转轮除湿和全热回收性能的双尺度模拟

发布时间：2018-03-03 16:44

  本文选题：除湿转轮　切入点：固体吸湿剂　出处：《华南理工大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：湿度和温度是室内热湿环境中需要控制的两个重要参数。除湿和控湿对于人类的健康和生活生产意义重大。对室内排风进行热湿回收是实现空调系统节能的一个重要措施。除湿转轮作为一种重要的空气除湿和全热回收手段,其除湿和全热回收过程为固-气接触,无潮湿表面,操作过程安全、健康,因而被广泛应用于民用和工业空调中。由于除湿转轮的性能受到多种因子的影响,而这些因子具有双尺度特性,因此,提出一种描述除湿转轮的双尺度模型是亟待解决的问题。本文从“动态系统操作”而非“原材料”的观点出发,针对蜂窝式固体除湿转轮(除湿床)的除湿性能以及全热回收性能进行研究。具体分为以下几个方面:(1)从“动态系统操作”而非“原材料”的观点出发,对不同固体吸湿剂除湿床中的热质传递特性进行分析,并对它们的除湿性能进行评估。建立了描述除湿床流道中空气与固体吸湿剂之间的热质传递数学模型,实验结果表明该模型能很好的预测除湿床中的热质循环行为。基于具有不同吸附特性和热物理特性的吸湿剂材料,预测了再生空气温度、工艺空气温度以及工艺空气湿度等参数对各吸附剂除湿床系统的除湿性能系数(COP)、比除湿功率(SDP)以及除湿效率(?d)的影响。结果表明,在四种典型工况下(热湿、热干、凉湿、凉干),当以低品位废热作为再生驱动热源,硅胶除湿床系统的除湿性能最佳。(2)除湿转轮被广泛应用于空气除湿和全热回收。由于操作条件不同,除湿转轮中的热质传递特性也将完全不同。从“动态系统操作”而非“原材料”的观点出发,评估了不同固体吸湿剂转轮系统的全热回收性能。建立了描述全热回收转轮的传热传质数学模型。搭建了转轮全热回收实验台,对模型进行了实验验证。考察了操作工况、转轮转速、新风和排风的进口迎面风速对系统全热回收性能的影响。比较和分析了10种具有不同吸湿能力和热物理特性的常见固体吸湿剂转轮的全热回收性能。结果表明,在典型的操作工况下(冬季工况和夏季工况),5A型分子筛和13X型分子筛在较高转速下的全热回收性能最佳。(3)无定形介孔吸附材料,例如B型硅胶,代表一重要类型的用于空气除湿和制冷的吸附材料。分子动力学模拟可以有效地帮助设计新型材料。本文在分子水平上,利用分子模拟技术对B型硅胶-水分子体系的相关特性进行分析。提出了一种构建无定形介孔吸附材料分子模型的方法。基于建立的分子模型,采用巨正则蒙特卡洛(GCMC)和分子动力学(MD)模拟相结合的方法研究了水分子在无定形介孔吸附材料(B型硅胶)中的吸附和扩散行为。利用径向分布函数揭示了水分子在B型硅胶中的吸附位和吸附机制。同时也对材料的微观结构与其宏观性能之间的关系进行了分析。(4)除湿转轮的性能受到多因子的影响,这些因子具有双尺度特性。以前的研究仅仅涉及到在宏观尺度上对转轮中的热质传递特性以及系统的性能进行分析,而忽略了转轮材料的微观尺度特性。本文提出了一种描述除湿转轮的双尺度模型,包括微观尺度的描述吸湿剂材料的分子动力学模型,以及宏观尺度的描述转轮流道中热质传递和转轮系统性能的传热传质数学模型。这两个子模型通过信息交换形成双尺度模型。根据理论模型,合成了一种新型有机-无机杂化吸附剂转轮,该新型吸附剂转轮同时具有较高的吸湿能力和较好的机械强度。利用建立的双尺度模型,研究了包括吸附材料的微观物理化学特性以及转轮的宏观结构和操作参数对系统性能的影响。用该双尺度模型作为设计工具,对转轮的参数进行了优化。结果表明,新型杂化吸附剂材料的吸湿能力提高了将近2倍,而转轮系统的显热效率和潜热效率分别提高了12%和30%。
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【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU834.9
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本文编号：1561855