跨临界二氧化碳循环与溶液除湿的空气温湿度调节系统的制作方法

本发明涉及一种跨临界二氧化碳循环与溶液除湿的空气温湿度调节系统，属于空调系统调节技术领域。

背景技术：

本发明拟解决的问题是通过引入CO₂作为制冷剂跨临界制冷系统并与吸收式除湿系统有效结合，做到整个系统内部的能量梯级利用，提高空调制冷系统或热泵在使用过程中的能量综合利用效率，以及对环境有害的常规制冷剂进行替换。因为本身的高效、稳定、价廉等特点，当前常用的空调制冷或热泵系统大多采用R134a、R22等作为制冷剂，但因为这些工质具有较高的GWP(Globe Warming Potential温室效应指数)和ODP(Ozone Depletion potential臭氧层破坏潜力指数)，因此将会逐渐被其他更环保的制冷工质替代。本专利采用二氧化碳(R744)作为制冷工质，作为自然界丰富存在的天然物质，具有环境性能优良、经济性好、化学性能稳定、安全无毒不可燃、热力性能良好等多种优点，从长远角度看具有极大的市场开发潜力。另外，R134a、R22等工质的临界温度在100℃左右，所以系统的冷凝温度只在40-50℃左右，而由于以二氧化碳为工质的系统高压侧处于超临界状态，因此可以得到较高的冷凝温度，可以得到温度更高的热源(80-90℃左右)用以驱动液体除湿系统。这是本发明中温湿度独立控制得以实施的关键因素。

在常规空调系统中，一般采用泠凝除湿的方法调节空气的湿度，这种除湿方式需要将空气降温到其露点温度以下才能在制冷的同时起到除湿的效果。在很多情况下还需要将除湿后的空气进一步加热才能达到送风参数要求。这种方法虽能有效控制送风的温湿度标准，但却在处理过程中存在过冷和再热过程的双重能量浪费。此外，冷凝除湿过程中所产生的冷凝水常附着于系统的蒸发器表面，容易滋生各种霉菌并随新风送入室内，长期在得不到清理的情况下运行将严重影响室内空气质量，对人类健康造成不良影响。本专利拟采用独立的液体除湿系统对空气先进行除湿，然后再通过跨临界二氧化碳系统进行降温，既保证了系统内部各种冷、热能源的综合回收利用，同时还能够对送风进行净化处理，并且引入对环境无害的致冷工质，真正达到高效、清洁、环保的目的。

如图1所示，常规空调系统通常包括：压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器。通过压缩机压缩后的高温高压制冷剂在冷凝器降温冷凝为液态，通过过节流阀调压后在蒸发器中蒸发吸热。常规空调系统一般采用泠凝除湿的方法调节空气的湿度，这种方式需要将空气降温到其露点温度以下才能在制冷的同时起到除湿的效果。在很多情况下还需要将除湿后的空气进一步加热才能达到送风参数要求。这种方法虽能有效控制送风的温湿度标准，但却在处理过程中存在过冷和再热过程的双重能量浪费。此外，冷凝除湿过程中所产生的冷凝水常附着于系统的蒸发器表面，容易滋生各种霉菌并随新风送入室内，长期在得不到清理的情况下运行将严重影响室内空气质量，对人类健康造成不良影 响。而且传统制冷剂的冷凝温度偏低，冷凝器排出的热水或热风很在再加以利用，会造成低品能源的浪费，同时传统制冷剂还会严重危害人类居住环境和整体生态环境。

本发明能够解决上述传统系统中低品质热源的回收利用问题并保护环境不受危害。

专利CN203116204U(公开号)公开了一种热泵驱动的逆流式溶液调湿新风机组。如图2所示，该系统的主要部件包括：气液接触全热交换模块、压缩机、蒸发器、冷凝器、溶液循环泵、膨胀阀补水阀。该系统利用传统空调系统中的蒸发器和冷凝器对液体除湿系统中的溶液进行预冷和预热处理，然后再将溶液分别送入吸收器A和再生器B中进行空气除湿和溶液再生。达到对新风进行独立除湿和降温的目的。

该技术虽然做到了温湿度的独立控制，但仍然有如下几个主要缺点：

1.仍采用传统制冷剂，冷凝温度偏低，导致经冷凝器部分加热的再生溶液温度不高，再生能力不足；

2.传统致冷工质对环境有不良影响；

3.蒸发器先对除湿溶液进行降温，然后再通过溶液与空气的接触对空气同时进行除湿和降温，并没有做到真正意义上的温湿度独立控制，而且除湿过程中水分的冷凝热又有部分传回到空气中，并没有最大限度地起到节能的效果；

4.吸收溶液降温及再生溶液升温过程均在外置换热器中完成，传热传质独立进行，溶液在吸收器和再生器中随着吸收解析过程有明显的温度升降，导致反应中后段吸收解析能力下降明显，严重影响系统性能。

本专利在制冷剂选取及系统结构上均与上述系统不同，可以有效避免上述系统中的缺点。

专利CN2881413Y(公开号)公开了一种二氧化碳超临界循环热泵与溶液除湿相结合的空调装置。如图3所示，该系统的特征是二氧化碳超临界循环热泵和溶液再生循环装置的搭配使用，主要部件包括：压缩机、热泵冷却器、内部热交换器、节流阀、蒸发器、储液罐除湿器再生装置含有：热泵冷却器、气液喷淋模块、溶液泵、空气回热器、板式换热器。该系统利用二氧化碳作为空调系统的制冷工质，并利用空调系统中的冷凝器对液体除湿系统中的溶液进行加热处理，然后再将溶液分别送入再生器中进行溶液再生。达到对新风进行独立除湿的目的。

该技术虽然使用二氧化碳作为制冷工质，并引入了温湿度的独立控制理念，但仍在制冷及除湿两套系统结合细节方面不太完善，主要有如下几个主要缺点：

1.仍然采用蒸发器先对除湿溶液进行降温，然后再通过溶液与空气的接触对空气同时进行除湿和降温，并没有做到真正意义上的温湿度独立控制，而且除湿过程中水分的冷凝热又有部分传回到空气中，并没有最大限度地起到节能的效果；

2.再生溶液升温过程在外置换热器中完成，传热传质独立进行，升温后的溶液再通过与空气的直接接触使空气升温，同时溶液在再生器中随着解析过程温度下降，导致反应中后段解析能力下降。

本专利的系统结构与上述系统不同，并且对相关核心组件进行了有针对性地结构改良设计，可以有效避免上述系统中的缺点。

技术实现要素：

本发明的目的在于对制冷及热泵系统中温湿度进行独立控制，同时对系统冷热能回收及梯级利用，进而降低制冷介质对环境的危害及影响，最终提高系统制冷效率及环境舒适度。

本发明主要具有以下特色：

1)二氧化碳跨临界制冷系统与液态吸收式除湿系统热量梯级集成，提高能源利用率，降低空调制冷系统能耗；

2)新风先进行除湿后再通过制冷系统蒸发器降温，真正实现温湿度独立分步控制，除湿过程不消耗蒸发器冷量，最大限度节约能源；

3)制冷机组内冷却器与解吸空气进行换热，提高系统性能；

4)冷却水系统的梯级传热；

5)冷却水经系统梯级加热后作为生活用热水资源加以利用；

6)低循环倍率溶液循环系统；

7)内换热型吸收器、再生器的独特结构设计，保证传热、传质过程在容器内部同时进行；

8)纳米技术在吸收器、再生器内表面的应用，提高表面沁润性能及传热、传质效果。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：跨临界二氧化碳循环与溶液除湿的空气温湿度调节系统，该系统包括二氧化碳压缩系统及溶液除湿系统两部分，二氧化碳压缩系统主要包括压缩机(1)、风冷器(2)、水冷器(3)、膨胀阀(4)、蒸发器(5)；溶液除湿系统包括再生器(6)、内部换热器(7)、吸收器(8)、溶液泵(9)。二氧化碳与压缩机(1)的进口相连，二氧化碳经压缩机(1)压缩后成为高温高压超临界的介质，该介质首先经过风冷器(2)的新风加热至80-90℃，然后再经过水冷器(3)，对吸收器(8)输送过来的冷却水进行加热；经过加热的新风和冷却水分别为热空气和热水，两者被送至溶液除湿系统的再生器(6)中，以用于再生，其中热水将对再生溶液进行加热，而热空气因为相对湿度降低，相比于常温空气将具有更强的吸湿能力。再生后的浓溶液经第一溶液泵(9.1)后进入内部换热器(7)，吸收器(8)底部输出的稀溶液经过第二溶液泵(9.2)进入内部换热器(7)，再生后的浓溶液经内部换热器(7)的换热后从吸收器(8)的顶部喷淋进入，并在经纳米技术处理过的吸收器(8)内部填料表面形成均匀液膜，该液膜与吸收器(8)底部送入的新风充分接触并吸收空气中的水分；同时，冷却水从吸收器(8)底部的板片间内夹层流入并在吸收器(8)顶部流出，进而对再生后的浓溶液进行逆流换热；吸热后的冷却水被送至二氧化碳压缩系统的水冷器(3)对制冷介质进行降温，再流经再生器(6)加热再生溶液，从再生器(6)流出的冷却水能作为生活用热水资源直接输送至消费端。

新风经吸收器除湿后得到干风，进而被送至二氧化碳压缩系统内的蒸发器(5)降温后得到干冷空气直接送至消费端使用。

由于本除湿系统对各冷热端入口条件进行了优化，并采用内部换热型吸收器(8)和再生器(6)，吸收/再生效率比传统液体吸收设备更高，因此采用低循环倍率的单溶液循环系统，而不需要像常规液体除湿设备一样设置单体内部溶液循环，大幅降低了溶液输送泵的功耗。

如图5所示，吸收器(8)与再生器(6)内部结构均为内换热型填料结构，钛合金材质的规整型填料外表面覆盖纳米技术处理过的涂层，具有良好的表面沁润性和抗腐蚀性。

与现有技术相比较，本发明能克服现有技术缺点解决如下问题：

1、采用传统空调系统制冷除湿，需消耗大量能量用来除湿，同时空气冷凝出来的水分会沉积于蒸发器表面并滋生细菌，对室内送风造成污染；

2、现有温湿独立控制系统采用传统制冷剂，冷凝温度偏低，导致经冷凝器部分加热的再生溶液温度不高，再生能力不足；同时冷凝器排出的热量因为品质偏低也没有直接利用价值，往往被直接排放至外部环境中；

3、传统致冷工质对环境有不良影响；

4、传统液体除湿系统空气除湿后温度升高，需消耗额外能量进行降温；

5、传统液体除湿系统吸收溶液降温及再生溶液升温过程均在外置换热器中完成，传热传质独立进行，溶液在吸收器和再生器中随着吸收解析过程有明显的温度升降，导致反应中后段吸收解析能力下降明显，严重影响系统性能。

附图说明

图1为常规空调系统结构原理图。

图2为专利一种热泵驱动的逆流式溶液调湿新风机组的结构原理图。

图3为专利一种二氧化碳超临界循环热泵与溶液除湿相结合的空调装置的结构原理图。

图4为吸收器与再生器的内部结构图。

图5为实施方案一的结构原理图。

图6为实施方案二的结构原理图。

图7为实施方案三的结构原理图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行具体说明。

实施方案一：

夏季室内空气制冷、除湿独立控制，并制取生活用热水：

通过二氧化碳跨临界压缩系统获得冷能，压缩后的制冷剂冷凝过程中释放的热量用来驱动除湿系统的再生循环，完成系统循环后的冷却水直接作为生活用热水供应，做到系统内能源利用的最大化。

具体实施路线：

如图6所示，经压缩机(1)压缩后的高温高压超临界二氧化碳介质首先经过风冷器(2)，加热新风至80-90℃，然后再经过水冷器(3)，加热从吸收器输送过来的冷却水；经加热的热空气和热水被送至吸收系统的再生器(6)用于溶液再生，其中热水将对再生溶液进行加热，而热空气因为相对湿度降低，相比于常温空气将具有更强的吸湿能力。再生后的浓溶液经第一溶液泵(9.1)并在内部换热器(7)与吸收器(8)输出的稀溶液换热后从顶部喷淋进入吸收器(8)，并在经纳米技术处理过的吸收期内填料表面形成均匀液膜，与从底部送入的新风充分接触并吸收空气中的水分；同时冷却水将从吸收器(8)的板片间的内夹层底部流入，上部流出，对溶液进行逆流换热；吸热后的冷却水被送至二氧化碳压缩系统的水冷器(3)对制冷介质进行降温，再流经再生器(6)加热再生溶液，从再生器(6)流出的冷却水可作为生活用热水资源直接输送至消费端。新风经吸收器除湿后得到的干风送至二氧化碳压缩系统内的蒸发器(5)降温后得到干冷空气直接送至消费端使用。

吸收器(8)与再生器(6)的内部结构如图5所示，均为内换热型填料结构，钛合金材质的规整型填料外表面覆盖纳米技术处理过的图层，具有良好的表面沁润性和抗腐蚀性。

实施方案二

冬季室内空气加热、加湿独立控制，并制取生活用热水：

通过二氧化碳跨临界压缩热泵系统获得热能，压缩后的制冷剂冷凝过程中释放的热量用来驱动除湿系统的再生循环，通过再生器后排出的湿热空气送入消费端，完成系统循环后的冷却水直接作为生活用热水供应，做到系统内能源利用的最大化。

具体实施路线：

如图7所示，经压缩机(1)压缩后的高温高压超临界二氧化碳介质首先经过风冷器(2)，加热新风至80-90℃,然后再经过水冷器(3)，加热从吸收器输送过来的冷却水；经加热的热空气和热水被送至吸收除湿系统的再生器(6)用于溶液再生，其中热水将对再生溶液进行加热，而热空气因为相对湿度降低，相比于常温空气将具有更强的吸湿能力。再生后的浓溶液经第一溶液泵(9.1)泵送至内部换热器(7)内与吸收器(8)输出的稀溶液换热后从顶部喷淋进入吸收器(8)，并在经纳米技术处理过的吸收期内填料表面形成均匀液膜，与从底部送入的新风充分接触并吸收空气中的水分；同时冷却水将从吸收器(8)的板片间的内夹层底部流入，上部流出，对溶液进行逆流换热；吸热后的冷却水被送至二氧化碳压缩系统的水冷器(3)对制冷介质进行降温，再流经再生器(6)加热再生溶液，从再生器(6)流出的冷却水可作为生活用热水资源直接输送至消费端。新风经吸收器除湿后得到的干风送至二氧化碳压缩系统内的蒸发器(5)降温后得到干冷空气直接排至室外，从再生器排出的湿热空气送至消费端使用。

实施方案三

夏季室内空气制冷、除湿独立控制，并制取生活用热水：

通过二氧化碳跨临界压缩系统获得冷能，压缩后的制冷剂冷凝过程中释放的热量用来驱动除湿系统的再生循环，完成系统循环后的冷却水直接作为生活用热水供应，做到系统内能源利用的最大化。

具体实施路线：

如图7所示，经压缩机(1)压缩后的高温高压超临界二氧化碳介质首先经过风冷器(2)，加热新风至80-90℃,然后再经过水冷器(3)，加热从吸收器输送过来的冷却水；经加热的热水送至吸收系统的再生换热器(10)与流经的稀溶液进行热交换，热空气送至再生器(6)内用于溶液再生，其中热水将对再生溶液进行加热，而热空气因为相对湿度降低，相比于常温空气将具有更强的吸湿能力。再生后的浓溶液经溶液泵(9)并在内部换热器(7)与吸收器(8)输出的稀溶液换热后流入吸收换热器(11)，经冷却水降温后从顶部喷淋进入吸收器(8)，并在经纳米技术处理过的吸收器内填料表面形成均匀液膜，与从底部送入的新风充分接触并吸收空气中的水分；吸热后的冷却水被送至二氧化碳压缩系统的水冷器(3)对制冷介质进行降温，再流经再生器(6)加热再生溶液，从再生器(6)流出的冷却水可作为生活用热水资源直接输送至消费端。新风经吸收器除湿后得到的干风送至二氧化碳压缩系统内的蒸发器(5)降温后得到干冷空气直接送至消费端使用。

本应用吸收器与再生器内部结构为填料塔设计，均为绝热型填料结构，采用钛合金材质的规整型填料，外表面覆盖纳米技术处理过的涂层，具有良好的表面沁润性和抗腐蚀性。

本实施例与实施例一和实施二的区别在于除湿系统内的再生器和吸收器的结构设计。前两例均采用了内换热型结构，而本例中的系统则采用外置式换热器对介质进行换热，发生器本身则采用绝热型填料塔结构。本设计适用于较大型的应用，如大型冷库的气调设备，超市、冰球场的冷藏、制冰设备，商场、写字楼的中央空调系统等。

(1)系统内冷、热能的综合梯级利用，与常规空调系统相比，可节约超过60％的能耗；

(2)液体除湿系统的引入可以防止冷凝水在蒸发器表面的凝结发霉，同时除湿溶液还有杀菌、消毒、过滤等作用，保证送风的清洁健康；

(3)新型制冷剂的引入，减少系统的温室效应影响和对臭氧层的破坏。