2009年全國優(yōu)秀博士學(xué)位論文中英文摘要:溶液調(diào)濕式空氣處理過程中熱濕耦合傳遞特性分析
作者姓名:劉曉華
論文題目:溶液調(diào)濕式空氣處理過程中熱濕耦合傳遞特性分析
作者簡介:劉曉華,女,1980年9月出生,2002年9月師從于清華大學(xué)江億教授(中國工程院院士),于2007年7月獲博士學(xué)位。
中文摘要
溶液式空氣處理裝置是與常規(guī)空調(diào)完全不同的空氣處理方式,其不是通過對空氣進(jìn)行降溫到露點以下使水蒸氣凝結(jié)從而除濕,而是通過液體吸濕劑與濕空氣直接接觸實現(xiàn)對空氣的濕度處理過程。與傳統(tǒng)的空氣處理方式相比,采用溶液式空氣處理方式,具有如下優(yōu)越性:取消了冷凝水表面,消除了霉菌等生長所需的潮濕環(huán)境;既可以對空氣除濕處理,又能實現(xiàn)冬季對于空氣的加濕處理過程;可方便調(diào)節(jié)處理后的相對濕度,不再是常規(guī)冷凝除濕方式中接近100%相對濕度的出口空氣參數(shù);避免了常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)冷凝除濕后溫度過低還需再熱帶來的冷熱抵消問題;可以充分利用低品位能源如太陽能和廢熱實現(xiàn)溶液再生,節(jié)省系統(tǒng)電耗。然而值得注意的是,盡管這種溶液式空氣處理方式已出現(xiàn)近70年,但由于空氣處理流程內(nèi)在的問題,導(dǎo)致能源利用效率低于常規(guī)空調(diào),因此并未得到廣泛應(yīng)用。本研究試圖從溶液與空氣之間最基礎(chǔ)也是最重要的傳熱傳質(zhì)過程出發(fā),深入剖析傳熱過程與傳質(zhì)過程的相互耦合影響,設(shè)法利用傳熱過程促進(jìn)傳質(zhì)過程的進(jìn)行,使溶液式空氣處理方式的能源利用效率大幅度提高,從而替代目前空調(diào)系統(tǒng)中的空氣處理方式,得到大幅降低能耗、精確控制室內(nèi)溫濕度和改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的效果。
論文的主要研究工作為:
首先,對溶液與空氣熱質(zhì)交換過程中傳熱、傳質(zhì)作用相互耦合影響的現(xiàn)象以及原因進(jìn)行了全面的分析。給出了順、逆、叉流不同流型下,溶液與空氣絕熱熱質(zhì)交換過程的數(shù)學(xué)模型,通過與溶液除濕/再生工況的大量實驗數(shù)據(jù)的對比分析表明:Le數(shù)等于1時,求解結(jié)果與實驗結(jié)果很好的吻合。溶液與空氣之間的傳熱驅(qū)動力?、傳質(zhì)驅(qū)動力?相互耦合、影響,可能出現(xiàn)溶液與空氣出口溫度或(等效)含濕量超出二者進(jìn)口參數(shù)所界定范圍的情況。相互耦合影響的傳熱驅(qū)動力?與傳質(zhì)驅(qū)動力?,可表示為相互獨立的焓差驅(qū)動力?和相對濕度差驅(qū)動力?。?表征全熱換熱能力、?表征擴(kuò)散到平衡的窮盡程度,溶液與空氣出口參數(shù)在互相獨立的兩驅(qū)動力所界定的范圍內(nèi)變化。
其次,在相互獨立的熱質(zhì)交換過程驅(qū)動力的基礎(chǔ)上,提出了任意狀態(tài)的溶液與空氣熱質(zhì)交換過程所能達(dá)到的處理區(qū)域在:①空氣進(jìn)口等焓線;②溶液進(jìn)口等濃度線(或等效相對濕度線);③兩進(jìn)口參數(shù)的連線所構(gòu)成的三角形區(qū)域內(nèi)。邊界線①和②與相互獨立的熱質(zhì)交換驅(qū)動力一致,邊界線③的物理意義為:當(dāng)溶液流量相對于空氣流量非常大,熱質(zhì)交換過程對溶液狀態(tài)的影響可以忽略不計時,空氣處理過程的終狀態(tài)點就位于兩流體進(jìn)口狀態(tài)的連線上。溶液與空氣熱質(zhì)交換過程的可及處理區(qū)域刻畫出了任意狀態(tài)的溶液與空氣的熱濕處理過程所能達(dá)到的處理狀態(tài),該可及處理區(qū)域適用于任意狀態(tài)的溶液與空氣的降溫除濕、加熱除濕、加熱加濕、降溫加濕等各種熱濕交換過程的分析,從而為溶液與空氣的熱濕處理過程指明了方向。
在可及處理區(qū)域的基礎(chǔ)上,得到影響熱質(zhì)交換效果的核心因素除了眾所熟知的溶液與空氣的流動形式(順流、逆流、叉流)、溶液與空氣的流量比與傳熱傳質(zhì)系數(shù)外,溶液與空氣的進(jìn)口狀態(tài)(溶液溫度與濃度、空氣溫度與含濕量)也在很大程度上決定了除濕與再生過程的特性。以溶液的進(jìn)口狀態(tài)為中心,根據(jù)空氣進(jìn)口狀態(tài)相對于進(jìn)口溶液狀態(tài)的位置,在焓濕圖上劃分成熱質(zhì)交換性能不同的A~D四個處理區(qū)域:A和D區(qū)為除濕區(qū)、B和C區(qū)為再生區(qū);A和C區(qū)全熱換熱方向與傳質(zhì)方向相同、而B和D區(qū)相反。在相同條件下,位于A區(qū)的除濕(傳質(zhì))效果遠(yuǎn)優(yōu)于處在D區(qū)的冷卻空氣方式的除濕效果,位于C區(qū)的加熱溶液方式的再生(傳質(zhì))效果遠(yuǎn)優(yōu)于處在B區(qū)的加熱空氣方式。相同條件下,位于A區(qū)的除濕過程和位于C區(qū)的再生過程中,逆流熱質(zhì)交換裝置的傳質(zhì)性能最優(yōu),順流裝置最差,叉流裝置介于二者之間;但對于B區(qū)的再生過程和D區(qū)的除濕過程,當(dāng)溶液濃度變化較?。ㄍǔG闆r)時,順流裝置的傳質(zhì)性能最優(yōu),逆流裝置最差,流型的優(yōu)劣排序與A和C區(qū)有著明顯的差異。
而后,重點分析了溶液與空氣的熱濕耦合傳遞過程與單純顯熱換熱過程的異同,發(fā)現(xiàn)溶液與空氣的全熱交換過程(用焓表征)與單純顯熱換熱過程(用溫度表征)有著相似的形式,可以應(yīng)用顯熱換熱過程的結(jié)果分析溶液與空氣全熱換熱過程的特性。但由于在溶液與空氣的熱質(zhì)交換過程中,傳熱過程與傳質(zhì)過程相互影響,目前普遍采用的借鑒傳熱學(xué)分析方法的對數(shù)平均濕差?法分析溶液與空氣的傳質(zhì)過程,可能出現(xiàn)無意義或者計算結(jié)果與實際工況偏離較大的情況。本文提出采用對數(shù)平均焓差?法分析溶液與空氣的熱濕傳遞過程,計算結(jié)果與實際工況很好的吻合。
綜合考慮溶液與空氣熱質(zhì)交換裝置的傳熱傳質(zhì)性能與壓降損失,給出了處于不同分區(qū)內(nèi)的單元熱質(zhì)交換裝置的性能優(yōu)化分析方法。溶液與空氣熱質(zhì)交換過程所能達(dá)到的理想效率為熱容量比m*、進(jìn)口無量綱參數(shù)?與?的函數(shù);可采用有效度?來衡量現(xiàn)有裝置相對于理想裝置的性能差異,從而為進(jìn)一步提高其性能指明方向。原有叉流除濕/再生模塊的尺寸為500×500×1200mm3,優(yōu)化后的尺寸為600×350×830mm3,優(yōu)化后的傳熱傳質(zhì)效果與壓降損失與原有裝置類似,但體積僅為原有裝置的58%。
最后,在上述理論的指導(dǎo)下(譬如,熱質(zhì)交換過程宜位于A、C區(qū),使傳熱過程盡可能促進(jìn)傳質(zhì)過程等),以單元熱質(zhì)交換裝置為基礎(chǔ)構(gòu)建出了溶液式全熱回收裝置、熱泵驅(qū)動和余熱驅(qū)動的多種形式的溶液調(diào)濕式空氣處理設(shè)備,并在實際應(yīng)用中取得了顯著的節(jié)能效果。對于溶液式全熱回收裝置,在不增加體積投入的情況下,增加熱回收裝置的級數(shù)可以使得傳熱傳質(zhì)驅(qū)動力場分布更加均勻,是提高其效率的有效措施。由溶液式全熱回收裝置和熱泵系統(tǒng)結(jié)合的溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組,冬、夏測試工況下新風(fēng)機(jī)組的性能系數(shù)COP均超過5。采用70~75℃熱源驅(qū)動的溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組的性能系數(shù)為1.2,遠(yuǎn)高于熱水驅(qū)動的吸收式制冷機(jī)的性能系數(shù),為夏季高效利用低品位熱能提供了有效途徑,對于我國城市能源結(jié)構(gòu)有著重要意義。與國際上的研究成果相對比,熱泵驅(qū)動的溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組的性能系數(shù)提高了28%,余熱驅(qū)動的溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組的性能系數(shù)提高了約50%。溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組處理后的干燥空氣,可承擔(dān)建筑所有的濕負(fù)荷從而有效地控制室內(nèi)濕度,是溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)的核心組成部件;而且可使用17℃左右的冷水(不再是常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中的7℃冷水)實現(xiàn)對室內(nèi)溫度的控制調(diào)節(jié),為地下水、土壤等天然冷源的使用提供了條件。實際應(yīng)用效果表明:當(dāng)溶液再生熱量可以免費獲得時,溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)的運行能耗僅為常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的50%左右;當(dāng)再生熱量不能免費獲得時,則能比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)省20%~30%的運行能耗。
博士論文創(chuàng)新成果主要體現(xiàn)在以下幾個方面:
在基礎(chǔ)研究方面,1)分析了熱濕耦合傳遞過程的可及性,提出了溶液與空氣的熱質(zhì)交換過程終狀態(tài)的可及范圍;2)分析了不同入口條件下熱濕傳遞過程的各自特點,據(jù)此提出了處理過程的區(qū)域劃分方法,并給出了各區(qū)域的優(yōu)化分析方法與熱質(zhì)交換過程所推薦的區(qū)域;3)揭示了溶液與空氣的熱質(zhì)交換過程與單純顯熱換熱過程的異同,利用相似性直接獲得溶液-空氣熱質(zhì)交換體系的特征。以第一作者發(fā)表SCI檢索文章8篇、EI檢索文章6篇。
在空氣處理流程與工程應(yīng)用方面,1)利用上述傳熱傳質(zhì)過程的結(jié)論,構(gòu)建出溶液全熱回收裝置、熱泵與余熱驅(qū)動的多種形式的溶液除濕與再生裝置的新處理流程,顯著提高了溶液式空調(diào)設(shè)備的能源利用效率,并提出基于溶液調(diào)濕方式的溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)形式;2)與課題組成員一起,研制出一系列溶液式空調(diào)樣機(jī)并實現(xiàn)產(chǎn)品化,應(yīng)用上述新處理流程的設(shè)備性能明顯優(yōu)于國外同類產(chǎn)品,已在北京奧林匹克森林公園藝術(shù)中心、上海建科院辦公樓、深圳招商地產(chǎn)辦公樓等二十余個建筑中應(yīng)用,取得了顯著的節(jié)能效果,約比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能30%。作者已獲得授權(quán)的發(fā)明專利3項、實用新型專利4項(該實用新型專利同時申報了發(fā)明專利,其中3項發(fā)明專利在2008年7月至12月期間已授權(quán),另有1項發(fā)明專利仍在審查過程中);以第一作者出版了《溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)》的專著;溶液式空調(diào)方式的研究成果榮獲2007年度國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎(作者為第四完成人,學(xué)生中第一完成人)。
關(guān)鍵詞:溶液除濕,再生,溫濕度獨立控制,傳熱傳質(zhì)裝置,空氣調(diào)節(jié)