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1、利用冷凝热实现溶液再生实验研究及理论分析摘要：在热泵驱动溶液除湿空调系统实验平台上，以低浓度的LiCl水溶液作为再生溶液，对利用冷凝热实现溶液再生过程进行实验研究。首先根据实验得到了耦合传热传质系数的关联式，然后对修正后的NTU-Le模型在利用冷凝热实现溶液再生过程中的适应性和准确性进行验证，接着利用修正后的NTU-Le模型研究了空气、溶液入口参数对溶液再生过程的影响，最后计算分析不同冷凝热处理方式对溶液再生量和冷凝热再生利用率的影响。结果表明：空气和溶液温度对再生性能的影响较大，传质系数分别增加3倍和降低84.7%，再生量分别增加80%和1.25倍。采用溶液冷凝器和空气冷凝器相结合的双冷凝器
2、结构，能够使冷凝热的利用更加有效，有利于系统的优化研究。关键词：冷凝热；再生；传热；传质；数值模拟Experimental investigation and theoretical analysis for liquid desiccant regeneration with utilization of condensation heatZENG Taiye1, ZHANG Xiaosong1, CHEN Yao1(School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu, China)A
3、bstract: To investigate the heat and mass transfer performance on regeneration process using condensation heat, experiments were performed in a hybrid air-conditioning system using LiCl solution with low concentration as the liquid desiccant. Empirical correlations coupling heat and mass transfer co
4、efficients were presented, and the calculation results from the corrected NTU-Le model was compared with experimental data to verify the accuracy and suitability of the model. Then，regeneration performance of liquid desiccant was studied base on the corrected NTU-Le model. Finally, the effects of di
5、fferent condensation heat distribution on condensation heat utilization rate were calculated. The results show that，the air and solution temperature had a great impact on the regeneration performance. The mass transfer coefficient was increased 3 times and decreased 84.7% respectively, and the regen
6、erated rate was increased 80% and 1.25 times respectively. A double-condenser, one solution-cooled and one air-cooled, is a feasible configuration for achieving more efficient utilization of condensation heat.Key words: condensation heat; regeneration; heat transfer; mass transfer; numerical simulat
7、ion0 前言传统压缩式制冷空调系统有大量的冷凝热直接排入大气，即造成了能源的浪费，而且对环境产生了严重的热污染，因此，国内外学者对冷凝热的利用回收进行了大量的研究。鉴于溶液除湿空调系统具有可利用低品位热源、提高室内空气品质、高效蓄能、设备结构简单、维护方便和成本低等优点1-2，国内外学者又将传统的制冷空调系统和溶液除湿系统结合起来3-4，以低品位的冷凝热作为再生热源，实现溶液再生，达到节能、舒适和环保的目的。高煜等5建立了溶液再生式蒸发冷凝器实验台，分析了空气风速和溶液质量流量对再生过程传质系数的影响，并回归得到溶液再生过程传质系数的关联式。Zhang等6指出在系统的冷凝热多于溶液再生所需热
8、量的工况下，采用空冷冷凝器辅助或者水冷冷凝器辅助的方法能有效的利用冷凝热，提高再生性能。Niu等7研究了HPLD空调系统中冷凝热量与溶液再生所需热量的动态匹配关系，指出热泵中采用溶液和空气共同处理冷凝热的方法最有利于实现热量的动态匹配。She等8分别对LiCl、LiBr、CaCl2三种常用溶液除湿剂的溶液再生效率与系统冷凝温度和溶液浓度的变化关系进行了理论分析，并总结出使系统COP达到最大值的溶液浓度和冷凝温度的匹配关系式。基金项目：国家自然科学基金项目（51376044）。迄今为止，利用冷凝热实现溶液再生的研究已经很多，但是侧重点大部分集中在冷凝热利用率和系统性能的研究9-10，而对利用冷凝
9、热实现溶液再生过程的耦合传热传质特性研究还存在不足。另外，以往大多数HPLD系统使用的溶液浓度较高11-12，而对低浓度溶液再生过程的耦合传热传质系数研究存在不足。随着热泵与溶液除湿系统相结合的不断发展，系统使用的溶液浓度也在降低，因此对低浓度溶液再生过程的耦合传热传质特性分析存在着实际意义。鉴于以上研究的不足，本文在热泵驱动溶液除湿自主再生空调系统（HPLD-SR）实验平台上，采用溶液和空气共同处理冷凝热的方式，对低浓度溶液的再生性能进行研究。通过实验得到耦合传热传质关联式，然后对修正后的NTU-Le13模型在利用冷凝热实现溶液再生过程中的适应性和准确性进行验证；分析各参数对利用冷凝热实现溶
10、液再生过程的影响，最后研究溶液和空气对冷凝热的不同利用方式对溶液再生性能和冷凝热利用率的影响。研究结果为后续如何充分利用冷凝热，优化HPLD空调系统的性能提供参考依据。1 实验测试系统及实验热平衡分析1.1 热泵驱动溶液除湿空调系统实验平台 HPLD-SR空调系统如图113所示，主要包括再生溶液自循环、除湿溶液自循环、浓稀溶液级间交换循环和制冷剂循环。系统采用LiCl溶液作为除湿剂，采用R134a作为制冷剂。该系统利用低温、低浓度的除湿溶液进行除湿，除湿之后的部分稀溶液与再生自循环的溶液进行混合，然后利用冷凝热实现溶液再生。从图1可以看出热泵系统采用溶液和空气共同处理冷凝热的双冷凝器结构，由于
11、受到溶液冷凝器尺寸和溶液流量、温度的限制，溶液往往不能处理所有的冷凝热，因此本文采用风冷冷凝器利用空气处理部分冷凝热，从而提高再生性能。1.2 实验测试仪表利用冷凝热实现溶液再生过程中，通过调节风机风阀开启程度来控制空气流量，通过调节管道上阀门的开启程度来控制溶液泵运行状态，达到调节溶液流量的目的。实验中所用到的测试仪表及其精度如表1所示。1. 再生器; 2.再生溶液箱; 3,13.溶液泵; 4.溶液冷凝器; 5.空气冷凝器; 6.热力膨胀阀;7.蒸发器; 8.压缩机; 9,10.风机;11.除湿器; 12.除湿溶液箱; 14.经济器图1 热泵驱动溶液除湿自主再生空调系统Fig.1 The s
12、chematic diagram of the HPLD-SR system with experimental setup表1 实验参数测量装置Table 1 Specification of different measuring devices仪表名称类型精度范围热电偶T型，Omega Engineering, Inc 0.5-200350温湿度传感器奥地利 E+E1602.5%RH/0.31095%RH、-1560风量计KIMO-CP3003%222m3/h电磁流量计上海科旗，采用聚四氟乙烯防腐1%08m3/h卤素水分测量仪MT-HX204，最高加热温度2300.5%MC0.1200g
13、1.3 再生器能量平衡实验研究再生器及其填料结构如图2所示，填料采用规整填料（蒙特GLASdek）。为了方便机组的风道布置，减少占用空间，设计溶液与空气接触的流型为叉流。溶液由溶液输送管道首先送入再生器上方的布液槽内，在布液槽与填料之间设有开有均匀小孔的布液板，能够保证布液槽内的溶液均匀流入填料中。填料的整体外形尺寸和具体结构参数如表2所示。利用冷凝热实现溶液再生过程中，再生器内的温度远比环境温度高，再加上再生器难免会存在漏风的情况，因此再生器并不能保证完全的绝热，这就会导致参数的测量存在一定误差；另一方面，测量仪器在测量实验数据时也会出现一定的偏差。所以，需要对冷凝热利用溶液再生过程实验数据
14、的能量平衡进行检验，从而证明实验数据的可靠性。图2 再生器及其填料结构示意图 Fig.2 Physical diagram of regenerator图3给出了冷凝热利用溶液再生测试数据组的能量平衡计算结果。该结果显示98 %以上的实验数据的空气与溶液的能量平衡误差小于20%，而总体误差的平均值为8.97%，说明实验整体测试结果可靠，并且再生器绝热条件得到保证。表2 再生器外形尺寸及其所使用填料结构参数Table 2 Boundary dimension and packings structure parameter of regeneratorH/mW/mL/mw/m2m-3h/mb/m
15、S/mde/m0.80.550.64500.00950.050.0110.012 数学模型及传热传质关联式2.1 修正后的溶液再生耦合传热传质数学模型本文利用冷凝热实现溶液再生的实验数据直接从机组整体测试中获得，该测试系统无法控制调节单一变量的恒定，改变溶液和空气的任何一个参数，都将会引起其它参数的变化，无法直接测试单一变量对再生过程的影响，因此数学模型的建立就尤其重要。NTU-Le模型对溶液除湿、再生过程的计算分析起到了关键的作用，并且已经得到了广泛的应用14-15。修正后的NTU-Le模型13的完整描述如下： 图3 再生实验数据热平衡分析 Fig.3 Thermal balance between air and desiccant solution for all the experimental runs空气焓变的完整公式： （1） （2）式中 （3） （4）式中
