CN220521458U - 一种转轮吸附辅助蒸汽压缩制冷空气取水装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种转轮吸附辅助蒸汽压缩制冷空气取水装置，涉及空气取水技术领域。包括转轮吸附系统和蒸汽压缩制冷系统以及相应的换热装置；转轮吸附系统包括处理风机、转轮、再生风机、风道及温湿度传感器；蒸汽压缩制冷系统包括压缩机、冷凝器、电子膨胀阀、蒸发器；并设有回热式热交换器、电加热器，用于提高装置取水效率，降低单位取水能耗。本装置适用范围广，单位取水能耗低，特别是针对远离电网地区，结合光伏发电技术，可实现零能耗工作，另外，本装置还可根据周围环境温度和湿度的不同，调整工作模式，保证最佳取水效率。

Description

一种转轮吸附辅助蒸汽压缩制冷空气取水装置

技术领域

本实用新型属于空气取水技术领域，更具体地说，是涉及一种转轮吸附辅助蒸汽压缩制冷空气取水装置。

背景技术

水是人类生产生活所必需的一种资源，许多国家都面临着淡水资源短缺问题。虽然地球球大部分区域都被水覆盖，但其中可被人类利用的淡水资源仅占1％，加之随着人口增长和工业生产需求，导致水污染问题日趋严重，目前全球40％的人口面临着水资源短缺问题。为了应对全球淡水资源紧缺问题，出现了雨水收集、海水淡化、空气取水等技术。雨水收集适用于多雨地区，海水淡化适用于沿海地区，它们都有较大的局限性，不适合广泛使用，空气作为一个天然的可再生水库，从空气中取水不受地域限制，相比雨水收集、海水淡化等，适用范围更广，是解决广大内陆干旱地区淡水资源短缺的重要手段。

为了解决传统吸附床取水形式技术中的间歇性问题，转轮吸附辅助蒸汽压缩制冷空气取水技术在近些年被提出，通过转轮转动实现吸附区与再生区的转换，进而实现连续性取水，这种方式可以缩短取水周期，满足持续性用水需求。

经过对现有技术的检索发现，转轮吸附辅助蒸汽压缩制冷空气取水技术主要集中在加湿侧。中国专利申请号201710711661.9和202111287292.8的专利中提出了通过多级转轮进行加湿的空气取水装置，但是当环境处于高温低湿时，转轮吸附效率极低，甚至不工作。

与本申请接近的中国专利申请号201210149074.2的专利采用了转轮加湿技术和压缩制冷技术结合进行空气取水，但是同样未考虑环境入口空气温度过低时的效率低下问题，同时，由于采用太阳能对空气预热，该装置不能解决夜间的用水需求。

通过以上检索可知，现有技术存在着效率低下，适用范围小的问题，特别是针对高温低湿工况下，转轮系统吸附效率低的问题。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种转轮吸附辅助蒸汽压缩制冷空气取水装置，在全工况下都能够保证较高的取水效率和较低的取水能耗。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种转轮吸附辅助蒸汽压缩制冷空气取水装置，包括蒸汽压缩制冷系统、转轮吸附系统。所述蒸汽压缩制冷系统用于冷凝取水，所述转轮吸附系统用于增大空气湿度。还包括水收集装置、若干膨胀阀、若干风阀；所述转轮吸附系统包括转轮、处理风机、处理风回热式换热器、再生风回热式换热器、再生风机、电加热器；所述蒸汽压缩制冷系统包括压缩机、冷凝器、一级蒸发器、二级蒸发器；风阀用于控制管内空气流向及流速，水收集装置用于水的收集及处理；所述蒸汽压缩制冷系统用于加热空气，冷凝取水，所述转轮吸附系统用于加湿，降低空气露点温度；

冷凝器位于再生风机与电加热器之间，处理风回热式换热器、再生风回热式换热器均为空气与空气换热的叉流换热器；所述再生风回热式换热器的热流体进、出口分别连接转轮的再生区出口、一级蒸发器入口；冷流体的进出口分别连接二级蒸发器、再生风机；

所述换热器的热流体入口连接外界环境，出口连接转轮的处理区入口；冷流体进出口连接二级蒸发器、再生风机，其中冷端设置风阀

所述压缩机为双吸气压缩机，其输入流向分别与一级蒸发器、二级蒸发器出口连接，输出流向与冷凝器连接；压缩机功率通过变频器调节。冷凝器空气测与电加热器连接，用于提高再生空气温度，降低电加热器所需能耗，一级蒸发器、二级蒸发器采用并联连接，为湿空气提供两种温度的冷源。

转轮吸附系统包括转轮，处理风机、再生风机、电加热器、处理风道回热式换热器、再生风道回热式换热器。电加热器与转轮再生侧入口连接，用于加热在生风至设定温度，提高转轮解析效率，处理风道回热式换热器用于降低处理风温度，提高高温低湿条件下的转轮吸附效率，再生风道回热式换热器与蒸发器空气侧连接，用于提高湿空气露点温度，增大取水效率。

优选地，所述转轮为玻璃纤维纸或铝基多孔转轮，所附吸湿材料为硅胶、分子筛、MOFs等及其复合盐吸湿剂。

优选地，所述电加热器可根据吸湿材料再生温度的不同调整出口温度，使所述转轮在保证吸湿性能的同时降低单位能耗。

优选地，所述蒸汽压缩制冷系统膨胀阀为电子膨胀阀。根据所述蒸发器入口湿空气露点温度，通过装置控制策略，调节蒸汽压缩制冷系统蒸发压力，进而调整蒸发温度，提升性能。

优选地，根据处理风入口空气温湿度变化，所述装置主动切换以下四种工作模式，分别是开式再生-预冷模式、开式再生-常规模式、闭式再生-预冷模式、闭式再生-常规模式。

优选地，所述蒸汽压缩制冷系统压缩机为双吸气压缩机，制冷工质为R134a。

优选地，所述蒸汽压缩制冷系统设有双蒸发器，空气经过一级蒸发器冷凝取水后，流过蒸发温度更低的二级蒸发器。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

1、本实用新型通过在转轮再生区前增加冷凝器，辅助电加热器对再生空气进行预热，实现了再生区水蒸气高效脱附，降低电加热器能耗，通过回热式换热器在高温工况下对处理空气进行预冷，实现了吸附区内吸附剂对水蒸气的吸附速率和吸附量显著提升，转轮吸附加湿效果显著，取水效果进一步提升。

2、通过双吸气压缩机为装置提供两种不同温度的冷源，湿空气经过一级蒸发器冷凝取水后再流经温度更低的二级蒸发器，实现了取水量的最大化，降低了单位取水能耗。与常规的蒸汽压缩制冷取水系统相比，在相同制冷量的情况下，具有更大的取水效率。

3、通过在系统各部件设置传感器，感应各部件参数变化，根据装置控制策略，动态调整装置工作模式，实现了动态调控运行参数，克服了传统空气取水装置在高温低湿条件下取水效果不佳的问题，大大提升了装置的适应性。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是闭式再生-预冷模式下的系统流程图；

图3是闭式再生-常规模式下的系统流程图；

图4是开式再生-预冷模式下的系统流程图；

图5是开式再生-常规模式下的系统流程图；

图6是本申请的装置传感器布置图；

图7是本申请的控制策略流程图；

图中：1、再生风机；2、冷凝器；3、电加热器；4、再生风回热式热交换器；5、一级蒸发器；6、二级蒸发器；7、水收集装置；8、第一风阀；9、第二风阀；10、第三风阀；11、处理风机；12、转轮；13、处理风回热式换热器；14、第四风阀；15、第五风阀；16、压缩机；17、第一电子膨胀阀；18、第二电子膨胀阀。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

图1所示为转轮吸附辅助蒸汽压缩制冷空气取水装置结构示意图，包括再生风机1、冷凝器2、电加热器3、再生风回热式热交换器4、一级蒸发器5、二级蒸发器6、水收集装置7、第一风阀8、第二风阀9、第三风阀10、处理风机11、转轮12、处理风回热式换热器13、第四风阀14、第五风阀15、第一电子膨胀阀17、第二电子膨胀阀18。其中，冷凝器空气端入口与再生风机1连接，出口与电加热器3连接，转轮12的再生区入口与电加热器3的出口连接，出口与再生风回热式换热器4连接；一级蒸发器5的入口与回热式换热器热流出口连接，出口与二级蒸发器6连接，湿空气经过两次冷凝，通过水收集装置7收集，供给生产生活；经过冷凝取水后的空气分别与处理风回热式换热器13与再生风回热式换热器4连接，其中，处理风回热式换热器13风道前后装有风阀，用于控制空气流向；处理风经过处理风回热式换热器13预冷后进入转轮再生区，经过转轮吸湿后排出。双吸气压缩机出口与冷凝器2连接，高压入口与一级蒸发器5出口连接，低压入口与二级蒸发器6连接。

本实施例中，从空气中取水的工作原理如下：处理风经过处理风回热式换热器13的冷却，温度降低，进入转轮处理区，空气中的水分子被吸附，干燥空气经过处理风机11排出；再生空气通过再生风机1进入冷凝器2空气测，温度升高，再通过电加热器3达到再生温度后，进入转轮再生区，将转轮吸附材料吸附的水蒸气解析至空气中，从转轮再生区排出的再生空气温度降低，湿度增大，湿空气经过再生风回热式热交换器4预冷后进入一级蒸发器5、二级蒸发器6冷凝，空气中的水分冷凝成液滴，经过水收集装置7收集后使用，被冷却后的低温干空气进入处理风回热式热交换器13、再生风回热式换热器4，用于冷却处理风和再生风，提升取水性能。

图2所示为闭式再生-预冷模式下系统流程图，箭头为空气流向。此时，第二风阀9、第四风阀14、第五风阀15开启，第一风阀8、第三风阀10关闭。被二级蒸发器6冷却后的低温空气经过回热式换热器4、13换热升温后，通过风管进入再生风机1，再生风形成闭式循环。

图3所示为闭式再生-常规模式下系统流程图，箭头为空气流向。此时，第一风阀8、第三风阀10开启，第二风阀9、第四风阀14、第五风阀15关闭。经过再生风回热式换热器4加热后的再生空气通过第一风阀8排出，环境空气通过第三风阀10进入再生风机入口，再生风形成开式循环。

图4所示为开式再生-预冷模式下系统流程图，箭头为空气流向。此时，第一风阀8、第三风阀10、第四风阀14、第五风阀15开启，第二风阀9关闭。被二级蒸发器6冷却后的低温空气经过处理风回热式热交换器13、再生风回热式换热器4换热升温后，通过第一风阀8排出，环境空气通过第三风阀10进入再生风机入口，再生风形成开式循环。

图5所示为开式再生-常规模式下系统流程图，箭头为空气流向。此时，第一风阀8、第三风阀10开启，第二风阀9、第四风阀14、第五风阀15关闭。经过再生风回热式换热器4加热后的再生空气通过第一风阀8排出，环境空气通过第三风阀10进入再生风机入口，再生风形成开式循环。

图6所示为传感器布置，u为风速、T/S为温湿度、T为温度。传感器将相应信号上传到主控制器，主控制器根据控制策略调整风阀开、闭及电子膨胀阀开度，实现取水装置的实时调整。为了防止传感器误差导致风阀的频繁开、闭，设定主控制器信号采集时间间隔为10分钟。

图7所示为控制策略流程图，装置开启时的初始状态设定为开式再生-常规模式，传感器将各部件温湿度信号上传到主控制器，主控制器根据信号参数计算处理风露点温度，并与再生风机入口露点温度进行比较，当处理风露点温度高于再生风机入口露点温度时，第一风阀8、第三风阀10保持开启状态，第二风阀9保持关闭状态；当处理风露点温度小于再生风机入口露点温度时，通过主控制器关闭第一风阀8、第三风阀10，开启第二风阀9，将开式再生模式调整为闭式再生模式。温湿度传感器检测一级蒸发器5、二级蒸发器6出口空气温湿度，并通过主控制器计算露点温度，根据设定温差调整电子膨胀阀开度，进而调整蒸发器蒸发温度；通过温度传感器检测蒸发器出口温度，并与处理风温度、露点温度进行对比，当蒸发器出口温度小于处理风露点温度时，第四风阀14、第五风阀15开启，此时工作状态为预冷模式。当蒸发器出口温度大于处理风露点温度时，第四风阀14、第五风阀15关闭，此时工作状态为常规模式。为了降低装置工作模式的频繁变化，可根据环境工况选择初始工作模式。

在远离电网的沙漠偏远地区，可以采用光伏系统(图中未标出)，为装置提供系统所需电能。

以上，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种转轮吸附辅助蒸汽压缩制冷空气取水装置，其特征在于，包括转轮吸附系统、蒸汽压缩制冷系统、水收集装置、若干膨胀阀、若干风阀；所述转轮吸附系统包括转轮、处理风机、处理风回热式换热器、再生风回热式换热器、再生风机、电加热器；所述蒸汽压缩制冷系统包括压缩机、冷凝器、一级蒸发器、二级蒸发器；风阀用于控制管内空气流向及流速，水收集装置用于水的收集及处理；所述蒸汽压缩制冷系统用于加热空气，冷凝取水，所述转轮吸附系统用于加湿，降低空气露点温度；

冷凝器位于再生风机与电加热器之间，处理风回热式换热器、再生风回热式换热器均为空气与空气换热的叉流换热器；所述再生风回热式换热器的热流体进、出口分别连接转轮的再生区出口、一级蒸发器入口；冷流体的进出口分别连接二级蒸发器、再生风机；

所述换热器的热流体入口连接外界环境，出口连接转轮的处理区入口；冷流体进出口连接二级蒸发器、再生风机，其中冷端设置风阀。

2.根据权利要求1所述的一种转轮吸附辅助蒸汽压缩制冷空气取水装置，其特征在于，所述膨胀阀为电子膨胀阀。

3.根据权利要求1所述的一种转轮吸附辅助蒸汽压缩制冷空气取水装置，其特征在于，所述压缩机为双吸气压缩机，其输入流向分别与一级蒸发器、二级蒸发器出口连接，输出流向与冷凝器连接；压缩机功率通过变频器调节。