发明内容

针对现有技术的空气热湿独立处理方案所存在的问题，本发明提供了一种两级压缩式热泵驱动的低温再生热湿独立处理空调系统，以溶液为除湿工质，利用高比表面积的膜除湿器对湿空气进行除湿，得到目标湿度的干空气，再利用蒸发器对干空气进行无相变的显热降温，实现热湿独立处理，除湿环节无需消耗冷量，有效降低制冷空调能耗；同时，利用高压级冷凝器释放的冷凝废热来加热并再生溶液干燥剂，不需要额外的能量输入，而真空模式的溶液再生可以在较低的温度下进行，因而为溶液再生提供热量的高压级制冷剂不需要太高的冷凝温度，从而也就不需要工作在太高的高压级冷凝压力状态，故有利于改善高压级压缩机的运行工况；热泵循环的两级压缩模式，在保证溶液能够从高压级冷凝器中获得再生温度的同时，因为高压级较小的制冷剂流量而有效降低高压级压缩机的能耗。与传统空气热湿独立处理方法不同之处在于，本发明仅使用一套热泵系统，除湿过程不消耗冷量，且热泵冷凝温度分为两级，将不同品位的热量合理分级配置，实现能量利用效率的最大化，不仅降低了系统复杂性和成本，而且显著提高了夏季潮湿工况下的制冷空调能效。

本发明的目的通过以下技术方案来实现。本发明的两级压缩式热泵驱动的低温再生热湿独立处理空调系统，其包括：低压级压缩机、分流三通、低压级冷凝器、低压级膨胀阀、汇流三通、蒸发器、高压级压缩机、高压级冷凝器、高压级膨胀阀、膜除湿器、散热器、溶液泵、凝水器、储水罐、真空泵。

根据本发明的一个实施例，制冷剂蒸汽在低压级压缩机中被压缩至低压级冷凝压力，由分流三通分成两路，第一路制冷剂进入低压级冷凝器，被冷却流体冷却而冷凝至液态，经低压级膨胀阀节流膨胀至蒸发压力下的气液两相状态，第二路制冷剂进入高压级压缩机，被进一步压缩至高压级冷凝压力，然后在高压级冷凝器中被除湿后的稀溶液冷却而冷凝至液态，经高压级膨胀阀节流膨胀至蒸发压力下的气液两相状态，两路制冷剂在汇流三通处汇合后进入蒸发器，被除湿后的干空气加热而蒸发至过热蒸汽状态，最终回到低压级压缩机，完成热泵循环。

根据本发明的一个实施例，在膜除湿器中，溶液与空气之间被膜隔开，膜对水蒸气有选择渗透性，阻止溶液与空气的直接接触，避免液滴夹带造成空气污染。进入膜除湿器的是浓度较高的溶液，具有较低的水蒸气分压力，而来自环境的湿空气具有较高的水蒸气分压力，于是在膜两侧形成水蒸气分压力差，构成水蒸气传质的驱动力，水蒸气因此从空气侧分离出来，透过膜中进入溶液侧，被溶液吸收，从而实现对湿空气的除湿。溶液自身因为吸收水蒸气而浓度下降，变成稀溶液，同时溶液因吸收过程释放的潜热而升温。此外，由于膜的导热作用，溶液与空气之间还存在显热传热。

根据本发明的一个实施例，完成除湿过程的稀溶液进入高压级冷凝器，将高压级冷凝器腔体底部的制冷剂盘管浸没，但又不会将腔体充满，而是形成自由液面，溶液以上部分为真空区。溶液被盘管内冷凝的制冷剂加热，达到再生温度。

根据本发明的一个实施例，高压级冷凝器同时也是溶液再生器，内部腔体为真空环境，溶液被加热至再生温度后，表面形成较高的水蒸气分压力而产生传质驱动力，推动水蒸气离开溶液进入上方的真空区。在这种真空再生模式下，溶液不需要与其他介质进行显热交换，溶液温度仅因为水蒸气蒸发而存在有限的下降，这对于维持溶液再生能力是有利的；换言之，溶液也就不需要很高的再生温度来应对大温降，反过来也就不需要高压级冷凝器工作在很高的冷凝压力，有利于改善高压级压缩机的运行工况。

根据本发明的一个实施例，水蒸气从溶液中蒸发出来，离开高压级冷凝器，进入凝水器被冷凝成液态水，并被储存在储水罐中，从而将真空度维持在特定工作压力，即水蒸气冷凝压力，以保证持续的溶液再生能力。凝水器的冷源是不限于环境空气的冷却流体，水蒸气冷凝压力由凝水器的冷却条件决定。

根据本发明的一个实施例，再生的真空环境由真空泵创建，在系统运行之前，真空泵将高压级冷凝器、凝水器、储水罐内部抽成真空，当系统运行时，真空泵不再工作，真空度依靠凝水器自动维持。

根据本发明的一个实施例，溶液离开高压级冷凝器后温度较高，需要经散热器冷却至除湿所需的较低温度，以形成较低的水蒸气分压力，满足持续除湿的需求。散热器的冷源为不限于环境空气的冷却流体。

根据本发明的一个实施例，当系统稳定运行时，在除湿/再生循环中，溶液吸收、释放的水蒸气质量达到平衡，同时各环节的吸热、放热也达到平衡。不过，在启动、停机或工况变化时，系统是处于非稳态的，由于传热传质的瞬时不平衡，溶液会有膨胀或收缩的趋势，而具有自由液面的高压级冷凝器则起到缓冲作用。

本发明的有益效果包括：

(1)在夏季高湿地区，两级压缩式热泵驱动的低温再生热湿独立处理空调系统利用溶液的吸湿特性，通过膜除湿器将湿空气预先除湿，然后再通过热泵的蒸发器对干空气进行降温，降温过程不会出现水蒸气冷凝，从而实现热湿独立处理，该方式能有效避免空调病的发生，另外，系统制冷量被充分用在显热负荷上，而不必浪费在湿负荷上，可以有效提高制冷效果、降低制冷能耗；

(2)膜将空气与溶液隔开，这种非直接接触的除湿方式可以有效避免液滴夹带造成的空气污染；

(3)在热泵循环中，蒸发器制冷的同时，冷凝器制热，冷凝器放出的热量原本是作为废热直接排放到环境中的，本发明将部分冷凝废热回收，用于溶液再生，因而再生过程不需要额外的热量输入；

(4)两级压缩式热泵循环通过高压级冷凝器为溶液提供再生所需的加热温度，同时将制冷剂流量分流，以较小的高压级流量来降低高压级压缩机的能耗；

(5)真空再生模式下，溶液不存在显热降温，高压级冷凝器为再生提供的加热量只消耗在溶液的潜热降温上，因此可以实现低温再生，反过来也就不需要热泵提供很高的高压级冷凝压力，有利于改善高压级压缩机运行工况。