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太阳能驱动的中空纤维膜溶液除湿系统的数值模拟与实验研究

何智鹏  
【摘要】:溶液除湿系统是克服传统压缩制冷空调系统能耗高,实现温湿度独立控制的高效方案。太阳能驱动的中空纤维膜溶液除湿系统利用太阳能再生溶液,实现能源高效利用。除湿器采用中空纤维膜组件,有效避免了气液夹带和霉菌污染空气等问题,因此膜式溶液除湿系统代表着溶液除湿的发展方向。迄今为止,对太阳能驱动的中空纤维膜溶液除湿系统的可行性研究和性能评估还很有限。为此,本文搭建系统实验台后完成实验测试并分析了不同工况的系统性能,基于TRNSYS平台研究了太阳能驱动的中空纤维膜溶液除湿系统的运行性能。本文的主要研究内容如下:(1)设计和搭建了太阳能驱动的中空纤维膜溶液除湿系统实验台。实验台搭建主要包括中空纤维膜组件的设计和制作、太阳能集热器选取、套管换热器的设计和制作以及相关的测量仪器选取。搭建系统实验台后并分析系统的逐时太阳能集热器效率、除湿器和再生器的逐时除湿量以及系统的逐时COP,完成了空气流量、空气相对湿度、溶液流量、冷却水温度和冷却水流量对除湿性能的研究以及空气流量和溶液流量对再生性能的研究。结果表明,该系统的逐时除湿量在0.152 g/s~0.228 g/s,再生量在0.127 g/s~0.358 g/s,系统的COP在0.278~0.784之间变化。改变空气流量和空气相对湿度对除湿量影响最大,该工况下系统的除湿效率在0.418~0.602之间,这与直接接触式除湿器的除湿效率相当,除湿量为0.160 g/s~0.287 g/s。(2)基于TRNSYS平台搭建了系统仿真模型以进一步分析系统性能。在建立中空纤维膜耦合的传热传质及流动控制方程后,基于TRNSYS建立中空纤维膜除湿器和再生器模块;并通过2020年7月17日的实验数据进行验证,误差均在±15%内,仿真模型准确性较高。(3)基于TRNSYS平台建立了太阳能驱动的中空纤维膜溶液除湿复合蒸发冷却系统仿真模型,以太阳辐射强度和室外空气参数为选择依据,选择广西的北海,南宁,桂林和河池作为对象,研究该系统在广西地区的运行性能和实用性。结果表明,北海的除湿效率和再生效率最高,北海在空调季节的太阳能占比率也最高,为38.1%;而北海的系统总能耗最低6 061 k Wh,南宁次低6 702 k Wh,桂林为6 908 k Wh,河池最高7 110 k Wh,因此该系统在太阳能辐射量充足气候热湿的地区系统性能发挥更好。以上四个城市的室内人员预测平均投票数PMV都在0~0.5之间和月平均不满意者的百分数PPD均低于11%,证明该系统能改善广西地区室内热湿环境,提高人体舒适性。该系统在北海、南宁、桂林和河池四个城市的总能耗比冷冻除湿系统总能耗分别降低45.1%、39.4%、37.7%和36.5%,静态回收期分别为1.74年、1.98年、2.06年和2.19年。


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