液體除濕空調除濕器性能研究

汪 行 柳建華,2 趙永杰 張 良,2

(1 上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093；2 上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室 上海 200093；3 中國船舶重工集團公司第七○四研究所 上海 200031)

液體除濕空調除濕器性能研究

汪 行1柳建華1,2趙永杰3張 良1,2

(1 上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093；2 上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室 上海 200093；3 中國船舶重工集團公司第七○四研究所 上海 200031)

在液體除濕空調中，除濕器是系統的核心部件。本文搭建可用于實驗研究的液體除濕空調系統中除濕器的實驗臺，對塔徑300 mm、填料高度800 mm，以LiCl溶液為除濕劑的除濕器布置測點進行實測。基于Mercel理論，根據熱質平衡并結合D. I. Stevens 的有效模型，建立適用于該液體除濕空調系統中的除濕器傳熱傳質模型。從實驗和理論模型兩個方面分析除濕器進口各項參數對除濕量的影響，結果表明：理論值和實驗值有很好的一致性，且數據差異較小，說明計算模型適應性良好，能準確的用于該除濕器的性能模擬測試，將實驗與理論計算結果進行對比可知：在一定的工況范圍內，除濕器的除濕量受進口溶液溫度、濃度、質流密度等參數影響較大，其中溶液進口溫度越低，除濕效果越顯著，溶液進口濃度越低，除濕效果越好；溶液進口質流密度需控制在一定范圍進行調節，才能顯著提高除濕器性能；空氣入口風速、干球溫度以及含濕量對除濕出口的空氣狀態參數影響較弱。

液體除濕空調; 除濕器; 數值模型; 實驗工況

目前常使用的除濕方法有常規的冷凝除濕、固體吸附除濕、通風置換除濕、溶液吸收除濕、膜除濕、加壓冷卻除濕等，其中液體除濕因其具有清潔、易操作、除濕劑所需再生溫度低、環保性能好，蓄能密度高等優點，很適合以太陽能工業余熱等間歇性或波動大的低品位熱源作為再生熱源[1-3]，從1955年GOG L?f等[4]提出并實驗了以三甘醇為吸濕劑、太陽能為驅動的液體除濕空調系統起，液體除濕領域的研究已經進行了很多年，M. R.Paterson等[5]綜合了許多學者的研究結果，總結了氯化鋰除濕溶液的物理性質的經驗公式，并給出了計算程序。S. Y. Ahmed 等[6]用經典熱力學方法計算氯化鋰除濕溶液的表面水蒸氣壓力，Y. J. Dai 等[7]對以蜂窩紙為填料的叉流除濕裝置進行了相關的理論分析，R.E.Treybal等[8-11]先后推出傳熱傳質微分方程，并進行了完善，使其能夠較好地應用于絕熱型除濕器中的傳熱傳質過程的求解。現階段比較成熟的計算除濕塔模型有H. M. Factor等[9-12]提出的有限差分模型， D. I. Stevens 等[13-14]提出的 NTU-ε模型，以及 A. Y. Khan 等[15]的代數方程迭代模型。在國內，路則峰等[16]采用 NTU-ε模型對液體除濕塔的傳熱傳質進行了分析，研究了塔內空氣濕度的變化情況，張海江等[17]對叉流除濕器中不同的除濕劑進行了實驗比較分析得出LiCl在其中具有更好的傳質性能，錢俊飛等[18]利用實驗數據建立叉流除濕器的實驗關聯式，對叉流除濕器的設計有一定的指導作用。基于大多數研究者對填料塔除濕器的研究停留在理論建模，借助于計算機進行模擬計算的階段，或者局限于僅對除濕器進行實驗研究。因此本文旨在建立適用于液體除濕空調系統中的逆流除濕器傳熱傳質模型，搭建能用于實驗研究液體除濕空調系統中除濕器的實驗臺，通過實驗及理論計算獲取液體除濕空調系統中除濕器的最佳運行工況。

1 液體除濕空調實驗臺設計

1.1 液體除濕空調實驗臺原理

1蒸發冷卻裝置；2除濕器；3集液器；4泵；5冷卻器；6熱交換器；7再生器；8加熱器圖1 液體除濕空調系統簡圖Fig.1 The flowchart of liquid desiccant air conditioning system

液體除濕空調系統簡圖如圖1所示，除濕器2是被處理空氣和除濕劑溶液進行熱質交換的場所，被處理空氣經過除濕器后成為干燥空氣，隨后進入蒸發冷卻裝置1，空氣被處理到送風狀態點。空氣中的水蒸氣在水蒸氣分壓差的作用下進入液體除濕劑，除濕劑溶液濃度降低，除濕劑溶液經溶液泵4的動力下進入加熱器8被加熱，最后稀釋后除濕劑在再生器7中完成再生，進行下一次循環。

1.2 除濕器測點布置

在利用液體除濕的過程中，對除濕結果有影響的參數包括空氣質流密度、空氣的溫濕度、溶液溫度、溶液質流密度等參數。圖2所示為該液體除濕空調中除濕器的二維模型及測點布置圖。

1空氣壓力；2,4空氣進、出口干球溫度；3,5空氣進、出口濕球溫度； 6,7溶液進、出口溫度；P壓力測點；H溫度測點；T溫度測點圖2 除濕實驗中的測點布置Fig.2 Arrangement of measuring points in the experiment of desiccant

2 除濕器理論模型的建立

2.1 理論方法概述

從熱力學角度來分析，填料表面進行的熱質交換是氣液間同時發生流動、傳熱、傳質的過程。

本文通過利用Mercel提出的熱力計算方程式，以熱力學理論為基礎，結合蒸發冷卻原理的熱質交換方程式、從能量平衡和質量平衡兩個方面對方程式進行化簡后得到。

2.2 傳熱傳質方程

填料室內是進行傳熱傳質的主要過程，運用單膜理論，根據熱質平衡，并基于D. I. Stevens 等[13]的有效模型，建立以下針對氯化鋰溶液作為除濕劑，為簡化模型，包含以下幾個基本假設:1)除濕過程是絕熱的；2)傳熱傳質阻力主要取決于氣相，液相阻力可以忽略；3)塔的軸向沒有擴散。模型示意如圖3所示。

圖3 除濕器傳熱傳質模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of the dehumidifier heat transfer model

沿高度方向的每個微元段dz上，根據熱質平衡，可知：

dmshs=msdhs+hsdms=madha

(1)

dms=madωa

(2)

式(2)進行積分可得：

ms=ms,i-ma(ωa,o-ωa)

(3)

madha=hcaesdz(ts-ta)+hv,tsmadωa

(4)

hv,ts為在溶液溫度為ts下的水蒸氣汽化潛熱：

hv,ts=hv,o+cp,vts

(5)

對傳質系數hd定義如下:

madωa=hdaesdz(ωai,ts-ωa)

(6)

madha=hdaesdz[cp,aLe(ts-ta)+hv,ts(ωai,ts-ωa)]

(7)

hs=ho,x+cp,sts

(8)

dhs=cp,sts

(9)

ha=cpta+ωahv,ta

(10)

(11)

(12)

式(1)～式(12)構成了傳熱傳質的基本模型，對以上關系式進行化簡可得如下公式：

(13)

(14)

(15)

(16)

邊界條件確定如下：

當z=0時，ωa=ωa,iha=ha,ita=ta,i

當z=Z0時，x=xits=ts,i

至此，微分方程組式(13)～式(16)和邊界條件構成了除濕器的傳熱傳質模型。如果給定進口空氣的質流密度、焓值、含濕量以及進口溶液的質流密度、溫度和濃度，即可利用該方程組求得相對應的出口空氣和出口溶液的狀態參數，同時也可求得沿除濕器高度方向每一高度上對應的空氣和溶液的狀態參數。正如空氣調節中的其它熱質交換設備的一樣，除濕器效率用熱效率和濕效率兩個定義來描述。熱效率和濕效率的表達式分別為式(17)和式(18)。

(17)

(18)

利用式(17)和式(18)即可算出填料塔除濕器熱效率和濕效率，可進一步了解傳熱傳質的完全程度。

3 模擬與實驗的結果與分析

在選定除濕器直徑為300 mm，填料高度800 mm，以LiCl溶液作為該除濕過程中的除濕劑的基礎上，考察溶液溫度、溶液質流密度、溶液濃度、空氣溫度、空氣風速、空氣含濕量六個進口參數對除濕量的影響。選定實驗中的各個參數范圍，如表1所示，所安排實驗的內容即為了考察各進口參數值在該范圍內變化時對各出口參數值的影響，同時用于比較與模擬結果的差異。

圖4所示為當進口空氣干球溫度34 ℃，濕球溫度28.2 ℃，空氣質流密度為1.887 kg/(m2·s)，溶液質流密度為5.04 kg/(m2·s)，LiCl溶液在濃度分別為30%、35%、40%時，空氣出口含濕量隨著溶液溫度變化的實驗值和模擬值。由圖4可知，實驗值和模擬值變化趨勢基本一致，且實驗值與模型偏差較小在1.91%～14.56%以內，故模型計算也能較好的預測實驗結果。空氣出口含濕量隨溶液溫度的升高而增加，即除濕量隨著溫度的升高而降低，且趨勢非常明顯。說明進口溶液溫度對除濕器的除濕有決定性影響，溶液溫度的升高，溶液水蒸氣分壓力增大，使其除濕能力降低，因而溫度升高除濕率下降。

表1 實驗參數范圍

圖4 空氣出口含濕量隨溶液溫度濃度的變化圖Fig.4 The trend diagram of moisture content of air outlet with the temperature and concentration of solution

圖5 空氣出口含濕量隨溶液質流密度、濃度的變化圖Fig.5 The trend diagram of moisture content of air outlet with the solution mass flux and concentration

圖5所示為當空氣干球溫度為34 ℃，濕球溫度為28.2 ℃，空氣質流密度為1.887 kg/(m2·s)，進口溶液溫度為30 ℃，溶液質流密度范圍為1.68～8.40 kg/(m2·s)時，不同的溶液濃度下，出口空氣含濕量隨溶液質流密度的變化圖。由圖5可知，實驗值與模型偏差為1.21%～17.97%，空氣出口含濕量隨著進口溶液質流密度的增加而降低，一方面進口溶液質流密度越大，氣液接觸更為充分，另一方面當空氣質流密度不變時，溶液質流密度增大，溶液進出口平均濃度升高，除濕效果增強。但溶液質流密度不宜過大，即在小范圍內空氣出口含濕量受影響較大，超過一定值則出口空氣含濕量趨近于定值。圖4～圖5共同說明了溶液濃度是影響除濕量的一個主要因素，濃度越小，除濕效果越好。

圖6描述了在溶液質流密度為5.04 kg/(m2·s)，進口溶液溫度為30 ℃，進口溶液濃度為35%時，分別改變進口空氣參數風速、溫度、含濕量所得出的模型計算值和實驗值。圖6(a)為空氣入口干球溫度為34 ℃，濕球溫度為28.2 ℃時，空氣出口含濕量隨風速變化曲線，實驗值與理論值的偏差在3.57%～11.87%，因在除濕過程中對除濕有直接影響的量，一是接觸面積，二是接觸時間，隨著空氣風速的增加，氣液接觸時間較短，因此低風速下的傳熱傳質完全，相應低風速下出口含濕量較低，另外，當溶液質流密度恒定，處理的空氣量減少時，溶液進出口平均濃度升高，除濕效果增強。在該溶液質流密度下，填料塔潤濕率為60%左右，因此液體分布效果較好，出口含濕量受風速的影響較小。若在低溶液質流密度下，填料塔潤濕率較低，液體分布效果變差，參與傳熱傳質過程的填料層面積變小，出口含濕量受風速的影響較明顯，即傳熱傳質面積越小，越容易受接觸時間的影響。圖6(b)所示為空氣的含濕量為20 g/kgDA，空氣質流密度為1.887 kg/(m2·s)時，空氣出口含濕量隨進口空氣溫度變化的模型計算和實驗結果對比圖，實驗值與理論值的偏差在16.63%～18.57%。圖6(c)為空氣入口干球溫度為34 ℃，空氣質流密度為1.887 kg/(m2·s)，實驗值與理論值的偏差為7.26%～17.17%，空氣出口含濕量隨進口空氣含濕量變化的模型計算和實驗結果對比圖。其實驗結果和模型計算結果都表明，空氣出口含濕量的值幾乎不受進口空氣溫度和含濕量變化的影響。前者原因在于傳質系數和傳質推動力都與空氣干球溫度無關，空氣干球溫度的變化只反映空氣的顯熱變化，它雖然對傳熱有影響，但空氣的顯熱比熱與溶液的比熱相比要小得多，因此，當空氣干球溫度變化時，溶液出口含濕量基本不變。后者則表明在設定的溶液質流密度下，可以保證在整個空氣濕度范圍內，傳熱傳質進行地都較充分。

圖6 空氣進口參數對空氣出口含濕量的影響Fig.6 The effects of air inlet parameters on moisture content of air outlet

4 結論

本文設計了能用于實驗研究液體去濕空調系統中除濕器的實驗臺，建立適用于液體去濕空調系統中的填料塔除濕器的傳熱傳質模型，通過實驗和模擬計算，分別對除濕器的入口參數對除濕器性能影響進行了分析比較得出結論，模型偏差20%以內，同時也驗證所建立的除濕模型適應性良好，能比較準確的運用于該除濕器模擬測試。

在空氣的質流密度范圍為1.179～2.359 kg/(m2·s)，空氣溫度25～40 ℃，空氣相對濕度40%～95%，溶液質流密度1.68～8.40 kg/(m2·s)，溶液溫度20～45 ℃，溶液濃度30～40%的范圍內對內徑300 mm，填料高800 mm，以LiCl溶液為除濕劑的除濕器的進行實驗和模擬測試。得出如下結論：溶液溫度越低，溶液濃度越低，除濕效果越好，溶液質流密度在小于一定范圍內越大，則除濕量越好，超過則影響較小。空氣進口參數風速、溫度，含濕量均對除濕量影響較小。故為提高除濕器性能，需著重考慮控制除濕溶液的質流密度和溫度，從而提高系統的整體性能。

本文受上海市科委建設項目(13DZ2260900)資助。(The project was supported by Shanghai Municipal Science and Technology Commission construction projects(No.13DZ2260900).)

符號說明

m——質量流量，kg/s

h——比焓，kJ/kg

w——含濕量，g/kgDA

hc——傳熱系數，kW/(m2·℃)

ae——有效潤濕面積，m2/m3

s——填料塔截面積，m2

Zo——填料總高，m

t——溫度，℃

hd——傳質系數，kg/(m25s)

c——溶液濃度，kg/kg

cp——比熱容，kJ/(kg·℃)

Le——劉易斯數

NTU——傳質單元數

z——填料塔坐標上的高度，m

下標

a———空氣s———溶液i———進口o———出口v———水蒸氣

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About the corresponding author

Liu Jianhua, male, professor, University of Shanghai for Science and Technology, +86 13817757889, E-mail: lwnlwn_liu@163.com. Research fields: optimization research for refrigeration system, application research for refrigeration test equipment.

Study on the Performance of Dehumidifier with Liquid Desiccant

Wang Xing1Liu Jianhua1,2Zhao Yongjie3Zhang Liang1,2

(1. School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093, China; 2. Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer of Power Engineering, Shanghai, 200093, China; 3. NO. 704 Research Institute, CSIC, Shanghai, 200031, China)

In the liquid desiccant air conditioning system, the dehumidifier is a core component of the system. An experimental platform is built to be used for the dehumidifier performance test in the liquid desiccant air conditioning system. The measuring points are arranged in the dehumidification tower with LiCl solution as the desiccant, where the diameter of is 300 mm, and packing height is 800 mm. A heat and mass transfer model for the dehumidifier is established based on the Mercel theory, the heat and mass balance and the effective model of D. I. Stevens. The influence of various parameters on the performance of dehumidifier is analyzed from both experimental and theoretical results. The results show that the simulation results are in good agreement with the experimental ones, which shows that the model has good adaptability and can be used to simulate the performance of the dehumidifier. After analyzing the experimental and theoretical results, it can be seen that the inlet solution temperature, concentration and mass flux have greater impact on the dehumidification in the range of experimental conditions. The lower the inlet temperature of the solution, the better dehumidification effect of the desiccant; the lower the concentration of the solution, the better effect of removing moisture. And the inlet mass flux of the solution must be controlled in a certain range so that the performance of the dehumidifier can be improved. The air inlet velocity, dry bulb temperature and moisture content have little effect on the outlet air condition of the dehumidifier.

liquid desiccant air conditioning; dehumidifier; heat and mass transfer model; test conditions

0253- 4339(2017) 02- 0045- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2017.02.045

2016年9月18日

TU834.9;TK124;TP391.9

A

柳建華，男，教授，上海理工大學，13817757889， E-mail：lwnlwn_liu@163.com。研究方向: 制冷系統的優化匹配研究，制冷測試設備的應用研究。