一种逆流反渗透再生的无霜热泵系统装置及方法转让专利
申请号 : CN201910465178.6
文献号 : CN110195941B
文献日 : 2021-11-05
发明人 : 王厉 , 骆菁菁
申请人 : 浙江理工大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种逆流反渗透再生的无霜热泵系统装置,其特征在于:包括热泵子系统(I)和防冻液再生子系统(II);
所述热泵子系统(I)由热源塔(1),循环工质泵(13),一级或多级并联的热泵主机(14)和循环工质管道(22)组成;
所述防冻液再生子系统(II)由防冻液循环泵(2),过滤器(3),一级或N级串联的溶液反渗透器(4),高压泵(7),纯水反渗透器(8),淡侧溶液管道(20)和浓侧溶液管道(21)组成;
所述循环工质管道(22)从热源塔(1)的循环工质出口A(102)开始,连接循环工质泵(13)后分为若干路并列连接至各级热泵主机(14)的循环工质进口B(1401),然后从热泵主机(14)的循环工质出口B(1402)出来后并列连接至热源塔(1)的循环工质进口A(101),回至热源塔(1);
所述淡侧溶液管道(20)从热源塔(1)底部的防冻液出口(103)开始,连接防冻液循环泵(2)和过滤器(3)后,依次串联连接各级溶液反渗透器(4)的淡侧溶液通道(401),再连接高压泵(7)后,连接溶液进口(801)后进入纯水反渗透器(8);
所述浓侧溶液管道(21)从纯水反渗透器(8)的溶液出口(802)开始,依次串联连接各级溶液反渗透器(4)的浓侧溶液通道(402),通过热源塔(1)底部防冻液进口(104)回至热源塔(1) ;
在纯水反渗透器(8)和溶液反渗透器(4)之间增加一个设备:反渗透器增压泵(17);即淡侧溶液管道(20)连接保持不变,浓侧溶液管道(21)从纯水反渗透器(8)的溶液出口(802)开始,先连接反渗透器增压泵(17),然后依次连接各级溶液反渗透器(4)相应的浓侧溶液通道(402),最后通过防冻液进口(104)回至热源塔(1)。
2.根据权利要求1所述的一种逆流反渗透再生的无霜热泵系统装置,其特征在于:各级热泵主机(14)从室内侧工质出口(1404)接至外部系统供冷或供热后,再通过各级热泵主机(14)的室内侧工质进口(1403)返回各级热泵主机(14);
纯水反渗透器(8)的出水口(803)接至外界。
3.根据权利要求2所述的一种逆流反渗透再生的无霜热泵系统装置,其特征在于,在溶液反渗透器(4)和热源塔(1)之间增加一个设备:首级溶液反渗透器能量回收器(12);即淡侧溶液管道(20)连接保持不变,浓侧溶液管道(21)从纯水反渗透器(8)的溶液出口(802)开始,先连接反渗透器增压泵(17),然后依次连接各级溶液反渗透器(4)相应的浓侧溶液通道(402),然后连接首级溶液反渗透器能量回收器(12),最后通过防冻液进口(104)回至热源塔(1)。
4.根据权利要求2所述的一种逆流反渗透再生的无霜热泵系统装置,其特征在于,在热源塔(1)和溶液反渗透器(4)之间增加一个首级溶液反渗透器能量回收器(12);在各级溶液反渗透器(4)俩俩之间增加一个中间级溶液反渗透器增压泵(10),溶液反渗透器(4)的数量为N,中间级溶液反渗透器增压泵(10)的数量为N‑1;
在纯水反渗透器(8)和溶液反渗透器(4)之间增加一个纯水反渗透器能量回收器(9);
即淡侧溶液管道(20)连接保持不变,浓侧溶液管道(21)从纯水反渗透器(8)的溶液出口(802)开始,先连接纯水反渗透器能量回收器(9),然后顺次连接各级溶液反渗透器(4)相应的浓侧溶液通道(402)和中间级溶液反渗透器增压泵(10),然后再通过首级溶液反渗透器能量回收器(12),最后通过防冻液进口(104)回至热源塔(1)。
5.利用权利要求1~4任一所述装置进行的逆流反渗透再生的无霜热泵供热或制冷的方法,其特征在于包括:
分为制冷运行模式和供热运行模式;
所述制冷运行模式:防冻液再生子系统(II)关闭,热泵子系统(I)工作;
所述供热运行模式:又分为一般运行模式和再生模式;一般运行模式:防冻液再生子系统(II)关闭,热泵子系统(I)正常工作;再生运行模式:热泵子系统(I)和防冻液再生子系统(II)一起工作;
所述热源塔(1)可为开式热源塔或闭式热源塔;当为开式热源塔时,所述热源塔(1)循环工质为供热运行模式下的防冻液或制冷运行模式下的水;当为闭式热源塔时,所述热源塔(1)循环工质为制冷剂或防冻液。
6.根据权利要求5所述的逆流反渗透再生的无霜热泵供热或制冷的方法,其特征在于包括以下实施步骤:
制冷运行模式:
1.1 热源塔(1)的循环工质从热源塔(1)的循环工质出口A(102)流出后,通过循环工质泵(13)加压后,经循环工质管道(22)进入各级热泵主机(14)内吸热后,再从循环工质进口A(101)流回热源塔(1);在热源塔(1)内与送入热源塔(1)内的空气进行对应开式热源塔的直接换热或对应闭式热源塔的间接换热后,循环工质的温度降低然后又从热源塔(1)的循环工质出口A(102)流出,经循环工质管道(22)进入各级热泵主机(14)再次进行吸热交换,如此循环,为各级热泵主机(14)提供稳定冷源;各级热泵主机(14)从室内侧工质出口(1404)接至外部系统供冷后,再通过室内侧工质进口(1403)返回各级热泵主机(14)内部与循环工质管道(22)送入的冷源进行放热交换,如此循环;
供热运行模式之一般运行模式:
1.2 热源塔(1)的循环工质从热源塔(1)的循环工质出口A(102)流入循环工质管道(22),经循环工质泵(13)增压后进入各级热泵主机(14)内放热后再流回热源塔(1);在热源塔(1)内与送入热源塔(1)内的空气进行对应开式热源塔的直接换热或对应闭式热源塔的间接换热后,循环工质的温度升高后又从热源塔(1)的循环工质进口A(101)流出,经循环工质管道(22)进入各级热泵主机(14)再次进行放热交换,如此循环,为各级热泵主机提供稳定热源;各级热泵主机(14)从室内侧工质出口(1404)接至外部系统供热后,再通过室内侧工质进口(1403)返回各级热泵主机(14)内部,与循环工质管道(22)送入的热源进行吸热交换,如此循环;
供热运行模式之再生运行模式:
1.3 同1.2;
1.4 热源塔(1)中的一部分循环工质循着淡侧溶液管道(20),通过防冻液出口(103),防冻液循环泵(2)和过滤器(3)后依次进入各级溶液反渗透器(4)的淡侧溶液通道(401),吸收从浓侧溶液通道(402)中跨膜传递过来的水量后,循环工质溶液浓度降低,然后通过高压泵(7)加压到高压后,进入纯水反渗透器(8),循环工质中的一部分水跨膜传递出去,并通过纯水反渗透器(8)的出水口(803)排至外界,同时溶液浓度增加;
1.5 高浓度循环工质从纯水反渗透器(8)的溶液出口(802)流出后依次流入各级溶液反渗透器(4)的浓侧溶液通道(402);在压力的作用下,浓侧溶液通道(402)里的循环工质向淡侧溶液通道(401)输出水分,浓度不断增加;
1.6 循环工质从最后一级溶液反渗透器(4)流出后流入热源塔(1)底部防冻液进口(104),完成一次溶液浓缩过程。
7.根据权利要求5所述的逆流反渗透再生的无霜热泵供热或制冷的方法,其特征在于包括以下实施步骤:
制冷运行模式:
2.1 同1.1
供热运行模式之一般运行模式:
2.2 同1.2
供热运行模式之再生运行模式:
2.3 同1.2
2.4 同1.4;
2.5 循环工质从纯水反渗透器溶液出口(802)流出后通过反渗透器增压泵(17)增压,然后依次流入各级溶液反渗透器(4)的浓侧溶液通道(402);此时浓侧溶液通道(402)里的循环工质浓度大于淡侧溶液通道(401)里的溶液浓度,浓侧溶液通道(402)里的循环工质向淡侧溶液通道(401)输出水分,浓度不断增加;
2.6 同1.6。
8.根据权利要求5所述的逆流反渗透再生的无霜热泵供热或制冷的方法,其特征在于包括以下实施步骤:
制冷运行模式:
3.1 同1.1
供热运行模式之一般运行模式:
3.2 同1.2
供热运行模式之再生运行模式:
3.3 同1.2
3.4 同1.4
3.5 同2.5;
3.6 循环工质从首个溶液反渗透器(4)浓侧溶液通道(402)流出后进入首级溶液反渗透器能量回收器(12)后释放压力,同时回收大部分液体压力能,降压后的循环工质流入热源塔(1)底部防冻液进口(104),完成一次溶液浓缩过程。
9.根据权利要求5所述的逆流反渗透再生的无霜热泵供热或制冷的方法,其特征在于包括以下实施步骤:
制冷运行模式:
4.1 同1.1;
供热运行模式之一般运行模式:
4.2 同1.2
供热运行模式之再生运行模式:
4.3 同1.2
4.4 同1.4
4.5 循环工质从纯水反渗透器(8)的溶液出口(802)流出后通过纯水反渗透器能量回收器(9)后释放压力,同时回收大部分液体压力能;降压后的循环工质流入位于最后一级的溶液反渗透器(4)的浓侧溶液通道(402),此时浓侧溶液通道(402)里的溶液浓度大于淡侧溶液通道(401)里的溶液浓度,浓侧溶液通道(402)里的溶液向淡侧溶液通道(401)输出水分,浓度增加;
4.6 然后,循环工质通过中间级溶液反渗透器增压泵(10)后压力有所增加,再进入下一个溶液反渗透器(4)的浓侧溶液通道(402),在压力作用下继续脱水后,循环工质浓度增加;顺次再进入下一个中间级溶液反渗透器增压泵(10),如此一直到位于首位的溶液反渗透器(4);
如果只有一级溶液反渗透器(4),则跳过此步骤直接进入步骤4.7;
4.7 循环工质从位于首位的溶液反渗透器(4)浓侧溶液通道(402)流出后进入首级溶液反渗透器能量回收器(12)后释放压力,同时回收大部分液体压力能,降压后的循环工质流入热源塔(1)底部防冻液进口(104),完成一次溶液浓缩过程。
说明书 :
一种逆流反渗透再生的无霜热泵系统装置及方法
技术领域
背景技术
整机能效。
方式所需除湿剂浓度较高,再生要求也高。另外一条技术路线是利用防冻液吸收湿空气中
的水蒸气并保证防冻液的冰点低于运行温度即可,这种方法所需防冻液的浓度不大,再生
要求不高,已取得商业应用。
需要保持较高的真空状态,这对设备制造和管理都提出了较高要求。
压至少为10Mpa以上,造成很大的现实性困难。为了减小反渗透操作压,专利号为
“ZL201310013902.4”的专利提出了一种多级反渗透的防冻液再生系统,该系统克服了单级
反渗透再生防冻液时操作压力过高的缺点,实现了对防冻液中水分的梯级转移。但该系统
需要的级数较多,另外运行时级间的稳定配合不容易实现。除此之外,申请号为
“ZL201610825112.X”的专利提出了一种逆流渗透做功装置,该装置利用逆流减压渗透实现
了溶液浓度的大幅度变化,降低了实际操作压力,但该系统用于浓差发电而不是防冻液浓
缩,不属于反渗透技术范畴。
透技术实现防冻液的再生,为无霜热泵系统的发展提供一个新方向。
发明内容
器,高压泵,纯水反渗透器,淡侧溶液管道和浓侧溶液管道组成;
列连接至热源塔的循环工质进口A,回至热源塔;
入纯水反渗透器;
各级热泵主机;溶液反渗透器的出水口接至外界。
不变,浓侧溶液管道从溶液反渗透器的溶液出口开始,先连接反渗透器增压泵,然后依次连
接各级溶液反渗透器相应的浓侧溶液通道,最后通过防冻液进口回至热源塔。
接保持不变,浓侧溶液管道从溶液反渗透器的溶液出口开始,先连接反渗透器增压泵,然后
依次连接各级溶液反渗透器相应的浓侧溶液通道,然后连接首级溶液反渗透器能量回收
器,最后通过防冻液进口回至热源塔。
量为N)俩俩之间增加一个中间级溶液反渗透器增压泵(数量为N‑1);在纯水反渗透器和溶
液反渗透器之间增加一个纯水反渗透器能量回收器。即淡侧溶液管道连接保持不变,浓侧
溶液管道从溶液反渗透器的溶液出口开始,先连接纯水反渗透器能量回收器,然后顺次间
隔地连接各级溶液反渗透器相应的浓侧溶液通道和中间级溶液反渗透器增压泵,然后再通
过首级溶液反渗透器能量回收器,最后通过防冻液进口回至热源塔。
行模式;
正常工作;再生运行模式:热泵子系统和防冻液再生子系统一起工作。
循环工质为制冷剂或防冻液。
送入热源塔内的空气进行直接换热(开式热源塔)或间接换热后(闭式热源塔),循环工质的
温度降低然后又从热源塔的循环工质出口流出,经循环工质管道进入各级热泵主机再次进
行吸热交换,如此循环,为各级热泵主机提供稳定冷源。各级热泵主机从室内侧工质出口接
至外部系统供冷后,再通过室内侧工质进口返回各级热泵主机内部与循环工质管道送入的
冷源进行放热交换,如此循环。
直接换热(开式热源塔)或间接换热后(闭式热源塔),循环工质的温度升高后又从热源塔的
循环工质出口流出,经循环工质管道进入各级热泵主机再次进行放热交换,如此循环,为各
级热泵主机提供稳定热源。各级热泵主机从室内侧工质出口接至外部系统供热后,再通过
室内侧工质进口返回各级热泵主机内部,与循环工质管道送入的热源进行吸热交换,如此
循环。
传递过来的水量后,循环工质溶液浓度降低,然后通过高压泵加压到高压后,进入纯水反渗
透器,循环工质中的一部分水跨膜传递出去,并通过纯水反渗透器的出水口排至外界,同时
溶液浓度增加。
出水分,浓度不断增加。
淡侧溶液通道里的溶液浓度,浓侧溶液通道里的循环工质向淡侧溶液通道输出水分,浓度
不断增加。
冻液进口,完成一次溶液浓缩过程。
反渗透器的浓侧溶液通道,此时浓侧溶液通道里的溶液浓度大于淡侧溶液通道里的溶液浓
度,浓侧溶液通道里的溶液向淡侧溶液通道输出水分,浓度增加。
入下一个中间级溶液反渗透器增压泵,如此一直到位于首位的溶液反渗透器。(如果只有一
级溶液反渗透器,则跳过此步骤直接进入步骤4.7)
底部防冻液进口,完成一次溶液浓缩过程。
附图说明
具体实施方式
A102开始,连接循环工质泵13后分为若干路并列连接至各级热泵主机14的循环工质进口
B1401,然后从热泵主机14的循环工质出口A1402出来后并联后连接至热源塔1的循环工质
进口A101,回至热源塔1。
接至外界。其内流动的工质可为空气、水或制冷剂等液体。室内侧工质进口1403和室内侧工
质出口1404所连接的外部供冷或供热系统的结构和实现原理,为成熟技术且不在本发明范
围之内,在此不再展开叙述。
热泵子系统在无霜工况下稳定连续工作。由防冻液循环泵2,过滤器3,一级或N级串联的溶
液反渗透器4,高压泵7,纯水反渗透器8,淡侧溶液管道20和浓侧溶液管道21组成。淡侧溶液
管道20从热源塔1底部的防冻液出口103开始,连接防冻液循环泵2和过滤器3后,依次串联
连接各级溶液反渗透器4内部的淡侧溶液通道401,再连接高压泵7后,通过溶液进口801后
进入纯水反渗透器8。浓侧溶液管道21从溶液反渗透器8的溶液出口802开始,依次串联连接
各级溶液反渗透器4内部的浓侧溶液通道402,通过热源塔1底部防冻液进口104回至热源塔
1。
液。
外部带入的热量后(循环工质温度升高,室内侧工质温度降低),再从循环工质进口A101流
回热源塔1;在热源塔1内与送入热源塔1内的空气进行直接换热(开式热源塔)或间接换热
后(闭式热源塔),循环工质的温度降低然后又从热源塔1的循环工质出口A102流出,经循环
工质管道22进入各级热泵主机14再次进行吸热交换,如此循环,为各级热泵主机14提供稳
定冷源。各级热泵主机14从室内侧工质出口1404沿相应管道接至外部系统供冷后,再通过
室内侧工质进口1403返回各级热泵主机14,与通过循环工质管道22提供的冷源进行放热交
换,制冷降温,再从室内侧工质出口1404流出,如此循环提供给外部连续制冷。
外供热,同时通过防冻液再生子系统II提高循环工质的浓度,从而使热泵子系统I在无霜工
况下稳定连续工作。再生运行模式连续运行时,在热源塔1内循环工质与空气进行热交换的
同时从空气中吸收水分,然后通过再生子系统II把水分分离出去,维持循环工质的浓度平
衡或始终大于20%。如果循环工质浓度越来越大,到一定程度,防冻液再生子系统II就停止
工作,进入一般运行模式。
(循环工质温度降低,室内侧工质温度升高),再流回热源塔1;在热源塔1内与送入热源塔1
内的空气进行直接换热(开式热源塔)或间接换热后(闭式热源塔),循环工质的温度升高后
又从热源塔1的循环工质出口A102流出,经循环工质泵13增压后再进入各级热泵主机14再
次进行放热交换,如此循环,为各级热泵主机提供稳定热源。各级热泵主机14从室内侧工质
出口1404沿相应管道接至外部系统供热后,再通过室内侧工质进口1403返回各级热泵主机
14,通过循环工质管道22提供的热源吸热升温,再从室内侧工质出口1404流出,如此循环提
高给外部系统连续供热。
溶液通道401中吸收从浓侧溶液通道402中传递过来的水量后,循环工质溶液浓度降低,然
后通过高压泵7加压到高压后,进入纯水反渗透器8,由于高压作用,循环工质中的一部分水
跨膜传递出去,溶液浓度增加并通过纯水反渗透器8的出水口803排至外界,从而调节和控
制循环工质的浓度。
用下,浓侧溶液通道402里的溶液向淡侧溶液通道401输出水分,循环工质浓度不断增加。
泵子系统I在无霜状态下连续运行。
即淡侧溶液管道20连接保持不变,浓侧溶液管道21从溶液反渗透器8的溶液出口802开始,
先连接反渗透器增压泵17,然后依次连接各级溶液反渗透器4相应的浓侧溶液通道402,最
后通过防冻液进口104回至热源塔1。
4的浓侧溶液通道402。在浓侧溶液通道402压力的作用下,浓侧溶液通道402里的循环工质
向淡侧溶液通道401输出水分,浓度不断增加。
量回收器12。即淡侧溶液管道20连接保持不变,浓侧溶液管道21从溶液反渗透器8的溶液出
口802开始,先连接反渗透器增压泵17,然后依次顺序连接各级溶液反渗透器4相应的浓侧
溶液通道402,然后连接首级溶液反渗透器能量回收器12,最后通过防冻液进口104回至热
源塔1。
果不进行能量回收简化系统的话,就是实施例1和2的情况。)降压后的循环工质流入热源塔
1底部防冻液进口104,完成一次溶液浓缩过程。从而使得循环工质保持高浓度的状态,维持
热泵子系统I在无霜状态下连续运行。
器12;在各级溶液反渗透器4(数量为N)俩俩之间增加一个中间级溶液反渗透器增压泵(10)
(数量为N‑1);在纯水反渗透器8和最后一个溶液反渗透器4之间增加一个纯水反渗透器能
量回收器9。即淡侧溶液管道20连接保持不变,浓侧溶液管道21从溶液反渗透器8的溶液出
口802开始,先连接纯水反渗透器能量回收器9,然后连接最后一个溶液反渗透器4的浓侧溶
液通道402,再顺次连接各个中间级溶液反渗透器增压泵10和上一级溶液反渗透器4相应的
浓侧溶液通道402,然后再通过首级溶液反渗透器能量回收器12,最后通过防冻液进口104
回至热源塔1。
收大部分液体压力能。降压后的循环工质流入位于最后一级的溶液反渗透器4的浓侧溶液
通道402,在浓侧溶液通道402压力的作用下,浓侧溶液通道402里的循环工质向淡侧溶液通
道401输出水分,浓度不断增加。
间级溶液反渗透器增压泵10和下一个溶液反渗透器4(如果只有一级溶液反渗透器4,则跳
过此步骤直接进入步骤4.7)
热源塔1底部防冻液进口104,完成一次循环工质浓缩过程。从而使得循环工质保持高浓度
(>20%)的状态,维持热泵子系统I在无霜状态下连续运行。
器效率95%;热泵主机COP为3,蒸发器潜热比为20%;采用3级溶液反渗透器,以单位质量进
口溶液为计算基准,首级、中间级和末级的脱水量分别为0.18kg/kg、0.36kg/kg和1.26kg/
kg;系统最大操作压力为8.55Mpa,再生总净功耗18.47kJ/kg,再生效率为16.2%,再生能耗
占热泵机组功耗的2.8%。但与填料塔再生防冻液无霜热泵相比,再生能耗占热泵机组功耗
20%,再生效率为2.23%,再生能耗占比显著降低,再生效率显著提高。
实际上并不可行,运行经济性远不如本发明。可见,本发明大幅降低了浓缩高浓度防冻液时
的操作压,使得反渗透技术能够真正应用于无霜热泵防冻液再生过程。另外相对于专利申
请号为“ZL201310013902.4”的多级反渗透的无霜热泵系统,本发明不需要采用若干闭式级
联,且系统更简单,运行更稳定可靠,有效实现了本发明的初衷。
但与填料塔再生防冻液无霜热泵相比,再生能耗占热泵机组功耗20%,再生效率为2.23%,
再生能耗占比显著降低,再生效率显著提高。实施实例3不需要采用纯水反渗透器能量回收
器和各级之间的中间级溶液反渗透器增压泵,简化了系统型式,可大幅减少了系统初投资,
有效实现了本发明的初衷。
冻液无霜热泵相比,再生能耗占热泵机组功耗20%,再生效率为2.23%,再生能耗占比显著
降低,再生效率显著提高。实施例2不需要采用纯水反渗透器能量回收器以及首级反渗透器
能量回收器,进一步简化了系统型式,大幅减少了系统初投资,更具有现实可行性,有效实
现了本发明的初衷。
塔再生防冻液无霜热泵相比,再生能耗占热泵机组功耗20%,再生效率为2.23%,再生能耗
占比显著降低,再生效率显著提高。实施例1不需要采用纯水反渗透器能量回收器,首级反
渗透器能量回收器,也不需要设置中间级溶液反渗透器增压泵,进一步简化了系统型式,大
幅减少了系统初投资,更具有现实可行性,有效实现了本发明的初衷。
实施例1‑4之间主要部件和结构都一致,也留有后续升级完善的可能性。从经济性和可操作
性具有极大的现实可行性,有效实现了本发明的初衷。
直接导出或联想到的所有变形,均应认为是本发明的保护范围。