敞開式太陽能集熱/再生器的理論模型及性能分析

摘要：對敞開式太陽能集熱再生器建立理論解析模型，理論求解發(fā)現(xiàn)溶液在常溫下再生時存在一個最佳單位面積流量使單位面積蒸發(fā)率最大。溶液入口溫度和室外風速是決定最佳流量值的2個最重要參數(shù)，溶液濃度和太陽輻射強度對最大蒸發(fā)率影響最明顯。當溶液出口溫度低于入口溫度時，最佳流量不存在，溶液流量越大再生效果越好。當室外風速為2 m/s時，溶液再生蒸發(fā)率最大。文章全面揭示了影響敞開式集熱/再生器性能的各項因素。

關(guān)鍵詞：集熱/再生； 最佳單位面積流量；再生蒸發(fā)率

中圖分類號：TK511.3

文獻標志碼：A

文章編號：16744764（2014）02006807

Abstract：An analytical model of the unglazed solar collector/regenerator（C/R） was presented. There was an optimum flow rate per unit collector area at normal temperature which led to the maximum evaporation rate. The inlet temperature of absorbent solution and the wind velocity are key parameters to determine the optimum flow rate， in addition， the concentration of solution and solar radiation intensity have obvious effects on the maximum evaporation rate. When the outlet temperature of solution is higher than the inlet temperature， there is not an optimum flow rate， which reflects that the more the flow rate of solution is， the better regeneration efficiency is. With the 2m/s of wind speed， the evaporation rate reaches the peak. In this paper， kinds of factors influencing the performance of solar C/R were evaluated as well.

Key words：collector/regenerator； optimum flow rate per unit collector area； evaporation rate

太陽能溶液除濕蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)[14]是一種利用太陽能低溫熱源驅(qū)動、以自然工質(zhì)（空氣或水）為制冷劑的空調(diào)系統(tǒng)。在利用太陽能低溫（60～80 ℃）熱源驅(qū)動的溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)中，太陽能集熱和溶液再生裝置是其中2個重要部件，是太陽能溶液除濕蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)進入市場化應用中必須要研究的。學者們將太陽能集熱和溶液再生相結(jié)合構(gòu)建太陽能溶液集熱/再生裝置，文獻[56]發(fā)現(xiàn)太陽能溶液集熱/再生裝置具有較高的再生效率。太陽能集熱再生裝置分為自然和強迫對流2種，盡管文獻[7]顯示強迫對流要優(yōu)于自然對流，但強迫對流裝置系統(tǒng)復雜、不如自然對流能更好實現(xiàn)建筑一體化設計。國外學者最早是采用自然對流方式對溶液進行集熱/再生，并且是直接采用斜屋頂對溶液進行集熱/再生[8]。自然對流太陽能集熱/再生裝置依據(jù)它與室外環(huán)境的接觸程度，分為敞開式、部分敞開式及帶玻璃蓋板封閉式。1979年Collier[9]設計了一種敞開式自然對流集熱/再生模式，發(fā)展了自然對流條件下水分蒸發(fā)率的解析求解方法。Nelson等[1011]設計了一種帶玻璃蓋板的自然對流集熱/再生器，再生用空氣在浮升力作用下流過蓋板和吸熱板之間的通道和溶液進行傳熱傳質(zhì)。左遠志等提出一個兩級帶蓋板的太陽能平板集熱再生裝置[12]及太陽能槽式與平板式聯(lián)合集熱溶液雙效再生裝置[13]。Gandhidasan等[1415]提出一種部分敞開式集熱/再生器，該集熱/再生裝置分為帶玻璃蓋板段和敞開段，溶液在帶蓋板段僅被加熱升溫到再生所需溫度，在敞開段內(nèi)與大氣直接接觸進行傳熱、傳質(zhì)實現(xiàn)再生功能。高洪濤等[16]研究集熱板形狀對集熱再生器性能影響，發(fā)現(xiàn)開有寬度為1 mm 的縱向溝槽換熱板的性能較好。文章理論推導出敞開式太陽能集熱/再生器的蒸發(fā)率及溶液溫度沿著集熱板長度分布的解析模型，并分析該裝置在最佳單位流量下的理論性能。

彭冬根，等：敞開式太陽能集熱/再生器的理論模型及性能分析

1敞開式太陽能集熱再生器的理論模型

敞開式自然對流太陽能溶液集熱/再生過程中，溶液吸收太陽輻射能溫度升高，通過直接與室外空氣進行傳熱、傳質(zhì)，溶液中水分蒸發(fā)出去，從而使溶液濃度得到提純再生。為了對該溶液再生器進行性能研究，必須對它建立數(shù)學模型。為了簡化計算，提出物理模型假設為：

1）由于集熱板背部有厚的保溫層，可以忽略集熱板背部散熱，只考慮溶液向外界環(huán)境散熱量；

2）再生溶液的流動和傳熱在流動方向上呈一維變化；

3）忽略溶液在流動方向上的導熱和質(zhì)量擴散，認為溶液和室外空氣間傳熱、傳質(zhì)僅由對流引起；

4）由于液膜傳熱系數(shù)遠大于空氣對流傳熱系數(shù)，忽略液膜對傳熱和傳質(zhì)的阻力影響；

5）由于再生蒸發(fā)率遠小于溶液流量，因此忽略溶液質(zhì)量流量的變化；

6）室外環(huán)境為穩(wěn)定狀態(tài)。

2模型驗證

文章提出一種計算溶液自然對流集熱再生過程單位面積最佳流量和最大蒸發(fā)率的理論計算模型，為了驗證模型的正確性，將文獻[9]在“濕熱”和“干熱”2種不同室外環(huán)境下氯化鋰溶液單位面積最大蒸發(fā)率和最佳流量的計算結(jié)果和采用本文模型計算結(jié)果并行比較。文獻[9]提出的“濕熱”和“干熱”2種計算工況的原始參數(shù)見表1，模型計算中維持室外溫濕度及太陽輻射強度不變，改變室外風速、溶液入口溫度，2種工況各取相同溶液濃度。本文和文獻[9]計算結(jié)果比較如圖2所示。圖中“濕熱”和“干熱”2種工況各取5組計算結(jié)果進行比較。圖2（a）為最大蒸發(fā)率比較，顯示干熱工況的蒸發(fā)率要遠高于濕熱工況，說明室外環(huán)境濕度對溶液再生影響很大。圖2（b）同樣顯示大部分干熱工況的最佳流量要高于濕熱工況，但有一組干熱工況計算結(jié)果低于濕熱工況是由于其溶液入口溫度為30 ℃低于60 ℃以上濕熱工況再生。

綜合上述各種再生工況變化對溶液再生性能分析可知，溶液入口溫度和室外風速是決定最佳流量值的2個最重要參數(shù)，其它參數(shù)變化對最佳流量影響可以忽略；在對最大再生蒸發(fā)率影響的各參數(shù)中，溶液濃度和太陽輻射強度作用效果最明顯。

4結(jié)論

在對溶液平衡空氣濕度YeL進行簡單模型簡化基礎上，從自然對流溶液集熱/再生數(shù)值模型推導出再生蒸發(fā)率和溶液溫度在集熱板長度分布的解析模型，并由此得出溶液自然對流集熱/再生存在一個最佳單位流量，使得單位面積蒸發(fā)率最大。

對最佳單位流量分析發(fā)現(xiàn)，只有當溶液入口溫度為常溫時，最佳單位面積流量才存在；當溶液入口溫度較高致使其出口溫度低于入口溫度時，單位面積蒸發(fā)率隨流量增加而持續(xù)上升，不存在最佳單位流量值。

最佳流量工況性能分析可知，隨室外溫度升高、含濕量下降，最佳單位流量和最大蒸發(fā)率都增加；隨溶液入口溫度升高、濃度下降，最佳單位流量和最大蒸發(fā)率增加，當溶液入口溫度大于50 ℃時，最佳單位流量快速升高，并且溶液濃度越低，最佳單位流量升高速度越大；隨太陽輻射強度增加，最佳單位流量和最大蒸發(fā)率呈線形增加；室外風速增加會導致最佳單位流量上升，但是最大蒸發(fā)率隨風速提高表現(xiàn)為先增后減變化，存在一個最大值。

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（編輯薛婧媛）