摘要
推广高效制冷技术为实现双碳目标指明了新方向，膜式溶液除湿技术作为一种高效的、节能的新型除湿制冷技术或将成为溶液除湿领域的新研究焦点。太阳能驱动的中空纤维膜溶液除湿系统以洁净可再生的太阳能为热源，为除湿溶液的循环使用提供再生热量，有效节约系统能耗，提高系统能效。系统采用以高选择性复合膜组装而成的中空纤维膜组件作为除湿器，空气和溶液在组件内间接接触进行热质交换，有效保证空气品质，避免气液夹带和霉菌污染问题。不少学者研究了中空纤维膜组件的传热传质机制、热力学性能和结构优化，还研究了不同热源驱动的膜式除湿系统的热力学性能。对于本文研究系统，其研究重点主要集中在热力学性能分析、实验研究及能量匹配问题上，对整个研究系统的热力学优化尚且没有进一步的研究。因此，本文通过应用有限时间热力学的优化理论，对系统的传热和传质过程分别进行优化，有效减少热质传递过程的不可逆损失，从而提高系统能效。具体的研究内容如下： (1)建立本系统的数学模型。分别对系统各传热传质部件建立模型，进行数值模拟，并用搭建的试验台进行验证，计算相对误差，误差均在?10%以内，所建模型具有可行性。 (2)运用有限时间热力学理论对系统的传热过程进行优化。分别以熵产生最小化和（火积）耗散最小化为优化目标，建立传热优化方程，并与恒流体温度和恒热流率策略进行对比。结果表明，系统熵产生值随着传热的进行从0.615W/K增长到0.648W/K，（火积）耗散从63775.7W?K递增到66279.3W?K。熵产生和（火积）耗散最大和最小的部件分别是溶液-溶液换热器和除湿器，主要和传热温差、质量传递伴随的潜热变化相关。在四种不同传热策略中，对于有热漏的太阳能集热器，熵产生最小时，热侧温差变化最大且非线性趋势最明显。对于无热漏的换热器和中空纤维膜组件，（火积）耗散最小和热流率恒定策略下，热侧温度变化规律相同，熵产生最小时，热侧温差最大。 (3)对系统的传质过程进行有限时间热力学优化。定义了质量积耗散数，分析其影响因素；研究不同运行工况对湿阻的影响；以质量积耗散最小化为优化目标，建立传质优化方程，得到流体湿度的最优构型。结果表明，质量积耗散数随着传质单元数和有效度的增大而减小。相同质量流量比下，空气温度对湿阻的影响最大，设定工况下，湿阻在15.91s/kg和23.89s/kg之间变化。由于组件湿差较小，组件中流体的湿度随时间呈近似线性规律变化。系统最小质量积耗散为1.367×10-6kg/s。
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