再生液回流量对溶液除湿系统性能影响的分析

程 矿 王劲柏 蒋诗宁 李 红 黄 迪 杜前洲



再生液回流量对溶液除湿系统性能影响的分析

程 矿 王劲柏 蒋诗宁 李 红 黄 迪 杜前洲

（华中科技大学 武汉 430074）

针对热泵型溶液除湿机提出了一种通过改变再生回流量的系统性能优化方案，通过在Simulink中建立除湿机各组件的数值计算模型，从而建立除湿机整体的除湿性能数值计算模型，然后通过数值模型计算不同再生回流量下的除湿机整体除湿性能，得出了最佳再生回流量，在该再生回流量下，除湿机整体除湿性能最高，并根据计算结果总结出了提高热泵型溶液除湿机性能的有效措施。

溶液除湿；溶液交换量；交叉流；除湿量；优化

0 引言

传统空调系统采用热湿联合处理的方式来控制空气的温度和湿度，存在着许多的不足之处，如温湿度采用同样的冷媒温度控制，使制冷机效率下降，造成了能源的浪费；空调冷凝水为细菌和其他污染物提供了生存环境，使室内环境变得不卫生；传统空调大量使用回风，使污染物在空调区不断扩散，造成了环境质量的恶化。因此，近些年来温湿度独立控制成为了研究热点，在此之上溶液除湿被重新审视，其优势被广大研究者重新认识。与此同时，对溶液除湿系统性能的优化也成为了重要的课题。

1955年，Lof[1]首次提出了利用液体除湿剂来控制空气湿度，为后来的研究者将蒸汽压缩制冷和液体除湿剂结合来除湿提供了思路；Kessling[2]进行了LiCl溶液除湿系统的性能实验研究，同时提出了再生蓄能的思想；Chung[3]对LiCl溶液为除湿剂的规整和散装填料分别进行了实验研究，并拟合得到了气相传热传质关联式。殷勇高[4]等人对叉流填料的LiCl溶液除湿器进行了实验研究，基于Le-hd分离测量法计算得到了溶液除湿过程耦合传质系数与Lewis数；Khan[5]等人用模拟的方法对三种形式的内冷型除湿器进行了性能分析，得出了这几种内冷型除湿器的性能与一些参数的关系；刘晓华[6]等人提出了利用溶液全热回收装置来提高除湿器性能的方案；罗磊[7]等人对叉流再生器的传热传质系数进行了研究，并给出了计算传质系数和Le数的拟合关系式；熊珍琴等人对热致浓度差的溶液除湿系统进行了性能优化的分析[8]；熊军[9]等人设计了燃气驱动液体除湿空调，并对其节能特性进行了分析；黄志甲[10]等人在数值分析工具上建立了叉流再生计算数值模型，并与实验结果进行了对比；路则锋[11]等人对逆流型溶液除湿系统提出了解析解法；李星[12]等人分析了不同溶液再生回流比例和再生温度下，除湿系统的耗功和COP的变化情况；赵建会[13]等人将辐射供冷与独立新风结合起来，进行了数值模拟。

以上的研究中，包含了如何优化溶液除湿性能的措施，但是往往都是围绕一个参数进行分析，而且限定了其他参数，只改变一个变量。或者是给定热泵机组的COP，给定除湿再生温度，给定再生风量和再生溶液喷淋量。这样的情况与实际并不相符，在实际的机组运行过程中，除了被研究变量外，其他的参数也都会随之而变化，而不是维持一个定值，因此，一个尽可能多的包含各类参数的溶液除湿机组运行分析手段是十分必要的。因此，本文就溶液除湿新风机组中再生溶液回流量对除湿性能的影响进行了动态分析，在研究过程中，不限定其他因素，而是以接近实际情况的状态进行分析再生液回流量因素对机组性能的影响。

1 原理

1.1 系统结构

图1 溶液除湿机原理图

溶液除湿系统如图1所示，子部件主要包括了轴流风机、蒸发器、节流阀、冷凝器、压缩机、电动调节阀、液位变送器、循环水泵、热回收换热器、电磁阀。在常规的溶液除湿系统中除湿后的溶液全部送入再生器进行再生，然而这种方式造成了大量用于除湿的冷量和再生的热量的浪费以及再生过度造成的除湿剂析出堵塞管道的危险。

针对本文所使用的热湿溶液交换量可调的除湿器，其类型为绝热型，空气与溶液的热质交换流型为交叉流，热质交换所使用的填料高度为300mm，长度为900mm，宽度为650mm，空气沿长度方向流经填料，溶液沿高度方向从填料顶部向下流动与空气在填料中进行热量与质量的交换。所使用的除湿溶液为初始质量浓度35%的LiCl溶液。

1.2 系统运行

整个除湿过程中溶液的循环分为3种循环，分别是除湿循环，再生循环，以及冷热交换循环；在除湿循环中，溶液从除湿器的储液槽中被循环水泵抽出，经过蒸发换热器与制冷剂进行热交换，从而使其温度降低，而制冷剂在蒸发器中获得热量使制冷剂从液态变成过热蒸汽。在溶液与制冷剂进行热交换后，除湿溶液进入除湿器顶部，然后通过喷淋管从除湿填料顶部喷洒而下，除湿剂经过填料与来自室外的热湿新风进行热质交换，因此空气中的水蒸气进入溶液，放出气化潜热，从而实现对新风的除湿；同时成液滴状态的冷溶液与热空气进行热交换，使因为放出气化潜热而升温的空气得到降温，为后一步的空气温度处理提供条件。在完成热质交换之后，溶液进入除湿器储液槽，回到初始位置。再生循环与除湿循环类似，溶液从再生储液槽中被循环水泵抽出，经过冷凝器与制冷剂进行热交换，温度上升变为热溶液，从而使溶液表面的水蒸气分压力降低。在溶液与制冷剂进行热交换后，再生溶液从再生器顶部进入喷淋管，从填料顶部喷洒而下，再生溶液与热湿新风进行热质交换，吸收溶液的热量变为水蒸气的汽化潜热，从而实现溶液的再生。针对再生除湿液循环，冷溶液从除湿器的储液槽中被泵吸出，通过电磁阀控制开度的旁路进入板式换热器，与热溶液进行热交换，吸收热量，升温变为热溶液，然后再进入再生器的储液槽；而热溶液则是利用再生储液槽液位与除湿储液槽液位之差所产生的压力差来实现流动，热溶液从再生储液槽中流出，进入板式换热器，在板式换热器中与冷溶液进行热交换，变为冷溶液，然后离开换热器进入除湿器储液槽。空气分为除湿空气和再生空气，针对除湿空气而言，室外热湿新风被风机送入除湿器，空气在除湿器中被降温除湿，然后通过风管作为新风空气进入室内。而对再生空气而言，室外新风被风机送入再生器内，从热溶液中获得热量和湿量，变为热湿空气，再排出室外。

2 系统计算

2.1 数值模型

给定室外空气状态，即室外空气的温度a_out和相对湿度out，以及送入室内的除湿风量a_deh，再生风风量a_reg，除湿喷淋溶液量s_deh，再生喷淋溶液量s_reg。然后调整再生液回流量，使其从0.02kg/s开始逐步增加，按0.02kg/s的步长逐步增加，直到溶液因为再生量过大导致浓度过高产生LiCl溶剂析出现象为止，比较不同再生液回流量下除湿空气中被除去的湿量，并在能产生最高除湿量的再生液回流量附近缩小计算步长，以增加计算精度，确定最优点的精确位置。本文选取的除湿风量为4000m3/h，除湿溶液喷淋质量为除湿风量的1.2倍，即4800kg/h；再生风量也为4000m3/h，再生溶液喷淋质量为再生风量的1.2倍，即4800kg/h；室外空气温度为30℃，相对湿度为80%，含湿量21.6g/kg干空气。

Copeland公司的提供了详尽的压缩机性能数据。本文根据所提供的性能数据根据最小二乘法用AHRI10系数模型进行拟合，获得了ZW72KWP型数码涡旋压缩机的性能关联式。

表1 压缩机制热量（kW）与蒸发温度和冷凝温度的关系

表2 压缩机功耗（kW）与蒸发温度和冷凝温度的关系

针对冷热溶液之间的换热器，本文采用ε-NTU模型来模拟计算。该换热器为板式换热器，面积为2m2，采用逆流型换热。

图2 除湿填料二维网格划分

溶液除湿系统最重要的模型是空气-溶液热质交换模型，清华大学刘晓华[14]建立了叉流除湿器的NTU简化数学模型，通过分析除湿器内部温度场和浓度场，得到空气（溶液）参数随溶液（空气）流动方向的变化情况。本文使用该简化模型作为除湿器内热质交换的模型。假设溶液和空气参数不沿y方向变化，然后对除湿器进行二维网格划分，获得了M列N行的网格，参见图2。

针对每一个网格微元，可根据下列控制方程进行计算：

通过计算可以得到整个二维平面上的空气温度分布、含湿量分布；溶液温度分布、浓度分布。从而得到空气出口的温度和含湿量，溶液的温度和浓度。

该型填料用于再生时的NTU计算公式：

式（6）～式（7）中：为热质交换所用填料的体积，m³；F为通过该填料单位面积的空气质量流量，kg/(m2·s)；F为通过该填料单位面积的溶液质量流量，kg/(m2·s)。

LiCl溶液的表面水蒸气分压力、溶液比热容、溶液密度采用Manuel R Conde[16]所提供的拟合公式来进行计算。

通过将上文所述的数值模型在Simulink中建立模块，并将这些模块组合，最终可得到机组的模型，参见图3。

图3 除湿机Simulink模型

2.2 评价指标

为了评价不同再生液回流量下除湿系统的除湿性能，本文根据除湿机侧除湿空气进出口的含湿量差值即除湿量作为评价指标，比较不同再生溶液回流量下的除湿性能。

图4 再生溶液回流量对除湿量的影响

图5 再生溶液回流量对被除湿空气出口温度的影响

图6 再生溶液回流量对溶液质量浓度的影响

图7 再生溶液回流量对储液箱溶液温度的影响

图8 再生溶液回流量对除湿喷淋溶液等效含湿量的影响

3 结果分析

由图4可见，在0.02～0.12kg/s范围内，随着再生液回流量的增加，除湿空气被除去的湿量逐渐增加，并在0.12kg/s时达到最大值，除湿量从6.68g/kg干空气增加至8.565g/kg干空气，当再生液回流量超过0.12kg/s，除湿量随除湿再生溶液的交换量增加而减少。除湿量之所以先增后减，可以从图6、图7中得到原因。随再生液回流量的上升，除湿再生溶液浓度均逐渐上升；随再生液回流量上升，除湿再生溶液温度均上升；由图8可见除湿溶液等效含湿量先缓慢下降，在0.06kg/s～0.12kg/s时，溶液等效含湿量处于平台期，在0.12kg/s～0.15kg/s时，除湿溶液等效含湿量急剧上升，主要原因在于溶液温度在0.12kg/s～0.15kg/s，上升速度显著高于在0.02kg/s～0.12kg/s时的温度上升速度。

4 结论

（1）再生溶液回流量的变化会导致热泵驱动的除湿机的除湿性能发生变化，原因在于不同的再生回流量会导致不同的除湿溶液浓度和除湿溶液温度，从而影响除湿溶液的表面水蒸气分压力即除湿溶液的等效含湿量，进而影响除湿性能即除湿量。

（2）随着再生溶液回流量从0kg/s开始逐步上升，除湿机的除湿性能先升后降，原因在于除湿溶液的表面水蒸气分压力先降后升，作为除湿推动力的除湿空气与除湿溶液的水蒸气分压力差先上升后下降。

（3）热泵型除湿机针对一种气候工况存在一个最优的再生回流量点，该点的除湿性能最大。

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Analysis of the Influence of Regeneration Solution Reflux to Liquid Desiccant Dehumidifier's Performance

Cheng Kuang Wang Jingbo Jiang Shining Li Hong Huang Di Du Qianzhou

( Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430074 )

In this article, an optimization method for the dehumidification performance of liquid desiccant dehumidifier run by heat pump is proposed. A numerical model of the whole liquid desiccant dehumidifier is established by combining all the units’ numeric model of the dehumidifier and Matlab is used to building the numerical model in computer. After the model building, the performances of the dehumidifier at different regeneration solution back piping volumes are figured out by simulation of the numeric model, and the volume of the best dehumidification performance is selected. With the calculation of the model, methods to improve the performance of the liquid desiccant-dehumidifier is proposed.

liquid descant dehumidification; solution exchange volume; cross flow; dehumidification capacity; optimization

1671-6612（2017）05-467-06

TU834.9

A

程 矿（1991.04-），男，在读硕士研究生，E-mail：orecheng@qq.com

王劲柏（1963.10-），男，博士，教授，E-mail：jbwang@hust.edu.cn

2017-01-06