溶液除湿型无霜空气源热泵系统研究

摘要

空气源热泵系统可作为夏热冬冷地区的冷热源设计方案，但是传统空气源热泵系统采用室外翅片盘管换热器与空气进行热交换，其夏季供冷性能低于水冷式热泵系统，而在冬季供热时室外翅片管换热器容易结霜，大大降低了空气源热泵系统的效率和供热稳定性。这些缺点限制了空气源热泵的推广，针对以上缺点，本文提出了一种新的溶液除湿型无霜空气源热泵系统。该系统在传统空气源热泵系统的室外翅片盘管换热器进风口侧增加了溶液塔和氟-溶液板式换热器，夏季溶液塔的运行介质更换为水作为夏季冷却塔使用，冬季溶液塔运行介质更换为除湿溶液防止室外换热器结霜。本文针对提出的无霜空气源热泵系统开展了理论与实验研究，主要研究内容如下： 首先，对该系统进行理论建模分析。根据质量守恒和能量守恒，建立了该热泵系统冬夏季工况的热力计算模型，初步研究了在理论条件下该系统供冷、供热、再生和供热综合性能。结果表明，在室外空气温度35℃、相对湿度60%的夏季工况时系统供冷COP可达3.77，在室外空气温度5.5℃、相对湿度60%、平均溶液质量分数0.35的冬季工况时的综合供热COP达到2.92，是一个冬夏季双高效的空气源热泵系统。 其次，搭建了该无霜空气源热泵系统实验平台用于实验研究。由于该系统增加了溶液塔装置，在冬季供热工况时对空气进行除湿处理，并且在溶液再生工况时对溶液进行再生，因此对其在冬季工况时的传热传质特性进行了实验研究。结果表明该系统除湿和再生效率在0.6左右，与理论计算取值相当，且除湿和再生效率基本不受空气温湿度、溶液温度、溶液质量分数的影响，进一步验证了理论模型假设的合理性，同时，实验结果可用于指导同类型系统的溶液塔选型和设计。 最后，利用搭建的无霜空气源热泵实验平台，对该系统的实际运行性能进行了实验研究。结果表明，室外空气干球温度、相对湿度、冷冻水和冷却水流量对系统夏季供冷COP有较大影响，而室外空气流量对系统夏季供冷COP影响较小，在实验工况下，系统COP最高可达3.3；供热水温度、室外空气温度、供热水流量、风速对系统供热COP有较大影响，而室外空气湿度、溶液流量和溶液质量分数对系统供热COP影响较小；溶液塔入口溶液温度、溶液流量和空气流量对系统再生COP有较大影响。对供热和再生整个运行周期内系统综合性能进行了计算，实验工况下，室外温度从-6℃上升5.5℃时，COP从2.1上升到2.47，并将结果与有关文献中空气源热泵供热综合性能实验数据进行对比，得出该系统相较于传统逆循环除霜空气源热泵系统更适合在低温高湿地区推广。 本文研究结果丰富了无霜空气源热泵系统的理论，为无霜空气源热泵系统的优化设计提供依据，并为即将开展的后续研究提供了参考。

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摘 要

Abstract

主要符号表

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 无霜空气源热泵系统的运行特点

1.4 本课题的研究内容

第二章 无霜空气源热泵系统的构建

2.1 无霜空气源热泵系统的介绍

2.1.1 无霜空气源热泵系统的理论

2.1.2 无霜空气源热泵系统结构

2.2 除湿溶液选取

2.3 除湿溶液的物性

2.4 本章小结

第三章 无霜空气源热泵系统的实验台设计与搭建

3.1 无霜空气源热泵系统实验台的构成

3.1.1 制冷剂循环子系统

3.1.2 溶液循环子系统

3.1.3 末端冷热水循环子系统

3.1.4 空气循环子系统

3.1.5 数据采集子系统构成

3.2 设备选型

3.3 传感器及其布置

3.4 数据采集和误差分析

3.5 本章小结

第四章 无霜空气源热泵系统性能分析

4.1 无霜空气源热泵系统热力计算数学模型

4.1.1 供冷模式

4.1.2 供热模式

4.1.3 溶液再生模式

4.1.4 供热综合性能

4.2 性能分析

4.2.1分析工况

4.2.2计算结果及分析

4.3 本章小结

第五章 溶液塔除湿再生性能实验研究

5.1 除湿工况实验研究

5.1.1 除湿工况溶液塔入口空气温度对空气和溶液出口参数的影响

5.1.2 除湿工况溶液塔入口空气湿度对空气和溶液出口参数的影响

5.1.3 除湿工况溶液塔空气流量对空气和溶液出口参数的影响

5.1.4 除湿工况溶液塔入口溶液温度对空气和溶液出口参数的影响

5.1.5 除湿工况溶液塔溶液流量对空气和溶液出口参数的影响

5.1.6 除湿工况溶液塔溶液质量分数对空气和溶液出口参数的影响

5.2 除湿性能分析

5.2.1 除湿工况溶液塔入口空气温度对除湿性能的影响

5.2.2 除湿工况溶液塔入口空气湿度对除湿性能的影响

5.2.3 除湿工况溶液塔空气流量对除湿性能的影响

5.2.4 除湿工况溶液塔入口溶液温度对除湿性能的影响

5.2.5 除湿工况溶液塔溶液流量对除湿性能的影响

5.2.6 除湿工况溶液塔溶液质量分数对除湿性能的影响

5.3 再生工况实验研究与性能分析

5.3.1 再生工况溶液塔入口空气流量对再生量和再生效率的影响

5.3.2 再生工况溶液塔入口溶液温度对再生量和再生效率的影响

5.3.3 再生工况溶液塔溶液流量对再生量和再生效率的影响

5.3.4 再生工况溶液塔溶液质量分数对再生量和再生效率的影响

5.4 本章小结

第六章 无霜空气源热泵系统性能实验研究

6.1 夏季供冷模式系统性能实验研究

6.1.1 启动时间对供冷COP的影响

6.1.2 室外空气干球温度对供冷COP的影响

6.1.3 室外空气相对湿度对供冷COP的影响

6.1.4 室外空气流量对供冷COP的影响

6.1.5 冷冻水流量对供冷COP的影响

6.1.6 冷却水流量对供冷COP的影响

6.2 冬季供热模式系统性能实验研究

6.2.1 供热水温度对供热COP的影响

6.2.2 室外空气温度对供热COP的影响

6.2.3 室外空气湿度对供热COP的影响

6.2.4 供热水流量对供热COP的影响

6.2.5 风速对供热COP的影响

6.2.6 溶液流量对供热COP的影响

6.2.7 溶液质量分数对供热COP的影响

6.3 冬季工况再生模式系统COP实验研究

6.3.1 溶液塔入口溶液温度对再生COP的影响

6.3.2 溶液流量对再生COP的影响

6.3.3 空气流速对再生COP的影响

6.4 系统供热综合性能

6.5 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

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