液体除湿空调除湿器性能研究

汪 行 柳建华,2 赵永杰 张 良,2

(1 上海理工大学能源与动力工程学院 上海 200093；2 上海市动力工程多相流动与传热重点实验室 上海 200093；3 中国船舶重工集团公司第七○四研究所 上海 200031)

液体除湿空调除湿器性能研究

汪 行1柳建华1,2赵永杰3张 良1,2

(1 上海理工大学能源与动力工程学院 上海 200093；2 上海市动力工程多相流动与传热重点实验室 上海 200093；3 中国船舶重工集团公司第七○四研究所 上海 200031)

在液体除湿空调中，除湿器是系统的核心部件。本文搭建可用于实验研究的液体除湿空调系统中除湿器的实验台，对塔径300 mm、填料高度800 mm，以LiCl溶液为除湿剂的除湿器布置测点进行实测。基于Mercel理论，根据热质平衡并结合D. I. Stevens 的有效模型，建立适用于该液体除湿空调系统中的除湿器传热传质模型。从实验和理论模型两个方面分析除湿器进口各项参数对除湿量的影响，结果表明：理论值和实验值有很好的一致性，且数据差异较小，说明计算模型适应性良好，能准确的用于该除湿器的性能模拟测试，将实验与理论计算结果进行对比可知：在一定的工况范围内，除湿器的除湿量受进口溶液温度、浓度、质流密度等参数影响较大，其中溶液进口温度越低，除湿效果越显著，溶液进口浓度越低，除湿效果越好；溶液进口质流密度需控制在一定范围进行调节，才能显著提高除湿器性能；空气入口风速、干球温度以及含湿量对除湿出口的空气状态参数影响较弱。

液体除湿空调; 除湿器; 数值模型; 实验工况

目前常使用的除湿方法有常规的冷凝除湿、固体吸附除湿、通风置换除湿、溶液吸收除湿、膜除湿、加压冷却除湿等，其中液体除湿因其具有清洁、易操作、除湿剂所需再生温度低、环保性能好，蓄能密度高等优点，很适合以太阳能工业余热等间歇性或波动大的低品位热源作为再生热源[1-3]，从1955年GOG Löf等[4]提出并实验了以三甘醇为吸湿剂、太阳能为驱动的液体除湿空调系统起，液体除湿领域的研究已经进行了很多年，M. R.Paterson等[5]综合了许多学者的研究结果，总结了氯化锂除湿溶液的物理性质的经验公式，并给出了计算程序。S. Y. Ahmed 等[6]用经典热力学方法计算氯化锂除湿溶液的表面水蒸气压力，Y. J. Dai 等[7]对以蜂窝纸为填料的叉流除湿装置进行了相关的理论分析，R.E.Treybal等[8-11]先后推出传热传质微分方程，并进行了完善，使其能够较好地应用于绝热型除湿器中的传热传质过程的求解。现阶段比较成熟的计算除湿塔模型有H. M. Factor等[9-12]提出的有限差分模型， D. I. Stevens 等[13-14]提出的 NTU-ε模型，以及 A. Y. Khan 等[15]的代数方程迭代模型。在国内，路则峰等[16]采用 NTU-ε模型对液体除湿塔的传热传质进行了分析，研究了塔内空气湿度的变化情况，张海江等[17]对叉流除湿器中不同的除湿剂进行了实验比较分析得出LiCl在其中具有更好的传质性能，钱俊飞等[18]利用实验数据建立叉流除湿器的实验关联式，对叉流除湿器的设计有一定的指导作用。基于大多数研究者对填料塔除湿器的研究停留在理论建模，借助于计算机进行模拟计算的阶段，或者局限于仅对除湿器进行实验研究。因此本文旨在建立适用于液体除湿空调系统中的逆流除湿器传热传质模型，搭建能用于实验研究液体除湿空调系统中除湿器的实验台，通过实验及理论计算获取液体除湿空调系统中除湿器的最佳运行工况。

1 液体除湿空调实验台设计

1.1 液体除湿空调实验台原理

1蒸发冷却装置；2除湿器；3集液器；4泵；5冷却器；6热交换器；7再生器；8加热器图1 液体除湿空调系统简图Fig.1 The flowchart of liquid desiccant air conditioning system

液体除湿空调系统简图如图1所示，除湿器2是被处理空气和除湿剂溶液进行热质交换的场所，被处理空气经过除湿器后成为干燥空气，随后进入蒸发冷却装置1，空气被处理到送风状态点。空气中的水蒸气在水蒸气分压差的作用下进入液体除湿剂，除湿剂溶液浓度降低，除湿剂溶液经溶液泵4的动力下进入加热器8被加热，最后稀释后除湿剂在再生器7中完成再生，进行下一次循环。

1.2 除湿器测点布置

在利用液体除湿的过程中，对除湿结果有影响的参数包括空气质流密度、空气的温湿度、溶液温度、溶液质流密度等参数。图2所示为该液体除湿空调中除湿器的二维模型及测点布置图。

1空气压力；2,4空气进、出口干球温度；3,5空气进、出口湿球温度； 6,7溶液进、出口温度；P压力测点；H温度测点；T温度测点图2 除湿实验中的测点布置Fig.2 Arrangement of measuring points in the experiment of desiccant

2 除湿器理论模型的建立

2.1 理论方法概述

从热力学角度来分析，填料表面进行的热质交换是气液间同时发生流动、传热、传质的过程。

本文通过利用Mercel提出的热力计算方程式，以热力学理论为基础，结合蒸发冷却原理的热质交换方程式、从能量平衡和质量平衡两个方面对方程式进行化简后得到。

2.2 传热传质方程

填料室内是进行传热传质的主要过程，运用单膜理论，根据热质平衡，并基于D. I. Stevens 等[13]的有效模型，建立以下针对氯化锂溶液作为除湿剂，为简化模型，包含以下几个基本假设:1)除湿过程是绝热的；2)传热传质阻力主要取决于气相，液相阻力可以忽略；3)塔的轴向没有扩散。模型示意如图3所示。

图3 除湿器传热传质模型示意图Fig.3 Schematic diagram of the dehumidifier heat transfer model

沿高度方向的每个微元段dz上，根据热质平衡，可知：

dmshs=msdhs+hsdms=madha

(1)

dms=madωa

(2)

式(2)进行积分可得：

ms=ms,i-ma(ωa,o-ωa)

(3)

madha=hcaesdz(ts-ta)+hv,tsmadωa

(4)

hv,ts为在溶液温度为ts下的水蒸气汽化潜热：

hv,ts=hv,o+cp,vts

(5)

对传质系数hd定义如下:

madωa=hdaesdz(ωai,ts-ωa)

(6)

madha=hdaesdz[cp,aLe(ts-ta)+hv,ts(ωai,ts-ωa)]

(7)

hs=ho,x+cp,sts

(8)

dhs=cp,sts

(9)

ha=cpta+ωahv,ta

(10)

(11)

(12)

式(1)～式(12)构成了传热传质的基本模型，对以上关系式进行化简可得如下公式：

(13)

(14)

(15)

(16)

边界条件确定如下：

当z=0时，ωa=ωa,iha=ha,ita=ta,i

当z=Z0时，x=xits=ts,i

至此，微分方程组式(13)～式(16)和边界条件构成了除湿器的传热传质模型。如果给定进口空气的质流密度、焓值、含湿量以及进口溶液的质流密度、温度和浓度，即可利用该方程组求得相对应的出口空气和出口溶液的状态参数，同时也可求得沿除湿器高度方向每一高度上对应的空气和溶液的状态参数。正如空气调节中的其它热质交换设备的一样，除湿器效率用热效率和湿效率两个定义来描述。热效率和湿效率的表达式分别为式(17)和式(18)。

(17)

(18)

利用式(17)和式(18)即可算出填料塔除湿器热效率和湿效率，可进一步了解传热传质的完全程度。

3 模拟与实验的结果与分析

在选定除湿器直径为300 mm，填料高度800 mm，以LiCl溶液作为该除湿过程中的除湿剂的基础上，考察溶液温度、溶液质流密度、溶液浓度、空气温度、空气风速、空气含湿量六个进口参数对除湿量的影响。选定实验中的各个参数范围，如表1所示，所安排实验的内容即为了考察各进口参数值在该范围内变化时对各出口参数值的影响，同时用于比较与模拟结果的差异。

图4所示为当进口空气干球温度34 ℃，湿球温度28.2 ℃，空气质流密度为1.887 kg/(m2·s)，溶液质流密度为5.04 kg/(m2·s)，LiCl溶液在浓度分别为30%、35%、40%时，空气出口含湿量随着溶液温度变化的实验值和模拟值。由图4可知，实验值和模拟值变化趋势基本一致，且实验值与模型偏差较小在1.91%～14.56%以内，故模型计算也能较好的预测实验结果。空气出口含湿量随溶液温度的升高而增加，即除湿量随着温度的升高而降低，且趋势非常明显。说明进口溶液温度对除湿器的除湿有决定性影响，溶液温度的升高，溶液水蒸气分压力增大，使其除湿能力降低，因而温度升高除湿率下降。

表1 实验参数范围

图4 空气出口含湿量随溶液温度浓度的变化图Fig.4 The trend diagram of moisture content of air outlet with the temperature and concentration of solution

图5 空气出口含湿量随溶液质流密度、浓度的变化图Fig.5 The trend diagram of moisture content of air outlet with the solution mass flux and concentration

图5所示为当空气干球温度为34 ℃，湿球温度为28.2 ℃，空气质流密度为1.887 kg/(m2·s)，进口溶液温度为30 ℃，溶液质流密度范围为1.68～8.40 kg/(m2·s)时，不同的溶液浓度下，出口空气含湿量随溶液质流密度的变化图。由图5可知，实验值与模型偏差为1.21%～17.97%，空气出口含湿量随着进口溶液质流密度的增加而降低，一方面进口溶液质流密度越大，气液接触更为充分，另一方面当空气质流密度不变时，溶液质流密度增大，溶液进出口平均浓度升高，除湿效果增强。但溶液质流密度不宜过大，即在小范围内空气出口含湿量受影响较大，超过一定值则出口空气含湿量趋近于定值。图4～图5共同说明了溶液浓度是影响除湿量的一个主要因素，浓度越小，除湿效果越好。

图6描述了在溶液质流密度为5.04 kg/(m2·s)，进口溶液温度为30 ℃，进口溶液浓度为35%时，分别改变进口空气参数风速、温度、含湿量所得出的模型计算值和实验值。图6(a)为空气入口干球温度为34 ℃，湿球温度为28.2 ℃时，空气出口含湿量随风速变化曲线，实验值与理论值的偏差在3.57%～11.87%，因在除湿过程中对除湿有直接影响的量，一是接触面积，二是接触时间，随着空气风速的增加，气液接触时间较短，因此低风速下的传热传质完全，相应低风速下出口含湿量较低，另外，当溶液质流密度恒定，处理的空气量减少时，溶液进出口平均浓度升高，除湿效果增强。在该溶液质流密度下，填料塔润湿率为60%左右，因此液体分布效果较好，出口含湿量受风速的影响较小。若在低溶液质流密度下，填料塔润湿率较低，液体分布效果变差，参与传热传质过程的填料层面积变小，出口含湿量受风速的影响较明显，即传热传质面积越小，越容易受接触时间的影响。图6(b)所示为空气的含湿量为20 g/kgDA，空气质流密度为1.887 kg/(m2·s)时，空气出口含湿量随进口空气温度变化的模型计算和实验结果对比图，实验值与理论值的偏差在16.63%～18.57%。图6(c)为空气入口干球温度为34 ℃，空气质流密度为1.887 kg/(m2·s)，实验值与理论值的偏差为7.26%～17.17%，空气出口含湿量随进口空气含湿量变化的模型计算和实验结果对比图。其实验结果和模型计算结果都表明，空气出口含湿量的值几乎不受进口空气温度和含湿量变化的影响。前者原因在于传质系数和传质推动力都与空气干球温度无关，空气干球温度的变化只反映空气的显热变化，它虽然对传热有影响，但空气的显热比热与溶液的比热相比要小得多，因此，当空气干球温度变化时，溶液出口含湿量基本不变。后者则表明在设定的溶液质流密度下，可以保证在整个空气湿度范围内，传热传质进行地都较充分。

图6 空气进口参数对空气出口含湿量的影响Fig.6 The effects of air inlet parameters on moisture content of air outlet

4 结论

本文设计了能用于实验研究液体去湿空调系统中除湿器的实验台，建立适用于液体去湿空调系统中的填料塔除湿器的传热传质模型，通过实验和模拟计算，分别对除湿器的入口参数对除湿器性能影响进行了分析比较得出结论，模型偏差20%以内，同时也验证所建立的除湿模型适应性良好，能比较准确的运用于该除湿器模拟测试。

在空气的质流密度范围为1.179～2.359 kg/(m2·s)，空气温度25～40 ℃，空气相对湿度40%～95%，溶液质流密度1.68～8.40 kg/(m2·s)，溶液温度20～45 ℃，溶液浓度30～40%的范围内对内径300 mm，填料高800 mm，以LiCl溶液为除湿剂的除湿器的进行实验和模拟测试。得出如下结论：溶液温度越低，溶液浓度越低，除湿效果越好，溶液质流密度在小于一定范围内越大，则除湿量越好，超过则影响较小。空气进口参数风速、温度，含湿量均对除湿量影响较小。故为提高除湿器性能，需着重考虑控制除湿溶液的质流密度和温度，从而提高系统的整体性能。

本文受上海市科委建设项目(13DZ2260900)资助。(The project was supported by Shanghai Municipal Science and Technology Commission construction projects(No.13DZ2260900).)

符号说明

m——质量流量，kg/s

h——比焓，kJ/kg

w——含湿量，g/kgDA

hc——传热系数，kW/(m2·℃)

ae——有效润湿面积，m2/m3

s——填料塔截面积，m2

Zo——填料总高，m

t——温度，℃

hd——传质系数，kg/(m25s)

c——溶液浓度，kg/kg

cp——比热容，kJ/(kg·℃)

Le——刘易斯数

NTU——传质单元数

z——填料塔坐标上的高度，m

下标

a———空气s———溶液i———进口o———出口v———水蒸气

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About the corresponding author

Liu Jianhua, male, professor, University of Shanghai for Science and Technology, +86 13817757889, E-mail: lwnlwn_liu@163.com. Research fields: optimization research for refrigeration system, application research for refrigeration test equipment.

Study on the Performance of Dehumidifier with Liquid Desiccant

Wang Xing1Liu Jianhua1,2Zhao Yongjie3Zhang Liang1,2

(1. School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093, China; 2. Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer of Power Engineering, Shanghai, 200093, China; 3. NO. 704 Research Institute, CSIC, Shanghai, 200031, China)

In the liquid desiccant air conditioning system, the dehumidifier is a core component of the system. An experimental platform is built to be used for the dehumidifier performance test in the liquid desiccant air conditioning system. The measuring points are arranged in the dehumidification tower with LiCl solution as the desiccant, where the diameter of is 300 mm, and packing height is 800 mm. A heat and mass transfer model for the dehumidifier is established based on the Mercel theory, the heat and mass balance and the effective model of D. I. Stevens. The influence of various parameters on the performance of dehumidifier is analyzed from both experimental and theoretical results. The results show that the simulation results are in good agreement with the experimental ones, which shows that the model has good adaptability and can be used to simulate the performance of the dehumidifier. After analyzing the experimental and theoretical results, it can be seen that the inlet solution temperature, concentration and mass flux have greater impact on the dehumidification in the range of experimental conditions. The lower the inlet temperature of the solution, the better dehumidification effect of the desiccant; the lower the concentration of the solution, the better effect of removing moisture. And the inlet mass flux of the solution must be controlled in a certain range so that the performance of the dehumidifier can be improved. The air inlet velocity, dry bulb temperature and moisture content have little effect on the outlet air condition of the dehumidifier.

liquid desiccant air conditioning; dehumidifier; heat and mass transfer model; test conditions

0253- 4339(2017) 02- 0045- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2017.02.045

2016年9月18日

TU834.9;TK124;TP391.9

A

柳建华，男，教授，上海理工大学，13817757889， E-mail：lwnlwn_liu@163.com。研究方向: 制冷系统的优化匹配研究，制冷测试设备的应用研究。