采用混合空氣作為再生空氣的集熱型溶液再生過程研究

洪 華,裴清清,梁玉紅

(廣州大學土木工程學院,廣州510006)

0 引 言

太陽能溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)是一種新型的空調(diào)系統(tǒng),可以利用低品位的熱源加熱溶液進行再生,是太陽能在建筑空調(diào)中的一種新的利用方式,具有廣闊的發(fā)展前景,因此引起越來越多的關(guān)注,國內(nèi)外很多研究人員已經(jīng)對溶液除濕系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計、系統(tǒng)形式作了大量的理論分析與實驗研究,并進行了改進。

以往對于集熱型溶液再生系統(tǒng)的研究都是采用室外空氣作為再生空氣直接通入集熱再生器與溶液進行熱質(zhì)交換。在高溫高濕地區(qū),室外空氣濕度大,與溶液表面水蒸氣分壓力差小,導致溶液再生效率降低,減小溶液除濕空調(diào)的節(jié)能效果。針對這一情況,提出以室內(nèi)排風混合室外空氣得到濕度相對較低的混合空氣作為再生空氣的再生系統(tǒng)方案。以LiCl溶液作為再生溶液,通過數(shù)學模型對該系統(tǒng)性能進行研究。

1 系統(tǒng)方案

圖1是以混合空氣作為再生空氣的集熱型再生系統(tǒng)原理圖。如圖室內(nèi)排風通過風管與室外空氣混合后被送到集熱再生器入口,再生器內(nèi)的稀溶液通過太陽輻射被加熱到較高溫度,從而提高其表面水蒸氣分壓力。加熱后的稀溶液與送入再生器的再生空氣接觸,由于水蒸氣分壓力差的驅(qū)動,溶液中水分將會蒸發(fā)到空氣中,稀溶液蒸發(fā)濃縮之后通過換熱器降溫并送到除濕機組噴淋新風。新風經(jīng)噴淋除濕后送入室內(nèi)承擔室內(nèi)的濕負荷。

圖1 以混合空氣作為再生空氣的集熱型再生系統(tǒng)原理圖

2 建立數(shù)學模型及求解

集熱再生實際過程中發(fā)生的傳熱傳質(zhì)是復雜的非穩(wěn) 態(tài) 過 程。韓 俊 召[2]、郭 永 聰[3]等 在S.ALIZADEH模型[10]的基礎(chǔ)上分別用太陽能熱損失系數(shù)評估邊界條件,建立了閉式再生器的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型,彭冬根[6]則建立了基于NTU的集熱再生數(shù)學模型。這里為了研究和比較方便,選擇前者穩(wěn)態(tài)建模思路。

為簡化計算過程,作如下假設:

①除濕溶液是牛頓流體,其物理性質(zhì)穩(wěn)定且不依賴于溫度和濃度的變化;

②溶液降膜流動過程中空氣流量與溶液流量不變;

③溶液向再生空氣的傳熱傳質(zhì)遵循劉易斯關(guān)系式;

④整個熱質(zhì)交換過程中空氣和溶液降膜的平均溫度均為進出口溫度的平均值。

對單位寬度和長度L上,整個再生過程的能量平衡方程為:

氣液界面的傳熱傳質(zhì)方程為:

h可由外掠平板換熱準則關(guān)聯(lián)式計算。將空氣流速ua作為定性速度。hm可由劉易斯關(guān)系式h/hm=ρaCpaLe-2/3計算。溶質(zhì)的質(zhì)量平衡方程為

溶液表面水蒸氣分壓力與溶液濃度關(guān)系式[5]如下,其中B0、C0是經(jīng)驗常數(shù),對于LiCl溶液,B0=-2.718,C0=-19.5787

上述公式中:

I—太陽輻射強度,kW/m2;

(τ α)—透射吸收比乘積;

ε—熱損失系數(shù),可參照平板型太陽能熱水器的熱損失系數(shù);

t—溫度,℃;

tam—環(huán)境空氣溫度;

T—絕對溫度,K;

W—再生量,g/s;

r—水蒸氣的汽化潛熱,kJ/kg;

m—質(zhì)量流量,kg/s;

Cp—比熱容,kJ/(kg·℃);

d—含濕量,g/kg(干空氣);

P—壓力,Pa;

Pb—大氣壓力,Pa;

ξ—溶液濃度;

h—對流換熱系數(shù),kW/(m2·℃);

hm—對流傳質(zhì)系數(shù),kg/(m2·s);

ρ—密度,kg/m3;

Rq—水蒸氣氣體常數(shù)。

下角標:a表示空氣;s表示溶液;i表示進口;o表示出口。

由于在計算溶液再生量W時需要知道空氣和溶液的溫度或蒸汽壓,因此很難直接得出W的表達式,可以采用下面的方法對W求解。具體步驟如下:

①首先假定Tso;

②根據(jù)空氣物性參數(shù)與已知條件,可以求得h與hm,并將Tso代入公式 (2),可求得Tao;

③將Tso、Tao代入公式(1),可求得再生量W;

④將W代入公式 (4),可以求得dao;

⑤由式 (3),可以求得Pa,ave;

⑥根據(jù)W1值,由式 (6)、(7)求得Ps,ave;

⑦根據(jù)Pa,ave與Ps,ave值,由式 (5)計算W2;

根據(jù)文獻 [2]的實驗數(shù)據(jù),選取其中一組數(shù)據(jù)與模擬值進行比較。

計算中取:

I=695kW/m2;

τ=0.9(有機板透過率);

α=0.9(銅板吸收率);

ε=5W/(m2·℃);

tsi=33℃;

ms=120kg/h;

ma=360kg/h;

tai=34℃;

d=12.5g/kg。

計算結(jié)果如圖2所示,實驗值與模擬計算值雖然不能完全相同,但是變化趨勢和再生量能基本吻合,從而說明了實驗模型的正確性。

3 計算結(jié)果分析

根據(jù)所建立的數(shù)學模型,以廣州地區(qū)7月份天氣參數(shù)為例,當全部采用室外空氣或室內(nèi)排風作為再生空氣時計算其再生量的不同。廣州地區(qū)7月份氣象參數(shù),室外溫度取31℃,含濕量為20.5g/kg。按空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范,室內(nèi)設計溫度取26℃,相對濕度 60%,含濕量為12.6g/kg。I=500W/m2(根據(jù)廣州地區(qū)7月份太陽輻射強度數(shù)據(jù)選取);τ=0.9(有機板透過率);α=0.8(銅板吸收率);ε=5W/(m2·℃)(參照平板集熱器選取);室內(nèi)排風量取100kg/h;溶液溫度tsi=43℃;再生溶液流量ms=120kg/h。

由圖3可以看出,隨著溶液入口濃度增加,兩種情況下的再生量不斷下降,但兩種情況下再生量的差值保持穩(wěn)定,采用室內(nèi)排風比采用室外空氣作為再生空氣溶液再生量增加了110～120g/h。因為空氣流量不變,流動狀態(tài)基本穩(wěn)定,因此再生量差值基本保持不變。

空調(diào)系統(tǒng)排風量是有限制的,如圖3中再生量最大值為737g/h,取新風量等于排風量mo=100kg/h。以廣州室外新風狀態(tài)點 (d=20.5g/kg)為例,經(jīng)過計算此時的新風濕負荷為790g/h,顯然溶液再生量甚至達不到新風除濕要求。如果僅僅使用排風作為再生空氣,由于再生風量較小,溶液再生量不足,那么經(jīng)該溶液除濕系統(tǒng)處理的新風濕度將高于室內(nèi)的設計工況下的濕度,根本無法達到送風要求。為了增加再生空氣的流量可以將室外空氣與室內(nèi)排風進行混合,作為再生空氣。這樣一方面可以利用室內(nèi)排風將室外空氣濕度降到比較低,另一方面也增加再生空氣流量。

圖4 不同混合比下的溶液再生量

圖4顯示,維持室內(nèi)排風量mo=100kg/h不變,室外空氣與室內(nèi)排風混合比 η分別為0.5、1、1.5(混合總風量分別為150kg/h、200kg/h、250kg/h,混合含濕量為15.2g/kg、16.5g/kg、17.3g/kg),隨著混合比增大,空氣入口流量增大,溶液再生量增大。當 η=0.5,再生量為800g/h,已經(jīng)可以滿足新風除濕要求。

比較采用混合空氣與全部采用室外空氣這兩種情況下的溶液再生量,η=0時,即全部使用室內(nèi)排風作為再生空氣,再生量比只采用室外空氣提高了120g/h;η=0.5時,再生量提高了92g/h;η=1時,再生量提高了95g/h;η=1.5時,再生量提高了83g/h。隨著混合比增大,再生量的差值不斷減小。

圖5 總風量不變時溶液再生量隨η的變化

圖5表明,總風量維持在ma=200kg/h不變,隨著室外空氣與室內(nèi)排風混合比的增大,溶液再生量不斷下降,η=0時,再生量為997kg/h,當 η=2時再生量下降到871kg/h。

比較采用混合空氣與全部采用室外空氣這兩種情況下的溶液再生量,η=0時,采用混合空氣的再生量比采用室外空氣提高了192kg/h,當 η=2時,提高量下降到66kg/h。綜合圖4與圖5,采用混合空氣作為再生空氣時的溶液再生量總是高于只采用室外空氣時的溶液再生量,隨著混合比增大,這個提高量不斷減小。

4 結(jié) 論

(1)在保持室內(nèi)排風量mo=100kg/h的條件下,采用室內(nèi)排風與室外空氣混合作為再生空氣,再生量提高了83～95g/h。可見該系統(tǒng)方案能在一定程度上提高溶液再生量,對集熱型溶液再生系統(tǒng)的改進和優(yōu)化具有一定的參考意義。

(2)對再生量的提高效果主要受室內(nèi)排風在混合風量中所占的比例影響,室內(nèi)排風所占比例越大,再生量提升效果也越明顯。在廣州7月份天氣條件下,采用1∶1的混合比,即能夠滿足新風濕負荷和部分室內(nèi)濕負荷的處理要求,又能夠更好的利用室內(nèi)排風提高溶液再生量。

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