基于溶液除湿与真空再生的热泵型空调系统技术方案

本发明专利技术公开了基于膜溶液除湿与真空再生的热泵型空调系统，可用于解决夏季高湿气候下空调因处理湿负荷造成的制冷效果差且能耗大的问题与冬季空调机室外蒸发器易结霜的问题。本发明专利技术中热泵系统设置两级蒸发器与两级冷凝器，两个蒸发温度相比传统除湿系统均提高，系统性能提高；两个冷凝温度合理匹配环境状况，减少两台压缩机总功耗；利用膜溶液除湿技术对湿空气进行除湿，低温级蒸发器中仅进行显热降温；利用高温级蒸发器的冷量来冷却再生后的溶液，使溶液获得更好的除湿性能；利用高温级冷凝器释放的热量来再生吸湿后的溶液，并采用密闭真空低温再生，而非开式再生，再生温度更低，所需热量更少，有利于改善热泵的运行工况。有利于改善热泵的运行工况。有利于改善热泵的运行工况。

【技术实现步骤摘要】
基于溶液除湿与真空再生的热泵型空调系统


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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
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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。
[0009]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℃
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60℃)的根本原因。
[0010]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。

技术实现思路

[0011]针对现有技术的空气热湿独立处理方案所存在的问题，本专利技术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。
[0012]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。本专利技术将热泵系统、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。
[0013]本专利技术的目的通过以下技术方案来实现。本专利技术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。
[0014]根据本专利技术的一个实施例，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。
[0015]根据本专利技术的一个实施例，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。
[0016]根据本专利技术的一个实施例，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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于膜溶液除湿与真空再生的热泵型空调系统，其特征在于包括：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：溶液再生器(6)包括第二冷凝器(6a)，双级热泵循环包括第一蒸发器(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)、第一膨胀阀(7)、第二膨胀阀(8)、第三膨胀阀(9)，工质为制冷剂，双级热泵循环包括单压缩机多级压缩、双冷凝器和双蒸发器的流程，制冷剂由低压双吸气口引入，制冷剂经压缩后一部分流入低压第一冷凝器(5)，剩余部分经再次压缩后流入溶液再生器(6)内的高压第二冷凝器(6a)，第二冷凝器(6a)中进行制冷剂
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溶液换热，通过制冷剂蒸汽的冷凝热将处于真空条件下的溶液蒸发而实现溶液再生，除湿/再生循环包括膜除湿器(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)，工质为除湿溶液，浓溶液进入膜除湿器(10)对来自环境的湿空气进行除湿，同时溶液自身因吸收水蒸气而浓度下降，变成稀溶液后进入回热器(11)与再生后的高温浓溶液进行换热，温度提高，随后进入溶液再生器(6)，溶液被加热的同时也进行再生，再生后变回高温浓溶液，与再生前的低温稀溶液在回热器(11)中换热后温度降低，进而被溶液泵(12)抽至一级散热器(13)、二级散热器(14)与第二蒸发器(2)进行降温，以获得除湿所需的较低温度，最后回到膜除湿器(10)，完成除湿/再生循环，来自环境的高湿空气依次经膜除湿器(10)除湿和第一蒸发器(1)降温后被提供给用户，其中湿空气的湿负荷和热负荷由除湿和降温两个过程分开、独立处理。2.根据权利要求1所述的基于膜溶液除湿与真空再生的热泵型空调系统，其特征在于：膜除湿...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁卫星，李菲菲，杨波，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：