开式冷水型转轮除湿空调理论与实验研究

摘要

转轮式除湿空调是进行生产和生活环境湿度调节、实现温湿度独立控制的有效方式。如何提高能量转换利用效率、增强热湿处理能力是转轮式除湿空调研究的重要方向。本文针对传统转轮式除湿空调性能系数受限以及显热处理能力不足的问题，提出了“开式冷水型转轮除湿空调”，结合了等温除湿可以最小化干燥除湿过程的不可逆损失和再生式蒸发冷却理想情况下趋于可逆的特性，在干燥除湿的同时，输出较低温度冷水，不仅可以改善显热处理能力，而且利于实现由低品位热能驱动的温湿度独立控制。本文具体工作如下:
　　 首先，对典型通风式转轮除湿空调循环进行热力学分析，形成了适用于转轮式除湿空调的热力学分析方法和评价指标。在此基础上，针对传统转轮式除湿空调热力性能受限以及显热处理能力不足的问题，提出了基于等温除湿和再生式蒸发冷却的开式冷水型转轮除湿空调循环。其空调方式是通过两级转轮除湿过程对空气进行潜热负荷处理，显热负荷的处理则是利用修正的再生式蒸发冷却过程制取冷冻水实现。从循环形式上讲，开式冷水型转轮除湿空调与传统两级转轮混合式除湿空调具有相似性，都是先通过两级转轮除湿过程对空气进行潜热负荷处理，再对空气进行显热负荷处理;主要区别在于显热负荷的处理方式，两级转轮混合式除湿空调是引入空气源热泵等传统空调设备，开式冷水型转轮除湿空调则采用以低品位热能驱动所制取的低温冷水。与传统转轮式除湿空调相比，开式冷水型转轮除湿空调的制冷空调能力和能量利用效率均得以大幅提升。能量利用效率相当的情况下，开式冷水型转轮除湿空调较之两级转轮除湿空调，送风比(火用)增大约10％。与两级转轮混合式除湿空调相比，相同送风状态和制冷量条件下，开式冷水型转轮除湿空调的热力性能系数和(火用)效率提高约30％。
　　 其次，对开式冷水型转轮除湿空调的近似空调系统——基于两级转轮除湿和空气源热泵的混合式空调进行研究，通过典型工况下的实验测试、季节性热力性能分析以及适用性讨论，探明了该类型空调系统的运行特性，为后续开式冷水型转轮除湿空调的研究奠定了可行性基础和参照，同时也为两级转轮混合式除湿空调在太阳能等低品位热能利用方面提供了支持。高湿气候条件下，独立的太阳能两级转轮除湿空调通常只能进行潜热负荷处理，难以实现显热负荷处理，需要引入辅助冷却设备，组成太阳能两级转轮混合式除湿空调。两级转轮混合式除湿空调以太阳能驱动时，不仅能量利用效率高，而且具有良好的适用性。典型气候条件下，混合式除湿空调系统的夏季平均热力性能系数在0.9左右，相应太阳能贡献率和节电率在30%左右。
　　 第三，搭建了开式冷水型转轮除湿空调的实验装置，对基于两级转轮除湿和再生式蒸发冷却的冷冻水制取过程进行实验测试，并比较分析新型开式冷水型转轮除湿空调与传统两级转轮除湿空调的热力性能，完成了对开式冷水型转轮除湿空调的可行性实验验证。测试结果表明，开式冷水型转轮除湿空调所制取的冷水能有效地实现显热负荷处理，可以成为两级转轮混合式除湿空调的一种替代。独立冷冻水制取系统的热力性能系数为0.3～0.6，平均供水温度为15.1～20.7℃。开式冷水型转轮除湿空调的热力性能系数为0.8～0.9，送风含湿量相同的情况下，其送风温度较之传统两级转轮除湿空调大大降低，特别是在湿润和高湿工况下，传统系统显热处理能力不足，有效制冷量较小，需要更高品位的热能驱动才能实现独立运行，而新型系统则克服了这一问题，更加有利于低品位热能的利用。
　　 最后，在理论分析和实验研究的基础上，建立了开式冷水型转轮除湿空调的数学模型，并对开式冷水型转轮除湿空调的热质传递特性、可及处理区域和热湿处理能力进行了分析，比较了开式冷水型转轮除湿空调和传统两级转轮除湿空调热湿处理能力的差异，明确了新型空调方式在热湿处理能力（特别是显热处理能力）方面的改善程度。可及处理区域分析表明，开式冷水型转轮除湿空调具有良好的适用性，50～90℃热源基本可以满足温和、湿润和高湿气候下的驱动要求。与传统转轮式除湿空调相比，开式冷水型转轮除湿空调在显热负荷处理方面具有极大的优势，有利于突破传统系统所固有的（尤其是高湿工况下）显热处理能力不足的限制。

目录

声明

摘要

符号说明

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究进展

1．2．1 等温除湿

1．2．2 混合式除湿空调

1．2．3 再生式蒸发冷却

1．2．4 研究现状总结与分析

1．3 本文研究内容

第2章 转轮式除湿空调循环热力学分析与性能评价

2．1 引言

2．2 通风式转轮除湿空调循环

2．2．1 热力学描述

2．2．2 热力评价指标

2．2．3 除湿空调热力过程分析

2．2．4 热力性能分析与讨论

2．3 开式冷水型转轮除湿空调循环

2．3．1 基于两级转轮除湿-再生式蒸发冷却的理想循环

2．3．2 新型开式冷水型转轮除湿空调循环构建

2．3．3 新型循环与传统循环热力性能比较

2．4 小结

第3章 开式冷水型转轮除湿空调实验与分析

3．1 引言

3．2 两级转轮混合式除湿空调运行特性研究

3．2．1 工作原理

3．2．2 太阳能混合式除湿空调系统

3．2．3 系统性能评价指标

3．2．4 典型工况下性能分析

3．2．5 季节性运行特性

3．2．6 适用性讨论

3．3 开式冷水型转轮除湿空调实验系统的建立

3．3．1 工作原理

3．3．2 组件选取

3．3．3 控制与测试

3．4 实验结果及分析

3．4．1 冷冻水制取过程的热力性能

3．4．2 典型工况下系统运行特性分析

3．4．3 系统性能讨论

3．5 小结

第4章 开式冷水型转轮除湿空调数学模型与性能分析

4．1 引言

4．2 空气处理过程的数学模型

4．2．1 干燥转轮

4．2．2 蒸发冷却器

4．2．3 叉流换热器

4．2．4 加热器

4．2．5 毛细管网换热器

4．2．6 计算流程

4．2．7 实验验证

4．3 典型工况下性能分析

4．4 小结

第5章 开式冷水型转轮除湿空调热湿处理能力分析

5．1 引言

5．2 再生式蒸发冷却过程的热质传递特性

5．2．1 变冷冻水流量

5．2．2 变空气配比

5．3 可及处理区域

5．3．1 变入口空气状态

5．3．2 变再生温度

5．4 新型系统与传统系统热湿处理能力比较

5．4．1 空气处理过程比较

5．4．2 ARI夏季工况下热湿处理能力比较

5．4．3 ARI潮湿工况下热湿处理能力比较

5．4．4 上海夏季工况下热湿处理能力比较

5．5 小结

第6章 总结与展望

6．1 研究内容总结

6．2 本文的创新点

6．3 课题展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文及科研成果