溶液除濕空調系統的溶液再生裝置的制作方法
技術領域：本發明屬于空氣調節、膜蒸餾技術應用和低品位可再生能源利用領域，涉及空氣調節中的濕度控制和膜蒸餾技術中的溶液濃縮分離裝置，特別涉及一種溶液除濕空調系統的溶液再生裝置。
背景技術：室內溫度、濕度控制是空調系統的主要任務。目前，常見的空調系統都是通過向室內送入經過處理的空氣，依靠與室內的空氣進行熱質交換來完成溫度
和濕度的控制。空調系統普遍采用冷凝除濕方式，采用7"C的冷水來實現對空氣的降溫與除濕處理，同時去除調節空間的顯熱負荷與潛熱負荷。降溫要求冷源溫度低于空氣的干球溫度，除濕要求冷源溫度低于空氣的露點溫度，占總負荷一半以上的顯熱負荷本可以采用高溫冷源排走，卻與除濕一起共用7。C的低溫冷源進行處理，造成了能量利用品位上的浪費。通過冷凝除濕方式對空氣進行冷卻和除濕，其吸收的顯熱與潛熱比只能在一定的范圍內變化，而室內環境調節所需要的熱濕比卻在較大的范圍內變化；而且，冷凝除濕方式產生的潮濕表面成為霉菌等生物污染物繁殖的良好場所，嚴重影響室內空氣品質。
溫濕度獨立控制空調系統是解決上述空調系統存在問題的有效方式之一。在該系統中，可采用溶液除濕、轉輪除濕等方式處理空氣濕度，采用高溫冷源控制室內溫度，從而實現了溫濕度的全面調節與控制。由于除濕的任務由濕度控制系統承擔，溫度控制系統所需的冷源溫度從原來的7。C提高至18。C，為地下水等很多天然冷源的使用提供了條件?；谌芤撼凉窨照{方式的溫濕度獨立控制空調系統中，溶液除濕系統負責處理新風，使之承擔調節空間的全部潛熱負荷、控制室內濕度；18r的冷水送入輻射板或干式風機盤管等末端裝置，用于去除空間的顯熱負荷、控制室內溫度。溶液除濕系統中，一般采用分散除濕、集中再生的方式，將再生濃縮后的濃溶液分別輸送到各個除濕器中。由于潛熱負荷由新風系統承擔，因而冷水的供水溫度從常規空調系統的7。C提高至18'C，空調系統中不再產生凝水，提高了室內空氣品質。由于供水溫度的提高，使得制冷機的性能系數有明顯提高。
除濕溶液的再生過程是利用濕空氣中水蒸氣的分壓力與除濕溶液表層水蒸氣的分壓力之差為驅動力，使除濕溶液的水分向空氣中傳遞擴散，最終除濕溶液濃度得到提高，使之再次具有吸濕的能力。而溶液的濃度和加熱熱源的溫度對除濕溶液表層水蒸氣的分壓力有決定性的影響，是影響再生性能的主要因素。專利《一種熱泵驅動的多級溶液除濕和再生新風裝置》(專利號
.5)、《內冷-內熱型溶液除濕_再生裝置及除濕-再生方法》(專利號.8)、《一種熱泵驅動的多級溶液除濕和再生新風機組》(專利號.3)和《工業余熱內熱型溶液除濕再生器》(專利號.0)等都涉及了以氣液直接接觸式熱質交換過程為基礎，通過回收熱量，增加系統性能系數為目的的系統設計或改進方法，溶液的再生過程在填料塔中進行。
目前普遍采用的溶液再生方式都是以填料塔為氣液接觸表面進行的。在填料塔中，稀溶液被加熱后在填料塔上部噴淋，噴淋后的溶液與在填料中逆流流動或叉流流動的空氣進行熱質交換，利用填料表面上溶液的水蒸氣分壓與空氣中水蒸氣的分壓差為傳質驅動力，實現溶液的濃縮。填料塔為了保持盡量大的氣液接觸面積，體積和重量都很大，而且，由于空氣氣流的作用，容易在空氣出口處形成泛沫夾帶。另外，空氣與水蒸氣的熱質交換過程中，由于空氣得到了水蒸氣的汽化潛熱，溫度升高，使得空氣中水蒸氣的分壓增大，傳質推動力減小，因此，再生過程中的稀溶液的溫度都比較高。
膜蒸餾技術是傳統蒸餾工藝與膜分離技術相結合的一種高效分離技術，它
起源于20世紀60年代，但直至20世紀90年代由于高分子材料和制膜工藝方
面的迅速發展，膜蒸餾才逐漸顯示出實用潛力，膜蒸餾利用高分子膜的疏水性和某些結構上的功能達到蒸餾的目的。不同于傳統的蒸餾工藝，膜蒸餾過程不需要將溶液加熱至沸騰狀態，只要膜兩側維持適當的溫差就可實現蒸餾，因此操作溫度比傳統的蒸餾操作低得多，可有效利用地熱能、太陽能以及工業廢水余熱等廉價能源，可望成為一種廉價、高效的分離手段。膜蒸熘技術目前的主
要應用領域有海水和苦咸水的脫鹽淡化；廢水處理；純水凈化；非揮發性溶質水溶液濃縮結晶；水溶液中揮發性溶質的脫除回收等。膜蒸餾是以疏水性微孔膜兩側的蒸汽壓差為傳質推動力的膜分離過程，膜蒸餾過程幾乎是在常壓下進行，設備簡單、操作方便。在非揮發性溶質水溶液的膜蒸餾過程中，只有水蒸氣能透過膜孔，故蒸餾液十分純凈。膜蒸餾技術除了設備簡單、操作方便、蒸餾液純凈以及易于組合擴大等特點外，它可以處理高濃度的水溶液，可以將溶液濃縮至飽和狀態。
另外，在膜組件的各種結構形式中，由于膜材料的多孔結構，膜組件單位體積所能提供的膜接觸面積非常大，又由于膜材料是采用高分子聚合材料，在體積和重量上大大減小。尤其值得一提的是，膜蒸餾過程中，只有水蒸氣能通過膜孔，溶液和溶液中的液體分子、離子等都不能通過，因此在操作過程中不會出現泛沬夾帶現象。
發明內容
本發明的目的在于基于膜蒸餾技術的基本原理和操作過程以及溶液除濕過程中對溶液的濃縮分離要求，提出一種溶液除濕空調系統的溶液再生裝置，將膜蒸餾技術應用于溶液除濕空調系統中的溶液再生裝置，不但可以減小裝置的體積和重量，而且所利用的熱源溫度可以降低，拓展了低品位熱能的利用范圍，增加了熱能的可利用溫差。
為達到上述目的，本發明是通過以下技術方案來解決的
溶液除濕空調系統的溶液再生裝置，包括稀溶液儲液器6、濃溶液儲液器8、
溶液加熱裝置IO、再生循環泵9、水蒸氣處理模塊12和膜蒸餾組件11，稀溶液儲液器6下部的稀溶液出口通過管路與再生循環泵9的進口連接，再生循環泵9的出口通過管路與溶液加熱裝置10的溶液進口相連，溶液加熱裝置10的溶液出口與膜蒸餾組件11的進口相連，膜蒸餾組件11的濃溶液出口與稀溶液儲液器6的上部進料口連接，同時，膜蒸餾組件11的水蒸氣出口與水蒸氣處理模塊12的進口相連，稀溶液儲液器6的下部溶液出口與流量調節閥門7的進口連接，流量調節閥門7的出口與濃溶液儲液器8上部的進料口連接，濃溶液儲液器8下部的溶液出口與濃溶液泵5的進口連接，濃溶液泵5的出口與濃溶液和稀溶液熱交換器4的熱側進口連接，濃溶液和稀溶液熱交換器4的熱側出口與濃溶液分配器2的進口連接，濃溶液分配器2的出口與各個除濕器1的濃溶液進口連接，各個除濕器1的稀溶液出口與稀溶液集中器3的進口連接，稀溶液集中器3的出口與濃溶液和稀溶液熱交換器4的冷側進口連接，濃溶液和稀溶液熱交換器4的冷側出口與稀溶液儲液器6側面的回流進口連接。
其中，水蒸氣處理模塊12有四種結構形式1):膜的一側是高溫再生溶液，膜的另一側是低溫吸收溶液的結構形式。水蒸氣透過膜孔從熱側擴散至冷側后被低溫溶液吸收帶走。二者形成逆流的流動方式。2):膜的一側是高溫再生溶
液，膜的另一側是帶有空氣隙的冷卻壁面的結構形式。水蒸氣透過膜孔從熱側擴散至空氣隙后被冷壁面冷凝，冷凝后的液體水從壁面流至回收裝置。3)膜的一側是高溫再生溶液，膜的另一側由氣體進行掃除的結構形式。水蒸氣透過膜孔從熱側擴散至另一側后被氣體吹除帶走。4)膜的一側是高溫再生溶液，膜的另一側進行減壓或保持真空狀態的結構形式。水蒸氣透過膜孔從熱側擴散至真空側后，被直接排出或者冷凝回收。
膜蒸餾中所用的膜材料是，聚乙烯(PE)膜材料、聚丙烯(PP)膜材料、
聚四氟乙烯(PTFE)膜材料或聚偏氟乙烯(PVDF)膜材料等選擇性透過膜材料或膜表面經過疏水性增強處理的膜材料。
膜組件的結構形式根據制膜工藝做成板框式、螺旋巻式、圓管式、中空纖維式或毛細管式。
對于溶液除濕空調的溶液再生裝置，除濕溶液是有機溶劑三甘醇、二甘醇；無機溶液氯化鋰溶液、溴化鋰溶液、氯化鈣溶液或者此三種無機溶液的任意混
合溶液。
對于不同系統規模和產能，可以通過膜蒸餾組件的串聯和并聯方式進行組合擴展實現。
此外，系統中的稀溶液儲液器6和濃溶液儲液器8同時具有儲液和蓄能的功能。系統既可以連續運行，也可以間歇運行；系統連續運行時，濃溶液和稀溶液熱交換器4降低濃溶液的溫度，提高稀溶液的溫度，從總體上，降低了溶液再生的熱負荷，提高了系統的性能系數。
稀溶液儲液器6中的稀溶液經再生循環泵9驅動后進入溶液加熱裝置10中加熱，加熱后的稀溶液在膜蒸餾組件11中進行膜分離濃縮，其中產生的水蒸氣由水蒸氣處理模塊12處理，濃縮后的濃溶液流入稀溶液儲液器6中，如此循環，直至稀溶液儲液器6中的溶液濃度達到要求后，完成一次溶液再生循環；開啟流量調節闊門7，將濃縮后的溶液流入濃溶液儲液器8中，濃溶液由濃溶液泵5驅動進入濃溶液和稀溶液熱交換器4降溫后進入濃溶液分配器2中，濃溶液在各個除濕器1中對新風進行除濕，吸收新風中的水蒸氣后溶液濃度變稀，
流回至稀溶液集中器3中，再流經濃溶液和稀溶液熱交換器4升溫后進入稀溶液儲液器6中，完成一次除濕循環。
本發明利用膜蒸餾技術中可利用低品位熱能的特點和膜材料可以提供大接觸面積的優點，實現溶液再生過程的低溫熱源驅動，使得系統對于驅動熱源的選擇更加廣泛；同時，由于膜材料屬于有機高分子聚合材料，可以大大降低系統的體積和重量；還因為膜組件可以簡單、快速的組合，可以隨著溶液再生需求的不同對系統進行串聯和并聯的方式進行擴展；可應用于溫濕度獨立控制的空調系統，也可應用于濕度精確控制的系統中。因此，本發明具有驅動熱源的溫度更低，可利用的溫差更大，裝置的體積和重量更小，系統更節能的特點。
圖1是本發明的結構原理圖。
圖2是本發明的水蒸氣處理模塊12的四種結構形式，其中，圖2(a)為膜的一側是高溫再生溶液，膜的另一側是低溫吸收溶液的結構形式；圖2(b)為膜的一側是高溫再生溶液，膜的另一側是帶有空氣隙的冷卻壁面的結構形式；圖2(c)為膜的一側是高溫再生溶液，膜的另一側由氣體進行氣掃吹除的結構形式；圖2(d)為膜的一側是高溫再生溶液，膜的另一側進行減壓或保持真空
狀態的結構形式。
圖3是本發明的膜材料的微觀結構圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的結構原理和工作原理作進一步詳細說明。參照圖1，本發明的結構原理為稀溶液儲液器6下部的稀溶液出口通過管路與再生循環泵9的進口連接，再生循環泵9的出口通過管路與溶液加熱裝置10的溶液進口相連，溶液加熱裝置10的溶液出口與膜蒸餾組件11的進口相連，其中，膜蒸餾組件11的濃溶液出口與稀溶液儲液器6的上部進料口連接，同時，膜蒸餾組件ll的水蒸氣出口與水蒸氣處理模塊12的進口相連；稀溶液儲
液器6的下部溶液出口與流量調節閥門7的進口連接，流量調節閥門7的出口與濃溶液儲液器8上部的進料口連接，濃溶液儲液器8下部的濃溶液出口與濃溶液泵5的進口連接，濃溶液泵5的出口與濃溶液和稀溶液熱交換器4的熱側進口連接，濃溶液和稀溶液熱交換器4的熱側出口與濃溶液分配器2的進口連接，濃溶液分配器2的出口與各個除濕器1的濃溶液進口連接，各個除濕器l的稀溶液出口與稀溶液集中器3的進口連接，稀溶液集中器3的出口與濃溶液和稀溶液熱交換器4的冷側進口連接，濃溶液和稀溶液熱交換器4的冷側出口與稀溶液儲液器6側面的回流進口連接。
圖1中，左面雙點劃線方框內為整個除濕器1的結構示意圖，由于系統采用分散除濕，集中再生的方式，所以，濃溶液分配器2將濃溶液分配給各個除濕器1的濃溶液進口，濃溶液在除濕器1中吸收新風中的水蒸氣后溶液變稀，需要進行集中再生時從各個除濕器1的稀溶液出口匯集在稀溶液集中器3中，流過濃溶液和稀溶液熱交換器4后進入稀溶液儲液器6中。
稀溶液儲液器6中的稀溶液經再生循環泵9驅動后進入溶液加熱裝置10中加熱，加熱后的稀溶液在膜蒸餾組件11中進行膜分離濃縮，其中產生的水蒸氣由水蒸氣處理模塊12處理，濃縮后的較濃溶液流入稀溶液儲液器6中，如此循環，直至稀溶液儲液器6中的溶液濃度達到要求后，完成溶液再生。開啟流量調節閥門7，將濃縮后的溶液流入濃溶液儲液器8中，濃溶液由濃溶液泵5驅動進入濃溶液和稀溶液熱交換器4降溫后進入濃溶液分配器2中，由濃溶液分配器2分配給各個除濕器1，濃溶液在各個除濕器1中對新風進行除濕，吸收新風中的水蒸氣后溶液濃度變稀，流回至稀溶液集中器3中，再流經濃溶
液和稀溶液熱交換器4升溫后進入稀溶液儲液器6中，完成一次除濕循環。圖
l中l為除濕器；2為濃溶液分配器；3為稀溶液集中器；4為濃溶液和稀溶液熱交換器；5為濃溶液泵；6為稀溶液儲液器；7為流量調節閥門；8為濃溶液儲液器；9為再生循環泵；10為溶液加熱裝置；11為膜蒸餾組件；12為水
蒸氣處理模塊。
溶液再生過程既可以間歇式進行，也可以連續進行，間歇式進行時，稀溶
液儲液器6和濃溶液儲液器8具有儲存溶液和蓄能功能，連續運行時，濃溶液和稀溶液熱交換器4具有回收熱量，減小系統熱負荷的功能。
參照圖2，本發明中水蒸氣的處理模塊12包括四種結構形式，圖2(a)為膜13的一側是高溫再生溶液，膜13的另一側是低溫吸收溶液。水蒸氣透過膜孔從熱側擴散至冷側后被低溫溶液吸收帶走。二者形成逆流的流動方式。圖2(b)為膜13的一側是高溫再生溶液，膜13的另一側是帶有空氣隙的冷卻壁面14。水蒸氣透過膜孔從熱側擴散至空氣隙后被冷卻壁面14冷凝，冷凝后的液體水從冷卻壁面14流至回收裝置。圖2(c)為膜13的一側是高溫再生溶液，膜13的另一側由氣體進行氣掃吹除，水蒸氣透過膜孔從熱側擴散至另一側后被氣體吹除帶走。圖2(d)為膜13的一側是高溫再生溶液，膜13的另一側進行減壓或保持真空狀態。水蒸氣透過膜孔從熱側擴散至真空側后，被冷凝回收。
對于有機溶劑三甘醇、二甘醇，無機溶液氯化鋰溶液、溴化鋰溶液或氯化鈣溶液，由于其溶液的表面蒸氣壓較低，具有較強的吸濕能力，因此，用于溶液除濕過程中，吸收新風中的水蒸氣使空氣的濕度得到調整，但自身溶液的濃度變稀，溶液表面的蒸氣壓上升，吸濕性下降，必須進行溶液的再生處理。
本發明中膜蒸餾的機理可以用圖3中的微觀結構圖來說明。膜13的左側是高溫再生稀溶液，如氯化鋰溶液，溴化鋰溶液、氯化鈣溶液或上述三種溶液的混合溶液，膜13的右側為如圖2所示的四種水蒸氣的處理方法的其中之一。圖3中膜孔的孔徑很小，與水蒸氣分子的平均自由程相當，因此，高溫再生稀
溶液在膜13左側流動，在膜壁面的膜孔處形成一定的水蒸氣分壓，由于膜孔
兩側的水蒸氣壓力差作用，使得水蒸氣從左側向右側擴散，擴散的通量與膜材料的特性有關，也與膜兩側水蒸氣的壓差有關。為了驗證膜蒸餾技術在溶液再生循環過程中的應用，對溴化鋰溶液進行減
壓膜蒸餾試驗，膜材料選用了聚偏氟乙烯(PVDF)膜。實驗參數為溴化鋰溶液質量濃度50%;加熱溶液(暖側)溫度范圍65_88°C;溶液流量范圍40-120L/h;膜真空側(冷側)真空度0.085-0.095Mpa。膜組件為中空纖維膜組件
形式，PVDF膜材料和膜組件的結構參數如表1、表2所示。
_表1PVDF膜管材料參數_
平均孔徑/,孔隙率內徑/mm壁厚/mm外徑/:—0.1685%0.80.151.1
_表2中空纖維膜組件參數_
外徑/mm內徑/mm有效長度/mm膜管/根膜面積/m.3
試驗結果表明，水蒸氣的膜通量隨著溶液溫度的提高而提高，隨著膜冷側真空度的增加而提高，并且隨著流量的增加而提高。
在上述試驗參數條件下，試驗結果顯示，水蒸氣的膜通量范圍在0.6-2.4kg/(h.m勺之間，因此，對于濃度更小的系統溶液來說，由于溶液表面的水蒸氣壓力越大，水蒸氣的膜通量也越大，溶液的操作溫度就會越低。因此，膜蒸餾技術應用于溶液除濕空調系統的溶液再生過程是完全可行的。
權利要求
1、溶液除濕空調系統的溶液再生裝置，包括稀溶液儲液器(6)、濃溶液儲液器(7)、溶液加熱裝置(10)、再生循環泵(9)、水蒸氣處理模塊(12)和膜蒸餾組件(11)，其特征在于稀溶液儲液器(6)下部的稀溶液出口通過管路與再生循環泵(9)的進口連接，再生循環泵(9)的出口通過管路與溶液加熱裝置(10)的稀溶液進口相連，溶液加熱裝置(10)的稀溶液出口與膜蒸餾組件(11)的進口相連，膜蒸餾組件(11)的濃溶液出口與稀溶液儲液器(6)的上部進料口連接，同時，膜蒸餾組件(11)的水蒸氣出口與水蒸氣處理模塊(12)的進口相連，稀溶液儲液器(6)的下部溶液出口與流量調節閥門(7)的進口連接，流量調節閥門(7)的出口與濃溶液儲液器(8)上部的進料口連接，濃溶液儲液器(8)下部的溶液出口與濃溶液泵(5)的進口連接，濃溶液泵(5)的出口與濃溶液和稀溶液熱交換器(4)的熱側進口連接，濃溶液和稀溶液熱交換器(4)的熱側出口與濃溶液分配器(2)的進口連接，濃溶液分配器(2)的出口與各個除濕器(1)的濃溶液進口連接，各個除濕器的稀溶液出口與稀溶液集中器(3)的進口連接，稀溶液集中器(3)的出口與濃溶液和稀溶液熱交換器(4)的冷側進口連接，濃溶液和稀溶液熱交換器(4)的冷側出口與稀溶液儲液器(6)側面的回流進口連接。
2、根據權利要求1所述的溶液除濕空調系統的溶液再生裝置，其特征在于所說的水蒸氣處理模塊(12)可以選用以下任意一種結構形式1)膜的一側是高溫再生溶液，膜的另一側是低溫吸收溶液的結構形式；2)膜的一側是高溫再生溶液，膜的另一側是帶有空氣隙的冷卻壁面的結構形式；3)膜的一側是高溫再生溶液，膜的另一側由氣體進行掃除的結構形式；4)膜的一側是高溫再生溶液，膜的另一側進行減壓或保持真空狀態的結構形式。
3、根據權利要求1所述的溶液除濕空調系統的溶液再生裝置，其特征在于所述的膜蒸餾組件(11)所用的膜材料是聚乙烯材料(PE)膜材料、聚丙烯材料(PP)膜材料、聚四氟乙烯(PTFE)膜材料、聚偏氟乙烯(PVDF)膜材料等選擇性透過膜材料或膜表面經過疏水性增強處理的膜材料。
4、根據權利要求1所述的溶液除濕空調系統的溶液再生裝置，其特征在于所述的膜蒸餾組件(11)的結構形式為板框式、螺旋巻式、圓管式、中空纖維式或毛細管式。
5、根據權利要求1所述的溶液除濕空調系統溶液再生裝置，其特征在于所述的除濕溶液為有機溶劑三甘醇或二甘醇或無機溶液氯化鋰溶液、溴化鋰溶液、氯化鈣溶液或者此三種無機溶液的任意混合溶液。
6、根據權利要求1所述的溶液除濕空調系統溶液再生裝置，其特征還在于所述的膜蒸餾組件(11)可以通過串聯或并聯的方式進行組合實現系統處理規模的擴展。
7、根據權利要求1所述的溶液除濕空調系統溶液再生裝置，其特征還在于所述的稀溶液儲液器(6)和濃溶液儲液器(8)同時具有儲液和蓄能的功能。
全文摘要
一種基于膜蒸餾技術的溶液除濕空調系統的溶液再生裝置，主要包括稀溶液儲液器、濃溶液儲液器、溶液加熱裝置、再生循環泵、水蒸氣處理模塊和膜蒸餾組件，利用膜蒸餾技術中驅動熱源溫度較低的特性，溶液再生過程所需的熱源溫度大大降低，熱能的可利用溫差范圍增大；同時，利用膜組件在單位體積下所能提供的巨大接觸面積以及膜組件的可擴展性，使得溶液再生系統的體積和重量大大減小；與傳統填料塔式溶液再生裝置相比，本發明運行溫度更低，運行過程中熱能僅僅用于水蒸氣的跨膜潛熱傳遞，因此能耗更小。
文檔編號B01D61/36GKSQ
公開日2009年5月20日申請日期2008年12月25日優先權日2008年12月25日
發明者馮詩愚,云李,王贊社,顧兆林申請人:西安交通大學
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