采用混合空气作为再生空气的集热型溶液再生过程研究

洪 华,裴清清,梁玉红

(广州大学土木工程学院,广州510006)

0 引 言

太阳能溶液除湿空调系统是一种新型的空调系统,可以利用低品位的热源加热溶液进行再生,是太阳能在建筑空调中的一种新的利用方式,具有广阔的发展前景,因此引起越来越多的关注,国内外很多研究人员已经对溶液除湿系统的结构设计、系统形式作了大量的理论分析与实验研究,并进行了改进。

以往对于集热型溶液再生系统的研究都是采用室外空气作为再生空气直接通入集热再生器与溶液进行热质交换。在高温高湿地区,室外空气湿度大,与溶液表面水蒸气分压力差小,导致溶液再生效率降低,减小溶液除湿空调的节能效果。针对这一情况,提出以室内排风混合室外空气得到湿度相对较低的混合空气作为再生空气的再生系统方案。以LiCl溶液作为再生溶液,通过数学模型对该系统性能进行研究。

1 系统方案

图1是以混合空气作为再生空气的集热型再生系统原理图。如图室内排风通过风管与室外空气混合后被送到集热再生器入口,再生器内的稀溶液通过太阳辐射被加热到较高温度,从而提高其表面水蒸气分压力。加热后的稀溶液与送入再生器的再生空气接触,由于水蒸气分压力差的驱动,溶液中水分将会蒸发到空气中,稀溶液蒸发浓缩之后通过换热器降温并送到除湿机组喷淋新风。新风经喷淋除湿后送入室内承担室内的湿负荷。

图1 以混合空气作为再生空气的集热型再生系统原理图

2 建立数学模型及求解

集热再生实际过程中发生的传热传质是复杂的非稳 态 过 程。韩 俊 召[2]、郭 永 聪[3]等 在S.ALIZADEH模型[10]的基础上分别用太阳能热损失系数评估边界条件,建立了闭式再生器的稳态数学模型,彭冬根[6]则建立了基于NTU的集热再生数学模型。这里为了研究和比较方便,选择前者稳态建模思路。

为简化计算过程,作如下假设:

①除湿溶液是牛顿流体,其物理性质稳定且不依赖于温度和浓度的变化;

②溶液降膜流动过程中空气流量与溶液流量不变;

③溶液向再生空气的传热传质遵循刘易斯关系式;

④整个热质交换过程中空气和溶液降膜的平均温度均为进出口温度的平均值。

对单位宽度和长度L上,整个再生过程的能量平衡方程为:

气液界面的传热传质方程为:

h可由外掠平板换热准则关联式计算。将空气流速ua作为定性速度。hm可由刘易斯关系式h/hm=ρaCpaLe-2/3计算。溶质的质量平衡方程为

溶液表面水蒸气分压力与溶液浓度关系式[5]如下,其中B0、C0是经验常数,对于LiCl溶液,B0=-2.718,C0=-19.5787

上述公式中:

I—太阳辐射强度,kW/m2;

(τ α)—透射吸收比乘积;

ε—热损失系数,可参照平板型太阳能热水器的热损失系数;

t—温度,℃;

tam—环境空气温度;

T—绝对温度,K;

W—再生量,g/s;

r—水蒸气的汽化潜热,kJ/kg;

m—质量流量,kg/s;

Cp—比热容,kJ/(kg·℃);

d—含湿量,g/kg(干空气);

P—压力,Pa;

Pb—大气压力,Pa;

ξ—溶液浓度;

h—对流换热系数,kW/(m2·℃);

hm—对流传质系数,kg/(m2·s);

ρ—密度,kg/m3;

Rq—水蒸气气体常数。

下角标:a表示空气;s表示溶液;i表示进口;o表示出口。

由于在计算溶液再生量W时需要知道空气和溶液的温度或蒸汽压,因此很难直接得出W的表达式,可以采用下面的方法对W求解。具体步骤如下:

①首先假定Tso;

②根据空气物性参数与已知条件,可以求得h与hm,并将Tso代入公式 (2),可求得Tao;

③将Tso、Tao代入公式(1),可求得再生量W;

④将W代入公式 (4),可以求得dao;

⑤由式 (3),可以求得Pa,ave;

⑥根据W1值,由式 (6)、(7)求得Ps,ave;

⑦根据Pa,ave与Ps,ave值,由式 (5)计算W2;

根据文献 [2]的实验数据,选取其中一组数据与模拟值进行比较。

计算中取:

I=695kW/m2;

τ=0.9(有机板透过率);

α=0.9(铜板吸收率);

ε=5W/(m2·℃);

tsi=33℃;

ms=120kg/h;

ma=360kg/h;

tai=34℃;

d=12.5g/kg。

计算结果如图2所示,实验值与模拟计算值虽然不能完全相同,但是变化趋势和再生量能基本吻合,从而说明了实验模型的正确性。

3 计算结果分析

根据所建立的数学模型,以广州地区7月份天气参数为例,当全部采用室外空气或室内排风作为再生空气时计算其再生量的不同。广州地区7月份气象参数,室外温度取31℃,含湿量为20.5g/kg。按空气调节设计规范,室内设计温度取26℃,相对湿度 60%,含湿量为12.6g/kg。I=500W/m2(根据广州地区7月份太阳辐射强度数据选取);τ=0.9(有机板透过率);α=0.8(铜板吸收率);ε=5W/(m2·℃)(参照平板集热器选取);室内排风量取100kg/h;溶液温度tsi=43℃;再生溶液流量ms=120kg/h。

由图3可以看出,随着溶液入口浓度增加,两种情况下的再生量不断下降,但两种情况下再生量的差值保持稳定,采用室内排风比采用室外空气作为再生空气溶液再生量增加了110～120g/h。因为空气流量不变,流动状态基本稳定,因此再生量差值基本保持不变。

空调系统排风量是有限制的,如图3中再生量最大值为737g/h,取新风量等于排风量mo=100kg/h。以广州室外新风状态点 (d=20.5g/kg)为例,经过计算此时的新风湿负荷为790g/h,显然溶液再生量甚至达不到新风除湿要求。如果仅仅使用排风作为再生空气,由于再生风量较小,溶液再生量不足,那么经该溶液除湿系统处理的新风湿度将高于室内的设计工况下的湿度,根本无法达到送风要求。为了增加再生空气的流量可以将室外空气与室内排风进行混合,作为再生空气。这样一方面可以利用室内排风将室外空气湿度降到比较低,另一方面也增加再生空气流量。

图4 不同混合比下的溶液再生量

图4显示,维持室内排风量mo=100kg/h不变,室外空气与室内排风混合比 η分别为0.5、1、1.5(混合总风量分别为150kg/h、200kg/h、250kg/h,混合含湿量为15.2g/kg、16.5g/kg、17.3g/kg),随着混合比增大,空气入口流量增大,溶液再生量增大。当 η=0.5,再生量为800g/h,已经可以满足新风除湿要求。

比较采用混合空气与全部采用室外空气这两种情况下的溶液再生量,η=0时,即全部使用室内排风作为再生空气,再生量比只采用室外空气提高了120g/h;η=0.5时,再生量提高了92g/h;η=1时,再生量提高了95g/h;η=1.5时,再生量提高了83g/h。随着混合比增大,再生量的差值不断减小。

图5 总风量不变时溶液再生量随η的变化

图5表明,总风量维持在ma=200kg/h不变,随着室外空气与室内排风混合比的增大,溶液再生量不断下降,η=0时,再生量为997kg/h,当 η=2时再生量下降到871kg/h。

比较采用混合空气与全部采用室外空气这两种情况下的溶液再生量,η=0时,采用混合空气的再生量比采用室外空气提高了192kg/h,当 η=2时,提高量下降到66kg/h。综合图4与图5,采用混合空气作为再生空气时的溶液再生量总是高于只采用室外空气时的溶液再生量,随着混合比增大,这个提高量不断减小。

4 结 论

(1)在保持室内排风量mo=100kg/h的条件下,采用室内排风与室外空气混合作为再生空气,再生量提高了83～95g/h。可见该系统方案能在一定程度上提高溶液再生量,对集热型溶液再生系统的改进和优化具有一定的参考意义。

(2)对再生量的提高效果主要受室内排风在混合风量中所占的比例影响,室内排风所占比例越大,再生量提升效果也越明显。在广州7月份天气条件下,采用1∶1的混合比,即能够满足新风湿负荷和部分室内湿负荷的处理要求,又能够更好的利用室内排风提高溶液再生量。

[1]左远志,杨晓西,丁静.两级式太阳能平板集热型再生器及其稳态性能分析 [J].化工进展,2009,28(2):222-225

[2]韩俊召.太阳能平板降膜溶液再生过程的实验研究[D].广州:广州大学,2007

[3]郭永聪.深圳建筑太阳能利用技术研究[D].重庆:重庆大学,2006

[4]唐易达,何波,贾彬,唐中华.复合型太阳能溶液除湿空调的性能模拟 [J].暖通空调,2009,40(9):118-121

[5]李震,江亿,陈晓阳,刘晓华.溶液-湿空气热质交换过程的匹配研究 [J].暖通空调,2005,35(1):103-109

[6]彭冬根,张小松.基于NTU的太阳能溶液集热型再生器性能分析[J].化工进展,2008,59(11):2875-2883

[7]裴清清,韩俊召.太阳能集热型溶液再生器性能实验研究 [J].广州大学学报 (自然科学版),2007,6(6):79-82

[8]刘晓华,江亿.温湿度独立控制空调系统[M].北京.中国建筑工业出版社,2006

[9]Conde M R..Properties of aqueous solutions of lithium and calcium chlorides:formulationsfor use in air conditioning equipment design[J].International Journal of Thermal Sciences,2004,43:367-382

[10]S.Alizadeh,W.Y.Saman.Modeling and performance of a forced flow solar collector/regenerator using liquid desiccant[J].Solar Energy,2002,72(2):143-154