（制冷及低温工程专业论文）溶液除湿空调系统中关键部件的数值模拟与实验研究.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 本文以除湿技术以及其应用为主要研究对象，建立了溶液除湿，再生过程的n t u l e 数学模型，详细描 述了其热质交换过程。对模型中的关键参数n t u 数和刘易斯数对于模型输出的影响进行了理论研究，并 依此研究结果提出了一种根据被处理空气的出口状态来计算除湿再生过程耦合传热传质系数和刘易斯数 的数学方法。以氯化锂溶液为除湿剂，对于叉流填料除湿 耳生器的热质交换特性进行了实验研究，计算 得到不同工况下的耦合传质系数和l e 数并拟合出其计算关联式，分析了各种入口参数对传质系数的影响。 最后验证了计算关联式的正确性，空气温度和含湿量的模拟平均偏差分别为3 2 3 6 和1 2 8 。 本文在理论分析除湿再生热质交换特性的基础上，详细介绍了一种平板翅片热交换器( p f m ) 用来 构成一种新型的内冷内热型除湿再生器，搭建了实验台并进行了相关性能实验。实验结果显示：与绝热 除湿相比，内冷除湿可以有效地抑制除湿过程中的溶液温升现象，从而提高除湿效果：相似的内热再生过 程也可有效地抑制再生过程的温降现象。同时对于内冷型除湿过程建立了数学模型，从理论上深入了解 p f h e 换热器结构参数以及运行工况对除湿，再生性能的影响，以期为除湿，再生器的设计提供参考依据。研 究表明，如果能够有效的提高p f h e 型除湿，再生器中空气与除湿溶液间的接触面积与接触时间，就可以大 幅度提高除湿效果。 本文将溶液除湿技术与蒸发冷却技术相结合，在直接蒸发冷却( d e c ) 和间接蒸发冷却( i e c ) 优化组合的 基础上设计了溶液除湿蒸发冷却空调系统，探讨了系统特性及其运行调节方法。以南京的天气，对系统的 运行工况进行了详细计算，结果显示系统完全能够达到空气调节的要求，系统总体性能良好，系统c o p 可达到0 2 9 ，有良好的发展潜力与广泛的应用价值。 关键词：溶液除湿，实验研究，传热传质，数值模拟，蒸发冷却 东南大学硕士学位论文 一一- 一二。一 a b s t r a c t t l l l i sp a p e rm a d et h ed e h u m i d i f i c a t i o nt e c h n o l o g ya n d 砖a p p l i c a t i o n sa sm a i ns t u d yo b j e c t , an r r u l e m a t h e m a t i c a lm o d e lh a sb e e nd e v e l o p e df o rd e s c r i b l i n gt h eh e a ta n dm a s st r a n s f e ro ft h el i q u i dd e s i c c a n t d e h u m i d i f i c a t i o n r e g e n e r a t i o np r o c e s s 1 1 l ei n f l u e n c e so f 恤n t ua n dl en u m b e ro i lt h em o d e lo u t p u tw e r e s t u d i e d 。a n db a s eo nt h es t u d y ，an e wm a t h e m a t i c a lm e t h o dw a sd e v e l o p e df o rd e t e r m i n i n gc o u p l e dh e a ta n dm a s s w a m f e rc o e 仃i c i e n t si nt h el i q u i dd e s i c c a n td e h u m i d i f i c a t i o n r e g e n e r a t i o np r o c e s sb yt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s c a r r yo u tt h ee x p e r i m e n tf o rh e a ta n dm a s st r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fc r o s s f l o wd e h u m i d i f i e r r e g e n e r a t o ru s i n g l i t h i u mb r o m i d ea q u e o u ss o l u t i o n 笛l i q u i dd e s i c c a n t a c c o r d i n gt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t , h oa n dl en u m b e ri s c a l c u l a t e da n dr e g r e s s i v ee q u a t i o n sa l eg a i n e d e f f e c t so fi n l e tp a r a m e t e r so nt h em a s st r a n s f e rt o e m c i e n ta r e d i s c u s s e d f i n a l l y , t h ec o r r e c t n e s so ft h er e g r e s s i v ee q u a t i o n si sp r o v e d , a v e r a g ed e v i a t i o no f a i rt e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t ya r c3 2 3 6 a n d1 2 8 an e wt y p eo fi n t e r n a l l yc o o l e d h e a t e dd e h u m i d i f i e r r e g e n e r a t o rb a s e do nt h ep l a t e - f r oh e a te x c h a n g e r ( p f h e ) w a sd e s i g n e d t oi n v e s t i g a t et h eb e h a v i o r o ft h en e we q u i p m e n t , a ne x p e r i m e n t a ls e t u pw a se s t a b l i s h e di n a ne n v i r o n m e n tc h a m b e rw i t hr e g u l a b l et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ya i r t h er e s u l tp r e s e n tt h a tt h ei n t e r n a l l yc o o l e d d e h u m i d i f i c a t i o nc o u l de f f e c t i v e l yi n h i b i td e s i c c a n tt e m p e r a t u r ei n c r e a s i n gi nd e h u m i d i f i c a t i o np r o c e s sc o m p a r e d w i t ht h a to ft h ea d i a b a t i cd e h u m i d i f i c a t i o np r o c e s s t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ei n t e r n a l l yc o o l e d d e h u m i d i f i c a t i 0 1 1w a se s t a b l i s h e d , t h ee f f e c to fs t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n do p e r a t i n g c o n d i t i o no nt h e d e h u m i d i f i c a t i o n r e g e n e r a t i o np e r f o r m a n c ew a st h e o r e t i c a l l ys t u d y c o m b i n e de v a p o r a t i v ec o o l i n gw i t hd e h u m i d i f i c a t i o nt e c h n o l o g y ，a1 3 c wl i q u i dd e s i c c a n te v a p o r a t i v ec o o u n g a i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m , b a s e do nt h eo p t i m i z a t i o nc o m b i n a t i o no fd e ca n di e c ，i sc o n s t r u c t e d s e v e r a la s p e c t s f o rt h i ss y s t e m , s u c h 觞s y s t e mp e r f o r m a n c ea n dr e g u l a t i n gc o n t r o lm e t h o d , a 托i n v e s t i g a t e d mr e s e a r c ho f p e r f o r m a n c ei n d i c a t e st h a ti th a sg r e a tp o t e n t i a la n dw i d ep r a c t i c a l i t y k e yw o r d s ：l i q u i dd e s i c c a n t , e x p e r i m e n t a ls t u d y , h e a ta n d m a s st r a n s f e r , s i m u l a t i o n , e v a p o r a t i v ec o o l i n g 东南大学硕士学位论文 r 。t 氟f h d m , m ，d g 印 ， 温度 焓 传质系数 质量流量 含湿量 体积流量 定压比热容 水的汽化潜热 填料比表面积 传质单元数 刘易斯数 换热面积 效率 性能系数 温度差 浓度 供热( 冷) 量 含湿量变化量 填料的高度 填料的长度 填料的宽度 对流传热系数 空气流速 主要符号表 1 c k j k g k g ( m l s ) k g s g c k g 干空气) 蔷| s k j ( k g k ) 。1 k j k g m 2 m 3 k w g ( k g 干空气) m m m w ( m 2 k ) m s h i 下标： 口a l r & s o l d e h r e g i n o u t l e c d e c w s a t 空气 溶液 除湿 再生 进口 出口 间接蒸发 直接蒸发 水 饱和 脚如彳町凹出x q凹日三矿k 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 粤l e l 期：芝堡：兰： ! 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 期娌! 垒 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 随着社会的进步和人们生活水平的不断提高，追求舒适的工作环境和精神生活是当代社会赋予人类的 目标。制冷空调设备系统的广泛运用是实现此目标的一种具体体现形式，而传统的制冷空调设备的大量使 用带来了当代的两大问题：能源问题和环境问题。 空调设备是耗能大户，随着空调使用量的增长，用电负荷急剧增加。据上海市华东建筑设计院调查， 1 9 9 8 年夏季上海市用电量的l 3 是用于空调系统，发达国家空调的用电负荷已占总用电负荷的4 0 以上， 空调设备耗能巨大造成了世界关注的能源问题。空调设备耗能巨大造成了世界关注的能源问题。另外，空 调负荷大部分还用于白天，造成了电力负荷的峰谷差日趋加大，因而空调蓄能逐渐成为业内人士关注的又 一个热点。 由于人工制冷所消耗的能量主要来自矿物燃料，伴随能量产生的同时，燃烧过程中向大气排放了大量 的c 0 2 、s 0 2 等有害气体严重地污染了大气环境，在最近十几年大气中c 0 2 含量由0 0 2 9 增加到了0 0 3 4 ，加剧了“温室效应”。更为严重的是，目前的制冷空调设备大量使用c f c s 类制冷工质，这些c f c s 氯 氟烃类正在给人类赖以生存的地球大气层中的臭氧层造成破坏。近年来，世界多处的臭氧层低谷现象已经 引起了普遍关注，国际保护臭氧层会议的专家警告，如果这样发展下去，世界多处臭氧层将出现空洞现象， 并将给人类带来极大的危害。在此危机面前，国际社会多次召开会议商讨对策，并先后签署了保护臭氧 层维也纳公约、关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书等。根据2 3 个国家外长在1 9 8 7 年9 月签署 的关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书规定： 1 9 9 9 年7 月1 日起，c f c s 的年生产和消费量冻结在1 9 9 5 - 1 9 9 7 年三年的平均水平上； 2 0 0 5 年1 月1 日起。c f c s 控制在冻结水平的5 0 ； 2 0 0 7 年1 月1 日起，在冻结水平上将c f c s 消费消减8 5 、生产消减7 5 ； 2 0 1 0 年1 月1 日起，完全停止生产和消费c f c s 物质。 对于h c f c s 类物质，于2 0 4 0 年1 月1 日起禁止生产和使用【ij 。 同时，为了我国经济和社会发展的长远战略，推动全社会开展节能降耗，缓解能源瓶颈制约，建设节 能型社会，促进经济社会可持续发展，实现全面建设小康社会的宏伟目标，我国制定了节能中长期规划。 规划期分为“十一五”和2 0 2 0 年，重点规划了n 2 0 l o 年节能的目标和发展重点，并提出2 0 2 0 年的目标。规 划中指出，“十一五”期间，新建建筑严格实施节能5 0 的设计标准，其中北京、天津等少数大城市率先 实施节能6 5 的标准。供热体制改革全面展开居住及公共建筑集中采暖按热表计量收费在各大中城市普遍 推行，在小城市试点。结合城市改建，开展既有居住和公共建筑节能改造，大城市完成改造面积2 5 ，中 等城市达到1 5 ，小城市达到1 0 。鼓励采用蓄冷、蓄热空调及冷热电联供技术，中央空调系统采用风机 水泵变频调速技术，节能门窗、新型墙体材料。加快太阳能、地热等可再生能源在建筑物的利用。 基于以上的一系列问题，在制冷空调领域工作的专家学者面i i 缶着严竣的挑战，提出了解决这些问题的 许多途径。一方面，开发新的替代c f c s 类的无污染制冷工质。在这方面，目前出现了以美、日为代表的 r 1 3 4 a 制冷剂和以德国为代表的炭氢化合物以及一些过渡方案，但是都很难在臭氧破坏指数( o d p ) 和温 室效应指数( g w p ) 两方面同时满足无污染要求，而且在单位制冷量、稳定性和可靠性等方面都存在一些 缺陷，现有的压缩机等制造工艺很难满足要求。 另一方面，就是探索新的制冷技术和空调方法。溶液除湿蒸发冷却空调方法就是在这种背景下引起人 们的关注，它是一种兼有环保和节能特征的制冷空调方法，无污染表现在此系统不采用传统的c f c s 类制 冷工质，水为制冷剂，通过蒸发冷却将显热转化的潜热实现降温；节能性体现在通过选取合适的溶液除湿 剂，通过温度较低的热源来驱动该系统( 实现溶液的再生) ，这就为低品位热源( 热源温度为8 0 左右) 驱动制冷空调提供了契机，如利用太阳能、工业废气余热、发动机排气余热等等进行制冷和空气调节1 2 t 引。 l 东南大学硕士学位论文 同时该系统还能够将目前研究较多的蓄能技术很好的体现出来，是一种潜能蓄能的新方法，具有蓄能密度 大的特点，并且该系统的蓄能释能必须通过相应的制冷循环实现，这点不同于传统的相变蓄能。 1 2 除湿蒸发冷却概况 蒸发冷却在干燥地区的应用，已经取得了很好的节能效果，但在非干燥地区，由于干湿球温差小、湿 球温燥度较高等原因而受到了限制。除湿蒸发冷却是蒸发冷却在非干地区应用的一种重要形式，其基本原 理是先将被空气用除湿剂吸收或吸附除湿处理成干燥空气，再经蒸发冷却处理至送风状态。 在冷却除湿时湿空气被冷却，如果空气被冷却到饱和状态以后仍然继续受冷，则将有水分不断凝结析 出。此时，空气总是处于饱和状态，沿饱和空气线向含湿量减小，温度降低的方向变化。在被处理空气未 达到饱和状态时，其含湿量是不随温度的变化而变化的；干球温度的变化只会影响相对湿度。在空气温度 较高时，冷却除湿的效率较高，而在较低的温度下，除湿就会变得越来越困难。 除湿蒸发冷却按除湿方式可分为两大类：固体除湿和液体除湿。固体除湿常用转轮除湿，亦有采用固定 吸附床并利用太阳能再生l 。根据空气的循环方式，转轮固体除湿蒸发冷却空调又可分为以下几种基本模 式【5 l 】：通风循环模式、简单再循环模式、d u n l d e 循环模式、简单回热式蒸发冷却循环模式( 也称为湿表面换 热器循环模式) 以及改进的回热式蒸发冷却循环模式。固体吸湿剂分为两类，一类为多孔材料，常用的有硅 胶、活性炭、氯化锂、氧化铝凝胶和分子筛等：另一类为无机吸湿盐晶体，如氯化锂、氯化钙等。液体除 湿一般采用填料式除湿器，填料具有很大比表面积( 单位体积的填料可提供的表面积) ，溶液在填料表面形 成均匀液膜，与空气进行热湿交换。目前使用较多的液体除湿剂有氯化钙、氯化锂、溴化锂和三甘醇水溶 液等。固体除湿的方式混合损失大，传热传质过程不可逆损失大，效率不高；液体除湿具有吸湿性能好、 再生温度低、性能系数高等特点，是一种较为可行的除湿方式1 6 , 7 1 。 在溶液除湿蒸发冷却空调系统中，环境空气或室内回风进入除湿器与除湿溶液接触，其中部分水分被 除去。被干燥后的空气，进过适当冷却后，进入直接蒸发冷却器与喷淋水接触，进行绝热加湿冷却，使得 被处理空气达到送风要求的状态，达到空气调节的目的。除湿蒸发冷却的主要能耗是除湿剂的再生能耗， 它不但可以利用天然气直接驱动的发动机尾气的废热、天然气热电联产后的废热等作为再生能源，提高能 源的综合利用率，而且也可以利用太阳能等自然能源，从而减小对大气环境的影响。 1 3 溶液除湿的国内外研究与进展 由于溶液除湿蒸发冷却空调系统有这些独特的优点，近几十年来，有相当多的国外学者对除湿蒸发冷 却空调系统进行了大量的研究i v j 。 在国外方面，早在1 9 5 5 年，l _ 6 f 最早提出了太阳能溶液除湿空调系统的思想并进行了实验研究，他采 用三甘醇为除湿剂，被干燥的空气经过蒸发室冷却，除湿剂经被太阳能加热的空气进行再生；同年， p e n n i n g t o n 发明了固体除湿剂除湿转轮和转轮热交换器，由于对固体除湿剂的研究较早且较为成熟，所以 当时太阳能固体除湿空调系统得到了较好的发展。 1 9 6 9 年k a k a b a e v 等人利用l i c i 溶液作为除湿剂试制了一台太阳能溶液除湿制冷机，他们将除湿溶液 以膜状从由太阳辐射加热的屋顶倾斜流下而得到再生，屋顶上未加任何覆盖物，这就是早期的开式集热型 再生器。7 年后他们建造了制冷能力为7 k w 的太阳能溶液除湿空调系统，这种开式的集热型再生器的表面 积达到6 0 m 2 。 1 9 7 4 年g a n d h i d a s a n 等人设计了以c a c l 2 溶液为除湿剂的太阳能溶液制冷机，两年后在印度建造了一台 这样的太阳能溶液除湿空调系统。到了1 9 7 7 年r o b i s o n 研制了几种集热型再生器，与g a n d h i d a s a n 等人的相 类似，他采用的除湿剂是三甘醇，但是由于三甘醇在再生过程中滞留性的原因，效果不是很好。 1 9 9 8 年k e s s l i n g 等人利用聚丙烯材料设计建造了一台竖直板内冷型除湿器，利用l i c i 溶液对该除湿器进 行了实验研究。 2 0 0 2 年，f u m o 和o o s w a m i 分析了以l i c l 溶液为吸湿溶液、使用聚丙烯r a u s c h e r th l l n o w 环散装填料 的逆流填料塔中溶液与湿空气的再生热质交换过型埘。 2 第一章绪论 2 0 0 6 年，g r o s s m a n 等人在以色列的海法搭建了l 台1 6 k w 的使用l i c l 溶液的太阳能除湿冷却系统， 对系统运行进行了监控和分析l l 。 在理论研究方面，有许多学者对除湿溶液物性进行了研究1 1 2 , 1 3 】，1 9 8 8 年p a n e 瑙对l i b r 溶液的各种物 性和传输特性进行了细致的研究并且编制了计算模拟程序。在1 9 9 5 年a m e e l 认为将l i c i 和z n c l 2 按2 ：l 混合 是最理想的，虽然比l i b r 的除湿性能下降t 5 0 7 0 ，但是费用却可以降低8 倍，而且混合溶液的溶解性得 到了改善。1 9 9 8 年，s y o u n u sa h m e d 对溶液除湿剂进行了热力学分析，运用经典热动力学方法研究除湿溶 液表面层水蒸气分压力，采用简单混合规则开发出预期特性的混合溶液除湿剂【1 4 1 。 在传热传质模型理论方面，由于除湿器和再生器是这种系统的核心部件，因此不少专家对此做了大量 的工作，在1 9 6 9 年i l e t r e y b a l 对d r o l a n d e r 名e 1 9 6 0 年提出的绝热型除湿器传热传质模型进行了完善，这就 是后来被广泛应用的“微元控制体模型”【l 玉1 6 j ：将除湿器沿高度方向划分为若干控制体，在稳定除湿状态下， 重点对发生在气液两相相界面出的传热传质过程做了简化加设，推导出传热传质控制体微分方程；后来， 有一些专家如g g r o s s m a n 、h m f a c t o r 、p g a n d h i d a s a n 等对其做了进一步的完善，并在数值算法上进行改 进。使其能够较好地求解发生在绝热型除湿器中的传热传质过程。还有一类除湿器就是内冷型除湿器，它 能够使除湿溶液表面保持较低的水蒸气分压力，所形成的是一种降膜流动。 1 9 8 4 年g r o s s m a n 根据降膜流动的雷诺数r e 将降膜按流态划分为层流和紊流，对降膜的速度和厚度进行 描述。结合降膜的传热传质特性，借助于连续、动量和能量三大控制方程建立除湿过程的数学模型。 2 0 0 0 年g g r o s s m a n 把太阳能驱动的开式除湿蒸发冷却空调系统与封闭式的单效、双效和三效l i b r 吸收 式制冷系统进行比较，提出了前者在利用太阳能等低品位能源上的巨大优势；同年，s a l i z a d e h 和w y s a m a n 还对太阳能驱动的太阳能集热再生器进行建模和性能分析，描述了不同的入口参数和气候条件对再生性 能、能源利用等的影响情况。 2 0 0 2 年p g a n d h i d a s a m 对溶液除湿的填料式除湿器压力降进行了理论上的分析研究，指出了理论上具有 最小压力降的填料和结构型式【l n 。同年，a a i f a r a y e d h i 设计了薄纱填料结构的除湿器，分别对c a c l 2 、l i c i 和5 0 的l i c l 与5 0 的c a c l 2 混合成的除湿溶液进行传熟传质系数方面的理论研究，但没有进行实验验证， 没有指出关系型的精度。 2 0 0 2 年n f u m o 使用l i c l 研究了除湿和再生方面的情况；考察了除湿再生速率和效果与溶液空气流量以 及溶液浓度的关系；发现溶液的浓度、温度、空气的流量和湿度这些参数对除湿的效果有着相当大的影响： 用改良的o b e r g a n d g o s w a m i 模型计算了绝热气体吸收过程的各种参数，结果与实验结果相当吻合【1 们。 2 0 0 3 年j r c a m a r g o 4 习等人对吸附除湿蒸发冷却空调系统采用一种叫做e m ( e x e r g e t i cm a n u f a c t u r i n g c o s t ) 的方法进行热经济分析，研究表明最小的再生浓度和最小的壬泖比( r e a c t i v e a t i o na i r p r o c e s sa i r ) 运 行时具有最小的e m c 。 2 0 0 3 年中期，y u n u sc e r c i 提出了一种基于除湿技术的液态水常压蒸发冷冻技术【墙】，研究表明通过空气 除湿然后常压蒸发使每1 k g 干空气能产生2 8 4 9 的固态冰，系统的热力系数可以达到0 4 7 。 2 0 0 4 年k g o m m e d 对太阳能驱动的除湿结合的蒸汽压缩制冷空调系统在地中海国家的使用和设计进行 了研究，给出了在某些特定参数下系统最优运行的工况：使用的是c a c h 研究了各种参数对除湿效果的影响， 特别是除湿器入口空气的流量和湿度对除湿效果影响较大而温度则没有太大影响。 2 0 0 5 年a e k a b e e l 对太阳能除湿系统的再生部分使用l i c ! 进行了研究，得出差流具有较好的再生效果 的结论，并给出了溶液浓度的再生效率的关系。同年，a g a s p a r e l l a 研究了利用地热能源作为驱动热源的除 湿系统在热泵中的应用。 国内对溶液除湿蒸发冷却空调系统的研究起步较晚，但也有不少人在这方面做了有一定成效的工作 i 伯j 。1 9 9 6 年方承超i l 州等人对太阳能溶液除湿蒸发冷却空调系统进行了研究，为系统的除湿器、再生器、 间接蒸发冷却器分别建立了简单的数学模型，并对各参数对系统性能的影响进行了仿真计算。1 9 9 8 年代彦 军等人对溶液除湿蒸发冷却空调系统建立了数学模型，对空调系统的性能系数进行了计算，在2 0 0 1 年他 们对太阳能溶液除湿潜能储存热质传递过程进行了研究，提出以太阳能集热器再生器为主体的蓄能装置， 并对其进行仿真研究，具体分析了储能密度以及再生装置的有关参数对储能量的影响。1 9 9 9 年，冯毅等人 对太阳能驱动的吸附除湿空调系统进行了研究，采用8 0 以下的再生温度热源，对空调系统的能源利用效 率进行实验研究【2 0 】。2 0 0 6 年，刘拴强等人在上海某生态示范楼中，采用热泵驱动的溶液除湿空调系统，应 3 东南大学硕士学位论文 用一种基于热湿独立控制方式，对建筑进行空气调节，并对系统进行了建模和计算，就系统运行情况进行 了分析和优化【2 l 】。任承例冽等人对具有内冷内热的除湿再生过程构建了数学模型，并推倒出解析解，在此 基础上分析了各参数对传热传质的影响。 目前对此领域内的研究在国内外还是比较活跃的，纵观近几十年来的研究情况，绝大多数工作都是集 中在特定部件在特定工况下的研究或者演示，而且理论研究较多，尤其缺少实验的验证，对此空调系统的 整体性描述和整体性能的综合权衡做得还较少，对系统循环形式和优化设计方面没有重大的突破。近年来， 国内外对于溶液除湿蒸发冷却空调系统的实际应用方面的研究也在不断开展，但仍还局限于在个别建筑上 搭建的实验机组并分析其运行性静1 1 , 2 , 1 l ，还未能将溶液除湿蒸发冷却空调系统投入到大规模的实际应用 中。因此，这种系统如果要真正投入至现实生活中服务于人们，那么还要进行深入的研究和改善。 1 4 本文研究的主要内容 ( 1 ) 建立了溶液除湿，再生过程的稳态及，- k 数学模型，并推导出溶液的温度、浓度与空气的温度，含 湿量在叉流除湿，再生器中的分布，并介绍了一种利用实验数据获得除湿再生过程中耦合传热传质系数和 刘易斯数的方法。 ( 2 ) 在基于及，_ 【e 数学模型的基础上，对溶液除湿和再生过程中的传热传质特性进行了实验研究，通过 稳态实验，计算得到不同工况下的耦合传质系数和刘易斯数，分析了各种入口参数对传质系数的影响。并 采用数据回归的方法对传质系数与刘易斯数进行拟合，得到叉流除湿器除湿，再生过程的传质系数与刘易斯 数的关系型。 ( 3 ) 针对当前除湿再生器的发展趋势，详细介绍了一种新型的平板翅片热交换器( p 踟e ) ，以此结构为 基础构成内冷内热型除湿再生器，并对此种新型的除湿，再生器进行了性能实验。建立了理论分析模型， 对内冷除湿的传热传质机理及其性能影响因素进行了广泛深入的探讨，以期为除湿再生器的设计提供参考 依据。 ( 4 ) 将蒸发冷却技术与溶液除湿相结合，阐述溶液除湿蒸发冷却空调系统。研究了其原理，讨论了两种 溶液除湿蒸发冷却空调系统的运行调节方法，并对每种调节方法进行了研究。最后以实际算例分析了这种 空调系统的可行性以及总体性能。 4 第二章溶液除湿，再生的理论和研究 第二章溶液除湿再生的理论和研究 2 1 空气与除湿溶液传热传质机理研究 除湿与再生过程均是空气与除湿溶液的直接混合接触，然而在不同的装置里面，水分的传递方向却是 完全相反的过程。在除湿器中，湿空气中的水分扩散到溶液中，使空气的到干燥；在再生器中，湿空气则 带走除湿溶液中的水分，使溶液再生，恢复到浓度较大的状态。下面结合经典热质交换理论对其进行分析。 当空气与飞溅的溶液液滴或者液膜接触时，便与溶液表面之间发生热、质交换。这时，根据溶液温度 和浓度的不同，可能仅发生显热交换；也可能既有显热交换，又有湿交换( 质交换) ，而与湿交换的同时 将发生潜热交换。空气和溶液直接接触时，在贴近溶液表面的地方或溶液液滴周围，由于水分子做不规则 运动的结果，形成了一个温度等于溶液温度的空气边界层，如图2 1 所示，而边界层内的水蒸汽分子浓度 或者水蒸汽分压力取决于除湿溶液的类型、温度和其浓度。在边界层周围，水蒸汽分子仍作不规则运动， 结果常有一部分水分子进入边界层，同时也有一部分水蒸汽分子离开边界层进入空气中。 来饱和空气 ( a ) 边界屡 ( b ) ( a ) 液膜表面；( ”飞溅的溶液液滴 图2 1 空气与溶液的热、质交换 o o q 0 如果边界层温度高于周围空气温度，则由边界层向周围空气传热；反之，则由周围空气向边界层传热。 如果边界层内水蒸汽分子浓度大于周围空气的水蒸汽分子浓度，则由边界层进入周围空气中的水蒸汽分子 数多于由周围空气进入边界层的水蒸汽分子数，结果周围空气中的水蒸汽分子数将增加，这就是发生在再 生器中的溶液的再生；反之，则将减少，也就是发生在除湿器中的溶液的除湿。在再生的过程中，边界层 的水蒸汽分子数减少后由溶液中跃出的水分子数补充；在除湿过程中，由湿空气中进入边界层中过多的水 分子将回到溶液中去。 可见，在湿空气和除湿溶液表面边界层之间，如果存在水蒸汽浓度差( 或者水蒸汽分压力差) ，水蒸 汽的分子就会从浓度高的区域向浓度低的区域转移，从而产生水分的转移。也就是说，湿空气中的水蒸汽 与边界层中水蒸汽分压力之差是水分交换转移的驱动力，就象温度差是产生热交换的驱动力一样。 2 2 液体降膜除湿模型的研究情况 1 9 6 9 年r e t r e y b a l 对d r o l a n d e r 在1 9 6 0 年提出的绝热型除湿器传热传质模型进行了完善，这就是后来 被广泛应用的“微元控制体模型”，1 9 8 0 年，h a i m 等人对其模型进行了完善。1 9 9 8 年，a r a h m a h 等人针对 降膜除湿建立了控制体连续方程，通过数值求解出口溶液和空气的参数，并讨论了传热传质过程中各种特 征数和吸收器几何尺寸对除湿效果的影响。1 9 9 9 年，a y i g i t 针对层流l i b r 降膜除湿，建立了控制体连续方 5 东南大学硕士学位论文 程、质量、动量、能量和扩散方程，并采用c r a n k - n i e h e l s o n 方法求解方程，并计算了传热传质过程中的各 个特征数。2 0 0 0 年，w y s a m a n 等人对l i c i 溶液内冷叉流降膜除湿模型进行了研究i 2 3 1 。同年，n f u m o 等 人对l i c i 溶液填料型除湿器模型进行了研究，并与实验值进行了对比分析0 0 l 。2 0 0 4 年，p g a n d h i d a s a n 等人 针对三种除湿器理论模型，即有限差分模型( f a c t o r 和g r o s s m a n ，1 9 8 0 ；g r a n d h i d a s a ne ta 1 ，1 9 8 7 ：o b e r g 和g o s w a m i ，1 9 9 8 b ) 、效果- n t u 模型( s t e v e ne ta 1 ，1 9 8 9 ：s a d a s i v a ma n db a l a k r i s h n a n ，1 9 9 2 ) 和基于代 数方程改进的模型( k h a n 和b a l l ，1 9 9 2 ；k h a n ，1 9 9 4 ) 进行了分析，并提出一种简化模型1 2 4 1 。 综合来说，目前的除湿，再生热质交换模型可分成两类数值模型和半解析模型。前者是从热质交换 过程的微分方程出发，利用数值方法求解【2 5 d 7 1 。但是由于计算过程中变量较多，且需要假设溶液出口状态 进行迭代计算，使得数值模型计算过于复杂，不适合用于工程分析；半解析模型，也且p e f f e c t i v e n e s s - n t u 模型计算量小，精确度也较高，但它只能计算出口处流体的状态参数，难以给出整个过程中各状态参数的沿 程变化 2 8 , 2 9 1 。本文在e f f e c t i v e n e s s - n t u 模型的基础上，着重对溶液除湿再生过程的传热传质特性进行研究。 2 3 溶液除湿过程传热传质模型 本文以填料塔叉流除湿器为研究对象【3 3 l ，其结构示意图如图2 - 2 所示。在填料塔内部除湿溶液与湿空 气进行传热传质，在除湿溶液表层水蒸气和湿空气中水蒸气分压差的作用下进行水分的迁移与传输：在除 湿溶液和湿空气温差作用下进行热量的对流传输，而且两个过程相互影响耦合，因为除湿溶液与湿空气进 行热量交换之后，会引起溶液温度的改变，溶液表层水蒸气分压力是溶液浓度与温度的函数，因此溶液温 度的改变会导致溶液表层水蒸气分压力的变化，导致传质势的改变；另一方面，由于两者在水蒸气分压力 差的作用进行的传质过程会伴随着水分的相变过程，引起溶液温度和湿空气温度的改变，也会导致传质势 的变化。因此，溶液与湿空气进行的热质传递过程使得变化参数具有极强的耦合作用和非线性性，为深入 研究溶液与湿空气耦合传热传质过程，本文采用微元体控制模型，如图2 3 为其微元体示意图，在垂直于 流动方向上，由于降膜溶液厚度相当小，空气通道也较小，因此横向均一集总参数处理，沿降膜方向将除 湿溶液和湿空气分成有限微元段。在微元体内，溶液和湿空气参数均一，两微元体之间发生传热传质，溶 液微元体表面水蒸气分压力与湿空气水蒸气分压力差作为传质势发生质量传递。 o h y 图2 2 溶液与湿空气叉流热质交换过程示意图 6 第二章溶液除湿再生的理论和研究 t sx sg s i t s + d t sx s + d x sg s * d g s 图2 - 3 微元控制体热质交换示意图 为简化数学分析，对除湿过程做如下简化假设： ( 1 ) 溶液喷洒入除湿器之后在填料上布液均匀。 ( 2 )假定足够小的微元体内溶液和空气参数均一。 ( 3 )不计溶液液膜内部的传质阻力，且沿两流体流动方向无导热和质扩散。 ( 4 ) 填料层中发生的传热传质过程与外界是绝热绝湿的。 除湿溶液均匀喷洒在填料后，在重力作用下与湿空气呈交叉流动，并且通过相互接触而吸收( 释放) 水分。根据以上假设，在除湿过程中，湿空气和溶液都是均匀分度，则空气和溶液的参数将不随z 方向变 化，在z 方向上做剖面并任取一微元体为研究对象。在除湿溶液与湿空气的热质交换过程中。遵循质量守 恒和能量守恒关系式可得： 溶质质量守恒：d ( m s 考) = 0 ( 2 1 ) 水分质量守恒：d i n = 蛾 能量守恒：冬+ 鱼警= 0 戤口y 式中： 微元体空气质量流量( k g s ) ； 吃微元体空气含湿量( k g k g 干空气) ； 微元体溶液质量流量( k g s ) ； 除湿溶液与湿空气之间传质量计算： 旭= ( 吒艇一q ) 呦 式中： 以空气含湿量为传质势的传质系数k g ( m 2 s ) ； & k 广兹元体溶液温度、浓度对应表层饱和空气的含湿量( k 班g 干空气) ； - 填料的湿比表面积( m 2 m 3 ) ； 形- 填料丛向长度( m ) 。 湿空气与除湿溶液之间的对流换热量： ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 东南大学硕士学位论文 t o o a t , = ( i l ) a 。嘞 式中： 湿空气与溶液的耦合传热系数w i ( m 2 k ) ； 媪空气的定压比热容k j ( k g k ) ，= + 其中c 南为干空气的定压比热容k j ( k g k ) ；冰蒸气的定压比热容k j o c g k ) 乃兹元体中空气温度( ) ； 互微元体中溶液温度( ) ； 湿空气与溶液进行热质交换之后焓值的变化： 由湿空气的焓值计算公式可得： 矾= 妃+ r o d o o o 式中： 水蒸气在0 时的汽化潜热( k j k g ) 将式( 2 - 4 ) ，( 2 5 ) 代入( 2 6 ) 式可得： 矾= h a t , 一瓦) + 如( 姊埘一c o o ) a w d x d y 定义l e 与n t u 分别如下： g e = j l h d c 呻 删：h d a w h w l m 。 式中： h 、w 、l 分别为填料的高、宽、纵向长度，m ； m a 为流经填料的空气流量，k p d s 将式( 2 8 ) ，( 2 9 ) 代入式( 2 - 7 ) 可以得到： 矾= 删厶 ( 瓦一) + 去( 剐一吃) 譬 结合湿空气的焓值公式，式( 2 1 0 ) 可以化简为： 吮= 删如 ( 州一吃) + ( 去一) r o ( 剐一吃) 譬 式中： b 埘为在溶液温度和浓度下与之平衡时的表面空气的焓值，k j k g 。 空气测含湿量的变化为： 8 ( 2 - 5 ) ( 2 石) ( 2 - 7 ) ( 2 - 9 ) ( 2 d o ) ( 2 1 1 ) 第二章溶液除湿再生的理论和研究 蛾= 加可( ，删一吼) 譬 经过与湿空气热质交换之后，除湿溶液温度的变化计算 由微元控制体内能量守恒原理可得： 变形即得 m 舢。- - m , a t , c 善弹囊国。 饵：m , f l h , , - c p ，t , m , , d c o , , m # 够 式中： 刀乞为空气在微元控制体中的质量流量，k g ，s ； c 船为溶液比热，k 1 ( k g - c ) ； 除湿溶液浓度的变化计算 由质量守恒不难得到： ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) =_!盥置(2q5) m s 。m , , d t o 。 式中：x 为溶液的质量百分比浓度。 这样式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 3 ) 、( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 、( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 就是除湿过程中溶液与湿空气热质交 换过程的控制方程。其边界条件为： 溶液进口参数：卿，i = i 砌，考= 厶； 湿空气进口参数：间，瓦= 瓦庸，= ，吃= 吃却 对于给定的兀邢乜，将式( 2 i i ) 、( 2 1 2 ) 、( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 与空气，溶液物性关系式和边界条件联 立求解，即可求出流体的出口状态参数。 2 4 溶液除湿过程传热传质模型的求解 将模型沿垂直于z 方向做剖面将除湿器简化为二维模型，对二维模型进行网格划分，如图2 4 所示， 将其划分为m x n 个网格。将上节所述的控制方程按网格进行离散化，如下所式 h a , t + 1 j - - ”半卜圹+ ( 去一1 ) ( ) o ) a , i + 1 j - - ，= 等, s a t ，j - - 训 魄川2 百 川j 考1j+l=m小l-l。毛川。瓦j?n瓦s,ij 毛州 m s j 。j n 、 m s j j m o j j a o j j 、 i n , + l 一f ，= 一鸭。地 m s j + 1 吃“一 ，毽f - j = ，( 吃，一吃。m ，) ( 2 - 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) (