新型液体除湿空调系统的研制及性能研究

2021-06-24张丽娜武校刚魏莉莉郭秀娟汪新民

宁波工程学院学报 2021年2期

张丽娜,武校刚,魏莉莉,郭秀娟,汪新民

（1.宁波工程学院建筑与交通工程学院,浙江宁波 315211；2.浙江凯迪制冷设备有限公司,浙江嵊州 312462）

0 引言

我国江南地区夏季气候具有 “炎热湿润,雨热同期” 的特点。空调系统承担着降温、除湿的双重重任，传统空调系统通常采用7℃的低温冷源对空气进行冷凝除湿，结合再热，以达到控制室内温度的目的，但再热过程造成了能源浪费[1，2]。温湿度独立控制技术为降低空调运行能耗提供了解决思路[3]，它对室内的温度、湿度进行独立的控制和调节，避免了常规空调系统热湿联合处理带来的能量损失，液体除湿剂由于具有较好的热质传递效果用于温湿度独立控制系统中，吸附空气中的水分以达到除湿的目的[4-6]。国内外很多学者对液体除湿空调系统做了大量研究工作，早在1955年，Lof[7]首次提出了利用三甘醇的开式循环空调系统的概念。近代，许多研究者从节能的角度，进一步研究和发展了这项技术，如刘道平[8]、Mork[9]对液体除湿的传热传质过程进行数值模拟研究，Takaoki[10]通过实验研究，分析了影响除湿塔、再生塔设备性能的因素。梁亚英[11]提出了一种LiCI-H2O溶液除湿空调系统，可以将30℃左右的环境温度降低到21.3℃。以上研究局限于理论模型分析、数值模拟和单体除湿器、再生器的性能分析，内容多为：液体除湿空调系统承担新风负荷，仍需与传统空调结合实现降温除湿；对空气湿度变化及系统的制冷除湿效果评价未见报道。

本文基于液体除湿和蒸发冷却技术，自行研制了一种新型液体除湿空调系统，并对其进行制冷、除湿性能的实验研究。该系统充分利用天然冷源蒸发冷却技术降低空气温度，并回收天然冷源的冷量对除湿过程降温，以提高除湿效率。

1 试验条件及方法

1.1 试验条件

新型液体除湿空调系统放置于面积为60 m2的实验室内，系统运行的基本参数值是：空气入口温度为28℃，相对湿度为74%，该系统选用CaCl2溶液作为除湿剂，CaCl2溶液入口浓度为40%～53%。以整个液体除湿空调系统为试验对象，研究系统的降温除湿性能。

1.2 试验方法

本试验主要测量如下参数：空气环境温度、湿度；冷却水进、出水温度；发生器进口和蒸发冷却器出口的空气温度、湿度和流量；进、出吸收器和发生器溶液的温度、流量和浓度；溶液加热量、风机和蠕动泵功率。

空气温度测量采用T型热电偶做测温元件，溶液温度采用铂电阻温度计测量，以上温度均经安捷伦34970A数据采集器采集记录，温度精度为±0.1℃。湿度采用测量各点的湿球温度，结合该点的干球温度而得到。空气流量采用毕托管和微压差计测量，根据各点空气气流的动压，换算出空气流速及管道内空气的流量。试验过程中用称重法测量CaCl2溶液浓度，电子称测量精度为0.1 g。测量溶液的流量用纽凯BR4000Z35高精度蠕动泵，分辨率为0.1 rpm。溶液加热通过电加热棒实现，电加热棒最大功率为1000 W，采用国产青智三相电测量表测量。试验研究了冷源温度为19.4℃、蠕动泵转速为3000～3600 r/min时，CaCl2溶液浓度、蠕动泵转速和运行时间对系统制冷除湿性能的影响。

2 空调系统研制

2.1 工作原理

本系统通过对进口空气的溶液除湿及蒸发冷却处理，实现对空气的冷却、除湿双重作用。液体除湿的原理为利用CaCl2溶液吸收空气中的水分，因除湿过程会释放热量而影响除湿效果，故采用回收天然冷源的冷量对此过程降温。而后，通过加热再生溶液，完成除湿和再生的循环。空气制冷原理是利用天然冷源的蒸发冷却对高温空气进行降温，再输送到室内，达到调整室内空气温度的要求。以上两个过程可以实现空气温、湿度的耦合调节，大大提高能源利用率和对于空气的调控程度。

2.2 系统构成

液体除湿空调系统工作原理图如图1所示，主要由蒸发冷却器、吸收器，发生器、蠕动泵等构成。室外湿热空气通过风机进入吸收器，与氯化钙浓溶液在填料层进行热质交换作用，浓溶液吸收空气中的水分变成稀溶液，空气被除湿后经吸收器上部进入蒸发冷却器；低温水在蒸发冷却器中从上至下喷淋至空气管道上，使空气降温后流出，向房间送风。稀溶液从吸收器底部流出而进入发生器，被加热器加热变成浓溶液，经蠕动泵进入吸收器开始新的除湿过程。

图1 空调系统工作原理图

2.2.1 蒸发冷却器

蒸发冷却器的作用是将来自吸收器的空气冷却降温。吸收器中的除湿过程释放潜热使空气温度有所上升，将其通入蒸发冷却器中，从外部引入的低温水在装置上部进行喷淋，水在铜管表面形成一层液膜，强化了与铜管中空气的换热，实现降低空气温度的目的。

蒸发冷却器箱体用PP材料制成，换热管采用导热性好的铜管，考虑到铜管与PP管焊接不严，故将铜管端口做成喇叭口，与卡套接口连接，中间再加以垫片密封，解决了蒸发冷却器气密性差的问题。

2.2.2 吸收器

吸收器实物图及设计图如图2、3所示。吸收器设计为内冷型除湿器，空气自其下侧进入、与除湿溶液直接接触进行热质交换作用，空气中的水蒸气进入溶液而被除湿，除湿过程释放大量的汽化潜热。从蒸发冷却器流出的冷却水，自吸收器的下部引入，在吸收器中吸收溶液除湿释放的热量而强化除湿效果。

吸收器采用管式填料喷淋塔结构，填料为聚丙烯塑料球，它带有薄肋片，增大气液接触面积，可增进除湿效果。浓溶液经吸收器顶端喷嘴雾化喷淋而下，形成细小的液滴，湿热空气由吸收器底部与浓溶液逆流接触，进一步撞击分散液滴，液滴破碎变小，依靠溶液表面水蒸气和湿热空气水蒸气分压力差实现除湿过程。

图2 吸收器实物图

图3 吸收器设计图

2.2.3 发生器

发生器的作用是将吸收器中流出的稀溶液加热成浓溶液，恢复除湿功能，进而与吸收过程构成一个完整的溶液除湿再生循环。为防止氯化钙溶液结晶影响除湿效果，在发生器底部安装稳控型加热棒，实现温度的准确控制，确保氯化钙溶液温度在掌控范围内。

3 除湿制冷性能及分析

3.1 CaCl2溶液浓度对除湿制冷效果的影响

图4为CaCl2溶液浓度对空气出口相对湿度的影响。由图可见，随着CaCl2溶液浓度的升高，空气出口相对湿度呈现先下降后上升的趋势。在浓度为47%时，空气进出口相对湿度变化最大，即除湿效果最好。

以CaCl2溶液浓度47%的情况下为例，空气入口相对湿度为74%，而空气出口下降到了60%，空气的相对湿度参数符合《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[12]要求，证明该系统具有良好的除湿性能。CaCl2溶液浓度在一定的范围内才能发挥较好的除湿效果，溶液浓度过低，吸收效果减弱；而溶液浓度过高，溶液易发生结晶，又会导致除湿性能下降，无法保证系统稳定使用。

图5为CaCl2溶液浓度对空气出口温度的影响。由图5可见，在浓度为47%时，空气出口温度由28℃降到最低值23℃。随着浓度上升，溶液结晶会导致除湿减弱，进而影响制冷过程。说明溶液浓度在47%时系统会获得良好的使用效果。

图4 CaCl2溶液浓度对空气出口相对湿度的影响

图5 CaCl2溶液浓度对空气出口温度的影响

3.2 蠕动泵转速对除湿制冷效果的影响

图6 与图7为蠕动泵转速对空气出口相对湿度和温度的影响。由图6、7可见，随蠕动泵转速的提升，溶液和空气在吸收器内得以充分接触，从而加强了空气与溶液之间的热质交换，提高了除湿性能。蠕动泵转速在3 300 r/min时，系统具有良好的降温除湿性能。随着转速的继续增加，溶液吸收空气中水分的速率增加，此过程所释放热量的速率随之上升，由于吸收器中的冷却水与溶液的换热量一定，空气吸收了除湿过程所释放的余热，导致出风口温度上升；蠕动泵转速增加，使溶液流动速度增大，在吸收器内形成湍流流动，不可避免地将液态水带入空气中，使出风口相对湿度会呈上升趋势，最终使得系统除湿和制冷性能均减弱，说明保持蠕动泵转速在合理的范围内对系统的除湿有着重要意义。

图6 转速对空气出口相对湿度的影响

图7转速对空气出口温度的影响

3.3 运行时间对除湿制冷效果的影响

图8 和图9为运行时间对空气出口相对湿度与温度的影响。随着运行时间的增加，空气出口相对湿度和温度均呈下降趋势。在系统运行到25 s时，出口空气参数已显示出明显的除湿和制冷效果：空气的相对湿度由进口的74%，下降到出口的60%，空气温度也由28℃下降到23℃，空气的相关参数达到了夏季室内空气调节指标。而随着运行时间的增加，出口空气相对湿度和温度变化趋于一个稳定范围。证明本系统反应速度快、可在短时间内达到除湿制冷要求。