关键词：
低品位余热
溶液除湿
传热传质
系统性能
匹配设计
动态运行
摘要：
溶液除湿技术因其良好的除湿效果、环境舒适性、节能环保等优势,目前具有广泛的应用前景和市场需求。虽然低品位余热便可驱动溶液除湿系统,但实际中的余热通常具有波动性、间歇性的特点,并且不同场景下的余热温度和流量呈现出不同的变化特性。因此,余热变化给溶液除湿系统的设计与运行带来了挑战,同时也制约了其实际应用与发展。系统的设计与运行首先需要除湿与再生过程的有效匹配,而余热变化会影响除湿再生过程。目前研究对于再生过程多以固定热源为主,热源变化对除湿再生过程的影响机制尚不清晰,难以有效指导系统层面的匹配设计与协同运行。其次,目前尚未开展针对波动热源下系统动态运行特性研究,也便难以为系统运行调控提供理论依据。因此,本文以余热驱动溶液除湿系统运行稳定且高效节能的系统性能为目标,围绕除湿与再生过程的耦合影响、系统匹配以及系统动态运行这三方面展开研究,主要工作内容及结论如下:
1、基于统计分析理论与传热传质理论,通过实验与仿真分析方法全面探究了主要影响参数对除湿与再生过程的影响,并揭示了影响参数对除湿与再生过程的内外作用机制。
设计并搭建了溶液除湿与再生的实验平台,并结合正交设计与方差分析开展了主要设计及运行参数对除湿与再生性能影响的实验研究与分析。空气流量、溶液浓度及溶液温度均对除湿与再生性能有显著影响。因素间存在交互效应,然而液气流量比的影响有限且独立。在相同传热传质面积下,再生量平均高出除湿量1～3倍,并且宏观规律结果表明,关键参数对除湿与再生性能的影响关系有所区别。随后基于实验数据,通过参数辨识的方法建立了除湿与再生过程的传热传质理论模型,探究了在多因素作用下除湿与再生过程热质耦合传递的影响机制。结果表明,关键因素对除湿与再生过程影响的主导机制有所差异。除湿过程由除湿风量通过影响空气与溶液间的传质系数占主导作用,而再生过程则由溶液温度与浓度通过影响空气与溶液间的传质驱动力占主导作用。
2、建立了余热驱动溶液除湿系统的稳态仿真数学模型,探明了余热温度与流量变化对系统稳态性能的影响规律,提出了余热与系统性能之间的匹配设计准则。
首先探究了不同余热温度与流量条件对再生性能和关键耦合参数的影响规律,再生量随溶液流量的增加呈非单调变化趋势,并且在不同余热温度与流量下再生量的极值点也会发生改变。然后,基于建立的除湿与再生过程的匹配方法,探究了余热变化对系统稳态性能的影响规律。在关键匹配参数中,溶液浓度决定了适配的余热温度范围,45%比38%浓度所能匹配的余热温度下限高出近10℃。通过适当增加除湿填料长高比、除湿与再生的传质面积比和溶液循环回热均能有效提升系统稳态性能,包括系统性能系数（COPe）和热能效比（COPh）。然而,升高溶液除湿温度会降低系统性能,其原因为满足相同除湿需求时,因除湿温度的降低反而会消耗更多比例的溶液流量。当余热条件一定时,溶液浓度越高,COPe与COPh越高,但浓度越高需匹配更高温度的余热。相应地,若要求溶液浓度设计较低时,需匹配更低的余热温度,系统性能会更加经济。
3、构建了余热驱动溶液除湿系统的非线性动态模型,明晰了不同余热阶跃变化条件下系统的动态特性,并结合比例积分控制（PI）算法,提出了余热动态变化下溶液除湿系统的控制策略。
基于建立的系统动态模型,通过仿真分析探究了不同余热温度与流量阶跃扰动下系统的动态特性。余热温度比流量的扰动对除湿稳定性的影响更明显,并且余热温度阶跃幅值越大,对出口含湿量的影响越大。在65～85℃的上升和下降阶跃条件下,出口含湿量均超过了8%的变化,并且在温度阶跃下降且板间流速从0.15 m/s降至0.05 m/s时,出口含湿量的变化高达36.4%。基于传统PI控制,提出了两种控制策略并比较了两种策略的除湿稳定性与能耗。在PI参数通过优化算法整定最优的前提下,余热连续阶跃变化时,通过调控除湿风量的方法具有更好的输出稳定性,但无法保证系统完全稳定,需要较长时间的反馈调节,而两种策略的能耗优劣取决于系统的设计工况点。
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