热致浓度差两级双溶液除湿系统理论与实验研究

论文摘要

溶液除湿系统是基于除湿溶液在一定浓度范围内具有强吸湿特性建立的一种空调系统,采用低品位热源驱动,具有独立控制湿度、节能和环保等突出特点。所使用工质除湿溶液具有强大蓄能能力,在太阳能利用方面具有显著优势。然而,溶液除湿系统的蓄能与保证空气除湿效果之间存在矛盾。为了保证空气含湿量达到需要范围,实际系统溶液浓度变化小（小于1%,约0.2%）,导致蓄能能力未得到有效开发利用,同时也限制了溶液除湿系统的能量利用效率进一步提高。基于此,本文开展了以下研究工作:首先提出了溶液浓度变化范围大、除湿/再生之间温差小的热致浓度差理想溶液循环及采用此理想循环的两级双溶液大浓度差除湿系统,具有再生后浓溶液和除湿后稀溶液浓度差较大的特点。热力学分析结果表明理想溶液循环系统的热力性能系数、有效蓄能密度得到大幅提高,不可逆损失也显著减小。典型工况下,再生后浓溶液与除湿后稀溶液浓度差从0.16%增大到4.2%,使得系统的热力性能系数提高了142%,有效蓄能密度增加到385.5 MJ/m3。若采用氯化钙溶液预除湿降低溶液循环中除湿/再生过程溶液温差,系统热力性能系数进一步提高了25.9%,火用效率增加了23.0%。其次,搭建两级双溶液大浓度差除湿系统实验台,具有氯化钙溶液预除湿、再生后浓溶液与除湿后稀溶液浓度差大（大浓度差）两大特点。实验验证了系统在大幅降低溶液比再生热方面的优越性,氯化钙溶液的比再生热甚至低至2.0 kJ/g。系统热力性能系数和电力性能系数分别可达0.84和11.1。在不同典型室外环境下系统均能处理空气绝对含湿量达到ARI室内控制标准。氯化钙溶液表现出较好的预除湿效果,承担湿负荷比例在2060%之间。空气的流速和溶液的初始浓度对除湿性能影响最为显著,而再生性能则对再生温度变化最敏感。第三,建立了基于波纹结构填料的空气-溶液热质传递三维模型,计算结果与实验结果吻合较好。利用该模型研究了双溶液除湿和大浓度差除湿的可行性与双溶液再生和大浓度差再生的节能性,深入分析了两级双溶液大浓度差除湿过程和再生过程的热质传递特性。研究发现,在给定工况下（空气与溶液进口温度分别为34 oC和30oC）溶液除湿过程中约有70100%的除湿释放热量被溶液所吸收。对表征除湿过程和再生过程传热和传质情况的气液界面Nusselt数和Sherwood数进行分析,结果表明采用两级除湿/再生能够增强气液间传热传质效果。空气侧Nusselt数和Sherwood数分别在415和314之间,主要沿着空气流动方向逐渐下降。除了进口段有小幅增大外,溶液侧的Nusselt数在除湿/再生过程中均稳定在2.3。溶液侧Sherwood数在14之间,入口段效应范围比Nusselt数大,主要是因为溶液侧传质边界层的发展速度比热边界层慢。论文还分析了两级双溶液大浓度差（5%）太阳能除湿空调系统的能量调节特性和季节蓄能特性。借助除湿溶液的蓄能能力,系统不仅保证了24小时连续除湿,而且通过季节蓄能,显著提高了太阳能保证率和系统热力性能系数。与小浓度差运行模式（0.2%）相比,两级双溶液大浓度差除湿系统平均热力性能系数提高了73%,太阳能保证率增加了1145%。与单溶液大浓度差除湿系统相比,两级双溶液除湿系统热力性能系数提高了20.3%,而太阳能保证率提高了514%。本论文提出的两级双溶液大浓度差除湿循环,解决了蓄能和良好的除湿效果之间的矛盾,对太阳能等低品位热能驱动溶液除湿系统的广泛应用具有积极作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第1章 绪论
• 1.1 背景及意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 溶液除湿系统
• 1.2.2 除湿溶液
• 1.2.3 空气-溶液接触装置
• 1.2.4 溶液蓄能
• 1.2.5 基于溶液除湿技术的复合空调系统
• 1.3 问题分析
• 1.4 本文研究内容
• 第2章 理想溶液除湿过程的热力学分析
• 2.1 概述
• 2.2 溶液除湿系统热力学分析
• 2.2.1 溶液除湿系统能量质量平衡分析
• 2.2.2 溶液除湿系统火用分析
• 2.2.3 溶液除湿系统的评估指标
• 2.3 结果分析与讨论
• 2.4 两级双溶液大浓度差除湿系统
• 2.4.1 理想溶液循环的提出
• 2.4.2 两级双溶液大浓度差除湿系统构建
• 2.4.3 两级双溶液除湿系统的热力学分析比较
• 2.5 小结
• 第3章 两级双溶液波纹填料除湿/再生单元热质传递特性
• 3.1 概述
• 3.2 空气-溶液接触装置热质传递模型
• 3.3 两级双溶液大浓度差除湿单元热质传递特性研究
• 3.3.1 双溶液大浓度差除湿单元
• 3.3.2 氯化钙-氯化锂双溶液除湿的可行性和除湿特性分析
• 3.3.3 大浓度差除湿的可行性和除湿特性分析
• 3.3.4 除湿过程的Nusselt 数和Sherwood 数
• 3.4 两级双溶液再生单元热质传递特性研究
• 3.4.1 氯化钙溶液和氯化锂溶液的再生性能对比
• 3.4.2 两级双溶液再生过程热质传递特性分析
• 3.4.3 大浓度差再生特性分析
• 3.4.4 再生过程中的Nusselt 数和Sherwood 数分析
• 3.5 小结
• 第4章 两级双溶液除湿系统实验与分析
• 4.1 概述
• 4.2 两级双溶液除湿系统的构建
• 4.2.1 工作原理
• 4.2.2 部件选择
• 4.2.3 空气预处理装置
• 4.2.4 两级双溶液除湿系统的数据采集
• 4.2.5 运行模式
• 4.3 除湿实验结果分析
• 4.3.1 两级双溶液大浓度差除湿特性实验分析
• 4.3.2 两级双溶液除湿参数分析
• 4.4 再生实验结果分析
• 4.4.1 两级双溶液大浓度差再生特性实验分析
• 4.4.2 两级双溶液再生参数分析
• 4.5 两级双溶液除湿系统性能的实验结果及分析
• 4.6 实验误差分析
• 4.7 小结
• 第5章 两级双溶液太阳能除湿系统性能研究
• 5.1 概述
• 5.2 除湿溶液蓄能性能分析
• 5.3 两级双溶液太阳能除湿系统性能预测
• 5.4 两级双溶液太阳能除湿系统性能分析
• 5.4.1 负荷分析
• 5.4.2 昼夜能量调节分析
• 5.4.3 季节蓄能性能分析
• 5.4.4 系统参数分析
• 5.4.5 与常规溶液除湿系统的比较
• 5.5 小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 本文的研究内容总结
• 6.2 本文的创新点
• 6.3 课题展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文
• 上海交通大学博士学位论文答辩决议书