小温差再生的干燥剂的优选及其在除湿换热器中的应用

摘要

压缩式空调系统常采用冷凝除湿的热力过程集中处理显热和潜热负荷，既造成了较大的电耗，又无法保证舒适的送风品质。除湿空调具有较好的潜热负荷处理能力，但显热负荷处理能力有限。复合式除湿热泵循环兼顾热泵和除湿空调的特点，可实现热、湿负荷的独立处理与控制，然而这种直接复合式系统的体积较大、成本较高，且无法克服吸附热的不利影响。针对这些不足，一种在15-20℃蒸发温度下除湿降温（既各自独立又同时处理）的新型一体式除湿热泵循环被提出，该循环通过除湿换热器管内制冷剂侧的闭式循环处理热负荷，除湿换热器表面干燥剂侧的开式除湿循环处理湿负荷，并回收冷凝废热(45-50℃)用于干燥剂的再生。　　干燥剂及制冷剂性能是决定新型循环可行性和具体热力性能的关键，特别是干燥剂与制冷剂需要在不同于常规循环运行温度区间内运行(常规空调中制冷剂7 ℃左右蒸发；固体除湿系统中干燥剂进行升温除湿，所需再生温度常比室温高出60-80℃)。目前众多关于低温热源再生的干燥剂的研究主要针对吸附量的提升，且多应用在吸附制冷系统和常规转轮固体除湿系统，鲜少有学者对新型循环运行工况下干燥剂的性能进行深入分析。同时新型循环需要将干燥剂涂敷于金属材料表面，这也将导致干燥剂性能的变化。针对以上问题，本文首先对循环的热力学进行研究，分析干燥剂和制冷剂所需满足的特性，并提出干燥剂与制冷剂及应用区域的优化准则，之后对预选干燥剂的特性进行深入研究，基于构建的最优干燥剂准则，发现循环吸附量、吸附速率常数和涂敷密度是衡量干燥剂应用于新循环的关键指标参数。为了验证优选的干燥剂，进行金属基除湿翅片的实际性能测试研究，并最终完成除湿换热器-水系统的搭建、模拟与实验工作。本文的主要研究内容如下：　　(1)分别从空气侧，干燥剂侧和制冷剂侧循环入手分析新型循环，基于制冷剂侧热力学分析，重点考虑R410A与R32在新型空调系统的应用。系统总能耗分析给出节能要求下预选制冷剂对应的干燥剂吸附热极值。对新系统在不同气候区域及不同建筑类型的应用分析发现，复合干燥剂有着灵活的除湿性能，涵盖了绝大部分的室外环境和建筑类型，新型沸石则特别适合ARI summer和ARI humid气候区间或对新风量要求不高的高湿气候。最后针对新循环，提出理想干燥剂特性。　　(2)为了探究最适合多孔基质的吸湿性无机盐，对常见的16种吸湿性盐进行初步筛选，出于安全性和吸湿性，锁定LiBr、LiCl和CaCl2。之后，将三种盐分别与粗孔、B型和细孔硅胶复合，研究指出 LiCl改性的复合硅胶干燥剂有着最佳的吸附和脱附性能。LiCl溶液浓度研究发现浸渍盐浓度越大，复合硅胶翅片的热导率越大，并且吸湿性能越强。　　(3)从硅胶、介孔硅酸盐、活性炭以及天然岩石四类多孔材料中选取7种材料作为LiCl的承载基质，并从微观特性、平衡吸附性能、吸附热、动态吸附性能以及脱附性能几方面对复合干燥剂进行研究。微观测试表明复合干燥剂的BET比表面积和孔体积相比多孔基质均有着不同程度的降低。通过改进的ASAP2020吸附仪，得到精确的水蒸气等温吸附线，发现复合干燥剂的平衡吸附量得到极大增强，同时明确了复合干燥剂完整的等温吸附机理，并基于吸附势理论得到平衡吸附方程。吸附热分析发现吸附量较低时复合干燥剂主要呈现化学吸附，随着吸附量的增加，物理吸附占主导。动态吸附性能指出较之多孔基质，复合干燥剂的吸附速率常数有所下降但不显著。脱附性能研究发现多数复合干燥剂能在低再生温区内脱附。基于构建的最优干燥剂准则，发现循环吸附量、吸附速率常数和涂敷密度是衡量干燥剂应用于新循环的关键指标，并最终选定SGB/LiCl复合干燥剂。　　(4)基于复合干燥剂优选结果，制备复合硅胶金属基除湿翅片。复合翅片的吸附量高出硅胶翅片涂层数倍，在45℃的脱附温度下，复合翅片的脱附量也更大。虽然复合翅片有着良好的吸附和再生性能，但存在溢液风险，选择 SAPO-34和FAPO-34类沸石分子筛进行金属基除湿翅片的制备，对粘结剂，醇类和水混合成的水解液的成分比例、PH值等进行探索，确保类沸石材料除湿性能的最大发挥。对各翅片的除湿性能分析发现，SAPO-34翅片除湿能力最差，FAPO-34翅片除湿能力介于硅胶翅片和复合硅胶翅片之间。　　(5)制备硅胶、复合硅胶和FAPO-34除湿换热器，并对除湿换热器-水系统进行仿真与实验研究。模拟结果表明，复合硅胶换热器CSGHE的除湿性能相比普通硅胶换热器SGHE有着明显的提升。同时，模拟和实验结果均显示多数工况下类沸石除湿换热器FAHE的除湿量优于SGHE，但不如CSGHE，这和翅片除湿性能分析结果相符。对于室外湿度不高的气候，FAHE除湿换热器能满足除湿要求，且无溢液隐患。模型对除湿换热器出口湿度变化趋势的预测符合实验结果，且模拟结果和实验结果除湿量的相对误差基本在20%以内。

目录

声明

符号说明

第一章 绪论

1.1 课题的背景及意义

1.2固体干燥剂材料研究进展

1.3当前研究需要解决的问题

1.4本文的主要工作

第二章 小温差下干燥剂、制冷剂及应用区域的优化准则

2.1一体式除湿热泵循环研究

2.2制冷剂的预选分析

2.3 干燥剂的优化分析

2.4本章小结

第三章 复合干燥剂的制备及吸湿性盐的优选分析

3.1复合干燥剂的制备及测试方法

3.2吸湿性盐的初步筛选分析

3.3吸湿性盐种类的优选分析

3.4吸湿性盐浓度的优选分析

3.5本章小结

第四章 多孔基质-LiCl复合干燥剂的热动力特性分析研究

4.1多孔基质的初步选择

4.2微观性能及表面形貌

4.3平衡吸附性能及吸附热

4.4 吸附动力学性能

4.5 DSC-TGA脱附性能

4.6 最优复合干燥剂分析

4.7本章小结

第五章 金属基除湿翅片的制备与研究

5.1金属基除湿翅片制备方法的探讨

5.2金属基复合硅胶除湿翅片的性能研究

5.3金属基类沸石分子筛除湿翅片的性能研究

5.4除湿翅片性能分析

5.5本章小结

第六章 除湿换热器系统的仿真及实验研究

6.1除湿换热器的制备

6.2除湿换热器实验系统的设计与搭建

6.3除湿换热器的仿真

6.4测试结果与分析

6.5仿真与实验结果的对比

6.6本章小结

第七章 总结与展望

7.1研究内容总结

7.2创新性以及典型研究成果

7.3本文不足及未来研究方向

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文及其它