唐永強(qiáng)，蔡 強(qiáng)，于國(guó)清

(上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093)

現(xiàn)階段對(duì)太陽(yáng)能的利用主要體現(xiàn)在光熱和光電上，而在除濕系統(tǒng)中的應(yīng)用上主要體現(xiàn)在太陽(yáng)能的光熱利用上，通過太陽(yáng)能集熱器為溶液除濕系統(tǒng)提供再生熱量。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)太陽(yáng)能在溶液除濕系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究，Alizadeh 和Saman［1］對(duì)機(jī)械式空氣平行流動(dòng)的集熱型太陽(yáng)能再生器進(jìn)行了理論研究和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，為再生器的合理設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。Gommed 和Grossman［2］建立了一個(gè)以氯化鋰溶液為工作介質(zhì)的太陽(yáng)能溶液除濕系統(tǒng)，并測(cè)試了其性能。Peng 等［3］提出了一套空氣預(yù)除濕的太陽(yáng)能溶液直接再生系統(tǒng)，它能較好克服室外高濕天氣對(duì)溶液再生的不利影響。張小松等［4］建立了以傳熱單元數(shù)為自變量的集熱式再生器的傳熱、傳質(zhì)模型。左遠(yuǎn)志等［5］設(shè)計(jì)了兩級(jí)式太陽(yáng)能平板集熱型再生器，并建立了穩(wěn)態(tài)傳熱傳質(zhì)過程的數(shù)學(xué)模型。彭冬根等［6］設(shè)計(jì)了室外空氣采用預(yù)處理的新型高效太陽(yáng)能集熱再生型系統(tǒng)。真空管作為一種高效的集熱部件，有利于提高太陽(yáng)能的利用率。Li 等［7］建立了太陽(yáng)能玻璃真空管集熱器的傳熱模型。Badar 等［8］則對(duì)太陽(yáng)能玻璃真空管集熱器的熱損失進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)上的研究。殷志強(qiáng)［9］、何梓年［10－11］、田琦［12］等人對(duì)真空管集熱器的熱性能進(jìn)行了大量的研究，為真空管集熱器與溶液再生的結(jié)合研究奠定了理論基礎(chǔ)。目前利用太陽(yáng)能進(jìn)行溶液再生的方式有兩種:一是利用常規(guī)的太陽(yáng)能集熱器制取熱水，通過換熱器給溶液進(jìn)行加熱;二是將溶液再生與太陽(yáng)能集熱器結(jié)合在一起，目前常采用的是平板型太陽(yáng)能溶液再生器。本文設(shè)計(jì)了一套新型的真空管型太陽(yáng)能溶液再生器，彌補(bǔ)了目前市場(chǎng)上利用太陽(yáng)能進(jìn)行溶液再生的弱點(diǎn)，提高太陽(yáng)能的利用率以及溶液再生的效果。

1 溶液再生器的構(gòu)造

真空管型太陽(yáng)能溶液再生器，由分液管、集液槽和若干太陽(yáng)能溶液再生管組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。再生器的上端設(shè)有分液管，再生器的下端設(shè)有集熱槽，除濕溶液在太陽(yáng)能溶液再生管內(nèi)自上而下流動(dòng)，空氣由下而上與溶液以逆流的形式接觸進(jìn)行熱質(zhì)交換。

圖1 真空管型太陽(yáng)能溶液再生器結(jié)構(gòu)示意圖

再生器的核心部件是太陽(yáng)能溶液再生管。太陽(yáng)能溶液再生管包括太陽(yáng)能真空集熱管、導(dǎo)熱內(nèi)筒、溶液微流道、分液噴頭等，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。太陽(yáng)能真空集熱管采用外徑50 mm 直通型全玻璃真空集熱管，且管軸應(yīng)與水平面保持一定的傾角，當(dāng)傾角在當(dāng)?shù)鼐暥雀浇鼤r(shí)，具有較高的太陽(yáng)能熱效率。導(dǎo)熱內(nèi)筒與太陽(yáng)能真空集熱管內(nèi)壁面緊密貼合，導(dǎo)熱內(nèi)筒內(nèi)壁上設(shè)有多個(gè)與太陽(yáng)能真空集熱管軸向平行的溶液微流道。每根太陽(yáng)能溶液再生管的上端部設(shè)有分液噴頭，分液噴頭的噴液孔與溶液微流道一一對(duì)應(yīng)。

圖2 太陽(yáng)能溶液再生管結(jié)構(gòu)示意圖

太陽(yáng)能真空管的吸熱玻璃管外壁加涂選擇性吸收涂層。導(dǎo)熱內(nèi)筒溶液微流道均采用導(dǎo)熱性能較好的金屬制作，并且在其表面噴鍍防腐涂層。溶液微流道采用凹面向上的月牙形，從微流道的外緣到導(dǎo)熱內(nèi)筒，微流道的截面積逐漸增大，有利于增加溶液與太陽(yáng)能真空集熱管的換熱面積。分液噴頭設(shè)計(jì)成圓環(huán)狀，類似于淋浴器的噴淋頭，圓環(huán)的下表面設(shè)有與溶液微流道相對(duì)應(yīng)的多個(gè)噴液孔，可將稀溶液送至每個(gè)微流道，在分液噴頭圓環(huán)的上平面左右對(duì)稱側(cè)接分液管。采用這種結(jié)構(gòu)，利于把稀溶液均勻分配給各太陽(yáng)能溶液再生管以及其內(nèi)的各溶液微流道。

2 溶液再生器的設(shè)計(jì)原理

溶液再生時(shí)，稀溶液通過分液管分配到各太陽(yáng)能溶液再生管的分液噴頭內(nèi)，再經(jīng)過分液噴頭的噴液孔流至對(duì)應(yīng)的溶液微流道上，稀溶液呈薄膜狀向下流動(dòng)。太陽(yáng)能真空集熱管把收集的熱量經(jīng)由導(dǎo)熱內(nèi)筒、溶液微流道傳遞給溶液，溶液受熱，溫度升高，一部分水分從溶液中蒸發(fā)出來(lái)，空氣從太陽(yáng)能真空集熱管的底部進(jìn)入導(dǎo)熱內(nèi)筒的內(nèi)腔中，受到浮升力的作用上升，與溶液中蒸發(fā)出來(lái)的水蒸氣混合，最后高溫高濕的空氣從太陽(yáng)能溶液再生管的上部流出。各溶液微流道內(nèi)溶液在下降過程中，溶度和溫度不斷升高，最后匯集至集液槽，完成溶液再生。

一般要求分液管內(nèi)的流速和壓力損失較小，以便把稀溶液均勻分配給各太陽(yáng)能溶液再生管;而分液噴頭各噴液孔的靜壓應(yīng)基本相等，以便把溶液均勻分配給各溶液微流道。

3 溶液再生器的設(shè)計(jì)分析方法

真空管型太陽(yáng)能溶液再生器的分析計(jì)算主要有兩部分:(1)真空管集熱器的性能;(2)金屬流道和溶液之間的熱交換。

為了便于真空管太陽(yáng)能集熱器的熱性能分析，本文作了相應(yīng)假設(shè):

(1)集熱器處于穩(wěn)態(tài)傳熱狀態(tài);

(2)忽略玻璃罩管和吸熱管之間的導(dǎo)熱損失;

(3)玻璃罩管與環(huán)境的傳熱系數(shù)為常數(shù);

(4)忽略集熱器的熱容影響。

根據(jù)以上假設(shè)和集熱器的結(jié)構(gòu)分析，真空管太陽(yáng)能集熱器的熱網(wǎng)絡(luò)圖如圖3 所示。

由圖3 可以看出，真空管集熱器得到的有效能QU為集熱器吸收的太陽(yáng)輻射能S 與集熱器向周圍環(huán)境散失的能量QL之差，即

圖3 真空管集熱器熱傳導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)圖

式中 Ae——真空集熱管的有效采光面積/m2;

Aa——吸熱玻璃管的外表面積/m2;

G——太陽(yáng)輻射強(qiáng)度/W·m－2;

UL——總熱損失系數(shù)/W·m－2·K－1;

TP——吸熱玻璃管平均溫度/K;

Ta——環(huán)境溫度/K;τα——玻璃罩管透射比與吸熱管吸收比的有效面積。

其中總的熱損失系數(shù)UL以Aa為基準(zhǔn)，Aa為吸熱玻璃管的投影面積Ap的π 倍。考慮到漫反射的作用、20%散射光和玻璃罩管對(duì)不同入射角光線的折射不同，真空集熱管的有效采光面積 Ae為1.43Ap［9］。

根據(jù)集熱器集熱效率［10］的定義，可以得出真空管集熱器的瞬時(shí)集熱效率為

將公式(1)帶入式(2)得

式中 Ao——漫反射板投影面積/m2。

總熱損失系數(shù)UL包括真空管熱損失系數(shù)Ue和其他部件熱損失系數(shù)Ub兩部分

其他部件熱損失主要是分液管和集液槽向外界散失的熱量，其值用(UA)b表示。這部分熱損失主要是由保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)、厚度和分液管及集液槽的表面積決定的。其他部件熱損失折算到單位吸熱管面積上其表達(dá)式為當(dāng)以Aa面積為基準(zhǔn)時(shí)，Ub=0．1687 W/(m2·K)［9］。由圖3(b)可知，真空管的熱損失系數(shù)Ue為

式中 hg－a——玻璃罩管和環(huán)境熱損失傳熱系數(shù)/

W·m－2·K－1;

hp－g，e——玻璃罩管和集熱管之間輻射熱損失傳熱系數(shù)/W·m－2·K－1。

按照Aa面積為基準(zhǔn)，玻璃罩管與環(huán)境的傳熱系數(shù)取10 W/(m2·K)，則折算后為12．7 W/(m2·K)［9］。

吸熱管表面加涂的吸收涂層的發(fā)射熱損失為

式中 εp——吸收表面半球向發(fā)射比;

εg——玻璃罩管的發(fā)射比;

dp——吸熱管直徑/m;

dg——玻璃罩管直徑/m;

σ——波爾茲曼常數(shù)，σ=5．67 ×10－8。當(dāng)發(fā)射比εp很小時(shí)，可以簡(jiǎn)化為

若將Qr用Tp－Tg表示，則有

將公式(8)和(9)聯(lián)立可得

真空管的各項(xiàng)參數(shù)Aa、Ae、εp、εg都是已知量，因而在所討論的Tp和Ta條件下，只有Ue、hp－g，e和Tg是未知數(shù)。用迭代法求解方程組，即可計(jì)算出真空管熱損失系數(shù)Ue，進(jìn)一步可以根據(jù)公式(4)計(jì)算真空管集熱器的總熱損失系數(shù)UL。

將溶液的微流道等效成為薄而高的直肋片，整個(gè)肋壁無(wú)肋的光壁表面積為A1，肋片的表面積為A2，肋間的壁表面積為A3，光壁側(cè)介質(zhì)的溫度為tf1，肋壁側(cè)介質(zhì)的溫度為tf2，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h，肋基壁面溫度為tw2，肋片的平均壁面溫度為tw2，m。肋片效率［13］的定義為，在肋片表面平均溫度下，肋片實(shí)際散熱量Ф 與假定整個(gè)肋片表面都處在肋基溫度時(shí)的理想散熱量Ф0的比值，即

肋壁的換熱量為肋片的換熱量與肋間面積的換熱量之和，即

將式(11)帶入式(12)中，得

其中，A=(A2+A3)，η 為肋壁的總效率，即

假設(shè)吸熱管與溶液和空氣換熱過程沒有熱損失，則熱量全部由空氣與溶液吸收?？諝馀c吸熱管間自然對(duì)流換熱關(guān)聯(lián)式為

其中，6 ×103≤Gr≤2．9 ×105

其中，2．9 ×105≤Gr≤1．6 ×107

式(16a)、(16b)的使用范圍為11≤H/δ≤42，H為再生管的長(zhǎng)度，δ 為再生管的內(nèi)徑。式中Gr數(shù)中的△t 為tp與ta之差，Gr數(shù)中的體脹系數(shù)αV=1/T。

根據(jù)關(guān)聯(lián)式可以計(jì)算出空氣與吸熱管之間的換熱系數(shù)和換熱量

根據(jù)上述公式可以計(jì)算出空氣與溶液的得熱量和流體的參數(shù)，從而確定真空管型太陽(yáng)能再生器的性能參數(shù)。

4 結(jié)論

本章主要針對(duì)原有溶液再生器所體現(xiàn)出來(lái)的弊端加以改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種新型的溶液再生器——真空管型太陽(yáng)能溶液再生器，此溶液再生器解決了現(xiàn)有太陽(yáng)能溶液除濕形式熱量得不到充分利用和熱損失大等缺點(diǎn)，同時(shí)本文還對(duì)新型太陽(yáng)能溶液再生器的結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)給出了設(shè)計(jì)計(jì)算方法，該真空管型太陽(yáng)能溶液再生器提高了溶液再生系統(tǒng)的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性。

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