整体型液体除湿空调系统实验研究

摘要：液体除湿空调系统以低值热源为供能能源，系统中能量以化学能的形式蓄存，蓄能潜力大，其应用研究具有广阔的发展前景。以完整的液体除湿空调系统为对象，改变液体除湿空调系统中除湿器、再生器的输入空气、溶液的温度、湿度、流量浓度等参数，研究输入参数变化对输出参数的影响；在优化的系统运行参数条件下，改变供能热源温度，研究液体除湿空调系统整体运行时输出参数的变化和系统制冷量、耗能量及COP值的变化规律。从实验的结果得到，当再生热源为90℃时，空调送风温度稳定在20℃，热力系数为0.5左右，基本能满足舒适性空调的送风要求。

关键词：液体除湿空调系统 余热利用 实验 性能分析

2003年国家电网公司公布的电力市场分析报告指出，华东电网、南方电网、华中电网空调制冷负荷比重均已超过了30%，开发研究新型节能、节电的空调系统显得非常紧迫。液体除湿空调系统以低值热源为供能能源，所需的热源温度可在80℃左右，不仅可以利用工业余热和废热，也可利用包括太阳能等可再生的清洁能源；而且，液体除湿空调系统中能量以化学能的形式蓄存，蓄能潜力很大，比冰这常用的蓄能材料的蓄能能力高3~5倍。因此，液体除湿空调系统越来越受到专业技术人员的重视。

近年来，国内外学者对液体除湿空调的性能做了大量的研究，取得了许多有价值的成果，但主要局限于理论模型研究、数值模拟和单体除湿器、再生器的性能分析，如H.M.Factor、P.Gandhidasan等人对液体除湿的传热传质进行数值研究^{[1] [2]}，Öberg等人建立除湿塔、再生塔实验台，来研究影响单体设备工况的因素^[3]，较少涉及整体液体除湿空调系统的实际运行性能。本文以实际的整体液体除湿空调系统为对象，用以理论与实验结合的方法调整液体除湿空调系统的运行参数，使系统稳定运行，研究液体除湿空调系统在稳定工况下的实际运行特性。

1 液体除湿空调系统实验装置

液体除湿空调系统是由除湿器、蒸发冷却器、溶液冷却器、溶液加热器 、再生器 、集热器及蓄能水箱等组成，其系统原理图见图1。被处理空气（新风或空调室内回风）在除湿器1内与液体除湿剂进行热质交换，被处理空气中的水蒸气被液体除湿剂吸收后成为干燥的空气，然后进入蒸发冷却器2，经历等焓加湿过程，随空气含湿量增加，空气的干球温度降低，达到空调所需的送风温度状态。同时，除湿剂溶液也进行包括吸湿和再生两个循环过程。吸湿时，溶液泵5输送的高浓度除湿剂溶液，经冷却器3降温后进入除湿器1，低温高浓度除湿剂溶液表面的水蒸气分压小于被处理空气的水蒸气分压，除湿剂溶液就从空气吸收水蒸气，使空气干燥，完成除湿过程；除湿剂溶液吸收水蒸气后，变为稀溶液，为使吸湿过程延续，除湿剂溶液需再生。再生时，稀溶液由溶液泵5送入溶液加热器6，经加热后进入再生器7，在再生器内加热的溶液与外界环境空气接触，此时除湿剂溶液表面的水蒸气分压大于再生空气的水蒸气分压，引入的环境空气将除湿剂稀溶液蒸发出来的水蒸气带走，实现除湿剂溶液的浓缩再生。

1.除湿器 2.蒸发冷却器 3.溶液冷却器 4.集液器 5.溶液泵 6.溶液加热器
7.再生器 8.太阳能集热器 9.蓄能水箱
图1 液体除湿空调系统原理图

2 实验研究方案及方法

2.1 实验系统结构

按图1所示的系统搭建实验装置，除湿器和再生器采用相同的结构形式，采用填料塔结构，填料为不锈钢规整材料，填料的比表面积350m²/m³，填料的平均当量直径0.01m，填料高度1.0m。

蒸发冷却器的截面尺寸0.09m²，湿膜的平均当量直径0.01m，湿膜长度0.15m，湿膜的比表面积350m²/m³。

溶液冷却器的冷却换热量在0~12kW范围内可调，溶液加热器的加热量在0~18kW之间可调。

2.2 实验研究方案

根据除湿器和再生器单体实验的结果分析得到除湿器和再生器的优化运行参数，除湿器运行时的基本参数值是，溶液的入口温度30℃、入口浓度40%、入口流量900L/h，处理空气的入口温度35℃，入口湿度20g/kgDA，入口流量400m³/h。再生器运行时的基本参数值是，溶液的入口温度60℃、入口浓度40%、入口流量320L/h，再生空气的入口温度为26℃、入口湿度15g/kgDA。然后以整个液体除湿空调系统为实验对象，参照单体设备的实验结果，选择合适的工作参数，待系统进入稳定运行，测定空调系统运行参数，研究溶液浓度、热源温度与供冷量、能耗之间的相互关系。

根据实验方案要求，测量内容主要有：环境空气温度、湿度，冷却水进出水温度，进出除湿器和再生器空气的温度、湿度、流量，溶液参数测量，进出除湿器和再生器溶液的温度、流量、浓度等；能耗参数测量，溶液加热量、冷却量，风机、溶液泵的功耗等。

温度测点共15点，用0.3mm的T型热电偶作测温元件。温度测点包括温度和湿度测点。温度测点有环境空气温度、进出除湿器和再生器空气的温度、进出除湿器和再生器溶液的温度、集液器内溶液的温度、溶液冷却器进出冷却水温度、溶液加热器进出水温度。湿度采用测各点的湿球温度，结合该点的干球温度，换算出含湿量，有环境空气湿度、进出除湿器和再生器空气的湿度等。

空气流量采用毕托管与微压差计测量，根据各点空气气流的动压，换算出空气流速及管道内空气的流量。水和溶液流量采用转子流量计测量。浓度的测量采用先测溶液的密度，然后根据溶液的浓度与密度对照表，查出溶液浓度。

采用美国HUIPO公司的数据采集仪采集温度、流量等参数，用三相电测量表测量电量参数，浓度和空气动压测量采用非电信号测试手动输入。实验数据采集管理和数据处理的程序编制软件采用VB编写，通讯通道采用计算机的COM口，所有数据在计算机界面上显示并被保存在数据库内。

3 实验数据与分析

液体除湿空调系统实验的目的是测试系统在稳定运行时，系统匹配的工况参数，来分析溶液浓度、热源温度与供冷量以及能耗之间的相互关系。在实验过程中，以稳定冷量的方法进行实验，即首先调节并稳定除湿、加湿部分的工况，实现送风状态的稳定，然后调节再生器的入口工况，如再生温度、再生溶液流量等参数，使除湿器与再生器实现浓度变化的平衡。浓度变化是否平衡，用检测除湿侧与再生侧单位时间内的传质量是否平衡来确定。

经80℃的热水加热的再生溶液，在以上所得出的优化的参数条件下工作，经过调节，溶液温度稳定在61℃左右，此时除湿量差在零附近波动，除湿与再生基本达到湿平衡，系统运行达到稳定。本实验系统处于稳定状态时，系统的参数值为：空气的入口温度：35℃；空气的入口湿度：20g/kgDA；除湿空气流量：386m³/h；再生空气流量：360 m³/h；溶液的除湿温度温度：30℃；溶液的浓度：40%；溶液的除湿流量：950L/h；溶液的再生流量为300 L/h左右，加湿水温度：15℃。稳定工况测定的部分实验参数的变化曲线见图2至图5。

从图2可见，通过调节再生溶液温度和再生溶液流量，大致经过30分钟，系统的除湿量和再生空气带走水蒸气量达到平衡。在该时间段，再生溶液的温度变化正好和除湿与再生绝对湿度的差值变化趋势相反，从图3可见，开始时热源温度较高，再生溶液温度上升，再生效果增强，再生空气带走水蒸气量增多，溶液浓度增大，将有利于除湿；同时，集液箱内的溶液温度上升，除湿器溶液入口温度也跟着上升，溶液除湿效果受到影响。综合溶液浓度增加有利于除湿和除湿溶液温度上升削弱除湿两方面的因素，当空气入口湿度20g/kgDA，要求经等焓加湿降温后温度为20℃时，从图4和图5可以发现，在系统调整时，开始加热量加大，冷却量增加，但除湿量，即制冷量，变化不大，反而系统的热力系数受到影响。因此，从实验的结果可见，在一定的处理空气入口湿度和经等焓加湿后其空气要求温度条件下，对一个液体除湿空调系统来说，有一个合适的热源加热量和一个最佳的再生溶液温度。

由实验值可见，当热源温度在80℃的条件下，再生溶液的入口温度稳定在61℃，其它入口参数基本稳定在设定工况，系统运行稳定；送风温度（即加湿后空气温度）为20℃左右，满足空调系统使用要求；系统在20℃送风温度条件下，当热源的加热量稳定在7.5kW时，可制取冷量在5kW左右，热力系数在0.6上下波动；再生空气带走大量的溶液热量，该系统的水冷却量仅是制冷量的1.3倍，在6.5kW左右，与其他的利用热源驱动的制冷方式，冷却量也较明显的减少。

图2 除湿与再生绝对湿度变化差

图3 部分参数测试值的变化

图4 热力系数的变化（kW/kW）

图5 加热量、制冷量和冷却量的变化

由实验的结果可见，液体除湿空调系统在系统达到稳定运行时，除湿器和再生器的除湿溶液循环量并不是1:1的，在本实验条件下除湿器和再生器的除湿溶液循环量3:1左右时，系统趋于稳定，当驱动热源发生变化或送风温度的限定条件不同，达到稳定的除湿器和再生器的除湿溶液循环量比也会不同；该系统驱动热源在80℃的条件下，制冷的热力系数在0.6上下，有较好的热力性能；这种空调系统用80℃左右的驱动热源是低品位热源，一般的工业废热、余热，太阳能等可再生能源均可作为驱动热源，因此，只要有一般废热、工业余热、地热、太阳能等可再生能源的场所都可以推广应用，节能空间巨大。

4 结论

a．液体除湿空调系统在合适的参数下工作，空调的送风温度可达20℃，该温度基本满足一般舒适性空调送风温度的要求。因此液体除湿空调从送风状态而言，具有应用的可行性。

b．液体除湿空调系统在80℃的热源温度条件下，能提供空调系统所需的送风温度和制冷量，有较好除湿空调系统的系统热力性能，在类似的用低温热源驱动的空调系统中处于较高水平。

c．液体除湿空调系统的驱动热源是低品位热源，只要有一般废热、工业余热、地热、太阳能等可再生能源的场所都可以推广应用，应用前景广阔，节能空间巨大。

参考文献

1. H. M. Factor and Gershon Grossman. A packed bed dehumidifier/regenerator for solar air conditioning with liquid desiccants. Solar Energy, 1980: 541-550.

2. P. Oandhidasan, C. F. Kettleborough and M. Rifat Ullah. Calculation of heat and mass transfer coefficients in a packed tower operating with a desiccant-air contact system. Solar Energy Engineering, ASME, 1986: 123-127.

3. Öberg V., Goswami.D.Y.. Experimental study of the heat and mass transfer in a packed bed liquid desiccant air dehuminfier. Journal of Solar Energy Engineering.1998:289–97.