作者姓名：劉曉華
!E> *Mn 論文題目：溶液調濕式空氣處理過程中熱濕耦合傳遞特性分析
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Ulz 作者簡介：劉曉華，女，1980年9月出生，2002年9月師從于清華大學江億教授（中國工程院院士），于2007年7月獲博士學位。
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[l},nw 中文摘要
5 %q26 & 溶液式空氣處理裝置是與常規空調完全不同的空氣處理方式，其不是通過對空氣進行降溫到露點以下使水蒸氣凝結從而除濕，而是通過液體吸濕劑與濕空氣直接接觸實現對空氣的濕度處理過程。與傳統的空氣處理方式相比，采用溶液式空氣處理方式，具有如下優越性：取消了冷凝水表面，消除了霉菌等生長所需的潮濕環境；既可以對空氣除濕處理，又能實現冬季對于空氣的加濕處理過程；可方便調節處理后的相對濕度，不再是常規冷凝除濕方式中接近100%相對濕度的出口空氣參數；避免了常規空調系統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溶液再生，節省系統電耗。然而值得注意的是，盡管這種溶液式空氣處理方式已出現近70年，但由于空氣處理流程內在的問題，導致能源利用效率低于常規空調，因此并未得到廣泛應用。本研究試圖從溶液與空氣之間最基礎也是最重要的傳熱傳質過程出發，深入剖析傳熱過程與傳質過程的相互耦合影響，設法利用傳熱過程促進傳質過程的進行，使溶液式空氣處理方式的能源利用效率大幅度提高，從而替代目前空調系統中的空氣處理方式，得到大幅降低能耗、精確控制室內溫濕度和改善室內空氣品質的效果。
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s 論文的主要研究工作為：
[,-MC7>] 首先，對溶液與空氣熱質交換過程中傳熱、傳質作用相互耦合影響的現象以及原因進行了全面的分析。給出了順、逆、叉流不同流型下，溶液與空氣絕熱熱質交換過程的數學模型，通過與溶液除濕/再生工況的大量實驗數據的對比分析表明：Le數等于1時，求解結果與實驗結果很好的吻合。溶液與空氣之間的傳熱驅動力 、傳質驅動力 相互耦合、影響，可能出現溶液與空氣出口溫度或（等效）含濕量超出二者進口參數所界定范圍的情況。相互耦合影響的傳熱驅動力 與傳質驅動力 ，可表示為相互獨立的焓差驅動力 和相對濕度差驅動力 。 表征全熱換熱能力、 表征擴散到平衡的窮盡程度，溶液與空氣出口參數在互相獨立的兩驅動力所界定的范圍內變化。
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<R, 其次，在相互獨立的熱質交換過程驅動力的基礎上，提出了任意狀態的溶液與空氣熱質交換過程所能達到的處理區域在：①空氣進口等焓線；②溶液進口等濃度線（或等效相對濕度線）；③兩進口參數的連線所構成的三角形區域內。邊界線①和②與相互獨立的熱質交換驅動力一致，邊界線③的物理意義為：當溶液流量相對于空氣流量非常大，熱質交換過程對溶液狀態的影響可以忽略不計時，空氣處理過程的終狀態點就位于兩流體進口狀態的連線上。溶液與空氣熱質交換過程的可及處理區域刻畫出了任意狀態的溶液與空氣的熱濕處理過程所能達到的處理狀態，該可及處理區域適用于任意狀態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。
y`=A$>A 在可及處理區域的基礎上，得到影響熱質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系數外，溶液與空氣的進口狀態（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。以溶液的進口狀態為中心，根據空氣進口狀態相對于進口溶液狀態的位置，在焓濕圖上劃分成熱質交換性能不同的A～D四個處理區域：A和D區為除濕區、B和C區為再生區；A和C區全熱換熱方向與傳質方向相同、而B和D區相反。在相同條件下，位于A區的除濕（傳質）效果遠優于處在D區的冷卻空氣方式的除濕效果，位于C區的加熱溶液方式的再生（傳質）效果遠優于處在B區的加熱空氣方式。相同條件下，位于A區的除濕過程和位于C區的再生過程中，逆流熱質交換裝置的傳質性能最優，順流裝置最差，叉流裝置介于二者之間；但對于B區的再生過程和D區的除濕過程，當溶液濃度變化較小（通常情況）時，順流裝置的傳質性能最優，逆流裝置最差，流型的優劣排序與A和C區有著明顯的差異。
i U{F\> 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，發現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，可以應用顯熱換熱過程的結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交換過程中，傳熱過程與傳質過程相互影響，目前普遍采用的借鑒傳熱學分析方法的對數平均濕差 法分析溶液與空氣的傳質過程，可能出現無意義或者計算結果與實際工況偏離較大的情況。本文提出采用對數平均焓差 法分析溶液與空氣的熱濕傳遞過程，計算結果與實際工況很好的吻合。
;]MHU/ 綜合考慮溶液與空氣熱質交換裝置的傳熱傳質性能與壓降損失，給出了處于不同分區內的單元熱質交換裝置的性能優化分析方法。溶液與空氣熱質交換過程所能達到的理想效率為熱容量比m*、進口無量綱參數 與 的函數；可采用有效度 來衡量現有裝置相對于理想裝置的性能差異，從而為進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，優化后的尺寸為600×350×830mm3，優化后的傳熱傳質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%。
1A"> tgA1 最后，在上述理論的指導下（譬如，熱質交換過程宜位于A、C區，使傳熱過程盡可能促進傳質過程等），以單元熱質交換裝置為基礎構建出了溶液式全熱回收裝置、熱泵驅動和余熱驅動的多種形式的溶液調濕式空氣處理設備，并在實際應用中取得了顯著的節能效果。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可以使得傳熱傳質驅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結合的溶液調濕新風機組，冬、夏測試工況下新風機組的性能系數COP均超過5。采用70～75℃熱源驅動的溶液調濕新風機組的性能系數為1.2，遠高于熱水驅動的吸收式制冷機的性能系數，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構有著重要意義。與國際上的研究成果相對比，熱泵驅動的溶液調濕新風機組的性能系數提高了28%，余熱驅動的溶液調濕新風機組的性能系數提高了約50%。溶液調濕新風機組處理后的干燥空氣，可承擔建筑所有的濕負荷從而有效地控制室內濕度，是溫濕度獨立控制空調系統的核心組成部件；而且可使用17℃左右的冷水（不再是常規空調系統中的7℃冷水）實現對室內溫度的控制調節，為地下水、土壤等天然冷源的使用提供了條件。實際應用效果表明：當溶液再生熱量可以免費獲得時，溫濕度獨立控制空調系統的運行能耗僅為常規空調系統的50%左右；當再生熱量不能免費獲得時，則能比常規空調系統節省20%～30%的運行能耗。
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博士論文創新成果主要體現在以下幾個方面：
^!1 mChf 在基礎研究方面，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交換過程終狀態的可及范圍；2）分析了不同入口條件下熱濕傳遞過程的各自特點，據此提出了處理過程的區域劃分方法，并給出了各區域的優化分析方法與熱質交換過程所推薦的區域；3）揭示了溶液與空氣的熱質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-空氣熱質交換體系的特征。以第一作者發表SCI檢索文章8篇、EI檢索文章6篇。
X<_(gg 在空氣處理流程與工程應用方面，1）利用上述傳熱傳質過程的結論，構建出溶液全熱回收裝置、熱泵與余熱驅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設備的能源利用效率，并提出基于溶液調濕方式的溫濕度獨立控制空調系統形式；2）與課題組成員一起，研制出一系列溶液式空調樣機并實現產品化，應用上述新處理流程的設備性能明顯優于國外同類產品，已在北京奧林匹克森林公園藝術中心、上海建科院辦公樓、深圳招商地產辦公樓等二十余個建筑中應用，取得了顯著的節能效果，約比常規空調系統節能30%。作者已獲得授權的發明專利3項、實用新型專利4項（該實用新型專利同時申報了發明專利，其中3項發明專利在2008年7月至12月期間已授權，另有1項發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系統》的專著；溶液式空調方式的研究成果榮獲2007年度國家技術發明獎二等獎（作者為第四完成人，學生中第一完成人）。
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