运行参数对内热型板式除湿溶液再生装置的性能影响试验研究

胡 凯，郭春梅，杨 红，由玉文，罗丹吴，李美萱

（1.天津城建大学 能源与安全工程学院，天津 300384；2.天津市建筑设计院，天津 300074；3.天津生态城绿色建筑研究院有限公司，天津 300467）

0 引言

近年来，节约能源、环境友好的溶液除湿空调技术引起了越来越多研究者的兴趣，并在在制冷和除湿过程中已有所应用［1-2］。除湿溶液的再生过程是溶液除湿空气处理过程的重要组成部分，其传热传质效果直接影响整个过程的性能［3］，且由于溶液再生需求热源的温度通常不超过80 ℃，故太阳能与工业余热等低品位热源均可作为再生过程的热源，既使得溶液再生过程顺利进行，又使得各种低品位热源高效利用［4-10］。

再生器可分为绝热型与内热型两种形式。YIN等［11-13］对内热再生器的传热传质过程建立了传热传质模型和试验研究，结果表明：与绝热型相比，内热型再生器可以获得更好的再生性能，且在液体除湿空调中具有广阔的应用前景。邵亮峰等［14］通过数值模拟得出：溶液再生浓度随再生空气含湿量降低而升高，随空气温度升高而减低。王琴［15］以氯化锂溶液为除湿剂，通过对逆流内热型再生器试验测试表明：溶液再生量随溶液温度、流量、空气流量的增大而增大。倪辉等［16］建立了内热型超声雾化溶液再生系统（IH-UARS）的再生性能预测模型和试验系统，研究结果表明：IH-UARS系统存在最优的内热量范围，使其再生系统性能最佳；所需最优内热量随着再生溶液流量增大呈显著的对数增长，但受空气流量的影响较弱。

对于溶液除湿空调的再生过程的研究大部分都集中在单一参数或多参数对再生性能的影响，而未对多参数进行综合分析，得出各参数对再生性能影响的敏感性。因此，本文就结构简单、传热传质效果良好的内热型板式再生器的热质交换性能进行研究，并搭建了内热型板式溶液再生系统试验台，确定影响再生器性能的有关参数，采用控制变量法拟定试验方案，对试验装置进行误差分析后探究空气、溶液以及热水不同入口参数对内热型板式再生器热质传递特性的影响规律，并以再生量和再生效率为指标评价各运行工况下的再生器性能；再针对不同入口参数影响再生量的试验结果，分析各参数的敏感性，并找出显著性影响因素，为再生系统的运行优化提供参考依据。

1 试验系统

1.1 试验装置

图1示出内热型板式再生系统试验原理，该试验台既可用于内冷除湿过程研究也可进行内热再生过程研究，因此试验台中有两路风道，对于本试验，只需利用其中一路风道。再生系统大致可分为风系统与水系统。其中，风系统为采用室内排风的再生空气系统；水系统则包括再生溶液环路和热水环路两部分。

图1 内热型板式再生系统试验原理Fig.1 Experimental schematic diagram of internal heated plate regeneration system

再生器是由耐腐蚀、导热良好的金属材料构成的板式热交换器，再生空气和溶液在一次侧直接接触进行传热传质，热水在二次侧流动间接将热量传递给一次侧的再生溶液。在溶液与空气流量比较小时，采用空气与溶液顺流的方式其再生效果最优［17］，而热水流向对再生效果无显著影响。而对于内热型再生器，再生溶液的流量远小于再生空气流量，这也是相对于绝热型再生器带液问题严重的优势所在。因此，本系统采用了溶液与空气顺流，热水与溶液及空气均叉流的布置方式，在保证了再生效果的同时节省了再生系统的空间体积。

1.2 试验方案

对于内热型溶液再生系统，影响其性能的入口参数主要有：空气的温度ta、含湿量da、流速va；溶液的温度ts、浓度C、流量ms；热水的温度tw及流量mw。本试验对这几项因素均做了测试研究，根据实际工程情况来选择各参数的设置范围。具体参数见表1。

表1 试验工况参数Tab.1 Parameter range of experimental conditions

试验过程中采用的方法为控制变量法，即在进行某一项因素的研究时，保持其他因素不变，令变量在拟定的变化范围内按照一定的间隔改变。

1.3 试验误差分析

本试验中可以通过仪器直接测量得到的参数有：空气温度、相对湿度、流量、水和溶液的温度和和流量以及溶液质量和体积，相关仪器的参数见表2。各测点上的传感器采集的数据统一集成到电控柜的弱电系统中，通过数据采集仪转换后导入计算机中经过编码处理后显示并存储成温湿度及流量数据。通过配套的Keysight软件可在电脑上直接观测到数据的实时变化曲线，试验中设置的数据采集间隔时间为5 s。

表2 试验仪器参数Tab.2 Table of experimental instrument parameters

而对于试验结果的评价指标参数，是需要与以上直接测量值建立特定的函数关系式进行计算才能获得的，欲考量这些间接测量参数与真实值的误差，还需引入误差传递公式。间接测量参数与真实值的相对误差传递公式为：

式中 Δy —— 由Δxi引起的间接测量值的绝对误差；

y ——间接测量值；

f ——间接与直接测量值间的函数关系；

xi——直接测量值；

Δxi——直接测量值的绝对误差。

经式（1）计算，再生量的相对误差为8.22%，再生效率的相对误差为7.51%。

2 试验结果分析

2.1 再生性能的评价指标

本文采用了再生量和再生效率2个指标来评价再生器性能，这两者是应用最多的评价指标，可用于评价再生过程的传质效果。

2.1.1 再生量

再生量指的是再生前后空气吸收稀溶液中水分的多少，即对于空气侧，进出口湿空气含湿量的变化值，其表达式为：

式中 mω——再生量，g/s；

ma——空气质量流量，kg/s；

ωa,o——再生器出口处空气含湿量，g/kg；

ωa,i——再生器入口处空气含湿量，g/kg。

2.1.2 再生效率

由GANDHIDASAN［18］提出的再生效率可以表征再生过程的完善程度，其定义为再生器前后空气含湿量的实际变化值对于同溶液相平衡时的等效含湿量和入口空气含湿量之差所反映的理想变化值的接近程度。

式中 ηm——再生效率，（%）；

ωe,i—— 再生器入口处的溶液等效含湿量。

已知溶液入口温度与浓度通过文献［19］对除湿溶液饱和条件下的蒸气压进行计算，再根据含湿量与蒸气压之间的转换公式，求得该状态下对应的等效含湿量。

2.2 再生过程的影响评价

2.2.1 空气侧入口参数的影响

尽管空气温度对其水蒸气分压力无影响，但与其接触的溶液会受其传热影响进而改变溶液表面的水蒸气分压力，因此空气入口温度会对再生性能有一定程度影响。

如图2所示，随着空气温度从23 ℃提高到33 ℃，再生器的再生量、再生效率都随之升高，分别从1.62 g/s升至1.92 g/s，46.89%升至53.44%。这是由于空气温度的升高，虽使得溶液与空气的温差变小，但有利于提高再生装置内的平均再生温度，使得溶液向空气的传质过程得以维持进行，水分传递量在持续增加，空气的出口含湿量也得到提升，进而提高了整个过程的再生量与再生效率。

图2 空气入口温度对再生装置再生性能的影响Fig.2 Effect of air inlet temperature on regeneration performance of regeneration device

从图3中可以看出，当空气含湿量从10 g/kg升高到22 g/kg时，再生器再生量从1.97 g/s缓慢下降至1.38 g/s；再生效率有所降低但变化幅度并不大，仅从51%下降至47%。导致这一落差的原因在于提高空气入口含湿量相当于增大了再生空气的水蒸气分压力，使得溶液与空气间的传热传质驱动力减弱，造成空气的出口含湿量的增量减少，因此再生量和再生效率呈下降趋势。

图3 空气入口含湿量对再生装置再生性能的影响Fig.3 Effect of air inlet moisture content on regeneration performance of regeneration device

图4示出了空气入口流速变化对再生器性能的影响结果。随着空气流速从0.4 m/s提高到2 m/s的过程中，内热型再生量从0.82 g/s提升至2.04 g/s，再生效率从90.15%降至45.68%。再生量表达式告诉我们，空气质量流量是影响再生量的直接因素，由于空气流速的增加，使得空气质量流量提高，溶液与空气间的传热传质驱动力也随之升高，传热传质系数增大，而空气流速的增加还会使得空气与溶液的热质传递不充分，因此空气出口含湿量均减小，但综合效果促进了再生量提高，而使得再生效率呈下降趋势。

图4 空气入口流速对再生装置再生性能的影响Fig.4 Effect of air inlet flow speed on regeneration performance of regeneration device

2.2.2 溶液侧入口参数的影响

如图5所示，当溶液浓度从30%变化到40%时，再生器的再生量近似呈直线下降，从2.4 g/s降至1.11 g/s；再生效率从50.1%降至45.15%。由再生原理可知，溶液表面的水蒸气分压力是温度和浓度的复合函数，当溶液温度不变时，溶液浓度的升高会导致其表面水蒸气分压力降低，致使液气间的传质势差减小，导致空气出口含湿量减少，自然会造成再生量的减少；由再生效率的计算式，分母中溶液的等效含湿量随溶液进口浓度的增加而降低，分子中空气的出口含湿量也随之降低，但变化程度相当，两方面综合作用的结果导致再生效率随溶液进口温度的升高而较为稳定。

图5 溶液入口浓度对再生装置再生性能的影响Fig.5 Effect of solution inlet concentration on regeneration performance of regeneration device

从图6中可以看出，当溶液入口流量在0.02～0.10 kg/s范围内变化时，内热型再生量从1.31 g/s升高至2.07 g/s；再生效率从36.28%升至57.19%。在溶液流量增大后，较充足的溶液不仅能提高板面润湿性，还能减缓再生过程中的溶液温降，相对提高了溶液再生过程的整体温度，溶液与空气间能保持较强的传质驱动力，从而使得溶液与空气间的传热传质系数增大，营造更良好的再生环境，以上原因使得再生量和再生效率均随着溶液流量的增加的增大。

图6 溶液入口流量对再生装置再生性能的影响Fig.6 Effect of solution inlet flowrate on regeneration performance of regeneration device

图7示出当溶液入口温度从55 ℃提高到75 ℃时，内热型再生量从1.13 g/s升高至2.18 g/s；再生效率从67.41%降至31.53%。溶液入口温度对再生过程起着决定性作用，在溶液浓度不变的情况下，溶液表面水蒸气分压力的大小仅取决于温度的高低。溶液温度升高带动其表面水蒸气分压力增大，从而使得溶液与空气间的传热传质驱动力增强，导致空气出口含湿量增大，自然再生量也会不断攀升；由再生效率计算式可知 ，虽然分子中空气的出口含湿量也随溶液进口温度的增加而增大 ，但分母中溶液的等效含湿量相应增加，由于后者的影响更显著一些 ，因而再生效率随溶液进口温度的升高而降低。

图7 溶液入口温度对再生装置再生性能的影响Fig.7 Effect of solution inlet temperature on regeneration performance of regeneration device

2.2.3 热水侧入口参数的影响

与改变空气和溶液的入口参数不同，热水参数的变化是影响再生传质过程的间接因素，如图8所示，热水入口温度的提高是有益于再生量的提高的。热水温度从55 ℃变化到75 ℃时，再生量从1.57 g/s升高到了2.23 g/s；再生效率从44.19%上升至61.91%。其中，65 ℃工况为溶液与热水入口温度相等时的分界点，当热水入口温度低于该分界点时，热量初始是由溶液传递给热水，但随着再生过程的进行，溶液温度有所下降，当降至热水温度以下时，传热方向发生逆转。当热水入口温度高于该分界点时，热量始终都自热水传向溶液，这对溶液的温降起到了很好的抑制作用，并在整体过程中维持了较大的水蒸气分压力和传质量，空气出口含湿量升高，又因为溶液的入口工况并没有改变，其表面湿空气的等效含湿量未变，再生效率分母也就保持恒定，因此当热水流量不变时，再生器的再生量和再生效率都是随着热水温度的提高而上升的。

图8 热水入口温度对再生装置再生性能的影响Fig.8 Effect of hot water inlet temperature on regeneration performance of regeneration device

图9示出了当热水流量从0.02 kg/s变化到0.1 kg/s时，再生量从1.34增加至1.82 g/s；再生效率从37.77%提高至51.48%。热水流量提高后，二次通道板面上的润湿率随之升高，使得热水向溶液传热的过程持续时间更长，则溶液再生过程中的平均温度就更高，与溶液直接接触的空气的出口温度也得到提高，空气的出口含湿量增加，又因为二次侧溶液流量的改变同样对一次侧溶液的入口状态参数无任何影响，因此当热水温度不变时，再生器的再生量和再生效率都是随着热水流量的提高而上升的。

图9 热水入口流量对再生装置再生性能的影响Fig.9 Effect of hot water inlet flowrate on regeneration performance of regeneration device

2.3 影响再生量的参数敏感性分析

从上述各入口影响因素对再生器性能影响的试验研究结果来看，各参数与再生器性能之间是存在着一定线性关系的，因此在对各影响因素进行敏感性分析时，拟采用多元线性回归的分析方法，借助SPSS数据分析软件，以研究中考虑的8种入口参数为自变量，再生量为因变量来求出他们之间的近似函数关系，检验各因素的敏感性并依据方程中的偏回归系数来求出影响程度排序。由于各参数的单位不一致，其对应的偏回归系数应该进行归一化处理再进行比较，见表3。

表3 再生量回归分析结果汇总Tab.3 Summary of regression analysis results of regeneration capacity

由SPSS输出的结果可知，再生量的多元线性回归方程的复相关系数，即R为0.975。复相关系数的大小反映了因变量与多个自变量之间的线性相关程度，其值越接近1则说明自变量与因变量之间的线性关系越显著。因此可以认为，用线性回归方程来描述各入口参数与再生量之间的关系是有意义的，这是采用线性回归法分析的前提。给定显著性水平α=0.05，

可以由显著性sig值来判断各因素对于再生量影响是否明显。由此可以看出，除了空气入口温度的sig=0.06＞0.05以外，其他参数对再生量的影响均是较为显著的。标准化偏回归系数的符号反映的是正、负相关关系，其绝对值大小则反映各因素影响程度的权重。因此对再生量影响程度由大到小的排列顺序是：C＞va＞ts＞ms＞da＞tw＞mw＞ ta。

回归法分析结果说明溶液浓度对再生量的影响最为显著，而在实际应用中，再生器入口的溶液浓度只取决于从除湿器中出来的稀溶液状态，稀溶液的浓度越低越有利于再生量的提高，同时，再生器出口的浓溶液浓度还需满足除湿侧的入口浓度要求，因而再生量也不是越高越好，除湿量与再生量之间存在着一定的匹配关系，如何平衡除湿器需求侧与再生器供给侧是优化再生器性能的关键问题。其次应考虑空气流速，由试验分析结果可知提高再生空气的流速有助于再生量的提升，但是过高的空气流速又可能导致喷淋的溶液液滴还未附着于板面上就被带离再生器，反而可能削弱再生效果且加剧带液问题，因此可认为存在最优的空气流速值使得再生量达到峰值。对再生量影响程度最小的是再生空气的温度，因此建议在设计再生系统时，应着重考虑溶液和热水侧的加热方式，节省空气侧加热设备的投入。

3 结论

（1）空气侧入口流速对再生器的性能起到至关重要的作用，含湿量次之，温度的影响最小。随着空气流速的增加，再生器再生量从0.82 g/s升高至2.04 g/s，但再生效率从90.15%降至45.68%；随着空气温度的增加，再生量仅从1.62 g/s升至1.92 g/s，再生效率仅从46.89%升至53.44%。

（2）溶液侧浓度对再生器性能影响较大，而温度与流量的影响较为一般；热水侧温度、流量均对再生器的性能起到积极作用，但效果一般。随着溶液浓度的升高，再生量近似呈直线规律下降，从2.4 g/s急速降至1.11 g/s，但再生效率仅从50.1%降至45.15%。

（3）通过SPSS软件分析8个入口参数对再生量的敏感性，得出各参数对再生量影响程度的排序，发现入口溶液浓度和空气流速是最主要的影响因素，空气温度则是影响最小参数，且在设计再生器时，宜侧重考虑用热源加热溶液侧而不是空气侧。