專利名稱：空氣調節(制冷和制熱)方法及其設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種空氣調節(包括制冷和制熱)的方法及其設備，特別是涉及一種利用液體除濕，蒸發冷卻制冷；及其逆循環制熱的方法及其設備。
傳統的液體除濕一般僅用于獲得干燥空氣，對溫度無調節作用，且需利用天然或人工冷卻水吸收除濕過程中產生的冷凝熱，往往用于對空氣濕度有特殊要求的場合。傳統的空氣調節采用壓縮式制冷或吸收式制冷，并配以空氣處理裝置、冷卻塔等，實現空氣調節，一般不具有空氣凈化功能、新風能量回收功能和獨立的熱、濕處理功能。傳統的液體除濕裝置往往采用單效再生，或沸騰蒸發再生，或非沸騰蒸發再生。前者需將溶液加熱到沸點，使溶液沸騰、水分蒸發。后者無需將溶液加熱到沸點，只需將溶液加熱到一定溫度，使其水蒸汽分壓高于再生空氣中水蒸汽分壓，使熱溶液與再生空氣直接接觸，依靠水蒸汽分壓差推動力，使熱溶液中的水分蒸發。傳統的吸收式制冷機(如LiBr制冷機)，其溶液再生方式分為單效、雙效(或多效)，其雙效(或多效)再生需在二個(或多個)不同壓力下進行，其依據的機理是，在不同壓力下，溶液具有不同的沸騰溫度。
專利文獻“空氣調節方法及其設備”(中國專利97 1 15278.0)涉及一種空氣調節方法和設備，具有如下特征能滿足空調制冷時的空氣溫、濕度及空氣質量要求，不利用天然或人工冷卻水，具有制冷、空氣凈化功能、新風能量回收功能及獨立的熱濕處理功能，利用沸騰蒸發與非沸騰蒸發兩種不同的再生方式，實現常壓條件下的兩效(或多效)蒸發。其缺點主要體現在以下幾個方面除濕器結構復雜，所需傳熱面積大，不能實現完全的逆流傳熱傳質，其傳熱傳質效率較低；在潮濕炎熱的氣候條件下，其除濕和制冷能力不足，效率下降較快；除濕液的沸騰蒸發局限于在常壓條件下進行；沒有制熱功能等。
本發明旨在獲得能滿足空調(包括制冷和制熱)溫度、濕度及空氣質量要求的空氣。本發明涉及的方法和設備同時具有制冷、制熱、獨立的空氣熱濕處理功能、空氣凈化功能及新風能量回收功能等。本發明的制冷循環無需利用天然或人工的冷卻水。本發明的除濕器有如下顯著特征多級分段“微分除濕”結構、寬大的空氣通道、較少的傳熱面積、噴淋強化傳熱傳質、充分的逆流傳質傳熱等。本發明還設計了預處理器，在制冷時，對潮濕的熱空氣進行預除濕，在制熱時，對除濕液進行預再生。本發明的除濕液的沸騰蒸發既可在常壓條件下進行，又可在真空或有壓條件下進行。
一種空氣調節(包括制冷和制熱)方法，利用液體除濕，蒸發冷卻制冷；其逆循環制熱。其特征在于所述的液體除濕方法為除濕器有兩類相互交錯且平行布置的寬大通道，即除濕通道和加濕通道。待除濕的空氣流經除濕通道，同時有冷卻空氣(或待加熱加濕空氣)與待除濕的空氣逆向地流過加濕通道；在除濕通道中，有除濕液噴淋，在加濕通道中，有水噴淋。在沿空氣流動的方向上，除濕液的濃度和溫度、水的溫度、空氣的溫度和濕度等均分段以形成梯度，實現完全的逆流傳熱傳質。所述的預除濕方法為熱濕空氣與除濕液直接接觸，進行絕熱除濕，空氣溫度升高，含濕量降低。這是因為熱濕空氣中含濕量大，水蒸汽分壓高，使得在無冷卻，空氣溫度升高的條件下，預除濕仍能有效地進行。這既簡化了裝置，又為從預處理器進入除濕器的空氣與冷卻空氣進行熱交換創造了條件，即增大了二者的溫差。所述的空氣間接蒸發冷卻(或空氣間接加熱加濕)的方法為空氣通過間接蒸發冷卻器干通道的同時，另有空氣逆向通過加濕通道，在濕通道表面分布有均勻的水膜，水分蒸發吸熱冷卻干通道的空氣，而濕通道的空氣本身被加熱加濕。在制冷循環時，空氣通過預除濕、除濕、間接蒸發冷卻和直接蒸發冷卻(飽和)實現降溫減濕。在逆循環即制熱時，經過除濕器的加濕通道被加熱加濕的空氣，進入間接蒸發冷卻器被進一步加熱加濕。此后，須進一步升溫，其升溫的方法為熱濕空氣與除濕液接觸，絕熱除濕升溫。經除濕升溫的空氣與從再生器排出的高溫空氣換熱，繼續被加熱。除濕液的再生采用沸騰蒸發與非沸騰蒸發聯合實現再生，沸騰蒸發可在常壓條件下進行，又可在真空或有壓條件下進行。在制熱時，除濕液在進入再生器前，被預再生且無熱量代價，其方法為除濕液在進入再生器前與從除濕器除濕通道出來的干燥空氣直接接觸，除濕液被部分再生，其機理仍為非沸騰蒸發。
一種空氣調節設備，如圖6、圖8所示，其特征在于包括風機(圖中未示出)、泵(圖中未示出)、除濕器16、間接蒸發冷卻器18、直接蒸發冷卻器(飽和器)20、預處理器21、再生器22和絕熱除濕器23、空氣熱交換器24及空氣預熱器25等。其中后三項僅用于制熱，直接蒸發冷卻器(飽和器)20僅用于制冷。其中再生器22與除濕器16、預處理器21及絕熱除濕器23相連，除濕器16與間接蒸發冷卻器18相連，間接蒸發冷卻器18與直接蒸發冷卻器(飽和器)20及絕熱除濕器23相連，絕熱除濕器23與空氣熱交換器24相連，直接蒸發冷卻器20與空氣預熱器25相連，預處理器21與除濕器16和絕熱除濕器23相連。
該方法及設備嚴格遵循能量的梯級利用原則，包括雙效(或多效)再生，具有“微分除濕”結構的逆流除濕器，制冷時對熱濕空氣進行預除濕，空氣處理全過程中的逆流傳熱傳質等；液體噴淋強化傳熱傳質的；新風能量回收；在制熱時，充分利用再生器余熱，利用外排干燥空氣對除濕液進行預再生等。因而其能耗低，能效比高。由于無氟，同時由于能效比高導致化石能源消耗的減少，進而減少溫室氣體，有利于環境保護。可用熱驅動，耗電少。除了在某些情況下沸騰再生有可能不在常壓下運行外，其它設備均在常壓下運行，再加之其部件大部分為塑料制品，因而加工工藝簡單。同時其結構為模塊化結構，使用安裝及選型方便。由于是常壓設備，沒有壓縮機，運動部件少，設備運行可靠，維修簡單方便，便于拆卸和更換零部件。在除濕過程中，可有效除去空氣中的粉塵、花粉、細菌、真菌及病毒等，空氣質量好。在調節進程中，熱濕處理各自獨立，便于控制調節，舒適效果好；同時可避免過冷現象，既保證舒適，又節約能源。沸騰蒸發再生不局限于常壓條件，可對不同品位的能量輸入進行充分地利用，如對100℃左右的熱量輸入，沸騰再生可在真空條件下進行，與非沸騰再生聯合實現雙效(或多效)再生。“微分除濕”結構的逆流除濕器允許濃溶液與待再生的稀溶液有較大的濃度差，減少除濕器與再生器之間的溶液循環量，既可減少溶液輸送動力，又可減小有關設備，如溶液熱交換器、溶液泵等的容量；此外，較大的濃度差也有利于溶液的再生，提高再生的效率。具有寬大空氣通道的“微分除濕”結構的逆流除濕器，不僅具有如上所述的提高效率，易于加工安裝等優點，還具有熱交換面積小，耗材少等特點，其經濟性好。整個設備制造成本低，運行費用少。
圖1為除濕器平面結構示意2為除濕器立面結構示意3為除濕器結構立體結構剖視4為制冷循環除濕過程焓濕5為制熱循環除濕過程焓濕6為制冷循環系統7為制冷循環焓濕8為制熱循環系統9為制熱循環焓濕10為再生循環系統圖由圖1可知，液體除濕牽涉到四種流體，即待除濕空氣a0、冷卻空氣(待加熱加濕空氣)b0、水與除濕液。在與空氣運動的平行方向上，將除濕器劃分為n段，在與空氣運動垂直的方向上，有p個加濕通道1，p-1個除濕通道2。通道與通道之間用不透氣的傳熱壁3分開，段與段之間采用氣液分離器4。使得空氣容易通過，且阻力小，但液體(溶液和水)得到分離，可防止液體的混合和氣體荷載液體。這樣就形成了n(2p-1)個單元，其中n(p-1)個單元5除濕，np個單元6加濕。圖2對應圖1中n段中的一段，即圖1中的a-a面。如圖2所示，在n(2p-1)單元的每個單元都有垂直的多孔管7、8，7為水噴淋，8為溶液噴淋。多孔管在垂直方向上布置了多個噴嘴，使得每個單元的布液非常均勻。在任意一段中，所有加濕單元的水噴淋多孔管7與一根主水管9相連，同樣，所有除濕單元的溶液噴淋多孔管8與一根主溶液管10相連。如圖3所示，每一段分別采用一個水泵11和一個溶液泵(圖3中未示出)，主水管9與水泵11相連，主溶液管10與溶液泵相連。n段的n個水泵用傳動軸12相互連接起來，形成一個泵組，用一個電機驅動。同樣，n段的n個溶液泵也采用傳動軸相互連接起來，形成一個泵組，用一個電機驅動。這種“微分除濕”方法使得各段之間溶液濃度和溫度及水的溫度都可保持一定的差值，以對應不同的空氣濕度和溫度，保證在與空氣運動平行的方向上，形成均勻的傳質與傳熱動力，實現完全的逆流傳熱傳質。
除濕器結構概括起來有以下幾個特點①采用寬大的通道，通道寬度一般在10-20cm，與一般熱交換器的通道寬度相比，相差兩個數量級；②通道交錯布置，即除濕通道和加濕通道交錯布置；③通道分為若干段，每段之間有氣液分離裝置；④由通道壁和氣液分離裝置將除濕器分為n(2p-1)個單元，每個單元有獨立的噴淋裝置，實現立體噴淋(非平面噴淋)。
上述結構帶來以下幾個好處采用寬大通道，避免了常規的微小通道帶來的不便，如布液、風流的進出口集氣、用材多、加工難度增大、通道堵塞等諸多問題。采用寬大通道也是上述其它三個特點實現的必要條件。寬大通道易于實現通道的交錯排列，也易于在每個通道內設置氣液分離裝置和噴淋裝置。通道的交錯排列，可實現同時傳質傳熱，通道分為若干段，可實現分級除濕，立體噴淋，可實現均勻布液，強化傳質傳熱。
圖3中，3為傳熱壁，4為氣液分離器，11為水泵，12為傳動軸，13為泵組底座，14為氣液分離器的固定槽，15為通道蓋。
在制冷循環時，除濕過程是接近于等溫除濕的一個過程，如圖4中a0→a1，加濕過程是沿接近于飽和線升溫增濕的過程，如圖4中b0→b1。
在制熱循環時，除濕過程是一個降溫除濕的過程，如圖5中a0→a2，加濕過程是升溫增濕的過程，如圖5中b0→b2。
由于相鄰通道內過程反向，即空氣流動方向相反，且一側除濕，另一側加濕，加大了兩側的傳熱溫差。同時由于在沿空氣流動平行的方向上建立了均勻的傳熱傳質溫差和濃度差，使得制冷時等溫除濕得以實現，而不是升溫除濕；另一方面，也使得制熱時除濕通道內的降溫除濕得以實現，從而增強了加濕通道內加濕升溫效果。
如圖6所示，室外空氣m1經預處理器21，被絕熱除濕，變為m2；m2進入除濕器16的除濕通道2，變為干燥空氣m3，在除濕器16的加濕通道中有空氣被不斷地加濕吸收除濕過程中產生的熱量，除濕通道2中的除濕過程接近于等溫除濕。干燥空氣m3然后進入間接蒸發冷卻器18的干通道19，實現等濕冷卻，即m3→m4。m4進入到直接蒸發冷卻器(飽和器)20，被等焓加濕，溫度進一步降低變為m5。直接蒸發冷卻器需補充水w。m5送入房間，在房間內吸收熱量和空氣中的水蒸汽，溫度升高，濕度增大，變為R。R排出房間，被引入間接蒸發冷卻器18的濕通道17，在其中被不斷地加濕，水在其中噴淋蒸發，吸收干通道19中的熱量，使得如上所述的干通道19中的等濕冷卻能夠實現。間接蒸發冷卻器18的濕通道17需補充水w。R被不斷地加濕并升溫后變為m6。m6進入除濕器16的加濕通道1，溫度升高，濕度增大，變為m7，即m6→m7。加濕通道需補充水w。
除濕器和預處理器需從再生器22補充濃除濕液Lc，并排出稀除濕液Ld到再生器被再生。再生器將稀除濕液Ld濃縮產生濃除濕液Lc，并排出水W。
該循環包括除濕器16，間接蒸發冷卻器18，直接蒸發冷卻器(飽和器)20，預處理器21和再生器22，另外空氣流動尚需風機，水和除濕液流動需要泵，圖6中均未示出。絕熱除濕器23、空氣熱交換器24及空氣預熱器25等僅用于制熱，圖6中均未示出。該循環具有制冷除濕的空氣調節功能，并具有獨立的熱濕處理功能，新風能量回收功能及空氣凈化功能。其中m1→m2為絕熱除濕，m2→m3為等溫除濕，m3→m1為等濕降溫，m4→m5為降溫、加濕，上述過程可獨立調節。溶液吸收空氣中水分除濕的過程同時也是空氣凈化的過程。室內的排風作為間接蒸發冷卻器和除濕器的冷卻空氣，起到了排風能量二級回收的作用。
圖7為該循環的焓濕圖。
如圖8所示，室外空氣進入n1除濕器16的加濕通道1，被加熱加濕后變為n2。加濕通道需補充水w。n2然后進入間接蒸發冷卻器18的濕通道17，進一步升溫加濕，變為n3，間接蒸發冷卻器18的濕通道17需補充水w。n3此后經過絕熱除濕器23除濕后，溫度升高，變為n4。n4再經空氣熱交換器24被再生器排出的熱空氣h加熱后，溫度進一步升高，變為n5，n5進入到室內被冷卻，變為R。R排出房間，經空氣預熱器25再生器排出的熱空氣h加熱后，溫度升高，變為n6，然后進入間接蒸發冷卻器18的干通道19，在其中不斷地被冷卻并提供濕通道17中的加濕升溫所需的熱量，使得如上所述的濕通道17中的加濕升溫能夠實現。n6被冷卻后變為n7。n7然后進入除濕器16的除濕通道2，在通道2中，空氣被除濕，其熱量傳遞到通道1，n7變為n8。離開通道1的干空氣n8進入預處理器21對除濕液進行預再生，最后排出的空氣狀態為n9。
絕熱除濕器需從再生器22補充濃除濕液Lc，并排出稀除濕液Ld1到預處理器21，Ld1經預處理器21部分濃縮后變為Ld2，Ld2再被送到再生器被進一步再生。除濕器需從再生器22補充濃除濕液Lc，并排出稀除濕液Ld到再生器被再生。再生器將稀除濕液Ld、Ld2濃縮產生濃除濕液Lc，并排出水w。
該循環包括除濕器16，間接蒸發冷卻器18，預處理器21，再生器22，絕熱除濕器23，空氣熱交換器24和空氣預熱器25。另外空氣流動尚需風機，水和除濕液流動需要泵，圖8中均未示出。設置在間接蒸發冷卻器18和空氣預熱器25之間的直接蒸發冷卻器20僅用于制冷，圖8中未示出。該循環具有加熱加濕的空氣調節功能，并具有獨立的熱濕處理功能，新風能量回收功能及空氣凈化功能。其中為n1→n2→n3加熱加濕，n3→n4為升溫除濕，n4→n5為等濕升溫，上述過程可獨立調節。溶液吸收空氣中水分除濕的過程同時也是空氣凈化的過程。室內的排風作為間接蒸發冷卻器和除濕器的熱源，起到了排風能量二級回收的作用。
圖9為該循環的焓濕圖。
如圖6和圖8所示，制冷和制熱循環可通過改變空氣流向，或者說是通過變換處理空氣來進行轉換。盡管設備的部分組成不能在兩個循環中通用，如制冷時無需絕熱除濕器，制熱時無需直接蒸發冷卻器。但主體部分如除濕器、再生器等均能在兩個循環中通用。
圖10是采用真空沸騰蒸發的再生循環方案。來自除濕器或預處理器的溶液L1經過低溫熱交換器26與來自高溫熱交換器28的溶液L7進行熱交換，即由L1→L2，溶液溫度升高；同時，溶液L7降溫變為溶液L8。溶液L2進入非沸騰再生器27與空氣A1直接接觸，L2被部分濃縮變為L3，A1變為A2。在制熱時，A2被送到如圖8所示的空氣熱交換器24作為其熱源h。再生所需熱量由從氣液分離器30分離出來的蒸汽S提供。非沸騰再生器27分為二種通道，一種為冷凝通道，蒸汽S在其中冷凝成水，并放出熱量。另一種為蒸發通道，溶液和空氣在其中直接接觸，溶液被部分再生。已部分再生的溶液L3需進入沸騰再生器29進行完全再生。L3在進入沸騰再生器29之前先經過高溫熱交換器28，與從氣液分離器出來的溶液L6進行熱交換，其溫度升高，變為L4，L4被送入沸騰再生器，在沸騰再生器中，溶液被加熱至沸點，并產生蒸汽，氣液混合物L5經氣液分離器30分離，形成蒸汽S和溶液L6，兩者被分別送到非沸騰再生器27和高溫熱交換器28。沸騰再生器29所需的熱量H由外界輸入。沸騰是在真空條件下進行的，需要有真空泵31提供真空。蒸汽S在真空條件下冷凝成水w，需要用泵32將水排出。
具體實例1為制冷情形。表1、表2列出圖中有關參數，表1為空氣狀態參數，表2為再生系統溶液有關參數。
表1(對應圖6)
處理空氣流量與冷卻空氣流量均為4000m3/h(1.11m3/s)，制冷能力為62kW，最低制冷溫度為13.3℃表2(對應圖10)
由圖10中H輸入的熱功率為36kW，整個系統制冷COP值為1.7實例2為制熱情形。表3、表4列出圖中有關參數，表3為空氣狀態參數，表4為再生系統溶液有關參數。
表3(對應圖8)
處理空氣流量與除濕空氣流量均為10000kg/h(2.78kg/s)，制熱能力為83kW，最高制熱溫度為37.2℃。
表4(對應圖10)
由圖10中H輸入的熱功率為33kW，整個系統制熱COP值為2.5。
權利要求
1.一種液體除濕方法和設備，其特征在于除濕器有兩類相互交錯且平行布置的寬大通道，即加濕通道(1)和除濕通道(2)，兩者用傳熱壁(3)隔離，待除濕的空氣流經除濕通道，同時有冷卻空氣(或待加熱加濕的空氣)與待除濕的空氣逆向地流過加濕通道；除濕液的濃度和溫度、水的溫度、空氣的溫度和濕度等均分段以形成梯度，實現完全的逆流傳熱傳質。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于在除濕通道中，有除濕液噴淋，在加濕通道中，有水噴淋；在沿空氣流動的方向上，除濕液的濃度和溫度、水的溫度、空氣的溫度和濕度等均分段以形成梯度，主要通過以下技術手段實現即，除濕通道和加濕通道中，均設置了若干個氣液分離器(4)，每一段均配備有獨立的溶液泵和水泵。
3.一種空氣調節制冷方法，利用液體除濕、蒸發冷卻制冷，采用如權利要求1、2所述的液體除濕方法，所述的蒸發冷卻包括間接蒸發冷卻和直接蒸發冷卻(絕熱加濕)。所述的空氣間接蒸發冷卻方法為空氣通過間接蒸發冷卻器干通道的同時，另有空氣逆向通過加濕通道，在濕通道表面分布有均勻的水膜，水分蒸發吸熱冷卻干通道的空氣。
4.一種空氣調節制熱方法，利用液體除濕、間接蒸發加熱加濕、絕熱除濕升溫及回收再生器余熱等制熱，采用如權利要求1、2所述的液體除濕方法，所述間接蒸發加熱加濕方法與權利要求3所述的空氣間接蒸發冷卻方法一致，只不過其循環的方向相反。所述絕熱除濕升溫的方法為熱濕空氣與除濕液直接接觸，絕熱除濕升溫。
5.如權利要求3或4所述的方法，其特征在于通過改變空氣的流向，即變換處理空氣，可以使循環在制冷和制熱之間轉換。
6.如權利要求3所述的方法，其特征在于空氣在進行液體除濕前可先經預處理進行預除濕，所述的預除濕方法為熱濕空氣與除濕液直接接觸，進行絕熱除濕，空氣溫度升高，空氣含濕量降低。
7.如權利要求4所述的方法，其特征在于液體除濕劑在進入再生器前可進行預再生。所述的預再生方法為除濕液與從除濕器除濕通道出來的干燥空氣直接接觸，除濕液被部分再生。
8.如權利要求3或4或5或6或7所述的方法，其特征在于其除濕液的再生采用沸騰蒸發與非沸騰蒸發相結合的再生方式。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于其除濕液的沸騰蒸發再生不限于在常壓條件下進行，可在真空或有壓力的條件下進行。
10.一種應用權利要求3，4，5，6，7和8所述方法的設備，其特征在于包括風機(圖中未示出)、泵(圖中未示出)、除濕器16、間接蒸發冷卻器18、直接蒸發冷卻器(飽和器)20、預處理器21、再生器22和絕熱除濕器23、空氣熱交換器24及空氣預熱器25等。其中后三項僅用于制熱，直接蒸發冷卻器(飽和器)20僅用于制冷。其中再生器22與除濕器16、預處理器21及絕熱除濕器23相連，除濕器16與間接蒸發冷卻器18相連，間接蒸發冷卻器18與直接蒸發冷卻器(飽和器)20及絕熱除濕器23相連，絕熱除濕器23與空氣熱交換器24相連，直接蒸發冷卻器20與空氣預熱器25相連，預處理器21與除濕器16和絕熱除濕器23相連。
全文摘要
本發明是有關利用液體除濕，蒸發冷卻制冷；及其逆循環制熱的方法及其設備。其液體除濕方法為除濕器為“微分除濕”結構的逆流除濕器，有兩類相互交錯的寬大通道，即除濕通道和加濕通道。在沿空氣流動的方向上，濃度、溫度和濕度等均分段以形成梯度，實現真正的逆流傳熱傳質。利用沸騰蒸發和非沸騰蒸發聯合實現除濕液的再生。本發明旨在獲得能滿足空調(包括制冷和制熱)溫度、濕度及空氣質量要求的空氣。
文檔編號F24F3/12GK1414308SQ0114137
公開日2003年4月30日 申請日期2001年10月25日 優先權日2001年10月25日
發明者袁一軍 申請人:袁一軍