小型溶液除濕空調叉流再生器性能的實驗研究

紀亞琨，丁國忠，陳 想，李永珍

華中科技大學能源與動力工程學院，湖北 武漢 430074

近年來溶液除濕空調系統［1］受到廣泛關注與研究，現已成功應用于大型中央空調系統中［2-3］。不同于傳統空調系統采用冷卻除濕的空氣處理方式，該系統利用溶液循環調節室內空氣含濕量，實現室內濕負荷與顯熱負荷解耦［4］從而提高制冷系統蒸發溫度，具有溫濕度獨立控制，節能環保，凈化空氣［5］等諸多優點，但溶液再生一直是阻礙系統小型化應用的關鍵難題［6-7］。目前許多研究者針對溶液除濕空調系統的再生器做了實驗研究，如Bassuoni［8］以 CaCl2作為實驗工質，通過多組實驗研究了規整填料再生器溶液再生性能的影響因素；Zhang等［9］結合空調實際運行工況，將風速控制在0.5 m/s～1.5 m/s進行實驗，并將實驗數據與模型預測值相比較，將誤差嚴控在20%的范圍內；劉曉華等［10］搭建溶液除濕空調系統的叉流熱質傳遞實驗臺進行實驗，并將實驗數據代入熱濕交換模型驗證，擬合出換熱單元數與各入口參數的關聯式；張海江等［11］將氯化鋰工質應用于再生實驗，并與其他再生劑性能進行了綜合對比。但是這些實驗基于大型中央空調系統，其具有空間足夠大，填料尺寸大，溶液流量大，可安放獨立風機的特點，易于根據實際情況靈活布局設備和設計尺寸。而將溶液調濕技術應用于小型分體式空調器尚缺乏相關理論研究和實驗數據。本文根據小型家用空調有關參數，針對叉流、低流量、強制對流換熱的再生工況進行實驗，研究溶液再生的影響因素，為解決溶液空調系統小型化應用中的難題做出嘗試。

1 實驗裝置與理論模型

1.1 實驗裝置

依據小型家用分體式空調室外機尺寸和小型分體式空調冷凝器及風機有關型號和參數，搭建了如圖1所示的實驗系統。該系統由溶液子系統、風子系統和熱質傳遞模塊三部分組合而成。實驗系統的實驗工質選用質量濃度29%的LiCl溶液，填料選用Celdek規整填料［12］。由于小型空調器的可用空間狹小，填料被切割為小而薄的尺寸，其高度、寬度和厚度分別為350 mm、350 mm和30 mm。實驗過程中，保溫桶內的溶液經過防腐蝕電加熱器加熱，經由溶液泵至布液器均勻噴灑到填料上邊緣，因重力因素自上而下潤濕填料，并與水平方向的經過熱濕處理的潔凈空氣進行充分的叉流熱質交換，最后流到溶液桶中被回收，風經由軸流式風機排出系統。在實驗過程中，溶液流量通過溶液入口端的流量計調節、監測；溶液溫度由防腐蝕電加熱器所自帶的電子溫控器控制，實現溶液加熱和保溫的精確調控。風速由Testo 405i熱線風速儀監控。溶液入口和出口溫度、空氣入口干濕球溫度、空氣出口干濕球溫度均由安捷倫溫度測試系統配合Pt100鉑電阻進行實時監測。風速儀和安捷倫溫度測試儀器實現了自動化數據采集與保存，數據采集間隔為1 s；由流量計所測得的溶液流量人工讀取記錄，采集間隔30 s。

圖1 小型溶液除濕空調系統的再生器性能實驗臺Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

1.2 熱濕傳遞理論

上述實驗系統為基礎選取任一叉流熱質傳遞微元作為研究對象［13-14］，定義劉易斯數 L和換熱單元數N兩個無量綱數為：

式（1）和式（2）中的km為溶液與濕空氣之間的傳質系數，單位kg/（m2·s）；kh為溶液與濕空氣之間的傳熱系數，單位W/（m2·K）；Cpa為濕空氣定壓比熱容，單位kJ/（kg·K）；式（2）中：H、D、W分別為填料的長度、厚度和寬度，單位m；aw為填料的比表面積，單位m2/m3；ma為空氣質量流量，單位kg/s。

又根據叉流情況下的能量守恒和質量守恒，得到控制方程（3）～（6）：

式（3）～（6）中：x，z代表溶液和空氣的流動方向；ha、hs、he分別為空氣焓值、溶液焓值和與溶液狀態相平衡的空氣狀態的比焓，單位kJ/kg；ms為溶液質量流量，單位kg/s；ωe為溶液等效含濕量，ωa為濕空氣的含濕量，ε為溶液的質量濃度。

定義再生量M表征經過再生器前后溶液中含水量的變化，并以此作為評價實驗結果的指標：

而利用上述理論及控制方程結合適當的傳質單元數關聯式可得出再生量的理論模擬值。

2 結果與討論

2.1 溶液流量對再生量的影響

溶液再生量隨溶液流量的具體變化如圖2所示。實驗中空氣流量1 290 kg/h，入口空氣溫度35℃，含濕量15 g/kg，溶液流量5.9 kg/h～26.4 kg/h，入口溶液溫度65℃。從圖2中可以看出，隨著溶液流量增大，系統的溶液再生量顯著增大。這是因為在此小尺寸填料、小溶液流量的系統工況下，隨溶液流量的增大，溶液對填料的浸潤程度逐漸增大，使系統對填料比表面積的利用率大幅度提升，從而提高了傳熱傳質效果和再生性能。

圖2 溶液流量對再生量的影響Fig.2 Effect of desiccant solution flowrate on regenerated capacity

2.2 溶液入口溫度對再生量的影響

圖3展示了溶液入口溫度對再生效果的影響。實驗中空氣流量1 290 kg/h，入口空氣溫度35℃，含濕量15 g/kg，溶液入口溫度55℃～80℃。從圖3中可以看出，隨著溶液入口溫度增大，系統的再生量增大。在同一溶液初始濃度下，隨溶液入口溫度的上升，溶液等效含濕量增大，溶液表面水蒸氣分壓力增大［15］，利于稀溶液水分被空氣攜帶從而實現溶液再生。

圖3 溶液入口溫度對再生量的影響Fig.3 Effect of desiccant solution inlet temperature on regenerated capacity

2.3 空氣流量對再生量的影響

空氣流量也是影響再生裝置傳熱傳質性能的重要因素之一。在大型中央空調中，通過在進風風道安放獨立風機來自由調節空氣流量。由于分體式空調器系統空間有限，本文提出借助空調室外機風扇進行強制對流換熱的構想。經過系列測試，常見的小型家用空調室外機風量控制在645 kg/h～1 500 kg/h，因此本文涉及的變空氣流量實驗，進口空氣流量范圍選擇為580 kg/h～1680kg/h。其他實驗參數為：入口空氣溫度35℃，溶液流量14 kg/h，含濕量15 g/kg，入口溶液溫度65℃。該因素對系統再生量的影響如圖4所示。可以觀察到，隨著空氣流量的增大系統溶液再生量呈增大趨勢。這是因為隨著空氣流量增大，空氣與溶液在填料內部的接觸面積增大，熱質交換過程進行得更加充分。且根據實驗觀測，相同實驗條件下，大空氣流量利于減小高溫溶液在傳熱傳質過程中的溫降，這使得溶液的表面蒸氣壓提高［15-16］，利于溶液再生。

圖4 空氣流量對再生量的影響Fig.4 Effect of air flowrate on regenerated capacity

2.4 空氣入口溫度對再生量的影響

溶液再生量隨空氣入口溫度的具體變化如圖5所示。實驗中空氣入口風量1 290 kg/h，空氣入口溫度28℃～40℃，含濕量15 g/kg，溶液流量14 kg/h，溶液入口溫度65℃。在此空氣入口溫度測試工況下，溶液再生量隨空氣入口溫度升高而降低，隨空氣入口溫度上升，空氣與溶液的傳熱溫差降低，導致空氣和溶液的水蒸汽分壓力的壓力差減小，從而影響了溶液再生過程的傳熱傳質。但由于空氣流經的填料厚度與中央空調相比大大減薄，影響程度并不明顯。

圖5 空氣入口溫度對再生量的影響Fig.5 Effect of air inlet temperature on regenerated capacity

2.5 叉流再生的關聯式

利用大量現有實驗數據建立該實驗工況下叉流再生的體積傳質系數表達式如下：

式（8）中 va為空氣流速（m/s），ωa為濕空氣的含濕量，ta和ts分別代表空氣入口溫度與溶液入口溫度。

利用上述熱濕傳遞理論的系列控制方程與關聯式（8）得到再生量的理論擬合值，并將再生量實驗值與擬合值比較，如圖6所示。可以看到，再生量實驗值與擬合值的誤差控制在±9%的范圍內。

圖6 再生量實驗值與模擬值比較Fig.6 Comparison of predicted and experimental values of regenerated capacity

3 結 語

在參考小型空調系統的運行工況和機器參數的基礎上搭建了溶液叉流再生實驗臺，并進行多組實驗，分析了各參數對溶液再生的影響；

1）再生量隨溶液流量、溶液入口溫度、空氣流量的增大而增大，空氣入口溫度對再生量的影響并不明顯。

2）溶液再生裝置在小型家用溶液除濕空調系統的應用將大大提高系統濕負荷處理能力，從而提高制冷量。

3）文中體積傳質關聯式更加適用于小型化再生工況的需要，使得再生量的實驗值與模擬值偏差在±9%范圍內，能夠較好吻合。

上述實驗結果為小型家用溶液除濕空調系統再生器的設計提供了參考和數據支持。

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