王志星 唐易達(dá) 王振宇

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溶液調(diào)溫調(diào)濕機(jī)組中空氣預(yù)處理器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

王志星 唐易達(dá) 王振宇

（西南科技大學(xué) 綿陽(yáng) 621010）

溶液調(diào)溫調(diào)濕技術(shù)已廣泛運(yùn)用在建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境的控制中。對(duì)四川綿陽(yáng)某高校教學(xué)樓溶液調(diào)溫調(diào)濕機(jī)組空氣預(yù)處理器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，即采用自編UDF程序，數(shù)值計(jì)算空氣預(yù)處理設(shè)備除濕量及除濕效率與肋片參數(shù)的變化規(guī)律。當(dāng)提高空氣處理器的進(jìn)水溫度，優(yōu)化肋片其他設(shè)計(jì)參數(shù)：肋片高度不宜超過19mm；厚度在0.10mm-0.25mm，間距在2.2mm-2.4mm；氣流速度在1.7m/s-1.9m/s之間時(shí)，能滿足除濕要求。同時(shí)采用高溫冷水的空氣預(yù)處理器比低溫水時(shí)的效率更高，故采用高溫冷源進(jìn)行冷卻減濕更為節(jié)能。

空氣預(yù)處理器；高溫冷源；溶液除濕；節(jié)能

0 引言

在使用溶液調(diào)溫調(diào)濕機(jī)組對(duì)建筑室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行熱濕控制時(shí)，為保證送風(fēng)要求，需對(duì)除濕單元不斷進(jìn)行冷卻，對(duì)再生單元進(jìn)行加熱。當(dāng)熱濕負(fù)荷較大時(shí)，對(duì)溶液循環(huán)量，以及除濕單元側(cè)，再生單元側(cè)能量供給的需求會(huì)進(jìn)一步增大。這就對(duì)溶液調(diào)溫調(diào)濕技術(shù)的節(jié)能潛力，提出新的挑戰(zhàn)[1]。

劉曉華等人[2]從吸濕劑空氣處理過程的基本特性出發(fā)，分析液體和固體空氣處理設(shè)備的性能特點(diǎn)，得出驅(qū)動(dòng)力特性分析對(duì)空氣處理設(shè)備的實(shí)際流程構(gòu)造具有指導(dǎo)意義；張濤[3]等人通過對(duì)溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)中，不同運(yùn)行參數(shù)下，系統(tǒng)能耗進(jìn)行分析，得出在選用輻射末端并控制供回水溫差不變情況下，提高供水溫度，可改善系統(tǒng)能效，但會(huì)增加輻射板面積。江億[4]領(lǐng)導(dǎo)的課題團(tuán)隊(duì)采用串聯(lián)空氣處理單元的方式來滿足空氣處理所要求的除濕量，這一措施不可避免的會(huì)導(dǎo)致機(jī)組占地空間的增大。

如何利用建筑所在地區(qū)的能源分布特性，在滿足除濕量要求的前提下，降低溶液循環(huán)流量，減少除濕單元與再生單元側(cè)對(duì)能量供給的依賴，同時(shí)盡可能減少機(jī)組體積，節(jié)約建筑空間，成為困擾本研究的關(guān)鍵。

在對(duì)四川綿陽(yáng)某高校教學(xué)樓，采用太陽(yáng)能—地?zé)崮軓?fù)合熱泵系統(tǒng)[5-7]溶液調(diào)溫調(diào)濕機(jī)組對(duì)空氣進(jìn)行除濕降溫處理的過程中發(fā)現(xiàn)，將空氣進(jìn)行預(yù)處理，可降低機(jī)組對(duì)太陽(yáng)能的依賴，及降低對(duì)再生單元側(cè)能量的需求。為充分利用當(dāng)?shù)刎S富的高溫地表冷水水源，提出高溫冷水空氣處理器[8]的構(gòu)想。通過自編UDF程序，數(shù)值計(jì)算空氣預(yù)處理設(shè)備除濕量及除濕效率與肋片高度、厚度、間距、氣流速度、壁面溫度等影響因素之間的關(guān)系，及其變化規(guī)律。并分析計(jì)算不同進(jìn)水溫度下，空氣處理器的?效率。在滿足除濕量和除濕效率的前提下，盡量選擇高?效率下的進(jìn)水溫度值。

1 數(shù)值模擬基本條件

1.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

圖1 空氣預(yù)處理器物理模型

空氣預(yù)處理設(shè)備的除濕性能是本研究關(guān)注的重點(diǎn)，因此，著重分析預(yù)處理設(shè)備在濕工況條件下的性能，采用YG型4排肋片換熱器作為研究對(duì)象，銅質(zhì)管材、管外徑為16mm、管壁厚為1mm、管間距為33mm、管排數(shù)為4mm。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本文選擇單片換熱器肋片作為計(jì)算域，并假設(shè)熱質(zhì)交換發(fā)生在充分發(fā)展段，預(yù)處理?yè)Q熱器物理模型如圖1所示。

本文采用Gambit軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在物理結(jié)構(gòu)沒有突變的區(qū)域，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)于形狀不規(guī)則的突變區(qū)域，采用適應(yīng)性強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并檢驗(yàn)了網(wǎng)格的穩(wěn)定性，檢驗(yàn)結(jié)果是本物理模型的網(wǎng)格數(shù)為168萬(wàn)時(shí)為最佳網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 預(yù)處理設(shè)備的網(wǎng)格劃分

1.2 邊界條件設(shè)置

與肋片的幾何尺寸相比，肋片的厚度忽略不計(jì)，設(shè)定了兩個(gè)計(jì)算域，即流體域和固體域，同時(shí)，由于是周期性邊界條件，本文將上一個(gè)節(jié)點(diǎn)的出口作為下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的入口。采用混合模型，同時(shí)存在空氣（air）相、水蒸氣相（water-vapor）和液態(tài)水相（water-liquid），空氣相作為主相，水蒸氣作為第二相，液態(tài)水作為第三相；速度進(jìn)口，壓力出口，恒定壁溫，默認(rèn)自動(dòng)耦合面。

1.3 其他設(shè)置

本文采用fluent在計(jì)算空氣預(yù)處理設(shè)備的除濕性能時(shí)，需要將空氣的相對(duì)濕度或含濕量轉(zhuǎn)換為體積分?jǐn)?shù)，根據(jù)四川省綿陽(yáng)市的氣候特征，綿陽(yáng)開啟空調(diào)的時(shí)間段多為6-8月，根據(jù)每月的氣候參數(shù)設(shè)定了四個(gè)工況，分別為：工況Ⅰ（溫度為301.6K，含濕量為23.46g/kg，干空氣體積比為95.1%）、工況Ⅱ（溫度為305.6K，含濕量為30.56g/kg，干空氣體積比為93.5%）、工況Ⅲ（溫度為307.6K，含濕量為31g/kg，干空氣體積比為93.1%）和工況Ⅳ（溫度為308.8K，含濕量為37.68g/kg，干空氣體積比為92.1%）。本文選用基于壓力的求解器計(jì)算空氣預(yù)處理設(shè)備除濕過程，選擇層流模型，考慮重力的影響，采用SIMPLEC算法，設(shè)置離散格式時(shí)采用QUICK算法，設(shè)置收斂極限等于1×10-6。

2 空氣預(yù)處理器除濕性能的影響因素分析

2.1 肋片高度對(duì)除濕性能的影響

空氣預(yù)處理器其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，肋片高度作為自變量，數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖3和圖4所示。除濕量及除濕效率都隨肋片高度的增加先增加后降低的趨勢(shì)，說明肋片高度過低會(huì)導(dǎo)致減小肋片與濕空氣的接觸面積，適當(dāng)增加高度有利于提高除濕量和除濕效率；當(dāng)肋片過高時(shí)，肋片的溫度梯度增大，導(dǎo)致肋片頂端的溫度較高而不能除濕，但是又有一部分冷量被傳遞到肋片頂端，使冷量存在一部分損失，因此肋片過高反而會(huì)導(dǎo)致除濕量及除濕效率降低。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，肋片的高度18mm較為適宜。

圖3 肋片高度與除濕效率的關(guān)系

圖4 肋片高度與除濕量的關(guān)系

2.2 肋片厚度對(duì)除濕性能的影響

除濕效率及除濕量隨肋片厚度的變化規(guī)律如圖5和圖6所示?？傮w來說，除濕量及除濕效率隨肋片厚度的增加而降低，這是由于隨著肋片厚度增加，會(huì)略有減少傳熱傳質(zhì)比表面積?？紤]到肋片的加工工藝，本文建議肋片厚度0.1mm-0.25mm之間比較適宜。

圖5 肋片厚度與除濕效率的關(guān)系

圖6 肋片厚度對(duì)除濕量的關(guān)系

2.3 肋片間距對(duì)除濕性能的影響

除濕效率及除濕量隨肋片間距的變化規(guī)律如圖7和圖8所示。在工況Ⅱ、工況Ⅲ和工況Ⅳ條件下，空氣預(yù)處理設(shè)備的除濕量及除濕效率隨肋片間距增大先增加后減小。在工況Ⅱ條件下，肋片間距等于2.4mm時(shí)的除濕效率和除濕量最大，在工況Ⅲ和工況Ⅳ條件下，肋片間距等于2.2mm時(shí)的除濕效率最大。在工況Ⅰ條件下，空氣預(yù)處理設(shè)備肋片間距等于2.0mm時(shí)的除濕效率最大。說明適當(dāng)增加肋片間距可以增大空氣與肋片的接觸表面積，但是過大的肋片間距會(huì)降低空氣預(yù)處理設(shè)備的換熱效果，從而降低除濕量和除濕效率。結(jié)合綿陽(yáng)地區(qū)的氣候特點(diǎn)，建議肋片間距取2.2mm左右為宜。

圖7 肋片間距與除濕效率的關(guān)系

圖8 肋片間距與除濕量的關(guān)系

2.4 氣流速度對(duì)除濕性能的影響

空氣預(yù)處理設(shè)備的除濕量及除濕效率隨氣流速度的變化規(guī)律如圖9和圖10所示。在工況Ⅱ、工況Ⅲ和工況Ⅳ條件下，空氣預(yù)處理設(shè)備的除濕量及除濕效率隨氣流速度的增加先增加后降低，不同的工況時(shí)的最大除濕量及除濕效率的氣流速度不同，總體來說氣流速度分布在1.7m/s-1.9m/s之間。在工況Ⅰ條件下，空氣預(yù)處理設(shè)備的除濕量及除濕效率隨氣流速度的增加而減低。總體而言，氣流速度加大從而增加了空氣與壁面的擾動(dòng)，提高傳熱傳質(zhì)系數(shù)，當(dāng)氣流速度過大時(shí)，空氣來不及與壁面進(jìn)行傳熱傳質(zhì)，所以速度過大反而會(huì)降低除濕量和除濕效率。在綿陽(yáng)地區(qū)，建議風(fēng)速為1.7m/s-1.9m/s之間為宜。

圖9 空氣流速與除濕效率的關(guān)系

圖10 空氣流速與除濕量的關(guān)系

2.5 壁面溫度對(duì)除濕性能的影響

壁面溫度對(duì)空氣預(yù)處理設(shè)備的除濕量及除濕效率的影響如圖11和圖12所示?？諝忸A(yù)處理設(shè)備的除濕效率及除濕量隨冷壁溫度升高略有減低，但是變化極為平緩。因此，從節(jié)能的角度出發(fā)，在一定溫度范圍內(nèi)，可適當(dāng)提高冷源的溫度。

圖11 冷壁溫度與除濕效率的關(guān)系

圖12 冷壁溫度與除濕量的關(guān)系

3 空氣預(yù)處理器的?效率分析

與能量分析法相比，?分析法在評(píng)價(jià)系統(tǒng)的用能價(jià)值時(shí)，不僅僅考慮了能量的轉(zhuǎn)化與傳遞過程的能量變化，還深刻反映了能量退化的本質(zhì)，因此，?效率更能全面地反映出能量的利用率，并為能量的合理利用提出科學(xué)依據(jù)[9,10]。?的計(jì)算方程如式（1）：

式中，η為?效率，W為對(duì)外做功量（收益?），E1為支付?（代價(jià)?）。

3.1 空氣預(yù)處理器的?分析模型

空氣預(yù)處理器對(duì)濕空氣進(jìn)行冷卻減濕過程可以認(rèn)為是一個(gè)開口系統(tǒng)，其?分析模型如圖13所示。

圖13 空氣預(yù)處理器的?分析模型

模型中，E1為入口濕空氣的?，E2為出口濕空氣的?，Eq為冷壁輸出的支付?，為控制體內(nèi)各項(xiàng)損失?，（E2-E1）為收益?。在該模型中，如果忽略?損失，那么空氣預(yù)處理器的?效率為如式（2）所示。

其中：

式中，2為濕空氣出口含濕量，kg/kg干空氣；1為濕空氣入口含濕量，kg/kg干空氣；2為濕空氣出口飽和溫度，K；1濕空氣入口飽和溫度，K；Q為預(yù)處理器獲得的冷量，kJ/s；T為預(yù)處理器壁溫，K；0為環(huán)境溫度，K。

3.2 空氣預(yù)處理器的?效率結(jié)果分析

本文以空氣預(yù)處理器的結(jié)構(gòu)不變?yōu)榍疤?，冷壁溫度作為變量，并考慮到綿陽(yáng)測(cè)試的地源溫度為19℃左右，地源熱泵機(jī)組提供的冷凍水溫度約為7℃左右，因此，溫度取值范圍為7℃-19℃。計(jì)算結(jié)果如圖14所示。

圖14 冷壁溫度對(duì)?效率的影響

由圖14可知，隨著空氣預(yù)處理器壁溫的升高，預(yù)處理器的?效率越大，最高時(shí)可以達(dá)到31%左右，因此，在除濕量及除濕效率滿足要求時(shí)，盡可能地提高預(yù)處理器冷源的溫度有利于提高能量的利用效率，使其更加節(jié)能。

4 結(jié)語(yǔ)

通過自編UDF程序，數(shù)值計(jì)算了空氣預(yù)處理設(shè)備除濕量及除濕效率的各影響因素，及其變化規(guī)律。并得到空氣預(yù)處理設(shè)備的除濕量及除濕效率受到肋片結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，有的呈近線性關(guān)系，有的呈非線性關(guān)系，總體來說都有一個(gè)最優(yōu)值；肋片高度不宜超過19mm；厚度在0.10mm-0.25mm之間可根據(jù)氣候特征取值；間距在2.2mm-2.4mm之間比較適宜；氣流速度取1.7m/s-1.9m/s比較合適；壁面溫度對(duì)空氣預(yù)處理設(shè)備的除濕效率及除濕量的影響較小，在一定的溫度范圍內(nèi)，建議適當(dāng)提高冷源的溫度，以便節(jié)約能源；采用高溫冷水的空氣預(yù)處理器比低溫水時(shí)的?效率更高，因此，條件許可的情況下，采用高溫冷源進(jìn)行冷卻減濕更為節(jié)能。

[1] 唐易達(dá),何波,唐中華,等.溶液除濕空調(diào)在高溫高濕地區(qū)的應(yīng)用研究[J].暖通空調(diào),2010,(5):129-132.

[2] 劉曉華,張濤,鄭宇薇.采用吸濕劑的空氣濕度處理過程性能分析[J].化工學(xué)報(bào),2014,(S2):129-139.

[3] 張濤,劉曉華,江億.溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)分析[J].建筑科學(xué),2012,(S2):113-117.

[4] 江億,李震,陳曉陽(yáng),等.溶液除濕空調(diào)系列文章溶液式空調(diào)及其應(yīng)用[J].暖通空調(diào),2004,(11):88-97.

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[9] 朱明善.能量系統(tǒng)的?分析（第1版）[M].北京:清華大學(xué)出版社,1988:32-60.

[10] GB/T14909-2005,能量系統(tǒng)?分析技術(shù)導(dǎo)則[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2005.

Structural Design and Dptimization of Air Preprocessorin Solution Temperature and Humidity Regulator

Wang Zhixing Tang Yida Wang Zhenyu

( Southwest University of Science and Technology, Mianyang, 621010 )

Solutiontemperature and humidityadjusting technology has been widely used in the construction to controlindoor thermal environment. Optimaldesignisdone for airpreprocessorin solutiontemperature and humidity regulatorat ateaching building of university in Mianyang, Sichuan province, namely by editing the UDF program, numerical calculating the capacity and efficiencyof air pretreatment equipment and finding thetransformlaw ofparameterabout fins. When raising water temperature of theairpreprocessor, andoptimizing the other designparameters of the fins:heightof fins no more than 19mm; thicknessfrom 0.10mm to 0.10mm, the spacingbetween 2.2mm to 2.4mm; air velocity in the 1.7m/s to 1.9m/s, can satisfy the requirement of dehumidification. At the same time, using the higher temperature cold water air preprocessor, the efficiency of nenrgy is higher than using the lower one. So, the higher temperature cold source adopted for cooling dehumidification is more energy-saving.

air preprocessor; high temperature cold source; solution dehumidification; energy saving

1671-6612（2017）04-401-05

TU83

A

西南科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金（16ycx087)；四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014GZ0050）

王志星（1992-），男，在讀碩士研究生，E-mail：wangzhixing1992@163.com

唐易達(dá)（1976-），男，碩士，副教授，E-mail：tyddyx@126.com

2016-08-12