利用冷凝热再生低浓度除湿溶液的实验研究

曾台烨 张小松 陈瑶

（东南大学能源与环境学院 南京 210096）

在溶液除湿空调系统中，除湿溶液除湿过后浓度下降，除湿能力减弱，必须回再生器进行溶液再生，而再生过程通常需要热源驱动，目前较常见的再生方式包括：电加热、太阳能集热和余热回收利用再生［1-3］，而这3种再生方式都存在不足，如电加热能耗过大、太阳能不稳定等，因此目前越来越多的研究者开始利用传统空调系统的冷凝热进行溶液再生［4-5］，不仅能提供稳定的热源，还可以实现冷凝热的回收，避免了冷凝热排放产生的环境热污染。早期Dai Y.J.等［6］建立了一个复杂的混合式空调系统，利用冷凝热和太阳能再生CaCl2溶液，并对系统性能进行理论分析。S.Yamaguchi等［7］建立热泵溶液除湿空调系统，将冷凝器作为溶液再生器使用，并分析了系统的性能。Niu Xiaofeng等［8］研究了热泵溶液除湿空调系统中冷凝热量与溶液再生所需热量的动态匹配关系，指出使用空气和溶液共同处理冷凝热的方法最有利于实现热量的动态匹配，从而提高系统性能。A.H.Abdel-Salam等［9］指出浓溶液储存设备能够发挥额外冷凝器的作用，并且提出了一种新的评价系统参数匹配特性的性能指标。 She Xiaohui等［10］理论分析了 LiCl、LiBr、CaCl2三种常用溶液除湿剂的溶液再生效率与系统冷凝温度和溶液浓度的变化关系，得到使系统COP达到最大值的溶液浓度和冷凝温度的匹配关系式。

经过多年研究，利用冷凝热实现溶液再生的发展已日渐成熟，但其研究仍然存在一定的问题，如以往对利用冷凝热的研究侧重点集中在系统的性能研究［11］，而对利用冷凝热实现溶液再生过程的耦合传热传质特性研究还存在不足。此外，对低浓度溶液再生过程的耦合传热传质系数和再生性能的研究也存在不足。随着热泵与溶液除湿系统相结合的不断发展，系统使用的溶液浓度也在降低，因此对低浓度溶液再生过程的再生性能和耦合传热传质特性分析有实际意义。

本文在热泵驱动溶液除湿自主再生空调系统（HPLD-SR）实验平台上，采用空气和溶液共同处理冷凝热的方式，对低浓度溶液的再生性能进行实验研究，获得了重要运行参数如空气进口流量、温度以及溶液进口流量、温度等对冷凝热溶液再生性能的影响，并且通过实验数据拟合出利用冷凝热实现低浓度溶液再生过程的耦合传热传质系数实验关联式。研究结果为后续如何充分利用冷凝热，优化HPLD空调系统的性能提供实验依据。

1 实验测试系统及热平衡分析

1.1 热泵驱动溶液除湿空调系统实验平台

HPLD-SR空调系统如图1所示［12］，主要包括再生溶液自循环、除湿溶液自循环、浓稀溶液级间交换循环和制冷剂循环。系统采用LiCl溶液作为除湿剂，其物性计算方法可由文献［13］获得，制冷剂为R134a。该系统利用低温、低浓度的除湿溶液进行除湿，除湿之后的部分稀溶液与再生自循环的溶液进行混合，然后利用冷凝热实现溶液再生。由图1可知热泵系统采用溶液和空气共同处理冷凝热的双冷凝器结构，由于受到溶液冷凝器尺寸和溶液流量、温度的限制，溶液往往不能处理所有的冷凝热，因此采用风冷冷凝器利用空气处理部分冷凝热，提高再生性能。

图1 热泵驱动溶液除湿自主再生空调系统原理Fig.1 The principle of the HPLD-SR system with experimental setup

1.2 实验参数控制及测试仪表

利用冷凝热实现溶液再生过程中，通过调节风机风阀开启程度来控制空气流量；通过调节管道上阀门的开启程度来控制溶液泵运行状态，达到调节溶液流量的目的；溶液的温度通过改变热泵系统的运行工况进行调节；溶液的浓度通过往溶液桶里加水或者溶质进行调节。由于实验室没有配备空气预处理设备，所以空气的温度和湿度依赖于环境状态的变化而进行较长周期的测试，实验从6月份持续至10月份，各参数的测点布置如图1所示。溶液浓度通过溶液取样在高精度卤素水分分析仪上测得，其它实验参数通过数据采集仪采集到电脑。实验中用到的测试仪表及其精度如表1所示。

表1 实验参数测量装置Tab.1 Specification of different measuring devices

1.3 再生器能量平衡实验

再生器及其填料结构如图2所示，填料采用规整填料（蒙特GLASdekⅡ）。为了方便机组的风道布置，减少占用空间，设计溶液与空气接触的流型为叉流［14］。溶液由溶液输送管道首先送入再生器上方的布液槽内，在布液槽与填料之间置开有均匀小孔的布液板，能够保证布液槽内的溶液均匀流入填料中。填料的整体外形尺寸和具体结构参数如表2所示。

图2 再生器及其填料结构Fig.2 Regenerator and its packing structure

表2 再生器外形尺寸及其所使用填料结构参数Tab.2 Boundary dimension and packing′s structure parameter of regenerator

利用冷凝热实现溶液再生过程中，再生器内的温度远比环境温度高，且再生器难免会存在漏风的情况，因此再生器并不能保证完全的绝热，导致参数测量存在一定的误差；另一方面，测量仪器在测量实验数据时也会出现一定的偏差。所以，需要对冷凝热利用溶液再生过程实验数据的能量平衡进行检验，从而证明实验数据的可靠性。能量平衡验证实验工况如表3所示。

表3 能量平衡验证实验工况Tab.3 Experimental operation condition of energy balance test

本文对溶液和空气各自的能量变化量进行比较来检验能量平衡情况，溶液和空气能量变化公式为：

图3给出了表3实验工况下冷凝热利用溶液再生测试数据组的能量平衡计算结果。结果显示98%以上的实验数据的空气与溶液的能量平衡误差＜±20%，而总体误差的平均值为8.97%，说明实验整体测试结果可靠，并且再生器绝热条件得到保证。

图3 再生实验数据热平衡分析Fig.3 Thermal balance between air and desiccant solution for all the experimental runs

2 冷凝热利用溶液再生实验

本文受实验控制系统、实验条件的限制，无法直接实现系统的单一变量控制，因此为了研究溶液和空气各参数对低浓度溶液再生过程的影响，从整个再生实验数据整理出仅单一工况变化，而其他参数保持在一个很接近的范围内进行分析。

2.1 再生性能评价指标

利用冷凝热再生低浓度溶液过程中，最关注的是再生量和冷凝热利用率，因此本文采用再生量和冷凝热利用率作为再生性能评价指标。

再生量计算公式为：

图4 空气进口流量对再生性能的影响Fig.4 Effect of inlet air flow rate on regeneration performance

冷凝热利用率计算公式如下：

式中：Qc为总冷凝热量，kW。

2.2 空气进口流量对再生性能的影响

表4所示为空气进口流量对再生量和冷凝热利用率影响的实验工况。

表4 变再生器空气进口流量实验研究工况Tab.4 Experimental conditions of air mass flow

图4给出表4实验工况下空气进口流量对再生量和冷凝热利用率的影响。随着空气进口流量由0.22 kg/s增加到0.48 kg/s，再生量由0.60 g/s增加到1.85 g/s，增加较大，数据存在一定的波动，这是由于受实验条件的限制，其他本该固定的工况存在一定的变化，而冷凝热利用率保持在0.462～0.499之间，中间存在无规律波动，这是因为再生实验过程中，随着空气流量的变化，不仅潜热传递量发生变化，热泵系统提供的总冷凝热量也一直在变化，因此冷凝热利用率变化不稳定，但在夏季典型工况下，当溶液浓度固定时，在图4上可以看出冷凝热利用率维持在一个较小的范围内波动。适当提高空气流量可以增加再生效果，但是空气流量越大，在冷凝热总量保持不变的情况下，再生过程溶液获得的冷凝热会下降，再生效果会受到影响，而且系统风机耗能也会增加，因此空气进口流量也不宜过大。

2.3 空气进口温度对再生性能的影响

表5所示为空气进口温度对再生量和冷凝热利用率影响的实验工况。

图5所示为表5实验工况下空气进口温度对再生量和冷凝热利用率的影响。当再生器空气进口温度从34.6℃增加到39.4℃的过程中，再生量从1.53 g/s增加到1.98 g/s，增加速率不稳定，这是因为本应固定的其他实验工况存在一定的波动，而冷凝热利用率在0.436～0.473波动。再生器空气进口温度的增加有利于再生量的增大，因此可以适当调节溶液和空气的流量来提高空气进口温度，优化再生效果。

图5变再生器空气进口温度实验研究工况Tab.5 Experimental conditions of air inlet temperature

图5 空气进口温度对再生性能的影响Fig.5 Effect of inlet air temperature on regeneration performance

2.4 溶液进口流量对再生性能的影响

表6所示为溶液进口流量对再生量和冷凝热利用率影响的实验工况。

图6给出了表6实验工况下溶液进口流量对再生量和冷凝热利用率的影响。随着再生器溶液进口流量从0.30 kg/s增加到0.55 kg/s，再生量从1.35 g/s增加到1.92 g/s，由于其他工况存在一定的波动，所以增加速率有所变化，而冷凝热利用率维持在0.416～0.440，整体趋势比前两组实验工况低，这是因为该组实验工况溶液浓度较前两组偏大。适当提高溶液流量可增加再生效果，但流量不宜太大，因为受再生器尺寸大小限制，流量到达一定范围，继续增加流量再生量基本不变，反而会增加溶液泵的功耗，因此应综合考虑选择合适的溶液流量。

表6 变再生器溶液进口温度实验研究工况Tab.6 Experimental conditions of solution inlet temperature

图6 溶液进口流量对再生性能的影响Fig.6 Effect of inlet solution flow rate on regeneration performance

2.5 溶液进口温度对再生性能的影响

图7 溶液进口温度对再生性能的影响Fig.7 Effect of inlet solution temperature on regeneration performance

表7所示为溶液进口温度对再生量和冷凝热利用率影响的实验工况。图7给出表7实验工况下溶液进口温度对再生量和冷凝热利用率的影响。在溶液进口温度从36.1℃增加到39.9℃的过程中，再生量从1.69 g/s增加至2.15 g/s，而溶液再生冷凝热利用率在0.467～0.507波动，中间存在无规律波动，原因与前文叙述一致，主要是因为热泵系统提供的总冷凝热量一直在改变。冷凝热利用率明显比前几组工况高，最主要的原因是该组工况的整体溶液浓度最低，当冷凝热量一定时，溶液浓度越低，再生传质驱动力越高，再生越容易，因此冷凝热利用率提高了。溶液温度提高有利于再生量的增加，但是温度也不宜过高，因为溶液温度太高，也代表着冷凝温度提高，会增加系统功耗。

表7 变再生器溶液进口温度实验研究工况Tab.7 Experimental conditions of solution inlet temperature

综合以上4组实验工况的分析，可知在夏天典型实验工况下，溶液浓度越低越有利于冷凝热利用率的提高，这是因为低浓度溶液的溶度变化对再生过程潜热变化量的影响很大，其对式（4）中分子大小的影响大于对分母冷凝热量的影响，因此冷凝热利用率得到了提升。虽然溶液浓度降低既能提高冷凝热的利用率，而且能降低使用溶液成本，但过低的溶液浓度再生后可能达不到除湿端溶液除湿的最低需求，因此溶液浓度也不宜过低。

3 耦合传热传质拟合关联式

在溶液再生过程中，传热传质系数是影响再生效果的重要参数。本文通过实验研究获得了大量低浓度溶液在利用冷凝热实现溶液再生过程的实验数据，然后结合实验数据和前期工作提出的新计算方法［12］确定耦合传热传质系数，并参考文献［15-16］中传热传质拟合关联式，对传热传质系数进行数据拟合：

数据拟合范围：

235 ＜Re＜800，Pr≈0.70，Sc≈0.60，0.18 kg/s＜ma＜0.57 kg/s，0.15 kg/s＜ ms＜0.61 kg/s，21.20% ＜ ξ＜ 28.29% ，ωa，in＜ ωs，equ，in，15.3 g/kg ＜ωa，in＜ 20.9 g/kg，17.9 g/kg ＜ ωs，equ，in＜ 35.0 g/kg，34.5 ＜Ta，in＜48.5 ℃，36.0 ℃ ＜ Ts，in＜48.0 ℃。

在数据拟合过程中，Nu和Sh拟合的相关系数分别为0.95和0.94，说明数据拟合特性良好，拟合过程可靠，观察拟合关系式可以看出，低浓度溶液再生过程中溶液和空气温度对耦合传热传质系数影响较大。

4 结论

本文在 HPLD-SR系统实验平台上，以低浓度（21.20% ～28.29%）LiCl水溶液作为再生盐溶液，采用空气和溶液共同处理冷凝热的方式，以再生量和冷凝热利用率作为溶液再生性能评价指标，对利用冷凝热实现溶液再生过程进行实验研究，得出如下结论：

1）空气进口流量、空气进口温度、溶液进口流量和溶液进口温度的增加对再生量都有促进作用，空气进口流量对再生量影响最大。

2）溶液浓度降低有利于再生量的提高，也有利于冷凝热利用率的提高，同时降低溶液浓度也能减少溶液成本，但是溶液浓度过低也可能导致再生后的溶液浓度不满足除湿端溶液除湿的需求，因此必须综合考虑选择合适的溶液浓度。

3）根据实验数据拟合出低浓度溶液利用冷凝热实现溶液再生过程中的耦合传热传质系数关联式，并发现在溶液低浓度条件下，溶液和空气的温度对传热传质系数影响较大。

［1］钱俊飞，殷勇高，张小松，等.太阳能溶液再生性能［J］.化工学报，2014，65（Suppl.2）：272-279.（QIAN Junfei，YIN Yonggao，ZHANG Xiaosong，et al.Performance of solar liquid desiccant regeneration［J］.CIESC Journal，2014，65（Suppl.2）：272-279.

［2］BUKER M S，MEMPOUO B，RIFFAT S B.Experimental investigation of a building integrated photovoltaic/thermal roof collector combined with a liquid desiccant enhanced indirect evaporative cooling system［J］.Energy Conversion＆ Management，2015，101：239-254.

［3］YIN Yonggao，LI Shuhong，ZHANG Xiaosong，et al.Feasibility and performance analysis of a desiccant solution regenerator using hot air［J］.Energy ＆ Buildings，2011，43（5）：1097-1104.

［4］MOHAMMAD A T，MAT S B，SULAIMAN M Y，et al.Survey of hybrid liquid desiccant air conditioning system［J］.Renewable＆ Sustainable Energy Reviews，2013，20（4）：186-200.

［5］MUCKE L，FLEIG D，VAJEN K，et al.Hybrid liquid desiccant air-conditioning systems：A conceptual study with respect to energy saving potentials［J］.International Journal of Refrigeration，2016，69（9）： 64-73.

［6］DAI Y J，WANG R Z，ZHANG H F，et al.Use of liquid desiccant cooling to improve the performance of vapor compression air conditioning［J］.Applied Thermal Engineering，2000，21（12）：1185-1202.

［7］YAMAGUCHI S，JEONG J，SAITO K，et al.Hybrid liquid desiccant air-conditioning system：Experiments and simulations［J］.Applied Thermal Engineering，2011，31（17）：3741-3747.

［8］NIU Xiaofeng，XIAO Fu，MA Zhenjun.Investigation on capacity matching in liquid desiccant and heat pump hybrid air-conditioning systems［J］.International Journal of Refrigeration，2012，35（1）： 160-170.

［9］ABDEL-SALAM A H，SIMONSON C J.Capacity matching in heat-pump membrane liquid desiccant air conditioning systems［J］.International Journal of Refrigeration，2014，48（8）：166-177.

［10］SHE Xiaohui，YIN Yonggao，ZHANG Xiaosong.Suggested solution concentration for an energy-efficient refrigeration system combined with condensation heat-driven liquid desiccant cycle ［J］.Renewable Energy，2015，83（3）：553-564.

［11］ZHANG N，ZHANG L Z，XU J C.A heat pump driven and hollow fiber membrane-based liquid desiccant air dehumidification system： a transient performance study［J］.International Journal of Refrigeration，2016，67（7）：143-156.

［12］CHEN Yao，ZHANG Xiaosong，YIN Yonggao.Experimental and theoretical analysis of liquid desiccant dehumidification process based on an advanced hybrid air-conditioning system［J］.Applied Thermal Engineering，2015，98（7）： 387-399.

［13］CONDE M R.Properties of aqueous solutions of lithium and calcium chlorides：formulations for use in air conditioning equipment design［J］.International Journal of Thermal Sciences，2004，43（4）： 367-382.

［14］陈瑶，殷勇高，张小松.非常温溶液除湿自主再生空调系统性能分析［J］.工程热物理学报，2014，35（9）： 1682-1687.（CHEN Yao，YIN Yonggao，ZHANG Xiaosong.Performance analysis of the non-normal temperature liquid desiccant self-regenerating air-conditioning system［J］.Journal of Engineering Thermophysics，2014，35（9）： 1682-1687.）

［15］钱俊飞，殷勇高，潘雄伟，等.平板降膜溶液除湿再生过程实验研究及模型验证［J］.化工学报，2014，65（6）：2070-2077.（QIAN Junfei，YIN Yonggao，PAN Xiongwei，et al.Experimental investigation and model validation for liquid desiccant dehumidification and regeneration in falling-film plate［J］.CIESC Journal，2014，65（6）：2070-2077.）

［16］钱俊飞，殷勇高，张小松.叉流除湿器热质传递性能实验研究［J］. 制冷学报，2014，35（1）：46-52. （QIAN Junfei，YIN Yonggao，ZHANG Xiaosong.Experimental investigation the performance of heat and mass transfer of cross-flow dehumidifier［J］.Journal of Refrigeration，2014，35（1）：46-52.）