溶液除湿蒸发过冷复合制冷系统理论与实验研究

发布时间：2018-03-24 12:04

本文选题：溶液除湿　切入点：蒸发冷却　出处：《东南大学》2016年博士论文

【摘要】：在夏季,传统蒸汽压缩制冷系统通常直接将冷凝热排放到环境中(一般而言,冷凝热约占制冷量的120%-130%)。大量冷凝热的排放一方面加剧了城市热岛效应,另一方面也是一种能源浪费。从热力学角度而言,蒸汽压缩制冷系统的节能措施一般包括制冷剂过冷和冷凝热的有效利用。然而,当前的制冷剂过冷方法均存在各自的不足,新型的制冷剂过冷方法有待进一步的研究。此外,冷凝热的利用通常需要较高的冷凝温度(60℃以上),这在一定程度上降低了系统性能。为解决上述问题,本文提出了一种溶液除湿蒸发过冷复合制冷系统,主要包括蒸汽压缩制冷循环、溶液除湿再生循环和间接蒸发冷却循环。该系统利用低品位冷凝热(40-60℃)驱动溶液除湿再生循环获取干燥空气,通过干燥空气在间接蒸发冷却器中蒸发冷却获取低温冷却水,进而过冷冷凝器出口的制冷剂,增大系统制冷量,提高系统性能。本文结合理论研究与实验研究较为深入的研究了系统性能以及各部件的优化方案。此外,采用分子动力学模拟技术研究了空气-溶液界面传热传质微观特性,为强化热质传递、降低溶液再生所需冷凝温度提供了理论参考。具体研究内容与结果如下:首先,建立了溶液除湿蒸发过冷复合制冷系统数学模型,分析了溶液浓度、冷凝温度、环境空气温度和相对湿度对系统性能的影响,并与常规风冷冷水机组进行对比。此外,对比分析了采用热空气再生和冷空气再生对系统性能的影响。理论研究表明,该系统可以显著提高常规风冷冷水机组性能,制冷机COPch和制冷系统COP_(sys)可分别提升20.6%和10.5%。系统适宜工作在冷凝温度较高、环境空气温度较低或环境空气相对湿度较低的工况。此外,溶液浓度应当合理选取以获取最佳系统性能。一般而言,采用热空气再生有助于提高系统性能,与冷空气再生系统相比,热空气再生系统性能最高可提升 3.7%。其次,分别采用LiCl、LiBr和CaCl_2溶液作为溶液除湿再生循环的循环溶液,研究了不同工况下三种溶液的最佳运行浓度,拟合了溶液最佳运行浓度和冷凝温度之间的关联式。在标准工况下,LiCl、LiBr和CaCl_2溶液的最佳运行浓度分别为0.31、0.45和0.42。对于LiCl和LiBr溶液而言,溶液最佳运行浓度与冷凝温度呈线性关系,而对于CaCl_2溶液,二者呈非线性关系。此外,为了合理评价再生器性能,提出了显热再生效率的概念,并分析了不同溶液浓度和冷凝温度下三种溶液的显热再生效率。显热再生效率可以大于1、小于1或等于1。在标准工况下,LiCl、LiBr和CaCl_2溶液的最大显热再生效率均在1.0左右。再次,为了高效合理的利用冷凝热,研究了溶液除湿再生循环冷凝热驱动溶液再生模式。通过溶液和空气之间不同冷凝潜热配比(R_(lat)),实现了三种不同的冷凝热驱动模式:全部冷凝热加热溶液(Mode 1);冷凝过程潜热加热空气,显热加热溶液(Mode 2);部分冷凝过程潜热加热空气,其余冷凝热加热溶液(Mode 3)。分析了不同冷凝温度和溶液浓度下冷凝潜热配比对于系统性能的影响,并进一步讨论了 Mode 1系统。当冷凝温度较低或溶液浓度较高时,Mode 1系统具有较高的性能,然而当冷凝温度较高或溶液浓度较低时,三者相差不大。制冷系统提供的冷凝热量多于再生过程所需的再生热量,多余的冷凝热应当用于其他用途。为了合理利用多余的冷凝热,提出了一种基于冷凝热分级利用的热泵驱动溶液除湿系统。从次,针对间接蒸发冷却循环,提出了两种不同的空气循环模式:开式模式和闭式模式。对比分析了三种不同气候条件下(标准状态、潮湿状态和干燥状态)开式模式和闭式模式系统性能,分别讨论了再生空气/溶液流量比、再生器传质单元数和除湿空气新风比(R_(anb))对系统性能的影响,得出了不同气候条件下系统最佳空气循环模式。标准气候条件下,建议采用开式模式(R_(amb)=0.3),再生器中空气/溶液最佳流量比在0.5-2之间;潮湿气候条件下,建议采用闭式模式,再生器中空气/溶液最佳流量比在0.4;干燥气候条件下,建议采用开式模式(R_(amb)=1)。另外,搭建了溶液除湿蒸发过冷复合制冷系统实验装置,实验研究了关键参数(除湿风量、再生风量、除湿溶液流量、再生溶液流量和蒸发冷却器喷淋水量)对系统性能的影响,并与常规水冷冷水机组进行了对比分析。实验结果显示,本系统可以获取低温冷却水过冷制冷剂,该冷却水温度可以低于环境空气湿球温度。与常规水冷冷水机组相比,本系统在相对潮湿工况下具有较高的性能,制冷机COPch和制冷系统COP_(sys)可分别提升18.6%和8.2%。除湿风量对系统性能具有显著的影响,实验工况下最佳除湿风量为0.25 kg/s;随着再生风量的增加,系统性能先显著升高后缓慢增加;随着再生溶液流量的增加,系统性能先逐渐升高后保持平稳;一般而言,较大的喷淋水量有利于提高系统性能。最后,研究了空气-溶液界面传热传质微观特性,为热质传递强化提供了理论参考。建立了空气-溶液(LiCl和LiBr)界面分子动力学模型,分析了不同温度下(300 K,325 K和350 K)空气-溶液界面粒子密度曲线,揭示了空气-溶液界面粒子分布倾向。水分子倾向存在于溶液内部,而离子倾向存在于界面。此外,在空气-溶液界面内,氯离子和溴离子更倾向于分布在锂离子的上部。空气-溶液界面区域很薄,当体系温度为300 K和325 K时,界面层厚度约为6A,而当体系温度为350 K时,界面层厚度约为9A。分析了不同温度下溶液表面水蒸汽压力,并与经验数据进行了对比。当体系温度为300K时,模拟结果与经验数据吻合较好,随着体系温度的升高,误差显著增大,但溶液表面水蒸汽压力的变化趋势是相同的。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB657

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