液L_c，并排出水w。

该循环包括除湿器16，间接蒸发冷却器18，预处理器21，再生器22，绝热除湿器23，空气热交换器24和空气预热器25。另外空气流动尚需风机，水和除湿液流动需要泵，图8中均未示出。设置在间接蒸发冷却器18和空气预热器25之间的直接蒸发冷却器20仅用于制冷，图8中未示出。该循环具有加热加湿的空气调节功能，并具有独立的热湿处理功能，新风能量回收功能及空气净化功能。其中为n₁→n₂→n₃加热加湿，n₃→n₄为升温除湿，n₄→n₅为等湿升温，上述过程可独立调节。溶液吸收空气中水分除湿的过程同时也是空气净化的过程。室内的排风作为间接蒸发冷却器和除湿器的热源，起到了排风能量二级回收的作用。

图9为该循环的焓湿图。

如图6和图8所示，制冷和制热循环可通过改变空气流向，或者说是通过变换处理空气来进行转换。尽管设备的部分组成不能在两个循环中通用，如制冷时无需绝热除湿器，制热时无需直接蒸发冷却器。但主体部分如除湿器、再生器等均能在两个循环中通用。

图10是采用真空沸腾蒸发的再生循环方案。来自除湿器或预处理器的溶液L₁经过低温热交换器26与来自高温热交换器28的溶液L₇进行热交换，即由L₁→L₂，溶液温度升高；同时，溶液L₇降温变为溶液L₈。溶液L₂进入非沸腾再生器27与空气A₁直接接触，L₂被部分浓缩变为L₃，A₁变为A₂。在制热时，A₂被送到如图8所示的空气热交换器24作为其热源h。再生所需热量由从气液分离器30分离出来的蒸汽S提供。非沸腾再生器27分为二种通道，一种为冷凝通道，蒸汽S在其中冷凝成水，并放出热量。另一种为蒸发通道，溶液和空气在其中直接接触，溶液被部分再生。已部分再生的溶液L₃需进入沸腾再生器29进行完全再生。L₃在进入沸腾再生器29之前先经过高温热交换器28，与从气液分离器出来的溶液L₆进行热交换，其温度升高，变为L₄，L₄被送入沸腾再生器，在沸腾再生器中，溶液被加热至沸点，并产生蒸汽，气液混合物L₅经气液分离器30分离，形成蒸汽S和溶液L₆，两者被分别送到非沸腾再生器27和高温热交换器28。沸腾再生器29所需的热量H由外界输入。沸腾是在真空条件下进行的，需要有真空泵31提供真空。蒸汽S在真空条件下冷凝成水w，需要用泵32将水排出。

具体实例1为制冷情形。表1、表2列出图中有关参数，表1为空气状态参数，表2为再生系统溶液有关参数。

表1(对应图6)

编号	m1	m₂	m₃	m₄	m₅	m₆	m₇	R
编号	m1	m₂	m₃	m₄	m₅	m₆	m₇	R	干球温度(℃)	30.0	41.0	40.0	22.8	14.2	23.9	31.0	25.0
相对湿度(％)	78	32	12	32	90	100	98	60	干球温度(℃)	30.0	41.0	40.0	22.8	14.2	23.9	31.0	25.0

处理空气流量与冷却空气流量均为4000m³/h(1.11m³/s)，制冷能力为62kW，最低制冷温度为13.3℃

表2(对应图10)

编号	L₁	L₂	L₃	L₄	L₅	L₆	L₇	L₈	S
编号	L₁	L₂	L₃	L₄	L₅	L₆	L₇	L₈	S	温度(℃)	40	60	60	100	115	115	70	48	115
流量(kg/h)	550	550	527	527	527	477	477	477	50	温度(℃)	40	60	60	100	115	115	70	48	115

由图10中H输入的热功率为36kW，整个系统制冷COP值为1.7

实例2为制热情形。表3、表4列出图中有关参数，表3为空气状态参数，表4为再生系统溶液有关参数。

表3(对应图8)

编号	n₁	n₂	n₃	n₄	n₅	n₆	n₇	n₈	n₉	R
编号	n₁	n₂	n₃	n₄	n₅	n₆	n₇	n₈	n₉	R	干球温度(℃)	8.3	13.5	15.5	30.6	37.2	23.3	18.7	9.4	4.4	21.0
相对湿度(％)	70	100	100	18	13	29	38	12	80	33	干球温度(℃)	8.3	13.5	15.5	30.6	37.2	23.3	18.7	9.4	4.4	21.0

处理空气流量与除湿空气流量均为10000kg/h(2.78kg/s)，制热能力为83kW，最高制热温度为37.2℃。

表4(对应图10)

编号	L₁	L₂	L₃	L₄	L₅	L₆	L₇	L₈	S
编号	L₁	L₂	L₃	L₄	L₅	L₆	L₇	L₈	S	温度(℃)	10	50	60	100	115	115	70	25	115
流量(kg/h)	550	550	525	525	525	480	480	480	45	温度(℃)	10	50	60	100	115	115	70	25	115

由图10中H输入的热功率为33kW，整个系统制热COP值为2.5。

Claims

1.一种液体除湿方法和设备，其特征在于：除湿器有两类相互交错且平行布置的宽大通道，即加湿通道(1)和除湿通道(2)，两者用传热壁(3)隔离，待除湿的空气流经除湿通道，同时有冷却空气(或待加热加湿的空气)与待除湿的空气逆向地流过加湿通道；除湿液的浓度和温度、水的温度、空气的温度和湿度等均分段以形成梯度，实现完全的逆流传热传质。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在除湿通道中，有除湿液喷淋，在加湿通道中，有水喷淋；在沿空气流动的方向上，除湿液的浓度和温度、水的温度、空气的温度和湿度等均分段以形成梯度，主要通过以下技术手段实现：即，除湿通道和加湿通道中，均设置了若干个气液分离器(4)，每一段均配备有独立的溶液泵和水泵。

3.一种空气调节制冷方法，利用液体除湿、蒸发冷却制冷，采用如权利要求1、2所述的液体除湿方法，所述的蒸发冷却包括间接蒸发冷却和直接蒸发冷却(绝热加湿)。所述的空气间接蒸发冷却方法为：空气通过间接蒸发冷却器干通道的同时，另有空气逆向通过加湿通道，在湿通道表面分布有均匀的水膜，水分蒸发吸热冷却干通道的空气。

4.一种空气调节制热方法，利用液体除湿、间接蒸发加热加湿、绝热除湿升温及回收再生器余热等制热，采用如权利要求1、2所述的液体除湿方法，所述间接蒸发加热加湿方法与权利要求3所述的空气间接蒸发冷却方法一致，只不过其循环的方向相反。所述绝热除湿升温的方法为：热湿空气与除湿液直接接触，绝热除湿升温。

5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于：通过改变空气的流向，即变换处理空气，可以使循环在制冷和制热之间转换。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于：空气在进行液体除湿前可先经预处理进行预除湿，所述的预除湿方法为：热湿空气与除湿液直接接触，进行绝热除湿，空气温度升高，空气含湿量降低。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于：液体除湿剂在进入再生器前可进行预再生。所述的预再生方法为：除湿液与从除湿器除湿通道出来的干燥空气直接接触，除湿液被部分再生。

8.如权利要求3或4或5或6或7所述的方法，其特征在于：其除湿液的再生采用沸腾蒸发与非沸腾蒸发相结合的再生方式。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：其除湿液的沸腾蒸发再生不限于在常压条件下进行，可在真空或有压力的条件下进行。

10.一种应用权利要求3，4，5，6，7和8所述方法的设备，其特征在于：包括风机(图中未示出)、泵(图中未示出)、除湿器16、间接蒸发冷却器18、直接蒸发冷却器(饱和器)20、预处理器21、再生器22和绝热除湿器23、空气热交换器24及空气预热器25等。其中后三项仅用于制热，直接蒸发冷却器(饱和器)20仅用于制冷。其中再生器22与除湿器16、预处理器21及绝热除湿器23相连，除湿器16与间接蒸发冷却器18相连，间接蒸发冷却器18与直接蒸发冷却器(饱和器)20及绝热除湿器23相连，绝热除湿器23与空气热交换器24相连，直接蒸发冷却器20与空气预热器25相连，预处理器21与除湿器16和绝热除湿器23相连。