基于非常温溶液除湿的新型复合型空调系统研究

摘要

随着建筑功能的多元化和人员密度的不断提升，建筑能耗占国民经济总能耗的比例将达到30％左右，空调系统能耗则占到建筑物总能耗的50％以上，因此降低空调系统的能耗对提高全社会能源使用效率具有重要意义。当前普遍使用的空调系统由于其自身结构和在空气处理方式上的缺陷，消耗了大量的电能并造成了较严重的环境污染问题，因此开发节能环保的空调系统显得越发紧迫和具有实际意义。本文提出了一种基于非常温溶液除湿的热泵驱动自主再生复合型空调(HPLD-SR)系统，采用理论与实验研究相结合的方法对溶液除湿与再生过程的传热传质特性，以及系统整体的性能进行了深入分析。
　　首先，完成了HPLD-SR系统的设计并搭建了其综合性实验测试平台。HPLD-SR系统由溶液除湿/再生循环和热泵循环耦合而成，应用低温低浓度的溶液处理空气，使用冷凝热作为再生热源。系统中溶液循环的特点为采用除湿/再生自循环和级间交换循环的设计模式，实现了溶液浓度的梯级利用;热泵循环的特点为冷凝热由串联连接的溶液冷凝器和空气冷凝器共同处理，实现了冷凝热的高效利用。
　　其次，对低温低浓度溶液除湿过程进行了实验和理论研究。通过实验研究分析了进口空气和溶液参数对该过程传热传质性能的影响，利用实验数据总结出了描述该过程热质传递特性的经验关联式。理论研究的内容包括:对描述空气与溶液直接接触过程的NTU-Le模型进行了推导与修正;提出了一种计算除湿/再生过程耦合传热传质系数的新方法。
　　再次，对冷凝热利用溶液再生过程进行了实验和理论研究。通过变工况实验掌握了热空气/热溶液这种再生方式的性能特点，总结了该过程的传热传质经验关联式，为后续理论分析奠定了基础。提出了冷凝热再生利用率的概念，并指出了HPLD-SR系统的冷凝热再生利用率范围。从冷凝热再生利用率、平均传质驱动力、可及处理区域等方面对比了三种不同的冷凝热利用再生模式，总结出了冷凝热再生的热量优化分配原则。另外，从溶液再生能级的角度分析了系统中除湿过程采用低浓度溶液的优势。
　　最后，对HPLD-SR系统的整体性能和热力学特性进行了实验和理论分析，并利用有效能分析方法对系统进行了优化。通过实验研究，分析了自身可控制参数和环境参数对系统性能的影响，同时验证了机组的环境适应性。建立了整个系统的数学模型，为理论分析计算提供了条件。随后采用理论和实验相结合的方式深入揭示了系统溶液浓度平衡和能量变化之间的匹配关系。通过与传统空调系统和相关国家标准的比较，明确了HPLD-SR机组的节能特性。在此基础上，提出了一种溶液(火用)计算的新方法，并建立了一套完整的系统有效能分析数学模型。随后利用上述模型对空气处理和溶液再生过程的流程，以及系统整体形式进行了优化分析，并对机组中主要设备的节能潜力进行了探讨。

目录

声明

摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 能源消耗与碳排放

1．1．2 我国建筑节能的发展与需求

1．1．3 传统空调系统所存在的问题

1．2 溶液除湿空调技术研究综述

1．2．1 除湿溶液的研究

1．2．2 空气与溶液直接接触的传热传质特性研究

1．2．3 溶液除湿器的研究

1．2．4 除湿溶液再生方式的研究

1．2．5 溶液除湿空调系统设计与性能研究

1．3 研究现状及存在的问题

1．4 本文研究内容及技术路线

第二章 系统构建及实验平台介绍

2．0 引言

2．1 HPLD-SR系统的形式及工作原理

2．2 实验系统及实验方案

2．2．1 系统主要部件

2．2．2 实验测试系统

2．2．3 实验方案

2．3 实验系统误差分析

2．4 本章小结

第三章 非常温溶液除湿过程热质传递特性分析

3．0 引言

3．1 溶液除湿的热质传递机理分析

3．2 溶液与空气热质交换过程的数学模型优化

3．3 传热传质系数的计算

3．3．1 耦合传热传质系数

3．3．2 传热传质系数的计算方法分析

3．3．3 传热传质系数的计算结果对比

3．3．4 传热传质系数的计算新方法

3．4 实验分析及模型验证

3．4．1 非常温低浓度溶液除湿的实验结果

3．4．2 溶液除湿传热传质关联式

3．4．3 数学模型及传热传质系数计算方法的验证

3．5 非常温低浓度溶液除湿的特性分析

3．5．1 进口空气温度对除湿过程的影响

3．5．2 进口空气含湿量对除湿过程的影响

3．5．3 进口溶液温度对除湿过程的影响

3．5．4 进口溶液浓度对除湿过程的影响

3．5．5 气液比对除湿过程的影响

3．5．6 非常温低浓度溶液除湿的特性总结

3．6 本章小结

第四章 利用冷凝热的溶液再生过程特性分析

4．0 引言

4．1 冷凝热应用于溶液再生的原理

4．1．1 溶液再生过程的原理

4．1．2 冷凝热应用于溶液再生的方式

4．2 利用冷凝热的溶液再生实验研究

4．2．1 实验工况及热平衡分析

4．2．2 实验数据分析及再生模型验证

4．2．3 利用冷凝热的溶液再生过程基本特性分析

4．3 利用冷凝热的溶液再生热力学优化分析

4．3．1 冷凝热再生利用率

4．3．2 利用冷凝热的溶液再生模式对比分析

4．3．3 利用冷凝热的溶液再生可及处理区域分析

4．3．4 利用冷凝热的溶液再生过程能级分析

4．3．5 冷凝热在溶液再生过程中的热量分配原则

4．4 本章小结

第五章 HPLD-SR系统综合性能研究

5．0 引言

5．1 系统变工况工作特性实验研究

5．1．1 除湿器进口溶液流量的影响

5．1．2 再生器进口溶液流量的影响

5．1．3 级间交换溶液流量的影响

5．1．4 机组处理新风量的影响

5．1．5 机组再生风量的影响

5．2 系统适应环境的工作特性

5．2．1 典型日工况的实时运行特性分析

5．2．2 典型工况的稳态数据分析

5．2．3 系统适应环境性能测试

5．3 HPLD-SR系统数学模型建立与验证

5．3．1 热泵循环的数学模型

5．3．2 溶液及流体输配系统

5．3．3 HPLD-SR系统整体模拟计算流程

5．3．4 数学模型的验证

5．4 基于数学模型的系统热力学特性分析

5．4．1 环境参数对系统热力学性能的影响

5．4．2 系统浓度平衡与能量匹配特性的研究

5．5 机组性能的评价

5．5．1 与现有空调系统的性能对比

5．5．2 机组性能与国家标准的对比

5．6 本章小结

第六章 HPLD-SR系统的有效能利用及性能优化分析

6．0 引言

6．1 有效能分析方法及模型

6．1．1 (火用)分析方法的基本原理

6．1．2 流体的(火用)计算方法

6．1．3 HPLD-SR系统(火用)分析模型

6．2 系统的(火用)分析及流程优化

6．2．1 HPLD-SR系统的(火用)分析

6．2．2 空气处理流程和溶液再生的(火用)分析

6．2．3 理想系统形式的分析

6．3 HPLD-SR系统设备节能潜力分析

6．3．1 蒸发器换热面积的影响

6．3．2 冷凝器换热面积的影响

6．3．3 压缩机性能的影响

6．3．4 经济器效率的影响

6．3．5 除湿器和再生器尺寸的影响

6．4 本章小结

第七章 研究总结与展望

7．1 本文主要工作及结论

7．2 论文的主要创新点

7．3 研究展望

致谢

参考文献

作者在攻读博士期间发表的论文及其他成果