（制冷及低温工程专业论文）太阳能溶液再生装置热湿耦合特性及性能研究.pdf

摘要 摘要 新型、高效太阳能溶液再生装置是太阳能液体除湿空调系统重要组成部分。本文提出一种适合 在高湿、低太阳辐射天气下，对高浓度除湿液体进行太阳能再生的新系统，其原理为利用低浓度溶 液对室外潮湿空气进行预除湿，用预除湿后的干空气实现对高浓度溶液进行有效再生功能。为此本 文对太阳能集热再生器、填料除湿器等进行理论和实验研究，探索其中传热、传质规律，并提出新 的理论模型。另外本文还提出一种新型太阳能空气集热器圆柱阵列空气集热器，它可以实现对 再生用空气进行有效预热作用。 常温溶液自然对流集热再生存在一个最佳单位流量和单位面积最大蒸发率。最佳单位流量和最 大蒸发率随室外温度、湿度、溶液入口参数、太阳辐射强度而变化。室外风速增加会导最佳单位流 量上升，但是最大蒸发率随风速提高表现为先增后减变化，存在一个最大值。 通过对玻璃盖板进行热平衡分析，得到考虑玻璃盖板温度模型的强迫对流集热再生单向和双向 吸收数值模型。引入总温差瓦及无量纲空气散热系数h ：，得到四个反映集热再生器内溶液和空气 耦合传热、传质控制方程，进而理论推导出溶液和再生用空气之问传热及传质势差沿集热板分布， 结合溶液和空气进、出口能量和质量守恒方程即可得到溶液和空气出口状态参数。性能模拟发现提 高传热单元数聊、流量比a s m r 和总温差瓦能极大提高空气出口温度、溶液出口温度和浓度； 刘易斯数l e 从o 7 增加到1 3 时，溶液出口浓度升幅下降9 1 1 ；逆流再生比顺流再生出口浓度升 幅提高9 7 1 3 2 。 分别对平板和圆柱集热器进行集热和水蒸发实验得到两种集热器传热与传质系数关联式，发现 在相同的物理尺寸和空气流动状态下p z 7 1 1 2 5 圆柱集热器的对流传熟系数是平板的2 倍，传质系 数为平板的1 5 倍。运用实验验证的叉流除湿模型进行模拟得到填料湿度效率模型和等焓率模型。 常温溶液集热再生沿集热板分为加热段和再生段，溶液流量增加会使蒸发率及再生效率降低； 在中温溶液再生中，蒸发率及再生效率随溶液流量增加而提高，并且效率可能大于1 0 。溶液再生蒸 发率随空气流量增加先增后降变化，再生效率存在一个最大值。溶液热效率、常温太阳能溶液再生 效率、再生用空气热效率三者依次递减。当室外含湿量从0 0 2 k g 堙下降到o o l 堙堙，溶液再 生效率提高4 0 。 通过对空气预处理集热再生系统进行理论分析和数值性能模拟，发现基于蒸发率品质分析基础 上的空气预处理分级集热再生系统在高湿、低太阳辐射天气下对高浓度溶液再生性能优于直接集热 再生装置。太阳能集热再生器存在一个最佳盖板高度使蒸发率m e v 达到最大值，并且该最佳盖板高 度随空气流量和溶液浓度升高而增加。盖板高度对空气预处理分级溶液集热再生和直接集热再生性 能对比影响存在一个转折点，当盖板高度小于该转折点时，分级预处理再生性能优于直接集热再生， 否则，相反。溶液热交换效率占。，对系统性能影响存在一个最佳工况，而a z 值增大对溶液再生只起 正面作用。系统性能分析中发现溶液入口温度越低、一级和二级集热再生之间的浓度差越大，空气 和溶液流量增加到一定值后，才能体现预处理再生优势。 关键词：集热再生器；蒸发率；传热单元数；传热传质；湿度效率；分级 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eh i g he f f i c i e n ts o l a rl i q u i dd e s i c c a n tr e g e n e r a t o r sp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei ns o l a re n e r g yd r i v e nl i q u i d d e s i c c a n tc o o l i n gs y s t e m s i nt h i sp a p e r , an o v e ll i q u i dd e s i c c a n tr e g e n e r a t i o ns y s t e mw a sp u tf o r w a r df o r e f f i c i e n tr e g e n e r a t i o no fl i q u i dd e s i c c a n ti ne x t r e m ec l i m a t ew i mh i g l lh u m i d i t ya n dl o ws o l a rr a d i a t i o n i n s u c has y s t e m ，t h eh u m i da i rc o m i n gf r o mt h eo u t s i d ei st a r e d e h u m i d i f i e db yl o wc o n c e n t r a t i o ns o l u t i o n f i r s t l y , a n dt h e nt h ed e h u m i d i f i e da i rc a l lb eu s e df o rt h er e g e n e r a t i o no ft h es o l u t i o nw i t l ll l i g i l c o n c e n t r a t i o n f i n a l l yh i g h e rt h e r m a lp e r f o r m a n c ec o u l db ea c h i e v e d t h ek e yu n i t so ft h en o v e ls y s t e ma r e s o l a rl i q u i dd e s i c c a n tc o l l e c t o r r e g e n e r a t o ra n dp a c k e d - b e dd e h u m i d i f i e r t oe x p l o r et h eh e a la n dm a s s t r a n s f e rb e h a v i o ro ft h eu n i t , t h i sp a p e rp e r f o r m e de x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a ls t u d i e so nt h es o l a rl i q u i d c o l l e c t o r r e g e n e r a t o r ( c r ) a n dt h ep a c k e d - b e dd e h u m i d i f i e ra n dd e v e l o p e dn e wt h e o r e t i c a lm o d e l sf o rb o t h u n i t s i na d d i t i o n ，an e ws o l a ra i rc o l l e c t o r , s oc a l l e dp i n f i na r r a ya i rc o l l e c t o r , w a sa l s op r o p o s e d , b e c a u s e i tc o u l dp r e - h e a tr e g e n e r a t e da i re f f i c i e n t l y t h em a i ns t u d yr e s u l t sa r eg i v e na sf o l l o w s ： i nn a t u r a lf l o wc r , t h e r eo c c u r a no p t i m u ml i q u i dd e s i c c a n tf l o wr a t ea n dc o r r e s p o n d i n gt h em a x i m u m v a p o re v a p o r a t i o nr a t ep e ru n i ta 佗a t h eo p t i m u ml i q u i df l o wr a t ea n dt h em a x i m u me v a p o r a t i o nr a t ev a r y a l o n g 州le n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y , i n l e tp a r a m e t e r so fs o l u t i o na n ds o l a rr a d i a t i o n w j m t h ei n c r e a s eo fw i n ds p e e do u t s i d e ，t h eo p t i m u ml i q u i df l o wr a t ei n c r e a 潞，b u tt h em a x i m u mr a t eo f e v a p o r a t i o nr i s e sf i r s t l ya n dd e c r e a s e sl a t e rh a v i n gam a x i m u mv a l u e t h r o u g ht h ea n a l y s i so fe n e r g yb a l a n c eo nt h eg l a z i n g ，u n i d i r e c t i o n a la n db i - d i r e c t i o n a la b s o r p t i o n m a t h e m a t i c a lm o d e l sc o n s i d e r i n gt e m p e r a t u r ef u n c t i o n so ft h eg l a z i n gi nf o r c e df l o wc rw e r ed e d u c e d b yi n t r o d u c i n gt o t a lt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e r 0 a n dd i m e n s i o n l e s sh e a tl o s sc o e f f i c i e n th ：，f o u rc o n t r o l e q u a t i o n so nc o u p l e dh e a ta n dm a s st r a n s f e rb e t w e e na i rs t r e a ma n ds o l u t i o nf i l mi nt h ec rc a nb e o b t a i n e da n df u r t h e rt h eh e a ta n dm a s st r a n s f e rd r i v i n gp o t e n t i a l sa l o n gw i t ht h ea b s o r b e rc a nb ed e d u c e d a n dt h eo u t l e tp a r a m e t e r so fa i ra n ds o l u t i o nc a nb ed e t e r m i n e dc o m b i n i n gw i t ht h ee n e r g ya n dm a s s b a l a n c ee q u a t i o n s t h r o u g hs i m u l a t i o no ft h ep e r f o r m a n c e ，i tw a sf o u n dt h a tt h ei n c r e a s eo fn u m b e ro fh e a t t r a n s f e ru n i t s ( n t u ) a n da i r - t o - s a l tm a s sf l o wr a t er a t i o ( a s m r ) a n dt o t a lt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ( a r 0 ) c a ns t r o n g l yi n c r e a s eo u t l e tt e m p e r a t u r e so fa i ra n ds o l u t i o na n dt h eo u t l e tc o n c e n t r a t i o n n ei n c r e a s eo f l e w i sn u m b e r ( l e ) y i e l d st h a tt h ei n c r e m e n to fs o l u t i o nc o n c e n t r a t i o nd e c r e a s e9 - 11 c o m p a r e dw i t h t h ep a r a l l e lf l o wr e g e n e r a t i o n , t h ei n c r e m e n to fs o l u t i o nc o n c e n t r a t i o ni nt h ec o u n t e rf l o wr e g e n e r a t i o n i n c r e a s e9 7 1 3 2 t h ec o r r e l a t i o ne q u a t i o n so nh e a ta n dm a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n t si nf l a tp l a t ea n dp i n - f i na r r a yc o l l e c t o r s 锄b eo b t a i n e db ya n a l y z i n ge x p e r i m e n t a lr e s u l t so fs o l a re n e r g yc o l l e c t i o na n dw a t e re v a p o r a t i o no f b o t h c o l l e c t o r s a tt h es a m ep h y s i c a ls i z eo fc o l l e c t o r sa n df l o wc o n d i t i o n so ft h ea i r , t h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t o fp z 7 - 11 2 5p i n f i nc o l l e c t o ri st w i c et h a nt h a to ft h ef i a tp l a t ec o l l e c t o ra n dt h em a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n t o n l yi n c r e a s e s5 0p e r c e n t n ec o r r e l a t i o n so fm o i s t u r ee f f e c t i v e n e s sa n de q u i v a l e n te n t h a l p ye f f e c t i v e n e s s 啪b eo b t a i n e db ya n a l y z i n gs i m u l a t i o nr e s u l t sr e s u l t e df r o mt h ev a l i d a t e dc r o s s - f l o wd e h u m i d i f i c a t i o n m o d e l 1 1 1 ea b s o r b e r r e g e n e r a t o ru s i n gl i q u i dd e s i c c a n t 、v i ma m b i e n tt e m p e r a t u r e 啪b ed i v i d e di n t oh e 鲥n g s e c t i o na n dr e g e n e r a t i o ns e c t i o na n dt h ei n c r e a s eo fm a s sf l o wr a t eo fs o l u t i o nc a l lr e s u l ti nd e c r e a s eo f e v a p o r a t er a t ea n dr e g e n e r a t i o ne f f i c i e n c y h o w e v e r , i nt h ep r o c e s so fr e g e n e r a t i o nu s i n gt h ed e s i c c a n tw i t h m e d i u mt e m p e r a t u r e , t h er a t eo fe v a p o r a t i o na n dr e g e n e r a t i o ne f f i c i e n c yr a i s e sw i t ht h ei n c r e a s i n gf l o w r a t eo fl i q u i da n dt h ee f f i c i e n c yp r o b a b l ye x c e e d s1 0 w i 廿lt h ea u g m e n to fa i rf l o wr a t e t h er e g e n e r a t i o n e f f i c i e n c yr i s e sf i r s t l ya n df a l l sl a t e re x i s t i n gam a x i m u mv a l u e t h et h e r m a le f f i c i e n c yo fs o l u t i o n , r e g e n e r a t i o ne f f i c i e n c yi na m b i e n tt e m p e r a t u r ea n dt h e r m a le f f i c i e n c yo fr e g e n e r a t e da i rd e c r e a s ei nt u r n 东南大学博士学位论文 w h e nt h ea m b i e n th u m i d i t yd e c r e a s e df r o mq 0 2 堍| k gt oo ol 堍 堍，t h er e g e n e r a t i o ne f f i c i e n c y i n c r e a s e d4 0p e r c e n t t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no na i rp r e t r e a t m e n tl i q u i dc o l l e c t o r r e g e n e r a t o r , t h ea i rp r e t r e a t m e n tc l a s s i f i c a t i o nc rs y s t e mb a s e do i lt h ec h a r a c t e ra n a l y s i so fe v a p o r a t i o nm t ec a l l a c h i e v eb e t t e rr e g e n e r a t i o np e r f o r m a n c ef o rh i g l lc o n c e n t r a t i o ns o l u t i o nt h a nt h et r a d i t i o n a lc ri nh i 曲 h u m i d i t ya n dl o ws o l a rr a d i a t i o nc l i m a t e i nt h es o l a rc o l l e c t o r r e g e n e r a t o r , t h e r eo c c u r sa l lo p t i m u m g l a z i n gh e i g h tr e s u l t i n gi nt h em a x i m u me v a p o r a t i o nm t e n eo p t i m u mg l a z i n gh e i g h ti n c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s eo fa i rf l o wr a t ea n ds o l u t i o nc o n c e n t r a t i o n t h e r ei sac r i t i c a lp o i n to ft h eg l a z i n gh e i g h tt h a t i n f l u e n c e st h ep e r f o r m a n c ec o n t r a s to ft h ea i rp r e t r e a t m e n tc ra n dt h et r a d i t i o n a lc r w h e nt h eg l a z i n g h e i g h ti sl e s st h a nt h ec r i t i c a lp o i n t , t h ep e r f o r m a n c eo fr e g e n e r a t i o no fa i rp r e u e a t m e n tc ri ss u p e r i o rt o t h et r a d i t i o n a lc r , o t h e r w i s e ，t h er e s u l ti sc o n t r a r y me f f i c i e n c yo f h e a te x c h a n g e r ( ) h a sa no p t i m u m v a l u et o w a r dt h ep e r f o r m a n c ee f f e c to fa i rp r e t r e a t m e n tc rs y s t e m 1 1 1 ei n c r e a 船o fa zc 觚y i e l d p o s i t i v ee f f e c to nt h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e m f r o mt h ea n a l y s i so nr e g e n e r a t i o np e r f o r m a n c eo nt h ea i r p r e t r e a t m e n tc l a s s i f i c a t i o nc rs y s t e m ，i ti ss h o w nt h a tt h el o w e ri n l e tt e m p e r a t u r eo fs o l u t i o n , t h eg r e a t e r c o n c e n t r a t i o nd i f f e r e n c eb e t w e e nt h ef i r s tg r a d ec ra n ds e c o n dg r a d ec ra n dt h ee n o u g hf l o wr a t e so ft h e a i ra n ds o l u t i o na l lc a nb e t t e re x h i b i tt h ea d v a n t a g eo fa i rp r e t r e a t m e n tc rs y s t e m k e y w o r d s ：c o l l e c t o r r e g e n e r a t o r ；e v a p o r a t i o nr a t e ；n u m b e ro fh e a tt r a n s f e ru n i t s ；h e a ta n dm a s st r a n s f e r ； m o i s t u r ee f f e c t i v e n e s s ；c l a s s i f i c a t i o n m 主要符号表 主要符号表 a 比表面积，m 2 m 3 彳集热板、填料面积，m 2 么剧煅空气盐分质量流量比 c 空气溶液热容率比 c p比热容，k j ( k g k ) d 直径，m e 贮 有效蓄能密度，m j m 3 殿p 有效溶液比， 尸 集热器效率因子 昂集热器的热转移因子 h 对流传热系数，k w ( m 2 k ) 办詹 水蒸气的蒸发潜热，k j k g 对流传质系数，k g ( m 2 s ) 所 辐射传热系数，k w n 2 k ) k 环境对流换热系数，k w ( m 2 - 酗 ， 综合散热系数，k w ( m 2 k ) l 太阳有效辐射热量，k w m 2 l太阳辐射强度，k w m 2 朋 质量流量，k g s 或k g h 水蒸气蒸发率，k g s 或k g h ，集热再生板长度，m m 分子量，k g k m o l 织 空气溶液质量流量比 删 传热单元数 形。传质单元数 批努塞尔数 p 压力，k p a p r普朗特数 g 。 再生器单位面积散热量，k w m 2 p热量，k w ，直径，m l 沁雷诺数 j l ， 水蒸气空气热容比 s c施密特数 s c蓄能密度，m j m 3 砌舍伍德数 丁温度， 瓦 环境温度， 觇散热系数，k w ( m 2 k ) y体积流量，m h 或l r a i n ：风速，m s x 单位质量溶液含水量，k g k g ： 坐标轴，m v i l x 单位质量溶质的含水量，k g k g y 含湿量，k g k g 或g k g 写环境含湿量，k g k g 或g k g 希腊字母 、如特征方程根 变量改变量 口 无量纲温度 瓦 总温差， 酿 无量纲总温差 万 屯 玻璃盖板高度，m ；填料厚度，m 空气流动方向显示器，”+ l ”是顺流， - 1 ”是逆流， 吸收率 溶液浓度 斯忒藩一玻耳兹曼常数，5 6 7 8x10 - s w ( m 2 k 4 ) 发射率；空隙率 湿度效率 全热效率 等焓率 反射率；密度，k g m 3 无量纲蒸汽压力 有效透过率与吸收率乘积 效率 空气相对湿度， 蒸发率品质系数 流量因子 浓度因子 溶液和空气匹配状态 下标 a 空气 a v e 平均值 d e 除湿 e l 与溶液平衡参数 e v 蒸发 g 玻璃盖板 l 气液交界面 i r d i 进口 ；盯三三；易璺蛛 东南大学博士学位论文 m a x 最大值 o p t 最佳状况 o u t o 出口 p 吸热板 ， 辐射：参考状态 s 溶液 s a l t盐分 v 水蒸气 w 水 x 集热再生器高度坐标 预处理器参数 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i i i i i 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：! 基拙期：区葛悼 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 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南人学研究生院办理。 研究生签名：杰毒兰搀师签名憋：壶辫 第章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1l 世界能源消费现状及对环境影响 姒呲吼吡【l l l l l i , 岫, ! i 叫删 i生里! ! ；! ! ：!堑 由下化石燃料消耗的不断增长环境污 染越来越成为世界各国关注的重又问题。目 ” 前，全球消耗的次能源主要是煤炭，石油、 天然气等传统矿物燃料，水电和核能开发只 占到1 4 左右，太阳能、风能及地热能辞可， 再生能谭只有小规模开发利用。煤炭，石油、 天然气等矿物燃料的燃烧所产生的_ 氧化 2 0 碳、烟尘帚i 硫化物等有害物质排放判大气中 会造成巨大污染，严重影响生态环境和人们 l o 正常生活。目i 2 显示出前后近二十年内 东南大学博士学位论文 在能源消费种类中，发达国家的建筑能耗一般占总能耗的1 3 左右，我国目前城镇民用建筑消 耗的能源占全国商品能源的2 1 2 4 。根据国际制冷协会评估, 2 1 ，各种制冷空调系统耗电占世界总 发电量的1 5 ，占整个建筑能耗的4 5 。凶此，传统以电制冷为主的空调系统必然给能源和环境带来 很大的压力。 1 1 2 传统空调系统存在问题 传统空调系统采用冷冻( 7 冷冻水) 除湿方式实现对空气的降温与除湿处理。冷冻除湿要求冷 源温度低于空气露点温度，致使制冷系统的冷凝温度和蒸发温度相差近4 0 ，造成制冷机的性能系 数c 0 p 低下。在空调系统中，显热负荷约占总负荷的5 0 - 7 0 ，潜热负荷占3 0 5 0 ，为了处理不到总 负荷一半的潜热负荷而将整个制冷系统处于大温差的冷冻循环下工作，使得本可采用高温冷源处理 的显热负荷被捆绑在潜热负荷处理中，造成能量品位上的浪费。另外，传统冷冻除湿会在表冷器上 产生潮湿表面，成为霉菌等生物繁殖的场所，严重影响室内空气品质。 冷冻除湿的出口空气状态受冷冻水温限制，其处理的显热与潜热比只能在一定范围内变化，如 果直接将冷冻除湿后的空气送入室内，势必很难同时满足建筑室内温度和湿度要求。通常是牺牲湿 度控制，仅满足室内温度要求，这就造成室内相对湿度过高或过低现象。相对湿度过高会导致人体 不舒适，进而要通过降低室温来改善热舒适，造成能耗增加；相对湿度过低会增加新风处理中潜热 能耗。为了使空气处理后达到室内所要求的显潜热比，需对冷冻除湿后的空气进行二次加热，这将 增加不必要的能耗。 传统空调系统使用的制冷工质大多为r 1 l 和r 1 2 ，r 1 1 是应用于大型空调中的种低压制冷剂，主 要用于离心式制冷机组中；而r 1 2 广泛应用于汽车空调、家用冰箱以及冷冻箱中。这两种氟利昂物质 中都含有氯原子，当它泄露到大气中后，随着大气运动上升到平流层，在那里，紫外线把氟利昂中 的氯原子分解出来从而产生臭氧破坏的连锁反应。早在1 9 7 4 年美国加州大学的m o l i n a 博士和r o w l a n d 教授提出了氟利昂类物质会在平流层造成臭氧层破坏的假说【3 4 l ，后来大量研究结果证实了该假说。 有关研究表明，大气中臭氧减少1 ，到达地面的有害紫外线约增加2 ，有害紫外线大量辐射地面会 造成人体皮肤癌、白内障增加、免疫能力下降，并且会对各种植物生长造成不利影响。鉴于平流层 臭氧耗损日益严重，各国于1 9 8 7 年在加拿大的蒙特利尔签署了关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔协 定书，规定发达国家分别于1 9 9 4 年和1 9 9 6 年停止生产使用氟利昂，发展中国家将于2 0 1 0 年生效。中 国作为最大的发展中国家，氟利昂的生产和排放受到世界的关注。 1 2 太阳能制冷技术分类 传统制冷空调系统在能源和环保的双重压力下必须寻找新的出路。出路之一是寻找可替代工质， 它主要向两个发展方向：混合工质和自然工质。在现实情况中，往往很难获得一种热力性能优越的单 一工质来替代氟里昂类制冷工质，可行的途径是采用二元或多元混合工质，获得与氟里昂类制冷剂性 能相近的或更优的制冷工质。自然工质可以作为氟里昂类制冷剂最终的替代物，自然工质的突出特点 是o d p ( 臭氧层破坏系数值) 为零，并且g w p ( 温室效应系数值) 为零。它一般包括氨、碳氢化合物以及 二氧化碳等，作为环保型的制冷工质，其在制冷系统中的应用研究已经在各个方面展开。可替代工质 虽然可以解决环保方面的问题，但它依然解决不了空调和能源之间日益突出的矛盾。研究新的空调 系统、利用可再生能源作为新空调系统的动力将是彻底解决空调、能源、环境三者矛盾的根本出路。 全球可再生能源有很多种，包括波浪能、潮汐能、地热能、风能、生物质能、水力能、太阳能等。 其中太阳能作为一种完全洁净和具有巨大发展潜力的可再生能源应用到制冷空调领域，发展成新型 太阳能制冷技术，将对提高人类生活质量。降低传统化石能源的消耗，实现人和自然的协调发展将 起到积极的作用。 根据太阳能转换成最终能量形式的不同，利用太阳能进行空调可以有两条途径：利用光伏发电 技术产生电能，以电能驱动常规的压缩式空调系统：进行光热转换，用太阳能集热器收集到的热量 作为热源驱动空调系统。对于前者，目前大规模的太阳能光伏发电系统，其年平均光电转换效率约为 2 第一章绪论 1 0 左右。由于太阳能光伏发电的效率低并且成本高，因而限制了该技术的市场推广。太阳能热驱动 空调的季节适应性好，系统制冷能力随着太阳辐射能的增加而增大，而这正好与夏季人们对空调的 迫切要求相匹配。迄今为止，国内外学者在太阳能热驱动制冷空调这一领域已经进行了大量的研究 工作，提出了各种不同的制冷方法，取得了一定的进展和成果。太阳能热驱动空调制冷研究主要在 4 个方向上进行，即太阳能吸收式制冷惰, 6 1 、吸附式制冷1 7 捌、喷射制冷i l o 1 1 1 、溶液除湿冷却制冷等， 其中吸收式制冷和喷射制冷都已经进入了应用阶段，吸附式制冷和溶液除湿冷却制冷还处在实验研 究阶段。溶液除湿制冷系统具有如下优势i l w j ： ( 1 ) 可以采用太阳能等低品位热能作为再生能源，耗电量少，大约只有压缩式空调系统的2 5 d 2 1 ； ( 2 ) 可以实现高密度蓄能 1 3 - 1 6 1 ，在溶液除湿空调系统中，是采用化学蓄能而不是传统的热能蓄能， 因此它的蓄能密度可达1 0 0 0 m j m 3 ，可以克服太阳能用于溶液再生的不稳定性，溶液除湿和再生 可分开独立进行； ( 3 ) 可以对除湿空气进行净化处理【 - 8 1 ，喷洒的盐溶液可以去除空气中的细菌、霉菌及其它有害物， 起到净化空气的作用；同时溶液独立除湿空调系统的表冷器处于干盘管运行，有利于提高进口 空气品质。 因此，太阳能溶液除湿空调系统在替代传统压缩式制冷系统方面具有其它系统无法比拟的优点，是 一种具有巨大潜力的新型空调系统。 1 3 溶液除湿文献综述 1 9 5 5 年l o f i 2 0 】首先提出太阳能溶液除湿空调系统的概念并建立了一套以三甘醇为工质的实验研 究系统。1 9 7 6 年k a k a b a e v 和k h a n d u r d y e v l 2 1 1 利用屋顶建立了一个太阳能开式再生的溶液除湿制冷 机。1 9 8 6 年w o r e k h 和m o 【2 2 1 建立溶液除湿蒸汽压缩复合制冷系统，发现在不同的室外条件下，该 系统比传统空调系统性能提高2 0 8 0 。美国国家再生能源研究室( n r e l ) 在美国能源部的资助下，成 立了“太阳能建筑研究发展项目”和“除湿供冷”课题项目组。i g t ( 美国燃气研究所) ，c s i j ( 科罗 拉多州立大学) 和a r m c ( 空调研究制造公司) 等都对除湿供冷技术进行了广泛的研究工作。 对溶液除湿供冷技术的研究主要集中在各种现有吸湿剂性能和新型吸湿剂的研制；各种再生除 湿器内传热、传质过程研究；低级再生能源的利用和系统各部件的影响等方面。 1 3 1 液体吸湿剂性能研究 最早用于溶液除湿空调系统的吸湿剂为三甘醇【2 们，由于它是有机溶剂，粘度大，在系统循环流 动会有部分滞留，粘附于空调系统表面，影响系统稳定，凼此限制了它在溶液除湿空调系统中应用， 它已逐渐被金属卤盐溶液所替代。l i b r , l i c l 和c a c l 2 是最常用的卤盐干燥剂，这几种盐溶液为难挥发 物质，但是具有一定腐蚀性，因此实验系统管道和设备要采用塑料、橡胶和不锈钢等防腐材料。l i b r 的主要物性参见文献 2 3 2 6 ，2 0 0 3 年c o n d e 综述了近一个多世纪来国际学者对氯化锂和氯化钙物性研 究成果，并给出这两种吸湿剂的密度、平衡水蒸气分压力、比热容等重要参数的数学表达式，为溶 液除湿冷却空调系统的数值理论研究奠定了基础【2 n ，其它有关两种溶液物性见文献 2 8 31 】。 氯化锂、溴化锂具有较高稳定性和较强吸湿能力，但是它的价钱昂贵，而氯化钙非常便宜但吸 湿性、稳定性差，因而国内外学者对各种盐溶液的混合物的物性及除湿性能比较进行了大量研究。 e r t a s 等【3 2 氯化锂和氯化钙的混合物作为除湿剂，并对它的密度、粘度、蒸汽压力等物性进行研究。 h a s s a n 掣3 3 1 对不同配比的c a c l 2 和c a ( n 0 3 ) 2 溶液水蒸气分压力进行实验研究，发现5 0 c a c l 2 和2 0 c a ( n o s ) 2 混合溶液水蒸气压力最低。s a l a v e r a ”j 等测量l i b r + l i i + l i n 0 3 + l i c i 在摩尔比为5 ：l ：1 ：2 时的溶 解度、比热和密度等参数。另外，近年来不少学者将有机溶剂掺入卤盐溶液中作为除湿剂，t s a i 等p 训 将三甘醇( t e g ) 和丙醇( p g ) 两种有机溶剂和l i c i _ 手l i c a c l 2 两种卤盐溶液分别组合成四种有机、无 机混合溶液，并对它们的物性进行实验测定。c h e n 等p 6 l 将二甘i 醋( d e g ) 、四甘醇及二丙二醇添加到 盐溶液中组成六种除湿溶剂，并对它们蒸汽压、密度进行实验测定。 除实验测定除湿溶液物性外，国内外学者利用热力学理论得到各种金属卤盐溶液及其混合溶液 3 东南大学博士学位论文 的物性参数。孙健等1 3 7 】采用经典热力学原理研究l i c i 汞i c a c i 2 溶液表面水蒸气分压力，获得相平衡理 论下两种混合溶液的表面蒸汽压，计算结果和实验结果基本吻合。张小松等p 叫运用电解质溶液理论 中的n r t l 方程分别计算l i c l 和c a c l 2 溶液及其混合溶液的蒸汽压力，这些计算结果与c o n d e 和e r t a s 给出的经验公式得到的结果吻合。a h m e d 等【3 9 】也同样基于经典热力学方法预测卤盐溶液溶液的水蒸 气分压力，并运用简单混合规则计算l i c l 和c a c l 2 混合溶液的蒸气压、密度及粘度等参数。 在混合溶液的除湿性能研究方面，国内东南大学施明恒等l 4 0 j 对比5 0 l i c l + 5 0 c a c l 2 、3 0 l i c i + 7 0 c a c l 2 及1 0 0 c a c l 2 三种溶液除湿性能，发现氯化锂和氯化钙以质量分数1 ：l 进行混合除湿性能 最佳。g a n d h i d a s a n 等1 4 l j 对l i c l 、c e l d ( 5 0 l i c l + 5 0 c a c l 2 ) 及c a c l 2 三种溶液的溶液侧传热及传 质系数进行比较。 1 3 2 各种再生除湿装置结构研究 在各种溶液除湿空调系统中，溶液除湿与再生装置是其中核心部件，不同除湿与再生器的结构 形式对除湿空调系统性能影响显著。常用的除湿再生器有喷淋室、填料塔等，填料塔的单位体积热 质交换面远大于喷淋室，因此它受到国内外学者的广泛关注。按填料装填方式不同，填料塔分为散 装填料和规整填料。根据填料的形状，散装填料可分为环形、鞍形、环鞍形，及球形填料等1 7 , 4 2 】。 规整填料是一种在塔内按几何图形排布，整齐堆砌的填料，它规定了气液流路，改善了沟流和壁流 现象，并且压降小，却可提供更大的比表面积。另外，规整填料还由于结构均匀、规则、对称性， 在与散装填料具有相同比表面积时，填料空隙更大，具有更大的空气通量。图1 3 为规整填料塔按填 料结构分类 4 2 1 ，规整填料的材质有金属、塑料、陶瓷及碳纤维等，可根据吸湿荆腐蚀性强弱选用不 同材质。早期用于溶液除湿空调系统的是散装填料塔，它能在相对小空间内提供更大气液接触面积， 可以提高质量传递量，但是需要更大的溶液流量才能达到好的润湿效果及空气进出口压差大1 4 3 州j 。 因此，近年来各种顺、逆流及叉流形式的溶液除湿装置都是采用规整填料塔【4 “9 1 。 规整填料 波纹型非波纹形 厂j 厂 垂直、凌纹型 水平波纹型： 栅格型： 板片型：绕圈型： 斯普雷帕克格里奇栅格压延金属板 古德洛填料 厂帕纳帕克 多孔金属板海泊菲尔填g t 网状：金属丝网 板状：金属孔板 塑料丝网 塑料孔板 网板陶瓷孔板 压延刺孔板 图1 3 规整填料结构分类 根据填料装置内是否有外界输入冷热量参与溶液与空气之间的热质交换过程，又可分为绝热型 与内冷( 热) 型两种形式。在溶液除湿( 或再生) 过程中，溶液与空气传质过程必