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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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