廣州地區太陽能溶液除濕再生溫度的研究

肖 杰 裴清清

廣州地區太陽能溶液除濕再生溫度的研究

肖 杰 裴清清

廣州大學土木工程學院

本文以廣州為例，根據氣象站太陽輻射統計數據，理論計算了該地區太陽能熱水器集熱量。再生熱能全部利用太陽能的條件下，根據廣州地區室外氣候特點，求解再生量隨再生溫度的變化關系。計算條件下，5、10月份廣州地區再生量最大時對應的再生溫度分別為59℃和72℃。

太陽能溶液除濕再生溫度

0 引言

太陽能溶液除濕空調系統（圖1）為太陽能利用提供了一個新的方向，并以其顯著的節能優勢和對室內空氣品質的改善作用成為了國內眾多學者研究的熱點。廣州作為熱濕地區的典型代表，空調季節較高的室外空氣濕度使潛熱負荷往往占新風冷負荷80%以上。同時該地區太陽能年總輻射量約為4400～5000MJ/(m2·a)[1]，具有一定的利用潛力。太陽能與溶液除濕系統的有效結合和高效應用，對于緩解地區緊張的空調能耗壓力、減少資源消耗和保護環境有著非常重要的意義。

圖1 太陽能溶液除濕系統圖

丁濤等實驗測量了CaCl2和LiCl的混合鹽溶液（物質的量比1:1）擴散系數和再生效率，結果表明，熱源溫度低于50℃時，該混合鹽系統無法再生，再生熱源的溫度達到104℃時，系統再生效果良好[2]。殷勇高等研究了LiCl溶液的再生過程，結果表明在熱源溫度達到75℃以后，系統再生量和傳質系數都顯著增強[3]。學者們已經從擴散系數、再生量和再生效率角度研究合適的再生溫度范圍，并取得了可觀的成果。太陽能溶液除濕設計時，選擇合適的再生溫度有利于節省投資及高效利用能源。本文從太陽能溶液除濕系統整體出發，求解再生量隨再生溫度的變化情況。

1 太陽能熱水器集熱量計算

根據當地氣象站水平面太陽輻射統計數據，可根據晴天模型[4]來計算朝正南方向傾斜面上太陽輻射總量，其計算公式為：

式中：H、Ht分別為水平面和傾斜面太陽輻射總量日平均值，kJ/m2；Hb、Hd分別為水平面上太陽輻射的直射分量和散射分量，kJ/m2；Rb、Rs、Rg分別為直射、散射和漫射分量的傾斜因子；β、φ、δ分別為斜面傾角、當地緯度和太陽高度角；a0、b0為氣象經驗系數，見表1；ρ為地面反射率，一般取為0.2；ωs、ωs＇分別為水平面和傾斜面上的日落時角，計算公式為：

日照時間按以下公式確定：

表1 5、10月份廣州地區輻射經驗系數

太陽能熱水器能量平衡方程為：

在穩態條件下，可用下式加以描述：

式中：QA、QU、QL、QS分別為總的太陽輻射能量、有用能量收益、集熱器的散熱損失、集熱器自身貯能，單位kJ，穩態時QS為0；A為采光面積，m2；Δt為集熱時間，由日照時間確定，s；(τα)e為有效透射吸收積，無量綱；UL為集熱器總熱損系數，kW/(m2·℃)；ta為環境空氣溫度，℃；th,i為熱水進口溫度，℃；th,o為熱水出口溫度，℃；CP為水的比熱，kJ/(kg℃)；mh為熱水產量，kg，熱水流量mh'=mh/Δt。

由式（1）～（11）及地理參數，即可計算出太陽能熱水器的熱水流量mh’。

2 換熱計算

熱水與再生溶液換熱，由能量守恒可得：

式中：ms為再生器入口溶液流量，kg/s；cs、ch分別為溶液和熱水比熱容，kJ/(kg·℃)；ts,i、tss分別為換熱器溶液溫度出口和入口溶液溫度，℃；th,o、th,o’分別為換熱熱水出口和入口溶液溫度，℃；熱水進出口溫差為th,o-th,o’= 5℃，溶液側入口溫度為20℃，換熱后，溶液出口溫度和熱水出口溫度相等，即ts,i=th,o’。由前文求出的mh’及式（12）求出再生器入口溶液溫度ts,i下對應溶液流量ms。

3 逆流絕熱型再生器模型的建立和求解

為簡化模型，作出以下幾點基本假設：

1）再生過程為絕熱過程；

2）傳熱傳質只存在Z方向上，認為軸向沒有傳熱傳質擴散；

3）濕空氣和再生溶液的流量較大，空氣中吸收水分又相對較小，忽略濕空氣的質量變化；

4）填料均勻潤濕，傳熱傳質界面相同。

根據假設條件，絕熱型再生器的模型可簡化成一維傳熱傳質問題，將整個再生器劃分成若干的微元體，針對單個微元體分析其傳熱傳質過程，最終求出整個再生器的參數。圖2為再生器中傳熱傳質微元體的示意圖。

圖2 再生器中傳熱傳質微元體的示意圖

沿Z方向取dz微元段，由熱質平衡知[5]：

其中，傳質單元數

劉易斯數

式中：m質量流量，kg/s；w為含濕量，kg/(kg干空氣)；h為比焓，kJ/kg；k為平均再生傳熱系數，kW/(m2·℃)；km為平均再生傳質系數，kg/(m2·s)；hes為氣液交界面處與再生溶液平衡的空氣的焓值，kJ/kg；wes為氣液交界面處與再生溶液平衡的空氣的含濕量，kg/kg，由溶液溫度、濃度與溶液氣-液平衡圖決定；AV表示單位體積傳熱傳質面積，m2；Z為填料總高度，m；cp為比熱容，kJ/(kg·℃)；ρ為密度，kg/m3；γ為水的汽化潛熱，kJ/kg。下標s、a、v分別代表溶液、濕空氣、水蒸氣。

將式（13）～（18）離散求解，即可求出再生器的再生量。

數值計算條件：

1）換熱器中：熱水側進出口溫差5℃，入口溫度變化范圍為45～95℃，換熱后，溶液出口溫度和熱水出口溫度相等。溶液側入口溫度為20℃。

2）再生器液氣比（質量流量之比）為1.0；填料比表面積190m2/m3，高度0.78m，橫斷面積0.25m2，螺旋填料層間的間距0.01m。

3）再生器單位橫截面積流量為0.4kg/s，橫截面積和再生量都隨入口溶液流量線性變化，所以，太陽能集熱面積的取值不影響再生量峰值對應的再生溫度值，計算中太陽能集熱面積取為19.6m2。

利用Turbo C++編程工具對5、10月份再生器進行數值模擬，其結果如圖3～4。

圖3 5月份再生數值計算結果

圖4 10月份再生數值計算結果

4 結論

太陽能溶液除濕設計時，選擇合適的再生溫度可以節省投資并實現能源的高效利用。結果表明，計算條件下，再生熱能全部由太陽能提供時，廣州地區5、10月份氣候條件下，隨著再生溫度的升高，太陽能溶液除濕系統再生量逐漸增大，出現峰值后逐漸減小。由結果可知，再生量最大值對應的再生溫度值為59℃、72℃。

[1]沈輝,曾祖勤.太陽能光伏發電技術[M].北京:化學工業出版社,2005

[2]丁濤.太陽能除濕系統中混合鹽溶液的除濕/再生效率[J].農業工程學報,2010,26(2):295-299

[3]殷勇高.溶液除濕冷卻系統的再生性能實驗研究[J].工程熱物理學報,2005,26(6):915-917

[4]毛慧琴.廣東省傾斜面上太陽輻射總量的氣候學計算[J].廣東氣象,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，碩士研究生；廣州大學土木工程學院（510006）；E-mail:xiaojie7818@163.com基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃（2011BAJ01B01）