溶液调温调湿机组中空气预处理器的结构设计与优化

王志星 唐易达 王振宇



溶液调温调湿机组中空气预处理器的结构设计与优化

王志星 唐易达 王振宇

（西南科技大学 绵阳 621010）

溶液调温调湿技术已广泛运用在建筑室内热湿环境的控制中。对四川绵阳某高校教学楼溶液调温调湿机组空气预处理器进行优化设计，即采用自编UDF程序，数值计算空气预处理设备除湿量及除湿效率与肋片参数的变化规律。当提高空气处理器的进水温度，优化肋片其他设计参数：肋片高度不宜超过19mm；厚度在0.10mm-0.25mm，间距在2.2mm-2.4mm；气流速度在1.7m/s-1.9m/s之间时，能满足除湿要求。同时采用高温冷水的空气预处理器比低温水时的效率更高，故采用高温冷源进行冷却减湿更为节能。

空气预处理器；高温冷源；溶液除湿；节能

0 引言

在使用溶液调温调湿机组对建筑室内环境进行热湿控制时，为保证送风要求，需对除湿单元不断进行冷却，对再生单元进行加热。当热湿负荷较大时，对溶液循环量，以及除湿单元侧，再生单元侧能量供给的需求会进一步增大。这就对溶液调温调湿技术的节能潜力，提出新的挑战[1]。

刘晓华等人[2]从吸湿剂空气处理过程的基本特性出发，分析液体和固体空气处理设备的性能特点，得出驱动力特性分析对空气处理设备的实际流程构造具有指导意义；张涛[3]等人通过对温湿度独立控制空调系统中，不同运行参数下，系统能耗进行分析，得出在选用辐射末端并控制供回水温差不变情况下，提高供水温度，可改善系统能效，但会增加辐射板面积。江亿[4]领导的课题团队采用串联空气处理单元的方式来满足空气处理所要求的除湿量，这一措施不可避免的会导致机组占地空间的增大。

如何利用建筑所在地区的能源分布特性，在满足除湿量要求的前提下，降低溶液循环流量，减少除湿单元与再生单元侧对能量供给的依赖，同时尽可能减少机组体积，节约建筑空间，成为困扰本研究的关键。

在对四川绵阳某高校教学楼，采用太阳能—地热能复合热泵系统[5-7]溶液调温调湿机组对空气进行除湿降温处理的过程中发现，将空气进行预处理，可降低机组对太阳能的依赖，及降低对再生单元侧能量的需求。为充分利用当地丰富的高温地表冷水水源，提出高温冷水空气处理器[8]的构想。通过自编UDF程序，数值计算空气预处理设备除湿量及除湿效率与肋片高度、厚度、间距、气流速度、壁面温度等影响因素之间的关系，及其变化规律。并分析计算不同进水温度下，空气处理器的㶲效率。在满足除湿量和除湿效率的前提下，尽量选择高㶲效率下的进水温度值。

1 数值模拟基本条件

1.1 物理模型及网格划分

图1 空气预处理器物理模型

空气预处理设备的除湿性能是本研究关注的重点，因此，着重分析预处理设备在湿工况条件下的性能，采用YG型4排肋片换热器作为研究对象，铜质管材、管外径为16mm、管壁厚为1mm、管间距为33mm、管排数为4mm。为了简化计算，本文选择单片换热器肋片作为计算域，并假设热质交换发生在充分发展段，预处理换热器物理模型如图1所示。

本文采用Gambit软件进行网格划分，在物理结构没有突变的区域，采用结构化网格，对于形状不规则的突变区域，采用适应性强的非结构化网格，并检验了网格的稳定性，检验结果是本物理模型的网格数为168万时为最佳网格，网格划分如图2所示。

图2 预处理设备的网格划分

1.2 边界条件设置

与肋片的几何尺寸相比，肋片的厚度忽略不计，设定了两个计算域，即流体域和固体域，同时，由于是周期性边界条件，本文将上一个节点的出口作为下一个节点的入口。采用混合模型，同时存在空气（air）相、水蒸气相（water-vapor）和液态水相（water-liquid），空气相作为主相，水蒸气作为第二相，液态水作为第三相；速度进口，压力出口，恒定壁温，默认自动耦合面。

1.3 其他设置

本文采用fluent在计算空气预处理设备的除湿性能时，需要将空气的相对湿度或含湿量转换为体积分数，根据四川省绵阳市的气候特征，绵阳开启空调的时间段多为6-8月，根据每月的气候参数设定了四个工况，分别为：工况Ⅰ（温度为301.6K，含湿量为23.46g/kg，干空气体积比为95.1%）、工况Ⅱ（温度为305.6K，含湿量为30.56g/kg，干空气体积比为93.5%）、工况Ⅲ（温度为307.6K，含湿量为31g/kg，干空气体积比为93.1%）和工况Ⅳ（温度为308.8K，含湿量为37.68g/kg，干空气体积比为92.1%）。本文选用基于压力的求解器计算空气预处理设备除湿过程，选择层流模型，考虑重力的影响，采用SIMPLEC算法，设置离散格式时采用QUICK算法，设置收敛极限等于1×10-6。

2 空气预处理器除湿性能的影响因素分析

2.1 肋片高度对除湿性能的影响

空气预处理器其他结构参数不变，肋片高度作为自变量，数值计算结果如图3和图4所示。除湿量及除湿效率都随肋片高度的增加先增加后降低的趋势，说明肋片高度过低会导致减小肋片与湿空气的接触面积，适当增加高度有利于提高除湿量和除湿效率；当肋片过高时，肋片的温度梯度增大，导致肋片顶端的温度较高而不能除湿，但是又有一部分冷量被传递到肋片顶端，使冷量存在一部分损失，因此肋片过高反而会导致除湿量及除湿效率降低。根据计算结果，肋片的高度18mm较为适宜。

图3 肋片高度与除湿效率的关系

图4 肋片高度与除湿量的关系

2.2 肋片厚度对除湿性能的影响

除湿效率及除湿量随肋片厚度的变化规律如图5和图6所示。总体来说，除湿量及除湿效率随肋片厚度的增加而降低，这是由于随着肋片厚度增加，会略有减少传热传质比表面积。考虑到肋片的加工工艺，本文建议肋片厚度0.1mm-0.25mm之间比较适宜。

图5 肋片厚度与除湿效率的关系

图6 肋片厚度对除湿量的关系

2.3 肋片间距对除湿性能的影响

除湿效率及除湿量随肋片间距的变化规律如图7和图8所示。在工况Ⅱ、工况Ⅲ和工况Ⅳ条件下，空气预处理设备的除湿量及除湿效率随肋片间距增大先增加后减小。在工况Ⅱ条件下，肋片间距等于2.4mm时的除湿效率和除湿量最大，在工况Ⅲ和工况Ⅳ条件下，肋片间距等于2.2mm时的除湿效率最大。在工况Ⅰ条件下，空气预处理设备肋片间距等于2.0mm时的除湿效率最大。说明适当增加肋片间距可以增大空气与肋片的接触表面积，但是过大的肋片间距会降低空气预处理设备的换热效果，从而降低除湿量和除湿效率。结合绵阳地区的气候特点，建议肋片间距取2.2mm左右为宜。

图7 肋片间距与除湿效率的关系

图8 肋片间距与除湿量的关系

2.4 气流速度对除湿性能的影响

空气预处理设备的除湿量及除湿效率随气流速度的变化规律如图9和图10所示。在工况Ⅱ、工况Ⅲ和工况Ⅳ条件下，空气预处理设备的除湿量及除湿效率随气流速度的增加先增加后降低，不同的工况时的最大除湿量及除湿效率的气流速度不同，总体来说气流速度分布在1.7m/s-1.9m/s之间。在工况Ⅰ条件下，空气预处理设备的除湿量及除湿效率随气流速度的增加而减低。总体而言，气流速度加大从而增加了空气与壁面的扰动，提高传热传质系数，当气流速度过大时，空气来不及与壁面进行传热传质，所以速度过大反而会降低除湿量和除湿效率。在绵阳地区，建议风速为1.7m/s-1.9m/s之间为宜。

图9 空气流速与除湿效率的关系

图10 空气流速与除湿量的关系

2.5 壁面温度对除湿性能的影响

壁面温度对空气预处理设备的除湿量及除湿效率的影响如图11和图12所示。空气预处理设备的除湿效率及除湿量随冷壁温度升高略有减低，但是变化极为平缓。因此，从节能的角度出发，在一定温度范围内，可适当提高冷源的温度。

图11 冷壁温度与除湿效率的关系

图12 冷壁温度与除湿量的关系

3 空气预处理器的㶲效率分析

与能量分析法相比，㶲分析法在评价系统的用能价值时，不仅仅考虑了能量的转化与传递过程的能量变化，还深刻反映了能量退化的本质，因此，㶲效率更能全面地反映出能量的利用率，并为能量的合理利用提出科学依据[9,10]。㶲的计算方程如式（1）：

式中，η为㶲效率，W为对外做功量（收益㶲），E1为支付㶲（代价㶲）。

3.1 空气预处理器的㶲分析模型

空气预处理器对湿空气进行冷却减湿过程可以认为是一个开口系统，其㶲分析模型如图13所示。

图13 空气预处理器的㶲分析模型

模型中，E1为入口湿空气的㶲，E2为出口湿空气的㶲，Eq为冷壁输出的支付㶲，为控制体内各项损失㶲，（E2-E1）为收益㶲。在该模型中，如果忽略㶲损失，那么空气预处理器的㶲效率为如式（2）所示。

其中：

式中，2为湿空气出口含湿量，kg/kg干空气；1为湿空气入口含湿量，kg/kg干空气；2为湿空气出口饱和温度，K；1湿空气入口饱和温度，K；Q为预处理器获得的冷量，kJ/s；T为预处理器壁温，K；0为环境温度，K。

3.2 空气预处理器的㶲效率结果分析

本文以空气预处理器的结构不变为前提，冷壁温度作为变量，并考虑到绵阳测试的地源温度为19℃左右，地源热泵机组提供的冷冻水温度约为7℃左右，因此，温度取值范围为7℃-19℃。计算结果如图14所示。

图14 冷壁温度对㶲效率的影响

由图14可知，随着空气预处理器壁温的升高，预处理器的㶲效率越大，最高时可以达到31%左右，因此，在除湿量及除湿效率满足要求时，尽可能地提高预处理器冷源的温度有利于提高能量的利用效率，使其更加节能。

4 结语

通过自编UDF程序，数值计算了空气预处理设备除湿量及除湿效率的各影响因素，及其变化规律。并得到空气预处理设备的除湿量及除湿效率受到肋片结构参数的影响，有的呈近线性关系，有的呈非线性关系，总体来说都有一个最优值；肋片高度不宜超过19mm；厚度在0.10mm-0.25mm之间可根据气候特征取值；间距在2.2mm-2.4mm之间比较适宜；气流速度取1.7m/s-1.9m/s比较合适；壁面温度对空气预处理设备的除湿效率及除湿量的影响较小，在一定的温度范围内，建议适当提高冷源的温度，以便节约能源；采用高温冷水的空气预处理器比低温水时的㶲效率更高，因此，条件许可的情况下，采用高温冷源进行冷却减湿更为节能。

[1] 唐易达,何波,唐中华,等.溶液除湿空调在高温高湿地区的应用研究[J].暖通空调,2010,(5):129-132.

[2] 刘晓华,张涛,郑宇薇.采用吸湿剂的空气湿度处理过程性能分析[J].化工学报,2014,(S2):129-139.

[3] 张涛,刘晓华,江亿.温湿度独立控制空调系统设计运行参数分析[J].建筑科学,2012,(S2):113-117.

[4] 江亿,李震,陈晓阳,等.溶液除湿空调系列文章溶液式空调及其应用[J].暖通空调,2004,(11):88-97.

[5] 杨卫波,倪美琴,施明恒,等.太阳能-地源热泵系统运行特性的试验研究[J].流体机械,2009,(12):52-57.

[6] 谭军毅,余国保,舒水明.国内外太阳能空调研究现状及展望[J].制冷与空调,2013,(4):393-399.

[7] 侯静,荆有印,王静,等.太阳能-地源热泵复合系统的实验研究[J].制冷与空调,2012,(3):295-299.

[8] 李世姣.高温冷水表冷器结构设计与优化[D].绵阳:西南科技大学,2015.

[9] 朱明善.能量系统的㶲分析（第1版）[M].北京:清华大学出版社,1988:32-60.

[10] GB/T14909-2005,能量系统㶲分析技术导则[S].北京:中国标准出版社,2005.

Structural Design and Dptimization of Air Preprocessorin Solution Temperature and Humidity Regulator

Wang Zhixing Tang Yida Wang Zhenyu

( Southwest University of Science and Technology, Mianyang, 621010 )

Solutiontemperature and humidityadjusting technology has been widely used in the construction to controlindoor thermal environment. Optimaldesignisdone for airpreprocessorin solutiontemperature and humidity regulatorat ateaching building of university in Mianyang, Sichuan province, namely by editing the UDF program, numerical calculating the capacity and efficiencyof air pretreatment equipment and finding thetransformlaw ofparameterabout fins. When raising water temperature of theairpreprocessor, andoptimizing the other designparameters of the fins:heightof fins no more than 19mm; thicknessfrom 0.10mm to 0.10mm, the spacingbetween 2.2mm to 2.4mm; air velocity in the 1.7m/s to 1.9m/s, can satisfy the requirement of dehumidification. At the same time, using the higher temperature cold water air preprocessor, the efficiency of nenrgy is higher than using the lower one. So, the higher temperature cold source adopted for cooling dehumidification is more energy-saving.

air preprocessor; high temperature cold source; solution dehumidification; energy saving

1671-6612（2017）04-401-05

TU83

A

西南科技大学研究生创新基金（16ycx087)；四川省科技计划项目（2014GZ0050）

王志星（1992-），男，在读硕士研究生，E-mail：wangzhixing1992@163.com

唐易达（1976-），男，硕士，副教授，E-mail：tyddyx@126.com

2016-08-12