低品位热源驱动的液体除湿空调实验装置研制

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 3.81MB 75 页 15积分

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摘要

近年来，由于能源与环境危机，传统的空调方式受到了挑战，开发和应用环

保、节能型的空调方式成为制冷空调领域今后发展的主要方向。液体除湿空调凭

借对低品位热源的使用、环保、节能等方面的优势，成为了国内外诸多学者研究

的热点课题。我校自 2004 年以来，对液体除湿空调开展了研究工作，搭建了第一

台实验装置，对除湿器及系统作了理论分析和实验研究，并取得了一定的成果。

本论文首先对原液体除湿空调试验装置作了进一步的实验总结和分析，进而

设计出全新的液体除湿空调系统，并对整个系统进行了数值模拟计算。在此基础

上，搭建了新的液体除湿空调试验装置。该装置靠 80℃以下的低品位热源驱动，

设计制冷量 40kW。在不借助其他辅助制冷方式的情况下，可以把环境空气(干球

温度 35℃，相对湿度 65%)处理到空调送风状态(18℃～20℃)，独立承担室内冷负

荷和湿负荷。当再生溶液温度为 75℃，溶液浓度 35%时，系统热力系数可达 1.0

以上，对低温热源的利用率较高。另外，该系统对热源温度的稳定性要求不高，

因此比较有利于温度波动较大的热源，如太阳能的利用。

本文的工作主要分如下四个部分：对原液体除湿空调试验台的实验总结，为新

装置的设计积累经验；取长补短，设计出全新的液体除湿空调系统；对该系统进

行数值模拟计算并搭建新的液体除湿空调试验装置；最后，对新开发的液体除湿

空调试验装置的基本性能作了试验研究。

关键词：液体除湿空调低品位热源性能系数试验装置模拟计算

ABSTRACT

In recent years, traditional air-conditioning means have been challenged for energy

crisis and environmental problems, and thermally driven air-conditioning systems,

which are environment-harmless and energy-saving, have been wildly researched and

applied, among which the liquid desiccant air-conditioning system is getting more and

more interest because of its unique advantages. One of the main advantages of the liquid

desiccant air-conditioning system is that it can be driven by low grade heat sources,

such as waste heat, solar energy, etc. The liquid desiccant air-conditioning system has

been researched in the University of Shanghai for Science and Technology since 2004.

The experimental device was built up, and the performance of the absorber and the

whole system were studied theoretically and experimentally.

In this paper, the experimental data on the old experimental device are summarized

and analyzed, and then a new liquid desiccant air-conditioning system using low-grade

heat resource is worked out. The complicated heat and mass transfer process of

individual components is analyzed theoretically and the numerical simulation for the

whole system is established. Based on theoretical analysis and numerical computation, a

new liquid desiccant air conditioning device which can offer 40kW cooling capacity is

built up. The device, which employs environmental-friendly, ozone-safe working

substance – LiCl solution as the desiccant, can treat the ambient air at a high

temperature (35℃，65%) to the air conditioning supply air at a low temperature (18℃～

20℃). It can independently handle both latent and sensible heat load of the room

without any other refrigeration method. The Coefficient of the Performance (COP) of

the device can be up to 1.0 when the regeneration solution temperature is about 75℃

and the concentration of the solution is about 35%. So we can say that the efficient

utilization of low-grade heat resource is realized by this device. Besides, since the

device can be operated with any heat source temperature which is above the solution

regeneration temperature, it is particularly favorable for the efficient utilization of heat

sources with varying temperatures such as solar energy.

This paper consists of four main parts. Firstly, the experimental study on the old

experimental device is summarized and analyzed. Secondly, a new liquid desiccant

air-conditioning system is worked out on the strength of the previous study. Thirdly, the

numerical simulation for the whole system is established and a new liquid desiccant air

conditioning device is built up. Finally, the basic performance of the new device is

studied experimentally.

Key Words: Liquid Desiccant Air Conditioning, Low Grade Heat

Source, Coefficient of Performance (COP), Experimental Device,

Numerical Computation

中文摘要

ABSTRACT

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

§1.1 课题背景 ............................................................................................................1

§1.2 液体除湿空调的研究现状 ................................................................................3

§1.2.1 国外研究现状 .............................................................................................3

§1.2.2 国内研究现状 .............................................................................................4

§1.3 本文的主要内容 ..............................................................................................6

第二章原有实验台实验总结分析 ...............................................................................7

§2.1 原液体除湿空调实验台介绍 ............................................................................7

§2.1.1 实验台简述 .................................................................................................7

§2.1.2 实验台主要部件 .........................................................................................9

§2.1.3 实验台数据采集系统 ...............................................................................10

§2.2 实验总结 ...........................................................................................................11

§2.2.1 除湿器性能 ...............................................................................................11

§2.2.2 再生器性能 ...............................................................................................13

§2.2.3 送风温度 ...................................................................................................14

§2.2.4 蓄能性能 ...................................................................................................15

§2.2.5 系统性能系数 ...........................................................................................16

§2.3 经验与不足 ......................................................................................................17

§2.4 本章小结 ..........................................................................................................19

第三章新型液体除湿空调系统设计 .........................................................................20

§3.1 新液体除湿空调系统的建立 ..........................................................................20

§3.2 液体除湿空调主要部件设计选型 ..................................................................22

§3.2.1 除湿器设计 ...............................................................................................22

§3.2.1.1 结构形式 ............................................................................................22

§3.2.1.2 除湿剂选择 ........................................................................................22

§3.2.1.3 塔填料的选择 ....................................................................................22

§3.2.1.4 空塔气速、填料高度、持液量及压降 ............................................24

§3.2.1.5 液体分布器的设计 ............................................................................27

§3.2.1.6 除沫器的确定 ....................................................................................29

§3.2.2 再生器设计 ...............................................................................................29

§3.2.3 湿膜加湿器设计 .......................................................................................29

§3.2.4 换热器设计 ...............................................................................................31

§3.2.4.1 溶液/水换热器 .................................................................................. 31

§3.2.4.2 空气/水及空气/溶液换热器 ............................................................. 33

§3.2.5 其它辅助设备 ...........................................................................................35

§3.3 本章小结 ...........................................................................................................36

第四章液体除湿空调系统模拟计算 .........................................................................37

§4.1 除湿塔与再生塔的模拟 ..................................................................................37

§4.2 加湿器的模拟 ..................................................................................................42

§4.3 换热器的模拟 ..................................................................................................44

§4.4 液体除湿空调系统的模拟 ..............................................................................45

§4.5 模拟计算结果及讨论 .......................................................................................46

§4.5.1 除湿塔计算结果 .......................................................................................46

§4.5.2 再生塔计算结果 .......................................................................................49

§4.5.3 除湿空调系统计算结果 ...........................................................................50

§4.6 本章小结 ...........................................................................................................51

第五章液体除湿空调实验装置搭建与性能测试 .....................................................52

§5.1 液体除湿空调装置搭建 ..................................................................................52

§5.2 液体除湿空调实验台测控系统 ......................................................................53

§5.2.1 测控任务 ...................................................................................................53

§5.2.2 测试系统 ...................................................................................................53

§5.2.3 电控系统 ...................................................................................................55

§5.3 液体除湿空调装置性能测试 ..........................................................................57

§5.3.1 除湿塔性能测试 .......................................................................................57

§5.3.2 再生塔性能测试 .......................................................................................59

§5.3.3 除湿空调系统性能测试 ...........................................................................60

§5.4 本章小结 ..........................................................................................................63

第六章结论与展望 .......................................................................................................64

主要符号表 .....................................................................................................................65

参考文献 .........................................................................................................................68

在读期间公开发表的论文和承担的科研项目 .............................................................71

致谢 .........................................................................................................................72

第一章绪论

§1.1 课题背景

百年来，空调技术作为改善人们生活质量的重要手段得到了前所未有的发展。

而空调产品的大量应用带来的电能消耗和制冷剂泄漏则加剧了能源与环境的双重

危机。

众所周知，当今世界十大环境问题第二大问题是温室效应问题，第三大问题

是臭氧层破坏问题。这两个问题都与传统的空调技术有关。传统蒸气压缩式制冷

装置采用的制冷剂一般为氟利昂。氟利昂为饱和碳氢化合物的氟、氯、溴衍生物

的总称。其中氯氟烃以及其不完全卤代物在物理、化学性质方面优点突出，制冷

性能优越，自二十世纪五十年代起，替代了蒸汽压缩式制冷空调中早期的制冷工

质，并占据了统治地位[1]。1974 年美国加里福利亚大学的 Molina 和Rowland 首先

提出卤代烃中的氯原子会破坏大气臭氧层。为此这两位教授获得了 1995 年诺贝尔

奖金。臭氧层的破坏会造成紫外线的增加，从而破坏人体免疫系统，造成皮肤癌、

白内障等患者增多。同时还会导致森林树木坏死、农作物减产、城市光化学烟雾

等严重后果。在南北极出现的臭氧层空洞和青藏高原出现的臭氧层低谷现象给人

们敲响了警钟。国际组织为了缓解此危机，逐步对氯氟烃类物质的应用进行限制。

1985 年3月，世界 21 个国家和欧洲共同体签订了《保护臭氧层维也纳公约》，首

次建立了合作保护臭氧层的全球机制。1987 年9月，40 个国家在加拿大蒙特利尔

签订了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》，对 5种CFC 和3种哈隆提出禁

用时间表。1990 年6月，包括中国在内的 90 个国家在伦敦通过了《蒙特利尔议定

书(修正案)》，把受控 ODS 扩大到 5类20 种，并提前了禁用时间，还把 34 种HCFC

列为过渡性物质。1992 年11 月，90 个国家在哥本哈根对《蒙特利尔议定书(修正

案)》做了进一步修订，把受控 ODS 扩大到 7类上百种，新增加了氢氯氟烃 HCFC，

氢溴氟烃 HBrFC 和CH3Br 三类，并再次提前了禁用时间。我国 1989 年9月加入

《维也纳公约》。1993 年1月，编制了《中国消耗臭氧层物质逐步淘汰国家方案》，

对我国目前生产和使用的 3种CFC(R11、R12、R113)、CCl4和CH3CCl3提出了禁

用或限用时间表。与此同时，由于常用的 CFC 类物质的排放会加剧温室效应，国

际社会也采取了一些措施。

1997 年12 月联合国气候变化框架公约缔约国在日本东

京通过了《京都议定书》，该议定书确定 CO2、

HFCS等6种气体作为受管制温室气

体限制生产使用。我国于 2002 年核准《京都议定书》[2]。

除了环境问题，蒸气压缩式制冷空调装置对能源问题的加剧也不可忽视。随

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摘要：

摘要近年来，由于能源与环境危机，传统的空调方式受到了挑战，开发和应用环保、节能型的空调方式成为制冷空调领域今后发展的主要方向。液体除湿空调凭借对低品位热源的使用、环保、节能等方面的优势，成为了国内外诸多学者研究的热点课题。我校自2004年以来，对液体除湿空调开展了研究工作，搭建了第一台实验装置，对除湿器及系统作了理论分析和实验研究，并取得了一定的成果。本论文首先对原液体除湿空调试验装置作了进一步的实验总结和分析，进而设计出全新的液体除湿空调系统，并对整个系统进行了数值模拟计算。在此基础上，搭建了新的液体除湿空调试验装置。该装置靠80℃以下的低品位热源驱动，设计制冷量40kW。在不借助其他辅助制...

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