冬季工况下入口参数对再生器性能的影响*

李永存 陈光明 张绍志 唐黎明

(浙江大学制冷与低温研究所，浙江杭州310027)

再生器可应用于化工、空调、热回收等领域［1-3］，已有诸多研究者对其性能进行了研究.Liu等［4］研究了当入口空气温度为28.6～36.4℃时再生器入口参数对再生量和再生效率的影响;Nelson等［5］研究了采用LiCl溶液作为再生溶液且入口空气温度为30～40℃时入口参数对再生量的影响;Sultan等［6］研究了以CaCl2溶液为工作流体、入口空气温度为63～113℃时再生器入口参数对出口空气和溶液参数的影响;李永存等［7］研究了入口空气温度在-12～-4℃之间时再生量和再生效率随空气和溶液参数的变化规律;Li等［8］分别研究了夏季工况下入口空气温度为44.14～46.72℃和冬季工况下入口空气温度为4.42～9.98℃时的再生器性能;Martin等［9］研究了以三甘醇(TEG)为再生溶液、入口空气温度为30～50℃时再生器入口参数对再生量和再生效率的影响;Longo等［10］研究了再生器入口空气温度为48.2～50.1℃时入口参数对再生器性能的影响;牛润萍［11］研究了再生器入口空气温度为29～34℃时入口参数变化对再生器性能的影响;Pietruschka等［12］研究了采用溶液除湿的空调系统特性，但也仅限于对夏季工况的研究.

目前，对于再生器在冬季工况下入口参数对出口空气与溶液参数的影响研究，以及冬季工况下入口参数与再生量及再生效率之间的关系还未见有相关文献报道.这就导致目前无法根据冬季工况下再生器的性能参数来进行再生器的设计、运行等.为了获得再生器在冬季工况下的性能参数，文中搭建了冬季工况下溶液再生器性能实验台，研究了冬季工况下入口溶液及空气参数对出口空气及溶液参数的影响，并根据实验数据，提出了再生量和再生效率的关联式，以期为再生器在冬季工况下的设计、运行等提供依据.

1 实验装置

冬季工况下入口参数对再生器性能影响的实验台如图1所示.该实验系统可实现对各入口溶液和空气参数的控制与调节，数据可自动采集并存储.

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental device

本实验中溶液再生器采用填料尺寸为400mm×300mm×500mm的逆流式再生器.填料为一种新型表面带亲水材料的波纹板填料，再生溶液为LiCl水溶液.

2 实验结果与分析

2.1 入口溶液和空气参数对出口参数的影响

根据文献［13］和本次实验的结果可知，在单次喷淋实验中出口溶液浓度基本保持不变，所以出口参数的测定主要是指出口空气温度(ta，o)、出口空气含湿量(da，o)及出口溶液温度(ts，o)的测定.实验工况如下:入口空气温度(ta，in)，-12～-4℃;单位面积空气质量流量(ma，in)，2.14 ～2.41 kg/(m2·s);入口空气含湿量(da，in)，1.430 ～1.751 g/kg;入口溶液温度(ts，in)，33～41℃;单位面积溶液质量流量(ms，in)，1.77 ～ 2.43 kg/(m2·s);入口溶液质量分数(ωs，in)，32.0% ～38.0%.当以上参数中的任何一个发生变化时，其余参数保持以下设定值不变:入口空气温度，-8℃;单位面积空气质量流量，2.22 kg/(m2·s);入口空气含湿量，1.751 g/kg;入口溶液温度，37℃;单位面积溶液质量流量，2.11 kg/(m2·s);入口溶液质量分数，33.5%.

2.1.1 入口空气质量流量对出口空气和溶液参数的影响

图2所示为入口空气质量流量对出口空气和溶液参数的影响.由图2(a)可知，当单位面积空气质量流量增加时，出口空气温度、出口空气含湿量均降低.这是因为空气质量流量增加时，空气流经再生器的流速增大，单位质量的空气在再生器中与溶液进行热、质交换的时间缩短，传热与传质过程进行得不充分，因此再生器出口空气的温度和含湿量均降低;由图2(b)可知，单位面积空气质量流量的增加使得单位时间内溶液有更多的热量被空气吸收，所以溶液出口温度降低.

图2 入口空气质量流量对出口空气和溶液参数的影响Fig.2 Effect of inlet air mass flowrate on outlet air and solution parameters

2.1.2 入口溶液质量流量对出口空气和溶液参数的影响

入口溶液质量流量对出口空气和溶液参数的影响如图3所示.由图3可以看出，出口空气温度、出口空气含湿量以及出口溶液温度都随入口单位面积溶液质量流量的增加而升高或增加.溶液质量流量的增加提高了再生器中溶液的流速，缩短了溶液在再生器中的热质交换时间，使得再生器内溶液的温度升高;在溶液浓度一定时，溶液温度越高，其表面水蒸气分压越大，因而质传递的驱动力增大，再生器出口空气含湿量增大，温度升高.

图3 入口溶液质量流量对出口空气和溶液参数的影响Fig.3 Effect of inlet solution mass flowrate on outlet air and solution parameters

2.1.3 入口空气温度对出口空气和溶液参数的影响

图4给出了入口空气温度对出口空气和溶液参数的影响.由图4(a)可知，出口空气温度和出口空气含湿量随着入口空气温度的升高而升高或增加.随着入口空气温度的升高，溶液和空气间的传热温差减少，再生器内溶液的平均温度升高，出口空气温度升高，溶液出口温度也升高，如图4(b)所示;再生器内溶液平均温度的升高增大了溶液表面水蒸气分压，溶液与空气间质传递驱动力增加，出口空气含湿量增加.

2.1.4 入口溶液温度对出口空气和溶液参数的影响

由图5(a)、5(b)可知，出口空气温度、出口空气含湿量、出口溶液温度随着入口溶液温度的升高而升高或增加.入口溶液温度的升高增大了空气与溶液之间的传热温差，所以出口空气温度升高;而且，入口溶液温度的升高使得溶液表面水蒸气分压增大，从而增加了质传递的驱动力，出口空气含湿量增加.入口溶液温度的升高幅度要大于空气从溶液中带走热量的增加幅度，所以出口溶液温度升高.

图4 入口空气温度对出口空气和溶液参数的影响Fig.4 Effect of inlet air temperature on outlet air and solution parameters

图5 入口溶液温度对出口空气和溶液参数的影响Fig.5 Effect of inlet solution temperature on outlet air and solution parameters

2.1.5 入口空气含湿量对出口空气和溶液参数的影响

入口空气含湿量对出口空气和溶液参数的影响如图6所示.由图6可以看出，出口空气温度、出口空气含湿量以及出口溶液温度随着入口空气含湿量的增加而升高或增加.入口空气含湿量的增大减小了溶液和空气之间的质传递驱动力，使得溶液中水的蒸发量减少，空气含湿量的增幅减少，但由于入口含湿量增大，所以出口含湿量仍然增大.溶液中水的蒸发量减少则热质交换过程中吸收的潜热量减少，所以出口空气温度和溶液温度均升高.

图6 入口空气含湿量对出口空气和溶液参数的影响Fig.6 Effect of inlet air humidity ratio on outlet air and solution parameters

2.1.6 入口溶液质量分数对出口空气和溶液参数的影响

图7给出了入口溶液质量分数对出口空气温度和含湿量以及溶液出口温度的影响.在温度一定的情况下，入口溶液质量分数越高，溶液表面水蒸气分压越低，因此再生器内质传递的驱动力随着溶液质量分数的增加而降低，溶液中水的蒸发量减少，出口空气含湿量降低.水蒸发量的减小意味着热质交换过程中吸收的潜热量减少，所以出口空气和溶液温度均升高.

图7 入口溶液质量分数对空气和溶液出口参数的影响Fig.7 Effect of inlet solution mass fraction on outlet air and solution parameters

2.2 再生器的再生性能分析

通常采用再生量和再生效率作为评价溶液再生器再生性能的指标［14-15］.再生器的再生量通过下式来计算:

式中:qe为再生量，g/s;qa为空气质量流量，kg/s;da，o为出口空气含湿量，g/kg;da，in为入口空气含湿量，g/kg.

再生器的再生效率用下式来计算:

式中:η为再生效率;da，eq为与再生器入口溶液状态相平衡时的空气含湿量，g/kg.

再生器的蒸发量和蒸发效率与入口空气温度、入口空气含湿量、入口空气质量流量以及入口溶液温度、入口溶液质量分数、入口溶液质量流量有关.通过多元回归的方法可以分别关联出再生量与再生效率与以上影响因素之间的关联式，如式(3)、(4)所示，两式的相关系数分别为0.9451、0.9907.

式中:Ts，in、Ta，in分别为入口溶液、空气的热力学温度，K.

图8对比了再生量和再生效率的实验值与计算值.显然，再生量和再生效率的计算值均分布在误差为0的直线附近，最大误差不超过15%.由图8(a)可知，再生量的平均绝对误差为7.1%;由图8(b)可知，再生效率的平均绝对误差为1.1%，计算结果和实验结果吻合较好，这说明以上关联式能够反映冬季工况下再生器的再生性能.

图8 再生量和再生效率的实验结果与计算结果的对比Fig.8 Comparison of computation results and experimental ones for regeneration rate and regeneration efficiency

3 结论

文中搭建了冬季工况下入口空气和溶液参数对再生器性能影响的实验台，并研究了各入口参数对再生器出口参数的影响，根据实验结果提出了冬季工况下再生量和再生效率的计算关联式，主要结论如下:

(1)出口空气温度和出口溶液温度随着入口溶液质量流量、入口溶液温度、入口空气温度、入口空气含湿量以及入口溶液质量分数的增大或升高而升高;随着入口空气质量流量的增大而降低.

(2)出口空气含湿量随着入口溶液质量流量、入口溶液温度、入口空气温度以及入口空气含湿量的增大或升高而增大;随着入口空气质量流量以及入口溶液质量分数的增大而减少.

(3)文中提出的再生量和再生效率的关联式可以反映冬季工况下再生器的再生性能.本研究结果可以为冬季工况下再生器的设计、运行、性能分析等提供参考和依据.

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