一种自冷式固体干燥剂降温除湿空调循环机理研究

Solid desiccant cooling technology has become a research focus for its features of energy-saving and eco-friendly. However, the conventional rotary desiccant wheel cooling system can't realize cooled dehumidification process. Also, its capacity of handling sensible load and its heat transfer efficiency in regeneration process is relatively insufficient. A novel self-cooled solid desiccant cooling cycle with temperature decreasing dehumidification is proposed to solve the above problems. In the newly developed cycle system, desiccant coated heat exchanger instead of conventional desiccant wheel is used and regenerative evaporative cooler is adopted to produce chilled water, which is again pumped into desiccant coated heat exchanger in dehumidification process to realize self-cooled dehumidification process. Similarly, in regeneration process, hot water heated by low grade thermal energy is adopted to regenerate the coated desiccant material. In this project, both theoretical and experimental investigation will be conducted on the analysis of thermodynamic mechanism, desiccant material as well as coupled heat and mass transfer mechanism. Based on these work, matching of desiccant material and performance of the system will be optimized. Also, the complex couple heat and mass transfer mechanism within the cycle will be revealed. At last, a highly efficient, energy-saving and environment-friendly solid deiccant cooling system will be developed, which can be driven by low grade energy (50-70 degree centigrade) under ARI summer and humid condition with high thermal COP(>1). The work will also provide theoretical and experimental support for internally cooled solid desiccant cooling system, as well as spark new idea on low grade energy utilization.

固体除湿空调技术以其节能和环保优势成为目前研究的热点。本项目针对常规固体转轮除湿循环难以实现冷却除湿、显热负荷处理能力和再生换热效率不高的问题，提出采用除湿换热器代替除湿转轮，利用再生式蒸发冷却产生的冷冻水作为除湿过程内冷源实现降温除湿的新方法，其再生过程是将低品位热能产生的热水作为加热内热源引入干燥剂解吸过程，通过除湿和再生过程的连续切换，构建新型的自冷式固体干燥剂降温除湿空调循环，其涉及的核心是除湿换热器。项目拟通过对循环热力学机理、金属基干燥剂特性、耦合传热传质机理等关键问题的研究，完成干燥剂材料的匹配优选，揭示双重内热源除湿换热器及整体循环的耦合传热传质机理，实现循环热力特性的优化，达到ARI夏季/潮湿工况下可采用50-70度热源驱动，同时热力COP大于1.0。最终形成一种高效节能型空气温湿度处理方法，旨在为内冷式固体除湿空调的研究提供理论和实践依据，并为低品位热能制冷提供思路。

固体除湿空调技术以其节能和环保优势成为进来空调领域研究的热点。本项目针对基于除湿转轮和直接蒸发冷却的常规固体转轮除湿循环难以实现冷却除湿、显热负荷处理能力不高的问题，提出基于除湿换热器和再生式蒸发冷却的自冷式固体干燥剂降温除湿空调循环。在研究过程中，首先对除湿换热器实现干燥剂降温除湿、内热再生及再生式蒸发冷却的原理进行热力学分析，完成新型内冷式循环的构建，并探讨了其热湿调控机理。其次，通过将干燥剂附着到金属铝箔片上构建金属基干燥剂样片，进行了金属基干燥剂材料的动态吸附、解吸性能测试；随后构建了开式除湿换热器动态热力性能测试台，进一步完成干燥剂材料的优选，并推导获得除湿换热器关键热质传递系数。再次，构建了除湿换热器双重内热源耦合传热传质的动态数学模型，分析了换热器参数对除湿换热器传热传质性能的影响，基于此建立了内反馈式整体循环的动态模型，模拟分析了整体循环在典型工况下的热力性能。最后，基于上述部件和理论研究，搭建了降温除湿循环的实验测试系统，在典型工况下进行了循环性能测试，结合实验和理论，通过回热循环进一步提高了循环参数，达到预期性能。通过上述研究内容的开展，发现除湿换热器管内通过的冷冻水在除湿过程中对处理空气进行显热负荷处理的同时带走了吸附剂释放的吸附热，解决了传统固体除湿空调的吸附热问题，使干燥剂的表面维持较低的水蒸汽分压力，提高了除湿换热器的除湿效率，达到了等温除湿的效果，同时通过内冷却水处理吸附热的方式，减少了能量的浪费，能耗减小。循环通过对再生温度以及再生蒸发冷却流量的调节，可以获得不同的潜热负荷和显热负荷处理能力的配比。综合考虑静态、动态除湿及再生能力，硅胶是循环中除湿换热器的优选干燥剂材料。模拟结果显示在典型ARI夏季工况下，循环可以在较低的再生温度下（50度）提供所需冷量，此外处理空气侧控制策略和切换时间是影响冷量大小的决定因素。上海夏季工况下的实际运行结果显示，循环可采用50-70度的低温热源驱动，循环热力COP在0.5左右，采用回热循环可有效提高循环热力COP至1.4。与传统固体转轮除湿空调循环相比，干燥剂降温除湿空调循环中的除湿换热器和再生式蒸发冷却器具有制作工艺相对简单、设备投资费用不高和易于安装等特点，可与普通的低成本太阳能热水集热器相结合，研究为内冷式固体除湿空调的研究提供理论和实践基础，并为低品位热能制冷提供新思路。