热回收在除湿机中的应用特性研究

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3.0 牛悦 2024-11-11 4 4 2.46MB 85 页 15积分

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摘要

当今社会能源问题日益严重，倡导节约能源、降低能耗已经成为必要手段。本

文将具有热回收作用的叉流板式热交换器应用于传统的冷冻除湿机中，设计了一

套具有热回收作用的除湿机，热回收除湿机除了能起到对室内空气降湿的作用之

外，也可以大大节约能耗。针对于热回收除湿机的特点，本文做了一系列的研究。

板式热交换器中，冷热流体以正交叉流的方式流经换热通道，由于冷热流体的

温度在流动过程中是不断变化的，这种温度的变化不仅仅发生在沿流体流动方向，

在垂直于流体流动方向也同样有温度差的存在，即使在同一流面上温度也不是均

匀分布的。确定板间温度场的分布，对机组性能模拟的准确性起到了至关重要的

作用。本文建立了板式热交换器板间温度场分布的数学模型，模拟分析了板间温

度场的分布情况，包括冷热通道出口断面的温度分布，结果发现冷热流体出口断

面最大温度差都为 5.8℃，温度差异性分别为 25%和27%；同时还模拟分析了隔板

尺寸、来流风速和来流温差对其热交换效率的影响。

建立了热回收除湿机除湿系统的空气处理数学模型，其中包括冷凝器和蒸发器

空气侧换热数学模型。由于蒸发器的来流为板式热交换器的回风出流，因此重点

研究了来流温度不均匀情况下蒸发器空气侧的换热分析，这对整个除湿系统的模

型准确性都是至关重要的，可以更精确的确定该除湿机的理论除湿量和空气处理

各状态点参数。模拟分析结果为：标准工况（回风温度 27℃，相对湿度 60%）下，

该热回收除湿机的理论除湿量为 0.66kg/h。

对实验样机进行实验研究，在实验条件允许的情况下，分别测试了对应回风温

度：15℃、20℃、27℃、32℃、35℃，相对湿度：40%、50%、60%、70% 下的共

计20 组工况。实验结果显示：标准工况下的热回收除湿机的除湿量为 0.6kg/h，与

理论结果比较吻合，验证了本文所建立模型的准确性。同时，根据实验结果分析

回风相对湿度和温度分别对本样机性能参数：MER 和SMER 的影响。最后，对热

回收除湿机的节能特性进行分析，实验结果表明：标准工况下，该除湿机系统总

冷量 1157w，压缩机提供的冷量为 714w，板式热交换器回收的冷量为 442.8w，热

回收比例为 38.3%。低温工况下该除湿机热回收的比例在 24%左右，高中温工况下

该除湿机热回收比例在 38%左右。由此可见，本文所设计的板式热回收除湿机在

达到设计除湿效果的基础下，节能特性也是很明显的。

关键词：板式热交换器热回收除湿机数学模型除湿量 MER SMER

节能

ABSTRACT

Energy problem is becoming more and more serious in nowadays society,advocating

to save energy and reduce energy consumption have became a necessary means.This

article designed a set of dehumidifier with heat recovery which applied cross-flow plate

heat exchanger with heat recovery effect to traditional refrigeration dehumidifier. Heat

recovery dehumidifier can besides reduce indoor air humidity, also can greatly save

energy consumption.Based on the characterstics of the heat recovery dehumidifier, this

article did a series of research.

In the palte heat exchanger, the cold and hot fluid flows through the heat transfer

channel in the form of positive cross-flow. Due to the cold and hot fluid temperature are

changing in the process of flowing, this changer not only happened in along the flow

direction, there is also existence temperature difference perpendicular to the direction of

fluid flow, even in the same class on the surface temperature is not evenly distributed.

Determined the distribution of temperature in the palte played a vital role of

simulating the machine/s accuracy performance. This article modles the distribution of

temperature in the palte of the plate heat exchanger, simulates and analysis the

distribution of temperature in the palte, including the hot and cold fluid temperature

distribution in the cross section of the channel exit. Found that the maximum

temperature difference of the hot and cold fluid outlet section is 5.8℃, the temperature

difference were respectively 25% and 27%; simulation analysis the influnce of plate

size ,flow velocity and flow temperature on its heat transfer efficiency.

Established the model of air treatment of heat recovery dehumidifier

dehumidification ,including the condenser and evaporator air side heat transfer

mathematical model. Because the air flow the evaporator is the return air flow of the

plate heat exchanger., so mainly studied the evaporator air side heat transfer analysis of

the non-uniform flow temperature conditions, it/s essential for the accuracy of the model

of the dehumidification systerm , can more accurately determine the dehumidifier

theory capacity and each state point parameter of air handling. Results of the simulation

analysis is: the standard operating mode (the return air temperature is 27 ℃, relative

humidity 60%), the theory dehumidification quantity of heat recovery dehumidifier is

0.66 kg/h.

Taken the experiment for the machine, under the experimental conditions allow,

respectively test the corresponding return air temperature: 15 ℃, 20 ℃, 27 ℃, 32 ℃,

35 ℃, relative humidity: 40%, 50%, 60%, 70% under the working condition of a total

of 20 groups. Experiment results show that the dehumidification capacity of the heat

recovery dehumidifier was 0.6kg/h, same with theoretical results, verified the accuracy

of the established model. At the same time, according to the experimental results

respectively analysis the influence of the return air relative humidity and temperature

for this prototype performance parameters: MER and SMER. Finaly analyz the energy

saving characteristics of heat recovery dehumidifier. Experimental results shoe that:

under the standard conditions, the dehumidifier system total cold quantity is 1157 w,

compressor provided the cold quantity is 714 w, the cold recycling of plate heat

exchanger is 442.8 w, heat recovery ratio is 38.3%. Under the low temperature

condition, the dehumidifier heat recovery ratio is around 24%, Under the middle and

high temperature conditions, the dehumidifier heat recovery ratio is around 38%. Thus

the plate heat recovery dehumidifier this paper besides can reach the designed

dehumidification effect, also energy saving features is obvious.

Key Word: palte heat exchanger, heat recovery dehumidifier,

mathematical model, dehumidification capacity, MER, SMER, energy

saving

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ...................................................... 1

1.1 课题背景与意义 ............................................ 1

1.1.1 建筑节能 ............................................... 1

1.1.2 空气湿度问题 ........................................... 3

1.2 国内外研究现状 ............................................. 4

1.2.1 通风余热回收装置的概况 ................................. 4

1.2.2 板式热交换器国内外研究现状 ............................. 8

1.2.3 除湿机国内外研究现状 .................................. 10

1.3 本课题的研究内容及主要工作 ............................... 13

第二章板式热回收除湿系统空气处理数学模型 ....................... 14

2.1 板式热交换器简介 ......................................... 14

2.1.1 板式热交换器工作原理 .................................. 14

2.1.2 热工性能 .............................................. 15

2.2 热回收除湿机系统原理分析 .................................. 17

2.2.1 热回收除湿机工作原理 .................................. 17

2.2.2 除湿、节能原理分析 .................................... 19

2.2.3 除湿机性能评价指标[33,26] ................................ 20

2.3 板式热交换器板间温度场分布数学模型 ....................... 21

2.3.1 传热过程分析 .......................................... 21

2.3.2 建立数学模型 .......................................... 22

2.3.3 模型求解 .............................................. 26

2.4 除湿系统空气处理数学模型 .................................. 26

2.4.1 冷凝器空气处理数学模型 ................................ 27

2.4.2 冷凝器空气处理模型求解 ................................ 29

2.4.3 来流温度不均匀时蒸发器空气处理数学模型 ................ 29

2.4.4 蒸发器空气处理模型求解 ................................ 33

2.5 热回收除湿机系统数学模型 ................................ 33

2.6 matlab 控制仿真软件介绍 ................................... 34

2.7 设计工况下除湿量的计算 ................................... 35

2.8 本章小结 .................................................. 37

第三章板式热回收除湿机机组设计 ................................. 38

3.1 热回收除湿机结构原理 ..................................... 38

3.2 部件设计及选型 ........................................... 38

3.2.1 制冷系统热力参数的确定 ................................ 38

3.2.2 制冷循环的热力计算 .................................... 40

3.2.3 热力计算 .............................................. 41

3.2.4 压缩机选型 ............................................ 43

3.2.5 冷凝器的设计计算 ...................................... 44

3.2.6 蒸发器设计计算 ........................................ 48

3.2.7 节流元件的选择 ........................................ 49

3.2.8 板式热交换器的选择 .................................... 50

3.2.9 风机的选择 ............................................ 50

3.3 板式热回收除湿机装配图 ................................... 51

3.4 本章小结 ................................................. 52

第四章板式热回收除湿机实验设计 ................................. 53

4.1 实验目的及内容 ........................................... 53

4.2 实验系统介绍 ............................................. 53

4.2.1 焓差实验室简介 ........................................ 53

4.2.2 实验测量系统简介 ...................................... 54

4.3 板式热交换除湿机实验设计 .................................. 58

4.3.1 实验工况及参数确定 .................................... 58

4.3.2 测点布置 .............................................. 58

4.3.3 实验步骤 .............................................. 59

4.4 本章小结 ................................................. 60

第五章模拟计算和实验研究结果分析 ............................... 61

5.1 板式热交换器板间温度场模拟计算和实验研究对比分析 ......... 61

5.1.1 标准工况下板间温度场模拟结果分析 ...................... 61

5.1.2 隔板尺寸对热交换效率的影响 ............................ 64

5.1.3 风速对热交换效率的影响 ................................ 65

5.1.4 来流温度差对热交换效率的影响 .......................... 66

5.2 板式热回收除湿机系统模拟计算和实验研究结果分析 ........... 67

5.2.1 回风相对湿度对单位时间除湿量（MER）的影响 ............. 67

5.2.2 回风温度对单位时间除湿量（MER）的影响 ................. 68

5.2.3 回风相对湿度对单位能耗除湿量（SMER）的影响 ............ 69

5.2.4 回风入口温度对单位能耗除湿量（SMER）的影响 ............ 70

5.2.5 节能分析 .............................................. 71

5.3 本章小结 ................................................. 72

第六章结论与展望 ............................................... 74

6.1 主要研究成果 ............................................. 74

6.2 需要进一步开展的工作及展望 ............................... 76

参考文献 ........................................................ 77

在读期间公开发表的论文和承担的科项目及取得成果 .................. 80

致谢 .......................................................... 81

第一章绪论

1.1 课题背景与意义

1.1.1 建筑节能

能源问题是当今世界的重大问题，能源是决定世界经济命脉的物质基础。正

是有了能源的支持，人类才能向知识经济时代进步发展。然而当今的能源现状并

不乐观，世界能源储备也不像我们想象的取之不尽，用之不竭。20 世纪 70 年代西

方爆发了世界性的能源危机后，人们才慢慢开始有了节约能源的意识。进入知识

经济飞速发展的 21 世纪之后，“节能”已经成为各界人士关注和研究的重要课题。

十八大报告中，社会各界积极倡导建设“美丽中国”的新口号。降低能耗、

节约能源是实现“美丽中国”目标的必要手段。建筑业是社会能耗大户，为了促

进绿色节能，实现生态城市发展，近些年来，建筑行业的有识之士正在进行不断

的探索研究。据统计，全国总能耗的 25%都来源于建筑行业。随着科技的发展，

生活水平的提高，人们对自己的生活环境有了更多的舒适性要求，建筑空调设备

应运而生，并且被大量的使用，其消耗的能耗也是十分可观的，空调能耗占建筑

总能耗的 65%。我国目前城镇建筑能耗的能源为全国商品能源的 23%到26%，而

建筑能耗比例还将不断提高[1]。能源界专家近 30 年的研究经验表明：降低建筑能

耗是实现节约能源的最为有效的方式，且可节约的潜力比较大。

建筑节能逐渐成为全世界专家人士致力研究的课题。20 世纪 70 年代能源危机

之后，西方发达国家在节能工作的开展方面已经取得了十分骄人的成绩。由于意

识到改造既有建筑有节约能源，增加就业，改进卫生条件，改善环境等好处，各

国政府已经都开始重视节能改造工作[2]。

美国在建筑节能事业方面取得了很大的成绩，其中主要归功于 1995 年颁发的

《建筑节能规范范例》，给出了针对不同情况为了实现节能目标应该采取的措施，

这些措施的灵活性也很大。美国能源部 21 世纪建筑节能战略计划总体目标为：到

2010 年，每年节约 2夸特（0.72 亿吨标煤）能源，并且要求 480 万平方英尺的新

建建筑能效总体提高 50%，以及 1640 万平方英尺的已有建筑总体能效提高 20%[3]。

除此之外，英国、加拿大、日本、丹麦和瑞典等国家也都开展了建筑节能方

面的工作，主要针对既有建筑的节能改造，在一定程度上取得了很大的成功。

和西方发达国家相比，我国的建筑节能工作开始较晚。20 世纪 80 年代初，由

热回收在除湿机中的应用特性研究

国家建设部组织开展了一系列民用建筑能耗调查，并开始制定与建筑节能相关的

技术和标准。继而在 1986 年8月颁发了我国第一部专门针对建筑节能的行业规范

《民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）》（JGJ26-86）(简称《原标准》)。

我国地方政府也积极响应号召，结合本地区的气候特征和建筑技术发展，纷纷制

定了符合地方特性的节能设计标准相关细则。

目前常用的几种节能途径有：1节能门窗与幕墙 2太阳能热水系统 3空调节能

4新风系统的节能。对于能耗大户空调而言，近年来空调器的生产量猛增，1995

年空调产量 519.88 万台，2000 年产量为 1826.7 万台，到 2004 年产量已经达到

6645.22 万台[3]。同时，我国 2004 年的空调器销售量为 2000 万台，高局世界第一。

近年来我国每百户城镇家庭室内空调拥有量如图 1-1 所示。空调器的普及导致空调

系统能耗成为居住建筑的主要能耗。在城市电网的用电负荷中，空调系统的电力

负荷逐年增加。2002 年，我国空调设备的用电负荷占电力总负荷的 20%以上，许

多城市的空调负荷占电网高峰负荷的 30-40%，有些城市甚至为 50%。空调在能源

使用份额的增加促使降低空调能耗势在必行。

图 1-1 我国每一百户城镇家庭室内空调拥有量

由此可知,降低空调能耗问题是当前亟待解决的主要问题，而人们的初衷则是

为了创造更加舒适健康的人居生活环境。二者之间的矛盾的最好解决办法是在空

气处理过程中增设热回收装置。本课题研究对象就是一种增设热回收装置—板式

热交换器的房间除湿机。

第一章绪论

1.1.2 空气湿度问题

室内空气湿度的大小对人类的健康起着至关重要的作用，世界卫生组织规定

室内住宅符合健康要求的标准湿度范围需全年维持在 40%-70%。室内湿度过大，

人体细胞就会产生代谢紊乱，产生不良反应，如：头晕、恶心、食欲不振、便秘、

疲倦、烦躁等病症。长时间生活在湿度较大环境中的人容易患风湿性关节炎等湿

痹性疾病。而当室内环境湿度低于 40%的情况下，空气中的漂浮物过多，灰尘、

细菌等容易被吸入喉部，引起咳嗽，继而发生哮喘、气管炎等呼吸道病症。此外，

干燥的环境有利于病毒的快速繁殖，还会产生皮肤瘙痒等皮肤过敏性疾病。室内

湿度问题过高或者过低还会造成大量生物污染物的滋生，如：真菌、细菌等，也

会影响化学污染物的释放。人体呼吸系统吸入这些污染物后，从而影响人类健康。

图1-2 所示为适宜各种污染物生长的湿度环境[4]。尤其在我国的南方地区，典型的

潮湿炎热的气候特征决定了对室内空气除湿的必要性。因为水的气化潜热很大，

除湿所需要的能耗相对也比较大，同时，在常用的冷冻除湿中所用的除湿方法是：

将所需处理的空气冷却到最够低的露点温度，析出空气中的湿量，然后通过二次

加热的手段来提高送风温度。这种除湿方法虽然简单，但是存在同时冷却、同时

加热的问题，这种由于再热造成的冷热抵消现象引起的能耗增长是很大的，为了

避免冷热抵消现象的存在，采用一种更好的空气处理方法来达到除湿节能的目的

已成为节能研究的一项重要课题。因此本文设计了一种既能满足室内空气湿度要

求，又可以降低空调能耗的除湿系统，对空调节能领域的发展具有重要意义。

图 1-2 适宜各种污染物生长的湿度环境

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摘要：

摘要当今社会能源问题日益严重，倡导节约能源、降低能耗已经成为必要手段。本文将具有热回收作用的叉流板式热交换器应用于传统的冷冻除湿机中，设计了一套具有热回收作用的除湿机，热回收除湿机除了能起到对室内空气降湿的作用之外，也可以大大节约能耗。针对于热回收除湿机的特点，本文做了一系列的研究。板式热交换器中，冷热流体以正交叉流的方式流经换热通道，由于冷热流体的温度在流动过程中是不断变化的，这种温度的变化不仅仅发生在沿流体流动方向，在垂直于流体流动方向也同样有温度差的存在，即使在同一流面上温度也不是均匀分布的。确定板间温度场的分布，对机组性能模拟的准确性起到了至关重要的作用。本文建立了板式热交换器板间温度...

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