黃志甲 羅良 柯瑞 卓飛飛
安徽工業大學
【摘 要】將親水無紡布-PVC復合規整填料作為溶液除濕器芯體,開展親水無紡布-PVC復合規整填料除濕性能實驗,分析在不同空氣流量、溶液流量、溶液溫度下,親水無紡布-PVC復合規整填料除濕率、除濕效率、傳質系數和傳熱系數的變化。在實驗條件下,除濕率、除濕效率、傳質系數、傳熱系數最大值分別為11.05g/kg、86.7%、12.95g/(m2·s)、10.33w/(m2·℃);與CELdek規整填料和塑料波紋孔板填料相比,親水無紡布-PVC復合規整填料除濕性能最優。對實驗數據回歸分析,得到親水無紡布-PVC復合規整填料除濕效率實驗關聯式。
【關鍵詞】親水性;無紡布;除濕性能;傳熱系數
【基金資助】安徽工業大學研究生創新基金(編號:2016089)
溶液除濕空調以其節能、空氣品質高等各方面優勢,成為最具競爭力的除濕空調系統[1-2]。市場上已應用溶液除濕空調系統中除濕器一般是絕熱型填料塔結構,填料是空氣與除濕溶液接觸媒介,實現空氣熱濕處理過程。因此,填料作為溶液除濕空調系統核心部件,對其除濕性能研究不可或缺[3-5]。
表面潤濕性是填料傳熱傳質性能的重要影響因素,提高填料表面潤濕率,增加填料有效傳熱傳質面積,是提高填料性能的重要途徑[6]。塑料及金屬填料價格低廉、壓降小、比表面積大被廣泛應用,但因表面潤濕率低,實際傳熱傳質面積受限[7]。在化工塔用填料的研究中,學者們通過使用表面糙化、化學氧化以及磁化處理等方式來增加塑料、金屬填料表面潤濕性能[8-9]。在溶液除濕空調系統用填料的研究中,學者們通過在填料表面覆蓋TiO2等親水性涂層來提高填料表面潤濕性[10-11]。以上方法都顯著提高了填料傳熱傳質性能,但目前有的方法還停留在實驗室階段,有的雖已應用,但工藝繁瑣,填料生產成本增加。
親水無紡布-PVC復合規整填料是將親水性無紡布與PVC板先熱壓復合、再熱壓成型制成。一方面利用PVC板提供支撐力,制成規整填料,保留規整填料優勢,另一方面利用水在植絨無紡布填料表面易吸收、擴散的特性,有效提高填料表面濕潤率。
國內外學者對溶液除濕空調系統用填料除濕性能的研究已有很多,但主要是關于塑料[12]、植物纖維[13]、金屬[14]等材質填料的研究,關于親水無紡布-PVC復合規整填料用于溶液除濕系統除濕性能研究、應用還比較少。本文將選用親水無紡布-PVC復合規整填料作為溶液除空調系統除濕器芯體,溴化鋰水溶液作為除濕溶液,通過實驗研究該種填料的除濕性能,為親水無紡布-PVC復合規整填料在溶液除濕空調系統中的應用提供指導。
1. 實驗系統和方法
1.1 實驗系統
實驗系統工作流程如圖1所示,由空氣系統、除濕/再生塔、熱泵系統、測式采集系統組成。除濕/再生裝置為逆流型絕熱填料塔,填料層尺寸為0.31m×0.31m×0.6m。
實驗系統冷源是熱泵系統蒸發側冷量??諝鈴某凉袼撞窟M入,在親水無紡布-PVC復合規整填料中被LiBr溶液除濕降溫,從頂部排出;除濕溶液依次經歷蒸發器降溫、除濕器與空氣傳熱傳質、流回溶液槽過程。
圖1 實驗系統工作流程圖
1.2 實驗方案與測試
本文主要研究溶液除濕空調系統中空氣流量、溶液流量、溶液溫度三個可控參數對親水無紡布-PVC復合規整填料除濕性能影響。實驗過程中,空氣流量通過風機變頻器調節,溶液流量通過溶液管道閥門調節,溶液溫度通過壓縮機頻率調節。實驗參數變化范圍如表1所示。
表1 實驗參數范圍
實驗過程中需測量參數:除濕塔進出口空氣溫度、含濕量,風量,進口溶液噴淋溫度,溶液流量,溶液濃度。溶液參數通過Angilent 34970A收集、存儲,空氣參數通過溫濕度自記儀存儲。實驗測試儀器如表2所示。
表2 測試儀器參數
1.3 性能評價方法
本文用除濕率Δw、除濕效率η、傳質系數α、傳熱系數k作為填料除濕性能優劣評價指標,指標定義如式(1)~(4)。
式中,wa,in、wa,out分別為除濕塔進出口空氣含濕量,g/kg;wt,sat為溶液等效含濕量,g/kg;為填料表面積,m2;mw為除濕量,g/s;r為水的汽化潛熱,kj/kg;Δd為對數平均傳質勢差,g/kg;Δt為對數平均傳熱溫差,℃。
2.實驗結果與分析
2.1 除濕性能影響因素分析
空氣流量變化對親水無紡布-PVC復合規整填料除濕性能影響如圖2所示。隨著空氣流量增加,除濕率、除濕效率均緩慢減小,傳質系數、傳熱系數均上升。當空氣流量從0.067kg/s增加到0.2kg/s時,除濕率由8.86g/kg下降到8.16g/kg,除濕效率由86.7%下降到81.1%,主要原因是隨著空氣流量增加,空氣流速增大,空氣在填料中與溶液接觸時間減少;而傳質系數從7.05g/(m2·s)上升到11.78g/(m2·s),傳熱系數從6.12w/(m2·℃)上升到10.33w/(m2·℃),主要原因是空氣流速增大,增加了空氣對溶液湍流擾動以及填料表面空氣更新速度,導致傳質勢差、傳熱溫差增大,相應傳質系數、傳熱系數增加。
圖2 空氣流量對親水無紡布-PVC復合規整填料除濕性能影響
溶液流量變化對親水無紡布-PVC復合規整填料除濕性能影響如圖3所示。隨著溶液流量增加,除濕率、除濕效率、傳質系數、傳熱系數均增加。溶液流量從0.06kg/s增加到0.22kg/s時,除濕率從2.96g/kg增加到10.86g/kg,除濕效率從22.4%增加到80.1%,并在溶液流量從0.1kg/s增加到0.14kg/s時,除濕率和除濕效率發生急劇上升;傳質系數從5.39g/(m2·s)增加到12.95g/(m2·s),傳熱系數從5.59w/(m2·℃)增加到9.81w/(m2·℃)。主要原因是除濕溶液流速增加,溶液對空氣的擾動增強,強化溶液與空氣間傳熱傳質作用,填料表面溶液更新速度變快,導致傳質勢差、傳熱溫差增大,因此,傳質系數、傳熱系數增加,與此同時,除濕率、除濕量相應增加。
圖3 溶液流量對親水無紡布-PVC復合規整填料除濕性能影響
溶液溫度變化對親水無紡布-PVC復合規整填料除濕性能影響如圖4所示。隨著除濕塔進口溶液溫度增加,除濕率、除濕效率、傳質系數、傳熱系數同時減小。溶液溫度由7℃上升到23℃時,除濕率從11.05g/kg下降到4.82g/kg,除濕效率由89.6%減小到72.0%,傳質系數從10.87g/(m2·s)下降到9.31g/(m2·s),傳熱系數從9.62w/(m2·℃)下降到8.13w/(m2·℃);主要原因是進口溶液溫度上升,溶液等效含濕量增加,空氣與溶液之間傳熱、傳質勢差減小,導致傳熱傳質系數減小,除濕能力削弱,除濕率、除濕量相應減小。
圖4 進口溶液溫度對親水無紡布-PVC復合規整填料除濕性能影響
2.2 除濕效率實驗關聯式
溶液除濕器中傳質過程復雜,影響因素眾多,溶液參數、空氣參數、填料結構參數均與系統除濕性能相關。利用除濕器中溶液與空氣間傳質數學模型進行系統性能、系統匹配優化、系統控制等計算機仿真,雖然能精確反映實際情況,但模擬程序復雜,仿真計算效率低。利用實驗擬合的除濕效率關聯式不僅能滿足溶液除濕空調系統仿真精度要求,同時降低計算機運行時間[15],能簡化溶液除濕空調系統仿真。
Chung等[16]提出溶液除濕用填料的除濕效率非線性回歸模型,模型中考慮了進口溶液溫度、流量,進口空氣溫度、流量、填料尺寸等因素對除濕效率的影響。Wang等[17]根據Chung提出的除濕效率非線性回歸模型,擬合出適用于陶瓷鞍形、塑料空心球、拉西環等填料的除濕效率實驗關聯式。Zurigat等[18]通過實驗數據對Wang以及其他學者擬合的除濕效率實驗關聯式進行了分析比較,結果表明當填料種類、材質改變時,除濕效率實驗關聯式對除濕效率計算誤差與實際值偏差較大,除濕效率公式通用性不強。
本文根據實驗數據,基于Chung提出的非線性回歸模型,擬合出適用于親水無紡布-PVC復合規整填料的除濕效率實驗關聯式,如公式(5)。
式中:X=(Pwater-Psol)/Pwater,Pwater和Psol分別表示純水蒸汽壓和溶液表面水蒸氣分壓力。
圖5 除濕效率實驗值與計算值對比 圖6 除濕率實驗值與計算值對比
圖5對比了除濕效率計算值與實驗值,可以看出,除濕效率計算值與實驗值最大誤差為21.2%,最小誤差為0.23%,計算值與實驗值誤差基本在±15%以內。圖6對比了除濕率計算值與實際值,最大除濕率誤差在17.2%,最小誤差為0.79%,計算值與實驗值誤差基本在±15%。計算值與實驗值吻合較好,因此,該除濕效率實驗關聯式可用于溶液除濕空調用親水無紡布-PVC復合規整填料的系統性能、優化控制等計算機仿真。
3.填料除濕性能對比分析
3.1 與文獻中除濕填料實驗結果比較
將文獻[19]~文獻[23]中空氣流量、溶液流量、溶液溫度對填料除濕性能影響的研究結果與本文實驗結果進行比較。對比結果如表3所示。
從表3可以看出:(1)本文得到親水無紡布-PVC復合規整填料的除濕效率、傳質系數、傳熱系數隨空氣流量、溶液流量、溶液溫度的變化規律與對比文獻中植物纖維CELdek填料、紙質波紋規整填料、塑料孔板規整填料的變化規律相同;(2)在對比文獻中,研究得到填料除濕效率為55.2%~63.9%,傳質系數為1.03~12.3g/(m2·s),傳熱系數為2.8~5.32 w/(m2·℃),本文研究得到親水無紡布-PVC復合規整填料除濕效率22.4%~89.6%,傳質系數5.39~12.95g/(m2·s),傳熱系數5.59~10.33w/(m2·℃)。本文研究結果與文獻中研究結果數值在同一范圍內,數值存在差別,主要是因為實驗填料、溶液參數、空氣參數、溶液與空氣流動形式等不相同。通過與文獻中研究結果對比可知,本文實驗研究結果可靠。
表3 與文獻中填料除濕性能對比
3.2 與其它規整填料除濕性能對比
為了判斷親水無紡布-PVC復合規整填料除濕性能優劣,本文在實驗條件相同的情況下,分別測試CELdek填料和塑料波紋孔板填料除濕性能,與親水無紡布-PVC復合規整填料對比。實驗條件:規整填料尺寸0.31m×0.31m×0.6m,進口空氣狀態:溫度28.2~29.1℃,含濕量16.2~16.9g/kg,LiBr溶液濃度42%,溶液溫度14.6~15.3℃,溶液流量0.06~0.22kg/s。評價指標傳質系數和傳熱系數。
三種填料傳熱傳質性能對比如圖7所示,隨著溶液流量增加,三種填料傳熱傳質系數均增加,且親水無紡布-PVC復合規整填料性能最優,其傳質系數是波紋孔板填料和CELdek填料的1.15倍左右;傳熱系數和波紋孔板填料相當,是CELdek填料的1.31倍左右。原因是由于親水無紡布-PVC復合規整填料相較于CELdek和塑料波紋孔板填料有更好的潤濕性,填料表面潤濕更加均勻,填料潤濕率增加,單位面積的有效傳熱傳質面積最大。
圖7 不同規整填料傳熱傳質性能對比
4.結論
(1)在本文實驗條件下,親水無紡布-PVC復合規整填料除濕率和除濕效率隨著空氣流量、溶液進口溫度增加而減小,隨溶液流量增加而增加;傳質系數和傳熱系數隨著溶液流量、空氣流量增加而增加,隨進口溶液溫度增加而減小。除濕率、除濕效率、傳質系數、傳熱系數最大值分別為11.05g/kg、86.7%、12.95g/(m2·s)、10.33w/(m2·℃)。
(2)本文通過實驗證明親水無紡布-PVC復合規整填料的傳熱傳質綜合性能最優。在實驗條件下,親水無紡布-PVC復合規整填料傳質系數是波紋孔板填料和CELdek填料的1.15倍左右;傳熱系數和波紋孔板填料相當,是CELdek填料的1.31倍左右。
(3)本文擬合出親水無紡布-PVC復合規整填料的除濕效率實驗關聯式,且計算值與實驗值吻合較好,可用于溶液除濕空調系統用親水無紡布-PVC復合規整填料的運行性能、匹配優化、系統控制等計算機仿真中。
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備注:本文收錄于《建筑環境與能源》2018年10月刊總第15期(第21屆暖通空調制冷學術年會文集)。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。