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《上海交通大学》 2009年
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热致浓度差两级双溶液除湿系统理论与实验研究

熊珍琴  
【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20~60%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70~100%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4~15和3~14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1~4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11~45%。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5~14%。 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。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TU834.9

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