（热能工程专业论文）液体除湿冷却系统的建模与优化.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 对液体除湿冷却空调系统进行热力学分析，构建了系统各主要设备的传热 传质模型，其中除湿器采用内冷型交叉流板式除湿器，再生器采用绝热再生塔， 蒸发冷却器采用板式间接蒸发冷却器。在建立模型的基础上，利用m a t l a b 软 件编制计算程序，对系统中主要空气处理过程进行数值模拟，预测了系统性能， 分析研究了系统性能的影响因素。模拟结果表明系统的整体性能系数还比较 低，在高温高湿地区应用更具优势。针对液体除湿空调系统存在性能系数较低 的问题，将分级除湿思路引入系统设计，并且应用层次分析法进行了优化优 化结果表明多级除湿系统的效果优于单级除湿系统。 关键词：液体除湿冷却空调系统，传热传质模型，数值模拟，优化 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h et h e r m o d y n a m i ca n a l y s i so fl i q u i dd e s i c c a n tc o o l i n gs y s t e m h a v eb e e nc a r r i e do u t ，o nt h i sb a s i se s t a b l i s h e dt h eh e a ta n dm a s st r a n s f e rm o d e l o fm a i nc o m p o n e n t i n n e rc o o l i n gc r o s s f l o w p l a t ed e h u m i d i f i e r ，a d i a b a t i c r e g e n e r a t o ra n di n d i r e c tp l a t et y p ee v a p o r a t o rw e r ea d o p t e di nt h es y s t e m ，o nt h e b a s i so fm a t h e m a t i c a lm o d e l ，c o m p u t a t i o n a lp r o g r a m sh a v eb e e nc o m p i l e dt o s i m u l a t ea i rh a n d l i n gp r o c e s s ，p r e d i c tt h es y s t e mp e r f o r m a n c ea n da n a l y z et h e i n f l u e n c ef a c t o ro ns y s t e mp e r f o r m a n c e t h er e s u l ts h o w st h a tt h ec o e f f i c i e n to f p e r f o r m a n c ei sl o wi ng e n e r a l a n dt h es y s t e mh a sa d v a n t a g e sh o ta n dh u m i da r e a t or e s o l v el o ws y s t e mp e r f o r m a n c ec o e f f i c i e n t ，s t e p d e s i c c a n tt e c h n i q u ew a s i n t r o d u c e di ns y s t e md e s i g n u s et h ea n a l y t i c a lh i e r a r c h yp r o c e s st oo p t i m i z e d e s i g n t h eo p t i m i z i n gr e s u l ts h o w st h a tt h ee f f e c to fm u l t i - s t e pl i q u i dd e s i c c a n t c o o l i n gs y s t e mi sb e t t e rt h a ns i n g l es t e ps y s t e m y a n gy a n z h u ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o lw e ib i n g k e yw o r d s ：l i q u i dd e s i c c a n tc o o l i n gs y s t e m ，h e a ta n dm a s st r a n s f e rm o d e l s ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，o p t i m i z a t i o n 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文液体除湿冷却系统的建模与优 化，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间。在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他 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。 学位论文作者签名：扭毽筇 日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：盘趁! j 日期：丝蔓! 羔胡 导师签名： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景 第一章绪论 近年来能源危机的日益加剧和对室内空调品质要求的提升，促使人们对新的空 调制冷方式进行了探索研究。众所周知空调是耗能大户，尤其是在夏季，空调负荷 占到了高峰用电负荷的4 0 t 1 1 ，传统空调系统的大量使用，加剧了能源供应紧张的 矛盾和环境污染问题。过多地使用氯氟烃类制冷剂( 用c f c s 表示) 严重的破坏了 大气臭氧层，引发环境污染。己研制出的c f c s 替代物，虽然对大气臭氧层没有破 坏作用，但其中很多是温室效应气体，并没有从根本上完全解决制冷剂对环境的污 染问题。因此研究开发新的制冷空调方式，尤其是发展一种健康，低能耗、无污染 的空调方式成为迫切需要而且具有重要的实际意义绿色环保空调装置的研究成为 热点，与之密切相关的除湿蒸发冷却系统因此倍受关注；国内外的研究人员在这方 面虽然已经做了大量的工作，但总体说还都处于研究阶段未大面积投入使用。 目前应用最广泛的压缩式制冷空调设备多以电能驱动，虽然制冷机组性能的改 善会使系统的性能系数有所提高，但大量使用仍然加剧了电力供应紧张的局面。国 内外的研究人员都在努力探索，寻找更加可靠、经济效益更高的制冷空调新技术 在这样的背景下，液体除湿冷却作为一项新兴技术，因其在节能、环保等方面具有 独特的优势，符合当今社会对空调设备的要求，受到了越来越多的重视，许多相关 科研机构和专家都投入了大量精力和对间对它进行专门的研究 液体除湿技术是利用除湿液膜表面空气与被处理湿空气之间的水蒸气分压力 差，使水分由湿空气向除湿溶液传递，从而达到空气减湿目的湿空气的除湿和除 湿溶液的再生均属于空气与吸湿剂溶液直接接触的传质过程，是一种低功耗、无污 染的除湿方式。与传统的表面式换热设备冷却除湿方法相比，它具有效率高、制冷 功耗小、避免微生物交叉污染、相对含湿量控制准确等优点。 蒸发冷却技术则是利用空气加湿后能实现等焓降温这一原理，通过一系列措施 实现对空气温度和含湿量的控制。由于在蒸发冷却过程中水充当了制冷剂，它吸收 空气中的显热后蒸发成水蒸气从而使被处理空气温度降低。相比压缩式制冷空调设 备，无需将水蒸气还原成液态水循环，因此省去了机械制冷中必需的压缩功，使得 制冷所需能耗量大为降低。 液体除湿冷却系统( 即d e c s ) 就是将液体除湿技术与蒸发冷却技术相结合， 用液体除湿剂对空气减湿，借助蒸发冷却降温，实现除湿法供冷。在非干燥地区， 不能用蒸发冷却来替代机械制冷的原因之一就是夏季室外空气的含湿量过大，单靠 华北电力大学硕士学位论文 蒸发冷却无法得到满意的送风状态如果将室外空气( 或室外与室内回风的混合空气) 经过除湿剂的吸收或吸附处理成干燥空气，就有可能将蒸发冷却技术应用于更广的 地区范围。除湿法供冷虽耗电量小但要耗热，用于除湿剂的再生经研究表明这部 分热有可能采用如太阳能地热一类的可再生能源或工业废热【2 】从而不消耗次能 源使得除湿供冷的节能效果更突出 液体除湿冷却系统是一种极具潜力的空调方式，与传统的压缩式空调系统相比 具有以下优势： ( 1 ) 热负荷、湿负荷分开处理，避免了过度冷却和再热的损失，有较高的能 源利用效率并提高了室内的舒适程度； ( 2 ) 溶液喷淋可以除去空气中的尘埃，细菌、霉菌及其他有害物；同时由于 避免了使用有凝结水的盘管，也消除了室内的一大污染源；可采用全新风运行；提 高了室内空气品质； ( 3 ) 耗电量较压缩式制冷少，可使用低温热源驱动，为低品味热源的利用提 供了有效的途径； ( 4 ) 液体吸湿剂溶液以化学能方式贮存能量，可以方便实现蓄能，系统中设 置浓溶液的储液槽，负荷小的时候储存浓溶液，负荷大的时候用来除湿，从而减小 了系统的容量和相应的投资，且无需保温等措施； ( 5 ) 系统各个设备部件构造简单，初投资较低； ( 6 ) 不使用c f c s 制冷剂，使用盐溶液、水和空气作为工作介质，无破坏大气 臭氧层之虞。 当然液体除湿冷却系统也存在一些缺点，诸如： ( 1 ) 除湿溶液对设备具有腐蚀性； ( 2 ) 设备及系统占用面积较大； ( 3 ) 运行维护较传统压缩式空调系统繁琐等。 结合以上特点可以看出，液体除湿冷却系统与压缩式制冷空调系统相比优多劣 少，具有一定的发展前景。但到目前为止，人们对其系统设备以及综合性能的了解 还相对较少，还需投入大量人力、物力进行相关的理论和试验研究。 本文对液体除湿冷却系统进行深入的热力学分析，建立系统各主要部件的传热 传质模型，并在此基础上通过数值模拟对系统的性能进行预测，旨在为液体除湿蒸 发冷却系统的应用提供借鉴，并为系统的改进和优化设计提供参考。 1 2 液体除湿冷却的研究历史与现状 对液体除湿的研究，开始于用三甘醇作为除湿剂的实验。1 9 6 9 年k a k a b a e v 和 2 华北电力大学硕士学位论文 k h a n d u r d y e v 利用氯化锂溶液作为除湿溶液，试制了一台太阳能制冷机。1 9 7 6 年印 度建造了一台以氯化钙为除湿溶液的太阳能液体除湿空调样机：1 9 8 1 年p e n 和 h o w w e l l 提出并分析了一种使用三甘醇做干燥剂的液体除湿系统p 】。1 9 9 4 年a e r t a s 等人对填料塔型的再生器进行了实验研究，实验中他们采用了封闭的填料塔型；考 虑到除湿溶液对金属的腐蚀，1 9 9 8 年k e s s l i n g 等人利用聚丙烯材料设计和建造了一 台竖直板内冷型除湿器，他们用氯化锂溶液对除湿器进行了实验研究，为太阳能液 体除湿空调系统的防腐和蓄能提供了很好的思路。国内天津大学和西北工业大学等 进行了相应的研究。 近几年对液体除湿的研究主要集中在对除湿器的传热传质过程的分析和除湿 剂的研究除湿器是液体除湿冷却系统中是最为关键的一个部件，有两类除湿器应 用较广早期人们主要的研究对象为填料喷淋塔式除湿器，因为它具有结构简单和 比表面积大等优点；但由于除湿溶液的绝热吸湿升温，使其除湿效率不能令人满意。 2 0 世纪，9 0 年代以来，内冷型除湿器受到了人们的普遍关注。内冷型除湿器采用 冷水盘管或冷却空气( 都不与除湿溶液直接接触) 将除湿过程释放出的潜热带出由 于抑制了除湿溶液的温升，使溶液始终能保持较低的水蒸气压，有利于吸收空气中 的水蒸气。液体除湿器型式的研究对于发展液体除湿技术及液体除湿制冷冷却技术 具有重要意义。 除湿溶液的性能直接影响着系统运行的性能，因此有关液体除湿剂的研究分析 也是液体除湿研究中很重要的一部分内容。可供选择的液体除湿剂一般需要具有下 列特性：溶液化学性质稳定，在工作温度范围内不产生结晶，传热性能良好，无毒， 腐蚀性小，给定除湿条件下表面蒸汽压较低，价格相对低廉。 有机试剂( 如三甘醇) 和l i b r 、c a c l 2 、l i c i 等金属卤盐溶液都曾作为除湿溶液使 用。由于三甘醇是有机溶剂，粘度较大，在系统循环流动时易发生滞留，粘附在系 统的内表面，从而影响系统的稳定工作，所以三甘醇作为除湿剂已基本上被金属卤 盐溶液所取代。上述提到的几种金属盐溶液在物理性质、热力学特性等方面既有共 同点，又有一定的差别。在目前广泛使用的除湿溶液中，l i c l 溶液以其表面蒸汽压 低、腐蚀性小等优点著称但是由于l i c i 的价格昂贵，考虑到经济性因素，可以通 过采用l i c l 和c a c l 2 混合溶液【4 】的方式来获得高性价比的除湿溶液。以上列举的只是 最具代表性的几种金属盐溶液，如何改进传统的除湿剂的性价比并寻找性能更优良 的除湿剂，是今后影响液体除湿空调发展应用地一个关键性问题。 除湿溶液的再生过程需要消耗能量，它是整个除湿冷却系统中的主要耗能点。 要提高系统的性能系数就必须设法减少再生器的耗能。再生器的分析对整个d e c s 系统来说有重要的意义。再生传质系数直接影响着再生效果，如果传质系数太小则 不能获得理想的再生效果，要达到充分再生需要提高再生温度，而再生温度过高不 3 华北电力大学硕士学位论文 仅浪费能量，还会造成溶液结晶，堵塞管路设计再生温度结合可利用热源考虑， 以往的研究结果显示，再生温度一般情况下在5 0 ( 2 8 0 c 1 5 j 较合适，这样既能满足系 统本身的需要，可以利用的热源的选择范围也比较广，使得除湿空调有更为广泛的 应用空间根据再生过程的特点，可以使用工业余热或者太阳能作为再生热源，目 前国际制冷空调学术界都在积极开展利用太阳能作为再生热源 6 , 7 , s 1 的研究工作。 2 0 世纪6 0 年代除湿蒸发冷却的概念首次提出| 9 a o l ，根据除湿所用介质的不同， 可将除湿蒸发冷却系统分为两类。一种是固体除湿冷却系统，使用的除湿介质主要 是硅胶、活性碳、分子筛等，除湿器的形式主要是除湿转轮；另一种是液体除湿冷 却系统即本文要研究的d e c s 系统，液体除湿空调系统比固体系统出现得稍晚，但 近年来受到了广泛的关注。已有的研究工作大多集中在除湿器结构、除湿性能等较 单一的方面，主要侧重于单个设备的研究，特别是针对填料式除湿塔进行分析，建 立模型并对除湿过程进行数值模拟】。目前来说，针对采用内冷型除湿器的系统研 究较少，尤其是对系统整体性能方面的分析较为缺乏。 1 3 本文的主要工作 鉴于液体除湿冷却系统具有众多优点，要使其得到推广使用还有大量的工作有 待去做，进一步研究其系统特性及性能是十分必要的。 本文的主要工作为： ( 1 ) 介绍液体除湿冷却系统的工作机理。 ( 2 ) 通过热力学分析，建立系统主要设备的数学模型。分析内冷型交叉流板 式除湿器中的传热传质过程，建立模型后对除湿过程进行数值模拟，分析除湿过程 的影响因素；建立绝热再生塔的数学模型，进行再生过程的数值模拟，分析再生过 程的影响因素；建立间接蒸发冷却器数学模型，对蒸发冷却过程进行模拟。 ( 3 ) 在建立系统各主要设备模型的基础上，采用m a t l a b 软件编制计算程序模拟 计算液体除湿冷却系统的整个空气处理过程，对系统性能进行仿真。分析系统性能 的影响因素，包括一些重要参数对最终空气处理结果的影响、对系统性能系数c o p 的影响。 ( 4 ) 为进一步提高系统性能系数引入分级除湿、集中再生的思路，并采用层 次分析法对整个系统进行优化。 4 华北电力大学硕士学位论文 2 1 系统工作原理 第二章液体除湿冷却系统的概况 液体除湿是利用某些吸湿性盐溶液吸收空气中的水分从而使空气减湿除湿器 中的除湿过程是一个复杂的传热与传质过程，传质的推动力是空气中水蒸气的分压 力与溶液表面饱和边界层的蒸汽压力之差0 4 。由于空气中的水蒸气分压力( p v ) 高 于溶液表面的蒸汽压力( p 。) ，水蒸气会由空气侧向气液两相界面的溶液一侧传递。 随着传质过程的进行，被处理空气的含湿量下降、分压力p ，减小，而除湿溶液则被 稀释、溶液表面蒸汽压力p 。增大；若气液两相接触的时间足够长，则p ，= 见= p ，( 两 相界面的平衡蒸汽压) ，两相的传递过程达到平衡。再生过程与之正好相反，稀释 以后的除湿溶液经过再生变为可重新使用的除湿剂。 经过液体除湿剂的处理湿空气变为干燥空气，但此时的空气温度还较高，往往 需要经过蒸发冷却器将除湿后的空气冷却后再送入房问。除湿、再生以及蒸发冷却 过程都需要在一定的设备中完成，这些设备就构成了液体除湿蒸发冷却系统。系统 中除湿溶液循环使用，湿空气得到干燥后再进行冷却，从而形成一个连续稳定的空 气处理过程。 2 2 系统组成 1 过滤器2 板式除湿器3 、9 溶液贮液箱4 回热器 5 换熟器6 蒸发冷却器7 水箱8 再生器 图2 - 1液体除湿冷却系统流程图 5 华北电力大学硕士学位论文 液体除湿冷却系统由液体除湿器、蒸发冷却器、再生加热器和两级换热器及溶 液泵、水泵和贮水箱等设备组成，其流程图如图2 1 所示。 在这个系统中，被处理空气经历干燥除湿和蒸发冷却两个过程。即高温、高湿 的空气经送风管道进入除湿器，除湿溶液经由溶液泵再通过液体分布器喷淋到除湿 器上形成均匀的液膜向下流动，与湿空气在除湿器内进行热质交换；由于溶液表面 饱和边界层的蒸汽压力低于空气中的水蒸气分压力，水分就由空气进入除湿溶液 中，从而达到除湿的目的。除湿后的空气含湿量降低，冷却到要求的送风状态点后， 送到空调房间；吸湿后的溶液浓度降低，经再生后回到溶液槽循环使用。 换热器5 用于对进入除湿器的浓溶液进行预冷，冷源为来自蒸发器贮水箱的冷 水。回热器4 是再生溶液的预热器，工作过程为再生后的高温浓溶液与除湿后温度 较低的稀溶液进行热交换。再生加热器用于蒸发稀溶液中的水分使其再生为可以工 作的浓溶液，以保证系统持续、稳定工作，系统的能耗大部分用于这个环节。除了 使用电能以外，加热器还可利用其它低品位能源，如用太阳能、工业余热等作为再 生热源，水泵及溶液泵为水和溶液的循环提供动力。 除湿器作为系统的核心部分，它的性能优劣直接关系到整个系统的性能。常用 液体除湿剂可分为有机类如二醇类及醇类；无机盐类如氯化锂、溴化锂、氯化钙水 溶液等，这些液体除湿剂均无毒且化学稳定性好，具有杀菌效果，缺点是有轻微的 腐蚀性。目前使用较多的除湿剂为氯化锂溶液、氯化钙溶液，它们各有优缺点；相 对而言l i c i 溶液各项性能都比较令人满意，所以本文研究的系统中采用l i c i 溶液作 为除湿溶液。 2 3 除湿冷却过程的焓湿图分析 空调的湿负荷主要来自室内的人体散湿及新风中的湿负荷，这部分湿负荷在总 的空调负荷中占2 0 4 0 ，是整个空调负荷的重要组成部分。因此除湿是空调系 统的主要任务之一。为达到同一空调送风状态，可以经过不同的空气处理途径，常 用的空气处理过程可以表示在焓湿图2 - 2 中。 目前空调系统的空气处理方式多采用表冷器冷凝除湿，这样为了满足除湿的要 求，经常要把空气降到很低的露点温度。如满足室内舒适性需求的空气温度为2 4 ， 露点为1 4 ，为了实现除湿的目的，冷冻水的温度要低n 7 ，而制冷机的蒸发温度 要低到2 5 1 2 。不难看出满足降温要求的温度要远高于满足除湿要求的温度，所以冷 源的低温要求首先是为了满足除湿要求而设定的，若只是为了降温，蒸发温度可以 高的多。为了除湿在冷凝过程中把干空气也冷到了同样低的温度，某些情况下还需 要再热来满足送风温度的要求，这也造成能量的浪费。 6 华北电力大学硕士学位论文 一一 一一 一 千球温度 图2 2 除湿冷却过程在焓湿图上的表示 表面冷却器冷却减湿一加热器再热 等焓减湿( 干式除湿) 一等湿冷却 液体吸湿剂减湿冷却 嘣 赠 加 在图2 2 中，过程一一为表面冷却器冷凝除湿、再加热至送风状态点的过 程。由于一线不与饱和线相交，即盘管表面温度不在一的饱和线上，所以 沿着一线不能进行冷凝除湿。若要将被处理空气从状态除湿到状态，先要 选定饱和线上可能有的盘管表面温度，将空气冷却到所要求的含湿量( x 2 ) 线上的， 然后沿着一线再加热到给定值。可见，这种表冷器除湿过程中要进行多余的 冷却和再热过程，多消耗能量。尽管可以将制冷机自身的排热作为再热热源或设置 热回收装置对空调系统排风中的热量进行回收作为再热热源，以尽量减少系统能 耗，但处理过程中的冷热抵消最终还是造成冷水机组的能耗较高。一是液体除 湿冷却过程，它实质上可以分解为在除湿器中等温减湿和间接蒸发冷却器中等湿降 温两个过程，由于不需要对被处理空气进行低予露点温度的降温和再热，从而避免 了冷热抵消带来的大幅度减湿和能量浪费。一采用氯化锂转轮的干式除湿【l 鲥， 不受露点温度影响，但能耗较高实际中应用的并不多。 2 4 本章小结 液体除湿冷却是一种环保节能的空调方式。它可以用一种处理过程就把空气处 理到送风状态，空气减湿幅度大，可以达到较低的含湿量，不必将空气冷却到机器 露点后再加热，从丽避免了冷热抵消的现象。与传统空调系统相比，该系统具有易 操作以及可利用低温热源等突出优点，还可有效地对排风进行热回收降低空气处理 能耗。 7 华北电力大学硕士学位论文 第三章除湿过程的分析与模拟 除湿器是液体除湿空调系统中的核心设备，它的各项性能指标直接关系到整个 系统的性能优劣。空气和溶液在除湿器中进行传热传质交换，对其中的热质交换规 律深入分析对除湿器的优化设计具有重要意义 3 1 除湿器的工作原理 3 1 1 液体除湿过程原理 除湿溶液吸收被处理空气中的水分，溶液表面的蒸汽压p l 与空气中的水蒸气分 压力p 2 之间压差是水分传质能够发生的驱动力，除湿过程中空气的水蒸气分压力大 于溶液表面的蒸汽压，水分传质发生的方向是从空气向溶液进行，发生传质的同时 水蒸气由气态转交为液态释放出大量潜热。由液体除湿的工作机理可知被处理空气 的水蒸气分压力与除湿溶液表面的蒸汽压力差使得水分传质发生；为得到最大的除 湿效果，应尽可能地减少处理空气在除湿器内的压损。随着对液体除湿技术研究的 深入，已有许多形式的除湿器被提出和研究。 3 1 2 常用除湿器的种类 目前应用较广的两类除湿器，主要是绝热型的填料喷淋塔式除湿器和内冷型除 湿器。它们的区别主要在于是否对除湿过程进行冷却。 图3 - 1内冷型除湿器结构图 绝热型除湿器在空气和除湿溶液在流动接触中完成除湿，除湿器与外界的热传 递很小，可以忽略，除湿过程可近似看成绝热过程。早期的研究主要集中这类除湿 器上，因为它具有结构简单和比表面积大等优点；但空气流动的阻力大，而且除湿 过程中水所释放的潜热使除湿溶液温度不断升高，使除湿效率受到一定限制。同时 被处理空气也是一个升温过程，后期处理要经过等湿降温和加湿冷却才能达到送风 8 华北电力大学硕士学位论文 状态点，处理过程相对较复杂。 内冷型除湿器指在除湿进行的同时，空气和除湿溶液剂被外加的冷源( 如：冷却 水或冷却空气等) 所冷却，带走除湿过程中所产生的潜热( 水蒸气液化所放出的潜 热) ，该除湿过程接近于等温或者降温过程。由于内冷型除湿过程可以有效利用回风 中的部分冷量，节约部分能源；而且除湿过程中抑制了除湿溶液的温升，使除湿效 率得到保证，是一种较为有效的除湿方法因此，近年来内冷型除湿器受到了人们 的普遍关注。本文所研究的系统中采用内冷型交叉流板式除湿器，其结构如图3 - 1 所示 3 2 除湿过程的数值模拟 3 2 1 交叉流板式除湿器的结构 t 被处理 空气 ( a ) 喷淋水除湿溶液 流空气 图3 2 除湿器示意图 交叉流板式除湿器示意图如图3 - 2 所示，它由多块平板式换热片叠在一起压紧制 成。板片由耐腐蚀材料聚乙烯制成，厚0 2 0 4 m m ，表面上带有波纹两相邻板片 的边缘衬有垫片，压紧后板间形成流体通道，且可用垫片的厚度调节通道的大小。 9 华北电力大学硕士学位论文 这些板片的两侧用刚性的端盖及用多个( 6 1 2 个) 螺栓压紧，成为一个整体。两块板 片之间的空隙与垫片共同构成流体的通道，流体由上而下或由下而上连续流动。 交叉流型板式除湿器属于内冷型除湿器i 1 ，被处理空气在平板的一侧与除湿剂 溶液直接接触从而被除湿，从空调房间出来的回风与水在平板的另一侧直接接触发 生热质交换，带走主流空气侧在除湿过程中所产生的潜热；平板两侧的流体是以交 叉流的形式流动的。这种除湿器的特点是：从室内出来的回风温度、含湿量较低， 用它与冷却水接触起到了间接蒸发器的作用，吸收除湿过程中所产生的潜热，节约 了能源，是一种更为经济的内冷型除湿器 3 2 2 模型的建立与求解 3 2 2 1 数学模型的建立 板片的两侧分别为水一空气通道和溶液一空气通道，流体除了在各自通道内进行热 质交换外，通道之间还通过板片进行热交换，如图3 3 所示 ( a ) 中心线 ( b ) 图3 3 微元控制体示意图 建立模型前的假设： 1 ) 忽略除湿器外侧散热对除湿器性能的影响； 2 ) 认为空气、水和盐溶液的流动均为稳态； 3 ) 忽略板片和液膜的热阻，认为盐溶液温度与水温相等； 4 ) 计算涉及的水和空气的物性参数保持不变； 5 ) 盐溶液的温度和水的温度只沿流动发生方向变化 1 0 兰j ! 皇垄奎堂堡主堂垡笙塞 一 将被处理空气与除湿溶液接触的一侧通道定义为一次侧，水和系统回风接触的另一 侧通道定义为二次侧。 ( 1 ) 一次侧分析 首先分析溶液一空气通道，除湿器中的热质交换过程都遵守最基本的质量守恒 和能量守恒关系式，取长度为d x 的微元体进行分析，根据微元体内的质量平衡和 能量平衡有： 溶液质量守恒 能量守恒 m 。d w p 一d i n , ：0 m ，i 一百2 所，一d h p 一坐掣+ q l ：o所p d x 一彳+ 奶刈 式中：m 。、他分别为空气和溶液的质量流量，k g s ； w 。被处理空气的含湿量，k g k g 千空气； 。、吃分别为湿空气和溶液的焓值，k j k g ； q l 除湿溶液传递给水的热量，k j 根据湿空气的传热方程有 m p d h p = 以h ( ；l t p ) d x + r mp d w p 式中：。f ，、0 分别为空气的温度和溶液的温度，； ，为水的汽化潜热，k j k g ； a 单位长度的传热面积，n 1 2 ，m ； h _ 一除湿器的板片长度，m ； 口溶液表面的传热系数，k w m 2 。 质量传递方程 m ，d w p = 叫h ( 0 一w p ) 出 式中：w 。平衡状态时空气的含湿量，k g k g 干空气； 盯传质系数，m s ： 无量纲参数定义：传质单元数形= 等刘易斯数如。： 式中：c 。湿空气的定压比热容，l d & g o 将n t u 的定义式带入上式( 3 4 ) ，得到空气含湿量的变化 ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) 华北电力大学硕士学位论文 誓= 孚( 屹1 ) ( 3 _ 5 ) 联立传质方程和热量平衡方程，并将n t u 和l e 的定义式代入可化简为 以= 号声啪，_ ) + 去( k 训出 ( 3 - 6 ) 湿空气的焓可以写成如下形式 h p = 。t p + w p ( 3 7 ) 式中：c 。- 湿空气i ：t 热容，k j k g c ； _ o 时水蒸气的焓，k j k g 。 根据式( 3 - 7 ) ，式( 3 6 ) 可以写成 譬= 号产【魄吨h 亡- 1 ) ( k 叫】 8 ) 除湿器中的热质传递过程类似于冷却塔中热质传递过程f 阁，溶液的质量流量变化可 以忽略不计，刘易斯数可以假定为1 ，由此推得 鲁= 孚( 吃, - h p ) ( 3 - 。) 以上( 3 1 ，3 2 ，3 5 ，3 9 ) 几个微分方程组成了一次空气侧的传热传质控制方程。 ( 2 ) 二次侧分析 二次空气侧的分析过程与一次空气侧类似，得到如下控制方程： 争气产“k - h , m 亡- 1 ) ( 训 ( 3 - 1 0 ) 等= 孚( w 。训 ( 3 - 1 1 ) m 专一等= 。 仔 朋，_ d h , 一掣一奶：o ( 3 1 3 ) a va y 式中：q 2 由水向二次空气传递的热量，k j ； 下角标r - 一二次卒气： 华北电力大学硕士学位论文 w 一水膜； e 计一水和二次空气的平衡状态。 补充方程：溶质质量守恒d ( m ，d = o ，；为除湿溶液的溶度 3 2 2 2 数值模拟 数值模拟过程即对以上控制方程的求解过程。由于一次空气和二次空气相对于 除湿溶液和水流的流动方向都是逆流，必须已知溶液和水流在除湿器出口的条件 才能开始沿一次和二次气流方向的计算。但因为这些条件是未知的，故采用迭代方 法求解。求解步骤如下： 1 ) 设定一次空气，二次空气的流速、温度等初始参数； 2 ) 计算无量纲参数n t u 和l e ； 3 ) 程序开始时首先假设溶液和水的出c i 温度，然后进行由下到上依次在一次 和二次气流两个正交方向上分别计算空气含湿量以及焓值。计算中忽略板片内部的 温度梯度，认为在局部范围内水温与溶液温度相等。由于主流空气平衡状态的含 湿量取决于溶液温度和它的浓度，另一迭代在各控制容积之内进行获得局部溶液温 度和它的浓度。沿除湿器板片的两侧( 在x 和y 方向) 重复以上步骤，直到板片顶端， 检验所得溶液进口温度与已知温度是否吻合，直到误差小于o 1 结束计算。 通过编制计算程序对除湿过程进行数值模拟，分析主要参数对除湿性能影响。 基本计算条件： 除湿器结构尺寸：6 0 0 6 0 0 6 0 0 m m ； 除湿剂l i c i 溶液：入口浓度4 2 ，流量0 0 6k g s ，温度3 0 ； 主流空气参数：入口质量流量0 4 k g s ，含湿量0 0 1 7 2 k g k g ， 湿空气温度r 。- - 3 3 ； 二次侧水参数：入口流量0 0 8k g s ，温度t 。= 3 0 ； 二次侧空气参数：0 4 k g s ，空气温度，= 2 8 ； 另外，在研究一个参数对除湿器性能的影响时，认为其它参数保持不变。 3 2 3 模拟结果分析 ( 1 ) 当被处理空气的含湿量发生变化时，空气在除湿器出口处的含湿量和a d 处 含湿量的关系曲线如图3 - 4 ( a ) 所示。 从图3 - 4 ( a ) 可以看到，被处理空气的入口含湿量直接影响其出口含湿量值， 除湿器入口处的空气含湿量越大，除湿器出口与入口的含湿量差值越大即除湿量越 大，除湿效果越明显，可见在高含湿量地区更有利于除湿系统的运行。此外提高被 ， 坐韭皇垄盔兰堡主堂堡垒苎 处理气流侧的传质单元数可以显著降低除湿器的出口含湿量，而传质单元数的增大 可以从强化传热，设法提高传质系数或者增加传质面积出发，也可在满足设计需要 的条件下尽量减小被处理空气的流量。 空气湿度对除湿性能的髟前( m 棚k 咖c 捌q 处理空气入口言矗量m 帅 g ) 图3 - 4 ( a ) 空气含湿量对除湿性能影响 ( 2 ) 当被处理空气温度发生变化时，空气出口含湿量和被处理空气进口温度 的关系曲线如图3 - 4 ( b ) 所示。 ，一欹空气进口温度对除湿性毙的影晌 靛处理仝气盱进口摄压忡) 图3 - 4 ( b )被处理空气温度对除湿性能影响 被处理空气入口温度提高会使空气出口的含湿量略有增大；这主要是由于空气 与溶液直接接触，环境空气温度的升高导致溶液温度升高，使得溶液表面的平衡蒸 汽压增大，减弱了除湿溶液吸收空气中水分的驱动势，结果使被处理空气的出口含 湿量增大。因此为获得良好的除湿效果，当环境中空气温度升高时，可以考虑对被 处理空气进行相应的预冷处理以保证良好的除湿效果 1 4 令盖著o=墨一捌钿茁雹r训 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 当除湿溶液的浓度发生变化时，被处理空气出口含湿量和盐溶液浓度的 关系曲线如图3 - 4 ( c ) 所示。 宅 萋 蠹 鲁 君 磊 躲置蟠积盯承厦 图3 - 4 ( c )溶液浓度对除湿性能影响 增大除湿溶液的浓度，被处理空气在除湿器出口处的含湿量明显下降，这是因 为溶液浓度增大，传质驱动力增大，可以吸收更多的水分，因此除湿量增大。当室 外空气的含湿量增大时可以通过增大除湿溶液的浓度来增大除湿量，从而使系统达 到预期的空调效果。但除湿溶液浓度也不可选的过大，否则容易引起溶液结晶，本 例中浓度最大值取在4 5 。 ( 4 ) 当两侧通道空气流量比发生变化时，一次空气在出口处的含湿量和温度 随流量比的变化曲线如图3 4 ( d ) 所示。 主丧边澎量比对被姓疆空气温漫度的彭 图3 叫d ) 两侧空气流量比对除湿的影响 将二次空气的质量流量与一次空气的质量流量之比定义为两侧空气流量比。改 变两侧通道的空气流量比，除湿效果会随之发生变化。随二次空气与次空气流量 比增大，被处理空气的出口含湿量和温度均降低。这主要是因为二次侧空气流量 售善耋一器nifi譬_劓 华北电力大学硕士学位论文 增大可以带走更多的热量，强化了一次侧的传热传质作用。 ( 5 ) 当除湿溶液的入口温度发生变化时，被处理空气在出口处的含湿量及温 度与溶液温度的之间变化曲线如图3 - 4 ( e ) 所示。 宅 量 嚣 马 暑 磊 敝矗浯瓶盯 口矗厦j 0 丹l 图3 - 4 ( e ) 溶液入口温度对除湿性能影响 从图上可以看出，除湿溶液的入口温度升高，被处理空气的出口含湿量和温度 都变大。这是因为溶液的温度升高后，溶液的表面蒸汽压升高，水分发生传质的驱 动力是空气中的水蒸气分压力与溶液表面蒸汽压的差值，溶液的表面蒸汽压升高后 传质驱动力反而减小，除湿量减小，被处理空气的出口含湿量升高。所以为保证良 好的除湿效果，一般要对再生后的浓度较高的盐溶液进行预冷却。 ( 6 ) 当除湿溶液的流量发生变化时，被处理空气的出口含湿量和温度与溶液 流量之间的变化曲线如图3 - 4 ( f ) 所示。 暑 苣 萋 器 导 喾 矗 溶液漉量对豫漫过程的影 溶液的质量谴量翩“ 图3 似f ) 除湿溶液流量对除湿性能影响 由图上看出，除湿溶液的质量流量增大，被处理空气的出口含湿量降低，温度 1 6 华北电力大学硕士学位论文 有所升高。这主要是因为除湿溶液流量增大使得单位时间气液接触表面积增大，同 时使除湿溶液进出口浓度差减小，增大了传质的推动力，故可以吸收更多的水分使 得空气在出口处的含湿量大幅降低；但空气出口含湿量下降也不是无止境的，要受 到溶液温度和浓度的限制，其极限值与溶液的平衡蒸汽压对应。由于质传递同时产 生的相变换热量超出了二次侧空气的吸热能力，所以被处理空气的温度升高。 ( 7 ) 除湿器自身的结构尺寸也直接影响其性能，自身结构的因素影响主要体 现在板长和板间距两个方面。板长对除湿效果的影响如图3 - 4 ( g ) 所示。 扳片尺寸财除涩嚣性能的影响 图3 4 ( g ) 板长对除湿性能影响 从图上看到随除湿器的板长增加，处被理气流的出口含湿量逐渐降低，并趋于 个极限值，此后出口空气含湿量的降幅逐步减缓；板长超过某一定的值时，再增 加板片长度对提高除湿效果的作用已不明显。产生这种现象的主要原因是增加除湿 器的板长会使换热面积增大，传热传质更为充分，但空气出口含湿量减小并不是无 止境的，极限是溶液与空气平衡时的含湿量。本例中除湿器的最佳板长取在o 8 m 左右。 ( 8 ) 板间距对除湿效果的影响如图3 - 4 ( h ) 所示。 从图3 4 ( h ) 看出随着板片间距增大，被处理空气的出口含湿量呈现先减小后 又增大趋势。对流传质与动量传输密切相关，其质传递强度必然与雷诺准则数( r e ) 有 关。而r e 数的大小主要决定于流速和当量直径板间距发生变化，当量直径 ( 以= 2 8 ) 也随之发生变化。随着板间距增大r e 数增大，层流区的传热传质系数 均随r e 数增大而增大，所以除湿量增大，空气的出口含湿量减小；随着板片间距 的继续增大，板间的流动由层流区向湍流区过渡，这会减弱除湿器的传热和传质效 率，空气的出口含湿量增大此后，其湍流程度越高，相对换热效果也就越好，故 空气出口含湿量又会有所下降。 1 7 磊士6盖曾t鼎舡吾暑r斛 华北电力大学硕士学位论文 拉片河砸对陡涩嚣性鲍影一 图3 4 ( h ) 板间距对除湿性能影响 在实际设计除湿器时，板间距受隔板厚度制约，可选择的范围有限。隔板太薄， 制作困难，板间距太大，又会增加换热器高度和体积，降低紧凑度。从模拟结果可 以看出，本例中除湿器板间距选在5 1 0 m m 的范围内达到的除湿效果最好。 3 3 小结 通过上述分析表明，内冷型交叉流板式除湿器能够有效地抑制除湿过程溶液的 温升，可以保证传质过程的驱动力。对于结构一定的除湿器，随着被处理空气含湿 量的增加，除湿器的除湿量增大；除湿液浓度和流量的增加也会使除湿量增大；而 被处理空气温度与除湿溶液温度的升高则会使除湿量下降。除湿器自身的结构尺寸 对其性能也有很大影响，本例经模拟计算得出：板长选择在0 8 m 左右、板间距在5 1 0 r m 之间除湿量最大，除湿效果最好。 1 8 - 薹0 j；一碧钿茁雹拉铲冒幕 华北电力火学硕士学位论文 第四章再生过程的分析与模拟 再生器是液体除湿系统中另一个主要设备；从除湿器中流出的浓度较小的除湿 溶液在再生器中蒸发掉部分水分后变成浓溶液，以保证除湿溶液的循环使用当液 体除湿空调系统处于稳定工作状态时，从再生器中蒸发掉的水分和除湿过程中吸收 的水分应该是相等的本文所研究的除湿冷却系统中再生器采用了使用广泛的绝热 式再生塔，因为它具有结构简单、再生效率高等优点。 4 1 绝热式再生器的结构 绝热式再生塔的结构示意如图4 - 1 所示。 乙 浓溶液 图4 1 绝热式再生塔的结构示意图 稀溶液从塔上部的喷嘴向下喷淋，环境空气直接或经过预热处理后采用逆流方 式经过填料床体，带走蒸发掉的水分 2 1 j 。对于填料式再生器，稀溶液在进出口的焓 增是带入的总能量，而水分蒸发吸收的潜热和空气在进出口的焓增是消耗的能量。 为保证良好的再生，保持再生器与外界绝热是必要的。再生器和除湿器具有很多相 似的特点：除湿溶液都采用了类似降膜的流动形式；溶液的流动方向相对与空气是 逆流；热量和质量传递都发生在气液两相界面上。两者不同之处在于稀除湿溶液在 再生器进口的处已具有较高的温度，溶液和空气在再生器的进出口温度变化范围较 大。 填料是再生塔的核心构件，它提供了塔内气液两相进行传热传质的接触表面， 1 9 华北电力大学硕士学位论文 按其填装方式可分为散装填料与规整填料。规整填料由许多几何形状相同的填料单 元体组成，以整砌方式排列在塔内，气液接触面积大、传质效率高，压降小本章 研究的再生器采用一种新型螺旋丝网填料，此填料属于规整填料具有质量轻比表面 积大的优点。 喷淋装置的选择在再生塔设计过程中也至关重要。规整填料对气体和液体的均 匀分布有较高的要求，要求塔内任意横截面上气液两相能均匀分布，从而实现密切 接触、高效传质如果气液分布不好则规整填料的性能很难发挥，因此在设计填料 塔时要选择与填料相匹配的喷淋装置，这里选用螺旋喷淋装置。 4 2 再生过程的工作机理 4 2 1 再生机理 再生过程是除湿过程的逆向过程，是从外界获取热量使水分从除湿溶液蒸发到 空气中的过程。溶液表面的蒸汽压p l 和空气的水蒸气分压力p 2 的压差( p l p 2 ) 仍然是 水分传质的传递势，但是溶液的再生能够发生是由于除湿溶液的表面蒸汽压大于与 之接触空气的水蒸气分压力，这与除湿过程正好相反。由氯化锂溶液的蒸汽压图可 以看出，浓度和温度是影响除湿溶液的表面蒸汽压的两个最主要因烈2 2 2 3 1 。在除湿 器中较浓的除湿溶液由于吸水稀释而浓度降低，溶液表面的蒸汽压也逐渐变大，当 它的蒸汽压高于被处理空气的水蒸气分压力时，除湿溶液不能再继续吸湿。这时将 吸湿后的稀溶液通过# l - ；b n 热源的加热升温到一定值后，引入再生器与空气接触，只 要保持q i p 2 ) 为正值，再生过程就会发生。 再生时温度高，溶液中的水分和气相平衡水蒸气压力p 的关系与吸收时相反， 操作线是在平衡线的下侧。高温时水蒸气压力变高，如果传质系数一定则能减少气 液接触面积。经验告诉我们再生侧吸湿溶液的循环量一般小于除湿侧，再生风量通 常也比较小 4 2 2 再生过程的传质传热系数 再生塔内的气液逆流接触，流动状况十分复杂，分子扩散d a b 和涡流扩散d e 在 传质过程起的作用往往是未知的，所以工程上为简化问题，把d a b 、d e 和扩散路径 的长度归纳在一起成为传质系数【l 引。由传质系数定义可以看出，传质系数与气液两 相的接触面积、溶液的性质以及两项偏离平衡状态的程度等有关。 具体就再生器而言，影响传质系数的主要因素是再生器的自身结构和除湿溶液 的种类以及填料的比表面积等，而再生过程中空气的进口参数对再生性能也有不同 程度的影响。 华北电力大学硕士学位论文 4 2 。2 1 再生传质系数 、 定义除湿溶液的表面蒸汽压力与空气的水蒸气分压力之差为水分传质的驱动 势。则可以写出再生过程传质方程： m 。= d 。z p ( 4 - 1 ) 式中：d 。平均再生传质系数，i n 2 ，s ： a 再生传质面积，m 2 ； p 一传质驱动势。 对流体沿平面流动或管内流动时质交换的准则关