（制冷及低温工程专业论文）基于溶液除湿的辐射空调系统的初步研究.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 本文针对辐射空调系统用于高热高湿地区夏季供冷时辐射板表面结露的问题，提出基于热湿负 荷分开处理思想的液体除湿辐射空调。系统采用l i c i 溶液作为除湿剂，由除湿后的干空气承担空调 房间的湿负荷；同时除湿后的干空气直接蒸发冷却，使空调回水降温，负担空调房间的热负荷。系 统具有辐射空调节能、舒适的优点，避免了表面结露的问题，同时不需要另外添加冷水机组，节约 系统初投资。此外系统考虑了能量回收和太阳能的利用。 本文基于集总参数法的思想，根据液体降膜除湿的传热传质理论建立平衡方程，推导出除湿器 中湿空气与除湿溶液的状态参数沿填料高度方向的分布，研究了除湿器进口溶液与空气的状态参数， 以及溶液和空气的流动方向对除湿器出口流体状态参数和除湿量的影响。同时，采用l i c l 水溶液进 行溶液除湿的局部实验，进一步研究了除湿器进口空气的含湿量、相对湿度及温度对溶液除湿量的 影响。实验结果验证了理论模型计算的结论，实验数据表明溶液除湿器的除湿性能能够满足夏季空 调工况下的空气处理要求。 本文建立溶液再生过程的顺流稳态分布数学模型，通过m a 廿a b 软件进行数值模拟，研究了溶液 温度、溶液浓度、空气含湿量、水蒸气分压力等参数沿再生器降膜竖壁高度方向的变化趋势，以及 竖壁温度、再生器入口工况参数对再生性能的影响。文章采用电加热器提供热源，l i c l 溶液作为除 湿剂，对溶液除湿与再生系统进行局部实验，研究了热源温度、环境空气干球温度以及溶液温度对 溶液再生量的影响，验证了理论计算得到的浓度变化规律。 本文根据溶液除湿和再生的理论与实验研究的结果及相关结论，设计了基于溶液除湿的热湿独 立处理辐射空调系统。系统应用波纹板内冷型除湿器和有内热源的填料型再生器，采用太阳能集热 器提供溶液再生热源，溶液除湿与再生模块中设置浓溶液储液桶用于实现溶液潜能蓄能，采用无填 料雾化喷淋式直接蒸发冷却器制取空调冷水。文章根据二维肋片模型以及计算制冷量的半经验公式 计算得到，在南京地区夏季辐射空调设计工况下，采用冷网格辐射板结构的单位面积制冷量可以达 到6 4 w m 2 。根据除湿器的理论与实验数据，得到在空调水平均温度1 9 。c 的情况下辐射板表面不会 结露的结论。此外，文章根据理论计算，得到系统的能效比。 关键词热湿独立处理辐射空调溶液除湿蒸发冷却节能数值计算 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rp r e s e n t san e wt y p eo f a i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m - t h el i q u i dd e s i c c a n tr a d i a n ta i rc o n d i t i o n i n g s y s t e m ，w h i c hi sb a s e do nt h ei n d e p e n d e n th u m i d i t yc o n t r o lm e t h o da n dc o u l dp r e v e n td e wc o a g u l a t i n go n t h es u r f a c eo f r a d i a t i o np a n e l si nh o ta n dh u m i dc l i m a t e s b yu s i n gt h i ss y s t e m ，t h eb u i l d i n gl a t e n tl o a dw i l l b er e m o v e db yt h ed r ya i r , w h i c hi sd e h u m i d i f i e db yl i c i h 2 0s o l u t i o n a n dt h ec o o l i n gl o a dw i l lb e r e m o v e db yt h ec y c l i n gw a t e r , w h i c hi sc o o l e di nt h ep r o c e d u r eo ft h ed e s i c c a t e dd r ya i r sd i r e c t l y e v a p o r a t i o nc o o l i n g t h i sn e wt y p eo fs y s t e mh a sa l lt h ea d v a n t a g e so f ar a d i a t i o na i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m ， s u c ha se n e r g ys a v i n g ，c o m f o r t a b l e n e s s ，w h i l ei tc o u l da v o i dd e wc o a g u l a t i n g w h a t sm o r e ，t h i ss y s t e m d o e sn o tn e e da d d i t i o n a lw a t e rc h i l l i n gu n i t ，s oi tw o u l dr e d u c et h ep r e l i m i n a r yi n v e s t m e n t i na d d i t i o n ， e n e r g yr e c y c l i n ga n dt h eu s eo f s o l a re n e r g ya r ea l s oc o n s i d e r e d b a s e do nt h ee q u i l i b r i u me q u a t i o n so fh e a ta n dm a s st r a n s f e ri nt h ed e h u m i d i f i e r , t h et e m p e r a t u r ea n d c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n si nt h ep a k i n gt o w e ro f b o t ht h es o l u t i o na n da i rw e r eg i v e n t h ei n f l u e n c eo f t h e i n l e tp a r a m e t e r sa n dt h ef l o w i n gd i r e c t i o no ft w of l u i d so nt h eo u t l e tp a r a m e t e r sw e r es t u d i e d t h e e x p e r i m e n tr e s e a r c ho nt h ed e h u m i d i f i e rw a sc a r r i e d o u tb yu s i n gl i c ls o l u t i o n t h ee f f e c to fi n l e t m o i s t u r ec o n t e n to fa i ra n dt h et e m p e r a t u r eo fs o l u t i o no nd e h u m i d i f i c a t i o nr a t ew a sg i v e n t h er e s u l t s p r o v et h ec o r r e c t i o no f t h es i m u l a t i o nm o d e l ，a n ds h o wt h ea b i l i t yt od e h u m i d i f yo f t h ed e h u r n l d i f l e rc o u l d m e e tt h en e e d so f a i rc o n d i t i o n i n gi nt h es u m m e ro f h o ta n dh u m i dc l i m a t e s t h es i m u l a t i n gm o d e lo fr e g e n e r a t o rb a s e do ns t e a d ys t a t ea n du n i f l o ww a se s t a b l i s h e d c a l c u l a t i n g b ym a t l a b ，t h ed i s t r i b u t i o n so fp a r a m e t e r so fs o l u t i o na n da i r i nt h er e g e n e r a t o rw a sg i v e n a n dt h e i n f l u e n c eo fi n l e tp a r a m e t e r so nt h er e g e n e r a t i o nr a t i ow a ss t u d i e d s i m u l a t i n gt h es o l a re n e r g y , a ne l e c t r i c h e a t e rw a sp u ti n t ou s e ，a n dt h ee x p e r i m e n tr e s e a r c ho i lr e g e m e r a t i o nw a sc a r r i e do u t t h ee f f e c to ft h e t e m p e r a t u r eo fi n l e ta i ra n ds o l u t i o nr e g e n e r a t i o nr a t i ow a so b t a i n e d ad e s i g no f t h er a d i a n ta i rc o n d i t i o ns y s t e mb a s e do ns o l u t i o nd e s i c c a n tw a sg i v e n t h ec o o l i n ga b i l i t y o ft h er e d i a n tp a n e lc o u l dr e a c h6 4 w m 2b yd e t a i l e dt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n ，w h i c hp r o v e dt h a tt h i sd e s i g n c o u l d a v o i dd e wc o a g u l a t i n go nt h es u r f a c eo f t h er a d i a n tp a n e l ，a n dt h es y s t e mi sf e a s i b l e t h ec o po f t h e r a d i a n ta i rc o n d i t i o ns y s t e mb a s e do ns o l u t i o nd e s i c c a n tw a sg i v e nb ye s t i m a t i o n k e yw o r d s ：i n d e p e n d e n th u m i d i t yc o n t r o l ，r a d i a n ta i rc o n d i t i o ns y s t e m ，l i q u i dd e s i c c a n t ，e v a p o r a t i v e c o o l i n g , e n e r g y - s a v i n g ，s i m u l a t i o nm o d e l 东南大学硕士学位论文 主要符号表 物理量 y 一空气含湿量，k g k g 干空气： d z 一微元控制体的高度，m ； m 一摩尔质量，k g k m o l ； 凡一水蒸气分压力，p a ； p 。一大气压力，p a ； p s m 一对数平均水蒸气分压力，p a g 一湿空气的流量，k g m 2 s ； l 一水( 溶液) 的流量，k g m 2 s ； k - - k 型传质系数，k m o l m 2 s p a ； f f 型传质系数，k m o l m 。s ； a w 一除湿填料湿润比表面积，m 2 m 3 ； a t 一除湿填料比表面积，1 1 1 2 m 3 ； g 一重力加速度，m s 2 ； r 一气体常数，j ( 蚝k ) ： d p 一填料名义直径，m ； d 一扩散系数，m 2 s ： c p - - 定压比热容，k j ( k g k ) y 一表面张力，n m ； u 一动力粘度，p a s ； p 一密度，k g m 3 ； x 一除湿溶液的浓度，k g l i c v k g s 。1 。c t o 。： j 一冷却顶板室内表面的有效辐射量，w m 2 n 一建筑物其他围护结构的个数； q 。一冷却顶板表面的净辐射量，w m 2 ： t 。一冷却顶板表面平均温度，； t r _ 一围护鲒构表面平均辐射温度，； o 一斯蒂芬一波尔兹曼常数； f 。一冷却顶板和假想壁面间相当辐射系数； a 一辐射换熟表面面积，矗： e 一冷却顶板表面辐射率； g r 一格拉晓夫数； i i i p r 一普朗特数； 一空气导热系数，w m 2 ： x i 一冷却顶板表面涂层的第i 层的厚度，m ； k 一冷却顶板的复合导热系数： u 一换热系数，w m 2 ； q 一单位面积换热量，w m 2 ； a u s t 一非冷却顶板围护结构面积平均温度， r 一辐射换热的线性系数； f ，一冷却顶板和其它内表面的相当辐射系数； h 一当地海拔高度，m ； d e 矗一冷却顶板的当量尺寸，m ； l r _ 冷却顶板换热边界的周长，m ； c 一房间模式系数 os v 一供冷顶板表面温度： e 。一室内环境设计温度，； r o 一汽化潜热； q 1 一冷负荷，k w ； w 一湿负荷，k w ； o 一制冷量，k w ； q h 一再生热量，k w ； c o p 一能效比： r l 。一再生器效率，。 下标 g 一湿空气； l 一溶液； a 一干空气； v 一湿空气： w 一水： o 一参考温度。 r 一辐射： c 一对流： 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：盘盘日期：苎型：垒：佃 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：盘煎导师签名：一陡边日期：) 旦2 ：益：佃 东南大学硕士学位论文 1 1 辐射空调系统概述 第一章绪论 随着我国经济的迅速发展和人民生活水平的不断提高，人们不再仅仅满足于实现夏季降温和冬 季供暖，而对空调房间的温度、湿度和空调舒适度提出了更高的要求。另一方面，空调设备的大量 采用也使我国当前能源、电力紧缺的问题日益突出。目前，我国长江中、下游地区夏季空调使用高 峰期住宅建筑的耗电量已占到总供电量的1 3 以上。 响应国家的节能号召，北京等城市从去年开始要求将商业建筑和办公建筑的夏季空调温度提高 1 。但是笔者在对国家质检总局办公楼、北京市百货大楼、外交部办公楼群的实地调查中发现，采 用传统风机盘管系统和空气集中处理的空调系统的大型建筑中，将空调运行温度提高1 ，空调区 域内人员的舒适感明显降低。同时，调查中发现，应用传统空调系统的大型建筑中，由于空调出风 口的布置问题，使同层不同区域间的温度相差最高达3 左右，空调出风口附近冷风吹的不舒适感 较为明显。如果采用辐射空调系统用于夏季供冷，在保证人体舒适度的前提下，可以提高空调系统 的运行温度，并避免传统空调系统温度分布不均匀，以及冷风直吹人体带来的不适感。 辐射空调系统在欧洲国家很早就被广泛采用，近几年在我国也得到了越来越多的应用。辐射空 调，是指将由冷热源提供的冷媒或低温热媒输入建筑物顶板或地板内的盘管，主要通过辐射散热方 式调节人体的舒适度，并辅以少量干燥新风实现空调。辐射冷暖顶板或地板主要以辐射和对流两种 形式与室内的其它表面及空气进行热交换。辐射板的换热量近似等于辐射和对流两部分热量之和。 由于辐射空调系统主要靠辐射板通过辐射的方式与房间其他表面换热，用于夏季供冷时，辐射 板表面平均辐射温度较低，人体感受到的温度会比室内实际温度低。因此在相同温度感觉的前提下， 和传统空调相比，辐射供冷系统的设计可以将室内设计温度提高2 。c ，从而使冷负荷降为常规计算 的8 0 【l # 】。同样，辐射板用于冬季供暖也能将室内设计温度降低2 ，从而取得良好的节能效果。 此外采用辐射板空调供冷或采暖，房间内人员主要活动高度区域内温度、速度场分布均匀，垂直方 向温度梯度小，不存在空调死区，同时避免了空调气流直吹人体。热辐射地板供暖在北方地区已得 到广泛应用，近两年采用辐射板供冷也得到越来越多的重视和研究。 辐射空调系统可采用辐射顶板或辐射地板的形式。辐射顶板有冷却顶板、被动式冷梁、以及吊 顶诱导器等形式。采用辐射顶板，一般辐射板表面温度控制在1 6 1 9 【j j ，可提供6 0 8 0 w m 2 的冷 量。辐射顶板用于夏季制冷，符合人体上冷下暖的生理需求适合办公室等层高在3 m 以下的场所。 辐射地板空调属于分层空调的方式，适用于酒店大堂、体育场馆等具有高大空间的公共及商业建筑。 与顶板相比，地板对人体的角系数更高，辐射换热效果优于辐射顶板，所以辐射板表面温度一般在 1 8 2 0 。 辐射空调系统在气候比较潮湿的地区用于夏季降温，系统启动阶段，空调水管首先将辐射板温 度降低，辐射板表面通过辐射换热和自然对流换热的形式将室内空气的热量带走。此时，室内空气 温度和含湿量较高，空气露点温度也较高。辐射板降温较快而室内空气降温较慢，而室内空气露点 在无除湿设备时维持不变。因此当辐射板表面温度降到室内空气露点以下时辐射板表面就会结露。 多年来，为了解决夏季空调工况辐射板表面结露的问题，国内外的研究人员进行了多种尝试， 其中比较成熟的做法是将风机盘管与辐射板结合起来，以及采用置换通风。风机盘管启动快，考虑 由风机盘管负担启动湿负荷和室内瞬时波动的负荷，辐射地板负担系统稳定运行阶段的冷负荷，可 以解决辐射地板启动慢、夏季供冷量不足和辐射地板表面结露的问题，同时仍能保持辐射地板供冷 室内温度均匀的优点。但是风机盘管与辐射板复合系统中两套系统都需耍空调冷水，因此控制复杂， 并且初投资大，目前较少采用。 第一章绪论 更为常用的做法是采用置换送风。由于辐射供冷板的结露位置是辐射板表面，而此时室内空气 的温度依然较高，空气湿度远未达到饱和状态。因此采用置换送风，不断向辐射板表面输送低露点 空气，使辐射板表面附近空气露点低于辐射板表面温度，则可以避免辐射板表面结露。在系统湿负 荷中，系统启动阶段的湿负荷远大于正常湿负荷，向地板表面进行置换送风，则除湿机组不需要处 理启动湿负荷，能够大幅减小除湿机组的容量和能耗。但是，采用置换通风的做法，除地板附近外 的室内空气绝对湿度和相对湿度并没有降低，人体感觉不够舒适。 1 2 辐射空调系统的国内外研究现状 辐射供冷系统开始应用早在2 0 世纪3 0 年代，当时由于凝露问题而没能得到推广。1 9 3 6 1 9 3 7 年在瑞士z u r i c h 的一栋商业建筑，以及1 9 5 0 年在加拿大的一栋多层建筑中均尝试采用将辐射供冷与 通风系统结合的系统，并最终获得成功。但是真正对辐射供冷进行系统研究，是9 0 年代初在欧洲进 行的实验室研究。此后，联合置换通风在欧洲开始了大量的实践应用。近十年来，北美、日本学者 也对此进行了大量研究，最近几年，辐射供冷开始在我国得到应用。 目前国外对辐射供冷的研究主要集中于系统的舒适性、能耗、系统建模、实验测试及数值模拟 研究等方面。 1 9 9 3 年k u l p m a n n 对顶板辐射供冷及顶板供冷一置换通风复合系统的热舒适性进行了大量测试 研究，阐述了顶板供冷一置换通风复合系统的可行性与优点。 1 9 9 5 年j n i u 等人通过仿真计算得到屋顶冷辐射系统与全空气空调系统相比具有节能的优点【4 j 。 1 9 9 9 年m a r t i nb e h n e 研究了冷辐射系统使用回风方式对热舒适度和制冷空调效果的影响pj 。同 年，y h i m y a m a 等人通过实验研究了冷辐射系统在热湿地区的应用，并尝试冷辐射系统同时负担显 热潜热两种负荷p j 。而k o i c h ik i t a g a w a 等人研究了冷辐射空调系统下的人体热舒适度的影响因素“。 1 9 9 9 年c o r i n as t e t i u 使用美国全境各地气象参数对商用建筑进行模拟计算”j ，辐射供冷的耗能 量比传统的全空气系统节约3 0 ，峰值耗电量是全空气系统的2 7 3 7 。 2 0 0 2 年中野幸夫和蔡敬琅等人介绍了东京地区一座典型办公楼的与冰蓄冷系统结合的辐射供冷 系统”j ，从工程角度介绍了冰蓄冷辐射供冷系统均衡负荷的作用，节能的潜力，施工及运行费用的 估算等，对冰蓄冷辐射供冷系统做出综合评价。 2 0 0 2 年中期，o l e s e n 在总结欧洲研究经验和工程实例的基础上，从舒适性、供冷能力、控制和 设计方面客观地评价了地板辐射供冷这一技术方法，肯定了其可行性，分析了其使用条件，给出了 部分设计用的数据。 2 0 0 3 年j a e w e o nj e o n g 等人研究了混合对流换热方式对屋顶冷辐射系统制冷能力的影响，得出 采用混合对流换热方式能够明显提高辐射系统制冷能力的结论【l “。 2 0 0 4 年k n a g a n o 等人进行了与人体舒适度相结合的屋顶冷辐射空调系统设计研究【l “。同年， c h a p m a na n dz h a n g 利用d o m ( 离散坐标法) 研究了辐射换热对舒适度的影响，建议将来的工作应 该考虑辐射和对流以确定舒适度级别。法国g a zd e 研究中心对辐射吊顶盘管系统的供冷、供热性 能进行了实验研究，并采用t r n s y s 软件进行了模拟分析。 2 0 0 0 年起，大量的国内学者开始了对辐射空调方式和系统的研究，并取得了丰硕成果。2 0 0 0 年， 狄洪发等人进行了辐射吊顶的实验研究【l ，描述了在实验小室内对辐射吊顶夏季供冷和冬季供暖的 热工性能进行的测试，根据实验数据，计算了对流和辐射的综合效果；表明了在我国应用辐射吊项 可以满足供暖的要求，而且具有适宜的室内温度分布和人体舒适感。 2 0 0 1 年马景骏，孙丽颖进行了冷却吊顶系统的热舒适分析“”。描述了冷却吊顶空调系统中冷却 顶板的辐射与对流换热及人体与环境的辐射与对流换热，通过理论计算分析了冷却吊顶空调系统中 房间室内温度的确定与常规空调系统的区别，并介绍了评价系统热舒适性的几个因素的特点。结果 表明，冷却吊顶系统夏季内温度可以比常规空调系统高1 2 ，但人的舒适感相同。同时该系统还 一2 一 东南大学硕士学位论文 具有适宜的室内温度分布和气流速度分布，从而为人体提供高标准的舒适感。 2 0 0 2 年布文峰进行了户型冷板辐射式空调系统研究，分析了户型冷板辐射式空调系统的热舒适 性，易推广性，及它的组成部分和控制方法i j 。通过在北京地区进行的实验，分析论证了如何避免 辐射空调应用于夏季供冷时辐射板表面结露的问题。 2 0 0 3 年黄奕等人针对地板辐射供冷的结露问题，引入了启动湿负荷的概念及利用房间初始露点， 启动时间等参数计算启动湿负荷的方法1 1 7j ，给出了除湿机组容量选用表，分析了控制方式对除湿机组 容量的影响，讨论了置换通风用于地板表面除湿的可能性。 2 0 0 4 田晶等人针对冷却顶板系统应用中的一些问题，从设计、施工、运行管理等角度讨论了冷 却顶板系统的特点，分析了冷却顶板系统设计中的负荷计算，通风系统搭配，水系统和除湿方式等 问题f 1 8 。 在实际应用方面，目前正在建设中的国家大剧院外层大厅采用了由北京市建筑设计研究院设计 的地板辐射空调系统，其实际运行效果有待系统运行后的进一步验证。 1 3 溶液除湿的国内外研究与进展 在溶液除湿的实验研究方面，早在1 9 5 5 年，l 6 f 最早提出了太阳能溶液除湿空调系统的思想并 进行了实验研究，他采用三甘醇为除湿剂被干燥的空气经过蒸发室冷却，除湿剂经被太阳能加热的 空气进行再生；同年，p e n n i n g t o n 发明了固体除湿剂除湿转轮和转轮热交换器，由于对固体除湿剂 的研究较早且较为成熟，所以当时太阳能固体除湿空调系统得到了较好的发展。 1 9 6 9 年k a k a b a e v 等人利用l i c i 溶液作为除湿剂试制了一台太阳能溶液除湿制冷机，他们将除 湿溶液以膜状从由太阳辐射加热的屋顶倾斜流下而得到再生，屋顶上未加任何覆盖物，这就是早期 的开式集热型再生器，7 年后他们建造了制冷能力为7 k w 的太阳能溶液除湿空调系统，这种开式的 集热型再生器的表面积达到6 0 m 2 。 1 9 7 4 年g a n d h i d a s a n 等人设计了以c a c l z 溶液为除湿剂的太阳能溶液制冷机，两年后在印度建 造了一台这样的太阳能溶液除湿空调系统。 1 9 7 7 年r o b is o n 研制了几种集热型再生器，与g a n d h i d a s a n 等人的相类似，他采用的除湿剂是 三甘醇，但是由于三甘醇在再生过程中滞留性的原因，效果不是很好。 1 9 9 8 年k e s s l i n g 等人利用聚丙烯材料设计建造了一台竖直板内冷型除湿器p ，利用l i c i 溶液 对该除湿器进行了实验研究。 在理论研究方面，有许多学者对除湿溶液物性进行了研究l “j ，1 9 8 8 年p a t t e r s o n 对l i b r 溶 液的各种物性和传输特性进行了细致的研究并且编制了计算模拟程序。在1 9 9 5 年a m e e l 认为将l i c i 和z n c l z 按2 ：1 混合是最理想的，虽然比l i b r 的除湿性能下降了5 0 7 0 ，但是费用却可以降低8 倍，而且混合溶液的溶解性得到了改善。1 9 9 8 年，s y o u n u sa h m e d 对溶液除湿剂进行了热力学分析， 运用经典热动力学方法研究除湿溶液表面层水蒸气分压力，采用简单混合规则开发出预期特性的混 合溶液除湿剂“。 在传热传质模型理论方面，由于除湿器和再生器是这种系统的核心部件，因此不少专家对此做 了大量的工作，在1 9 6 9 年r e t r e y b a l 对d r o l a n d e r 在1 9 6 0 年提出的绝热型除湿器传热传质模型 进行了完善，这就是后来被广泛应用的“微元控制体模型”p 4 ，”】：将除湿器沿高度方向划分为若干 控制体，在稳定除湿状态下，重点对发生在气液两相相界面出的传热传质过程做了简化加设，推导 出传热传质控制体微分方程；后来，有一些专家如g g r o s s m a n 、h m f a c t o r 、p g a n d h i d a s a n 等等 对其做了进一步的完善，并在数值算法上进行改进。使其能够较好地求解发生在绝热型除湿器中的 传热传质过程。 还有一类除湿器就是内冷型除湿器，它能够使除湿溶液表面保持较低的水蒸气分压力，所形成 的是一种降膜流动。1 9 8 4 年g r o s s m a n 根据降膜流动的雷诺数r e 将降膜按流态划分为层流和紊流， 第一章绪论 对降膜的速度和厚度进行描述，结合降膜的传热传质特性，借助于连续、动量和能量三大控制方程 建立除湿过程的数学模型。 2 0 0 0 年g g r o s s m a n 把太阳能驱动的开式除湿蒸发冷却空调系统与封闭式的单效、双效和三效 l i b r 吸收式制冷系统进行比较，提出了前者在利用太阳能等低品位能源上的巨大优势；同年， s a l i z a d e h 和w y s a m a n 还对太阳能驱动的太阳能集热再生器进行建模和性能分析【4 “，描述了不同 的入口参数和气候条件对再生性能、能源利用等的影响情况。 2 0 0 2 年p g a n d h i d a s a m 对溶液除湿的填料式除湿器压力降进行了理论上的分析研究，指出了理 论上具有最小压力降的填料和结构型式口”。同年，a a 1 一f a r a y e d h i 设计了薄纱填料结构的除湿器， 分别对c a c i ：、l i c i 和5 0 的l i c i 与5 0 的c a c i 。混合成的除湿溶液进行传热传质系数方面的理论 研究，但没有进行实验验证，没有指出关联式的精度。 2 0 0 2 年n f u m o 使用l i c l 研究了除湿和再生方面的情况；考察了除湿再生速率和效果与溶液空 气流量以及溶液浓度的关系；发现溶液的浓度、温度、空气的流量和湿度这些参数对除湿的效果有 着相当大的影响；用改良的o b e r ga n dg o s w a m i 模型计算了绝热气体吸收过程的各种参数，结果与 实验结果相当吻合。 2 0 0 3 年j ，r c a m a r g o 【2 ”等人对吸附除湿蒸发冷却空调系统采用一种叫做e m c ( e x e r g e t i c m a n u f a c t u r i n gc o s t ) 的方法进行热经济分析，研究表明最小的再生浓度和最小的r p 比 ( r e a c t i v e a t i o na i r p r o c e s sa i r ) 运行时具有最小的e m c 。 2 0 0 3 年中期，y u n u sc e r c i 提出了一种基于除湿技术的液态水常压蒸发冷冻技术“，研究表明 通过空气除湿然后常压蒸发使每i k g 干空气能产生2 8 4 9 的固态冰，系统的热力系数可以达到0 4 7 。 2 0 0 4 年k g o m m e d 对太阳能驱动的除湿结合的蒸汽压缩制冷空调系统在地中海国家的使用和 设计进行了研究，给出了在某些特定参数下系统最优运行的工况；使用的是c a c l 2 研究了各种参数 对除湿效果的影响，特别是除湿器入口空气的流量和湿度对除湿效果影响较大而温度则没有太大影 响。 2 0 0 5 年a e k a b e e l 对太阳能除湿系统的再生部分使用l i c l 进行了研究，得出差流具有较好的 再生效果的结论，并给出了溶液浓度的再生效率的关系。同年，a g a s p a r e l l a 研究了利用地热能源 作为驱动热源的除湿系统在热泵中的应用。 国内对溶液除湿蒸发冷却空调系统的研究起步较晚，但也有不少人在这方面做了有一定成效的 工作口。1 9 9 6 年方承超p 等人对太阳能溶液除湿蒸发冷却空调系统进行了研究，为系统的除湿器、 再生器、间接蒸发冷却器分别建立了简单的数学模型，并对各参数对系统性能的影响进行了模拟计 算。1 9 9 8 年代彦军等人对溶液除湿蒸发冷却空调系统建立了数学模型，对空调系统的性能系数进行 了计算，在2 0 0 1 年他们对太阳能溶液除湿潜能储存热质传递过程进行了研究，提出以太阳能集热器 再生器为主体的蓄能装置，并对其进行模拟研究，具体分析了储能密度以及再生装置的有关参数对 储能量的影响。1 9 9 9 年，冯毅等人对太阳能驱动的吸附除湿空调系统进行了研究，采用8 0 。c 以下的 再生温度热源，对空调系统的能源利用效率进行实验研究”“。 目前对此领域内的研究在国内外还是比较活跃的，纵观近几十年来的研究情况，绝大多数工作 都是集中在特定部件在特定工况下的研究或者演示，而且理论研究较多，尤其缺少实验的验证，对 此空调系统的整体性描述和整体性能的综合权衡做得还较少，对系统循环形式和优化设计方面没有 重大的突破。因此，这种系统如果要真正投入至现实生活中服务于人1 i ，那么还要进行深入的研究 和改善。 1 4 基于热湿独立处理的辐射空调系统的研究与进展 2 0 0 2 年，香港理工大学的j l i l i u 和l z z h a n g 提出了一种新( p m e c ) ( p r e - c o o l i n gm u n t e r s e n v i r o n m e n t a lc o n t r 0 1 ) 转轮除湿与辐射顶板供冷联合的空调系统，并构建了该系统的数学模型，在中 4 东南大学硕士学位论文 国东南部气象条件下通过逐时计算分析了系统的性能。并将转轮除湿辐射空调复合系统和传统风机 盘管系统进行了实验比较，得出后者有良好的舒适性和节能效果的结论。t 1 9 , 3 2 2 0 0 4 年丁云飞等人针对利用除湿转轮处理系统湿负荷及实施方案的可行性，进行了实验研究 3 3 1 。结果表明，当夏季室外空气温度低于3 0 0 及相对湿度低于8 0 时，除办公类建筑外，除湿转轮 均可满足系统运行要求；对于高温高湿地区，结合前置表冷器对新风进行预处理后利用转轮除湿不 仅可以满足室内湿度的要求，而且可以达到低湿度。 2 0 0 4 年，清华大学的江亿等人研究的除湿空调系统采用l i c l 溶液作为除湿剂对新风进行分级除 湿，用于负担空调房间的湿负荷，另外添置冷水机组，提供辐射板水环路的空调冷水，用于承担房 间热负荷【3 4 】。 2 0 0 5 年，燃气内燃机余热驱动的溶液除湿辐射空调系统应用于清华大学超低能耗大楼，经测试 表明，系统能够避免辐射空调应用于夏季制冷工况辐射板表面结露的问题，通过低味热源实现除湿 溶液的连续再生。但由于同时采用了溶液除湿及再生系统和冷水机组用于实现空调，大大增加的了 空调系统的初投资”。 1 5 本文研究的主要内容 ( 1 ) 建立除湿器的集总参数法数学模型，推导出了溶液除湿器中溶液与空气状态参数的分布，探讨 了除湿器进口溶液及空气状态参数，以及溶液与空气的流动方向对除湿器出口流体状态参数和除湿 量的影响； ( 2 ) 建立了溶液再生过程的顺流稳态数学模型，并推导出溶液的温度、浓度与空气的温度在再生器 降膜竖壁中的分布。通过数值模拟，得到了温度、浓度、含湿量等参数沿着竖壁高度方向的变化趋 势，以及再生器入口空气和溶液的状态参数对再生性能的影响； ( 3 ) 对系统的溶液除湿和再生过程进行实验研究。研究除湿器入口溶液浓度、入口空气流量、溶液 流量及空气入口温度、湿度变化对除湿器除湿效果的影响；再生器入口溶液浓度、入口空气流量、 溶液流量及空气入口温度、湿度变化对再生器再生效果的影响； ( 4 ) 设计基于热湿独立处理思想的溶液除湿辐射空调系统，对系统的主要部件进行设计和详细的理 论计算。通过计算系统中状态点空气参数，论证了系统夏季供冷运行的可行性，验证系统是否存在 辐射空调系统普遍存在的辐射板表面结露的现象，并计算系统c o p 的理论值。 第二章溶液除湿辐射系统原理研究 第二章溶液除湿辐射系统原理研究 2 1 热湿独立处理的辐射空调系统原理 湿负荷在总的空调负荷中占2 0 4 0 p ，是整个空调负荷的重要组成部分。因此如果能把空 调区域的显冷负荷和潜冷负荷分别处理，即采用独立的除湿手段将新风或新风与室内排风的混合空 气除湿，而冷负荷仍由室内空调辐射板承担，可以节省空气处理过程中冷却除湿和再热过程的大量 能耗。传统空气处理( 一次回风) 系统中，负担空调热负荷与湿负荷的空气的处理过程相同，如图 1 中虚线示，新风w 与回风n 混合至状态c ，经表冷器降温除湿处理到l ，最后再热至送风状态点0 。 而基于热湿负荷分开处理的辐射供冷系统中，负担房间湿负荷的空气的处理过程被独立出来。如图 中的实线所示，新风w 与室内排风n 的混合空气c 被除湿到状态点d ，经过常温水冷却至状态点o ， 送入空调房间承担房间湿负荷，并经冷辐射板降温到室内设计温度n 。采用独立除湿手段将空调区 域的显热负荷和潜热负荷分别处理，省去了用于除湿的部分空气的处理过程中c l 和l o 段的部分能 耗。特别是对于夏热冬冷地区特有的梅雨季节，气温不太高，湿度较大，此时系统需要负担的湿负 荷很大，而冷负荷较小，将除湿过程分离的节能效果显著。 h 图2 - 1 负担房间湿负荷的空气的处理过程焓湿图 2 2 几种独立除湿方式 如上文所述，采用独立除湿的方式，将空调房间的湿负荷处理与热负荷的处理解耦，可以节约 大量能量。独立除湿方式主要包括冷却除湿、液体除湿、固体吸附床除湿、转轮除湿和膜法除湿。 根据本文讨论的独立除湿辐射空调系统的要求，这里主要对比转轮除湿、膜法除湿和溶液除湿的方 法与特性。 2 2 1 转轮除湿 转轮除湿是利用固体吸湿剂做成的转轮进行旋转除湿的设备。如图2 - 2 所示，转轮上布满蜂窝 状的流道，空气通过时与流道壁进行热湿交换。流道壁含有固体吸湿剂，它被空气冷却时对应的水 蒸气分压力小于处理空气的湿蒸汽分压力，空气中的水蒸气被吸附到吸湿剂中，同时转轮本身的显 热和吸附产生的吸附热使空气温度升高。随着转轮旋转，这部分流道的吸湿量趋于饱和，当这些吸 - 6 - 吣 r 吼 i i 爹 东南大学硕士学位论文 湿后的流道旋转到再生区时，热空气流过这些蜂窝流道，含有固体吸湿剂的流道壁受热，其对应水 蒸气分压力高于再生空气中的水蒸气分压力，将吸湿剂中的水分驱离出来。随着转轮的旋转和脱附 的进行，蜂窝状吸湿剂流道恢复吸湿能力，又旋转到除湿区，如此周而复始保证除湿过程的连续进 行。 目l l d , 流道 h i ( 3 ) 7 ，5 i 石彩 图2 - 2 除湿转轮结构示意图图2 - 3 转轮除湿空气处理过程示意图 除湿转轮能够实现除湿剂的连续除湿和再生，构造简单，不存在飞沫带液损失，不需要补充吸 湿剂，不会对金属管道造成腐蚀。基于除湿转轮的热湿独立处理空调系统在国内外已有很多研究， 并取得较好的运行效果鸭”】。但除湿转轮在工作过程中存在较大的混合损失，使效率降低。同时， 固体除湿剂的再生需要较高的温度。 2 2 2 膜法除湿 膜法除湿以膜两边的水蒸气分压差作为驱动势，使水蒸气透过亲水性膜，从而得到干空气。除 湿膜可采用高分子聚合物膜、无机分子筛或者液膜。一般通过压缩法、真空法、吹扫气法或膜除湿 剂混合系统实现空气的除湿【4 。除湿膜可采用平板膜和中空纤维的型式，平板膜的空气处理过程如 图2 4 所示。采用膜除湿方法，除湿过程连续进行，没有运动部件，无需再生，能耗小，适用于空 调等不需要将空气中的湿度降到很低的场合。但到目前为止，除湿膜存在透湿率低、强度差、成本 高的缺点限制了其实际应用。 刊 ll 2 2 3 溶液除湿 图2 4 平板膜除湿示意图 溶液除湿是利用某些吸湿性强的溶液吸收空气中的水分而将空气脱湿的方法。最早的除湿剂采 用三甘醇，目前常用的除湿剂有l i b r 、l i c l 、c a c l 2 及l - - - 醇。溶液除湿器有填料型和内冷型两种。 除湿浓溶液和被处理空气在除湿器内以顺流、逆流或交叉流动的方式接触，除湿剂吸收被处理空气 中的水分，浓度变稀，除湿能力下降。稀溶液进入再生器加热浓缩，恢复吸收能力并再送入除湿器， 实现除湿过程的连续进行。溶液除湿与再生的过程和机理详见2 3 节和第三、第四章。 一7 - 第二章溶液除湿辐射系统原理研究 相较固体除湿，溶液除湿可再生能力强，不存在混合损失。此外，采用溶液除湿设各，在系统 中设储液桶，可以利用溶液进行潜能蓄能。当夜间电价较低时，开启溶液再生设备，制各除湿浓溶 液保存在储液桶中，白天释放出浓溶液，与被处理空气接触除湿，可以节约设备运行费用，并能保 证除湿设备连续工作。此外，浓溶液再生过程可以利用太阳能等低品位能源。根据上述三种除湿方 式的特性，本文设计的独立除湿辐射空调复合系统采用溶液除湿方式，除湿溶液选用氯化锂水溶液。 2 3 空气与除湿溶液传热传质机理研究 麓纛t i 交i 、鹈j l t 。、。c j “、，j 。，聚鼋彰l 如果边界层内水蒸汽分子浓度大于周围空气的水蒸汽分子浓度，则由边界层进入周围空气中的 水蒸汽分子数多于由周围空气进入边界层的水蒸汽分子数，结果周围空气中的水蒸汽分子数将增加， 这就是发生在再生器中的溶液的再生；反之，则将减少，也就是发生在除湿器中的溶液的除湿。在 再生的过程中，边界层的水蒸汽分子数减少后由溶液中跃出的水分子数补充；在除湿过程中，由湿 空气中进入边界层中过多的水分子将回到溶液中去。 可见，在湿空气和除湿溶液表面边界层之间，如果存在水蒸汽浓度差( 或者水蒸汽分压力差) ， 水蒸汽的分子就会从浓度高的区域向浓度低的区域转移，从而产生水分的转移。也就是说，湿空气 中的水蒸汽与边界层中水蒸汽分压力之差是水分交换转移的驱动力，就像温度差是产生热交换的驱 动力样。 东南大学硕士学位论文 2 4 蒸发冷却技术研究 2 4 1 直接蒸发冷却 图2 - 6 填料式直接蒸发冷却器示意图图2 7 直接蒸发冷却器空气状态变化过程 由图2 - 6 和2 - 7 可知，状态1 的室外空气在接触式换热器内与水进行热湿交换后，温度下降，含 湿量增加，沿绝热线变化到状态2 ，空气的焓值增加，且等于永的溶液热，水温由t w l 下降到t w 2 。空 气干球温度降低的程度取决于入口空气的干湿球温度差和热质交换效率，理论上空气的干球温度可 以通过直接蒸发冷却达到入口