基于菲涅尔透镜的家用太阳能除湿技术研究.pdf

收稿日期:2 0 2 2-1 1-0 3基金名称:潍坊理工学院大学生创新训练项目(编号:X 2 0 2 2 1 3 3 7 9 0 5 5)。作者简介:郁有靖(2 0 0 2),男,潍坊理工学院本科在读,研究方向:制冷设计。基于菲涅尔透镜的家用太阳能除湿技术研究郁有靖,步国强,逯于龙,闫兴朋,吕兵兵(潍坊理工学院,山东 潍坊 2 6 2 1 0 0)摘 要:在我国南方的冬季和北部沿海地区的夏季都存在室内空气湿度大的问题,因此室内除湿机成为当地需求量最大的产品。文章所设计除湿机与市面上大多数的电除湿机相比,解决了耗电高、运行噪音大等问题。家用太阳能溴化锂除湿机利用太阳能作为热源,透过菲涅尔透镜将光能转化热能,照射蒸发箱蒸发溴化锂溶液中的水分,提高溶液浓度,然后利用溴化锂浓溶液的强吸水性,吸收室内水蒸气后在回到蒸发箱内,以此形成循环可长期满足房间除湿要求。以每立方米空气在3 0 空气中饱和含水量为3 0.3 g/m3,相对湿度为7 0%进行计算,来验证比电除湿机更节能,除湿效率更高。关键词:菲涅尔透镜;太阳能;溴化锂溶液除湿 中图分类号:T K 5 1 1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 76 9 2 1(2 0 2 3)1 60 1 1 20 3 随着世界能源危机愈加严重及我国对环保重视程度的不断加深,2 0 2 1年我国提出“双碳”目标,传统能源和过度污染的能源终将被淘汰,可再生和清洁能源发展迅速,正在逐渐替代过去的传统能源和燃料,其中最具代表性的就是太阳能。太阳能属于可再生能源,来源特别广泛,利用效率高,太阳能光伏发电过程简单,没有机械转动部件,不消耗燃料,不排放包括温室气体在内的任何物质,无噪声、无污染,直接将光能转换为电能,没有中间过程。从热力学角度分析,光伏发电具有很高的理论发电效率,可达8 0%以上,技术开发潜力巨大,现在太阳能在我国农村和西北地区均被广泛开发和利用1。我国处于地球的北半球,南北纬度差较大,南方地区冬季和北方沿海地区夏季湿度较大,居民住宅区长期受潮,严重影响人们身体健康和居住环境舒适度,如何高效除湿一直困扰着当地居民2。随着经济的发展与社会的进步,近年来市面上出现了众多品牌的除湿机,种类繁杂,良莠不齐。人们逐渐追求高质量生活,对除湿机的需求量越来越大,而现在市面上占比最大的是电除湿机,具有耗能高、能源利用不可再生、运行噪音大等问题3。为解决传统家用电除湿机在使用中带来的诸多问题,达到低碳、节能、环保的目的,我们设计了基于菲涅尔透镜的家用太阳能除湿装置,以太阳能为热源,由菲涅尔透镜、太阳光追踪装置、蒸发箱、沉浸式换热器和除湿器五大部分组成。在除湿过程中,菲涅尔透镜把太阳光能转换成热能,使蒸发箱中溴化锂溶液的水分蒸发,浓度升高,溶液泵将溴化锂浓溶液送至除湿器,溴化锂浓溶液具有强吸水性的物理性质,吸收房间内的水蒸气,降低室内湿度,吸湿后的溴化锂溶液经过节流阀重新返回蒸发箱,并设置太阳光追踪装置利用步进电机使菲涅尔透镜与太阳直射方向保持同步,充分利用太阳能4。整个除湿过程无耗电、无噪音、节能环保,并且溴化锂溶液可长期循环使用,不易挥发,寿命长,经济可行性高,达到了很好的节能效果,同时为城市发展和居民健康带来很大的帮助5。1 基于菲涅尔透镜的家用太阳能除湿装置的研究1.1 家用太阳能除湿装置笔者根据溴化锂浓溶液具有强吸水性的性质和菲涅尔透镜的特性以及总结国内外除湿机的研究现状设计出了基于菲涅尔透镜的家用太阳能除湿装置,如图1所示。基于菲涅尔透镜的家用太阳能除湿装置主要由菲涅尔透镜、支架、万向轮、步进电机、蒸发箱、温控装置、溶液泵、沉浸式换热器、除湿器、节流阀所组成。2112 0 2 3年8月内 蒙 古 科 技 与 经 济A u g u s t 2 0 2 3第1 6期 总第5 3 0期I n n e r M o n g o l i a S c i e n c e T e c h n o l o g y&E c o n o m yN o.1 6 T o t a l N o.5 3 0 图1 基于菲涅尔透镜的家用太阳能除湿装置菲涅尔透镜放在蒸发箱上方,具有类似凸透镜的作用,汇聚太阳光于蒸发箱,蒸发箱受热面采用玻璃装置,其余面采用不锈钢材质,外壁加设玻璃纤维保温层,具有良好的保温隔热作用,使箱内溶液温度维持在1 0 01 2 0,为溴化锂溶液的蒸发提供充足热量,蒸发出的水蒸气通过蒸汽口排出到室外;步进电机和万向轮组成太阳光追踪装置,根据2 0 0脉冲步进电机工作原理,每天上午8点步进电机开始工作,菲涅尔透镜轴线在步进电机开始工作时的初始位置为东偏南 3 0,步进电机由单片机控制,此后每隔7.2 m i n步进电机工作一次,保证太阳光直射方向与菲涅尔透镜轴线方向一致,太阳光追踪装置如图2所示,采用沉浸式换热器,目的在于将溴化锂浓溶液和溴化锂稀溶液进行换热,经过换热之后,溴化锂浓溶液温度下降,利于其吸收水蒸气,溴化锂稀溶液温度上升,利于其蒸发析出水蒸气。图2 太阳光追踪装置示意图其中起到除湿作用的为除湿器,除湿器分为上、中、下三部分:上下部分均为密闭空间,上部分装有中间带有小孔、下部带有管路和喷淋装置的隔板,储存进入除湿器的溴化锂浓溶液和喷淋完之后滴落的溴化锂稀溶液,不与外界空气接触;中间部分为非密闭空间,采用多孔设计,增大与空气接触面积,提高除湿效率的同时,有效防止了喷淋的溴化锂浓溶液溅出。1.2 家用太阳能除湿机工作流程由图1基于菲涅尔透镜的家用太阳能除湿装置所示,菲涅尔透镜汇聚太阳光入射光,产生极大的光强,照射蒸发箱,将太阳光能转化成热能,加热蒸发箱内的溴化锂溶液,使其浓度升高,通过温控装置观察蒸发箱内的温度。被加热后浓度升高的溴化锂溶液经过蒸发箱下部出水口有浓溶液管路通过溶液泵将溴化锂溶液送至除湿器,通过喷淋装置与中间空气部分接触,以达到吸收空气中水分除湿的目的,最后滴落在下部储水槽,通过底部出水口流出,经节流阀控制流速进入换热器与循环进入除湿器的溴化锂浓溶液进行换热,最后流回蒸发箱,完成整个除湿的循环过程,往复循环,达到循环利用除湿的目的,形成真正意义上的节能减排、低碳环保、无污染无噪音无能耗的新型除湿机6。2 理论设计计算根据基于菲涅尔透镜的家用太阳能除湿装置的工作原理,结合某卧室面积2 0 m2,高度2.8 m,室内温度2 5,对其进行数值模拟计算分析研究,其中饱和湿空气含水量见表1。表1 饱和湿空气含水量温度/饱和水蒸气量/(g/Nm3)温度/饱和水蒸气量/(g/Nm3)温度/饱和水蒸气量/(g/Nm3)04.8 51 71 4.53 43 7.515.1 91 81 5.43 53 9.525.5 61 91 6.33 64 1.635.9 52 01 7.33 74 3.846.1 42 11 8.33 84 6.156.8 02 21 9.43 94 8.567.2 62 32 0.64 05 1.077.7 52 42 1.84 15 3.688.2 72 52 3.04 25 6.498.3 22 62 4.34 35 9.21 09.4 02 72 5.74 46 2.21 11 0.02 82 7.24 56 5.31 21 0.62 92 8.74 66 8.51 31 1.33 03 0.34 77 1.81 41 2.13 13 2.04 87 5.31 51 2.83 23 3.84 97 8.91 61 3.63 33 5.65 08 2.9311郁有靖,等 基于菲涅尔透镜的家用太阳能除湿技术研究2 0 2 3年第1 6期2.1 除湿量理论计算卧室面积2 0 m2,高度2.8 m,整体空间V1=5 6 m3。假定除湿前室内湿度为RH 8 0%,空气含水量查表1得:X1=2 3.0 g/m38 0%=1 8.4 g/m3。除湿后湿度为RH 6 0%,空气含水量X2=2 3.0 g/m36 0%=1 3.8 g/m3。W=(V1V2)(X1-X2)C=0.5 2 2 k g/h(1)式中:空气密度,取1.3 k g/m3;V1 除湿空间体积,m3;V2 代表每小时新风系数,1.3;X1 代表除湿前的空气含水量,g/m3;X2 代表除湿后的空气含水量,g/m3;C1 代表保险系数,取1.2。卧室空气交换量按照3 0%/h计算,除湿时间为每日下午6点至次日上午8点计算,每日除湿量Wd为:Wd=W1 43 0%=2.1 9 k g/d(2)2.2 溴化锂溶液所需量计算购买的溴化锂溶液浓度为5 0%,在除湿过程中需要浓度较高的溴化锂溶液,除湿后溶液浓度降至4 5%。溴化锂浓溶液量X:X1 0 0%=(X+2.1 9)4 5%(3)需要浓度为5 0%的溴化锂溶液量:1.2X1 0 0%5 0%=4.3 0 k g (4)其中1.2为富余量系数,所以需要浓度为5 0%的溴化锂溶液4.3 0 k g。2.3 溴化锂溶液蒸发吸热量计算将4 5%的溴化锂溶液蒸发至高浓度溴化锂溶液,需要蒸发水分为2.1 9 k g,蒸发所需热量2 5 4 6.8 k J/k g,溶液温度提升至1 0 0。溴化锂溶液蒸发吸热量:2.1 92 5 4 6.8+1.7 92(1 0 0-2 5)=5 8 4 6 k J3 经济分析市面上电力除湿机市场价格一般在5 0 01 5 0 0元之间,笔者设计的装置前期投入成本为设备费用和溴化锂溶液费用,以2 0 m2房间除湿机为参照例,家用太阳能溴化锂除湿机成本约为3 0 0元(溴化锂溶液购买费用约为1 3 0元,设备费用约1 7 0元),低于电力除湿机成本。本设计以太阳能为主要发热源,每天可节约2度电左右,平均日功率可达2 6 0 0 W左右,同时,溴化锂溶液不易挥发,可往复循环利用,装置设计结构简单,维修方便且成本低,不会产生高额的维修人工费用,高效除湿的同时为使用者减少了开支,满足大多数家庭的经济需求。4 结束语推广清洁能源和提高人们的生活质量要并驾齐驱,家用太阳能溴化锂除湿机在达到家用除湿效果的同时,无能耗,无噪音,低碳节能环保,利用太阳能这种清洁能源非常有前景。经过对2 0 m2的房间进行理论计算得出此系统的经济可行性,溴化锂溶液在蒸发箱中从浓度4 5%蒸发为高浓度溶液,除湿后使室内湿度从8 0%左右降低到6 0%左右,在2 0 m2、空气循环率为3 0%的房间内,最多使用4.3 0 k g的溴化锂溶液便可吸收2.1 9 k g水蒸气,即可满足人们的正常需求。本设计相较于市面上其他的除湿机更加节能环保,安全性更高。基于菲涅尔透镜的家用太阳能除湿装置的设计,在新时代可再生能源的发展潮流下,对于解决居民室内潮湿的问题具有重要的研究意义。参考文献1 韩战,陈斌,刘蕾,等.烟气热水型溴化锂制冷机组动态仿真建模J.计算机仿真,2 0 2 2,3 9(8):2 4 3-2 4 7,3 0 6.2 韩静.基于仿真模型的溴化锂吸收式制冷机性能优化设计J.南方农机,2 0 2 2,5 3(1 3):1 5 2-1 5 4,1 6 1.3 徐孟进.低品位余热驱动的溴化锂吸收式制冷耦合溶液除湿系统性能及其评价D.株洲:湖南工业大学,2 0 2 2.4 王海峰,张守兵,董闪闪,等.太阳能-溴化锂溶液除湿-再生系统的实验研究J.郑州大学学报(工学版),2 0 1 5,3 6(5):4 9-5 2.5 杨金伟,裴刚,林媛,等.溴化锂溶液除湿系统再生过程实验研究J.热科学与技术,2 0 1 1,1 0(4):3 4 5-3 5 0.6 黄志甲,鲁月红,雷博,等.溴化锂溶液除湿器性能的实验研究J.化工学报,2 0 1 0,6 1(S 2):8 1-8 5.411总第5 3 0期内 蒙 古 科 技 与 经 济