逆流太阳能溶液集热/再生器再生效率实验分析

彭冬根 张小松

(1南昌大学建筑工程学院, 南昌 330031)(2东南大学能源与环境学院, 南京 210096)



逆流太阳能溶液集热/再生器再生效率实验分析

彭冬根1张小松2

(1南昌大学建筑工程学院, 南昌 330031)(2东南大学能源与环境学院, 南京 210096)

对1 m×2 m×0.35 m逆流太阳能溶液集热/再生器进行实验研究,分析了影响太阳能溶液集热/再生器再生效率的各种影响因素.实验研究发现,常温溶液再生存在明显两段式分布,溶液再生效率随空气流量的增加先增后减,存在最大值;溶液再生效率随溶液流量增加而递减.加热溶液综合再生效率升高;而加热再生用空气其综合再生效率下降.采用含湿量为20 g/kg再生用湿空气的再生效率比用含湿量为10 g/kg的再生用湿空气的再生效率小0.16.随着太阳辐射强度的提高,溶液再生效率也相应增加.因此,逆流太阳能溶液集热/再生器应在空气较干燥、太阳辐射强度较高时运行,并选取适合的空气流量.

太阳能;溶液;再生; 效率;逆流

太阳能溶液除湿蒸发冷却空调系统[1-4]由于具有低能耗而受到越来越多关注,太阳能溶液再生装置是该系统中最重要部件之一.国内外学者将太阳能集热和溶液再生相结合构建太阳能溶液集热/再生装置.太阳能溶液集热/再生装置分为自然和强迫对流2种,最早是采用自然对流方式对溶液进行集热/再生,并且直接采用斜屋顶对溶液进行集热/再生[5].自然对流太阳能溶液集热/再生装置依据其与室外环境的接触程度分为敞开式[6]、部分敞开式[7-8]及带玻璃盖板封闭式[9-10]3种.由于自然对流太阳能集热再生器再生效率较低[11],因此国内外学者纷纷构建强迫对流太阳能溶液集热/再生器.Yang等[12-16]在20世纪90年代至21世纪初对强迫对流太阳能溶液集热/再生装置进行大量理论和实验研究.左远志等[17-18]对强迫对流太阳能溶液集热/再生器进行了结构改进和系统创新.Alizadeh等[19-20]对顺流太阳能溶液集热再生过程进行理论和实验研究,得到溶液再生效率最大可达0.8～0.9左右.Li等[21]在对太阳能溶液集热/再生过程进行理论建模时考虑了溶液对玻璃盖板辐射换热影响.Peng等[22-23]构建了一种空气预处理太阳能集热再生装置,并进行相关理论研究.国内外学者对强迫对流太阳能溶液集热/再生器研究主要集中在理论性能的研究上,实验研究较少,文献[19]也只给出顺流集热再生实验结果.

为此，本文通过构建逆流太阳能溶液集热/再生实验装置,进行变工况实验研究,分析影响溶液再生效率变化的各种因素,并拟合得到计算关联式.

1 实验

1.1 实验方案

图1为太阳能溶液集热/再生实验系统流程,实验流程包括溶液流程、空气流程、数据测量及控制系统等4部分.溶液流程由平板集热/再生器、浓溶液槽、稀溶液槽、溶液泵及配套管路、阀门等组成.由稀溶液槽中流出的稀溶液经溶液泵流入平板集热/再生装置,靠重力作用沿着集热板面流动,汇集于再生器底部,后经管路流入浓溶液槽中.系统中的空气可分别来自室外环境和太阳能空气集热器,其功能是为溶液再生提供一个较低的水蒸气分压力环境,因此称其为再生用空气.再生用空气通过风机加压进入平板集热/再生装置，升温增湿,之后排入大气中.在实验控制系统中,溶液流程可通过调速器控制溶液泵流量,通过调压器控制电加热器输入功率，以改变溶液入口温度;空气流程可通过调节变频器频率控制风机转速实现空气流量的变化,通过控制再生用空气是否通过太阳能空气集热器来改变空气入口温度.具体实验方案如下:

1) 空气和溶液流量对溶液再生性能影响实验.在维持溶液流量及入口参数不变时,通过调节变频器频率控制风机转速实现空气流量在70～350 m3/h内变化,分析溶液再生过程中再生效率随空气流量的变化.在维持空气流量及入口参数不变时,通过调速器改变溶液泵转速使溶液流量在10～60 kg/h内变化,同时通过关闭或开启电加热器使溶液分别处于常温和中等温度状态再生,分析在这2种不同溶液入口温度环境下,溶液再生过程中再生效率随溶液流量变化.

2) 空气和溶液入口状态对溶液再生性能影响实验.在维持空气及溶液流量、空气入口参数不变时,通过调压器来控制电加热器功率，以改变溶液入口温度,分析溶液再生性能随溶液入口温度的变化.在分析溶液浓度变化对再生性能影响的实验中,通过不断向再生溶液中加水稀释溶液浓度使其浓度从0.37降到0.25,并通过人工搅拌冷却,分析溶液再生过程再生效率随溶液浓度的变化.在维持空气及溶液流量、溶液入口参数不变时,采用太阳能空气集热器对再生用空气进行预热,分析空气入口温度变化对溶液再生效率的影响.选择2种不同含湿量空气对溶液进行集热/再生实验,对比其实验得到空气湿度对再生效率的影响.

1—太阳能空气集热器；2—风阀；3—温湿度传感器；4—风机；5—风量计；6—风管；7—平板集热/再生器；8—截止阀；9—微流量计；10—电加热器；11—溶液泵；12—稀溶液槽；13—浓溶液槽

图1 太阳能溶液集热/再生实验系统流程图

3) 太阳辐射强度对溶液再生性能影响实验.在维持溶液和空气流量不变、溶液入口温度和浓度基本不变的条件下,对溶液再生进行全天候实验，得到溶液集热/再生性能随太阳辐射强度的变化关系.

1.2 实验误差

实验系统采用法国KIMO公司生产的DEBIMO空气流动测片和CP300差压传感器,其误差为±(0.5%E+1 Pa),其中,E为读取的数值.采用西门子湿度传感器测试再生用空气进出口温、湿度,其相对湿度误差为±2%E.太阳总辐射强度由TBQ-2总辐射表测定,其灵敏度为7～14 μV/(W·m-2),测试精度小于2%.

2 结果与讨论

采用图1实验流程对1 m×2 m×0.35 m逆流太阳能溶液集热/再生器进行实验研究,实验中采用LiCl-H2O溶液.分析溶液温度在集热板分布,空气和溶液流量、入口参数及室外环境对太阳能集热再生性能的影响.

2.1 溶液温度在集热板方向变化

当溶液入口温度为常温时,溶液在平板集热/再生器内必须先经过一道预热过程才能进行浓缩、再生,为了分析溶液预热段在整个集热面积中所占的比例,必须了解溶液温度在集热/再生板上的分布.图2为3种不同空气流动雷诺数下溶液温度沿集热板分布,图中选取溶液温升ΔTs=Ts-Ts.in作为衡量温度变化的变量.其中,Ts为平板上某点溶液温度;Ts,in为溶液入口温度.实验中溶液流量为20.4 kg/h,入口浓度为0.23；空气入口温度为36 ℃,入口含湿量为0.02 kg/kg；太阳辐射强度为650 W/m2.实验表明，在溶液入口的0.5 m(1/4段)内,溶液通过吸收太阳能温升提高迅速,这为溶液水分蒸发提供了条件,该段为溶液加热段;在0.5 m后的3/4段内，溶液温度基本维持不变,这是由于溶液吸收的太阳能和水分蒸发所需潜热及散热损失保持平衡,该段为溶液再生段.另外从图2中空气流动雷诺数变化对溶液温升的影响可看出,空气流量越高，溶液温升越小.

图2 溶液温度在集热/再生表面的分布

2.2 空气和溶液流量对集热再生器性能影响

空气流量改变可以增加或降低空气和溶液之间的传热、传质系数,从而提高或降低溶液中水蒸发率,因此空气流量变化对溶液再生起到极为重要的作用.图3为空气流量从70 m3/h增加到350 m3/h时,实验中溶液和空气温升(即溶液进、出口和空气进、出口温度差)及再生效率变化.实验中太阳辐射强度为600～720 W/m2;空气入口温度为28.6～36.6 ℃,入口含湿量为9.0～20.0 g/kg;溶液入口温度为25～32 ℃,入口浓度为0.24～0.26,溶液质量流量为14.0～20.6 kg/h.由图可知,随着空气流量的增加,溶液和空气温升均呈下降趋势,并且在低空气流量时，溶液温升远高于空气温升,在高流量时两者相差较小.再生效率是衡量再生性能的重要指标，定义再生效率ηr为

(1)

式中,Ya,in,Ya,out分别为空气进、出口含湿量,g/kg;ma为空气质量流量,kg/h;hs为水蒸气的蒸发潜热,J/kg;Ic为太阳辐射强度,W/m2;A为集热板面积,m2.

图3显示,随空气流量增加,溶液再生效率升高,当空气流量Va=300 m3/h时再生效率达到最大.这是因为随空气流量的增加，在传热传质系数增大的同时对流散热量也同时增加.

图3 空气流量对集热再生器性能影响

在分析溶液流量对其再生性能影响时,选取溶液入口温度为常温(21.7 ℃)和中温(52.7 ℃)2种,其再生参数见表1,溶液流量变化范围为10～60 kg/h.图4显示常温再生时,当溶液流量从13.4 kg/h增加到58.1 kg/h时,空气温升从11.8 ℃下降到5.8 ℃,溶液温升从12.7 ℃下降到7.0 ℃,溶液再生效率从0.50下降到0.31.这是由于当溶液温升为正时,随常温溶液流量的增加,更多太阳能被溶液吸收，提高了溶液温度(尽管溶液温升在降低),从而使空气温升和溶液水分蒸发率降低,造成再生效率下降.另外,当中温溶液再生时,溶液再生的溶液温升为负值(见图4),温度从-19.6 ℃上升到-12.9 ℃,说明溶液再生过程中温度降低,释放显热为再生提供热量,并且溶液流量增加，溶液温度降低程度减少.正是中温再生的这种特性,空气温升从10.5 ℃提高到12.8 ℃,再生效率由0.75上升到0.97.这些再生特性与常温溶液再生正好相反,也同时显示溶液显热对溶液再生的贡献.

表1 变溶液流量实验工况入口参数平均值

图4 溶液流量对集热再生器性能影响

2.3 空气和溶液入口参数对集热再生器性能影响

图5(a)为太阳辐射强度处于640～790 W/m2,空气入口温度为(14±0.6)℃、入口含湿量为4.2～4.6 g/kg、流量为240 kg/h，溶液入口流量为26 kg/h、入口浓度为0.28时,溶液入口温度变化对其再生性能的影响.由图可见,当溶液入口温度大于26 ℃时,溶液温升为负值,说明溶液在再生过程中释放显热为其再生提供热能,而溶液进出口温升由正向负的转变温度点受环境湿度影响,环境湿度越低则转变温度点越小,反之则越大.另外,随溶液入口温度的提高,空气进、出口温升从6.8 ℃上升到14.5 ℃,溶液再生效率呈线形递增(由0.367上升到1.08).这是由于溶液在再生过程中释放显热可能导致再生效率大于1.0.由于按式(1)计算的再生效率ηr未考虑溶液入口温度升高需要吸收一定热量Qs,如果考虑这部分热量消耗,则综合再生效率ηt为

(2)

当溶液吸收热量Qs从0.07 kW升高到1.04 kW时,综合再生效率ηt从0.367上升到0.6.说明加热溶液对太阳能溶液集热/再生器性能有明显提高.

图5(b)为太阳辐射强度处于640～790 W/m2,空气入口温度为13.2～14.7 ℃、入口含湿量为4.87～5.03 g/kg、流量为240 kg/h,溶液入口温度为32.3～34.4 ℃、体积流量为22.7 m3/h时,溶液入口浓度在0.249～0.365范围变化对其再生性能的影响.由图可见,随溶液浓度由0.365降低到0.249,则空气温升由11.3 ℃降低到8.0 ℃,溶液

(a) 溶液入口温度

(b) 溶液入口浓度

温升由6.7 ℃降低到-2.7 ℃;当溶液浓度低于0.3时,溶液温升出现为负的情况;随溶液浓度降低，溶液再生效率由0.34提高到0.65,并且随溶液浓度降低其再生效率升高速率降低.溶液及空气出口参数随溶液浓度的变化是由于随着浓度降低,溶液表面水蒸气分压力升高,从而加大溶液和空气间水蒸气的传质势差,导致溶液水蒸发率提高,而水蒸发率的提高需要吸收更多热量,因此造成溶液和空气出口温度的下降,再生效率明显提高.

图6(a)为太阳辐射强度处于610～680 W/m2、溶液入口温度为27.9～29.6 ℃、入口浓度为0.294、流量为27.6 kg/h,空气流量为127 kg/h、入口含湿量6.98～7.89 g/kg、温度在18.4～28.3 ℃范围内改变时,空气入口温度对溶液再生出口参数的影响.由图可见,随空气入口温度的提高,空气温升由10.6 ℃下降到6.0 ℃;溶液温升开始由13.4 ℃上升到18 ℃,之后由于太阳辐射强度的减弱而降低到16.4 ℃;再生效率ηr由0.434提高到0.49,虽然其上升幅度不大，但是仍与空气入口温度呈线形上升关系.另外,考虑加热入口空气需消耗一定热能Qs,则由式(2)计算综合再生效率ηt可得,当Qs从0.05 kW升高到0.3 kW时,ηt值

(a) 空气入口温度

(b) 空气体积流量

由0.42下降到0.39,说明加热空气对提高溶液再生效率效果并不理想.对比图5(a)加热溶液使综合效率升高可知,在溶液再生过程中等值热量加热溶液比加热空气更为有利.这是由于加热空气的能量必须通过溶液吸收空气和溶液间的对流换热后才能提高再生性能.

在太阳能溶液集热/再生器内,溶液和再生用空气之间的传质驱动力为溶液和空气之间的水蒸气分压力差,而空气侧水蒸气分压力由空气湿度决定.理论上再生用空气湿度越高,空气内水蒸气分压力越高,不利于溶液再生,反之则有利于溶液再生.图6(b)为当空气入口含湿量分别为10和20 g/kg时,溶液再生性能的对比.2种工况太阳辐射能的平均值为620～650 W/m2,最大值为700 W/m2;当溶液流量为17 kg/h时,入口溶液浓度为0.24,入口溶液温度为21～29 ℃.由于湿度的差异使得2种工况的入口温度相差较大,当入口含湿量为10 g/kg时,空气入口温度为28.6 ℃;当入口含湿量为20 g/kg时,入口温度为36.6 ℃,两者相差8 ℃.图6(b)显示空气入口湿度从10 g/kg升高到20 g/kg时,溶液进、出口温升提高4～9 ℃,空气进、出口温升降低1～3 ℃.再生效率随空气流量变化从0.57～0.75下降到0.41～0.58,下降0.16左右,可见,较高的空气入口湿度对溶液再生极为不利.

2.4 太阳辐射强度对集热再生器性能影响

在太阳能溶液再生装置中,当溶液和再生用空气为常温时,其整个再生过程的驱动力只有太阳能,因而太阳辐射强度对再生过程中各参数具有决定性影响.图7为当空气流量为120 kg/h、入口温度为26.0～32.5 ℃、含湿量为8.7～14.9 g/kg,溶液流量为14 kg/h、入口浓度为0.26,入口温度为21.7～32.3 ℃时,溶液再生受太阳辐射强度的影响.由图可见,当太阳辐射强度从320 W/m2升高到780 W/m2时,溶液温升从10 ℃提高到14.4 ℃,空气温升从3.2 ℃上升到8.9 ℃,再生效率从0.4增加到0.6.尽管在局部实验点由于实验过程中溶液和空气入口状态的改变可能会导致变化趋势的逆转,但从整体上看,太阳辐射强度的提高不仅提高了溶液再生效率,同时溶液和空气温升也会相应提高.这是由于常温溶液再生过程分为溶液加热段和再生段(见图2),随太阳辐射强度增加,加热段长度减少而再生段长度增加,从而使再生效率升高.

图7 太阳辐射强度对集热再生器性能影响

2.5 太阳能溶液再生效率

从上述分析可知,太阳能溶液再生效率影响因素包括溶液、空气流量、入口参数和室外环境等.实验中,空气流量ma为90～420 kg/h,溶液流量ms为10～60 kg/h,空气入口含湿量Ya,in为4.7～20.4 g/kg,溶液入口浓度ξin为0.24～0.37,太阳辐射强度Ic为420～800 W/m2,板长2 m.在上述实验条件下,得到常温溶液再生效率变化关系式为

(3)

拟合计算值和实验值的平均相对误差为7%,最大相对误差为13%.

3 结论

1) 通过构建太阳能溶液集热/再生器性能测试系统,对1 m×2 m×0.35 m太阳能集热再生器效率进行实验测试.测试分析发现,溶液常温再生存在明显的溶液加热段和溶液再生段2段分布.随着空气流量的增加,溶液再生效率先升后降;当空气流量为300 m3/h时,再生效率达到最大;当溶液流量从13.4 kg/h增加到58.1 kg/h时,常温溶液再生效率从0.50下降到0.31,中温再生效率由0.75上升到0.97.

2) 通过对空气和溶液入口参数变化对再生效率影响分析发现,随溶液入口温度升高和浓度下降,溶液再生效率呈近似线性升高;考虑提高溶液温度需消耗热量,其综合再生效率ηt从0.367上升到0.6.随空气入口温度升高,溶液再生效率升高.同样考虑提高空气温度需消耗热量,其综合再生效率ηt从0.42下降到0.39,表明加热再生用空气对溶液再生效率作用在能源利用上并不有利.当空气入口湿度从10 g/kg升高到20 g/kg时,再生效率下降0.16左右,可见较高的空气入口湿度对溶液再生极为不利.当太阳辐射强度从320 W/m2升高到780 W/m2时,再生效率从0.4增加到0.6.

3) 通过对实验数据进行拟合,得到在实验适用范围内的常温溶液再生效率计算公式.

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Experimental analysis on regeneration efficiency of countercurrent solar collector/regenerator

Peng Donggen1Zhang Xiaosong2

(1School of Civil Engineering and Architecture, Nanchang University, Nanchang 330031, China) (2School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)

A countercurrent solar solution collector/regenerator (C/R) with experiment platform the size of 1 m(wide)×2 m(long)×0.35 m(high) was used for analyzing the factors influencing regeneration efficiency of solar C/R. It is found that there is an obvious two-stage distribution for regenerating solution at normal temperature. The regeneration efficiency of solution increases first and then decreases with the increase of air mass flow rates and there exists a maximum value. The regeneration efficiency always decreases with the increase of solution flow rates. Heating solution leads to an increase of integrated regeneration efficiency; however, heating regeneration air decreases the integrated regeneration efficiency. The regeneration efficiency is decreased by 0.16 by using humid air of 20 g/kg instead of using humid air of 10 g/kg. The regeneration efficiency increases correspondingly with the increase of the solar radiation intensity. The countercurrent solar solution C/R can operate better in dry air and high solar radiation conditions and a suitable air flow-rate should be selected to achieve better performance.

solar energy; solution; regeneration; efficiency; countercurrent

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.013

2015-01-12. 作者简介: 彭冬根(1975—),男,博士,副教授,ncu_hvac2013@163.com.

国家自然科学基金资助项目(51266010)、 江西省科技支撑计划资助项目(20123BBG70195).

彭冬根,张小松.逆流太阳能溶液集热/再生器再生效率实验分析[J].东南大学学报:自然科学版,2015,45(3):484-490.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.013

TK511.3

A

1001-0505(2015)03-0484-07