冬季工況下入口參數(shù)對(duì)再生器性能的影響*

李永存 陳光明 張紹志 唐黎明

(浙江大學(xué)制冷與低溫研究所，浙江杭州310027)

再生器可應(yīng)用于化工、空調(diào)、熱回收等領(lǐng)域［1-3］，已有諸多研究者對(duì)其性能進(jìn)行了研究.Liu等［4］研究了當(dāng)入口空氣溫度為28.6～36.4℃時(shí)再生器入口參數(shù)對(duì)再生量和再生效率的影響;Nelson等［5］研究了采用LiCl溶液作為再生溶液且入口空氣溫度為30～40℃時(shí)入口參數(shù)對(duì)再生量的影響;Sultan等［6］研究了以CaCl2溶液為工作流體、入口空氣溫度為63～113℃時(shí)再生器入口參數(shù)對(duì)出口空氣和溶液參數(shù)的影響;李永存等［7］研究了入口空氣溫度在-12～-4℃之間時(shí)再生量和再生效率隨空氣和溶液參數(shù)的變化規(guī)律;Li等［8］分別研究了夏季工況下入口空氣溫度為44.14～46.72℃和冬季工況下入口空氣溫度為4.42～9.98℃時(shí)的再生器性能;Martin等［9］研究了以三甘醇(TEG)為再生溶液、入口空氣溫度為30～50℃時(shí)再生器入口參數(shù)對(duì)再生量和再生效率的影響;Longo等［10］研究了再生器入口空氣溫度為48.2～50.1℃時(shí)入口參數(shù)對(duì)再生器性能的影響;牛潤(rùn)萍［11］研究了再生器入口空氣溫度為29～34℃時(shí)入口參數(shù)變化對(duì)再生器性能的影響;Pietruschka等［12］研究了采用溶液除濕的空調(diào)系統(tǒng)特性，但也僅限于對(duì)夏季工況的研究.

目前，對(duì)于再生器在冬季工況下入口參數(shù)對(duì)出口空氣與溶液參數(shù)的影響研究，以及冬季工況下入口參數(shù)與再生量及再生效率之間的關(guān)系還未見有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道.這就導(dǎo)致目前無法根據(jù)冬季工況下再生器的性能參數(shù)來進(jìn)行再生器的設(shè)計(jì)、運(yùn)行等.為了獲得再生器在冬季工況下的性能參數(shù)，文中搭建了冬季工況下溶液再生器性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究了冬季工況下入口溶液及空氣參數(shù)對(duì)出口空氣及溶液參數(shù)的影響，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了再生量和再生效率的關(guān)聯(lián)式，以期為再生器在冬季工況下的設(shè)計(jì)、運(yùn)行等提供依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)裝置

冬季工況下入口參數(shù)對(duì)再生器性能影響的實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖1所示.該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)各入口溶液和空氣參數(shù)的控制與調(diào)節(jié)，數(shù)據(jù)可自動(dòng)采集并存儲(chǔ).

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental device

本實(shí)驗(yàn)中溶液再生器采用填料尺寸為400mm×300mm×500mm的逆流式再生器.填料為一種新型表面帶親水材料的波紋板填料，再生溶液為L(zhǎng)iCl水溶液.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 入口溶液和空氣參數(shù)對(duì)出口參數(shù)的影響

根據(jù)文獻(xiàn)［13］和本次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可知，在單次噴淋實(shí)驗(yàn)中出口溶液濃度基本保持不變，所以出口參數(shù)的測(cè)定主要是指出口空氣溫度(ta，o)、出口空氣含濕量(da，o)及出口溶液溫度(ts，o)的測(cè)定.實(shí)驗(yàn)工況如下:入口空氣溫度(ta，in)，-12～-4℃;單位面積空氣質(zhì)量流量(ma，in)，2.14 ～2.41 kg/(m2·s);入口空氣含濕量(da，in)，1.430 ～1.751 g/kg;入口溶液溫度(ts，in)，33～41℃;單位面積溶液質(zhì)量流量(ms，in)，1.77 ～ 2.43 kg/(m2·s);入口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)(ωs，in)，32.0% ～38.0%.當(dāng)以上參數(shù)中的任何一個(gè)發(fā)生變化時(shí)，其余參數(shù)保持以下設(shè)定值不變:入口空氣溫度，-8℃;單位面積空氣質(zhì)量流量，2.22 kg/(m2·s);入口空氣含濕量，1.751 g/kg;入口溶液溫度，37℃;單位面積溶液質(zhì)量流量，2.11 kg/(m2·s);入口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，33.5%.

2.1.1 入口空氣質(zhì)量流量對(duì)出口空氣和溶液參數(shù)的影響

圖2所示為入口空氣質(zhì)量流量對(duì)出口空氣和溶液參數(shù)的影響.由圖2(a)可知，當(dāng)單位面積空氣質(zhì)量流量增加時(shí)，出口空氣溫度、出口空氣含濕量均降低.這是因?yàn)榭諝赓|(zhì)量流量增加時(shí)，空氣流經(jīng)再生器的流速增大，單位質(zhì)量的空氣在再生器中與溶液進(jìn)行熱、質(zhì)交換的時(shí)間縮短，傳熱與傳質(zhì)過程進(jìn)行得不充分，因此再生器出口空氣的溫度和含濕量均降低;由圖2(b)可知，單位面積空氣質(zhì)量流量的增加使得單位時(shí)間內(nèi)溶液有更多的熱量被空氣吸收，所以溶液出口溫度降低.

圖2 入口空氣質(zhì)量流量對(duì)出口空氣和溶液參數(shù)的影響Fig.2 Effect of inlet air mass flowrate on outlet air and solution parameters

2.1.2 入口溶液質(zhì)量流量對(duì)出口空氣和溶液參數(shù)的影響

入口溶液質(zhì)量流量對(duì)出口空氣和溶液參數(shù)的影響如圖3所示.由圖3可以看出，出口空氣溫度、出口空氣含濕量以及出口溶液溫度都隨入口單位面積溶液質(zhì)量流量的增加而升高或增加.溶液質(zhì)量流量的增加提高了再生器中溶液的流速，縮短了溶液在再生器中的熱質(zhì)交換時(shí)間，使得再生器內(nèi)溶液的溫度升高;在溶液濃度一定時(shí)，溶液溫度越高，其表面水蒸氣分壓越大，因而質(zhì)傳遞的驅(qū)動(dòng)力增大，再生器出口空氣含濕量增大，溫度升高.

圖3 入口溶液質(zhì)量流量對(duì)出口空氣和溶液參數(shù)的影響Fig.3 Effect of inlet solution mass flowrate on outlet air and solution parameters

2.1.3 入口空氣溫度對(duì)出口空氣和溶液參數(shù)的影響

圖4給出了入口空氣溫度對(duì)出口空氣和溶液參數(shù)的影響.由圖4(a)可知，出口空氣溫度和出口空氣含濕量隨著入口空氣溫度的升高而升高或增加.隨著入口空氣溫度的升高，溶液和空氣間的傳熱溫差減少，再生器內(nèi)溶液的平均溫度升高，出口空氣溫度升高，溶液出口溫度也升高，如圖4(b)所示;再生器內(nèi)溶液平均溫度的升高增大了溶液表面水蒸氣分壓，溶液與空氣間質(zhì)傳遞驅(qū)動(dòng)力增加，出口空氣含濕量增加.

2.1.4 入口溶液溫度對(duì)出口空氣和溶液參數(shù)的影響

由圖5(a)、5(b)可知，出口空氣溫度、出口空氣含濕量、出口溶液溫度隨著入口溶液溫度的升高而升高或增加.入口溶液溫度的升高增大了空氣與溶液之間的傳熱溫差，所以出口空氣溫度升高;而且，入口溶液溫度的升高使得溶液表面水蒸氣分壓增大，從而增加了質(zhì)傳遞的驅(qū)動(dòng)力，出口空氣含濕量增加.入口溶液溫度的升高幅度要大于空氣從溶液中帶走熱量的增加幅度，所以出口溶液溫度升高.

圖4 入口空氣溫度對(duì)出口空氣和溶液參數(shù)的影響Fig.4 Effect of inlet air temperature on outlet air and solution parameters

圖5 入口溶液溫度對(duì)出口空氣和溶液參數(shù)的影響Fig.5 Effect of inlet solution temperature on outlet air and solution parameters

2.1.5 入口空氣含濕量對(duì)出口空氣和溶液參數(shù)的影響

入口空氣含濕量對(duì)出口空氣和溶液參數(shù)的影響如圖6所示.由圖6可以看出，出口空氣溫度、出口空氣含濕量以及出口溶液溫度隨著入口空氣含濕量的增加而升高或增加.入口空氣含濕量的增大減小了溶液和空氣之間的質(zhì)傳遞驅(qū)動(dòng)力，使得溶液中水的蒸發(fā)量減少，空氣含濕量的增幅減少，但由于入口含濕量增大，所以出口含濕量仍然增大.溶液中水的蒸發(fā)量減少則熱質(zhì)交換過程中吸收的潛熱量減少，所以出口空氣溫度和溶液溫度均升高.

圖6 入口空氣含濕量對(duì)出口空氣和溶液參數(shù)的影響Fig.6 Effect of inlet air humidity ratio on outlet air and solution parameters

2.1.6 入口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)出口空氣和溶液參數(shù)的影響

圖7給出了入口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)出口空氣溫度和含濕量以及溶液出口溫度的影響.在溫度一定的情況下，入口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，溶液表面水蒸氣分壓越低，因此再生器內(nèi)質(zhì)傳遞的驅(qū)動(dòng)力隨著溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低，溶液中水的蒸發(fā)量減少，出口空氣含濕量降低.水蒸發(fā)量的減小意味著熱質(zhì)交換過程中吸收的潛熱量減少，所以出口空氣和溶液溫度均升高.

圖7 入口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)空氣和溶液出口參數(shù)的影響Fig.7 Effect of inlet solution mass fraction on outlet air and solution parameters

2.2 再生器的再生性能分析

通常采用再生量和再生效率作為評(píng)價(jià)溶液再生器再生性能的指標(biāo)［14-15］.再生器的再生量通過下式來計(jì)算:

式中:qe為再生量，g/s;qa為空氣質(zhì)量流量，kg/s;da，o為出口空氣含濕量，g/kg;da，in為入口空氣含濕量，g/kg.

再生器的再生效率用下式來計(jì)算:

式中:η為再生效率;da，eq為與再生器入口溶液狀態(tài)相平衡時(shí)的空氣含濕量，g/kg.

再生器的蒸發(fā)量和蒸發(fā)效率與入口空氣溫度、入口空氣含濕量、入口空氣質(zhì)量流量以及入口溶液溫度、入口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、入口溶液質(zhì)量流量有關(guān).通過多元回歸的方法可以分別關(guān)聯(lián)出再生量與再生效率與以上影響因素之間的關(guān)聯(lián)式，如式(3)、(4)所示，兩式的相關(guān)系數(shù)分別為0.9451、0.9907.

式中:Ts，in、Ta，in分別為入口溶液、空氣的熱力學(xué)溫度，K.

圖8對(duì)比了再生量和再生效率的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值.顯然，再生量和再生效率的計(jì)算值均分布在誤差為0的直線附近，最大誤差不超過15%.由圖8(a)可知，再生量的平均絕對(duì)誤差為7.1%;由圖8(b)可知，再生效率的平均絕對(duì)誤差為1.1%，計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，這說明以上關(guān)聯(lián)式能夠反映冬季工況下再生器的再生性能.

圖8 再生量和再生效率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比Fig.8 Comparison of computation results and experimental ones for regeneration rate and regeneration efficiency

3 結(jié)論

文中搭建了冬季工況下入口空氣和溶液參數(shù)對(duì)再生器性能影響的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并研究了各入口參數(shù)對(duì)再生器出口參數(shù)的影響，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了冬季工況下再生量和再生效率的計(jì)算關(guān)聯(lián)式，主要結(jié)論如下:

(1)出口空氣溫度和出口溶液溫度隨著入口溶液質(zhì)量流量、入口溶液溫度、入口空氣溫度、入口空氣含濕量以及入口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大或升高而升高;隨著入口空氣質(zhì)量流量的增大而降低.

(2)出口空氣含濕量隨著入口溶液質(zhì)量流量、入口溶液溫度、入口空氣溫度以及入口空氣含濕量的增大或升高而增大;隨著入口空氣質(zhì)量流量以及入口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減少.

(3)文中提出的再生量和再生效率的關(guān)聯(lián)式可以反映冬季工況下再生器的再生性能.本研究結(jié)果可以為冬季工況下再生器的設(shè)計(jì)、運(yùn)行、性能分析等提供參考和依據(jù).

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