再生液回流量對溶液除濕系統性能影響的分析

程 礦 王勁柏 蔣詩寧 李 紅 黃 迪 杜前洲

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再生液回流量對溶液除濕系統性能影響的分析

程 礦 王勁柏 蔣詩寧 李 紅 黃 迪 杜前洲

（華中科技大學 武漢 430074）

針對熱泵型溶液除濕機提出了一種通過改變再生回流量的系統性能優化方案，通過在Simulink中建立除濕機各組件的數值計算模型，從而建立除濕機整體的除濕性能數值計算模型，然后通過數值模型計算不同再生回流量下的除濕機整體除濕性能，得出了最佳再生回流量，在該再生回流量下，除濕機整體除濕性能最高，并根據計算結果總結出了提高熱泵型溶液除濕機性能的有效措施。

溶液除濕；溶液交換量；交叉流；除濕量；優化

0 引言

傳統空調系統采用熱濕聯合處理的方式來控制空氣的溫度和濕度，存在著許多的不足之處，如溫濕度采用同樣的冷媒溫度控制，使制冷機效率下降，造成了能源的浪費；空調冷凝水為細菌和其他污染物提供了生存環境，使室內環境變得不衛生；傳統空調大量使用回風，使污染物在空調區不斷擴散，造成了環境質量的惡化。因此，近些年來溫濕度獨立控制成為了研究熱點，在此之上溶液除濕被重新審視，其優勢被廣大研究者重新認識。與此同時，對溶液除濕系統性能的優化也成為了重要的課題。

1955年，Lof[1]首次提出了利用液體除濕劑來控制空氣濕度，為后來的研究者將蒸汽壓縮制冷和液體除濕劑結合來除濕提供了思路；Kessling[2]進行了LiCl溶液除濕系統的性能實驗研究，同時提出了再生蓄能的思想；Chung[3]對LiCl溶液為除濕劑的規整和散裝填料分別進行了實驗研究，并擬合得到了氣相傳熱傳質關聯式。殷勇高[4]等人對叉流填料的LiCl溶液除濕器進行了實驗研究，基于Le-hd分離測量法計算得到了溶液除濕過程耦合傳質系數與Lewis數；Khan[5]等人用模擬的方法對三種形式的內冷型除濕器進行了性能分析，得出了這幾種內冷型除濕器的性能與一些參數的關系；劉曉華[6]等人提出了利用溶液全熱回收裝置來提高除濕器性能的方案；羅磊[7]等人對叉流再生器的傳熱傳質系數進行了研究，并給出了計算傳質系數和Le數的擬合關系式；熊珍琴等人對熱致濃度差的溶液除濕系統進行了性能優化的分析[8]；熊軍[9]等人設計了燃氣驅動液體除濕空調，并對其節能特性進行了分析；黃志甲[10]等人在數值分析工具上建立了叉流再生計算數值模型，并與實驗結果進行了對比；路則鋒[11]等人對逆流型溶液除濕系統提出了解析解法；李星[12]等人分析了不同溶液再生回流比例和再生溫度下，除濕系統的耗功和COP的變化情況；趙建會[13]等人將輻射供冷與獨立新風結合起來，進行了數值模擬。

以上的研究中，包含了如何優化溶液除濕性能的措施，但是往往都是圍繞一個參數進行分析，而且限定了其他參數，只改變一個變量。或者是給定熱泵機組的COP，給定除濕再生溫度，給定再生風量和再生溶液噴淋量。這樣的情況與實際并不相符，在實際的機組運行過程中，除了被研究變量外，其他的參數也都會隨之而變化，而不是維持一個定值，因此，一個盡可能多的包含各類參數的溶液除濕機組運行分析手段是十分必要的。因此，本文就溶液除濕新風機組中再生溶液回流量對除濕性能的影響進行了動態分析，在研究過程中，不限定其他因素，而是以接近實際情況的狀態進行分析再生液回流量因素對機組性能的影響。

1 原理

1.1 系統結構

圖1 溶液除濕機原理圖

溶液除濕系統如圖1所示，子部件主要包括了軸流風機、蒸發器、節流閥、冷凝器、壓縮機、電動調節閥、液位變送器、循環水泵、熱回收換熱器、電磁閥。在常規的溶液除濕系統中除濕后的溶液全部送入再生器進行再生，然而這種方式造成了大量用于除濕的冷量和再生的熱量的浪費以及再生過度造成的除濕劑析出堵塞管道的危險。

針對本文所使用的熱濕溶液交換量可調的除濕器，其類型為絕熱型，空氣與溶液的熱質交換流型為交叉流，熱質交換所使用的填料高度為300mm，長度為900mm，寬度為650mm，空氣沿長度方向流經填料，溶液沿高度方向從填料頂部向下流動與空氣在填料中進行熱量與質量的交換。所使用的除濕溶液為初始質量濃度35%的LiCl溶液。

1.2 系統運行

整個除濕過程中溶液的循環分為3種循環，分別是除濕循環，再生循環，以及冷熱交換循環；在除濕循環中，溶液從除濕器的儲液槽中被循環水泵抽出，經過蒸發換熱器與制冷劑進行熱交換，從而使其溫度降低，而制冷劑在蒸發器中獲得熱量使制冷劑從液態變成過熱蒸汽。在溶液與制冷劑進行熱交換后，除濕溶液進入除濕器頂部，然后通過噴淋管從除濕填料頂部噴灑而下，除濕劑經過填料與來自室外的熱濕新風進行熱質交換，因此空氣中的水蒸氣進入溶液，放出氣化潛熱，從而實現對新風的除濕；同時成液滴狀態的冷溶液與熱空氣進行熱交換，使因為放出氣化潛熱而升溫的空氣得到降溫，為后一步的空氣溫度處理提供條件。在完成熱質交換之后，溶液進入除濕器儲液槽，回到初始位置。再生循環與除濕循環類似，溶液從再生儲液槽中被循環水泵抽出，經過冷凝器與制冷劑進行熱交換，溫度上升變為熱溶液，從而使溶液表面的水蒸氣分壓力降低。在溶液與制冷劑進行熱交換后，再生溶液從再生器頂部進入噴淋管，從填料頂部噴灑而下，再生溶液與熱濕新風進行熱質交換，吸收溶液的熱量變為水蒸氣的汽化潛熱，從而實現溶液的再生。針對再生除濕液循環，冷溶液從除濕器的儲液槽中被泵吸出，通過電磁閥控制開度的旁路進入板式換熱器，與熱溶液進行熱交換，吸收熱量，升溫變為熱溶液，然后再進入再生器的儲液槽；而熱溶液則是利用再生儲液槽液位與除濕儲液槽液位之差所產生的壓力差來實現流動，熱溶液從再生儲液槽中流出，進入板式換熱器，在板式換熱器中與冷溶液進行熱交換，變為冷溶液，然后離開換熱器進入除濕器儲液槽。空氣分為除濕空氣和再生空氣，針對除濕空氣而言，室外熱濕新風被風機送入除濕器，空氣在除濕器中被降溫除濕，然后通過風管作為新風空氣進入室內。而對再生空氣而言，室外新風被風機送入再生器內，從熱溶液中獲得熱量和濕量，變為熱濕空氣，再排出室外。

2 系統計算

2.1 數值模型

給定室外空氣狀態，即室外空氣的溫度a_out和相對濕度out，以及送入室內的除濕風量a_deh，再生風風量a_reg，除濕噴淋溶液量s_deh，再生噴淋溶液量s_reg。然后調整再生液回流量，使其從0.02kg/s開始逐步增加，按0.02kg/s的步長逐步增加，直到溶液因為再生量過大導致濃度過高產生LiCl溶劑析出現象為止，比較不同再生液回流量下除濕空氣中被除去的濕量，并在能產生最高除濕量的再生液回流量附近縮小計算步長，以增加計算精度，確定最優點的精確位置。本文選取的除濕風量為4000m3/h，除濕溶液噴淋質量為除濕風量的1.2倍，即4800kg/h；再生風量也為4000m3/h，再生溶液噴淋質量為再生風量的1.2倍，即4800kg/h；室外空氣溫度為30℃，相對濕度為80%，含濕量21.6g/kg干空氣。

Copeland公司的提供了詳盡的壓縮機性能數據。本文根據所提供的性能數據根據最小二乘法用AHRI10系數模型進行擬合，獲得了ZW72KWP型數碼渦旋壓縮機的性能關聯式。

表1 壓縮機制熱量（kW）與蒸發溫度和冷凝溫度的關系

表2 壓縮機功耗（kW）與蒸發溫度和冷凝溫度的關系

針對冷熱溶液之間的換熱器，本文采用ε-NTU模型來模擬計算。該換熱器為板式換熱器，面積為2m2，采用逆流型換熱。

圖2 除濕填料二維網格劃分

溶液除濕系統最重要的模型是空氣-溶液熱質交換模型，清華大學劉曉華[14]建立了叉流除濕器的NTU簡化數學模型，通過分析除濕器內部溫度場和濃度場，得到空氣（溶液）參數隨溶液（空氣）流動方向的變化情況。本文使用該簡化模型作為除濕器內熱質交換的模型。假設溶液和空氣參數不沿y方向變化，然后對除濕器進行二維網格劃分，獲得了M列N行的網格，參見圖2。

針對每一個網格微元，可根據下列控制方程進行計算：

通過計算可以得到整個二維平面上的空氣溫度分布、含濕量分布；溶液溫度分布、濃度分布。從而得到空氣出口的溫度和含濕量，溶液的溫度和濃度。

該型填料用于再生時的NTU計算公式：

式（6）～式（7）中：為熱質交換所用填料的體積，m3；F為通過該填料單位面積的空氣質量流量，kg/(m2·s)；F為通過該填料單位面積的溶液質量流量，kg/(m2·s)。

LiCl溶液的表面水蒸氣分壓力、溶液比熱容、溶液密度采用Manuel R Conde[16]所提供的擬合公式來進行計算。

通過將上文所述的數值模型在Simulink中建立模塊，并將這些模塊組合，最終可得到機組的模型，參見圖3。

圖3 除濕機Simulink模型

2.2 評價指標

為了評價不同再生液回流量下除濕系統的除濕性能，本文根據除濕機側除濕空氣進出口的含濕量差值即除濕量作為評價指標，比較不同再生溶液回流量下的除濕性能。

圖4 再生溶液回流量對除濕量的影響

圖5 再生溶液回流量對被除濕空氣出口溫度的影響

圖6 再生溶液回流量對溶液質量濃度的影響

圖7 再生溶液回流量對儲液箱溶液溫度的影響

圖8 再生溶液回流量對除濕噴淋溶液等效含濕量的影響

3 結果分析

由圖4可見，在0.02～0.12kg/s范圍內，隨著再生液回流量的增加，除濕空氣被除去的濕量逐漸增加，并在0.12kg/s時達到最大值，除濕量從6.68g/kg干空氣增加至8.565g/kg干空氣，當再生液回流量超過0.12kg/s，除濕量隨除濕再生溶液的交換量增加而減少。除濕量之所以先增后減，可以從圖6、圖7中得到原因。隨再生液回流量的上升，除濕再生溶液濃度均逐漸上升；隨再生液回流量上升，除濕再生溶液溫度均上升；由圖8可見除濕溶液等效含濕量先緩慢下降，在0.06kg/s～0.12kg/s時，溶液等效含濕量處于平臺期，在0.12kg/s～0.15kg/s時，除濕溶液等效含濕量急劇上升，主要原因在于溶液溫度在0.12kg/s～0.15kg/s，上升速度顯著高于在0.02kg/s～0.12kg/s時的溫度上升速度。

4 結論

（1）再生溶液回流量的變化會導致熱泵驅動的除濕機的除濕性能發生變化，原因在于不同的再生回流量會導致不同的除濕溶液濃度和除濕溶液溫度，從而影響除濕溶液的表面水蒸氣分壓力即除濕溶液的等效含濕量，進而影響除濕性能即除濕量。

（2）隨著再生溶液回流量從0kg/s開始逐步上升，除濕機的除濕性能先升后降，原因在于除濕溶液的表面水蒸氣分壓力先降后升，作為除濕推動力的除濕空氣與除濕溶液的水蒸氣分壓力差先上升后下降。

（3）熱泵型除濕機針對一種氣候工況存在一個最優的再生回流量點，該點的除濕性能最大。

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Analysis of the Influence of Regeneration Solution Reflux to Liquid Desiccant Dehumidifier's Performance

Cheng Kuang Wang Jingbo Jiang Shining Li Hong Huang Di Du Qianzhou

( Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430074 )

In this article, an optimization method for the dehumidification performance of liquid desiccant dehumidifier run by heat pump is proposed. A numerical model of the whole liquid desiccant dehumidifier is established by combining all the units’ numeric model of the dehumidifier and Matlab is used to building the numerical model in computer. After the model building, the performances of the dehumidifier at different regeneration solution back piping volumes are figured out by simulation of the numeric model, and the volume of the best dehumidification performance is selected. With the calculation of the model, methods to improve the performance of the liquid desiccant-dehumidifier is proposed.

liquid descant dehumidification; solution exchange volume; cross flow; dehumidification capacity; optimization

1671-6612（2017）05-467-06

TU834.9

A

程 礦（1991.04-），男，在讀碩士研究生，E-mail：orecheng@qq.com

王勁柏（1963.10-），男，博士，教授，E-mail：jbwang@hust.edu.cn

2017-01-06