本文選題：溶液除濕　切入點：蒸發(fā)冷卻　出處：《東南大學》2016年博士論文

【摘要】：在夏季,傳統(tǒng)蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)通常直接將冷凝熱排放到環(huán)境中(一般而言,冷凝熱約占制冷量的120%-130%)。大量冷凝熱的排放一方面加劇了城市熱島效應,另一方面也是一種能源浪費。從熱力學角度而言,蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)的節(jié)能措施一般包括制冷劑過冷和冷凝熱的有效利用。然而,當前的制冷劑過冷方法均存在各自的不足,新型的制冷劑過冷方法有待進一步的研究。此外,冷凝熱的利用通常需要較高的冷凝溫度(60℃以上),這在一定程度上降低了系統(tǒng)性能。為解決上述問題,本文提出了一種溶液除濕蒸發(fā)過冷復合制冷系統(tǒng),主要包括蒸汽壓縮制冷循環(huán)、溶液除濕再生循環(huán)和間接蒸發(fā)冷卻循環(huán)。該系統(tǒng)利用低品位冷凝熱(40-60℃)驅動溶液除濕再生循環(huán)獲取干燥空氣,通過干燥空氣在間接蒸發(fā)冷卻器中蒸發(fā)冷卻獲取低溫冷卻水,進而過冷冷凝器出口的制冷劑,增大系統(tǒng)制冷量,提高系統(tǒng)性能。本文結合理論研究與實驗研究較為深入的研究了系統(tǒng)性能以及各部件的優(yōu)化方案。此外,采用分子動力學模擬技術研究了空氣-溶液界面?zhèn)鳠醾髻|微觀特性,為強化熱質傳遞、降低溶液再生所需冷凝溫度提供了理論參考。具體研究內(nèi)容與結果如下:首先,建立了溶液除濕蒸發(fā)過冷復合制冷系統(tǒng)數(shù)學模型,分析了溶液濃度、冷凝溫度、環(huán)境空氣溫度和相對濕度對系統(tǒng)性能的影響,并與常規(guī)風冷冷水機組進行對比。此外,對比分析了采用熱空氣再生和冷空氣再生對系統(tǒng)性能的影響。理論研究表明,該系統(tǒng)可以顯著提高常規(guī)風冷冷水機組性能,制冷機COPch和制冷系統(tǒng)COP_(sys)可分別提升20.6%和10.5%。系統(tǒng)適宜工作在冷凝溫度較高、環(huán)境空氣溫度較低或環(huán)境空氣相對濕度較低的工況。此外,溶液濃度應當合理選取以獲取最佳系統(tǒng)性能。一般而言,采用熱空氣再生有助于提高系統(tǒng)性能,與冷空氣再生系統(tǒng)相比,熱空氣再生系統(tǒng)性能最高可提升 3.7%。其次,分別采用LiCl、LiBr和CaCl_2溶液作為溶液除濕再生循環(huán)的循環(huán)溶液,研究了不同工況下三種溶液的最佳運行濃度,擬合了溶液最佳運行濃度和冷凝溫度之間的關聯(lián)式。在標準工況下,LiCl、LiBr和CaCl_2溶液的最佳運行濃度分別為0.31、0.45和0.42。對于LiCl和LiBr溶液而言,溶液最佳運行濃度與冷凝溫度呈線性關系,而對于CaCl_2溶液,二者呈非線性關系。此外,為了合理評價再生器性能,提出了顯熱再生效率的概念,并分析了不同溶液濃度和冷凝溫度下三種溶液的顯熱再生效率。顯熱再生效率可以大于1、小于1或等于1。在標準工況下,LiCl、LiBr和CaCl_2溶液的最大顯熱再生效率均在1.0左右。再次,為了高效合理的利用冷凝熱,研究了溶液除濕再生循環(huán)冷凝熱驅動溶液再生模式。通過溶液和空氣之間不同冷凝潛熱配比(R_(lat)),實現(xiàn)了三種不同的冷凝熱驅動模式:全部冷凝熱加熱溶液(Mode 1);冷凝過程潛熱加熱空氣,顯熱加熱溶液(Mode 2);部分冷凝過程潛熱加熱空氣,其余冷凝熱加熱溶液(Mode 3)。分析了不同冷凝溫度和溶液濃度下冷凝潛熱配比對于系統(tǒng)性能的影響,并進一步討論了 Mode 1系統(tǒng)。當冷凝溫度較低或溶液濃度較高時,Mode 1系統(tǒng)具有較高的性能,然而當冷凝溫度較高或溶液濃度較低時,三者相差不大。制冷系統(tǒng)提供的冷凝熱量多于再生過程所需的再生熱量,多余的冷凝熱應當用于其他用途。為了合理利用多余的冷凝熱,提出了一種基于冷凝熱分級利用的熱泵驅動溶液除濕系統(tǒng)。從次,針對間接蒸發(fā)冷卻循環(huán),提出了兩種不同的空氣循環(huán)模式:開式模式和閉式模式。對比分析了三種不同氣候條件下(標準狀態(tài)、潮濕狀態(tài)和干燥狀態(tài))開式模式和閉式模式系統(tǒng)性能,分別討論了再生空氣/溶液流量比、再生器傳質單元數(shù)和除濕空氣新風比(R_(anb))對系統(tǒng)性能的影響,得出了不同氣候條件下系統(tǒng)最佳空氣循環(huán)模式。標準氣候條件下,建議采用開式模式(R_(amb)=0.3),再生器中空氣/溶液最佳流量比在0.5-2之間;潮濕氣候條件下,建議采用閉式模式,再生器中空氣/溶液最佳流量比在0.4;干燥氣候條件下,建議采用開式模式(R_(amb)=1)。另外,搭建了溶液除濕蒸發(fā)過冷復合制冷系統(tǒng)實驗裝置,實驗研究了關鍵參數(shù)(除濕風量、再生風量、除濕溶液流量、再生溶液流量和蒸發(fā)冷卻器噴淋水量)對系統(tǒng)性能的影響,并與常規(guī)水冷冷水機組進行了對比分析。實驗結果顯示,本系統(tǒng)可以獲取低溫冷卻水過冷制冷劑,該冷卻水溫度可以低于環(huán)境空氣濕球溫度。與常規(guī)水冷冷水機組相比,本系統(tǒng)在相對潮濕工況下具有較高的性能,制冷機COPch和制冷系統(tǒng)COP_(sys)可分別提升18.6%和8.2%。除濕風量對系統(tǒng)性能具有顯著的影響,實驗工況下最佳除濕風量為0.25 kg/s;隨著再生風量的增加,系統(tǒng)性能先顯著升高后緩慢增加;隨著再生溶液流量的增加,系統(tǒng)性能先逐漸升高后保持平穩(wěn);一般而言,較大的噴淋水量有利于提高系統(tǒng)性能。最后,研究了空氣-溶液界面?zhèn)鳠醾髻|微觀特性,為熱質傳遞強化提供了理論參考。建立了空氣-溶液(LiCl和LiBr)界面分子動力學模型,分析了不同溫度下(300 K,325 K和350 K)空氣-溶液界面粒子密度曲線,揭示了空氣-溶液界面粒子分布傾向。水分子傾向存在于溶液內(nèi)部,而離子傾向存在于界面。此外,在空氣-溶液界面內(nèi),氯離子和溴離子更傾向于分布在鋰離子的上部�？諝�-溶液界面區(qū)域很薄,當體系溫度為300 K和325 K時,界面層厚度約為6A,而當體系溫度為350 K時,界面層厚度約為9A。分析了不同溫度下溶液表面水蒸汽壓力,并與經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行了對比。當體系溫度為300K時,模擬結果與經(jīng)驗數(shù)據(jù)吻合較好,隨著體系溫度的升高,誤差顯著增大,但溶液表面水蒸汽壓力的變化趨勢是相同的。
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【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TB657

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1 熊珍琴;代彥軍;王如竹;鄧建;;溶液除濕冷卻系統(tǒng)的，

本文編號：1658212