紀(jì)亞琨，丁國(guó)忠，陳 想，李永珍

華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430074

近年來(lái)溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)［1］受到廣泛關(guān)注與研究，現(xiàn)已成功應(yīng)用于大型中央空調(diào)系統(tǒng)中［2-3］。不同于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)采用冷卻除濕的空氣處理方式，該系統(tǒng)利用溶液循環(huán)調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣含濕量，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)濕負(fù)荷與顯熱負(fù)荷解耦［4］從而提高制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度，具有溫濕度獨(dú)立控制，節(jié)能環(huán)保，凈化空氣［5］等諸多優(yōu)點(diǎn)，但溶液再生一直是阻礙系統(tǒng)小型化應(yīng)用的關(guān)鍵難題［6-7］。目前許多研究者針對(duì)溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)的再生器做了實(shí)驗(yàn)研究，如Bassuoni［8］以 CaCl2作為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)，通過(guò)多組實(shí)驗(yàn)研究了規(guī)整填料再生器溶液再生性能的影響因素；Zhang等［9］結(jié)合空調(diào)實(shí)際運(yùn)行工況，將風(fēng)速控制在0.5 m/s～1.5 m/s進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型預(yù)測(cè)值相比較，將誤差嚴(yán)控在20%的范圍內(nèi)；劉曉華等［10］搭建溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)的叉流熱質(zhì)傳遞實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入熱濕交換模型驗(yàn)證，擬合出換熱單元數(shù)與各入口參數(shù)的關(guān)聯(lián)式；張海江等［11］將氯化鋰工質(zhì)應(yīng)用于再生實(shí)驗(yàn)，并與其他再生劑性能進(jìn)行了綜合對(duì)比。但是這些實(shí)驗(yàn)基于大型中央空調(diào)系統(tǒng)，其具有空間足夠大，填料尺寸大，溶液流量大，可安放獨(dú)立風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)，易于根據(jù)實(shí)際情況靈活布局設(shè)備和設(shè)計(jì)尺寸。而將溶液調(diào)濕技術(shù)應(yīng)用于小型分體式空調(diào)器尚缺乏相關(guān)理論研究和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。本文根據(jù)小型家用空調(diào)有關(guān)參數(shù)，針對(duì)叉流、低流量、強(qiáng)制對(duì)流換熱的再生工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究溶液再生的影響因素，為解決溶液空調(diào)系統(tǒng)小型化應(yīng)用中的難題做出嘗試。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與理論模型

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

依據(jù)小型家用分體式空調(diào)室外機(jī)尺寸和小型分體式空調(diào)冷凝器及風(fēng)機(jī)有關(guān)型號(hào)和參數(shù)，搭建了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由溶液子系統(tǒng)、風(fēng)子系統(tǒng)和熱質(zhì)傳遞模塊三部分組合而成。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)工質(zhì)選用質(zhì)量濃度29%的LiCl溶液，填料選用Celdek規(guī)整填料［12］。由于小型空調(diào)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中，保溫桶內(nèi)的溶液經(jīng)過(guò)防腐蝕電加熱器加熱，經(jīng)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(rùn)濕填料，并與水平方向的經(jīng)過(guò)熱濕處理的潔凈空氣進(jìn)行充分的叉流熱質(zhì)交換，最后流到溶液桶中被回收，風(fēng)經(jīng)由軸流式風(fēng)機(jī)排出系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，溶液流量通過(guò)溶液入口端的流量計(jì)調(diào)節(jié)、監(jiān)測(cè)；溶液溫度由防腐蝕電加熱器所自帶的電子溫控器控制，實(shí)現(xiàn)溶液加熱和保溫的精確調(diào)控。風(fēng)速由Testo 405i熱線風(fēng)速儀監(jiān)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(cè)試系統(tǒng)配合Pt100鉑電阻進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。風(fēng)速儀和安捷倫溫度測(cè)試儀器實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集與保存，數(shù)據(jù)采集間隔為1 s；由流量計(jì)所測(cè)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(diào)系統(tǒng)的再生器性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

1.2 熱濕傳遞理論

上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)選取任一叉流熱質(zhì)傳遞微元作為研究對(duì)象［13-14］，定義劉易斯數(shù) L和換熱單元數(shù)N兩個(gè)無(wú)量綱數(shù)為：

式（1）和式（2）中的km為溶液與濕空氣之間的傳質(zhì)系數(shù)，單位kg/（m2·s）；kh為溶液與濕空氣之間的傳熱系數(shù)，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(zhǎng)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(zhì)量流量，單位kg/s。

又根據(jù)叉流情況下的能量守恒和質(zhì)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(dòng)方向；ha、hs、he分別為空氣焓值、溶液焓值和與溶液狀態(tài)相平衡的空氣狀態(tài)的比焓，單位kJ/kg；ms為溶液質(zhì)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(zhì)量濃度。

定義再生量M表征經(jīng)過(guò)再生器前后溶液中含水量的變化，并以此作為評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的指標(biāo)：

而利用上述理論及控制方程結(jié)合適當(dāng)?shù)膫髻|(zhì)單元數(shù)關(guān)聯(lián)式可得出再生量的理論模擬值。

2 結(jié)果與討論

2.1 溶液流量對(duì)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(shí)驗(yàn)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(tǒng)的溶液再生量顯著增大。這是因?yàn)樵诖诵〕叽缣盍?、小溶液流量的系統(tǒng)工況下，隨溶液流量的增大，溶液對(duì)填料的浸潤(rùn)程度逐漸增大，使系統(tǒng)對(duì)填料比表面積的利用率大幅度提升，從而提高了傳熱傳質(zhì)效果和再生性能。

圖2 溶液流量對(duì)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(duì)再生量的影響

圖3展示了溶液入口溫度對(duì)再生效果的影響。實(shí)驗(yàn)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(tǒng)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(shí)現(xiàn)溶液再生。

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

2.3 空氣流量對(duì)再生量的影響

空氣流量也是影響再生裝置傳熱傳質(zhì)性能的重要因素之一。在大型中央空調(diào)中，通過(guò)在進(jìn)風(fēng)風(fēng)道安放獨(dú)立風(fēng)機(jī)來(lái)自由調(diào)節(jié)空氣流量。由于分體式空調(diào)器系統(tǒng)空間有限，本文提出借助空調(diào)室外機(jī)風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流換熱的構(gòu)想。經(jīng)過(guò)系列測(cè)試，常見的小型家用空調(diào)室外機(jī)風(fēng)量控制在645 kg/h～1 500 kg/h，因此本文涉及的變空氣流量實(shí)驗(yàn)，進(jìn)口空氣流量范圍選擇為580 kg/h～1680kg/h。其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)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(duì)系統(tǒng)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(tǒng)溶液再生量呈增大趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著空氣流量增大，空氣與溶液在填料內(nèi)部的接觸面積增大，熱質(zhì)交換過(guò)程進(jìn)行得更加充分。且根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，相同實(shí)驗(yàn)條件下，大空氣流量利于減小高溫溶液在傳熱傳質(zhì)過(guò)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(duì)再生量的影響Fig.4 Effect of air flowrate on regenerated capacity

2.4 空氣入口溫度對(duì)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(shí)驗(yàn)中空氣入口風(fēng)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(cè)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(dǎo)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(guò)程的傳熱傳質(zhì)。但由于空氣流經(jīng)的填料厚度與中央空調(diào)相比大大減薄，影響程度并不明顯。

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

2.5 叉流再生的關(guān)聯(lián)式

利用大量現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立該實(shí)驗(yàn)工況下叉流再生的體積傳質(zhì)系數(shù)表達(dá)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(guān)聯(lián)式（8）得到再生量的理論擬合值，并將再生量實(shí)驗(yàn)值與擬合值比較，如圖6所示?？梢钥吹剑偕繉?shí)驗(yàn)值與擬合值的誤差控制在±9%的范圍內(nèi)。

圖6 再生量實(shí)驗(yàn)值與模擬值比較Fig.6 Comparison of predicted and experimental values of regenerated capacity

3 結(jié) 語(yǔ)

在參考小型空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行工況和機(jī)器參數(shù)的基礎(chǔ)上搭建了溶液叉流再生實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，分析了各參數(shù)對(duì)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(duì)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(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用將大大提高系統(tǒng)濕負(fù)荷處理能力，從而提高制冷量。

3）文中體積傳質(zhì)關(guān)聯(lián)式更加適用于小型化再生工況的需要，使得再生量的實(shí)驗(yàn)值與模擬值偏差在±9%范圍內(nèi)，能夠較好吻合。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果為小型家用溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)再生器的設(shè)計(jì)提供了參考和數(shù)據(jù)支持。

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