基于溶液除湿与真空再生的热泵型空调系统的制作方法

1.本发明涉及一种基于膜溶液除湿与热泵真空再生溶液的新型热湿独立处理空调系统。


背景技术：

2.当今社会，科学技术的发展使得空调越来越普及，人们对居住环境和空气品质的要求也越来越髙。人们对空调不仅要求准确的温湿度控制，还期望更高的空气品质。在我国南方地区，夏季制冷和冬季供暖都依赖于空调。高品质的室内空气离不开室外新风的输送，然而在我国南方大部分地区因室外常年多雨，空气相对湿度很高，高湿的环境不仅会导致金属生锈、物品发霉、损害电器设备、还会使人员产生不舒适感，因此必须对引入的新风进行除湿，降低空气湿度就成为这些地区空气调节的主要任务。
3.综上，带有除湿功能的新风处理空调系统不仅能提高室内空气品质，保证人员身体的健康，而且能减少经济损失。然而，水蒸气冷凝的潜热很高，与空气降温相比，对空气进行除湿要消耗大量的能量，高湿地区除湿过程消耗的能量大约占空调总能耗的40％，对于全新风空调来说，除湿所需的能量会占到总能耗的60％以上。所以为了实现节约能源和满足人们更高的生产生活需求的目标，不仅需要研究新型的除湿技术，更需要对新风空调除湿系统进行设计优化。
4.目前，建筑能耗占社会总能耗的比例已高达20～30％，而这其中又有40～50％是暖通空调造成的。可见，暖通空调的节能对于改善全社会的能源节约问题将起着关键作用。
5.暖通空调的能耗较大一部分是用在夏季制冷上。而在南方，夏季也正是湿度最大的时候，高湿的条件给空调运行带来非常不利的影响，空调需要处理的不只是显热负荷，还有相当比例的湿负荷。这是因为，空调在对湿空气进行降温时，湿空气很快就会达到饱和状态而凝出液态水，空调的制冷量被大量浪费在水蒸气的冷凝潜热上，而不是用于空气的进一步降温。为保证制冷效果，只能加大制冷量，从而造成高能耗。
6.南方冬季供暖同样依赖于空调，南方冬季室外空气温度较低，湿度却很高，使得空调室外机极易结霜，蒸发器结霜会使得空调制热性能急剧恶化，为保证加热效果，就需要加大功耗，由此产生了较高的能耗。
7.热湿独立处理的新风空调是解决上述问题的一个有效手段。其基本理念是，利用独立的低能耗除湿方法预先对湿空气进行除湿处理，然后空气以较低的湿度进入空调蒸发器而被冷却至目标温度，其间不产生相变潜热，制冷量仅用于空气的显热降温。而要实现持续的除湿能力，就必须对除湿工质进行再生处理，将吸收的水分从溶液中分离出来以重新获得除湿所需的浓度。固体除湿通常需要很高的再生温度，常见的固体除湿方法如转轮除湿，再生温度高、成本高。溶液除湿对再生温度要求相对较低，更适合缺乏高温热源的空调系统。
8.中国专利201010175918.1公开了一种热回收型溶液除湿新风机组，热泵的两级并联蒸发器用于冷却溶液以对空气进行除湿和降温，热泵的两级并联冷凝器用于加热溶液使
其获得再生能力，除湿和再生分别在两级串联喷淋式除湿器和两级串联喷淋式再生器中进行。中国专利zl201320097733.2公开了一种热泵驱动的逆流式溶液调湿新风机组，可通过调节制冷系统蒸发器的冷量，来调节除湿溶液的温度，同时通过适当的补水控制除湿溶液的浓度，实现对新风除湿和降温。中国专利zl201810146294.7公开了一种热泵驱动的溶液除湿-再生空气处理系统，采用两组独立的热泵对溶液进行梯级加热和冷却，而除湿器和再生器均为单级。
9.上述现有技术中，除湿过程采用喷淋塔结构，空气容易携带液滴进入室内，给室内空气质量带来不利影响；再生过程均采用开式常压喷淋结构，需要较高温度的再生空气、需要大量再生热量，且溶液与空气进行直接接触式传热传质再生，溶液在向空气传递水蒸气的同时，也向空气传递显热热量，因此高温再生热量损耗大、溶液再生过程温度下降显著，造成溶液再生性能快速恶化，这也是目前溶液再生需要高温(通常80℃以上)才能再生、难以利用热泵冷凝热(50℃-60℃)的根本原因。
10.另外，上述现有技术中，未考虑将溶液除湿技术应用于冬季室外空气的预处理以防止空调室外机结霜使得空调性能恶化。


技术实现要素：

11.针对现有技术的空气热湿独立处理方案所存在的问题，本发明提供了基于膜溶液除湿与真空再生的新型空调系统，其根本特性是利用溶液结合膜法对高湿空气除湿，除湿后的稀浓度溶液是通过低温的真空方式再生，从而可以充分利用热泵的冷凝散热。
12.系统工作方式为，热泵高温级蒸发器用来冷却再生后的浓溶液，以该溶液为除湿工质，利用高比表面积的膜除湿器对湿空气进行除湿，得到低湿度的空气，再利用热泵低温级蒸发器对低湿度空气进行无相变的显热降温；同时，利用高温级冷凝器释放的冷凝热在真空再生器中加热并再生除湿后的稀溶液，不需要额外的能量输入，因真空条件下的溶液再生可以在较低的温度下进行，因而为溶液再生提供热量的制冷剂不需要像常规热泵一样提供太高的冷凝温度，从而也就不需要工作在太高的冷凝压力状态；此外，热泵低温级冷凝器将多余热量以更低的冷凝温度散到环境中，整体上均有利于改善压缩机的运行工况。本发明将热泵系统、膜除湿器与低温真空再生系统结合起来，可以显著提高夏季潮湿工况下的制冷空调能效。
13.本发明的目的通过以下技术方案来实现。本发明的基于膜和溶液除湿的热泵型空调系统，包括：压缩机、低温级冷凝器、高温级冷凝器、溶液再生器、膨胀阀、低温级蒸发器、高温级蒸发器、膜除湿器、散热器、溶液泵、凝水器、储水罐、真空泵。
14.根据本发明的一个实施例，制冷剂蒸汽在压缩机中被压缩至低温级冷凝压力，一部分制冷剂蒸汽在低温级冷凝器中被环境空气冷却为液态；另一部分制冷剂继续被压缩至高温级冷凝压力，在高温级冷凝器中被除湿后的稀溶液冷却而冷凝至液态，高压制冷剂液体经膨胀阀节流后与低压制冷剂混合，混合后的制冷剂经节流后分别进入高温和低温两级蒸发器，进入高温级蒸发器的制冷剂被用于冷却再生后的除湿溶液、被加热而蒸发至过热蒸汽状态；进入低温级蒸发器的制冷剂被用于冷却除湿后的空气、被加热而蒸发至过热蒸汽状态，两股气流最终分别回到压缩机不同的吸气口，完成热泵循环。
15.根据本发明的一个实施例，在膜除湿器中，溶液与湿空气之间被膜隔开，膜对湿空
气中的水蒸气有选择渗透性，可以阻止溶液与湿空气的直接接触，避免液滴夹带造成空气污染。进入膜除湿器的是浓度较高的溶液，具有较低的水蒸气分压力，而来自环境的湿空气具有较高的水蒸气分压力，于是在膜两侧形成水蒸气分压力差，构成水蒸气传质的驱动力，水蒸气因此从空气侧分离出来，透过膜进入溶液侧，被溶液吸收，从而实现对湿空气的除湿。溶液自身因为吸收水蒸气而浓度下降，变成稀溶液，同时溶液因吸收过程释放的潜热而升温。
16.根据本发明的一个实施例，热泵的高温冷凝器为溶液再生器提供溶液再生所需热量，完成除湿过程的稀溶液进入真空溶液再生器，该稀溶液被再生器内高温冷凝器盘管内加热，使稀溶液达到再生温度并被再生，而盘管内的气态制冷剂冷凝成液态。
17.根据本发明的一个实施例，溶液再生器内部腔体为真空环境，溶液被加热至再生温度后，表面形成较高的水蒸气分压力而产生传质驱动力，推动水蒸气离开溶液进入上方的真空区。在这种真空再生模式下，溶液因不断吸收冷凝盘管内气态制冷剂的冷凝热而产生水蒸气、水蒸气则在真空条件下被环境空气温度下冷凝成液态水，从而维持溶液的持续再生，溶液温度基本维持不变，这对于维持溶液再生能力是有利的；换言之，溶液在接近恒定的温度下被再生，因此也就不需要溶液像传统常压开式再生那样要求很高的再生温度来应对大温降，反过来也就不需要冷凝器工作在很高的冷凝压力和温度，有利于改善压缩机的运行工况。
18.根据本发明的一个实施例，水蒸气在低压的溶液再生器中从溶液中蒸发出来，进入凝水器被冷凝成液态水，并被储存在储水罐中，从而将溶液再生器的真空度维持在特定的压力，即溶液的饱和水蒸气压力，以保证持续的溶液再生能力。凝水器的冷源是不限于环境空气的冷却流体，水蒸气冷凝压力由凝水器的冷却条件决定。
19.根据本发明的一个实施例，溶液再生器的真空环境由真空泵创建，在系统运行之前，真空泵将溶液再生器、凝水器、储水罐内部抽成真空，当系统运行时，真空泵不再工作，真空度依靠凝水器内水蒸气的不断冷凝来自动维持。
20.根据本发明的一个实施例，溶液离开溶液再生器后温度较高，需要先经散热器冷却，再流经蒸发器冷却至除湿所需的较低温度，以形成溶液表面较低的水蒸气分压力，满足持续除湿的需求。散热器的冷源可以是但不限于环境空气与室内排气的冷却流体。
21.根据本发明的一个实施例，当系统稳定运行时，在空气除湿/溶液再生循环中，溶液吸收、释放的水蒸气质量达到平衡，同时各环节的吸热、放热也达到平衡。不过，在启动、停机或工况变化时，系统是处于非稳态的，由于传热传质的瞬时不平衡，溶液会有膨胀或收缩的趋势，而具有自由液面的溶液再生器则起到缓冲作用。
22.本发明的有益效果包括：
23.(1)在夏季高湿地区，基于膜溶液除湿与真空再生的热泵型空调系统利用溶液的吸湿特性，通过膜除湿器将湿空气预先除湿，然后再通过热泵的蒸发器对低湿空气进行降温，降温过程不会出现水蒸气冷凝，从而实现热湿独立处理，该方式不仅节能，而且能有效避免空调病的发生；
24.(2)在南方高湿地区冬季空调制热时，利用溶液的吸湿特性，通过膜除湿器将环境湿空气进行预处理，降低空气湿度，然后再通过热泵的蒸发器以防止蒸发器结霜；
25.(3)真空再生模式下，被再生的溶液不存在显热降温，热泵冷凝器为溶液再生提供
的加热量只用于溶液的水蒸汽发生所需潜热，因此可以实现低温再生、且所需再生热量更少，反过来也就不需要热泵提供很高的冷凝压力和温度，可以显著改善热泵的工作性能。
26.(4)膜将空气与溶液隔开，这种非直接接触的除湿方式可以有效避免液滴夹带造成的空气污染；
27.(5)在双级热泵循环中，两个蒸发温度相比传统空调系统均提高、高压冷凝温度较传统溶液再生型热泵的冷凝温度更低，冷凝器放出的热量原本是作为废热直接排放到环境中的，本发明设置两个冷凝温度，将部分冷凝废热回收，用于溶液再生，再生过程不需要额外的热量输入，再生后的除湿溶液依靠散热器和热泵高温级蒸发器进行进一步降温，所以本发明系统的环境适应能力强、整体性能较传统系统显著提高。
附图说明
28.图1为根据本发明的一个实施例的基于膜溶液除湿与真空再生的热泵型空调系统流程示意图。
29.图2为根据本发明的一个实施例的膜除湿器结构示意图。
30.图3为根据本发明的一个实施例的溶液再生器结构示意图。
具体实施方式
31.以下结合附图和具体实施方式具体说明本发明的技术方案。
32.如图1所示，根据本发明的一个实施例的基于膜溶液除湿与真空再生的热泵型空调系统包括：第一蒸发器1、第二蒸发器2、第一压缩机3、第二压缩机4、第一冷凝器5、第二冷凝器6a、溶液再生器6、第一膨胀阀7、第二膨胀阀8、第三膨胀阀9、膜除湿器10、回热器11、溶液泵12、一级散热器13、二级散热器14、凝水器15、储水罐16、真空泵17。其中，冷凝器6a是溶液再生器6的组成部件之一；第一蒸发器1、第二蒸发器2、第一压缩机3、第二压缩机4、第一冷凝器5、第二冷凝器6a、第一膨胀阀7、第二膨胀阀8、第三膨胀阀9构成双级热泵循环，工质为制冷剂；膜除湿器10、回热器11、溶液泵12、一级散热器13、二级散热器14、溶液再生器6构成除湿/再生循环，工质为溶液；溶液再生器6内部腔体与凝水器15、储水罐16、真空泵17连通，溶液再生器(6)内部溶液腔体、凝水器(15)和储水罐(16)内部为真空环境。
33.来自环境的湿空气首先被膜除湿器10除湿，出来的干空气被第一蒸发器1冷却而不发生结露，实现热湿独立处理。
34.在热泵循环中，制冷剂蒸汽进入第一压缩机3中被压缩至低温级冷凝压力，一部分制冷剂蒸汽在低温级第一冷凝器5中被环境空气冷却为液态，另一部分制冷剂进入第二压缩机4中继续被压缩至高温级冷凝压力，在高温级第二冷凝器6a中被吸湿后的稀溶液冷却而冷凝至液态，高压制冷剂液体经第一膨胀阀7节流后与低压制冷剂混合，混合后的制冷剂经第二膨胀阀8和第三膨胀阀9节流后分别进入高温第二蒸发器2和低温第一蒸发器1两级蒸发器，进入高温级第二蒸发器2的制冷剂被用于冷却再生后的除湿溶液、被加热而蒸发至过热蒸汽状态；进入低温级第一蒸发器1的制冷剂被用于冷却除湿后的空气，被加热而蒸发至过热蒸汽状态，进入高温第二蒸发器2和低温第一蒸发器1的两股制冷剂最终分别回到压缩机不同的吸气口，完成双级热泵循环。
35.在除湿/再生循环中，浓溶液进入膜除湿器10对湿空气进行除湿，自身因吸收湿空
气中的水蒸气而浓度下降，除湿后的稀溶液进入回热器11进行预热，在溶液泵12的抽吸作用下进入溶液再生器6，将溶液再生器6内部腔体下方的冷凝器6a盘管浸没，该稀溶液被溶液再生器6内高温冷凝器6a盘管内冷凝的制冷剂加热，使稀溶液达到再生温度并被再生，而盘管内的气态制冷剂冷凝成液态，水蒸气从溶液中蒸发出来进入真空区并在凝水器15中被冷凝成液态水、以维持溶液再生系统的真空度，从而实现溶液再生，再生后的浓溶液流动至回热器11，与流入溶液再生器6a前的溶液进行换热降温，再经一级散热器13被不限于环境空气的冷却流体冷却，接着流经二级散热器14被不限于室内排气的冷却流体冷却，再进入第二蒸发器2被冷却到更低的温度，最终回到膜除湿器10，完成除湿/再生循环。
36.从溶液中蒸发出来的水蒸气离开溶液再生器6后，进入凝水器15，被不限于环境空气的冷却流体冷却而冷凝，液态水被储存在储水罐16中。
37.系统运行之前，真空泵17将溶液再生器6内部腔体、凝水器15、储水罐16抽成真空，系统运行时真空泵17不再工作，真空度由水蒸气的冷凝来维持。
38.如图2所示，作为本发明的一种基于膜溶液除湿与真空再生的热泵型空调系统的空气除湿部件的膜除湿器10包括：膜10-1、壳体10-2、溶液入口封头10-3、溶液出口封头10-4、溶液入口端头10-5、溶液出口端头10-10、溶液入口接头10-7、溶液出口接头10-8、空气入口接头10-9、空气出口接头10-10。膜10-1为管状结构，膜管束将膜除湿器10内部分隔成管侧和壳侧空间，溶液在管侧流动，空气在壳侧流动，溶液和空气之间通过膜进行传热传质。溶液入口封头10-3和溶液出口封头10-4用于支撑膜管束，并将壳侧的空气分别与溶液入口端头10-5和溶液出口端头10-10中的溶液隔离开来。浓溶液从溶液入口接头10-7流入，由溶液入口端头10-5分配至各膜管内，经过除湿过程吸收水蒸气而变成稀溶液，最后汇集到溶液出口端头10-10，从溶液出口10-8流出；同时，湿空气从空气入口接头10-9流入，经过除湿过程变成干空气，最后从空气出口接头10-10流出。
39.如图3所示，作为根据本发明的一种基于膜溶液除湿与真空再生的热泵型空调系统的制冷剂冷凝与溶液再生一体部件的溶液再生器6包括：壳体6-1、水蒸气出口接头6-2、制冷剂入口接头6-3、制冷剂出口接头6-4、溶液入口接头6-5、溶液出口接头6-6，并与冷凝器6a在制冷剂入口接头和制冷剂出口接头处耦合在一起。壳体6-1为刚性结构，能够承受外界的大气压力。冷凝器盘管6a安装在内部靠下的位置，并焊接在壳体6-1上。制冷剂蒸汽从制冷剂入口接头6-3进入冷凝器盘管6a，与冷凝器盘管6a外的溶液进行换热，冷凝成液态后从制冷剂出口接头6-4流出。稀溶液从溶液入口接头6-5进入壳体内部，将冷凝器盘管6a浸没，从而被制冷剂的冷凝热加热而发生再生。溶液表面较高的水蒸气分压力和上方真空区较低的水蒸气分压力之间形成传质驱动力，推动水蒸气从溶液中蒸发出来进入真空区，最后从水蒸气出口接头6-2流出。溶液再生器6内部腔体具有一定空间，同时也起到储液罐的作用，溶液的自由液面能够缓冲因传热传质而造成的溶液容积变化。
40.以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。