开式除湿冷却型空调系统理想性能分析.pdf

第 2 3卷第 1 期 2 0 0 2年 2月 太阳能学报 ACTA ENERGI AE S O I S SI NI CA Vo 1 2 3， No 1 F e b O O 2 文章号 ： 2 S 4 - 0 0 9 6 ( 2 e 0 2 ) O 1 0 0 9 6 - 0 6 开式除湿冷却型空调系统理想性能分析 袁卫星 ， 袁修干 ， 江亿 ( 1 北 京航 空航 天大学 5系 ， 北京 1 0 0 0 8 3 ； 2 清华大学建筑技木科学 系， 北京 1 0 0 0 8 4 ) 摘要 ： 利用 热力学第二定律对热能驱动的任 意结 构型式的开式 Ji 鲁 湿冷 却型空诃 系统进行 了理论分析 ， 得到 了此 类 空调系统在可逆条件下的理想性 髓 ， 井以一 种改 进型的开式 J i鲁 湿冷却 型空诃系统 为倒 ， 模 型分析 了等效冷鼍 器 的出口气流状况 、 等效蔫发器的出 12 1 气流状况 辱条件 对系统理想 性能系 数的影响 ， 为改进 开式J i 鲁 湿冷 却型空 诃系 统 的性能提供 了有益的思路。 关t司 ： 开式 ； J i鲁 湿冷却空诃系统 理想 性曲 中圈分类 号： T KS l l 3 文标识码 ： B O引 盲 目前常用的制冷空调系统多为闭式的蒸汽压缩 式系统 ， 此类系统以氯氟烃类物质作制冷荆 ， 并且消 耗大量电能。由于面临氯氟烃类制冷剂的泄漏对大 气氧层造成破坏、 夏季空调用 电高峰造成电阿负荷 峰谷差拉大等严重问蜃 ， 因此热驱动的各种型式 空 调系统 特男 9 是可以利用低温热源驱动的开式 除湿 冷却型空调系统 引起 了国内外越来越多研究人员 的重视。此类空调有结构简单 、 节约电能 、 无需氟利 昂作制冷荆、 空调空气品质优 良等显著优点 ， 然而与 蒸汽压缩式空调系统 和吸收式 空调系统相比， 人们 对开式除湿冷却型空调 系统的特点、 性能了解还较 少 。 为 了了解除湿冷却型空调 系统的潜在性能 ， 国 外许多研究人员对除湿冷却型空调系统或其关键部 件进行了热力学第 二定律分析。Va n d e n B u l e k等 人_ 1 利用 总熵增 ” 的方法研究了转 轮式 固体除湿 器 ， 并定义 了热力学 第 二定律效率” 来衡量转轮式 固体除湿器的性能 ； Wo r e k等人_ 2 用“ 有用能” 损失 的方法研究 了硅胶吸附水蒸气过程中吸附剂( 硅胶 ) 和吸 附 质 ( 水 水 蒸 汽 )的 热 力 学 性 质 。此 外 ， Z L a v a n等人 利用热力学第二定律对常压下的简 单开式除湿冷却 型空调 系统进行 了分析 ， 利用他们 定义的开式 除湿冷却 型空调 系统的 等效 冷凝 温 收一日期 2 0 0 1 0 2 - 0 7 度” 、 。 等效蒸发温度 ” 和“ 等效发生温度 ， 类似于闭 式吸收式制冷循环分析的方法得到了系统不依赣于 除湿荆种类 的理想性能系数 但他们所研究的系统 是 同时只有一种“ 冷凝” 气 流流人、 流 出状况和一种 。 蒸发 气流流人、 流出状况 的简单 系统。本文则在 此基础上， 通过直接求解热力学线性方程组 得到了 给定外畀条件下、 任意塑式 ( 包括简单塑) 开式除湿 冷却型空调系统的理想性能 ， 并与热能驱动的闭式 循环空调系统的理想性能进行 了对 比， 从而增加了 对开式除湿冷却型空调系统理想性能的了解。 1 热能驱动闭式吸收式镧冷空调系统 的最佳性能 为了对 比， 首先研究热能驱动的闭式循环制冷 空调系统 ， 如吸收式制冷空调系统 ， 其能量平衡和熵 产方程可 以分男 0 写成 Q +Q = Q +Q。 ( 1 ) S ： 出 ： 譬+ 争一 一 譬 ( 2 ) o E A c 经过对 以上两式的变换 ， 可得其性能系数为 C O P ： 马 rL + T爰 一 排 T T T 一 E Q G ( 一 E) Q o 如果闭式制冷空调系统的各部件熵产之和为零 维普资讯 1 期 袁 卫星等 ： 开式除湿 冷却 型空调系统理想性艟分折 并且制冷机的吸收温度和冷凝温度相 等， 均为环境 温度 ， 则其理想性能系数为 个一个 个 C OPi d , = 1 G 1 C = COP03 尸 ( 4 ) 这时可认为闭式制冷空调系统是 由卡诺循环的 理想热机驱动逆卡诺循环 的理想冷机所组成的， 高 温热 源、 低 温热 源和 环境 温 度分 别 为 T T 和 Tc 。 文献 4 的计算 表明： 在蒸发温度一定 的情况 下 ， 对于同样的发生温度 ， 如果冷凝温度降低 ， 吸收 式制冷机 的理想性能系数 随之提高 ； 而发生温度提 高 ， 同样也会使吸收式制冷机的理想性 能系数随之 提高。但冷凝温度对吸收式制冷机理想性能系数的 影响 比发生温度更为明显 当冷凝温度由 4 0 降低 到 3 0 时， 理想性能系数 可以提高约 8 O ， 而发生 温度需要从 8 O 提高到 1 4 0 ， 才能得到同样的效 果 。 在发生温度一定的情况下， 对于 同样的蒸发温 度 ， 如果冷凝温度降低 ， 吸收式制冷机的理想性能系 数也随之提高 ； 而蒸发温度提高 ， 同样也会使吸收式 制冷机的理想性能系数随之提高， 而且 随着冷凝温 度的降低 ， 蒸发温度 的变化对 吸收式制冷机的理想 性能系数 的影响也更为显著 。 2 开式除湿冷却型空调系统的理想性 能 系数 开式除湿冷却型空调系统的结构原理图可以抽 象表示成如图 l所示。气流分为流人系统 的 蒸发” 气流 E 、 “ 冷凝” 气流 c和“ 再生 气流( 水流) mG 以及流出系统的 蒸发” 气流、 “ 冷凝” 气 流和“ 再生” 气流 ； 另外还有相态变化 的水 m， 流人 系统并 以水 蒸汽的形式流出系统。 2 1 筒单开式障噩冷却型空调 系统的理想性能 系数 如果将开式除湿冷却型空调系统看作一个控制 容积 ， 如图 l 所示的系统， 根据热力学第一定律 、 热 力学第二定律及水分 的质量守恒 ， 可以得到以下 3 个方程 ： m。( h 5一h6 )+ E( hl一 2 )+ c( 3一h 4 )+ 7h 7= 0 ( 5 ) mG ( s 5一 6 )+ E ( s 1 一s 2 ) + c( s 3一s 4 )+m7 s 7=0 ( 6 ) E( d 1 一d 2 )+m c ( d 3 一d 4 )+m7=0 ( 7 ) 如果将简单开式除湿冷却型空调系统等效看成 由蒸发器、 冷凝器和再生器组成的系统 ， 并将其人 口 和出口气流状况综台考虑 ， 可以推导出该系统的“ 等 效” 蒸发温度、 冷凝温度和再生温度。简单开式除湿 冷却型空调系统“ 三器 的“ 等效 温度可以按下式计 算 T ： ( 8 ) 一 一 咖 系统的 3 个等效温度算 出以后 ， 就可参照闭式 循环制冷空调系统理想性能 的计算公式 ， 对开式除 湿冷却型空调系统 的理想性 能进行分析。Z L a v a n 等人利用此方法对简单开式除湿冷却型空调系统的 理想性能进行了计算和分析。 2 2复杂开式除湿冷却星空调系统的理想性能系 数 本文主要研究单一热源情况下， 同时有多个不 同的人口和出口气流条件( 相当于多个等效蒸发器、 多个等效冷凝器 ) ， 如图 2所示的复杂除湿冷却型空 调系统的理想性能系数 。 根据热力学第一定律 、 热力学第二定律以及进 入 、 流出系统的水分质量守恒 ， 可以得到以下分析复 杂除湿冷却型空调系统性能的方程组 。 系统能量守恒方程( 热力学第一定律) ： m s ( g 一 ) +m ( 一 h e ,i,o u t ) + m 。 ， ( h c l_ 一h 伽 t ) + h =0 ( 9 ) 系统熵增方程( 热力学第二定律 ， 理想条件下系 统总熵增为 0 ) ： g ( s s g ，o I| c ) + e ，1 ( s ， s c _ i，o I|t ) I =1 + ( s c J _】口 一 s “ _o m ) + s =0 J= 1 ( 1 0 ) 系统 中水蒸汽质量守恒方程 ： e ， 1 ( d e ，1 d 吡 ) + | 1 维普资讯 太 阳 曲 学 报 2 3 卷 圈 1 开式豫混冷却型 空调系统原理图 Fi g 1 Op e n - c y c le d e s l e e a m c o o l i n g s y s t e m 水 水 图 2 复杂踩湿冷却型空调系统等效部件 圈 Fi g 2 Ge n e r a l Op e n - c y c l e d e s i c c a n t c c o li n g s yst e m m 。 ( d lj l 一 d e ,i , ) +m =0 ( 1 1 ) 不失一般性 ， 如果 = 且 叭 1 n， 且组成一组常数( 1 ， ，卢 j ， ) J ， m。 = 7 i m j= l m， 组成一组常数 ( 1， 2 ， y 3 ， ) J ， 将方程( 9 ) 方程( 1 1 ) 两端分 9 除以 m“ ， 得 到三个 无 量纲 的流 量变 量 mE m ， m c l 1 m ， m m ， 则利用这 3个方程可以得到唯一一组解。 因而复杂开式除湿冷却型空调系统可逆条件下的理 想性能系数可以表示为 p i ( h h ) C OPi d 0 p= 。_ 一( 1 2 ) - ( 。 一 ) m 1 类似于文献 3 的分析 ， 同样可以按式 ( 8 ) 得到 复杂开式除湿冷却蛩空调系统的 3种 等效 温度。 2 3 复杂开式障沮冷却型空调系统曩蕾性能计算 本文以一种如图 3所示的改进型复杂开式除湿 冷却空调系统为倒， 计算该系统在不同入口、 出口气 流状况下的理想性能系数。 1直接式求蒸发冷却嚣2间接式水薰 发玲却器 3显热交换器 I 4显热交换嚣 I I 5除覆 嚣6加 热器 图 3 改进 型除湿冷却空调 系统 工作原理 F i g 3 S c h e ma t i c o f I mp r o v e d 0p c y de De s i c c a n t C o li n g S y s t e m( I OD C S ) 经过分析 ， 根据流入、 流出系统气 流的状 态特 点 ， 可以将该系统看作由一个等效蒸发器 ( a l点为 蒸发” 气流入 口、 f 点为出口) 、 3个等效冷凝器 ( 对 应的 3组“ 冷凝” 气流入和出口分别是 8 1点和 j 点， g点和 i 点 ， a 2点和 l 点) 和一个再生器组虞。其中， 蒸发器的入 口气流流经系统后被冷却 焓值降低； 而 冷凝器的出口气流焓值高 于入 口气 流焓值 ， 将系统 产生的热量散出。按 照本文上节 给出的方法 同样 根据热力学第一定律 、 热力学第二定律和流入 、 流出 系统气流中的水份质 量守恒方程， 以及 系统入 出口 气流流量间的关系 g = f ， m= ， m 2 = 小 可以得到求解此复杂开式除湿冷却型空诵系统理想 性能系数的方程组 ( 式中下标字母表示图中对应 的点) 。 ( m ) m m +( 2 h a ) + +( )= 0 ( s m_s n )m m f +( 2 s ) m f +( 5 B )= 0 ( 1 3 ) ( 2 + 等+ ( ： 0 曲 嘣 嘲 维普资讯 1 期 袁卫星等 ： 开式障湿冷却型空词系统理想性 瞻分析 求解该方程组， 得到 m mf ， 即可得到该 复杂 除湿冷却型空调系统的理想性能系数 ，一L 、 COP ， 。 p： 一 ( 1 4 ) ( mh a ) ， 一 为了同条件下进行比较， 本文根据文献 3 给出 的工况条件对改进型除湿冷却空调系统的理想性能 进行计算。各人 、 出口状况( 干球温度 ， 舍湿量) 分别 为 ； a 1和 丑 2点 ( 3 5 ， 1 4 g k g ) ， g点 ( 2 6 7 C， l l g k g ) ， f点 ( 1 6 7 C， 9 g k g ) ， l 点 ( 4 3 3 ， 2 0 g k g ) 。 发生器人、 出口热豫水温为 8 2 2 和 7 6 7 C。在这 几组参数中， 如果只改变其中的某组参数即可 以得 到不同的空调工况。解方程组( 1 3 ) 并根据式( 1 4 ) 即 可求出此改进型开式除湿冷却型空调系统在给定空 调工况下的理想性能系数 。其它参数值不变， 当 3 个冷凝器的 2种出口状况( 出口状况 1对应 i 点， 出 口状况 2对应 l 点) 分别变化时， 该系统 的理想性能 系数随之改变 ， 计算结果如图4 图 5所示。 l 3 l 4 1 5 1 6 1 7 1 8 狰凝器 1 出口古湿量 ， 冒 - k 囤 4 玲凝器出 口气巍状况 l 对改进型开式除显玲却 型空调系统理想 C OP的影响曲线 F i g 4 I n fl u e n c e 0 f o u d e t c o n d i t i o n 1 o I c o n d e n s e r o l li d e a tCO P o fI ODCS 对于冷凝器出口状况 1变化的情况， 由图 4可 知 ： 当气流温度一定时， 随着气 流含湿量的增 高， 即 图 3所示改进型除湿冷却空调系统中间接水蒸发冷 却器效率的提高， 系统的理想性能系数也随之增高； 而当出口气流含湿量一定时 ， 系统 的理想性 能系数 随出口气流温度的升高而降低。 对于冷凝器出 口状况 2变化 的情况 ， 由图 5可 知： 当出口温度一定时， 随着冷凝器出 口状况 2中气 流含湿量的增高， 系统的理想性能系数先升高后又下 降 ， 说明冷凝器 出口状况 2对应有最佳的出口含湿 量 ， 即在改进型除湿冷却空调系统中， 除湿器再生侧 出口气流含湿量对应有最佳值， 这也说明在特定的除 湿冷却空调系统中并不是踪湿器将需处理气流的含 湿量处理得越低越好。改进型除湿冷却空调系统的 理想性能系数同样随冷凝器出 口状况 2出口温度 的 升高而降低 ， 这说明应设法降低冷凝器出口状况 2的 出口温度 ， 即应该设法提高除湿器的传热系数以提高 系统的性能系数。此外 ， 还可以发现： 对于冷凝器 出 口状况 2中不同的气流出口温度 ， 其最大理想性能系 数对应的最佳 出口气流含湿量不同， 随着气流出口温 度的升高， 出口气流最佳含湿量升高， 这说明如果 除 湿器的再生气流侧 出口温度较高， 为得到最佳的理想 性能系数 ， 则其 出口含湿量也应设法随之提高， 即其 除湿效率应随之提高。以上的计算分析结果为除湿 冷却型空调系统中关键部件除湿器、 间接水蒸发 冷却器等的合理设计提供了思路。 冷凝器2 出口含混量 g - k g - 图 5 冷凝器 出口气流状况 2对改进塑开式除湿冷却 型 空调 系统理想 C O P的影响曲线 Fig 5 I n fl u enc e o f o u t l e t c o n d i ti o n 2 o fn d e n s e r O i li d e a l CO P o fI ODC S 当改进 型除湿冷却型空 调系统的其 它条件一 定 ， 等效蒸发器出口气流的状况变化时， 系统的理想 性能系数也随之改变 ， 如图 6所示。由图 6可知 ： 同 简单开式除湿冷却型空 调系统一样 ， 改进型脒湿冷 却型空调系统当蒸发器出 口气流温度一定 时， 随着 蒸发器出口气流含湿量的增加 ， 系统的理想性能系 数也随之增加 ， 且当蒸发器出口气流温度升高后 ， 其 含湿量对系统的理想性能 系数的影响增强 ； 与简单 开式除湿冷却型空调系统不同的是 ， 改进型除湿冷 却空调系统当蒸发器出 口气流含湿量一定时， 随着 蒸发器出口气流温度的升高， 系统的理想性能系数 单调升高， 并且当出口气流的含湿量较大时。 气流温 度升高会使系统的理想性能系数显著增大。 0 8 6 4 2 0 8 6 4 2 0 嚼嚼端 皤 娃 娃 娃 娃 娃 粕 嚣嚣瓣 净 持 岸 牟 6 5 4 3 2 1 0 9 8 啦嚼辚幡 维普资讯 l 0 0 太 阳 扼 学 报 2 3卷 蒸发器出口-a i l 窖 圈 6 蔫发器出 口流状况对改进型 开式除湿狰却 型空调系统理 想 c o P的影响曲线 F i g 6 I n fl u e n c e o f o u t l e o n d t l o n o f e v e p o l t o r i d e e l co P o fI ODC S 根据 以上的计算结果和对简单开式除湿冷却型 空调系统的计算_ 4 J 可以发现： 在系统蒸发器和再生 器人、 出口条件相同的情况下， 改进型开式除湿冷却 型空调系统与简单开 式除湿冷却 型空调系统相 比 理想性能系数大幅度提高， 这主要是因为改进型除 湿冷却空调系统增加 了两个 “ 冷凝器” ， 充分利用 了 进入系统气流的不饱 和程度 ， 进一步降低了系统的 “ 等效冷凝温度” ， 加强 了系统的“ 冷凝散热” ， 从而使 改进型除湿冷却型空调系统的理想性能显著提高。 对 于其它结构 型式 的开式除湿冷却 型空调系 统， 同样可以利用本文提出 的方法对系统进行热力 学第二定律分析 ， 并得到衡量系统潜在性能的理想 性能系数。 3绪论 通过对开式除湿冷却型空调系统以及闭式吸收 式制冷空调系统的最佳性能系数 的推导和计算可以 发现 ： 开式除湿冷却型空调 系统与闭式吸收式制冷 空调系统相 比， 其最佳性能系效不仅和气流的干球 温度有关 ， 而且与气流的湿度有密切关系 ， 这主要是 因为开式除湿冷却型空调系统充分利用环境空气的 不饱和程度对处理气流进行冷却 因而在空气湿度 较低的气候条件下， 开式除湿冷却型空调系统将会 有更好的理想性能系散。在当前 的技术条件下， 开 式除湿冷却空调系统的性能系数距离其理想性能系 数还相差很远 ， 因而还有很大的提高、 改进余地。本 文的分析方法和结果 ， 对研究除湿冷却型空调系统 所适用的气候条件 以及不同气候条件下应采取的系 统结构塑式提供了有益的参考 。 符 号 C O P-性能系数， 制狰量与系统j 膏 人热能之比 一逆循环 焙( k l k g ) d 古湿量 ( k g k g ) Q热量 ( k J ) m 质量 流量 ( k g s 。 。 ) 温度( ) s r一 墒 ( k l k g ) 下标 C， r一 玲凝器 一 暇 收器e q 一等效 E， 广蔫 发嚣 d - - 理 想 G， r发生器 m 圈 2中蔫 发嚣序号 i ， i n -人 口 O e o L _ r一 出 口 n _ 一 田 2中冷麓器序号 一永 参考文献】 1 V a n d e nB u i c kE Kl e i n SA e t - 1 S e c o n dL a wA m y ei s 4 3 5 - 4 4 0 o f S o l i d D e e e a l l t l t a r y D e h n i 啪 J of o l i r 3 L e v an Z ，Mo n n i e s J - B Wo r e kW M S e c o n d L a 霄 A I 1 a 1 E n e s S E n e i n e e r g ，1 9 8 8 ，1 1 0 ( 2 ) ： 2 -9 y s i s o f D e c c R n t C o o ! n g s J J o f S o l a r E n e r g y 【 2 wo 咄W M e t a 1 T h e r m y n e ml c P f 0 p e r c e s of Ad E n g i n e e r i n g 1 9 8 2 ， 1 0 4 ( 8 ) ： 2 2 9 - - 2 3 6 s o r b e d Wa t e r o I l s m 髓 G e l ：E x e t g y L o e s e s i n Ad i a b a t i c 4 寰卫星 混 合式空调系统及鲦置 技术研究 R 博士后 S o r p d o n n鹃 J J of T b 町” 叩h y 妇 ，1 9 9 1 ，5 ( 3 ) ： 研究报告 ， 北京 ： 清华大学 热能工程 系， 2 0 O O 赫峨翟掣辘剧端峨 维普资讯 1 期 褒卫星等； 开式腺显挣却型空调系统理想性能分析 1 0 1 I DEAL PERF0RM ANCE ANALYS I S F0R GENERAL 0PEN CYCLE DES I CCANT Co0LI NG S YS TEM Yu a n We i x i n g Yu a n Xi u g a n ， J i a n g yi 2 1 - D e p t 5 ，B e l j i n gUn i v e i t y o fA e r o As t r o ， ij i n g1 0 0 0 8 3 ， ； 2 脚 o fB u i l d l n gTe c h S c i e n c e ，T a i n g h u a Un i r s i t y ，且 抽 1 0 ) 0 8 4 C h i n a) Ab s t r a c t ： I n t h i s p a p e r ，s e c