一種太陽能驅(qū)動(dòng)的溶液膜蓄能及膜除濕系統(tǒng)及除濕方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于暖通空調(diào)和建筑熱工技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，涉及太陽能利用，蓄能，室內(nèi)濕度調(diào)節(jié)和系統(tǒng)節(jié)能過程，特別涉及一種太陽能驅(qū)動(dòng)的溶液膜蓄能及膜除濕系統(tǒng)及除濕方法。
【背景技術(shù)】
[0002]建筑能耗是整個(gè)社會(huì)能耗環(huán)節(jié)的重要組成部分，以采暖、空氣調(diào)節(jié)為代表的能耗又占建筑總能耗的50%左右，而制冷空調(diào)消耗的電力占城市總消耗電力的20-30%。因此，大力發(fā)展節(jié)能減排技術(shù)、尋求清潔可再生能源替代日漸枯竭的傳統(tǒng)化石能源被認(rèn)為是未來社會(huì)發(fā)展的唯一出路。
[0003]太陽能是一種清潔可再生能源，其熱利用技術(shù)由來已久。2010年，在中國，新能源產(chǎn)業(yè)被列為我國七大戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之一，其中的太陽能熱利用作為重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)業(yè)。到2015年，全國太陽能產(chǎn)業(yè)保有量要達(dá)到4億平方米，年均增長20%，太陽能熱利用要占可再生能源利用的10%。
[0004]我國太陽能輻射年總量為3.35?8.40kJ/cm2，其平均值大約為5.86kJ/cm2。我國三分之二的國土面積年日照小時(shí)數(shù)在2200小時(shí)以上，年太陽輻射總量大于每平方米5000兆焦，屬于太陽能利用條件較好的地區(qū)。西藏、青海、新疆、甘肅、內(nèi)蒙古、山西、陜西、河北、山東、遼寧、吉林、云南、廣東、福建、海南等地區(qū)的太陽輻射能量較大，尤其是青藏高原地區(qū)太陽能資源最為豐富。從我國建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)圖與我國太陽能分布圖的對比可以看出，我國北方地區(qū)處于寒冷或嚴(yán)寒地區(qū)，而這些地區(qū)的太陽能資源分布多處于I類和II類地區(qū)，年平均日照時(shí)數(shù)普遍在3000h以上，年輻射總量高于5800MJ/m2，應(yīng)用潛力巨大。
[0005]膜蒸餾技術(shù)是傳統(tǒng)蒸餾工藝與膜分離技術(shù)相結(jié)合的一種高效分離技術(shù)，膜蒸餾利用高分子膜的疏水性和某些結(jié)構(gòu)上的功能達(dá)到溶液蒸餾濃縮的目的。高分子膜將溶液隔開，利用膜兩側(cè)水蒸氣的分壓差實(shí)現(xiàn)水蒸氣的跨膜傳遞，而溶液不能通過膜。不同于傳統(tǒng)的蒸餾工藝，膜蒸餾過程不需要將溶液加熱至沸騰狀態(tài)，只要膜兩側(cè)維持適當(dāng)?shù)臏夭罹涂蓪?shí)現(xiàn)蒸餾，因此操作溫度比傳統(tǒng)的蒸餾操作低得多，可有效利用地?zé)崮?、太陽能以及工業(yè)廢水余熱等廉價(jià)能源，可望成為一種廉價(jià)、高效的分離手段。膜蒸餾是以疏水性微孔膜兩側(cè)的蒸汽壓差為傳質(zhì)推動(dòng)力的膜分離過程，膜蒸餾過程幾乎是在常壓下進(jìn)行，設(shè)備簡單、操作方便。在非揮發(fā)性溶質(zhì)水溶液的膜蒸餾過程中，只有水蒸氣能透過膜孔。
[0006]膜蒸餾大致分為四類，即減壓膜蒸餾或真空膜蒸餾，直接接觸式膜蒸餾，間隙式膜蒸餾和氣掃式膜蒸餾，其中氣掃式膜蒸餾將溶液布置在膜的內(nèi)側(cè)，外側(cè)有空氣吹掃，將膜外側(cè)擴(kuò)散出來的水蒸氣吹除，從而保證膜兩側(cè)的水蒸氣分壓差，實(shí)現(xiàn)溶液的濃縮功能。
[0007]以膜材料為界面，利用濕空氣與溶液的水蒸氣分壓差，實(shí)現(xiàn)濕空氣的除濕功能是膜材料的重要應(yīng)用之一。氣掃式膜蒸餾的第二種方式，即濕空氣在膜外側(cè)流動(dòng)，濃鹽溶液在膜內(nèi)側(cè)流動(dòng)，濕空氣中的水蒸氣會(huì)穿過膜材料的膜孔擴(kuò)散至膜內(nèi)側(cè)，被濃鹽溶液吸收，達(dá)到濕空氣的除濕目的。
[0008]專利《一種基于蒸氣壓縮與溶液吸收的膜法除濕的裝置及方法》(專利申請?zhí)?201310053755.3)公開了一種提高空氣壓力后的膜法除濕方法，這屬于壓力驅(qū)動(dòng)膜除濕方法。專利《基于膜的復(fù)合除濕設(shè)備》(專利申請?zhí)?200420095112.1)公開了一種采用膜交換器回收排風(fēng)中的余熱余濕的方法，其中的膜交換器兩側(cè)都是氣體。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是提供一種太陽能驅(qū)動(dòng)的溶液膜蓄能及膜除濕系統(tǒng)及其除濕方法，利用太陽能為熱源加熱鹽溶液，采用氣掃式膜蒸餾方法實(shí)現(xiàn)鹽溶液的濃縮和蓄能，采用在常壓下濕空氣流過膜表面以及膜兩側(cè)的水蒸氣分壓差實(shí)現(xiàn)溶液濃縮的分離進(jìn)而進(jìn)行濕空氣的除濕過程，形成了太陽能驅(qū)動(dòng)的溶液膜濃縮及溶液除濕。
[0010]本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。
[0011]—種太陽能驅(qū)動(dòng)的溶液膜蓄能及膜除濕系統(tǒng)，包括相互連接的太陽能集熱模塊、溶液膜濃縮蓄能模塊和溶液膜除濕模塊；
[0012]所述太陽能集熱模塊包括水-鹽溶液熱交換器，和與其循環(huán)連接的太陽能集熱器;
[0013]所述溶液膜濃縮蓄能模塊包括與水-鹽溶液熱交換器相連的1#中空纖維膜組件，和與1#中空纖維膜組件相連的濃溶液儲(chǔ)罐，濃溶液儲(chǔ)罐分別通過管線連接水-鹽溶液熱交換器和溶液膜除濕模塊；
[0014]所述溶液膜除濕模塊包括與濃溶液儲(chǔ)罐相連的稀溶液儲(chǔ)罐，稀溶液儲(chǔ)罐連接2#中空纖維膜組件，2#中空纖維膜組件與稀溶液儲(chǔ)罐循環(huán)連接；稀溶液儲(chǔ)罐與濃溶液儲(chǔ)罐循環(huán)連接。
[0015]進(jìn)一步地，所述水-鹽溶液熱交換器通過輔助熱源與1#中空纖維膜組件相連。
[0016]進(jìn)一步地，所述1#中空纖維膜組件和2#中空纖維膜組件的側(cè)部分別設(shè)有送風(fēng)機(jī)。
[0017]進(jìn)一步地，所述濃溶液儲(chǔ)罐與水-鹽溶液熱交換器和稀溶液儲(chǔ)罐之間通過循環(huán)栗、截止閥相連通。
[0018]進(jìn)一步地，所述濃溶液儲(chǔ)罐和稀溶液儲(chǔ)罐分別設(shè)置有保溫層。
[0019]相應(yīng)地，本發(fā)明給出了利用所述太陽能驅(qū)動(dòng)的溶液膜蓄能及膜除濕系統(tǒng)進(jìn)行除濕的方法，包括下述步驟:
[0020]1)白天太陽輻射充分條件下，啟動(dòng)太陽能集熱模塊，加熱水-鹽溶液熱交換器，此時(shí)1#液體循環(huán)栗開啟；
[0021]2)開啟溶液膜濃縮蓄能模塊，實(shí)現(xiàn)溶液的濃縮和蓄能，將太陽能的熱能轉(zhuǎn)化為溶液的密度勢能；此時(shí)，1#截止閥打開，2#截止閥關(guān)閉，1#送風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，2#液體循環(huán)栗開啟，將濃溶液儲(chǔ)罐中的溶液循環(huán)流過1#中空纖維膜組件，1#送風(fēng)機(jī)送出的空氣將1#中空纖維膜組件的表面擴(kuò)散出來的水蒸氣吹除，實(shí)現(xiàn)溶液的濃縮；
[0022]3)開啟溶液膜除濕模塊，實(shí)現(xiàn)新風(fēng)或回風(fēng)的溶液膜除濕；此時(shí)，2#送風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，2#截止閥打開，3#液體循環(huán)栗和4#液體循環(huán)栗開啟，同時(shí)冷卻裝置啟動(dòng)；
[0023]4) 3#截止閥打開，5#液體循環(huán)栗開啟，自此，整個(gè)裝置開始了太陽能驅(qū)動(dòng)的溶液膜濃縮及溶液除濕循環(huán)過程。
[0024]進(jìn)一步地，如果白天不需要開啟膜除濕功能，系統(tǒng)只進(jìn)行溶液的膜濃縮蓄能過程，此時(shí)，關(guān)閉溶液膜除濕模塊，2#截止閥，3#截止閥關(guān)閉，3#液體循環(huán)栗，4#液體循環(huán)栗，5#液體循環(huán)栗關(guān)閉，冷卻裝置關(guān)閉，將太陽能的熱能轉(zhuǎn)化為溶液的密度勢能；
[0025]如果白天太陽能輻射狀況不佳，開啟輔助熱源進(jìn)行輔助加熱以確保溶液的膜濃縮過程。
[0026]進(jìn)一步地，所述鹽溶液為溴化鋰溶液、氯化鋰溶液、或氯化鈣溶液中的一種或兩種以上混合溶液。
[0027]進(jìn)一步地，所述1#中空纖維膜組件和2#中空纖維膜組件采用的膜材料是致密疏水性微孔膜，包括聚乙烯PE膜材料、聚丙烯PP膜材料、聚四氟乙烯PTFE膜材料或聚偏氟乙烯PVDF膜材料以及膜表面經(jīng)過疏水性增強(qiáng)處理的膜材料。
[0028]進(jìn)一步地，太陽能集熱模塊內(nèi)的工作介質(zhì)為加有防凍液的純凈水。
[0029]本發(fā)明利用太陽能作為熱源，基于氣掃式膜蒸餾的鹽溶液濃縮和蓄能過程，為溶液膜除濕系統(tǒng)提供高濃度的鹽溶液，最終實(shí)現(xiàn)空氣的除濕功能。一方面有效地利用太陽能這種可再生清潔能源，實(shí)現(xiàn)溶液在膜組件中的濃縮和蓄能過程；另一方面，利用氣掃式膜蒸餾技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鹽溶液在較低操作溫度下的濃縮蓄能過程，提高太陽能的能源利用效率，最后，利用中空纖維膜提供的巨大比表面積，利用濕空氣與鹽溶液的水蒸氣分壓差實(shí)現(xiàn)濕空氣的除濕過程。
【附圖說明】
[0030]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖。
[0031]圖中:1:太陽能集熱模塊；11:溶液膜濃縮蓄能模塊；ΙΠ:溶液膜除濕模塊；1 ??太陽能集熱器；2:水-鹽溶液熱交換器；3:1#液體循環(huán)栗；4:1#中空纖維膜組件；5:濃溶液儲(chǔ)罐；6:1#截止閥；7 -.2#液體循環(huán)栗；8:輔助熱源；9:1#送風(fēng)機(jī)；10 -.2#截止閥；11:3#液體循環(huán)栗；12:2#送風(fēng)機(jī)；13:2#中空纖維膜組件；14:稀溶液儲(chǔ)罐；15:冷卻裝置；16:4#液體循環(huán)栗；17 -.3#截止閥；18 -.5#液體循環(huán)栗。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的工作原理作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0033]參照圖1，本發(fā)明太陽能驅(qū)動(dòng)的溶液膜蓄能及膜除濕系統(tǒng)，包括相互連接的太陽能集熱模塊1、溶液膜濃縮蓄能模塊II和溶液膜除濕模塊III。
[0034]其中，太陽能集熱模塊I包括水-鹽溶液熱交換器2，和通過1#液體循環(huán)栗3與其循環(huán)連接的太陽能集熱器1。太陽能集熱器1的出口與水-鹽溶液熱交換器2的水入口連接，水-鹽溶液熱交換器2的水出口與1#液體循環(huán)栗3的進(jìn)口連接，1#液體循環(huán)栗3的出口與太陽能集熱器1的入口連接。太陽能集熱模塊1內(nèi)的工作介質(zhì)為加有防凍液的純凈水。
[0035]溶液膜濃縮蓄能模塊11包括與水-鹽溶液熱交換器2相連的1#中空纖維膜組件4，和與1#中空纖維膜組件4相連的濃溶液儲(chǔ)罐5，濃溶液儲(chǔ)罐5設(shè)置有保溫層，1#中空纖維膜組件4側(cè)部設(shè)有1#送風(fēng)機(jī)9。濃溶液儲(chǔ)罐5分別通過管線連接水-