跨临界循环与两级溶液除湿系统复合的空气处理系统的制作方法

本发明涉及溶液除湿、能源利用领域，特别涉及一种跨临界循环与两级溶液除湿系统复合的空气处理系统。

背景技术：

目前，家用空调上多采用冷却除湿的方法控制室内湿度，冷却除湿存在较多问题，冷凝过程中水蒸气发生相变会消耗大量冷量、凝结过程中产生的冷凝水也使得盘管处细菌滋生，影响空气品质等。溶液除湿作为另一种重要的湿度控制方式，指利用某些吸湿性溶液能够吸收空气中的水分而将空气除湿的方法，可以利用低品位热源，是一种节能的绿色除湿方式。

例如申请号为201610137413.3的中国专利文献公开了一种低温余热驱动的溶液除湿系统及方法，该系统包括再生器、溶液泵、溶液换热器、一级冷却器、一级吸湿塔、二级冷却器、余热制冷单元、二级吸湿塔、再生加热器、送风回热器和排风回热器。余热的高温部分提供溶液再生过程所需热量，余热的低温部分用以提供余热制冷过程所需热量，实现对余热的梯级利用。与常规表冷式除湿相比，可以达到相同的除湿效果，主要消耗低温热量，大幅减少了电能消耗。但是该系统两级除湿为串联形式，必须使用同一种除湿剂，在灵活性和适应性上受到一定约束。

溶液再生所需的温度较高，一般要达到55℃以上，常规压缩制冷系统的冷凝温度无法达到这个要求，而压缩机高温排气可用显热量较少；随着节能减排的深入人心，使用自然工质的跨临界循环具有良好的应用前景。跨临界循环因其使用工质环保(多采用自然工质CO2)，且排气温度高，在出口压力为10MPa时即可达到110℃，温度滑移大，具有大量的冷凝余热可供回收利用，可满足溶液除湿系统所需的再生热，此外，跨临界循环蒸发单元制冷量也可以被用来对除湿后的空气进行降温，能够同时实现空气的热湿处理。因而将跨临界循环与溶液除湿循环进行能量耦合具有重要的节能潜力和应用前景。

技术实现要素：

本发明提供了一种跨临界循环与两级溶液除湿系统复合的空气处理系统，通过跨临界循环和两级溶液除湿循环合理的能量耦合，充分利用了跨临界循环的高压侧排热和低压侧制冷量，能够在低耗能的情况下，同时实现空气的除湿与降温，提高空气处理系统的整体性能。

一种跨临界循环与两级溶液除湿系统复合的空气处理系统，包括跨临界压缩子系统以及将跨临界压缩子系统高压侧排热作为热源的两级溶液除湿子系统，除湿过程为绝热除湿，所述跨临界压缩子系统包括：通过工质循环连接的压缩单元、气冷单元、节流单元以及蒸发单元，所述气冷单元沿工质流动方向分为逐级放热冷却的一级加热器、二级加热器以及气冷器，所述两级溶液除湿子系统包括一级溶液除湿单元和二级溶液除湿单元；

所述跨临界压缩子系统中：

压缩机的出口与第一加热器制冷剂通道的入口连接，所述第一加热器制冷剂通道的出口与第二加热器制冷剂通道的入口连接，所述第二加热器制冷剂通道的出口与气冷器制冷剂通道的入口连接，所述气冷器制冷剂通道的出口与回热气第一通道的入口连接，所述回热气第一通道的出口与节流装置的入口连接，所述节流装置的出口与蒸发器制冷剂通道的入口连接，所述蒸发器制冷剂通道的出口与回热气第二通道的入口连接，所述回热气第二通道的出口与所述压缩机的入口连接以完成跨临界压缩循环，气冷器的外部冷源通道提供制冷剂蒸汽降温所需的冷量，蒸发器处的制冷剂蒸汽蒸发制冷量用来冷却所述两级溶液除湿子系统除湿后的空气以满足系统送风温度要求；

所述一级溶液除湿单元包括一级空气侧循环和一级溶液侧循环；

所述一级溶液侧循环中：

一级再生器的溶液出口与一级溶液换热器浓溶液通道的入口连接，所述一级溶液换热器浓溶液通道的出口与一级浓溶液泵的入口连接，一级浓溶液泵的出口与一级冷却器除湿剂通道的入口连接，所述一级冷却器除湿剂通道的出口与所述一级除湿器的溶液入口连接，所述一级除湿器的溶液出口与一级溶液换热器稀溶液通道的入口连接，所述一级溶液换热器稀溶液通道的出口与一级稀溶液泵的入口连接，所述一级稀溶液泵的出口与第二加热器除湿剂通道的入口连接，所述第二加热器除湿剂通道的出口与一级再生器的溶液入口连接以使除湿剂溶液完成一级除湿循环；

所述一级空气侧循环中：

第一风机提供再生用气体进入所述一级空气侧循环的动力，一级再生器的气体入口连接再生用气体，所述一级再生器气体的出口排出废热空气，第二风机为待处理空气进入所述一级除湿器提供动力，所述一级除湿器的气体入口与待处理气体连接，所述一级除湿器的气体出口与所述二级除湿器的气体入口连接以使空气侧完成一级除湿循环；

所述二级溶液除湿单元包括二级空气侧循环和二级溶液侧循环；

所述二级溶液侧循环中：

二级再生器的溶液出口与二级溶液换热器浓溶液通道的入口连接，所述二级溶液换热器浓溶液通道的出口与二级浓溶液泵的入口连接，所述二级浓溶液泵的出口与二级冷却器除湿剂通道的入口连接，所述二级冷却器除湿剂通道的出口与二级除湿器的溶液入口连接，所述二级除湿器的溶液出口与二级溶液换热器稀溶液通道的入口连接，所述二级溶液换热器稀溶液通道的出口与二级稀溶液泵的入口连接，所述二级稀溶液泵的出口与第一加热器除湿剂通道的入口连接，所述第一加热器除湿剂通道的出口与二级再生器的溶液入口连接以使除湿剂溶液完成二级除湿循环；

所述空气侧循环中：

第三风机提供再生用气体进入所述二级空气侧循环的动力，二级再生器的气体入口连接再生用气体，所述二级再生器的气体出口排出废热空气，所述二级除湿器的气体出口与蒸发器空气通道的入口连接，所述蒸发器空气通道的出口送出所需品质空气以使空气侧完成二级除湿循环；

一级冷却器和二级冷却器的外部冷源通道提供制除湿剂溶液降温所需的冷量。

本发明还提供了一种跨临界循环与两级溶液除湿系统复合的空气处理系统，除了除湿过程为等温除湿外，其余结构与上述的空气处理系统相同，包括跨临界压缩子系统以及将跨临界压缩子系统高压侧排热作为热源的两级溶液除湿子系统，所述跨临界压缩子系统包括：通过工质循环连接的压缩单元、气冷单元、节流单元以及蒸发单元，所述气冷单元沿工质流动方向分为逐级放热冷却的一级加热器、二级加热器以及气冷器，所述两级溶液除湿子系统包括一级溶液除湿单元和二级溶液除湿单元；

所述跨临界压缩子系统中：

压缩机的出口与第一加热器制冷剂通道的入口连接，所述第一加热器制冷剂通道的出口与第二加热器制冷剂通道的入口连接，所述第二加热器制冷剂通道的出口与气冷器制冷剂通道的入口连接，所述气冷器制冷剂通道的出口与回热气第一通道的入口连接，所述回热气第一通道的出口与节流装置的入口连接，所述节流装置的出口与蒸发器制冷剂通道的入口连接，所述蒸发器制冷剂通道的出口与回热气第二通道的入口连接，所述回热气第二通道的出口与所述压缩机的入口连接以完成跨临界压缩循环，气冷器的外部冷源通道提供制冷剂蒸汽降温所需的冷量，蒸发器处的制冷剂蒸汽蒸发制冷量用来冷却所述两级溶液除湿子系统除湿后的空气以满足系统送风温度要求；

所述一级溶液除湿单元包括一级空气侧循环和一级溶液侧循环；

所述一级溶液侧循环中：

一级再生器的溶液出口与一级溶液换热器浓溶液通道的入口连接，所述一级溶液换热器浓溶液通道的出口与一级浓溶液泵的入口连接，一级浓溶液泵的出口与所述一级除湿器的溶液入口连接，所述一级除湿器的溶液出口与一级溶液换热器稀溶液通道的入口连接，所述一级溶液换热器稀溶液通道的出口与一级稀溶液泵的入口连接，所述一级稀溶液泵的出口与第二加热器除湿剂通道的入口连接，所述第二加热器除湿剂通道的出口与一级再生器的溶液入口连接以使除湿剂溶液完成一级除湿循环；

所述一级空气侧循环中：

第一风机提供再生用气体进入所述一级空气侧循环的动力，一级再生器的气体入口连接再生用气体，所述一级再生器气体的出口排出废热空气，第二风机为待处理空气进入所述一级除湿器提供动力，所述一级除湿器的气体入口与待处理气体连接，所述一级除湿器的气体出口与所述二级除湿器的气体入口连接以使空气侧完成一级除湿循环；

所述二级溶液除湿单元包括二级空气侧循环和二级溶液侧循环；

所述二级溶液侧循环中：

二级再生器的溶液出口与二级溶液换热器浓溶液通道的入口连接，所述二级溶液换热器浓溶液通道的出口与二级浓溶液泵的入口连接，所述二级浓溶液泵的出口与二级除湿器的溶液入口连接，所述二级除湿器的溶液出口与二级溶液换热器稀溶液通道的入口连接，所述二级溶液换热器稀溶液通道的出口与二级稀溶液泵的入口连接，所述二级稀溶液泵的出口与第一加热器除湿剂通道的入口连接，所述第一加热器除湿剂通道的出口与二级再生器的溶液入口连接以使除湿剂溶液完成二级除湿循环；

所述空气侧循环中：

第三风机提供再生用气体进入所述二级空气侧循环的动力，二级再生器的气体入口连接再生用气体，所述二级再生器的气体出口排出废热空气，所述二级除湿器的气体出口与蒸发器空气通道的入口连接，所述蒸发器空气通道的出口送出所需品质空气以使空气侧完成二级除湿循环；

一级冷却盘管和二级冷却盘管分别接入嵌入一级除湿器和二级除湿器中，通过外部冷源通道提供制除湿剂溶液降温所需的冷量。

为了达到更好的除湿效果，用一级冷却盘管和二级冷却盘管分别代替一级冷却器和二级冷却器，冷却盘管直接嵌入除湿器中，及时带走热量，保证除湿过程为等温除湿，使除湿过程中除湿剂的温度维持在较低水平，从而提高除湿剂的除湿能力。

其中，一级溶液除湿单元和二级溶液除湿单元的除湿剂单独进行循环，因此两级循环中可以使用不同的除湿剂溶液，增加了选择性、提高了匹配性。

为了提高本发明的除湿效率，优选的，所述第一加热器和第二加热器的制冷剂通道的再生温度为60～130℃。

优选的，所述第一加热器和第二加热器采用流体换热设备。依次使用跨临界压缩子系统的高压侧排热，实现高压侧排热的分级利用。

为了提高本发明的除湿效率，优选的，所述跨临界压缩制冷循环制冷温度为0～25℃。

为了提高本发明的除湿效率，优选的，所述再生用气体的温度为25～45℃。

为了降低使用成本，优选的，所述再生用气体使用外界环境空气。

为了降低使用成本，优选的，所述外部冷源通道输入的冷媒为水或空气。水和空气易于获取，且具有良好的冷却效果，加热后还可投入生活使用。

为了提高系统效率，优选的，所述除湿和再生溶液为溴化锂水溶液、氯化锂水溶液、氯化钙水溶液或盐的混合溶液。

进一步优选的，所述除湿和再生溶液为氯化锂与氯化钙混合溶液、氯化锂与溴化锂混合溶液、氯化钙与溴化锂混合溶液，以及醇类与盐的混合溶液，TEG与氯化锂混合溶液、PG与氯化锂混合溶液。

为了提高系统效率以及降低环境污染，优选的，所述跨临界压缩子系统的工质为二氧化碳、一氧化二氮或者R290与R32的混合物。

目前，大气层中的臭氧层遭到严重破坏，且温室效应日益严重，因此本发明中的跨临界循环采用自然工质二氧化碳、一氧化二氮或R290与R32的混合气体。

CO₂作为一种安全可靠的天然工质，近些年己引起广泛关注，在跨临界循环中的应用也发展迅速；N₂O作为另一种天然工质，其物理性质与CO₂相似，二者的分子量、临界温度、临界压力接近，N₂O的三相点温度为-90.82℃，远低于CO₂的-55.58℃，可以应用于更低温领域。R290化学性质比较稳定，价格低廉容易获得，与材料相容性好，且其ODP、GWP值均为零，不存在破坏环境的问题，R290与R32的混合气体工质，经实验研究，在最优配比下，COP较R22系统提高了6.7％。

本发明的有益效果：

本发明的跨临界循环与两级溶液除湿系统复合的空气处理系统是一种新型的压缩/吸收复合热湿空气处理系统，通过跨临界循环和两级溶液除湿系统的能量耦合，改变传统的压缩循环的热能输出，分级利用跨临界循环的高压侧排热，通过两级除湿提高了高压侧排热利用率和除湿效果，同时，提高了蒸发温度位，进而减少了压缩机的耗功；还通过跨临界循环的蒸发制冷量，直接对除湿后的热空气进行降温，提高了空气热湿处理系统的整体性能，经过分析，相比于冷却除湿方法，本发明的复合空气处理系统，制冷系统仅承担显热负荷，压缩功耗降低约30％，减少了电能的使用，经济性能、环保性能更加优越。

附图说明

图1为实施例1的空气处理系统的结构示意图。

图中：1为压缩机、2为第一加热器、3为第二加热器、4为气冷器、5为回热气、6为节流阀、7为蒸发器、8为一级溶液换热器、9为一级浓溶液泵、10为一级冷却器、11为一级除湿器、12为一级稀溶液泵、13为一级再生器、14为二级溶液换热器、15为二级浓溶液泵、16为二级冷却器、17为二级除湿器、18为二级稀溶液泵、19为二级再生器、20为风机、21为风机、22为风机。

图2为实施例2的空气处理系统的结构示意图。

图中：1为压缩机、2为第一加热器、3为第二加热器、4为气冷器、5为回热气、6为节流阀、7为蒸发器、8为一级溶液换热器、9为一级浓溶液泵、11为一级除湿器、12为一级稀溶液泵、13为一级再生器、14为二级溶液换热器、15为二级浓溶液泵、17为二级除湿器、18为二级稀溶液泵、19为二级再生器、20为风机、21为风机、22为风机、23为一级冷却盘管、24为二级冷却盘管。

图3为使用实施例1的空气处理系统后蒸发温度对热量及耗功影响结果图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例的跨临界循环与两级溶液除湿系统复合的空气处理系统包括：跨临界压缩子系统和两级溶液除湿子系统，其中两级溶液除湿子系统包括一级溶液除湿单元和二级溶液除湿单元；

其中跨临界压缩子系统包括：

压缩机1出口与第一加热器2制冷剂通道入口连接，第一加热器2制冷剂通道出口与第二加热器3制冷剂通道入口连接，第二加热器3制冷剂通道出口与气冷器4制冷剂通道入口连接，气冷器4制冷剂通道出口与回热气5第一通道入口连接，回热气5第一通道出口与节流阀6入口连接，节流阀6出口与蒸发器7制冷剂通道入口连接，蒸发器7制冷剂通道出口与回热气5第二通道入口连接，回热气5第二通道出口与压缩机1入口连接，从而完成跨临界压缩循环，在气冷器4处，外部冷源通道提供制冷剂蒸汽降温所需的冷量，蒸发器7处，制冷剂蒸汽蒸发制冷量用来冷却除湿后的空气，以满足送风温度要求。

其中一级溶液除湿单元包括一级空气侧循环和一级溶液侧循环：

一级溶液侧循环中，一级再生器13溶液出口与一级溶液换热器8浓溶液通道入口连接，一级溶液换热器8浓溶液通道出口与一级浓溶液泵9入口连接，一级浓溶液泵9出口与一级冷却器10除湿剂通道入口连接，一级冷却器10除湿剂通道出口与一级除湿器11溶液入口连接，一级除湿器11溶液出口与一级溶液换热器8稀溶液通道入口连接，一级溶液换热器8稀溶液通道出口与一级稀溶液泵12入口连接，一级稀溶液泵12出口与第二加热器3除湿剂通道入口连接，第二加热器3除湿剂通道出口与一级再生器13溶液入口连接，除湿剂溶液从而完成一级除湿循环。

一级空气侧循环中，风机21入口连接环境空气，风机21出口与一级再生器13气体入口连接，一级再生器13气体出口排出废热空气，风机22入口连接待处理空气，风机22出口与一级除湿器11气体入口连接，一级除湿器11气体出口与二级除湿器17气体入口连接，空气侧从而完成一级除湿循环。

其中二级溶液除湿单元包括二级空气侧循环和二级溶液侧循环：

二级溶液侧循环中，二级再生器19溶液出口与二级溶液换热器14浓溶液通道入口连接，二级溶液换热器14浓溶液通道出口与二级浓溶液泵15入口连接，二级浓溶液泵15出口与二级冷却器16除湿剂通道入口连接，二级冷却器16除湿剂通道出口与二级除湿器17溶液入口连接，二级除湿器17溶液出口与二级溶液换热器14稀溶液通道入口连接，二级溶液换热器14稀溶液通道出口与二级稀溶液泵18入口连接，二级稀溶液泵18出口与第一加热器2除湿剂通道入口连接，第一加热器2除湿剂通道出口与二级再生器19溶液入口连接，除湿剂溶液从而完成二级除湿循环；

二级空气侧循环中，风机20入口连接环境空气，风机20出口与二级再生器19气体入口连接，二级再生器19气体出口排出废热空气，二级除湿器17气体出口与蒸发器7空气通道入口连接，蒸发器7空气通道出口送出所需品质空气，空气侧从而完成二级除湿循环；

气冷器4、一级冷却器10和二级冷却器16处，外部冷源通道提供制除湿剂溶液降温所需的冷量，冷媒为水，除湿系统中工作流体使用氯化锂水溶液，跨临界压缩子系统的工质采用二氧化碳。

本实施例进行联产的跨临界循环与两级溶液除湿系统复合的空气处理系统的工作流程如下：

(1)跨临界压缩子系统中，二氧化碳经过压缩机1做功后形成过热蒸汽，依次经过第一加热器2和第二加热器3，放热降温，提供的热量分别用于加热进入一级再生器13和二级再生器19的氯化锂稀溶液，提高溶液的再生能力，实现跨临界循环高压侧排热的分级利用；初步降温的二氧化碳蒸汽接着经过气冷器4进一步被外部提供的水降温，然后在回热器5中与二氧化碳蒸汽进一步换热后，通过节流阀6进入蒸发器7中吸热蒸发，蒸发制冷量用来冷却除湿后的空气；蒸发后的二氧化碳蒸汽通过回热器5后返回压缩机1，开始新的循环。

(2)一级溶液除湿单元中，来自一级再生器13底部的氯化锂浓溶液首先经过一级溶液换热器8与来自一级除湿器11底部的氯化锂稀溶液换热，温度有所降低，接着通过一级浓溶液泵9进入一级冷却器10，被外部冷源提供的水进一步降温，然后进入一级除湿器11，两次降温后的氯化锂浓溶液的除湿能力得到了较大的提升；除湿后的氯化锂稀溶液经过一级溶液换热器8初步升温后，在一级稀溶液泵12的推动下，进入第二加热器3换热，吸收跨临界循环高压侧排热后温度升高，再生能力得到大幅度提升，最后进入一级再生器13与环境空气进行传热传质变为氯化锂浓溶液，开始新的除湿循环。

(3)二级溶液除湿单元中，氯化锂溶液的工作过程与一级溶液除湿单元一样，来自二级再生器19底部的氯化锂浓溶液首先经过二级溶液换热器14与来自二级除湿器17底部的氯化锂稀溶液换热，温度有所降低，接着通过二级浓溶液泵15进入二级冷却器16，被外部冷源提供的水进一步降温，然后进入二级除湿器17，两次降温后的氯化锂浓溶液的除湿能力得到了较大的提升；除湿后的氯化锂稀溶液经过溶液二级溶液换热器14初步升温后，在二级稀溶液泵18的推动下，进入第一加热器2换热，吸收跨临界循环高压侧排热后温度升高，再生能力得到大幅度提升，实现跨临界循环高压侧排热分级利用，最后进入二级再生器19与环境空气进行传热传质变为氯化锂浓溶液，开始新的除湿循环。

(4)再生器气侧循环中，外界环境空气通过风机20和风机21分别进入二级再生器19和一级再生器13的气体入口，与氯化锂稀溶液形成逆流，进行传热传质后，温度升高，含湿量增大，最后通过再生器的气体出口排出。

除湿器气侧循环中，待处理空气通过风机22进入一级除湿器11的气体入口，与氯化锂浓溶液形成逆流，进行传热传质，含湿量降低；经过一级除湿后的空气从一级除湿器11的气体出口流出后进入二级除湿器17的气体入口，再次与氯化锂浓溶液传热传质，含湿量进一步降低后，从二级除湿器17的气体出口流出，最后经过蒸发器7，吸收跨临界循环蒸发器的蒸发制冷量，温度被降低，形成所需的低湿低温空气。

为了提高空气和氯化锂溶液间的传热传质效率，所有除湿器和再生器顶部都安装有布液器，氯化锂溶液经过布液器后，均匀的滴落，与来自底部的空气充分接触，形成逆流，从而实现较高的效率。

本实施例通过跨临界循环和两级溶液除湿系统的能量耦合，分级利用了跨临界循环的高压侧排热，通过两级除湿提高了除湿效果，同时巧妙地利用了跨临界循环的蒸发制冷量，直接对除湿后的热空气进行降温，提高了空气热湿处理系统的整体性能，为了进一步说明本发明的跨临界循环与两级溶液除湿系统复合的空气处理系统的优点，在以下工况下进行了计算：

跨临界压缩子系统的压缩机1排气压力为10MPa，制冷量为5KW，CO₂加热除湿溶液后被自然冷却水冷却至35℃，各加热器冷却器工质进出口温度见表1。

待处理含湿量为12.94g/kg，最终送风含湿量为10.9g/kg，若采用冷却除湿的方法对空气进行冷却，对应跨临界循环系统的COP为2.934，则此时消耗的压缩功为2.05kW，达到相同效果时，复合后的系统，跨临界循环系统的COP为3.099，消耗的压缩功为1.45kW，与冷却除湿的方法相比压缩功耗减少约30％。

复合系统计算得到的结果如图3所示(其中，Qle表示可用高压侧排热，Q表示再生热，w表示压缩功，Te表示蒸发温度)，由计算结果可知，蒸发温度在7℃～12℃之间，其制冷量均大于所需制冷量满足要求，蒸发温度小于10.2℃时，高压侧排热均可以满足再生热的要求，由于本系统进行了恰当的能量耦合和跨临界循环高压侧排热的分级利用，蒸发温度相比冷却除湿系统的蒸发温度有所提高，从而减少了压缩机的功耗；可见本实施例的空气处理系统具有很好的经济性。

表1系统性能参数表：

实施例2

如图2所示，本实施例的跨临界循环与两级溶液除湿系统复合的空气处理系统，除了除湿过程为等温除湿外，其余与实施例1的处理系统结构相同，本实施例设有一级冷却盘管23和二级冷却盘管24，分别置于一级除湿器11和二级除湿器17的填料内；一级冷却盘管23和二级冷却盘管24及时带走除湿过程产生的热量，使除湿剂溶液温度保持恒定，提高了除湿能力；同时，一级溶液换热器8和二级溶液换热器14的换热温差增大，低温稀溶液可以更好的给高温浓溶液降温，从而减少外部冷源的输入量，起到节约能源的作用。