CN104214873A - 一种基于冷凝热分级利用的热泵驱动溶液除湿装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于冷凝热分级利用的热泵驱动溶液除湿装置及方法，该装置包括传统热泵驱动溶液除湿循环回路和溶液除湿蒸发冷却循环回路，以上循环回路的连接部件为第二级冷凝器（4）和第一冷却器（7）。该装置利用热泵驱动溶液除湿系统中多余的冷凝热，驱动溶液除湿循环获取干燥空气，利用干燥空气在间接蒸发冷却器内蒸发冷却获取低温冷却水。装置运行分为过冷制冷剂和预冷却新风两种模式。本发明能够实现热泵驱动溶液除湿系统中冷凝热的合理利用、增大系统制冷量、降低冷凝温度和提高系统COP的目的。

Description

一种基于冷凝热分级利用的热泵驱动溶液除湿装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于冷凝热分级利用的热泵驱动溶液除湿系统，是一种冷凝热分级合理利用的方法及装置，属于热泵驱动溶液除湿、冷凝热利用和间接蒸发冷却的技术领域。

背景技术

空调系统的主要任务是控制室内空气的温度和湿度。近年来，热泵驱动溶液除湿系统由于其紧凑的结构和较高的性能越来越受到欢迎。在热泵驱动溶液除湿系统中，蒸发器的制冷量用于冷却溶液，提高除湿性能；冷凝器的冷凝热用于再生溶液。

热泵驱动溶液除湿系统中，冷凝温度较高（70^oC左右），冷凝热品质较好，并且冷凝热通常大于溶液再生所需的热量，如果全部的冷凝热用于溶液再生，溶液的温度将会过高，这将进一步导致冷凝温度的升高和热泵系统COP的降低。因此合理有效的利用多余的冷凝热将是一种有效的节能措施。目前许多学者提出了不同的方法，但都存在各自的局限与不足：一些学者建议利用多余的冷凝热预热再生空气；牛晓峰等建议设置一个空冷式冷凝器用于移除多余的冷凝热；刘晓华等提出利用蒸发冷却器移除多余的冷凝热。

溶液除湿蒸发冷却系统中，浓溶液在除湿器中吸收空气中水分获取干燥空气，通过干燥空气的蒸发冷却获取低温冷却水，稀释后的溶液经过热源加热后，进入再生器重新获取吸湿能力，溶液再生热源可以为低品位热源。

从上述分析可知，这两种系统具有较好的结合性，可以合理有效的利用多余的冷凝热，取得较好的节能效果。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于冷凝热分级利用的热泵驱动溶液除湿装置及方法，该装置利用多余的冷凝热驱动溶液除湿再生循环获取干燥空气，利用干燥空气蒸发冷却获取低温冷却水，进而实现过冷制冷剂或预冷却新风，是一种高效、节能的冷凝热利用方式。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

本发明基于冷凝热分级利用的热泵驱动溶液除湿装置，该装置包括蒸气压缩热泵循环回路、主溶液循环回路和新风循环回路，辅溶液循环回路、闭式空气循环回路和冷却水循环回路。其中： 

所述蒸气压缩热泵循环回路包括蒸发器、压缩机、第一级冷凝器、第二级冷凝器、第一阀门、第二阀门、第一冷却器和节流阀，所述蒸发器的第一输出端依次通过压缩机、第一级冷凝器与第二级冷凝器第一输入端连接；所述第二级冷凝器第一输出端分两路：一路通过第一阀门、节流阀与蒸发器的第一输入端连接；一路通过第二阀门、第一冷却器与节流阀的输入端连接，节流阀的输出端与蒸发器的第一输入端连接。

所述主溶液循环回路与蒸气压缩热泵循环回路共用蒸发器和第一级冷凝器，还包括第一溶液泵、第一除湿器、第一溶液热交换器、第一再生器和第二溶液泵；所述第一除湿器第一输出端与蒸发器第二输入端连接，蒸发器第二输出端通过第一溶液泵与第一除湿器第二输入端连接；第一除湿器第二输出端通过第一溶液热交换器与第一再生器第一输入端连接，第一再生器第一输出端通过第一溶液热交换器与第一除湿器第二输入端连接；第一再生器第二输出端与第一级冷凝器第二输入端连接，第一级冷凝器第二输出端通过第二溶液泵与第一再生器第二输入端连接；第一再生器第三输入端与室内回风连接，第一再生器顶部输出端与环境相连。

所述新风循环回路与主溶液循环回路共用第一除湿器，与冷却水循环回路共用第一冷却器，还包括第一空气热交换器、第三阀门、第四阀门、第五阀门和第一风机；所述第一空气热交换器下部输出端分两路：一路通过第三阀门与第一冷却器第一输入端连接，第一冷却器第一输出端通过第四阀门、第一风机与第一除湿器第三输入端连接；一路通过第五阀门、第一风机与第一除湿器第三输入端连接；第一除湿器顶部输出端与房间连接。

所述辅溶液循环回路与蒸气压缩热泵循环回路共用第二级冷凝器，与闭式空气循环回路共用第二除湿器，还包括第二再生器、第三溶液泵、第二溶液热交换器和第二冷却器，所述第二再生器第一输出端通过第三溶液泵、第二溶液热交换器、第二冷却器与第二除湿器第一输入端连接；第二除湿器第一输出端通过第二溶液热交换器与第二级冷凝器第二输入端连接，第二级冷凝器第二输出端与第二再生器第一输入端连接；第二再生器第二输入端与室内回风连接，第二再生器顶部输出端与环境相连。

所述闭式空气循环回路与辅溶液循环回路共用第二除湿器，与冷却水循环回路共用间接蒸发冷却器，还包括第二空气热交换器和第二风机，所述第二除湿器第二输出端通过第二空气热交换器、第二风机与间接蒸发冷却器第一输入端连接；所述间接蒸发冷却器第一输出端通过第二空气热交换器与第二除湿器第二输入端连接。

所述冷却水循环回路与闭式空气循环回路共用间接蒸发冷却器，还包括第一冷却器、循环水泵和冷却水泵，所述间接蒸发冷却器第三输出端与第一冷却器第二输入端连接，第一冷却器第二输出端通过冷却水泵与间接蒸发冷却器第三输入端连接，间接蒸发冷却器第二输出端通过循环水泵与间接蒸发冷却器第二输入端连接。

进一步地，主溶液循环回路和辅溶液循环回路中的溶液为同种类或者不同种类。

具体地，本发明采用的基于冷凝热分级利用的热泵驱动溶液除湿方法，包括以下几个步骤；

主溶液循环回路利用第一除湿器中的浓溶液对新风进行降温减湿，使新风达到室内送风状态点，同时第一除湿器中溶液浓度降低，稀释后的溶液经过第一级冷凝器加热后，进入第一再生器与室内回风热质交换，同时第一再生器中的溶液浓度增加，从而第一除湿器中的溶液恢复吸收新风中水蒸气的能力，经过蒸发器冷却后，重新进入第一除湿器；

辅溶液循环利用第二除湿器中的浓溶液吸收闭式空气中的水分，获取干燥空气，同时第二除湿器中溶液浓度降低，稀释后的溶液经过第二级冷凝器加热后，溶液表面水蒸气分压力升高，进入第二再生器再生，重新获取吸湿能力。

闭式空气循环中利用干燥空气在间接蒸发冷却器中蒸发冷却获取低温冷却水，使空气湿度增加，重新进入第二除湿器减湿。

冷却水循环中利用低温冷却水进入第一冷却器实现整个装置的过冷制冷剂模式或预冷却新风模式，其中：

过冷制冷剂模式：当第一阀门、第三阀门、第四阀门关闭，第二阀门、第五阀门打开时，第二级冷凝器出口的制冷剂经过第二阀门进入第一冷却器被低温冷却水冷却，实现制冷剂制冷；同时新风在第一空气热交换器中热回收后，通过第五阀门和第一风机进入第一除湿器。

预冷却新风模式：当第一阀门、第三阀门、第四阀门打开，第二阀门、第五阀门关闭时，新风经过第一空气热交换器后进入第一冷却器中被低温冷却水冷却实现预冷却新风；同时第二级冷凝器出口的制冷剂经过第一阀门、节流阀进入蒸发器。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1）、本发明利用热泵驱动溶液除湿系统中过量的冷凝热作为驱动能源，可以实现低品位能源的充分利用，达到节能的目的。

2）、本发明利用热泵驱动溶液除湿系统中过量的冷凝热驱动溶液除湿再生循环获取干燥空气，通过干燥空气的蒸发冷却获取低温冷却水，实现制冷剂的过冷或预冷却新风，系统制冷量增大，有效提高系统COP。

3）、本装置利用两组溶液循环，将冷凝热分为两部分，有效避免了传统热泵驱动溶液除湿系统中单一溶液循环溶液温度过高而导致的冷凝温度上升，实现冷凝热的分级利用，系统冷凝温度降低，系统COP提高。

4）、本发明为实现热泵驱动溶液除湿系统中过量冷凝热高效合理利用提供了一种可行的方法与方案。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中，蒸发器1，压缩机2，第一级冷凝器3，第二级冷凝器4，第一阀门5，第二阀门6，第一冷却器7，节流阀8，第一空气热交换 器9，第三阀门10，第四阀门11，第五阀门12，第一风机13，第一溶液泵14，第一除湿器15，第一溶液热交换器16，第一再生器17，第二溶液泵18，第二再生器19，第三溶液泵20，第二溶液热交换器21，第二冷却器22，第二除湿器23，第二空气热交换器24，第二风机25，间接蒸发冷却器26，循环水泵27，冷却水泵28。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行说明。

如图1所示，本发明基于冷凝热分级利用的热泵驱动溶液除湿装置，该装置包括蒸气压缩热泵循环回路、主溶液循环回路和新风循环回路，辅溶液循环回路、闭式空气循环回路和冷却水循环回路。其中： 

蒸气压缩热泵循环回路中，蒸发器1的右侧第一输出端依次通过压缩机2、第一级冷凝器3与第二级冷凝器4右侧第一输入端连接；第二级冷凝器4左侧第一输出端分两路：一路通过第一阀门5与节流阀8的输入端连接；一路通过第二阀门6、第一冷却器7与节流阀8的输入端连接，节流阀8的输出端与蒸发器1的左侧第一输入端连接。

主溶液循环回路中，第一除湿器15出口的混合溶液分两路：一路进入蒸发器1内降温后，通过第一溶液泵14进入第一除湿器15喷淋，与新风进行热质交换，降低新风的温度和湿度，达到室内送风状态点；一路通过第一溶液热交换器16进入第一再生器17，与第一再生器17底部的浓溶液混合；第一再生器17出口的混合溶液分两路：一路进入第一级冷凝器3加热后，通过第二溶液泵18进入第一再生器17，与室内回风进行热质交换，溶液浓度增加；一路通过第一溶液热交换器16进入第一除湿器15底部，与第一除湿器15底部的稀溶液混合；

辅溶液循环回路中，第二再生器19出口的浓溶液，通过第二溶液热交换器21、第二冷却器22冷却后，进入第二除湿器23喷淋，与湿空气进行热质交换，空气含湿量降低，溶液浓度降低，稀溶液通过第二溶液热交换器21进入第二级冷凝器4加热，溶液温度升高，进入第二再生器19喷淋，与室内回风进行热质交换，溶液浓度升高。

闭式空气循环回路中，第二除湿器23出口的干燥空气通过第二空气热交换器24进入间接蒸发冷却器26内蒸发冷却，冷却水温度降低，空气含湿量增加，湿空气通过第二空气热交换器24进入第二除湿器23除湿；

冷却水循环回路中，间接蒸发冷却器26产生的低温冷却水进入第一冷却器7实现整个装置的过冷制冷剂模式或预冷却新风模式；待冷却水温度升高后，通过冷却水泵28进入间接蒸发冷却器26降温。其中： 

过冷制冷剂模式：关闭第一阀门5、第三阀门10、第四阀门11，打开第二阀门6、第五阀门12；蒸气压缩热泵循环回路中，压缩机2出口的高温高压制冷剂进入第一级冷凝器3，加热主溶液循环回路中的再生溶液，第一级冷凝器3出口的制冷剂进入第二级冷凝器4，将剩余的冷凝热加热辅溶液循环回路中的再生溶液，冷凝后的液态制冷剂经过第二阀门6进入第一冷却器7，与间接蒸发冷却器26内产生的低温冷却水热交换，制冷剂的温度降低，实现制冷剂的过冷，过冷后的制冷剂经过节流阀8节流降压进入蒸发器1，冷却第一除湿器15出口的混合溶液；新风循环回路中，新风经过第一空气热交换器9预热后，通过第五阀门12和第一风机13进入第一除湿器15降温除湿，达到室内送风状态点，送入房间。

预冷却新风模式：关闭第二阀门6、第五阀门12，打开第一阀门5、第三阀门10、第四阀门11；新风循环回路中，新风经过第一空气热交换器9、第三阀门10进入第一冷却器7，与间接蒸发冷却器26内获取的低温冷却水进行热交换，实现新风的预冷却，降温后的新风经过第四阀门11、第一风机13进入第一除湿器15降温除湿，达到室内送风状态点，送入房间；蒸气压缩热泵循环回路中，第二级冷凝器4出口的制冷剂经过第一阀门5、节流阀8进入蒸发器1。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。 

Claims (3)

1.一种基于冷凝热分级利用的热泵驱动溶液除湿装置，其特征在于，该装置包括蒸气压缩热泵循环回路、主溶液循环回路和新风循环回路，还包括辅溶液循环回路、闭式空气循环回路和冷却水循环回路，其中：

所述蒸气压缩热泵循环回路包括蒸发器（1）、压缩机（2）、第一级冷凝器（3）、第二级冷凝器（4）、第一阀门（5）、第二阀门（6）、第一冷却器（7）和节流阀（8）；所述蒸发器（1）的第一输出端依次通过压缩机（2）、第一级冷凝器（3）与第二级冷凝器（4）第一输入端连接；第二级冷凝器（4）第一输出端分两路：一路通过第一阀门（5）与节流阀（8）的输入端连接；一路通过第二阀门（6）、第一冷却器（7）与节流阀（8）的输入端连接，节流阀（8）的输出端与蒸发器（1）的第一输入端连接；

所述主溶液循环回路与蒸气压缩热泵循环回路共用蒸发器（1）和第一级冷凝器（3），还包括第一溶液泵（14）、第一除湿器（15）、第一溶液热交换器（16）、第一再生器（17）和第二溶液泵（18）；

第一除湿器（15）第一输出端与蒸发器（1）第二输入端连接，蒸发器（1）第二输出端通过第一溶液泵（14）与第一除湿器（15）第一输入端连接；第一除湿器（15）第二输出端通过第一溶液热交换器（16）与第一再生器（17）第一输入端连接，第一再生器（17）第一输出端通过第一溶液热交换器（16）与第一除湿器（15）第二输入端连接；第一再生器（17）第二输出端与第一级冷凝器（3）第二输入端连接，第一级冷凝器（3）第二输出端通过第二溶液泵（18）与第一再生器（17）第二输入端连接；第一再生器（17）第三输入端与室内回风连接，第一再生器（17）顶部输出端与环境相连；

所述新风循环回路与主溶液循环回路共用第一除湿器（15），与冷却水循环回路共用第一冷却器（7），还包括第一空气热交换器（9）、第三阀门（10）、第四阀门（11）、第五阀门（12）和第一风机（13）；

第一空气热交换器（9）下部输出端分两路：一路通过第三阀门（10）与第一冷却器（7）第一输入端连接，第一冷却器（7）第一输出端通过第四阀门（11）与第一风机（13）输入端连接；一路通过第五阀门（12）与第一风机（13）输入端连接，第一风机（13）输出端与第一除湿器（15）第三输入端连接；第一除湿器（15）顶部输出端与房间连接；

所述辅溶液循环回路与蒸气压缩热泵循环回路共用第二级冷凝器（4），与闭式空气循环回路共用第二除湿器（23），还包括第二再生器（19）、第三溶液泵（20）、第二溶液热交换器（21）和第二冷却器（22）；

第二再生器（19）第一输出端通过第三溶液泵（20）、第二溶液热交换器（21）、第二冷却器（22）与第二除湿器（23）第一输入端连接；第二除湿器（23）第一输出端通过第二溶液热交换器（21）与第二级冷凝器（4）第二输入端连接，第二级冷凝器（4）第二输出端与第二再生器（19）第一输入端连接；第二再生器（19）第二输入端与室内回风连接，第二再生器（19）顶部输出端与环境相连；

所述闭式空气循环回路与辅溶液循环回路共用第二除湿器（23），与冷却水循环回路共用间接蒸发冷却器（26），还包括第二空气热交换器（24）和第二风机（25）；

第二除湿器（23）第二输出端通过第二空气热交换器（24）、第二风机（25）与间接蒸发冷却器（26）第一输入端连接；间接蒸发冷却器（26）第一输出端通过第二空气热交换器（24）与第二除湿器（23）第二输入端连接；

所述冷却水循环回路与闭式空气循环回路共用间接蒸发冷却器（26），还包括第一冷却器（7）、循环水泵（27）和冷却水泵（28）；

间接蒸发冷却器（26）第三输出端与第一冷却器（7）第二输入端连接，第一冷却器（7）第二输出端通过冷却水泵（28）与间接蒸发冷却器（26）第三输入端连接；间接蒸发冷却器（26）第二输出端通过循环水泵（27）与间接蒸发冷却器（26）第二输入端连接。

2.根据权利要求1所述的基于冷凝热分级利用的热泵驱动溶液除湿装置，其特征在于，主溶液循环回路和辅溶液循环回路中的溶液为同种类或者不同种类。

3.一种如权利要求1所述装置的冷凝热分级利用的热泵驱动溶液除湿方法，其特征在于，包括以下步骤： 

主溶液循环回路利用第一除湿器（15）中的浓溶液对新风进行降温减湿，使新风达到室内送风状态点，同时第一除湿器（15）中溶液浓度降低，稀释后的溶液经过第一级冷凝器（3）加热后，进入第一再生器（17）与室内回风热质交换，同时第一再生器（17）中的溶液浓度增加，从而第一除湿器（15）中的溶液恢复吸收新风中水蒸气的能力，经过蒸发器（1）冷却后，重新进入第一除湿器（15）；

辅溶液循环利用第二除湿器（23）中的浓溶液吸收闭式空气中的水分，获取干燥空气，同时第二除湿器（23）中溶液浓度降低，稀释后的溶液经过第二级冷凝器（4）加热后，溶液表面水蒸气分压力升高，进入第二再生器（19）再生，重新获取吸湿能力；

闭式空气循环中利用干燥空气在间接蒸发冷却器（26）中蒸发冷却获取低温冷却水，使空气湿度增加，重新进入第二除湿器（23）减湿；

冷却水循环中利用低温冷却水进入第一冷却器（7）实现整个装置的过冷制冷剂模式或预冷却新风模式，其中：

过冷制冷剂模式：当第一阀门（5）、第三阀门（10）、第四阀门（11）关闭，第二阀门（6）、第五阀门（12）打开时，第二级冷凝器（4）出口的制冷剂经过第二阀门（6）进入第一冷却器（7）被低温冷却水冷却，实现制冷剂制冷；同时新风在第一空气热交换器（9）中热回收后，通过第五阀门（12）和第一风机（13）进入第一除湿器（15）；

预冷却新风模式：当第一阀门（5）、第三阀门（10）、第四阀门（11）打开，第二阀门（6）、第五阀门（12）关闭时，新风经过第一空气热交换器（9）后进入第一冷却器（7）中被低温冷却水冷却实现预冷却新风；同时第二级冷凝器（4）出口的制冷剂经过第一阀门（5）、节流阀（8）进入蒸发器（1）。