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
目 录
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
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
低品位热源驱动的液体除湿空调实验装置研制
2
着经济结构调整和人民生活质量的提高，建筑使用能耗在总能耗中比例的增加是
必然趋势。而空调能耗则是建筑能耗的重要组成部分。就我国而言，面临着能源
需求与供给的矛盾。2000～2015 将是我国建筑的高峰期，采暖与空调应用的时间
和空间逐步扩大。空调负荷在电网系统负荷中比重不断增大，既导致全国大部分
地区夏季最大用电负荷对气温的变化越来越敏感，也导致了用电高峰时段电力供
应严重不足。
2004 年盛夏时节北京市总空调用电负荷约 400 万千瓦至 500 万千瓦，
占北京市最大供电负荷的 40％至 50％；夏季空调耗电量约 25 亿度至 33 亿度，为
全市总用电量的 7％至 10％[3]。在北京奥运会和上海世博会带动的经济增长影响
下，预计从 2010 年到 2020 年，我国公共建筑集中式空调的电制冷机组装机电力
将由 1.01 亿kW 上升到 1.78 亿kW，公共建筑集中空调系统总用电量在全国电力
消费总量中的比重将由 9.3%增加到 10.1%。空调用电量大幅度增加，是造成南方
电网、华东电网和华北南部电网等地区缺电的重要原因之一。
由于传统蒸气压缩式制冷空调装置的上述弊病，人们不断探索新型的环保节
能型的制冷空调技术。溴化锂吸收式制冷能够节省电能，因而得到大量应用。但
它所需的热源温度较高（一般不低于85℃），而且热力系数受热源温度影响较大，
对低品位热源的利用受到限制[4]。在此背景下，低品位热源驱动的液体除湿空调作
为一种新型的环保节能空调技术逐渐受到越来越多的关注。
液体除湿空调是指利用某些盐类水溶液对空气中的水蒸气有强烈的吸收作用
的原理，达到使空气减湿的目的，减湿后继续经过其它方法，将空气处理到满足
室内送风要求的状态。液体除湿空调具有以下优点[5]：（1）完全不用氟利昂，无破
坏大气臭氧层之虞。（2）由于溶液再生温度低，为低品位热源的利用提供了有效
途径。推广利用的低品位热源主要包括工业余热、废热、太阳能等可再生能源。
我国具有丰富的太阳能资源。全国总面积 2/3 以上地区年日照时数大于 2000 小时，
为世界太阳能资源丰富地区之一[6]。上海地区为夏热冬冷地区，日平均温度大于
25℃的天数在 100～200 天之间。极端最高温度为 38.9℃。同时上海地区日照强度
较大，时间较长（日总计太阳辐射照度 7569W/m2）[7]。这使太阳能空调的应用有
着必要性和可能性。太阳能辐射越强烈，环境气温越高，也正是空调需求最大的
时候，而此时太阳能空调的制冷能力越强。这是一种顺应自然规律的技术，是其
它机械制冷技术所无法比拟的。（3）对空气有净化消毒作用。常用的盐水除湿剂
能够捕获并消除细菌等微生物，提高室内空气质量。（4）开式循环，常压运行，
操作维修方便。与此同时，液体除湿空调也存在一些问题函待解决，如除湿溶液
具有强腐蚀性、除湿性能受地域气候影响等等。这些问题也制约着液体除湿空调
的推广应用。
第一章 绪论
3
§1.2 液体除湿空调的研究现状
国内外对液体除湿空调的研究主要集中在：系统的设计与实验研究、除湿器
与再生器性能的理论与实验研究、各种除湿剂的性能分析等。
§1.2.1 国外研究现状
从1955 年Lof 首先提出了液体除湿空调的思想并进行了实验研究至今，除湿
空调已逐渐从单纯的理论研究走向了产业化道路。美国、德国、以色列、澳大利
亚、日本等国家在这个领域的研究处于领先地位。
1955年，
Lof 首先提出了液体除湿空调的思想并进行了实验研究，在除湿器内
采用三甘醇为除湿剂，干燥后的空气经过蒸发室冷却，除湿剂则利用太阳能进行
再生。1969年，Kakabaev 和Khandurdyer 利用 LiCl 溶液试制了一台太阳能液体除
湿制冷机，他们将除湿溶液以膜状从太阳辐射加热的屋顶倾斜流下而得到再生[8]。
随后，液体除湿空调技术逐渐得到越来越多的关注和研究。在系统研究方面[5]，典
型的型式就是外界空气经除湿器去湿，然后经显热换热器冷却，再经蒸发冷却器
增湿降温后作为送风进入空调房间。如1987年Patnaik 研究的液体除湿式制冷系统
等。为提高系统的性能系数，人们又提出一些复合式系统，复合系统是将除湿系
统与常规制冷系统集成在一起，前者承担湿负荷，后者主要承担显热负荷的空调
方式。这不仅降低了能耗，减小了制冷设备容量，而且使送风的温度和湿度均能
得到独立控制。如1988年Novosel 等人研究的燃气再生除湿装置与电动制冷装置组
合的复合系统；
1989年SoMnders 等人将普通的液体除湿装置与吸收式冷水机组组
合在一起，提出了“DUBLSORB”概念；1996年Adnan A 提出的将液体除湿与传统
蒸气压缩式制冷相结合的空调系统[9]；
1997年C.S.Khalid 提出的液体除湿与吸收式
制冷联合工作的系统。2002年Grossman 对所谓的 DER 系统进行了较为详细的分
析，并与溴化锂吸收式制冷系统作了对比研究，指出了液体除湿空调系统在利用
低品位热源上的优越性。1998年Kessling 等人则对太阳能液体除湿空调如何以化
学能的方式进行能量蓄存作了深入的分析[10]。近年来，随着研究工作的日趋成熟，
有关的产品也逐渐得到开发和应用。美国太阳能和能量转换实验室(SEECL)及美国
国家可再生能源实验室（NREL）对液体除湿空调系统的实用性及经济性进行了较
为深入的分析研究，并开发出相应的产品[11]。两家传统除湿设备公司 Kathabar 和
DryKor 对设备的开发大大推动了液体除湿空调的产业化进程。Dr.Andrew Lowen-stein
研发的燃气液体除湿空调有较高的实用性和经济性，在美国一些地区已得到应用。
对于除湿空调，关键是对低品位热源的利用。反映到系统性能上就是系统的
COP。Grossman 和Wilk 通过数值模拟的方法对多种除湿剂的除湿空调系统作了
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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