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膜式除湿空气制冷系统仿真及实验研究

郭晓辉  
【摘要】:空气制冷系统以天然工质空气作为制冷剂,具有不可替代的独特优势,然而由于其COP偏低,所以并未得到广泛应用。另外,空气制冷系统水蒸气在涡轮中冷凝结冰对涡轮乃至整个系统危害极大。因此,为进一步改善空气制冷系统的性能,本文应用膜除湿器对低温空气制冷速冻系统进行集中除湿,在保障良好除湿性能的同时降低整个系统能耗,提高系统的COP。采用集总参数法建立膜除湿空气制冷系统的稳态数学模型,在相同工况条件下分别对三种不同回热流程的系统性能进行仿真,分析膜除湿器和不同回热流程对系统性能的影响。在仿真的基础上,对三种不同回热流程的膜除湿空气制冷系统的性能进行了实验测试,以验证仿真结果;同时,将膜除湿空气制冷系统的系统性能与采用分子筛除湿的空气制冷系统性能进行了对比,得出如下结论:(1)与分子筛除湿的空气制冷系统相比,膜除湿空气制冷系统显著减少了涡轮中水蒸气的冷凝量,且膜除湿系统的功耗小于分子筛除湿系统功耗,COP高于分子筛除湿系统。实验结果表明,对于二级回热流程系统,在压气机进口压力为200k Pa工况下,膜除湿系统的水蒸气冷凝量和功耗比分子筛除湿系统分别减少了约51%和20%,而COP提高了约22%。膜除湿系统保障系统除湿性能的同时,还能够降低系统功耗,提高系统COP。(2)实验结果表明,对于膜除湿器,其出口含湿量随着进气压力的升高、总流量的减少及反扫比的增大而降低。在总流量为0.12kg/min、反扫比为20%、进气压力为600k Pa工况条件下,膜除湿器出口含湿量约为0.29g/kg。(3)实验结果表明,对于膜除湿空气制冷系统,回热流程可以增加系统制冷量,提高系统COP,且二级回热流程对系统的改善效果更加明显。在压气机进口压力为200k Pa工况下,二级回热流程系统制冷量和COP约为3200W和0.18,比无回热流程分别提高约78%和80%。(4)仿真结果和实验结果的趋势是一致的,但数值上存在一定的误差。在压气机进口压力为200k Pa工况下,二级回热流程的膜除湿空气制冷系统COP和涡轮中水蒸气的冷凝量的误差分别约为10%和18%。对于膜除湿器,在总流量为0.18kg/min、进气压力为400k Pa工况下,膜除湿器出口含湿量的误差约为20%。


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