曾臺(tái)燁 張小松 陳瑤

（東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 南京 210096）

在溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)中，除濕溶液除濕過(guò)后濃度下降，除濕能力減弱，必須回再生器進(jìn)行溶液再生，而再生過(guò)程通常需要熱源驅(qū)動(dòng)，目前較常見(jiàn)的再生方式包括：電加熱、太陽(yáng)能集熱和余熱回收利用再生［1-3］，而這3種再生方式都存在不足，如電加熱能耗過(guò)大、太陽(yáng)能不穩(wěn)定等，因此目前越來(lái)越多的研究者開(kāi)始利用傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的冷凝熱進(jìn)行溶液再生［4-5］，不僅能提供穩(wěn)定的熱源，還可以實(shí)現(xiàn)冷凝熱的回收，避免了冷凝熱排放產(chǎn)生的環(huán)境熱污染。早期Dai Y.J.等［6］建立了一個(gè)復(fù)雜的混合式空調(diào)系統(tǒng)，利用冷凝熱和太陽(yáng)能再生CaCl2溶液，并對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行理論分析。S.Yamaguchi等［7］建立熱泵溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)，將冷凝器作為溶液再生器使用，并分析了系統(tǒng)的性能。Niu Xiaofeng等［8］研究了熱泵溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)中冷凝熱量與溶液再生所需熱量的動(dòng)態(tài)匹配關(guān)系，指出使用空氣和溶液共同處理冷凝熱的方法最有利于實(shí)現(xiàn)熱量的動(dòng)態(tài)匹配，從而提高系統(tǒng)性能。A.H.Abdel-Salam等［9］指出濃溶液儲(chǔ)存設(shè)備能夠發(fā)揮額外冷凝器的作用，并且提出了一種新的評(píng)價(jià)系統(tǒng)參數(shù)匹配特性的性能指標(biāo)。 She Xiaohui等［10］理論分析了 LiCl、LiBr、CaCl2三種常用溶液除濕劑的溶液再生效率與系統(tǒng)冷凝溫度和溶液濃度的變化關(guān)系，得到使系統(tǒng)COP達(dá)到最大值的溶液濃度和冷凝溫度的匹配關(guān)系式。

經(jīng)過(guò)多年研究，利用冷凝熱實(shí)現(xiàn)溶液再生的發(fā)展已日漸成熟，但其研究仍然存在一定的問(wèn)題，如以往對(duì)利用冷凝熱的研究側(cè)重點(diǎn)集中在系統(tǒng)的性能研究［11］，而對(duì)利用冷凝熱實(shí)現(xiàn)溶液再生過(guò)程的耦合傳熱傳質(zhì)特性研究還存在不足。此外，對(duì)低濃度溶液再生過(guò)程的耦合傳熱傳質(zhì)系數(shù)和再生性能的研究也存在不足。隨著熱泵與溶液除濕系統(tǒng)相結(jié)合的不斷發(fā)展，系統(tǒng)使用的溶液濃度也在降低，因此對(duì)低濃度溶液再生過(guò)程的再生性能和耦合傳熱傳質(zhì)特性分析有實(shí)際意義。

本文在熱泵驅(qū)動(dòng)溶液除濕自主再生空調(diào)系統(tǒng)（HPLD-SR）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，采用空氣和溶液共同處理冷凝熱的方式，對(duì)低濃度溶液的再生性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，獲得了重要運(yùn)行參數(shù)如空氣進(jìn)口流量、溫度以及溶液進(jìn)口流量、溫度等對(duì)冷凝熱溶液再生性能的影響，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出利用冷凝熱實(shí)現(xiàn)低濃度溶液再生過(guò)程的耦合傳熱傳質(zhì)系數(shù)實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。研究結(jié)果為后續(xù)如何充分利用冷凝熱，優(yōu)化HPLD空調(diào)系統(tǒng)的性能提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)及熱平衡分析

1.1 熱泵驅(qū)動(dòng)溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

HPLD-SR空調(diào)系統(tǒng)如圖1所示［12］，主要包括再生溶液自循環(huán)、除濕溶液自循環(huán)、濃稀溶液級(jí)間交換循環(huán)和制冷劑循環(huán)。系統(tǒng)采用LiCl溶液作為除濕劑，其物性計(jì)算方法可由文獻(xiàn)［13］獲得，制冷劑為R134a。該系統(tǒng)利用低溫、低濃度的除濕溶液進(jìn)行除濕，除濕之后的部分稀溶液與再生自循環(huán)的溶液進(jìn)行混合，然后利用冷凝熱實(shí)現(xiàn)溶液再生。由圖1可知熱泵系統(tǒng)采用溶液和空氣共同處理冷凝熱的雙冷凝器結(jié)構(gòu)，由于受到溶液冷凝器尺寸和溶液流量、溫度的限制，溶液往往不能處理所有的冷凝熱，因此采用風(fēng)冷冷凝器利用空氣處理部分冷凝熱，提高再生性能。

圖1 熱泵驅(qū)動(dòng)溶液除濕自主再生空調(diào)系統(tǒng)原理Fig.1 The principle of the HPLD-SR system with experimental setup

1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)控制及測(cè)試儀表

利用冷凝熱實(shí)現(xiàn)溶液再生過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)閥開(kāi)啟程度來(lái)控制空氣流量；通過(guò)調(diào)節(jié)管道上閥門的開(kāi)啟程度來(lái)控制溶液泵運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到調(diào)節(jié)溶液流量的目的；溶液的溫度通過(guò)改變熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行工況進(jìn)行調(diào)節(jié)；溶液的濃度通過(guò)往溶液桶里加水或者溶質(zhì)進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有配備空氣預(yù)處理設(shè)備，所以空氣的溫度和濕度依賴于環(huán)境狀態(tài)的變化而進(jìn)行較長(zhǎng)周期的測(cè)試，實(shí)驗(yàn)從6月份持續(xù)至10月份，各參數(shù)的測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。溶液濃度通過(guò)溶液取樣在高精度鹵素水分分析儀上測(cè)得，其它實(shí)驗(yàn)參數(shù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀采集到電腦。實(shí)驗(yàn)中用到的測(cè)試儀表及其精度如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)測(cè)量裝置Tab.1 Specification of different measuring devices

1.3 再生器能量平衡實(shí)驗(yàn)

再生器及其填料結(jié)構(gòu)如圖2所示，填料采用規(guī)整填料（蒙特GLASdekⅡ）。為了方便機(jī)組的風(fēng)道布置，減少占用空間，設(shè)計(jì)溶液與空氣接觸的流型為叉流［14］。溶液由溶液輸送管道首先送入再生器上方的布液槽內(nèi)，在布液槽與填料之間置開(kāi)有均勻小孔的布液板，能夠保證布液槽內(nèi)的溶液均勻流入填料中。填料的整體外形尺寸和具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

圖2 再生器及其填料結(jié)構(gòu)Fig.2 Regenerator and its packing structure

表2 再生器外形尺寸及其所使用填料結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Boundary dimension and packing′s structure parameter of regenerator

利用冷凝熱實(shí)現(xiàn)溶液再生過(guò)程中，再生器內(nèi)的溫度遠(yuǎn)比環(huán)境溫度高，且再生器難免會(huì)存在漏風(fēng)的情況，因此再生器并不能保證完全的絕熱，導(dǎo)致參數(shù)測(cè)量存在一定的誤差；另一方面，測(cè)量?jī)x器在測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)也會(huì)出現(xiàn)一定的偏差。所以，需要對(duì)冷凝熱利用溶液再生過(guò)程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能量平衡進(jìn)行檢驗(yàn)，從而證明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。能量平衡驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)工況如表3所示。

表3 能量平衡驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)工況Tab.3 Experimental operation condition of energy balance test

本文對(duì)溶液和空氣各自的能量變化量進(jìn)行比較來(lái)檢驗(yàn)?zāi)芰科胶馇闆r，溶液和空氣能量變化公式為：

圖3給出了表3實(shí)驗(yàn)工況下冷凝熱利用溶液再生測(cè)試數(shù)據(jù)組的能量平衡計(jì)算結(jié)果。結(jié)果顯示98%以上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的空氣與溶液的能量平衡誤差＜±20%，而總體誤差的平均值為8.97%，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)整體測(cè)試結(jié)果可靠，并且再生器絕熱條件得到保證。

圖3 再生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)熱平衡分析Fig.3 Thermal balance between air and desiccant solution for all the experimental runs

2 冷凝熱利用溶液再生實(shí)驗(yàn)

本文受實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)條件的限制，無(wú)法直接實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的單一變量控制，因此為了研究溶液和空氣各參數(shù)對(duì)低濃度溶液再生過(guò)程的影響，從整個(gè)再生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理出僅單一工況變化，而其他參數(shù)保持在一個(gè)很接近的范圍內(nèi)進(jìn)行分析。

2.1 再生性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

利用冷凝熱再生低濃度溶液過(guò)程中，最關(guān)注的是再生量和冷凝熱利用率，因此本文采用再生量和冷凝熱利用率作為再生性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

再生量計(jì)算公式為：

圖4 空氣進(jìn)口流量對(duì)再生性能的影響Fig.4 Effect of inlet air flow rate on regeneration performance

冷凝熱利用率計(jì)算公式如下：

式中：Qc為總冷凝熱量，kW。

2.2 空氣進(jìn)口流量對(duì)再生性能的影響

表4所示為空氣進(jìn)口流量對(duì)再生量和冷凝熱利用率影響的實(shí)驗(yàn)工況。

表4 變?cè)偕骺諝膺M(jìn)口流量實(shí)驗(yàn)研究工況Tab.4 Experimental conditions of air mass flow

圖4給出表4實(shí)驗(yàn)工況下空氣進(jìn)口流量對(duì)再生量和冷凝熱利用率的影響。隨著空氣進(jìn)口流量由0.22 kg/s增加到0.48 kg/s，再生量由0.60 g/s增加到1.85 g/s，增加較大，數(shù)據(jù)存在一定的波動(dòng)，這是由于受實(shí)驗(yàn)條件的限制，其他本該固定的工況存在一定的變化，而冷凝熱利用率保持在0.462～0.499之間，中間存在無(wú)規(guī)律波動(dòng)，這是因?yàn)樵偕鷮?shí)驗(yàn)過(guò)程中，隨著空氣流量的變化，不僅潛熱傳遞量發(fā)生變化，熱泵系統(tǒng)提供的總冷凝熱量也一直在變化，因此冷凝熱利用率變化不穩(wěn)定，但在夏季典型工況下，當(dāng)溶液濃度固定時(shí)，在圖4上可以看出冷凝熱利用率維持在一個(gè)較小的范圍內(nèi)波動(dòng)。適當(dāng)提高空氣流量可以增加再生效果，但是空氣流量越大，在冷凝熱總量保持不變的情況下，再生過(guò)程溶液獲得的冷凝熱會(huì)下降，再生效果會(huì)受到影響，而且系統(tǒng)風(fēng)機(jī)耗能也會(huì)增加，因此空氣進(jìn)口流量也不宜過(guò)大。

2.3 空氣進(jìn)口溫度對(duì)再生性能的影響

表5所示為空氣進(jìn)口溫度對(duì)再生量和冷凝熱利用率影響的實(shí)驗(yàn)工況。

圖5所示為表5實(shí)驗(yàn)工況下空氣進(jìn)口溫度對(duì)再生量和冷凝熱利用率的影響。當(dāng)再生器空氣進(jìn)口溫度從34.6℃增加到39.4℃的過(guò)程中，再生量從1.53 g/s增加到1.98 g/s，增加速率不穩(wěn)定，這是因?yàn)楸緫?yīng)固定的其他實(shí)驗(yàn)工況存在一定的波動(dòng)，而冷凝熱利用率在0.436～0.473波動(dòng)。再生器空氣進(jìn)口溫度的增加有利于再生量的增大，因此可以適當(dāng)調(diào)節(jié)溶液和空氣的流量來(lái)提高空氣進(jìn)口溫度，優(yōu)化再生效果。

圖5變?cè)偕骺諝膺M(jìn)口溫度實(shí)驗(yàn)研究工況Tab.5 Experimental conditions of air inlet temperature

圖5 空氣進(jìn)口溫度對(duì)再生性能的影響Fig.5 Effect of inlet air temperature on regeneration performance

2.4 溶液進(jìn)口流量對(duì)再生性能的影響

表6所示為溶液進(jìn)口流量對(duì)再生量和冷凝熱利用率影響的實(shí)驗(yàn)工況。

圖6給出了表6實(shí)驗(yàn)工況下溶液進(jìn)口流量對(duì)再生量和冷凝熱利用率的影響。隨著再生器溶液進(jìn)口流量從0.30 kg/s增加到0.55 kg/s，再生量從1.35 g/s增加到1.92 g/s，由于其他工況存在一定的波動(dòng)，所以增加速率有所變化，而冷凝熱利用率維持在0.416～0.440，整體趨勢(shì)比前兩組實(shí)驗(yàn)工況低，這是因?yàn)樵摻M實(shí)驗(yàn)工況溶液濃度較前兩組偏大。適當(dāng)提高溶液流量可增加再生效果，但流量不宜太大，因?yàn)槭茉偕鞒叽绱笮∠拗疲髁康竭_(dá)一定范圍，繼續(xù)增加流量再生量基本不變，反而會(huì)增加溶液泵的功耗，因此應(yīng)綜合考慮選擇合適的溶液流量。

表6 變?cè)偕魅芤哼M(jìn)口溫度實(shí)驗(yàn)研究工況Tab.6 Experimental conditions of solution inlet temperature

圖6 溶液進(jìn)口流量對(duì)再生性能的影響Fig.6 Effect of inlet solution flow rate on regeneration performance

2.5 溶液進(jìn)口溫度對(duì)再生性能的影響

圖7 溶液進(jìn)口溫度對(duì)再生性能的影響Fig.7 Effect of inlet solution temperature on regeneration performance

表7所示為溶液進(jìn)口溫度對(duì)再生量和冷凝熱利用率影響的實(shí)驗(yàn)工況。圖7給出表7實(shí)驗(yàn)工況下溶液進(jìn)口溫度對(duì)再生量和冷凝熱利用率的影響。在溶液進(jìn)口溫度從36.1℃增加到39.9℃的過(guò)程中，再生量從1.69 g/s增加至2.15 g/s，而溶液再生冷凝熱利用率在0.467～0.507波動(dòng)，中間存在無(wú)規(guī)律波動(dòng)，原因與前文敘述一致，主要是因?yàn)闊岜孟到y(tǒng)提供的總冷凝熱量一直在改變。冷凝熱利用率明顯比前幾組工況高，最主要的原因是該組工況的整體溶液濃度最低，當(dāng)冷凝熱量一定時(shí)，溶液濃度越低，再生傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力越高，再生越容易，因此冷凝熱利用率提高了。溶液溫度提高有利于再生量的增加，但是溫度也不宜過(guò)高，因?yàn)槿芤簻囟忍?，也代表著冷凝溫度提高，?huì)增加系統(tǒng)功耗。

表7 變?cè)偕魅芤哼M(jìn)口溫度實(shí)驗(yàn)研究工況Tab.7 Experimental conditions of solution inlet temperature

綜合以上4組實(shí)驗(yàn)工況的分析，可知在夏天典型實(shí)驗(yàn)工況下，溶液濃度越低越有利于冷凝熱利用率的提高，這是因?yàn)榈蜐舛热芤旱娜芏茸兓瘜?duì)再生過(guò)程潛熱變化量的影響很大，其對(duì)式（4）中分子大小的影響大于對(duì)分母冷凝熱量的影響，因此冷凝熱利用率得到了提升。雖然溶液濃度降低既能提高冷凝熱的利用率，而且能降低使用溶液成本，但過(guò)低的溶液濃度再生后可能達(dá)不到除濕端溶液除濕的最低需求，因此溶液濃度也不宜過(guò)低。

3 耦合傳熱傳質(zhì)擬合關(guān)聯(lián)式

在溶液再生過(guò)程中，傳熱傳質(zhì)系數(shù)是影響再生效果的重要參數(shù)。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究獲得了大量低濃度溶液在利用冷凝熱實(shí)現(xiàn)溶液再生過(guò)程的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和前期工作提出的新計(jì)算方法［12］確定耦合傳熱傳質(zhì)系數(shù)，并參考文獻(xiàn)［15-16］中傳熱傳質(zhì)擬合關(guān)聯(lián)式，對(duì)傳熱傳質(zhì)系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合：

數(shù)據(jù)擬合范圍：

235 ＜Re＜800，Pr≈0.70，Sc≈0.60，0.18 kg/s＜ma＜0.57 kg/s，0.15 kg/s＜ ms＜0.61 kg/s，21.20% ＜ ξ＜ 28.29% ，ωa，in＜ ωs，equ，in，15.3 g/kg ＜ωa，in＜ 20.9 g/kg，17.9 g/kg ＜ ωs，equ，in＜ 35.0 g/kg，34.5 ＜Ta，in＜48.5 ℃，36.0 ℃ ＜ Ts，in＜48.0 ℃。

在數(shù)據(jù)擬合過(guò)程中，Nu和Sh擬合的相關(guān)系數(shù)分別為0.95和0.94，說(shuō)明數(shù)據(jù)擬合特性良好，擬合過(guò)程可靠，觀察擬合關(guān)系式可以看出，低濃度溶液再生過(guò)程中溶液和空氣溫度對(duì)耦合傳熱傳質(zhì)系數(shù)影響較大。

4 結(jié)論

本文在 HPLD-SR系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，以低濃度（21.20% ～28.29%）LiCl水溶液作為再生鹽溶液，采用空氣和溶液共同處理冷凝熱的方式，以再生量和冷凝熱利用率作為溶液再生性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)利用冷凝熱實(shí)現(xiàn)溶液再生過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

1）空氣進(jìn)口流量、空氣進(jìn)口溫度、溶液進(jìn)口流量和溶液進(jìn)口溫度的增加對(duì)再生量都有促進(jìn)作用，空氣進(jìn)口流量對(duì)再生量影響最大。

2）溶液濃度降低有利于再生量的提高，也有利于冷凝熱利用率的提高，同時(shí)降低溶液濃度也能減少溶液成本，但是溶液濃度過(guò)低也可能導(dǎo)致再生后的溶液濃度不滿足除濕端溶液除濕的需求，因此必須綜合考慮選擇合適的溶液濃度。

3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出低濃度溶液利用冷凝熱實(shí)現(xiàn)溶液再生過(guò)程中的耦合傳熱傳質(zhì)系數(shù)關(guān)聯(lián)式，并發(fā)現(xiàn)在溶液低濃度條件下，溶液和空氣的溫度對(duì)傳熱傳質(zhì)系數(shù)影響較大。

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