热虹吸管换热器应用于除湿系统的节能性分析

王佳敏,夏学鹰,李 栋,赵孝保,苏晓翔

(1.南京师范大学能源与机械工程学院,江苏 南京 210023) (2.联发智能科技股份有限公司,福建 厦门 361000)

空气湿度是衡量人体热舒适性的重要指标,针对湿负荷较大的场所,通常采用的除湿方式有冷却除湿、溶液除湿等. 冷却除湿是先进行降温除湿[1],然后进行再热处理,所使用的再热设备大多为电加热器[2]. 该除湿方式降温、再热过程均需消耗能量,且相互抵消,浪费能量. 溶液除湿过程是基于除湿溶液与空气中水蒸气分压力之差,推动水蒸气在气相与液相间的迁移,进而达到除湿效果[3]. 但需要通过加热再生才能实现溶液的循环利用,且其设备复杂,体积庞大,设备内部溶液会腐蚀金属[4]. 因此研究节能型的除湿技术具有重要的科学意义和工程应用价值.

近年来,热虹吸管以其良好的均温性和高效的传热性能,已逐渐应用于除湿领域. Hill等[5]研究了热管热交换器应用于空调系统中的除湿特性,指出热管可使系统的除湿能力提高25%～55%. Yau等[6-8]对热带湿热气候地区热管热交换器应用于除湿系统的可行性进行了研究. 实验结果表明,加装热管换热器后,空调能耗可显著降低. Jouhara等[9]和朱培根等[10]研究了热管换热器在空气处理机组上的应用. 实验表明,热管调温除湿机单位电能除湿量比普通除湿机提高47%,能源消耗明显下降.

本文设计制造了热虹吸管换热器,将其应用于普通冷冻除湿机中,构造了热虹吸管除湿机,并对热虹吸管除湿机的除湿过程进行了对比研究,分析了加装热虹吸管换热器对其系统除湿量的影响,分别从除湿能耗比、析湿系数及能量利用率等方面对其节能性进行了分析,为热虹吸管除湿机的进一步应用提供数据支撑.

1 实验装置及实验方法

1.1 热虹吸管换热器

为了构建热虹吸管除湿系统,首先设计并制造了热虹吸管换热器,各结构参数如表1所示. 其中热虹吸管材质采用紫铜管,工质为水,充液率15%.

表1 热虹吸管换热器结构参数Table 1 The structure parameter of thermosiphon heat exchanger

1.过滤网;2.热虹吸管蒸发段;3.制冷系统蒸发器;4.风机;5.隔板;6.热虹吸管冷凝段;7.制冷系统冷凝器;8.风机.图1 除湿机系统测点布置示意图Fig.1 Schematic diagram of measuring point arrangement for dehumidifier system

1.2 热虹吸管除湿机性能测试方案

为了分析热虹吸管除湿机的除湿性能,构建了热虹吸管除湿机性能测试平台. 整个系统由制冷系统、风系统、热虹吸管换热器系统组成,热虹吸管换热器置于制冷系统蒸发器与冷凝器之间,实现湿空气的预冷与再热.

如图1(a)所示,经焓差实验室处理的湿空气首先经热虹吸管蒸发段预冷降温,降温后的湿空气进入制冷系统蒸发器降温除湿,除湿后的空气再经热虹吸管冷凝段,实现空气再热,最终经制冷系统冷凝器加热成适宜温度的低湿空气,完成湿空气的整个除湿升温过程.

为了对加装上述热虹吸管换热器的除湿机的除湿性能及其节能性进行量化分析,系统共布置5个测点测量空气参数,测点位置如图1(a)所示,对进口空气、热虹吸管蒸发段出口空气、制冷系统蒸发器出口空气、热虹吸管冷凝段出口空气及制冷系统冷凝器出口空气进行测量. 为了对比分析,在未装热虹吸管换热器的普通除湿机系统上布置了3个测点,测点位置如图1(b)所示. 为了保证实验的准确性,两组实验a、c、e测点位置一致. 热虹吸管除湿机测试系统现场实物图如图2所示. 试验测试具体空气参数如表2所示.

图2 热虹吸管除湿机测试系统实物图Fig.2 Physical diagram of thermosiphon dehumidifier test system

表2 热虹吸管除湿性能试验测试参数Table 2 Test parameters for dehumidificatio performance of thermosiphon

图3 热虹吸管除湿过程焓湿图Fig.3 Enthalpy-Humidity diagram of thermosyphon in dehumidification process

1.3 热虹吸管应用于除湿系统的节能潜力

为了分析热虹吸管应用于除湿系统的节能潜力,给出了热虹吸管除湿机的除湿过程焓湿图,如图3所示. 从图中可以看出,加装热虹吸管换热器以后,利用热虹吸管的蒸发段可首先对进入制冷系统蒸发器的湿空气进行预冷,从而减少蒸发表冷器的冷负荷,增加单位功率除湿量,同时可利用热虹吸管预冷吸收的热量对进入制冷系统冷凝器的空气进行再热,提高空气温度,从而实现能量的有效利用.

图4 普通除湿机与热虹吸管除湿机除湿过程对比Fig.4 Comparison of dehumidification process between ordinary dehumidifier and thermosiphon dehumidifier

2 实验结果与讨论

2.1 普通除湿机与热虹吸管除湿机除湿过程比较

以环境温度27 ℃,空气相对湿度60%,雷诺数1 042.5(以测点a处空气流速为基准,以热虹吸管外径为定型尺寸)的湿空气测试工况为例,对普通除湿机与加装上述热虹吸管换热器的除湿机就除湿过程进行对比分析. 图4(a)和图4(b)分别给出了普通冷冻除湿过程及加装热虹吸管换热器后除湿过程的空气状态焓湿图.

如图4(a)所示,普通冷冻除湿过程中湿空气状态变化过程为点1-3-5. 从图中可以看出,湿空气在制冷系统蒸发器点1处由27 ℃经冷却-冷凝除湿至点3处(17.1 ℃),此过程中蒸发器承担全部显热负荷和潜热负荷,随后湿空气由冷凝器再热至点5处(40.95 ℃).

加装热虹吸管换热器后,湿空气状态变化过程变为点1-2-3-4-5,如图4(b)所示. 由图可知,进口湿空气首先经热虹吸管蒸发段点1处由27 ℃冷却降温至点2处(20.95 ℃),此过程热虹吸管承担部分显热负荷,使得进入制冷系统蒸发器的湿空气温度降低,蒸发器承担的显热负荷减少,冷量主要用于冷凝除湿,除湿量增加,冷凝除湿后,空气状态到达点3处(15.1 ℃),随后湿空气再次流经热虹吸管冷凝段,利用吸收的蒸发器前湿空气的热量,使得湿空气上升至21.6 ℃(点4处),最后由制冷系统冷凝器再热至46.7 ℃(点5处).

对比分析可知,加装热虹吸管换热器后,进入蒸发器的湿空气温度由27 ℃降至20.95 ℃,同时由于热虹吸管冷凝段对空气进行再热,出冷凝器的空气温度由40.95 ℃提高到46.7 ℃. 整个过程,普通除湿机的除湿能耗比为0.91 kW·h/kg,而热虹吸管除湿机除湿能耗比为0.67 kW·h/kg,能耗比降低了26.4%. 由此可见,加装热虹吸管换热器可显著降低系统除湿能耗比,相同功耗条件下,除湿效果显著提升.

2.2 除湿量对比分析

为了进一步量化分析加装热虹吸管换热器后除湿机除湿性能,对普通除湿机与热虹吸管除湿机的除湿量进行了对比分析.

图5 普通除湿机与热虹吸管除湿机除湿量比较Fig.5 Comparison of dehumidification process between ordinary dehumidifier and thermosiphon dehumidifier

图5给出了普通除湿机与热虹吸管除湿机除湿量对比图,从图中可以看出,不同雷诺数条件下,加装热虹吸管换热器后,除湿系统的除湿量均高于普通除湿机的除湿量. 与普通除湿机相比,雷诺数分别为836.22、 1 042.05、1 222.6、1 434.43、1 578.64 时,除湿量各增加了1.73 kg/h、1.3 kg/h、1.32 kg/h、1.31 kg/h、1.39 kg/h,除湿量增加的百分比分别为39.2%、28.1%、25.9%、24.1%、24.3%. 可见,加装热虹吸管换热器后,除湿机的除湿能力显著提高. 这是因为湿空气流经热虹吸管换热器后,其承担了湿空气的部分显热负荷,使得进入蒸发表冷器的湿空气温度降低,蒸发器承担的显热负荷量减少,冷量主要用于湿空气的冷凝除湿,从而使得除湿量显著增加. 由图可知,加装热虹吸管换热器后,不同工况下,其除湿量至少增加24%.

2.3 除湿能耗比对比分析

除了除湿量,除湿能耗比(specific power consumption,SPC)也是衡量除湿系统性能的重要指标. 以产生1 kg凝结水的压缩机功率消耗表示[11].

(1)

式中,SPC为除湿能耗比,kW·h/kg;W为压缩机功率,kW;M为除湿量,kg/h.

表3给出了进口湿空气参数为tg=27 ℃、φ=60%的条件下,不同雷诺数的普通除湿机与热虹吸管除湿机的除湿量、除湿功耗值,从而由公式(1)可求得SPC.

表3 除湿能耗比对比Table 3 Comparison of dehumidification energy consumption ratio

图6给出了不同雷诺数时,普通除湿机与热虹吸管除湿机除湿能耗比对比. 从图中可以看出,加装热虹吸管换热器后,除湿机的除湿能耗比显著降低. 这是因为与普通除湿系统相比,热虹吸管除湿机除湿量增加,而功耗基本相同,除湿能耗比必然降低. 从图中可以看出,随着雷诺数的增加,除湿能耗比逐渐降低. 雷诺数分别为836.22、1 042.05、1 222.6、1 434.43、1 578.64时,热虹吸管除湿机的除湿能耗比分别降低37.1%、26.4%、22.8%、20.6%、24.7%,除湿能耗比的下降率均在20%以上. 由此可知,加装热虹吸管换热器后,除湿机除去相同质量的水分,耗功降低. 可见,热虹吸管除湿机具有显著的节能性.

图6 普通除湿机与热虹吸管除湿机除湿能耗比比较Fig.6 Comparison of dehumidification energy consumption ratio between ordinary dehumidifier and thermosyphon dehumidifier

2.4 析湿系数对比分析

热湿交换中全热量与显热量的比值称为析湿系数(ξ)[12],析湿系数越大,意味着潜热交换量越大,凝结水析出能力越强. 为了从热量交换的角度分析除湿系统的除湿能力,对普通除湿机以及热虹吸管除湿机的析湿系数进行了对比.

普通除湿机的析湿系数ξ1可用表冷器前后湿空气参数表示:

(2)

加装热虹吸管换热器后的系统析湿系数ξ2可表示为:

(3)

式中,h1为系统入口测点处的空气焓值,kJ/kg;h2为热虹吸管蒸发段之后蒸发器之前测点处的空气焓值,kJ/kg;h3为蒸发器之后热虹吸管冷凝段前测点处的空气焓值,kJ/kg.

表4给出了进口湿空气参数为tg=27 ℃、φ=60%的条件下,不同雷诺数工况下的普通除湿机与热虹吸管除湿机各状态点参数,由此可得两种除湿机的析湿系数.

表4 析湿系数对比Table 4 Comparison of wet precipitation coefficient

图7 普通除湿机与热虹吸管除湿机析湿系数的比较Fig.7 Comparison of moisture removal coefficients between ordinary dehumidifiers and thermosyphon dehumidifiers

图7给出了普通除湿机与热虹吸管除湿机析湿系数之间的对比. 从图中可以看出,热虹吸管除湿机的析湿系数ξ2明显高于普通除湿机的析湿系数ξ1,说明加装热虹吸管换热器后,蒸发器除湿过程中,显热量占比减少,蒸发器的冷量主要用于冷凝除湿,潜热交换占比增加,除湿量增大. 由图7 可知,不同雷诺数下,与普通除湿机相比,热虹吸管除湿机的析湿系数各增加36.8%、37.4%、32.7%、31.8%、30.9%. 因此,从析湿系数分析可知,热虹吸管除湿机除湿能力显著提升.

2.5 能量利用率比较分析

为了比较加装热虹吸管换热器前后,除湿系统的能量利用状况,引入能量利用率ζ来分析比较两者的能量利用能力.

能量利用率定义为冷凝器再热量及热虹吸管换热器有效利用热量之和与蒸发器除湿过程能量变化之比.

普通除湿机能量利用率ζ1可表示为:

(4)

热虹吸管除湿机能量利用率ζ2表示为:

(5)

上述各式中,h1,h2,h3同上;h4为冷凝器之前热管冷凝段之后测点处的空气焓值,kJ/kg;h5为系统冷凝器之后测点处的空气焓值,kJ/kg.

图8 普通除湿机与热虹吸管除湿机能量利用率对比Fig.8 Comparison of energy utilization ratio between ordinary dehumidifier and thermosiphon dehumidifier

图8给出了加装热虹吸管换热器前后除湿机能量利用率变化曲线. 从图中可以看出,加装热虹吸管换热器后,由于热虹吸管换热器的预冷和再热效应,使得能量得到充分有效利用,能量利用率显著提高,结果表明,较普通除湿机的能量利用率至少可提高4.3倍. 从能量有效利用的角度分析,进一步体现了热虹吸管除湿机的节能性.

2.6 除湿量与能量利用率试验关联式

为了研究热虹吸管除湿机的除湿量与雷诺数及空气状态间的关系,以无量纲参数进行试验数据拟合,拟合得到了除湿量、流动雷诺数及能量利用率间的计算关联式.

选取参数m(h2-h3)、Re、ζ2进行关联分析,得到拟合关联式如下:

(6)

(7)

式中,m为单位功率除湿量,kg/(h·kW).

用MATLAB拟合得到:a=0.452,b=-0.443,c=1.047. 拟合关联式为:

(8)

式中,雷诺数与能量利用率适用范围分别为:600

2.7 误差分析

本实验主要的测试参数包括除湿机内各测点处的空气温度、相对湿度及空气进口处的空气流速. 分析误差存在的原因主要有两点,一是实验时工况环境的改变,由于实验是在焓差实验室进行的,实验室空间较大,无法准确调节至设定工况. 二是试验过程中测试仪器精度影响产生的误差,包括测量温度时使用的K型热电偶的精度为±0.1 ℃;测量空气流速使用的叶轮风速仪精度为±0.2 m/s;且测量时由于测点位置受限,也会有误差的产生.

3 结论

设计并制造了热虹吸管换热器,以tg=27 ℃,φ=60%的工况为例,对不同雷诺数条件下,热虹吸管除湿机和普通除湿机的除湿性能进行了对比实验,并对除湿量、除湿能耗比、析湿系数以及能量利用率进行了对比分析,实验结果发现:

(1)与普通除湿机相比,加装热虹吸管换热器后,不同雷诺数条件下,除湿机的除湿量增加24%以上,除湿量显著提高.

(2)与普通除湿机相比,加装热虹吸管换热器后,除湿系统除湿能耗比降低至少20%,热虹吸管除湿机的能耗比显著降低.

(3)与普通除湿机相比,加装热虹吸管换热器后,除湿机的析湿系数提高30%以上,热虹吸管除湿机性能提高,除湿能力显著提升.

(4)与普通除湿机相比,热虹吸管除湿机能量利用率提高4.3倍以上,系统节能效果显著.

(5)拟合得到了热虹吸管除湿机除湿量、流动雷诺数以及能量利用率之间的计算关联式,为进一步拓展试验结果提供了参考.

研究结果表明,除湿系统加装热虹吸管换热器后,除湿量显著提高且节能性显著,结果为热虹吸管应用于除湿系统提供了理论基础和数据支撑.