可利用低品位热能的双级除湿冷却式空调系统_张欢.pdf

第 2 6卷 第 1 0期 流体机械 品位热能的双级除湿冷却式 空调系统 天津 大学张欢 香港理 工大 学牛建 磊 摘要建立了一 个可利用低品位热能的双级除 湿冷 却式空调 系统及其数学模型 , 并用该模型模拟香 港一办公楼作为新风系统的除湿冷却式空调系统 。 计算机模拟结果显 示 : 双级系统所 需的再生温度仅为5 9 . 0 C , 较单级系统低2 4 . 2 ; 该 系统可以很好地与 冷幅射天花 板系统配合使用 , 从而实现显热与潜热 的分别除湿 , 提高温湿度的控制精度 ; 而且由于机械制冷仅仅被用于消除显热 , 所以可以提 高制冷 系统的蒸发温度从而提 高制 冷系统的性能系数 。 关键词 低品位 热能除 湿冷却空调 1 问题 的提出 除湿冷 却式空调通常 由除湿 剂吸湿 、 除 湿剂 再生 、 蒸 发 冷却及 热交 换等过 程组成 , 这 里被 处 理空气的潜 热处理 靠除湿 剂吸湿来完 成 , 显热处 理靠 蒸发冷 却来完 成 。这 是一 种利用各种热 能进 行除湿的方 法 , 而且昂贵的蒸汽压缩 制冷被廉价 的蒸发 冷却 制冷代 替了 。 这种 方法以其节 电 、 无 C FC越来 越受 关注 。 被处理空气再生 空气 1 1 1 个 s 图 1 是除湿冷却式空 调系统的工作原理图 。 有两股气流通 过该系统 , 状态 3 的被处理空气是 空调送 风 , 状 态8的再生 空气被 排 到环境 中 , 它 带走了被处理空气的负荷 及 输入系统的热能 。 除 湿冷却式空调系统有 许 多种形式 , 本文将要讨论 的 系统(图l )只是 其 中一种 。 图 2 是 该 系统中空 气的状态变化 过程 在 i 一d 图上 的表示 。 r - -一一-一-一一- - 一一一一一-叼4 0 除湿转 轮 1 7 空气加热器 / 1_ 、 _ 2。 ) / l 认、 、 l 、 6 、 l 七 5、节 之 一二三渔3 二一 之怕7 击着 4 1 l 二 二 _ _ _ 生足 蒸蒸发冷却器器 图l 单 级除 湿 冷却 式系统 工 作 原理 105090 干球温度() 图 2 单级 除湿冷却式 系 统空气状 态变化过程 然而 , 除湿冷却式空 调 系统中除湿转轮的再 生温度 通常在9 0 C 以上 , 这 就使 得 低品位 热 能 本研究项目为香 港理 工大学 资助 项 目 收稿日期 : 1 998一05一03 流体机械 1 9 9 8 年 10 月 的利 用受到限制 。 因此 , 如何 降 低再生温度以利 用低品位 热 能是一个 值得 探讨的问题 。 有人研究 吸湿 材 料对再生温 度的影 响 l : , 本文则 从另一个 角 度探讨降 低再生温 度的方法建立一个可 利用低品位 热能的双级除 湿冷却 式空调 系统 。 每级 除湿 转轮的再生温 度相等 时 , 这 个再生 温度 最低 。 丫十训 “动 己 入 二毕 川吩加 n , 2 双级除湿 冷却式 空调系统的流 程 外 :漩、 .4 7 每 . 兰绪 . 、 图 5 3 5090 千球温度() 双级除 湿 冷却式 系统空气 状 态 变化过程 蓬 数 学模型 丫 侧 十 的进。三 洲巴 绷 如 105090 干球温度() 图 3 理想多级除湿冷却式系统被 处理空气状 态变化过程 被处理空气 再生空气 3 1 除湿转轮 2 、3 设被 处 理空气 进 人和离开除 湿 转 轮的状 态 点 分 别为 “s e ”和“51” , 再生空 气进 人和离开除湿 转轮的状态点 分别为 “re”和“r l”。 除湿 转轮的效率 被定义为 、 , 了 、 、产.产 1191CJ 了f、了、 一一第 一级除湿转轮轮 第第一级热交换转轮轮轮第一级空气加热器器 v , l 长荞会 抓贵染 卜 一级。发冷却叫 “ 室外空气 第第二级空气加热器器 其中人 , =一2 8 6 5T厂 , +4 34 4w , 0 . ”6 24 、,一 瑞 一1 127W ;一 (4) 第二级热交换转轮 第二级蒸发冷却器 个 6 图 4 双级除 湿冷却式系统工作原理 假 设 被 处 理空气 无限多次 交替 经 过 除 湿转 轮 除湿和显 热交 换转 轮冷却 , 则 被处理空气的状 态变化 过程近似 等 温减湿 过程 , 在其它条件 相 同 的情 况下 , 这种无限多级 除湿冷 却式空调 系统的 再生温 度是 最低的 , 图 3 是该 系统被处理空气的 状态 变化 过程在i一d图上 的表示 。 图 4 是双级 除湿冷却式空调系统的工作原 理图 。 图 5是 该系 统 中空气的状 态 变 化 过程在 i一d 图上 的表示 。 式 中 T , 空气 在 , j”点 的温 度 , K w , 空气在 “i”点 的含湿 量 , kg/kg 3 . 2 显热 交换转轮 设冷 流体 进人和离 开显 热交 换 转 轮的状态 点 分 别 为 “c e”和“d”, 热流体进 入和离 开 显热交 换 转轮的状态 点分 别 为 “he”和“h l” 。 显热 交换 转 轮的效 率 被 定义为冷热流体间 实际的换 热量与可能的最大换热量之比 , 即 孤 C * (t *。一犷、) C, n , 二(th。一 t : 。) (5) 热 流体的热 容C * 为 : C =m *c户 (6) 式中 m 。 热 流体的质量流量 , kg/ s c妙 热流体的比热 , kJ/kg C 冷 流体的热 容C 为 : C c一朋c c 声 (7) 第 2 6 卷第 10 期流体机械 47 体 式 中 m : 冷 流体的质量 流量 , kg/ s cP c 冷流 体的比热 , kJ /kg C 式( 5)中 , C 。是 C * 和 C 。 中数值 较小的一个 。 通常m * 与 m : 相等 。 如 果忽略冷 、 热流体比 热的差异 , 则由式(5 ) 可得 0 . 00 0 022 w , =w 一 石丁丽正 灭工 厄 =0 . 0 089(kg/kg) t r 一t 石z t , 一t, t, 流体 在 “i”点 的温度 , C (8) 式 中 对显热冷却和加热过程 , 含湿量w为 常数 w *, =w 月 (9) w 。= w 。, (10) 3 . 3 蒸发 冷却器 设空气 进人和离开蒸 发 冷却 器的状态点 分 别 为 “e”和“1”。 蒸发冷却器的效 率被定义为 : 设 除 湿 转 轮的效率价 l、 伽分 别 为 0 . 07 和 0 . 7 0 ; 热 交换 转轮的效 率 为 0 . 80 ; 蒸 发冷却 器的 效率为 0 . 8 0 。 再生 空气 为室 内回风 , 被处 理空气 为窒外新风 。 每股 气流的质量 流量相等 。 由式(1 )一(1 2)可计算出双 级 除湿 冷却式空 调系统各 状态 点的状态参 数 。 计算结果 见 表 1 。 表 1 双级除湿冷却式空调系统运行参数 t , 一t z t , 一t ”记甲 (1 1) 式 中 乌空气在 , j”点 的温度 , C t、进口空气的湿球 温度 , 一 C 蒸 发冷却过程 中 , 焙 h 近似常数 h , 一h l (1 2) 4 设计实例 以香 港一办公楼空调 系统 为例 。 冷幅射天花 板系统被采用 , 除湿冷却 式系统与之配合 提供新 风 。 由于冷 幅射天花板不能除湿 , 故 全部 湿负荷 由除湿冷却式 系统 承担 。 香港 夏季室外干球温 度 3 3 . 2 C , 夏 季室外 湿 球温 度 2 6 . 1 C川 。 室内设计 温度 2 4 C , 相对 湿 度6 0铸 , 新 风量 0 . o0 8m “/s 人 5 j 。 办公室的湿 负荷只有人 体 散湿 , 每 个 人散 发的潜 热为5 5W , 则散 发的湿量 为2 . 2x10 一kg / s 1 j 。 设室内 、 外空气的状态点 分别为 “i” 和 “0”, 送风状 态 点 为 “s” 。 室内空气 的含湿量为 w , =O 01 1 2kg/kg 室外空气 含湿量 为 : w 。= 0 0184kg/kg 维持 0 . 0 1 1 2kg/kg 的室内含 湿量所 要求的 送风 含湿量为 : 状状 态 点点温度度含 湿 量量烩烩 ( ( ( ( (C) ) ) (kg/kg) ) )(kJ/kg) ) ) 被被 处理空气气 3 3 . 2 2 20 . 0184 4 480 . 3 3 3 室室外外 47 . 5 5 50 . 0134 4 482 . 2 2 2 第第一 级 除 湿转轮后后 31 . 5 5 50 . 0134 4 465 . 8 8 8 第第一级热交换转轮后后 4 5 . 2 2 20 . 0 08 9 9 968 . 1 1 1 第第二级除湿转轮后后 24 . 8 8 80 . 0 089 9 94 7 . 4 4 4 送送风风风风风 再再生空气气 24 . 0 0 00 . 0 1 12 2 252 . 5 5 5 室室内内 1 9 . 7 7 70 . 0129 9 952 . 5 5 5 第第二级蒸发冷却器后后 40 . 1 1 10 . 01 29 9 973 . 3 3 3 第第二级热交换 转 轮后后 59 . 0 0 00 . 0129 9 992 . 6 6 6 第第二 级空气加热器后后 45 . 3 3 30 . 01 75 5 590 . 3 3 3 第第二 级 除 湿转轮 后后 3 3 . 2 2 20 . 0184 4 480 . 3 3 3 室室外外 27 . 5 5 50 . 0207 7 7 80 . 3 3 3 第第一级蒸发冷却器后后 43 . 5 5 50 . 0207 7 79 6 . 9 9 9 第第一 级热交换转轮后后 5 9 . 0 0 00 . 0175 5 5104 . 6 6 6 第第一级空气加热器后后 4 4 . 9 9 90 . 02 24 4 4102 . 8 8 8 第第一级 除 湿转轮后后后后后 双 级除湿冷却式空调系统的制 冷 能力 为 : ,、 ., =h ; 一h : =3 2 . 9(kJ/kg) 输入双 级 除湿冷 却式空调 系统的再生热 为 g 。 ., =h l ; 一h l。+ h , 一h : =3 3 6(kJ/kg) 式 中h j 气流在 , j”点 的熔 值 , kJ/kg 双级 除湿 冷却式空调 系统 的性 能系数CO尸 为 : c o 尸一旦 :型止一0 . 9 7 9 q 。 .t 对单 级除湿冷却 式空调 系统 所 作的类似 计 算结果见 表 2 。 流体机械 1 9 9 8 年 10 月 表 2 单级除湿冷却式空调系统运行参数 状状态点点温度 度 含 湿 量量熔熔 ( ( ( ( (U) ) ) (kg/kg) ) )(kJ/kg) ) ) 被被 处 理空气气 3 3 . 2 2 20 . 0184 4 480 . 3 3 3 室室 外外 6 1 . 6 6 60 . 0 08 9 9 984 . 8 8 8 除除湿转 轮 后后 2 8 . 1 1 10 . 008 9 9 950 . 8 8 8 送送风风风风风 再再生空气气 24 . 0 0 00 . 0 11 2 2 252 . 5 5 5 室室内内 1 9 . 7 7 70 . 0129 9 95 2 . 5 5 5 蒸蒸发冷却器 后后 53 . 2 2 20 . 0129 9 986 . 8 8 8 热热交换转轮 后后 83 . 2 2 20 . 012 9 9 91 17 . 4 4 4 空空气加热器后 后 54 . 6 6 60 . 0224 4 41 13 . 0 0 0 除除 湿转轮 后后后后后 单 级除 湿冷却 式空调系统的制冷 能力 为 : 叮、 ,: =h l 一h 3 =29 5(kJ/kg) 输人单级 除 湿冷却 式空 调和系统的再生热 为 g ,。 ., =h 7 一h 6 =30 6(kJ/kg) 式 中 h , 气 流在 “i”点 的焙值 , kJ/kg 单 级除湿冷却 式空调系统的性 能 系数C(尸 为 c o 尸皇 二吧竺一0 . 96 4 q i, .5 5 结论 (1 )双 级除 湿冷 却式空调 系统的性能 系数 为 0 . 9 7 9 , 较 单 级 高 0 . 01 5 , 而所需 的再生温 度为 5 9 . 0 C , 较 单级 低2 4 . ZC 。 较 低的再生温 度使低 品位热 能的利 用成 为可能 。 4 7 . 4kJ/kg , 较室内空气 低 5 . IkJ/kg , 可见 双 级 系统可承担 部分热负荷 。 (3 ) 双级除湿冷却 式空调 系统可提 供 湿度足 够 低的送风 , 以承担 全部 湿负荷 , 因此可 与 冷 幅 射天花板系统很 好地匹配 , 从而实 现显热与潜 热 的分别 处理 , 提 高温湿 度的控制精 度 。 而且 由于 机械 制冷仅 仅被用于消除湿 热 , 所以可适 当提 高 制冷系统的蒸发 温度 , 从而提高 制冷系统的性 能 系数 。 参考文献 1 Collie rRK , C o he n B M , S l osbe rg R B . D esie- c ant ProPe rtiesan d their ef fe etso n the p e r- f orman eeof de sie e ant eo olin g sysrems . Pro - e e edin gs of the 1989Inte rn atio nal G as R e - s ear eh Co nfe r ene e 2 B a n k s PJet al . C oup led h e atand m as str ans- fe rinfluidfl owthroughporous m edia一an alo - g ywith he at tr ansfe r . Proeeed ing4th In t . H e at T ra ns C o n f . , V ll , C T3 . l , E l s evie r , Am - sterdam: 1970 3 M a elaine一Cros s I L , Bank s PJ . Co u pledhe at an dm a ss tr ansfer in regenerator s p r edietio n u sin g ananalo gywithhe at tr ansfer . Int . J . H e at 15 : 12251 241 4 ASH R A EH an d b o ok , F un d amentals . 1997 : 26 、 31 5 A SHR A E Standa rd55 一1 99 2 :5 ( 2 ) 双级 除湿冷 却 式空调系统的送风温度 为 张欢