广州地区太阳能溶液除湿再生温度的研究

肖 杰 裴清清

广州地区太阳能溶液除湿再生温度的研究

肖 杰 裴清清

广州大学土木工程学院

本文以广州为例，根据气象站太阳辐射统计数据，理论计算了该地区太阳能热水器集热量。再生热能全部利用太阳能的条件下，根据广州地区室外气候特点，求解再生量随再生温度的变化关系。计算条件下，5、10月份广州地区再生量最大时对应的再生温度分别为59℃和72℃。

太阳能溶液除湿再生温度

0 引言

太阳能溶液除湿空调系统（图1）为太阳能利用提供了一个新的方向，并以其显著的节能优势和对室内空气品质的改善作用成为了国内众多学者研究的热点。广州作为热湿地区的典型代表，空调季节较高的室外空气湿度使潜热负荷往往占新风冷负荷80%以上。同时该地区太阳能年总辐射量约为4400～5000MJ/(m2·a)[1]，具有一定的利用潜力。太阳能与溶液除湿系统的有效结合和高效应用，对于缓解地区紧张的空调能耗压力、减少资源消耗和保护环境有着非常重要的意义。

图1 太阳能溶液除湿系统图

丁涛等实验测量了CaCl2和LiCl的混合盐溶液（物质的量比1:1）扩散系数和再生效率，结果表明，热源温度低于50℃时，该混合盐系统无法再生，再生热源的温度达到104℃时，系统再生效果良好[2]。殷勇高等研究了LiCl溶液的再生过程，结果表明在热源温度达到75℃以后，系统再生量和传质系数都显著增强[3]。学者们已经从扩散系数、再生量和再生效率角度研究合适的再生温度范围，并取得了可观的成果。太阳能溶液除湿设计时，选择合适的再生温度有利于节省投资及高效利用能源。本文从太阳能溶液除湿系统整体出发，求解再生量随再生温度的变化情况。

1 太阳能热水器集热量计算

根据当地气象站水平面太阳辐射统计数据，可根据晴天模型[4]来计算朝正南方向倾斜面上太阳辐射总量，其计算公式为：

式中：H、Ht分别为水平面和倾斜面太阳辐射总量日平均值，kJ/m2；Hb、Hd分别为水平面上太阳辐射的直射分量和散射分量，kJ/m2；Rb、Rs、Rg分别为直射、散射和漫射分量的倾斜因子；β、φ、δ分别为斜面倾角、当地纬度和太阳高度角；a0、b0为气象经验系数，见表1；ρ为地面反射率，一般取为0.2；ωs、ωs＇分别为水平面和倾斜面上的日落时角，计算公式为：

日照时间按以下公式确定：

表1 5、10月份广州地区辐射经验系数

太阳能热水器能量平衡方程为：

在稳态条件下，可用下式加以描述：

式中：QA、QU、QL、QS分别为总的太阳辐射能量、有用能量收益、集热器的散热损失、集热器自身贮能，单位kJ，稳态时QS为0；A为采光面积，m2；Δt为集热时间，由日照时间确定，s；(τα)e为有效透射吸收积，无量纲；UL为集热器总热损系数，kW/(m2·℃)；ta为环境空气温度，℃；th,i为热水进口温度，℃；th,o为热水出口温度，℃；CP为水的比热，kJ/(kg℃)；mh为热水产量，kg，热水流量mh'=mh/Δt。

由式（1）～（11）及地理参数，即可计算出太阳能热水器的热水流量mh’。

2 换热计算

热水与再生溶液换热，由能量守恒可得：

式中：ms为再生器入口溶液流量，kg/s；cs、ch分别为溶液和热水比热容，kJ/(kg·℃)；ts,i、tss分别为换热器溶液温度出口和入口溶液温度，℃；th,o、th,o’分别为换热热水出口和入口溶液温度，℃；热水进出口温差为th,o-th,o’= 5℃，溶液侧入口温度为20℃，换热后，溶液出口温度和热水出口温度相等，即ts,i=th,o’。由前文求出的mh’及式（12）求出再生器入口溶液温度ts,i下对应溶液流量ms。

3 逆流绝热型再生器模型的建立和求解

为简化模型，作出以下几点基本假设：

1）再生过程为绝热过程；

2）传热传质只存在Z方向上，认为轴向没有传热传质扩散；

3）湿空气和再生溶液的流量较大，空气中吸收水分又相对较小，忽略湿空气的质量变化；

4）填料均匀润湿，传热传质界面相同。

根据假设条件，绝热型再生器的模型可简化成一维传热传质问题，将整个再生器划分成若干的微元体，针对单个微元体分析其传热传质过程，最终求出整个再生器的参数。图2为再生器中传热传质微元体的示意图。

图2 再生器中传热传质微元体的示意图

沿Z方向取dz微元段，由热质平衡知[5]：

其中，传质单元数

刘易斯数

式中：m质量流量，kg/s；w为含湿量，kg/(kg干空气)；h为比焓，kJ/kg；k为平均再生传热系数，kW/(m2·℃)；km为平均再生传质系数，kg/(m2·s)；hes为气液交界面处与再生溶液平衡的空气的焓值，kJ/kg；wes为气液交界面处与再生溶液平衡的空气的含湿量，kg/kg，由溶液温度、浓度与溶液气-液平衡图决定；AV表示单位体积传热传质面积，m2；Z为填料总高度，m；cp为比热容，kJ/(kg·℃)；ρ为密度，kg/m3；γ为水的汽化潜热，kJ/kg。下标s、a、v分别代表溶液、湿空气、水蒸气。

将式（13）～（18）离散求解，即可求出再生器的再生量。

数值计算条件：

1）换热器中：热水侧进出口温差5℃，入口温度变化范围为45～95℃，换热后，溶液出口温度和热水出口温度相等。溶液侧入口温度为20℃。

2）再生器液气比（质量流量之比）为1.0；填料比表面积190m2/m3，高度0.78m，横断面积0.25m2，螺旋填料层间的间距0.01m。

3）再生器单位横截面积流量为0.4kg/s，横截面积和再生量都随入口溶液流量线性变化，所以，太阳能集热面积的取值不影响再生量峰值对应的再生温度值，计算中太阳能集热面积取为19.6m2。

利用Turbo C++编程工具对5、10月份再生器进行数值模拟，其结果如图3～4。

图3 5月份再生数值计算结果

图4 10月份再生数值计算结果

4 结论

太阳能溶液除湿设计时，选择合适的再生温度可以节省投资并实现能源的高效利用。结果表明，计算条件下，再生热能全部由太阳能提供时，广州地区5、10月份气候条件下，随着再生温度的升高，太阳能溶液除湿系统再生量逐渐增大，出现峰值后逐渐减小。由结果可知，再生量最大值对应的再生温度值为59℃、72℃。

[1]沈辉,曾祖勤.太阳能光伏发电技术[M].北京:化学工业出版社,2005

[2]丁涛.太阳能除湿系统中混合盐溶液的除湿/再生效率[J].农业工程学报,2010,26(2):295-299

[3]殷勇高.溶液除湿冷却系统的再生性能实验研究[J].工程热物理学报,2005,26(6):915-917

[4]毛慧琴.广东省倾斜面上太阳辐射总量的气候学计算[J].广东气象,2003,(4):14-17

[5]Edward E Anderson.Fundamentals of Solar Energy Conversion. New York:Addison-Wesley Publisher,1983

Study on Re ge ne ra tion Te m pe ra ture of Sola r Liquid De s ic c a nt Sys te m in Gua ngzhou

XIAO Jie,PEI Qing-qing
College of Civil Engineering,Guangzhou University

Taking Guangzhou as an example,the article calculated theoretically the solar heat collection of solar water heaters according to the weather station solar radiation statistics.According to the outdoor climate characteristics in Guangzhou,it finds the regenerative quantity along with the change of the regeneration temperature relationship on the condition that renewable thermal energy is whole used of solar energy.At the same heating area and heating temperature, it explored regeneration temperature which accord with the characteristics of the region's climate as measured by the amount of regeneration.Numerical results show that the regeneration temperature corresponding to largest amount of regeneration in the Guangzhou area in May and October is 59℃and 72℃respectively.

solar energy,liquid desiccant,regeneration temperature

1003-0344（2014）04-033-3

2013-5-24

肖杰（1986～），男，硕士研究生；广州大学土木工程学院（510006）；E-mail:xiaojie7818@163.com基金项目：“十二五”国家科技支撑计划（2011BAJ01B01）