逆流太陽能溶液集熱/再生器再生效率實驗分析

彭冬根 張小松

(1南昌大學建筑工程學院, 南昌 330031)(2東南大學能源與環(huán)境學院, 南京 210096)

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逆流太陽能溶液集熱/再生器再生效率實驗分析

彭冬根1張小松2

(1南昌大學建筑工程學院, 南昌 330031)(2東南大學能源與環(huán)境學院, 南京 210096)

對1 m×2 m×0.35 m逆流太陽能溶液集熱/再生器進行實驗研究,分析了影響太陽能溶液集熱/再生器再生效率的各種影響因素.實驗研究發(fā)現,常溫溶液再生存在明顯兩段式分布,溶液再生效率隨空氣流量的增加先增后減,存在最大值;溶液再生效率隨溶液流量增加而遞減.加熱溶液綜合再生效率升高;而加熱再生用空氣其綜合再生效率下降.采用含濕量為20 g/kg再生用濕空氣的再生效率比用含濕量為10 g/kg的再生用濕空氣的再生效率小0.16.隨著太陽輻射強度的提高,溶液再生效率也相應增加.因此,逆流太陽能溶液集熱/再生器應在空氣較干燥、太陽輻射強度較高時運行,并選取適合的空氣流量.

太陽能;溶液;再生; 效率;逆流

太陽能溶液除濕蒸發(fā)冷卻空調系統(tǒng)[1-4]由于具有低能耗而受到越來越多關注,太陽能溶液再生裝置是該系統(tǒng)中最重要部件之一.國內外學者將太陽能集熱和溶液再生相結合構建太陽能溶液集熱/再生裝置.太陽能溶液集熱/再生裝置分為自然和強迫對流2種,最早是采用自然對流方式對溶液進行集熱/再生,并且直接采用斜屋頂對溶液進行集熱/再生[5].自然對流太陽能溶液集熱/再生裝置依據其與室外環(huán)境的接觸程度分為敞開式[6]、部分敞開式[7-8]及帶玻璃蓋板封閉式[9-10]3種.由于自然對流太陽能集熱再生器再生效率較低[11],因此國內外學者紛紛構建強迫對流太陽能溶液集熱/再生器.Yang等[12-16]在20世紀90年代至21世紀初對強迫對流太陽能溶液集熱/再生裝置進行大量理論和實驗研究.左遠志等[17-18]對強迫對流太陽能溶液集熱/再生器進行了結構改進和系統(tǒng)創(chuàng)新.Alizadeh等[19-20]對順流太陽能溶液集熱再生過程進行理論和實驗研究,得到溶液再生效率最大可達0.8～0.9左右.Li等[21]在對太陽能溶液集熱/再生過程進行理論建模時考慮了溶液對玻璃蓋板輻射換熱影響.Peng等[22-23]構建了一種空氣預處理太陽能集熱再生裝置,并進行相關理論研究.國內外學者對強迫對流太陽能溶液集熱/再生器研究主要集中在理論性能的研究上,實驗研究較少,文獻[19]也只給出順流集熱再生實驗結果.

為此，本文通過構建逆流太陽能溶液集熱/再生實驗裝置,進行變工況實驗研究,分析影響溶液再生效率變化的各種因素,并擬合得到計算關聯式.

1 實驗

1.1 實驗方案

圖1為太陽能溶液集熱/再生實驗系統(tǒng)流程,實驗流程包括溶液流程、空氣流程、數據測量及控制系統(tǒng)等4部分.溶液流程由平板集熱/再生器、濃溶液槽、稀溶液槽、溶液泵及配套管路、閥門等組成.由稀溶液槽中流出的稀溶液經溶液泵流入平板集熱/再生裝置,靠重力作用沿著集熱板面流動,匯集于再生器底部,后經管路流入濃溶液槽中.系統(tǒng)中的空氣可分別來自室外環(huán)境和太陽能空氣集熱器,其功能是為溶液再生提供一個較低的水蒸氣分壓力環(huán)境,因此稱其為再生用空氣.再生用空氣通過風機加壓進入平板集熱/再生裝置，升溫增濕,之后排入大氣中.在實驗控制系統(tǒng)中,溶液流程可通過調速器控制溶液泵流量,通過調壓器控制電加熱器輸入功率，以改變溶液入口溫度;空氣流程可通過調節(jié)變頻器頻率控制風機轉速實現空氣流量的變化,通過控制再生用空氣是否通過太陽能空氣集熱器來改變空氣入口溫度.具體實驗方案如下:

1) 空氣和溶液流量對溶液再生性能影響實驗.在維持溶液流量及入口參數不變時,通過調節(jié)變頻器頻率控制風機轉速實現空氣流量在70～350 m3/h內變化,分析溶液再生過程中再生效率隨空氣流量的變化.在維持空氣流量及入口參數不變時,通過調速器改變溶液泵轉速使溶液流量在10～60 kg/h內變化,同時通過關閉或開啟電加熱器使溶液分別處于常溫和中等溫度狀態(tài)再生,分析在這2種不同溶液入口溫度環(huán)境下,溶液再生過程中再生效率隨溶液流量變化.

2) 空氣和溶液入口狀態(tài)對溶液再生性能影響實驗.在維持空氣及溶液流量、空氣入口參數不變時,通過調壓器來控制電加熱器功率，以改變溶液入口溫度,分析溶液再生性能隨溶液入口溫度的變化.在分析溶液濃度變化對再生性能影響的實驗中,通過不斷向再生溶液中加水稀釋溶液濃度使其濃度從0.37降到0.25,并通過人工攪拌冷卻,分析溶液再生過程再生效率隨溶液濃度的變化.在維持空氣及溶液流量、溶液入口參數不變時,采用太陽能空氣集熱器對再生用空氣進行預熱,分析空氣入口溫度變化對溶液再生效率的影響.選擇2種不同含濕量空氣對溶液進行集熱/再生實驗,對比其實驗得到空氣濕度對再生效率的影響.

1—太陽能空氣集熱器；2—風閥；3—溫濕度傳感器；4—風機；5—風量計；6—風管；7—平板集熱/再生器；8—截止閥；9—微流量計；10—電加熱器；11—溶液泵；12—稀溶液槽；13—濃溶液槽

圖1 太陽能溶液集熱/再生實驗系統(tǒng)流程圖

3) 太陽輻射強度對溶液再生性能影響實驗.在維持溶液和空氣流量不變、溶液入口溫度和濃度基本不變的條件下,對溶液再生進行全天候實驗，得到溶液集熱/再生性能隨太陽輻射強度的變化關系.

1.2 實驗誤差

實驗系統(tǒng)采用法國KIMO公司生產的DEBIMO空氣流動測片和CP300差壓傳感器,其誤差為±(0.5%E+1 Pa),其中,E為讀取的數值.采用西門子濕度傳感器測試再生用空氣進出口溫、濕度,其相對濕度誤差為±2%E.太陽總輻射強度由TBQ-2總輻射表測定,其靈敏度為7～14 μV/(W·m-2),測試精度小于2%.

2 結果與討論

采用圖1實驗流程對1 m×2 m×0.35 m逆流太陽能溶液集熱/再生器進行實驗研究,實驗中采用LiCl-H2O溶液.分析溶液溫度在集熱板分布,空氣和溶液流量、入口參數及室外環(huán)境對太陽能集熱再生性能的影響.

2.1 溶液溫度在集熱板方向變化

當溶液入口溫度為常溫時,溶液在平板集熱/再生器內必須先經過一道預熱過程才能進行濃縮、再生,為了分析溶液預熱段在整個集熱面積中所占的比例,必須了解溶液溫度在集熱/再生板上的分布.圖2為3種不同空氣流動雷諾數下溶液溫度沿集熱板分布,圖中選取溶液溫升ΔTs=Ts-Ts.in作為衡量溫度變化的變量.其中,Ts為平板上某點溶液溫度;Ts,in為溶液入口溫度.實驗中溶液流量為20.4 kg/h,入口濃度為0.23；空氣入口溫度為36 ℃,入口含濕量為0.02 kg/kg；太陽輻射強度為650 W/m2.實驗表明，在溶液入口的0.5 m(1/4段)內,溶液通過吸收太陽能溫升提高迅速,這為溶液水分蒸發(fā)提供了條件,該段為溶液加熱段;在0.5 m后的3/4段內，溶液溫度基本維持不變,這是由于溶液吸收的太陽能和水分蒸發(fā)所需潛熱及散熱損失保持平衡,該段為溶液再生段.另外從圖2中空氣流動雷諾數變化對溶液溫升的影響可看出,空氣流量越高，溶液溫升越小.

圖2 溶液溫度在集熱/再生表面的分布

2.2 空氣和溶液流量對集熱再生器性能影響

空氣流量改變可以增加或降低空氣和溶液之間的傳熱、傳質系數,從而提高或降低溶液中水蒸發(fā)率,因此空氣流量變化對溶液再生起到極為重要的作用.圖3為空氣流量從70 m3/h增加到350 m3/h時,實驗中溶液和空氣溫升(即溶液進、出口和空氣進、出口溫度差)及再生效率變化.實驗中太陽輻射強度為600～720 W/m2;空氣入口溫度為28.6～36.6 ℃,入口含濕量為9.0～20.0 g/kg;溶液入口溫度為25～32 ℃,入口濃度為0.24～0.26,溶液質量流量為14.0～20.6 kg/h.由圖可知,隨著空氣流量的增加,溶液和空氣溫升均呈下降趨勢,并且在低空氣流量時，溶液溫升遠高于空氣溫升,在高流量時兩者相差較小.再生效率是衡量再生性能的重要指標，定義再生效率ηr為

(1)

式中,Ya,in,Ya,out分別為空氣進、出口含濕量,g/kg;ma為空氣質量流量,kg/h;hs為水蒸氣的蒸發(fā)潛熱,J/kg;Ic為太陽輻射強度,W/m2;A為集熱板面積,m2.

圖3顯示,隨空氣流量增加,溶液再生效率升高,當空氣流量Va=300 m3/h時再生效率達到最大.這是因為隨空氣流量的增加，在傳熱傳質系數增大的同時對流散熱量也同時增加.

圖3 空氣流量對集熱再生器性能影響

在分析溶液流量對其再生性能影響時,選取溶液入口溫度為常溫(21.7 ℃)和中溫(52.7 ℃)2種,其再生參數見表1,溶液流量變化范圍為10～60 kg/h.圖4顯示常溫再生時,當溶液流量從13.4 kg/h增加到58.1 kg/h時,空氣溫升從11.8 ℃下降到5.8 ℃,溶液溫升從12.7 ℃下降到7.0 ℃,溶液再生效率從0.50下降到0.31.這是由于當溶液溫升為正時,隨常溫溶液流量的增加,更多太陽能被溶液吸收，提高了溶液溫度(盡管溶液溫升在降低),從而使空氣溫升和溶液水分蒸發(fā)率降低,造成再生效率下降.另外,當中溫溶液再生時,溶液再生的溶液溫升為負值(見圖4),溫度從-19.6 ℃上升到-12.9 ℃,說明溶液再生過程中溫度降低,釋放顯熱為再生提供熱量,并且溶液流量增加，溶液溫度降低程度減少.正是中溫再生的這種特性,空氣溫升從10.5 ℃提高到12.8 ℃,再生效率由0.75上升到0.97.這些再生特性與常溫溶液再生正好相反,也同時顯示溶液顯熱對溶液再生的貢獻.

表1 變溶液流量實驗工況入口參數平均值

圖4 溶液流量對集熱再生器性能影響

2.3 空氣和溶液入口參數對集熱再生器性能影響

圖5(a)為太陽輻射強度處于640～790 W/m2,空氣入口溫度為(14±0.6)℃、入口含濕量為4.2～4.6 g/kg、流量為240 kg/h，溶液入口流量為26 kg/h、入口濃度為0.28時,溶液入口溫度變化對其再生性能的影響.由圖可見,當溶液入口溫度大于26 ℃時,溶液溫升為負值,說明溶液在再生過程中釋放顯熱為其再生提供熱能,而溶液進出口溫升由正向負的轉變溫度點受環(huán)境濕度影響,環(huán)境濕度越低則轉變溫度點越小,反之則越大.另外,隨溶液入口溫度的提高,空氣進、出口溫升從6.8 ℃上升到14.5 ℃,溶液再生效率呈線形遞增(由0.367上升到1.08).這是由于溶液在再生過程中釋放顯熱可能導致再生效率大于1.0.由于按式(1)計算的再生效率ηr未考慮溶液入口溫度升高需要吸收一定熱量Qs,如果考慮這部分熱量消耗,則綜合再生效率ηt為

(2)

當溶液吸收熱量Qs從0.07 kW升高到1.04 kW時,綜合再生效率ηt從0.367上升到0.6.說明加熱溶液對太陽能溶液集熱/再生器性能有明顯提高.

圖5(b)為太陽輻射強度處于640～790 W/m2,空氣入口溫度為13.2～14.7 ℃、入口含濕量為4.87～5.03 g/kg、流量為240 kg/h,溶液入口溫度為32.3～34.4 ℃、體積流量為22.7 m3/h時,溶液入口濃度在0.249～0.365范圍變化對其再生性能的影響.由圖可見,隨溶液濃度由0.365降低到0.249,則空氣溫升由11.3 ℃降低到8.0 ℃,溶液

(a) 溶液入口溫度

(b) 溶液入口濃度

溫升由6.7 ℃降低到-2.7 ℃;當溶液濃度低于0.3時,溶液溫升出現為負的情況;隨溶液濃度降低，溶液再生效率由0.34提高到0.65,并且隨溶液濃度降低其再生效率升高速率降低.溶液及空氣出口參數隨溶液濃度的變化是由于隨著濃度降低,溶液表面水蒸氣分壓力升高,從而加大溶液和空氣間水蒸氣的傳質勢差,導致溶液水蒸發(fā)率提高,而水蒸發(fā)率的提高需要吸收更多熱量,因此造成溶液和空氣出口溫度的下降,再生效率明顯提高.

圖6(a)為太陽輻射強度處于610～680 W/m2、溶液入口溫度為27.9～29.6 ℃、入口濃度為0.294、流量為27.6 kg/h,空氣流量為127 kg/h、入口含濕量6.98～7.89 g/kg、溫度在18.4～28.3 ℃范圍內改變時,空氣入口溫度對溶液再生出口參數的影響.由圖可見,隨空氣入口溫度的提高,空氣溫升由10.6 ℃下降到6.0 ℃;溶液溫升開始由13.4 ℃上升到18 ℃,之后由于太陽輻射強度的減弱而降低到16.4 ℃;再生效率ηr由0.434提高到0.49,雖然其上升幅度不大，但是仍與空氣入口溫度呈線形上升關系.另外,考慮加熱入口空氣需消耗一定熱能Qs,則由式(2)計算綜合再生效率ηt可得,當Qs從0.05 kW升高到0.3 kW時,ηt值

(a) 空氣入口溫度

(b) 空氣體積流量

由0.42下降到0.39,說明加熱空氣對提高溶液再生效率效果并不理想.對比圖5(a)加熱溶液使綜合效率升高可知,在溶液再生過程中等值熱量加熱溶液比加熱空氣更為有利.這是由于加熱空氣的能量必須通過溶液吸收空氣和溶液間的對流換熱后才能提高再生性能.

在太陽能溶液集熱/再生器內,溶液和再生用空氣之間的傳質驅動力為溶液和空氣之間的水蒸氣分壓力差,而空氣側水蒸氣分壓力由空氣濕度決定.理論上再生用空氣濕度越高,空氣內水蒸氣分壓力越高,不利于溶液再生,反之則有利于溶液再生.圖6(b)為當空氣入口含濕量分別為10和20 g/kg時,溶液再生性能的對比.2種工況太陽輻射能的平均值為620～650 W/m2,最大值為700 W/m2;當溶液流量為17 kg/h時,入口溶液濃度為0.24,入口溶液溫度為21～29 ℃.由于濕度的差異使得2種工況的入口溫度相差較大,當入口含濕量為10 g/kg時,空氣入口溫度為28.6 ℃;當入口含濕量為20 g/kg時,入口溫度為36.6 ℃,兩者相差8 ℃.圖6(b)顯示空氣入口濕度從10 g/kg升高到20 g/kg時,溶液進、出口溫升提高4～9 ℃,空氣進、出口溫升降低1～3 ℃.再生效率隨空氣流量變化從0.57～0.75下降到0.41～0.58,下降0.16左右,可見,較高的空氣入口濕度對溶液再生極為不利.

2.4 太陽輻射強度對集熱再生器性能影響

在太陽能溶液再生裝置中,當溶液和再生用空氣為常溫時,其整個再生過程的驅動力只有太陽能,因而太陽輻射強度對再生過程中各參數具有決定性影響.圖7為當空氣流量為120 kg/h、入口溫度為26.0～32.5 ℃、含濕量為8.7～14.9 g/kg,溶液流量為14 kg/h、入口濃度為0.26,入口溫度為21.7～32.3 ℃時,溶液再生受太陽輻射強度的影響.由圖可見,當太陽輻射強度從320 W/m2升高到780 W/m2時,溶液溫升從10 ℃提高到14.4 ℃,空氣溫升從3.2 ℃上升到8.9 ℃,再生效率從0.4增加到0.6.盡管在局部實驗點由于實驗過程中溶液和空氣入口狀態(tài)的改變可能會導致變化趨勢的逆轉,但從整體上看,太陽輻射強度的提高不僅提高了溶液再生效率,同時溶液和空氣溫升也會相應提高.這是由于常溫溶液再生過程分為溶液加熱段和再生段(見圖2),隨太陽輻射強度增加,加熱段長度減少而再生段長度增加,從而使再生效率升高.

圖7 太陽輻射強度對集熱再生器性能影響

2.5 太陽能溶液再生效率

從上述分析可知,太陽能溶液再生效率影響因素包括溶液、空氣流量、入口參數和室外環(huán)境等.實驗中,空氣流量ma為90～420 kg/h,溶液流量ms為10～60 kg/h,空氣入口含濕量Ya,in為4.7～20.4 g/kg,溶液入口濃度ξin為0.24～0.37,太陽輻射強度Ic為420～800 W/m2,板長2 m.在上述實驗條件下,得到常溫溶液再生效率變化關系式為

(3)

擬合計算值和實驗值的平均相對誤差為7%,最大相對誤差為13%.

3 結論

1) 通過構建太陽能溶液集熱/再生器性能測試系統(tǒng),對1 m×2 m×0.35 m太陽能集熱再生器效率進行實驗測試.測試分析發(fā)現,溶液常溫再生存在明顯的溶液加熱段和溶液再生段2段分布.隨著空氣流量的增加,溶液再生效率先升后降;當空氣流量為300 m3/h時,再生效率達到最大;當溶液流量從13.4 kg/h增加到58.1 kg/h時,常溫溶液再生效率從0.50下降到0.31,中溫再生效率由0.75上升到0.97.

2) 通過對空氣和溶液入口參數變化對再生效率影響分析發(fā)現,隨溶液入口溫度升高和濃度下降,溶液再生效率呈近似線性升高;考慮提高溶液溫度需消耗熱量,其綜合再生效率ηt從0.367上升到0.6.隨空氣入口溫度升高,溶液再生效率升高.同樣考慮提高空氣溫度需消耗熱量,其綜合再生效率ηt從0.42下降到0.39,表明加熱再生用空氣對溶液再生效率作用在能源利用上并不有利.當空氣入口濕度從10 g/kg升高到20 g/kg時,再生效率下降0.16左右,可見較高的空氣入口濕度對溶液再生極為不利.當太陽輻射強度從320 W/m2升高到780 W/m2時,再生效率從0.4增加到0.6.

3) 通過對實驗數據進行擬合,得到在實驗適用范圍內的常溫溶液再生效率計算公式.

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Experimental analysis on regeneration efficiency of countercurrent solar collector/regenerator

Peng Donggen1Zhang Xiaosong2

(1School of Civil Engineering and Architecture, Nanchang University, Nanchang 330031, China) (2School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)

A countercurrent solar solution collector/regenerator (C/R) with experiment platform the size of 1 m(wide)×2 m(long)×0.35 m(high) was used for analyzing the factors influencing regeneration efficiency of solar C/R. It is found that there is an obvious two-stage distribution for regenerating solution at normal temperature. The regeneration efficiency of solution increases first and then decreases with the increase of air mass flow rates and there exists a maximum value. The regeneration efficiency always decreases with the increase of solution flow rates. Heating solution leads to an increase of integrated regeneration efficiency; however, heating regeneration air decreases the integrated regeneration efficiency. The regeneration efficiency is decreased by 0.16 by using humid air of 20 g/kg instead of using humid air of 10 g/kg. The regeneration efficiency increases correspondingly with the increase of the solar radiation intensity. The countercurrent solar solution C/R can operate better in dry air and high solar radiation conditions and a suitable air flow-rate should be selected to achieve better performance.

solar energy; solution; regeneration; efficiency; countercurrent

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.013

2015-01-12. 作者簡介: 彭冬根(1975—),男,博士,副教授,ncu_hvac2013@163.com.

國家自然科學基金資助項目(51266010)、 江西省科技支撐計劃資助項目(20123BBG70195).

彭冬根,張小松.逆流太陽能溶液集熱/再生器再生效率實驗分析[J].東南大學學報:自然科學版,2015,45(3):484-490.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.013

TK511.3

A

1001-0505(2015)03-0484-07