新型溶液除湿新风系统解析模型及NTU性能分析_彭冬根.pdf

第 卷 第 期 年 月 化 学 工 程（）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；南昌市高校制冷技术创新团队项目（）；江西省研究生创新资金资助项目（）作者简介：彭冬根（），男，教授，硕士生导师，研究方向为高校制冷制热技术及应用，电话：，：；汤余珍（），女，硕士研究生，研究方向为高校制冷制热技术及应用，电话：，：。化工系统工程新型溶液除湿新风系统解析模型及 性能分析彭冬根，汤余珍，李寅蒂（南昌大学 工程建设学院，江西 南昌）摘要：优化节能型空调系统设计可以减少能源消耗。提出一种复合直接蒸发冷却制冷水的溶液除湿新风系统，以办公室为例建立并验证系统设备解析模型，借助 研究主要装置 对系统性能的影响。研究表明：在满足室内温湿度的情况下，系统能效比可达到 ；除湿 再生装置 增加到 之后，对系统性能影响不大；除湿器在较大溶液流量下，增大 使送风温湿度更容易满足要求，能效比较高；蒸发 表冷器 增大使送风温度变化比较明显。系统设计及优化结果为该种溶液除湿新风系统的实际应用提供参考。关键词：能效比；送风温湿度；溶液除湿中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：，（，）：，：；温湿度独立控制系统中溶液除湿由于维护方便、成本低和对新风的杀菌消毒作用而被广泛研究。目前溶液除湿系统依据驱动热源不同，主要分为由废热、太阳能和热泵驱动的空调系统。等研究了以天然气发电机产生的余热蒸汽作为热源的空调系统再生性能。苏博生等采用分析的方法对一种以余热和电驱动的溶液除湿空调系统的节能原理进行了解释。洪华研究了两级式集热型太阳能驱动溶液除湿空调系统的性能，发现该系统的再生效率明显提高。虽然上述由废热和太阳能驱动的空调系统具有较高的再生节能效率，但其送风温湿度偏高。严磊等和 等均研究了热泵型溶液空调系统的性能，发现热泵型空调系统虽除湿量提高，但再生效果不如太阳能 余热驱动的空调系统。上述 种空调系统为控制新风温度需采用独立的制冷系统制取冷冻水给新风降温，不可避免地会化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：以消耗高品位能为代价，造成部分能源的浪费和减少低品位能的利用率。为解决上述问题，提出了一种复合直接蒸发冷却制冷水的溶液除湿新风系统，该系统可使用废热，但其利用除湿直接蒸发冷却形成的闭循环制取冷冻水，可以为新风冷却提供适宜冷源，很大程度上降低对高品位能的需求、减少能源的浪费。系统结构及工作原理新型溶液除湿新风系统如图 所示，该系统利用高低温冷却塔制取冷却水为新风及蒸发冷却空气除湿提供冷源，使两者能够有效地被减湿处理，得到干燥的新风和蒸发冷却用空气，这样既可以尽量保证表冷器在干工况下运行，还可以在提高低品位能利用率情况下得到较低温度的蒸发冷冻水。此系统最大的特点是利用第二除湿器和直接蒸发冷却器的空气形成闭循环制取冷冻水，再送入表冷器内对除湿后的新风进行降温，能够同时实现对新风温湿度的高效处理，同时在很大程度上降低对高品位能的需求和减少对能源的浪费。图 复合直接蒸发冷却制冷水的溶液除湿新风系统 系统主要装置解析模型及验证 除湿 再生 蒸发器解析模型溶液除湿 再生 蒸发器性能也可以用湿度效率、温度效率 及全热效率 来表示。文献将溶液除湿 再生过程划分为 个区，在传热与传质方向相同区域，与 性质类似，在传热与传质方向相反区域，与 性质类似，因此，对于溶液和空气的传热传质过程，可以按照分区的不同，采用不同的效率评价指标。文献中效率具体定义式如下：（）（）（）式中：、和 分别为温度效率、湿度效率和焓效率；、和 分别为进出口空气和与溶液表面等效空气含湿量以及对应的焓值，含湿量单位为 （文中均以 绝干空气为基准），焓值单位为 ；、和 分别为进出口空气、水和进口溶液温度，。根据文献，中传热学的分析结果得到溶液除湿 再生过程中、和 的计算表达式：（）（）（）（，）（）（，）（）式中：为传热单元数，为热容量比；，为空气进出口状态相对于溶液进口状态量纲一参数；（，）为 与 的函数表达式，其中、和（，）定义式见文献。根据 和（或 和），可以很容易得到空气出口状态参数，再根据质量与能量守恒方程，即可得到彭冬根等 新型溶液除湿新风系统解析模型及 性能分析 投稿平台：溶液出口状态参数，从而评价系统的传热传质性能。质量与能量守恒方程如下（）（）（）（），|（）式中：为流体密度，；为时间，；为速度场，；为流体温度，；为导热系数，（）；，为空气比定压热容，（）；为方程守恒源项。表冷器解析模型表冷器主要用来对空气进行冷却减湿处理，因此其热工计算通常采用干湿球温度效率法。（）（）（）（）（，）（）（），（）（）式中：为气水热容量当量比。其中、具体表达式如下：，（），（）式中：，为水和与溶液表面等效空气的比定压热容，（）；为水质量流量，；为析湿系数；为传热系数，（）；为换热面积，；为空气质量流量，。模型验证（）表冷器模型验证出口温度是表冷器性能的重要标志，文中采用文献中冷却塔冷却水和表冷器空气出口温度验证上述解析模型，入口参数如表 所示，模拟 实验值最大误差在 以内，见图。图 表冷器实验、模拟值误差比较 （）除湿 再生器及蒸发器模型验证采用文献中除湿 再生器的除湿 再生率来验证除湿 再生器模型和文献中蒸发器实验结果验证蒸发器模型，入口参数和模型验证结果见表 和图。可知除湿 再生器模型相对误差处于 以内，蒸发器模型相对误差均处于 以内。表 除湿 再生 蒸发 表冷器入口参数表 除湿 再生器蒸发器表冷器溶液质量分数 溶液质量分数冷水温度 溶液温度 溶液温度 空气温度 空气温度 空气温度 空气湿度 气液比 气液比 空气流量 空气湿度 空气湿度 水流量 空气流量 空气流量 图 除湿 再生器 蒸发器模拟值、实验值对比 化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：系统 性能分析在系统性能分析时，采用送风温湿度、能效比来评价系统性能，其中能效比表达式如下：，（），（，）（），（，）（）式中：，、，、，、，分别为环境空气、送风以及热水进出口空气的比焓，；，为热水进口质量流量，。为研究该新风系统性能，将系统运用于面积为 的办公楼中，新风量为 ，室内设计温湿度为 ，再借助 通过自编程对上述设备的解析解进行模拟，基于南昌典型室外参数研究装置的 对系统送风温湿度、能效比的影响。该系统各设备入口参数是根据室外参数进行假定的，在 里会进行收敛迭代计算确定最终的入口参数。当室外参数发生改变时，系统内的程序会自动根据室外参数对设备的入口参数进行重新收敛计算，从而保证系统的正常稳定运行。除湿器 再生器 的性能分析图（）显示了除湿器 在 种溶液流量下 的影响，为除湿器进口溶液质量流量，。从图中可以看出当 从 增至 时，在除湿器 不同进口溶液质量流量，下，升高（，）和 （，），同时下降 （，）和 （，），这是由于 的增大使除湿器的传热传质能力增大。当，较小时，随除湿器传热单元数 的增大而上升；当，较大时，随 的增大而减小。这是因为增大 导致除湿器溶液浓度降低，且除湿器、共用同一溶液，因此除湿器溶液浓度也降低，当，较小时，除湿溶液的温度和浓度占主导作用，除湿能力减弱，循环冷冻水温度升高，从而 上升；当，较大时，溶液流量占主导作用，除湿能力增强，循环冷冻水温度降低，下降。由图（）可知，随着除湿器的 传热单元数从 升至 时，分别升高了 和 ，但 下降了 。这是因为 增大导致循环空气进出口温湿度差增大，蒸发器内增焓加湿的效果更好，可以制取更低温度的循环冷冻水，使 明显降低并逐步稳定。由于除湿器进口溶液浓度降低，使 增大并逐步稳定。图 除湿 再生器 的变化 如图（）所示，再生器的传热单元数 从 增至 时，从 降至 ，减少了 ；但仅下降。这是因为 增大，再生器出口（除湿器进口）溶液质量分数增大，使 减小，下降，但幅度不大并趋于稳定。同时发现 随 的增大先增大后减小，最后维持在 左右，原因是当 在较小范围内增大时，、明显下降，使 增大；当 变化到较大时，、减小得越来越慢，而热水加热器 出口水温依旧减小，导致 减小。蒸发器 表冷器 的性能分析图 反映了蒸发器 表冷器 的影响。从图（）可知，蒸发器传热单元数 从 升至 时，从 降至 ，但，分别仅彭冬根等 新型溶液除湿新风系统解析模型及 性能分析 投稿平台：上升 ，左右。原因在于当 增大，循环水温降低，进而 下降，同时再生器出口溶液浓度减小，进而在除湿器中使新风含湿量略微增加，并逐步稳定。对于，因为送风温度降低的同时含湿量增加，所以 先小幅度上升后逐步稳定。由图（）中发现，随表冷器传热单元数 的增大而增大，显著下降。当 从 升至 时，下降了.，而，上升幅度在 内。原因在于 提高，表冷器内新风与循环冷冻水交换的热量增多，使 明显降低；同时循环空气进出口温湿度差均增大，意味着除湿器需要除去更多的水分，除湿器出口（再生器进口）溶液浓度降低，再生器空气出口温度会降低，带走的水分增加但相差幅度不大，因此出口溶液浓度会略微降低，该溶液用于对新风的除湿，使 略微上升；对于，因为 下降的幅度明显高于 升高的幅度，因此两者均上升。图 蒸发器 表冷器 的变化 结论（）研究 对系统性能影响时发现，在满足室内条件下，系统 最大能达到。当系统室外参数为西北干燥地区以及西南潮湿地区，发现在西北地区由于干燥 最大能达到，在西南地区，由于室外含湿量较大且室外温度基本稳定在 左右，相对于南部其他地区要高，比西北地区低。（）由于除湿器在系统中承担除去新风湿负荷的功能，因此除湿器对 影响较大，同时除湿器在较大溶液流量下增大，使送风温湿度更容易满足要求，也较高。而蒸发器、表冷器承担系统中显热负荷的功能，因此当 增大时，都会使 显著变化。参考文献：，（）：苏博生，韩巍 低温余热 电联合驱动的双级溶液除湿系统热力性能研究 工程热物理学报，（）：洪华 两级式集热型太阳能溶液再生过程的实验研究 广州：广州大学，严磊，李文正，吴薇，等 与热泵结合的预冷型溶液除湿空调系统性能研究 南京师范大学学报：工程技术版，（）：，：，（）：，（）：，（），：刘晓华 溶液调湿式空气处理过程中热湿耦合传递特性分析 北京：清华大学，【下转第 页】化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：时间 、温度 、搅拌速度为 、酸浓度 、液固比 。（）硫酸钙结晶动力学表明，适当地增加温度和停留时间，均可降低成核速率，有利于晶体生长。（）硫酸与酸浸液反应制备二水石膏的工艺参数为：硫酸滴加速度为 、硫酸质量浓度为 、搅拌速度为 、反应温度为、保温时间为 ，其制备出中位 径 为 的二水硫酸钙，该产品的品位、氯离子含量、对水泥的凝结时间、标准稠度用水量、安定性、抗压强度均符合国标用于水泥中的工业副产石膏（）。参考文献：惠建斌，郑文婧 氨碱法制碱工业中的资源瓶颈与多联产技术开发 纯碱工业，（）：熊泽华，邱常义 氨碱废渣液的分级处理与合理利用 纯碱工业，（）：，：，（）：张鹏，赵晓晴，蒋德稳，等 碱渣土无侧限抗压强度和水稳定性试验研究 公路，（）：李月永，闫澍旺，张金勇，等 碱渣的工程性质及其微结构特征（英文）岩土工程学报，（）：王宝民，王立久，李宇 国内外碱渣治理与综合利用、进展及对策 国外建材科技，（）：赵礼兵，许博，李国峰，等 碱渣综合利用发展现状 化工矿物与加工，（）：母鸿，周贵云，胡海洋 磷矿酸解液制备硫酸钙晶须工艺研究 无机盐工业，（）：汤毅慧，赵启文，陈得清 氯化钾在钾石盐溶液中的结晶动力学研究 青海大学学报，（）：王松晓，谢智勇 碳酸氢钠结晶动力学研究 纯碱工业，（）：，（）：殷萍 硫酸铵蒸发结晶过程研究 天津：天津大学，张艳丽，李冬光，张宝林 结晶器中二水硫酸钙的结晶动力学研究 河南化工，（）：，（）：，：，（）：用于水泥中的工业副产石膏北京：中国标准出版社，（）：，（）：【上接第 页】赵荣义，范存养，薛殿华，等 空气调节 版中国建筑工业出版社，过增元 换热器中的场协同原则及其应用 机械工程学报，（）：刘增晟 机械通风冷却塔热力特性的三维数值模拟研究 长沙：长沙理工大学，（）：，：