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英语文献翻译溶液除湿

溶液除湿/再生器叉流热质交换模型

刘晓华，江亿，曲凯阳

摘要

建立了叉流溶液除湿/再生器中模拟热质传递的理论模型。

模型以NTU为输入参数，且NTU可以使用实验数据关联。

在已知进口参数的情况下，模型能够预测除湿/再生器中的空气和溶液参数，同样可以预测空气与溶液的出口参数。

对模型计算的结果与实验结果进行了比较。

对于284组除湿实验数据，焓效率与湿效率的平均误差分别为7.9%与8.5%；对于82组再生实验数据，焓效率与湿效率的平均误差分别为5.8%与6.9%。

测量了除湿与再生过程溶液出口温度的分布，模型预测的溶液出口温度与实验结果很好的一致。

关键词：

溶液除湿，叉流，热质传递，模型，实验

1引言

近年来，由于处理建筑潜热负荷的优势，研究者对溶液除湿系统进行了大量的研究。

溶液除湿可以减小能量消耗，将能量消耗从电能转移到可再生能源和更便宜的燃料[1–4]。

另外，溶液除湿的另一个好处是可以从气流中去除污染物[4,5]。

除湿器和再生器是溶液除湿系统两个关键的部件。

除了方向相反发生在除湿器和再生器中的热质传递过程相同。

因为实际的除湿/再生器复杂，单纯的理论分析很难预测真实设备的性能。

许多研究者实验测试了除湿器/再生器的热质传递性能。

在实验过程中，进口和出口参数容易测量然而除湿器/再生器中的温度和浓度分布难以直接测量。

在研究热质交换设备的温度场和浓度场时，数值模拟有许多优势。

逆流和叉流的热质交换模型总结在表1中。

除了运行工况不同，除湿器和再生器模型相同。

如表1所示，模型可以分为简单模型和复杂模型。

在简单模型中，空气与溶液接触的表面滞留这一假设通常被接受。

这种模型已经被许多研究接受[4,6-12]，例如Jain[13]等的绝热逆流除湿器，Khan[14]等内冷逆流和叉流再生器。

然而还没有叉流绝热除湿器使用简单模型。

在复杂模型中[15-20]，首先通过求解连续性和动量方程得到除湿器中的速度场，然后通过求解能量守恒和质量守恒方程获得浓度场和温度场。

复杂的模型耗费大量的时间需要大量的计算单元，因此，本文使用简单模型。

本文的目的是建立一个绝热叉流除湿/再生器中使用的热质交换模型。

模型通过大量的除湿和再生实验数据验证，包括设备整体效率和溶液进口温度分布。

模型可以表达除湿器/再生器中的温度和浓度分布，这可以在设备优化时使用。

2理论模型

绝热叉流模块如图1所示。

填料长L、宽W、高H；溶液在重力作用下从顶部喷淋到填料上，空气从侧面进入除湿器在填料表面与溶液进行热质交换。

由于溶液和空气沿y方向分布相同，模型仅研究x-z平面，如图2所示。

模型的假设如下：

整个模块传热、传质系数相同；热、质交换面积都等于填料表面积；忽略流动方向上的传导和扩散。

模块可以分成有限个微元，每个微元的体积为dV，dV=W·dx·dz。

能量、水分和溶质平衡方程在微元中如下：

（1）

（2）

（3）

Le数为1时，空气与溶液间的能量与质量传递方程如下：

（4）

（5）

其中，

（6）

（7）

（8）

（9）

α是填料比表面积，单位为m2/m3，V是填料体积，单位为m3，he为与溶液状态平衡的空气焓值，单位为kJ/kg，we为与溶液状态平衡的空气含湿量，单位为kg/kg干，h为对流传热系数，单位为kW/（m2℃），hd为对流传质系数，单位为kg/（m2s），Cpa为湿空气空气比热容，单位为kJ/（kg℃），Cps为溶液比热容，单位为kJ/（kg℃），ξ为溶液浓度，wa为空气含湿量，单位为kg/kg干，Ta为空气温度，单位为℃，Ts为溶液温度，单位为℃，Ma为空气质量流量，单位为kg/s，Ms为溶液质量流量，单位为kg/s。

边界条件为：

x=0时，

，

（10）

z=0时，

，

（11）

在x-z平面的计算区域被分为M*N个网格，如图2所示。

对网格（i,j），方程1-5被离散化如下：

根据求解边界条件知，第一行各网格溶液进口参数皆为溶液进口初始值，第一列各网格空气进口参数皆为空气进口初始值。

先根据离散方程算出第一行各网格溶液和空气出口参数；第一行第一个网格空气、溶液进口参数已知，据此计算其出口参数，第二个网格的溶液进口参数已知，空气进口参数为第一个网格的空气出口参数，依次类推；再计算第二行，第二行各网格溶液进口参数为第一行相应各网格的溶液出口参数，依次类推，一直计算到第N行。

但是，NTU通过理论分析很难获得。

实验数据被用来确定NTU值。

3验证的除湿实验数据

实验装置原理图如图3所示，使用LiBr盐溶液作为除湿剂。

赛代克规整填料比表面积396m2/m3,测量设备和相应的精度如表2所示。

温度通过铂电阻测定，数据通过Aligent34970A记录。

空气含湿量通过干湿球温度获得，除湿剂浓度通过测定溶液温度和密度获得。

对于除湿实验，不同尺寸的模块A和模块B被使用。

填料的H,L和W分别是550*400*350mm3和550*300*350mm3。

空气和溶液进口参数如表3所示。

共284组实验，其中模块A有201组模块B有83组。

传质系数可以通过Sh表达。

基于实验数据，采用Chung和Wu[12]的Sh关联式（量纲分析法）形式，非线性拟合出除湿过程Sh关联式分别如下：

（12）

其中，

，ρa为空气密度，单位为kg/m3，Da为空气扩散系数，de为填料通道当量直径[22]。

已知进口参数即可计算出NTU值，且Le取值1可满足精度要求；NTU和Le确定后通过建立的模型便可求出出口参数和除湿器/再生器内部参数。

3.1整体效率

使用焓效率和湿效率评价除湿器的热质交换性能。

空气和溶液出口参数在已知进口参数下可获得。

焓效率和湿效率[23]定义为焓和含湿量的实际变化与理想变化的比值，表达式如下：

焓效率和湿效率的不确定性在±8%以内。

计算效率与实验值之间的比较如图4，焓效率和湿效率的平均误差分别为7.9%和8.5%。

根据比较结果，模型计算值与实验结果一致。

3.2溶液出口温度分布

空气出口温度和含湿量的测点很难安装在狭窄的空间里，因此，实验中选择测量溶液出口温度的分布。

如预测结果所示，溶液浓度改变的很少，所以测量溶液出口温度验证模型。

实验结果与预测值的比较如图5所示，进口空气和溶液参数如表4。

如图5所示，预测的溶液出口温度变化趋势和实验结果相同。

溶液出口温度在左侧最高，右侧最高。

左侧溶液接触最湿的空气，因此从气流中吸收最多的水分，释放更多的潜热，导致溶液温度高。

4验证的再生实验数据

再生实验装置如图3所示，水系统中的加热器B开启，溶液再进入填料之前被热水加热。

在实验过程中，通过变化参数范围共获得82组数据如表5所示。

无量纲关联式为：

（13）

4.1整体效率

与除湿过程相似，使用焓效率和湿效率评价再生性能。

计算的效率和实验结果的比较如图6所示，焓效率和湿效率的误差分别为5.8%和6.9%。

预测值和实验结果很好的吻合。

4.2溶液出口温度分布

测量溶液出口温度验证再生模型。

预测的温度和实验结果的比较如图7，进出口参数如表6所示。

预测的溶液温度变化趋势与实验结果一致。

溶液出口温度在右侧达最高在左侧达最低。

原因可能如下：

左侧溶液接触最干的空气，由于驱动力大，从溶液传向空气的水分增多，溶液温度减少的最多，因为传质过程需要的热量更多，因此溶液温度最低。

5模型的应用

以上模型可以给出除湿/再生器内部空气温度、含湿量以及溶液温度和浓度的分布，同样可以给出出口参数分布，这对研究提高热质交换很重要。

以除湿过程为例。

图8给出表4进口参数下除湿器内部温度和浓度分布。

在这个例子中，沿着流动方向空气被冷却和除湿，然而溶液沿流动方向被加热和稀释。

在空气出口，由于接触温度最低浓度最高的溶液，顶部空气温度最低。

在溶液出口，空气含湿量和驱动力最大，从空气传向溶液的水分多，释放的潜热多，左部的溶液浓度最低温度最高。

图8中，空气温度和含湿量在空气流动横向高达2.7℃和1.5g/kg，然而在溶液流动横向最大的温度和浓度差高达2.9℃和0.1%。

其他工况类似。

这说明在溶液流动横向的溶液温差不可忽略，浓度差可忽略。

6结论

本文建立了二维叉流除湿/再生模型，以NTU和Le作为输入参数，Le可假设为1，然而NTU由实验确定。

NTU采用Chung无量纲关联式线性回归。

用焓效率和湿效率评价热质传递性能，模型预测结果与实验数据很好地吻合，焓效率与湿效率预测值在除湿过程中与实验值间的平均误差分别为7.9%和8.5%，在再生过程中分别为5.8%和6.9%，通过模型计算的溶液出口温度与实验值间的误差在1℃内，验证了模型的可靠性。

通过模型研究了溶液温度和浓度场在填料塔内部的分布，发现溶液出口浓度沿空气流动方向变化较小，可忽略溶液浓度的变化，这可用来进一步简化求解过程；然而沿溶液流动方向的空气温度差、空气湿度差和沿空气流动方向的溶液温度差均较大，不可忽略。

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