中空纤维膜在开式吸收式热泵吸收器中的应用研究

摘要

我国的能源结构主要是以煤炭为主，近年来煤炭的使用量虽有所下降但是仍占我国能源消耗量的 60%以上，在未来很长一段时间内煤炭都将会是我国使用的主要能源。煤炭的使用覆盖发电、供热等多个行业的生产环节，巨大的资源消耗量及污染排放量使燃煤锅炉成为节水减排工作的重点之一。 燃煤锅炉排烟经脱硫后的温度约为45～60℃，含湿量接近饱和，这样的烟气中蕴含丰富的余热资源及水资源，通过有效技术手段对这部分资源进行回收后再利用可有效提升能源利用效率，降低脱硫设备耗水量。基于此本文结合中空纤维膜材料特性及溶液除湿技术特点，提出了一套配有中空纤维膜吸收器的开式吸收式热泵余热回收系统，通过数值手段围绕组件内气流不均匀性对膜组件性能的影响展开研究，并对膜吸收器的尺寸进行优化设计。最后通过实验对不同工况下膜吸收器的性能进行测试。本文工作内容主要包括以下几个方面： （1）根据本文的研究背景，建立应用膜吸收器的开式吸收式热泵系统。对系统核心部件膜吸收器内部热力交换过程进行分析后建立了数学模型，通过与文献中实验数据对比验证数学模型的准确性。 （2）利用Fluent软件对组件内部气体流动状态进行模拟，并结合模拟结果对数学模型再次求解，对比文献中实验结果表明模型计算准确性进一步提升。通过模拟计算重点分析了气流不均匀性对组件性能的影响，并以此为基础对膜吸收器的沿风向管间距及迎风向管间距尺寸进行优化设计。计算结果表示，膜吸收器迎风向最佳管间距为2d0，沿风向最佳管间距为2.5d0，为膜吸收器的设计及实验台搭建提供理论指导。 （3）根据膜组件优化设计结果制作中空纤维膜吸收器，搭建了中空纤维膜吸收器除湿实验台，考察了组件入口烟气流量、烟气温度、液气比、溶液温度、溶液浓度等变量对组件性能的影响，并对各影响因素进行显著性分析发现溶液温度及浓度是影响组件性能的主要因素，为膜组件的实际应用提供了一定的理论基础。

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摘 要

Abstract

第1章 绪论

1.1我国能源现状

1.2燃煤锅炉余热资源分析

1.3高湿气体余热回收技术

1.3.1冷凝回收法

1.3.2开式热泵回收法

1.4吸收式热泵吸收器传热强化研究

1.5膜材料在热工领域应用进展

1.5.1平板膜组件研究进展

1.5.2中空纤维膜组件研究进展

1.6本课题研究内容

第2章 中空纤维膜吸收器的理论研究

2.1开式吸收热泵余热回收系统设计

2.2除湿溶液的选择及物性参数计算

2.2.1氯化钙溶液的溶液浓度、温度与表面蒸汽压的关系

2.2.2氯化钙溶液的浓度、温度与焓值的关系

2.3中空纤维膜组件的传热及传质过程分析

2.3.1传热过程分析

2.3.2传质过程分析

2.4中空纤维膜吸收器组件控制方程建立

2.4.1中空纤维膜吸收器组件结构设计

2.4.2模型假设

2.4.3中空纤维膜吸收器能量质量控制方程

2.5方程的求解及准确性验证

2.6本章小结

第3章 气体流场不均匀性对组件性能的影响研究

3.1流场不均匀对组件性能的影响

3.2膜组件性能的评价指标

3.2.1除湿量、除湿效率与冷却效率

3.2.2流速影响因子

3.3模型准确性验证

3.4气流流动不均匀性对组件性能的影响

3.5本章小结

第4章 膜组件管间距尺寸优化设计

4.1迎风向管间距对组件性能的影响

4.2沿风向间距对组件性能的影响

4.3本章小结

第5章 中空纤维膜吸收器实验设计研究

5.1中空纤维膜吸收器芯体制备

5.2中空纤维膜吸收器性能测试系统设计

5.2.1实验台风系统设计

5.2.2实验台溶液侧设计

5.3实验数据测量

5.3.1空气状态参数测点布置

5.3.2溶液状态参数测点布置

5.3.3主要测试设备

5.4实验方案设计

5.4.1实验工况确定

5.4.2实验步骤

5.5本章小结

第6章 中空纤维膜吸收器冷却除湿性能实验结果分析

6.1实验结果误差分析

6.2实验结果分析与讨论

6.2.1变入口烟气温度工况实验与模型验证

6.2.2变入口溶液温度工况实验

6.2.3变入口烟气流量工况实验

6.2.4变液气比工况实验

6.2.5变入口溶液浓度工况实验

6.3实验变量对组件性能影响的显著性分析

6.5本章小结

第7章 结论与展望

7.1结论

7.2前景与展望

参考文献

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况

致谢