研究太阳能的干燥剂干燥对中央空调系统节能的作用

1、研究太阳能的干燥剂干燥对中央空调系统节能的作用口 yutong : yang hongxing摘要这篇论文介绍的是开式循环液态干燥剂t燥系统数值模拟仿真结果，尝试获得太阳能辅 助空调系统中故好的结构，同时验证使用液态干燥剂干燥系统对潜在负荷的处理和对hvac 系统能源效率的改进的町行性。首先，基于一个太阳能集电极的稳态仿真模型，这些能源的 性能对于利川废气来再生弱解干燥剂，同寸加热这些溶液使温度比那些已经验证过的长度各 异的集电极的平均值更高是有影响的。它的热力学性能被进行了重要的改良，而且很有可能 在不川人幅度降低性能的询提卜-缩短太阳能的c/r的长度。第二，开式循环液态干燥剂干 燥系统的i

2、瞬变性能可以川來模拟否港的气象条件。这种能源节省系统与惯常的蒸汽组合系统 相比，节省了 2550%。在换气总负荷中，潜在负荷所占比例越高，能源越节省。介绍舒适的空气调节一般包插通过处理周围空气來控制温度，湿度和洁净度。在一个很热 很潮湿的气候里如香港，为了完成这样的尝试，一个惯常的空气调节系统经常需要除湿和再 次加热，这就需要更多的能量和更昂贵的初期投资。一个独立的液态t燥剂干燥系统能够从 空气调节试验屮分离出潜在负荷。这种液态干燥剂干燥系统可以设计成能处理全部换气潜在 负荷。在减湿器中，液态干燥剂如吸湿盐或乙二醇首先干燥新鲜空气。然后与废气混合进行 进一步的加工来消除明显的负荷。正如图1所示

3、，干燥过程的能量消耗受干燥剂再生过程的 控制，这个过程只盂要一个低级的能量资源，无论是余热还是太阳的热量。在热带或亚热带 地区，人阳能已经被证实是一种可用的能源山于它的丰富和无需运费。通过在hvac中合 并一个独立的液态干燥剂干燥系统，制冷系统中的蒸发器的运行温度会更高，所以制冷系统 处于空口状态的全部cop能更进-步得到改善。而且，液态干燥剂能够更高效得除去空气 屮的细菌和粉尘。50(10*-00- -50d0' 6 .ickio - .1&10*4 1 訥8朋88阿砂當豔jjiwwq oogo。solution inlet temperature 70x2solution

4、inlet temperature 64 vsolution inlet temperature 33 5*c-20x10 »|i |1|01234 distance from inlet (m)图1.制冷剂冷冻过程和常规空气处理过程对比曲线图图3沿者四米长的太阳能c/r蒸汽蒸发速度由于以上的优点，太阳能液态干燥剂干燥或制冷系统对于hvac的应川正在变得越 来越有吸引力。一系列的仿真和实验旨在研究太阳能空气调节系统的町行性和最好的潜在构 型。各类符号名称cp 比热容 rj/kg ° clda水蒸气扩散系数 m2/se圆柱减湿器湿气效率gs干燥剂溶液流速kg/msh对流传热系

5、数kw/rwkhd对流传质系数kg/m25hg,hg.内部和外部对流传热系数kw/m? ki辐射在集电极上的a阳能w/mdm液态溶液的质量摩尔数mol/kg h2oma空气流速kg/m scd湿空气的温度比rkg/kg dax当地位置o波耳兹曼常数n太阳能c/r的效率九水的蒸发热kj/kga热导率kw/m kt 吸收器表面的吸收系数§表而发射系数p 密度kg/m3mcvp吸湿率kg/mp压力k paqrad从极板到玻璃盖的饰射传热w/m2qsky从玻璃盖到天空的辐射传热w/m2qh电子加热器的能量消耗rw/m2re雷诺数t温度lcx蒸汽分数y空气屮水的摩尔数lk mol/k modc

6、ollier利用实际气彖数据为美国的五个城市模拟和分析了一个开始循环吸收制冷系统。 虽然当与惯常的太阳能的吸收冷却系统相比，这个实验的结果让对这儿个城市映像深刻，但 是在潮湿气候里为了性能这个太阳能的c/r的氏度要相当长。从台湾来的两个研究人员， ru yang和pai liu设计一个9米长的太阳能c/r。a阳能的c/r的性能与系统的性能紧密 相关，而月.这种双层强制对流的太阳能的c/r在潮湿的气候下也能运行良好。khalid ahmed et al.进行一项关于开式蒸汽吸收系统和液态干燥剂系统的混合系统的研究。在这个研究中 获得的cop比在传统的蒸汽吸收系统中要高大约50%o上述的文献调杳显

7、示了开式制冷、干燥技术在潮湿气候中运用的可能性。然而，早期的 工厂管理人员也透露为了达到空气调节的测试效果这种太阳能的c/r需要和当的长。当制 冷剂的溶液流速保持在最小值，等于112kg/hr m,那么这种太阳能的c/r的长度肯定是在 11-56米长为最佳。这些长度比常规的人阳能集热器中的c/r的长度要长得多，而且在大部 分普通的建筑屋顶结构中对能是长度人不相同的结合在一起。所以非常有必要改进这种系统 的性能和缩短c/r的长度。在这个研究中，两个改良方案被捉出來使太阳能的利用达到最大 化，同吋缩短c/r的长度。被提议的这个系统的瞬间反应在关于香港天气问题的月刊上被分析。2 系统描述独立的液态干

8、燥剂干燥系统由两个循环组成：一个是空气干燥循坏，一个是气态干燥剂 t燥循环。图2显示了开式太阳能液态干燥剂干燥系统的系统原理图。这两个循环通过两个 溶液槽连接在一起，这两个溶液槽分别是强解槽和弱解槽。在减湿器中，这种强的液态干燥 剂溶液从包装材料的衣面空气中吸收水蒸气。接着从减湿器的底部稀释加床进入到弱解槽筹 待再生。强解溶液的流速随室外空气湿度比的变化而变化。在再生循环系统屮，弱解在向太 阳能c/r去的过程中经过交流换热器。止如询而所提到的，弱解慢慢的流到集电器的斜而, 那甲被太阳能辐射加热，同时水蒸气被释放到了空气中。图2.太阳能液态干燥剂干燥系统的原理图3最佳化的太阳能c/r在一些出版物

9、中介绍的许多种增强性能的方法很有效，如double-glazed,加压气流，交 流换热器，极小解流速和最优化空气流速。集中于两个重要因素上，一个是入口溶液温度, 另一个是入口空气湿度比率，更多性能增强方式都存在丁这篇文章中來最大限度得运用太阳 能辐射和缩短太阳能的c/ro3.1太阳能的c/r模型的发展考虑到蒸汽压力在干燥剂溶液和气流中的区别，在太阳能的c/r长度稳定的条件下建立 了一个模型。在研究屮，这些不同的控制气液混合运行系统的方程根据那些特殊的特性进行 了一些修正。孔h（）-吹-珂）心一叽（5+打5）吒二必6 -爪人匚）+兄施化人）一也 山"g, °化=0问+比（7；

10、 -tj-兀化-7；）-2灯dx几 5化二时忆-丫"dxmaqrad和qsky分別是从c/r的表|侨到玻璃表面和从玻璃表|侨到天空的热辐射，能够通过下(5)儿个公式被求得:qs严咙仗-琮）这里的tsky是通过tskv = 0.0552 x t；5这个公式得出的o在上述的控制方程屮，水的汽化潜热、溶液和再生空气的热容暈都被假定为常数。太阳 能c/r的后部热散失仍然是一个被忽略的问题，口从c/r的后部能很好地绝热，热散失对 太阳能c/r的性能的影响已经相当显苦了。在干燥剂溶液薄膜和气流间的强制对流传热系数能够从下列各项中计算出来。 在层流中（rex < 50. 000）my.=0.

11、332（rej%（pr）%（7）在湍流中（rex=5x105-3x107）n/ =0.0292(re 护-(pr)用当地的怒赛特数代替制用的平均怒赛特数能更好得得出与长度相关的一些结果。当地 的质量传递系数通过chilton-colburn的分析得出：h这个一维的稳态模型可以通过四等runge-kutta图解來解释，它使得液态干燥剂溶液和 空气的湿度和能量平衡成为一体。市于进口条件和儿何形状的不同而处在不同位置的太阳能c/r可以通过这个数字模型来推算出空气和液态干燥剂的温度、大气湿度和液态干燥剂的浓 度。当前的研究用惯常采用的licl-h20来作为工作流体。它的工作状态下的蒸汽压力范围 可以通

12、过patil的经验公式来计算。3.2入口溶液温度在香港的空气调节系统中，太阳能的c/r的优化是在当地的气象条件下进行的，那里的 太阳能强度为500w/m，周围的干球温度为33.5°c,相对湿度为65%,空气湿度比为 0.0214kg/kgda.o在所有的案例中，溶液流速都被控制在0.0055kg/mso从图3显示的结果，我们可以看到溶液进口温度对蒸发率的作丿u。干燥剂溶液的平衡温 度在64°c左右，也就是说在太阳能c/r的前缘溶液从这个温度开始吸收能量。当入口溶液 温度低于这个值时，干燥剂溶液的蒸汽压力也低于大气压力。c/r的这部分情况不会有助于 干燥溶液的再生试验，实际上

13、干燥剂溶液在这部分己经被稀释了，而且需要增加c/r的长 度來抵消这个负而影响。当溶液进入太阳能c/r的温度比平均温度要高，在进口区山于蒸 汽热损失，蒸发率急剧变小。在入口区的下游，熬发速度慢慢地变到了一个相对稳定的值, 其它的太阳能c/r也维持在这个值上。从入口处开始不同入口溶液温度的熬发速度的区别 变得很不显著。图4解释了不同长度的太阳能c/r的入口溶液温度和平均蒸发速度的影响。它说明了在 香港的设计温度条件下，当入口溶液温度上升到75°c,全部c/r的平均蒸气流速也达到一 个相同的值。我们可以推断出如果升高入口溶液的温度，使得该温度比平均温度还要高就能 有效得增加蒸发速度和减小太

14、阳能的c/r的长度，却不用增加太阳能的总面积。然而，即使在溶液再牛循环中当溶液预热时的能量消耗能够通过米取再牛式热交换粘来减少,增加入 口溶液温度和缩短太阳能c/r的长度将直接导致增加电能的消耗在加热和溶液的抽送上。问题就是怎样控制另外的能源消耗在考虑到当地气象条件的对接受水平上。这一点将会衣f 文中进一步深入讨论。33入口气温和相对湿度通过保持其它参数不变，入风状态对太阳能c/r的性能的影响可以通过使川四组空气状 态來计算：设计的空气条件(t=33.5°c,rh=65%,d二0.0214kg/kg da),废气的状态 (t=25°c,rh=55%,d=0.0109kg/k

15、g da)高温度和低 iii 对湿度(t=35°c,rh=55%,d=0.0196 kg/kg da),低温和高相对湿度(t=25°c,rh=80%,d=0.016kg/kg da)。在图5中直接指出了利用废气来再牛干燥溶液这一优点。当废气被提供给太阳能c/r,4米长的太阳能c/r的水蒸发的量几乎等于一个八米长的c/r设计条件下的量。换句话说,仅仅从废气中获取能量就能把太阳能c/r从八米缩短到四米。因为废气的潮湿比要比周围 空气的潮湿比低得多，所以対于再生弱解來说废气是-种理想的能源。104311044(h1043 slid430-kt42 何2o10415r1(f1(m1

16、0450r10*length of the soiar c/r i m:(giwea 巧a多oqilo*-2 oilo* 訂© length “ 5 5异-o- length of or cmv 歹a length of or 4<n0 lenqihof or 2w i i1 i i i45505560687075inlet solution temperature c图4入口溶液温度和平均蒸发速度图5.空气温湿比和不同长度的蒸发率一些研究高温空气的早期研究人员曾报道过周围空气温度的作用是加强大气层与干燥 剂溶液薄膜z间的质量传递潜能来产生较好的太阳能c/r的性能。如图6所示，

17、当空气温 度加热到一个较爲的温度时这种改善就一定会存在，但是蒸发速度的改善仅仅是在数量级 10-7-10-6kg/m2s内变化。考虑到钱小性能的改善，预热空气对能不经济除非有免费的热源 能够提供热量。4 太阳能的液态干燥剂减湿系统的瞬态模拟图2显示的就是被提议的开式循环太阳能液态干燥剂干燥系统。为了分析香港每一个小时的典型气彖资料，对这个系统的分析已经通过爆炸性模拟程序完成了。这个系统的瞬变性 能通过应用能源和保持质量平衡的强弱干燥剂溶液槽进行数字化描述。这个模拟实验的时间 步是从一分蚀后开始显示充足详尽的信息的。溶液流速对系统性能的彩响已经被早期的研究学者所证实，最小流速和湿润度与c/r表

18、曲的光滑度有紧密的联系，而且能够产牛最适合的性能。根据在出版物中报道的实验结果， 不同的实验表明最佳的流速变化在io-3okg/m hr的范围内。在这个研究屮，弱解的流速被控 制在().0055kg/m .s (等于20kg/m hr),这个是太阳能加热器的正常流速。在进入太阳能c/r 前，弱解溶液通过电子加热器进一步加热以确保弱解进入c/r时能够快速得吸收热量。这 种煉减湿器的模型源于tsair-wang chung的出版刊物，同时选则环形的煤层底板的软炭质 页岩来作为密封材料。农格1模拟系统的参数参数数值单位太阳能c/r的血积40m2溶液的太阳辐射吸收量0.8c/r的上釉厚度0.05mc/

19、r的溶液流速0.0055kg/ms热交换器效率0.7弱解初始温度周围空气的温度°c弱解初始浓度28%wt%弱解初始蓄积1m3强解初始温度周围空气的温度°c强解初始浓度28%wt%强解初始蓄积1m3室温设定值25°c室内相对湿度设定值55%除湿溶液泵的功率260w再生溶液泵的功率18()w经营期8： 0016： 00h新鲜空气流速0.0111m3/s每人人类活动的潜在负荷1.39e5kg/s每人在瞬态过程分析中，空气与干燥剂溶液流量两者间的传热与传质系数都是为适合假定长 度的太阳能c/r的每个吋间段而选定的。总的电能消耗和辅助热能是通过总结计算吋间段 的电能消耗获得

20、的。相关的参数都被列在了表1中。这个仿真程序预言了三月和十一月这一 时间段内的空气调节系统的性能。5 仿真结果和结论瞬态模拟研究的h的是评估任何一个太阳能c/r的季节性效率和整个系统内不同长度的太阳能c/r的性能的使用系数。这种c/r的效率可以根据下式计算得出:(10)式中的九是从溶液薄膜到空气流的水蒸汽的汽化潜热(kj/kg)o水蒸气从溶液薄膜中蒸发出来能用下面的方程式计算:(11)这个系统的cop 口j以用下式计算:cop =f 4qh + pelec(12)这里的pclcc是泵和系统风扇的电能损耗,7570890555045觸»刃a9p/6m-unoulv uoqqiodoal

21、ljog«a< aqq8mcnt) whhout auxibary heater o whhamluary heater图7.辅助加热器和蒸汽速率图6.空气温度和蒸发速率为了进一步估计入口溶液温度的作用，有辅助系统加热器和没有辅助系统加热器这两个 系统被分别女装在四米长的太阳能c/r上用每小时的气彖资料进行比较。就一切情况而论 模拟结果显示，经营期从三月到十一月，辅助加热器对每h再牛效率的影响不明显，如图7 所示。这个改进的范围在5.112.7% (2.086.55kg/day)o这个可以通过一个事实解释清楚, 那就是当太阳照射强度相对比较低时，辅助加热器主要在8： 00-18

22、： 00这一时间段打开。 这些改进在两小时内都不能较大得影响每日再生率。然而，山于为加热溶液的能源损耗是系 统能源输入的重要组成部分，cop人幅度得降低，这个能在图8屮看出。因此似乎只要是 在人部分时间里人阳强度够高就最好不要在仿真模型中用辅助加热器。然而，对那些有连续阴雨天的气候，辅助加热器是一个能确保系统继续运行的垂要组成 部分。每h的溶液再生率和毎h的潜在负荷在图9表示出来，图中表示的分别是2米、4米和8米的c/ro仿真结果显示对于长度各异的c/r來说，溶液再生率能够满足从三月到十一月的潜在负荷的要求。对丁 2米长的c/r,搭配不当的溶液再牛率和潜在负荷发牛在五刀、六月、九月和十月,而且

23、每天短缺分别为4.16kg/day> 17.7 kg/day> 3.26 kg/day和6.96 kg/day。 without ausbary heater o with auxilary m«ater图9每日的再生率与每ii的潜在负荷i10000 acq二length of c/r 2m length of c/r 4mlength of c/r 8m:q daly latent loadabpct工cnoluv uoqejod导山 j2bm<d6ejaa< a-raojta l£tat'f匸t>-uall- all 71/1/1/

24、1/1/1/j/1/1/1/4/1/1/1/1/1/1/i/1/i/»/147month10图8.在cop上的辅助加热器性能当c/r的长度延仲到8米，在六月的潜在热负荷就不能得到充分的满足。考虑到季节性储 水量的作用，潜在负荷通过此前被提及的系统得到满足，这个系统里的三个典型太阳能c/r 都没冇额外的能量输入。lengthof c/r 2molengthof c/r 4mlengthof c/r 8m81012141618time of th© dayaouqqe2 §elos alo 工图10.六刀典型h子里太阳能c/r的效率当三个典型太阳能c/r的季节性平均效

25、率分别为0.221、0.233和0.261,相应的季节性每天干燥剂再生率分别为46.6 kg/day、49.1 kg/day> 55 kg/day0图10中表示的是小时太阳能c/r效率，先是逐步增长在中午达到顶点，然后再慢慢地下降。这个结杲是能量在太阳 辐射为太阳c/r上的热量损失的平衡产牛的效果。8米长的太阳能c/r的效果要比另外两个 的好。虽然根据再生率和每h效率在三个典型的人阳能c/r间没有a大的区别，当考虑到 泵的能量损失，长一点的太阳能c/r的优点会更明显。这三种典型的太阳能c/r的总而积 相同，那么缩短太阳能c/r的长度就意味着增加太阳能电池板的数量。宽度相同的太阳能 c/r

26、被给予一个已知的溶液流速，2米长的太阳能c/r所需的溶液是8米长的太阳能c/r的 四倍左右。这可能导致cop在长度不同的太阳能c/r上的显著差异。更长一点的太阳能c/r 看起来似乎更完美一点只要它能够与建筑物的屋顶结构完整结合。根据这个结论，接下来的 能源节省估算就以8米长的太阳能c/r为基础，因为它仃最高的能源性能。6 能源节省估算和比较为了避免从逑筑物外売得到的显著负荷的复杂计算，两个显热因子等于房屋内的显热负 荷除以总热量，用它们两个来描述高潜在负荷和低潜在负荷的两种状况。为了显示使用高温 冷冻水的优点，冷却器的普通运行条件（冷水温度在32°c;冷冻水温度在7°c）下的cop定 在5.4,同时前血被提到的干燥剂干燥运行条件（冷水温度在32°c;冷冻水温度在18°c） f 的cop为7.1。在liu and jiang的出版物中有更多的详细的信息。太阳能干燥剂干燥系统和常规的蒸汽组合系统的每口损耗能量都被列在图11、12上了。 如功率被定在440瓦的泵和风机，仅仅是液态干燥剂干燥系统的能源输入，与常规的蒸气压 缩系统相