程 礦 王勁柏 蔣詩(shī)寧 李 紅 黃 迪 杜前洲

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再生液回流量對(duì)溶液除濕系統(tǒng)性能影響的分析

程 礦 王勁柏 蔣詩(shī)寧 李 紅 黃 迪 杜前洲

（華中科技大學(xué) 武漢 430074）

針對(duì)熱泵型溶液除濕機(jī)提出了一種通過(guò)改變?cè)偕亓髁康南到y(tǒng)性能優(yōu)化方案，通過(guò)在Simulink中建立除濕機(jī)各組件的數(shù)值計(jì)算模型，從而建立除濕機(jī)整體的除濕性能數(shù)值計(jì)算模型，然后通過(guò)數(shù)值模型計(jì)算不同再生回流量下的除濕機(jī)整體除濕性能，得出了最佳再生回流量，在該再生回流量下，除濕機(jī)整體除濕性能最高，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果總結(jié)出了提高熱泵型溶液除濕機(jī)性能的有效措施。

溶液除濕；溶液交換量；交叉流；除濕量；優(yōu)化

0 引言

傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)采用熱濕聯(lián)合處理的方式來(lái)控制空氣的溫度和濕度，存在著許多的不足之處，如溫濕度采用同樣的冷媒溫度控制，使制冷機(jī)效率下降，造成了能源的浪費(fèi)；空調(diào)冷凝水為細(xì)菌和其他污染物提供了生存環(huán)境，使室內(nèi)環(huán)境變得不衛(wèi)生；傳統(tǒng)空調(diào)大量使用回風(fēng)，使污染物在空調(diào)區(qū)不斷擴(kuò)散，造成了環(huán)境質(zhì)量的惡化。因此，近些年來(lái)溫濕度獨(dú)立控制成為了研究熱點(diǎn)，在此之上溶液除濕被重新審視，其優(yōu)勢(shì)被廣大研究者重新認(rèn)識(shí)。與此同時(shí)，對(duì)溶液除濕系統(tǒng)性能的優(yōu)化也成為了重要的課題。

1955年，Lof[1]首次提出了利用液體除濕劑來(lái)控制空氣濕度，為后來(lái)的研究者將蒸汽壓縮制冷和液體除濕劑結(jié)合來(lái)除濕提供了思路；Kessling[2]進(jìn)行了LiCl溶液除濕系統(tǒng)的性能實(shí)驗(yàn)研究，同時(shí)提出了再生蓄能的思想；Chung[3]對(duì)LiCl溶液為除濕劑的規(guī)整和散裝填料分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并擬合得到了氣相傳熱傳質(zhì)關(guān)聯(lián)式。殷勇高[4]等人對(duì)叉流填料的LiCl溶液除濕器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，基于Le-hd分離測(cè)量法計(jì)算得到了溶液除濕過(guò)程耦合傳質(zhì)系數(shù)與Lewis數(shù)；Khan[5]等人用模擬的方法對(duì)三種形式的內(nèi)冷型除濕器進(jìn)行了性能分析，得出了這幾種內(nèi)冷型除濕器的性能與一些參數(shù)的關(guān)系；劉曉華[6]等人提出了利用溶液全熱回收裝置來(lái)提高除濕器性能的方案；羅磊[7]等人對(duì)叉流再生器的傳熱傳質(zhì)系數(shù)進(jìn)行了研究，并給出了計(jì)算傳質(zhì)系數(shù)和Le數(shù)的擬合關(guān)系式；熊珍琴等人對(duì)熱致濃度差的溶液除濕系統(tǒng)進(jìn)行了性能優(yōu)化的分析[8]；熊軍[9]等人設(shè)計(jì)了燃?xì)怛?qū)動(dòng)液體除濕空調(diào)，并對(duì)其節(jié)能特性進(jìn)行了分析；黃志甲[10]等人在數(shù)值分析工具上建立了叉流再生計(jì)算數(shù)值模型，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比；路則鋒[11]等人對(duì)逆流型溶液除濕系統(tǒng)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溫度下，除濕系統(tǒng)的耗功和COP的變化情況；趙建會(huì)[13]等人將輻射供冷與獨(dú)立新風(fēng)結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行了數(shù)值模擬。

以上的研究中，包含了如何優(yōu)化溶液除濕性能的措施，但是往往都是圍繞一個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析，而且限定了其他參數(shù)，只改變一個(gè)變量?；蛘呤墙o定熱泵機(jī)組的COP，給定除濕再生溫度，給定再生風(fēng)量和再生溶液噴淋量。這樣的情況與實(shí)際并不相符，在實(shí)際的機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，除了被研究變量外，其他的參數(shù)也都會(huì)隨之而變化，而不是維持一個(gè)定值，因此，一個(gè)盡可能多的包含各類(lèi)參數(shù)的溶液除濕機(jī)組運(yùn)行分析手段是十分必要的。因此，本文就溶液除濕新風(fēng)機(jī)組中再生溶液回流量對(duì)除濕性能的影響進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析，在研究過(guò)程中，不限定其他因素，而是以接近實(shí)際情況的狀態(tài)進(jìn)行分析再生液回流量因素對(duì)機(jī)組性能的影響。

1 原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 溶液除濕機(jī)原理圖

溶液除濕系統(tǒng)如圖1所示，子部件主要包括了軸流風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)器、節(jié)流閥、冷凝器、壓縮機(jī)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、液位變送器、循環(huán)水泵、熱回收換熱器、電磁閥。在常規(guī)的溶液除濕系統(tǒng)中除濕后的溶液全部送入再生器進(jìn)行再生，然而這種方式造成了大量用于除濕的冷量和再生的熱量的浪費(fèi)以及再生過(guò)度造成的除濕劑析出堵塞管道的危險(xiǎn)。

針對(duì)本文所使用的熱濕溶液交換量可調(diào)的除濕器，其類(lèi)型為絕熱型，空氣與溶液的熱質(zhì)交換流型為交叉流，熱質(zhì)交換所使用的填料高度為300mm，長(zhǎng)度為900mm，寬度為650mm，空氣沿長(zhǎng)度方向流經(jīng)填料，溶液沿高度方向從填料頂部向下流動(dòng)與空氣在填料中進(jìn)行熱量與質(zhì)量的交換。所使用的除濕溶液為初始質(zhì)量濃度35%的LiCl溶液。

1.2 系統(tǒng)運(yùn)行

整個(gè)除濕過(guò)程中溶液的循環(huán)分為3種循環(huán)，分別是除濕循環(huán)，再生循環(huán)，以及冷熱交換循環(huán)；在除濕循環(huán)中，溶液從除濕器的儲(chǔ)液槽中被循環(huán)水泵抽出，經(jīng)過(guò)蒸發(fā)換熱器與制冷劑進(jìn)行熱交換，從而使其溫度降低，而制冷劑在蒸發(fā)器中獲得熱量使制冷劑從液態(tài)變成過(guò)熱蒸汽。在溶液與制冷劑進(jìn)行熱交換后，除濕溶液進(jìn)入除濕器頂部，然后通過(guò)噴淋管從除濕填料頂部噴灑而下，除濕劑經(jīng)過(guò)填料與來(lái)自室外的熱濕新風(fēng)進(jìn)行熱質(zhì)交換，因此空氣中的水蒸氣進(jìn)入溶液，放出氣化潛熱，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)新風(fēng)的除濕；同時(shí)成液滴狀態(tài)的冷溶液與熱空氣進(jìn)行熱交換，使因?yàn)榉懦鰵饣瘽摕岫郎氐目諝獾玫浇禍?，為后一步的空氣溫度處理提供條件。在完成熱質(zhì)交換之后，溶液進(jìn)入除濕器儲(chǔ)液槽，回到初始位置。再生循環(huán)與除濕循環(huán)類(lèi)似，溶液從再生儲(chǔ)液槽中被循環(huán)水泵抽出，經(jīng)過(guò)冷凝器與制冷劑進(jìn)行熱交換，溫度上升變?yōu)闊崛芤海瑥亩谷芤罕砻娴乃魵夥謮毫档?。在溶液與制冷劑進(jìn)行熱交換后，再生溶液從再生器頂部進(jìn)入噴淋管，從填料頂部噴灑而下，再生溶液與熱濕新風(fēng)進(jìn)行熱質(zhì)交換，吸收溶液的熱量變?yōu)樗魵獾钠瘽摕?，從而?shí)現(xiàn)溶液的再生。針對(duì)再生除濕液循環(huán)，冷溶液從除濕器的儲(chǔ)液槽中被泵吸出，通過(guò)電磁閥控制開(kāi)度的旁路進(jìn)入板式換熱器，與熱溶液進(jìn)行熱交換，吸收熱量，升溫變?yōu)闊崛芤?，然后再進(jìn)入再生器的儲(chǔ)液槽；而熱溶液則是利用再生儲(chǔ)液槽液位與除濕儲(chǔ)液槽液位之差所產(chǎn)生的壓力差來(lái)實(shí)現(xiàn)流動(dòng)，熱溶液從再生儲(chǔ)液槽中流出，進(jìn)入板式換熱器，在板式換熱器中與冷溶液進(jìn)行熱交換，變?yōu)槔淙芤海缓箅x開(kāi)換熱器進(jìn)入除濕器儲(chǔ)液槽。空氣分為除濕空氣和再生空氣，針對(duì)除濕空氣而言，室外熱濕新風(fēng)被風(fēng)機(jī)送入除濕器，空氣在除濕器中被降溫除濕，然后通過(guò)風(fēng)管作為新風(fēng)空氣進(jìn)入室內(nèi)。而對(duì)再生空氣而言，室外新風(fēng)被風(fēng)機(jī)送入再生器內(nèi)，從熱溶液中獲得熱量和濕量，變?yōu)闊釢窨諝?，再排出室外?/p>

2 系統(tǒng)計(jì)算

2.1 數(shù)值模型

給定室外空氣狀態(tài)，即室外空氣的溫度a_out和相對(duì)濕度out，以及送入室內(nèi)的除濕風(fēng)量a_deh，再生風(fēng)風(fēng)量a_reg，除濕噴淋溶液量s_deh，再生噴淋溶液量s_reg。然后調(diào)整再生液回流量，使其從0.02kg/s開(kāi)始逐步增加，按0.02kg/s的步長(zhǎng)逐步增加，直到溶液因?yàn)樵偕窟^(guò)大導(dǎo)致濃度過(guò)高產(chǎn)生LiCl溶劑析出現(xiàn)象為止，比較不同再生液回流量下除濕空氣中被除去的濕量，并在能產(chǎn)生最高除濕量的再生液回流量附近縮小計(jì)算步長(zhǎng)，以增加計(jì)算精度，確定最優(yōu)點(diǎn)的精確位置。本文選取的除濕風(fēng)量為4000m3/h，除濕溶液噴淋質(zhì)量為除濕風(fēng)量的1.2倍，即4800kg/h；再生風(fēng)量也為4000m3/h，再生溶液噴淋質(zhì)量為再生風(fēng)量的1.2倍，即4800kg/h；室外空氣溫度為30℃，相對(duì)濕度為80%，含濕量21.6g/kg干空氣。

Copeland公司的提供了詳盡的壓縮機(jī)性能數(shù)據(jù)。本文根據(jù)所提供的性能數(shù)據(jù)根據(jù)最小二乘法用AHRI10系數(shù)模型進(jìn)行擬合，獲得了ZW72KWP型數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)的性能關(guān)聯(lián)式。

表1 壓縮機(jī)制熱量（kW）與蒸發(fā)溫度和冷凝溫度的關(guān)系

表2 壓縮機(jī)功耗（kW）與蒸發(fā)溫度和冷凝溫度的關(guān)系

針對(duì)冷熱溶液之間的換熱器，本文采用ε-NTU模型來(lái)模擬計(jì)算。該換熱器為板式換熱器，面積為2m2，采用逆流型換熱。

圖2 除濕填料二維網(wǎng)格劃分

溶液除濕系統(tǒng)最重要的模型是空氣-溶液熱質(zhì)交換模型，清華大學(xué)劉曉華[14]建立了叉流除濕器的NTU簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，通過(guò)分析除濕器內(nèi)部溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)，得到空氣（溶液）參數(shù)隨溶液（空氣）流動(dòng)方向的變化情況。本文使用該簡(jiǎn)化模型作為除濕器內(nèi)熱質(zhì)交換的模型。假設(shè)溶液和空氣參數(shù)不沿y方向變化，然后對(duì)除濕器進(jìn)行二維網(wǎng)格劃分，獲得了M列N行的網(wǎng)格，參見(jiàn)圖2。

針對(duì)每一個(gè)網(wǎng)格微元，可根據(jù)下列控制方程進(jìn)行計(jì)算：

通過(guò)計(jì)算可以得到整個(gè)二維平面上的空氣溫度分布、含濕量分布；溶液溫度分布、濃度分布。從而得到空氣出口的溫度和含濕量，溶液的溫度和濃度。

該型填料用于再生時(shí)的NTU計(jì)算公式：

式（6）～式（7）中：為熱質(zhì)交換所用填料的體積，m3；F為通過(guò)該填料單位面積的空氣質(zhì)量流量，kg/(m2·s)；F為通過(guò)該填料單位面積的溶液質(zhì)量流量，kg/(m2·s)。

LiCl溶液的表面水蒸氣分壓力、溶液比熱容、溶液密度采用Manuel R Conde[16]所提供的擬合公式來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

通過(guò)將上文所述的數(shù)值模型在Simulink中建立模塊，并將這些模塊組合，最終可得到機(jī)組的模型，參見(jiàn)圖3。

圖3 除濕機(jī)Simulink模型

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了評(píng)價(jià)不同再生液回流量下除濕系統(tǒng)的除濕性能，本文根據(jù)除濕機(jī)側(cè)除濕空氣進(jìn)出口的含濕量差值即除濕量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，比較不同再生溶液回流量下的除濕性能。

圖4 再生溶液回流量對(duì)除濕量的影響

圖5 再生溶液回流量對(duì)被除濕空氣出口溫度的影響

圖6 再生溶液回流量對(duì)溶液質(zhì)量濃度的影響

圖7 再生溶液回流量對(duì)儲(chǔ)液箱溶液溫度的影響

圖8 再生溶液回流量對(duì)除濕噴淋溶液等效含濕量的影響

3 結(jié)果分析

由圖4可見(jiàn)，在0.02～0.12kg/s范圍內(nèi)，隨著再生液回流量的增加，除濕空氣被除去的濕量逐漸增加，并在0.12kg/s時(shí)達(dá)到最大值，除濕量從6.68g/kg干空氣增加至8.565g/kg干空氣，當(dāng)再生液回流量超過(guò)0.12kg/s，除濕量隨除濕再生溶液的交換量增加而減少。除濕量之所以先增后減，可以從圖6、圖7中得到原因。隨再生液回流量的上升，除濕再生溶液濃度均逐漸上升；隨再生液回流量上升，除濕再生溶液溫度均上升；由圖8可見(jiàn)除濕溶液等效含濕量先緩慢下降，在0.06kg/s～0.12kg/s時(shí)，溶液等效含濕量處于平臺(tái)期，在0.12kg/s～0.15kg/s時(shí)，除濕溶液等效含濕量急劇上升，主要原因在于溶液溫度在0.12kg/s～0.15kg/s，上升速度顯著高于在0.02kg/s～0.12kg/s時(shí)的溫度上升速度。

4 結(jié)論

（1）再生溶液回流量的變化會(huì)導(dǎo)致熱泵驅(qū)動(dòng)的除濕機(jī)的除濕性能發(fā)生變化，原因在于不同的再生回流量會(huì)導(dǎo)致不同的除濕溶液濃度和除濕溶液溫度，從而影響除濕溶液的表面水蒸氣分壓力即除濕溶液的等效含濕量，進(jìn)而影響除濕性能即除濕量。

（2）隨著再生溶液回流量從0kg/s開(kāi)始逐步上升，除濕機(jī)的除濕性能先升后降，原因在于除濕溶液的表面水蒸氣分壓力先降后升，作為除濕推動(dòng)力的除濕空氣與除濕溶液的水蒸氣分壓力差先上升后下降。

（3）熱泵型除濕機(jī)針對(duì)一種氣候工況存在一個(gè)最優(yōu)的再生回流量點(diǎn)，該點(diǎn)的除濕性能最大。

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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 礦（1991.04-），男，在讀碩士研究生，E-mail：orecheng@qq.com

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

2017-01-06