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空气循环制冷系统因其工质无污染,系统结构简单的优良特性,具有良好的发展前景,但由于空气中含湿量较高,在较低温度下空气中的水蒸气会凝结成液滴甚至会结冰,严重影响了系统的稳定运行和系统的制冷性能。开展空气循环制冷系统的除湿研究,为提高空气循环制冷系统的性能奠定基础,并提升系统运行的持久性及可靠性。本文针对原有空气制冷循环系统运行不稳定且系统中含湿量较高的问题,重新设计并增加膜除湿组件,对改进后系统的除湿效果及系统性能进行了理论分析和实验研究。首先,基于集总参数法和能量守恒方程建立了系统各部件的数学模型,采用MATLAB编写仿真程序,分析了干空气及湿空气状态下不同扫气方式、膜除湿组件进口压力、压气机进气压力及环境温度对系统除湿效果及系统性能的影响。其次,对原有空气循环制冷系统进行改建,设计并新加入膜除湿组件,利用膜除湿器中膜两侧水蒸气分压力差作为驱动力,对系统进行集中除湿。在变工况条件下对系统的除湿性能和系统制冷性能进行实验研究,分析了膜除湿组件进口压力和压气机进气压力等对系统除湿性能和系统制冷性能的影响。模拟及实验结论如下:(1)模拟结果表明,采用外扫气方式可节省自扫气方式时消耗的部分干燥气体,相同回热循环下,系统平均COP可提高25.3%。(2)湿空气模拟结果表明,随着膜除湿组件进口压力的提升,三种回热循环下透平膨胀机进气含湿量和水蒸气在透平膨胀机中凝结量均逐渐减少。二次回热循环中透平膨胀机进气含湿量可降低73.9%,水蒸气在膨胀机中的凝结量可以降低75.5%,当膜除湿组件进口压力为700kPa时,透平膨胀机进气含湿量为0.049g/kg,此时水蒸气在透平膨胀机中的冷凝量为0.043g/kg。随着压气机进气压力的提升,不同膜除湿器进气压力下,水蒸气在透平膨胀机内的凝结量均逐渐增大。膜除湿组件进口压力为700kPa时,压气机进气压力由160kPa提升至200kPa,水蒸气在透平膨胀机中的冷凝量由0.013g/kg提升至0.043g/kg。随着环境温度的降低,透平膨胀机进气含湿量和水蒸气在透平膨胀机中的冷凝量均逐渐减小。二次回热循环下环境温度由20℃降低至0℃,透平膨胀机进气含湿量降低了67.7%,环境温度为0℃时,透平膨胀机进气含湿量最低为0.02g/kg,此时水蒸气在透平膨胀机中的冷凝量为0.018g/kg。(3)湿空气模拟结果表明,随着压气机进气压力的提升,透平膨胀机出口温度逐渐降低,系统制冷量和系统COP逐渐增大。当压气机进气压力为200kPa时透平膨胀机出口温度最低为-60.6℃,此时系统制冷量和系统COP分别为5.26kW和0.128。随着环境温度的降低,透平膨胀机出口温度逐渐降低,系统制冷量及系统COP逐渐增大。二次回热循环下环境温度由20℃降低至0℃,透平膨胀机出口温度降低了14.4%,系统制冷量及系统COP分别升高了29.8%和34.2%。0℃时透平膨胀机出口温度最低为-67℃,系统制冷量及系统COP分别为6.36kW和0.16。(4)干空气模拟结果表明,随着气源压力的提升系统耗功量增大,系统COP降低。气源压力由200kPa提升至750kPa系统耗功增加了72.2%。气源压力200kPa时系统COP最高为0.448。环境温度的降低同样使得系统制冷量和系统COP得以提升,环境温度0℃时系统制冷量和系统COP分别为5.57kW和0.57。(5)实验结果表明,膜除湿组件进口压力的提升可以有效提高系统的除湿效果,膜除湿组件进口压力由300kPa提升至700kPa,二次回热循环下透平膨胀机进气含湿量降低了36.4%,水蒸气的冷凝量降低了58.5%,但是系统COP由0.25降低至0.13。当膜除湿组件进口压力700kPa时,透平膨胀机进气含湿量最低为0.107g/kg。此时水蒸气在透平膨胀机中的冷凝量仅为0.044g/kg。(6)实验结果表明,压气机进气压力的提升对系统除湿性能影响不大,但随着压气机进气压力由160kPa提高至200kPa,二次回热循环下透平膨胀机的排气温度降低了11.9℃,系统制冷量增加了1.41kW,系统最大COP为0.16。