研究太阳能的干燥剂干燥对中央空调系统节能的作用

研究太阳能的干燥剂干燥对中央空调系统节能的作用LiYutong*,YangHongxing摘要这篇论文介绍的是开式循环液态干燥剂干燥系统数值模拟仿真结果，尝试获得太阳能辅助空调系统中最好的结构，同时验证使用液态干燥剂干燥系统对潜在负荷的处理和对HVAC系统能源效率的改进的可行性。首先，基于一个太阳能集电极的稳态仿真模型，这些能源的性能对于利用废气来再生弱解干燥剂，同时加热这些溶液使温度比那些已经验证过的长度各异的集电极的平均值更高是有影响的。它的热力学性能被进行了重要的改良，而且很有可能在不用大幅度降低性能的前提下缩短太阳能的C/R的长度。第二，开式循环液态干燥剂干燥系统的瞬变性能可以用来模拟香港的气象条件。这种能源节省系统与惯常的蒸汽组合系统相比，节省了25-50%。在换气总负荷中，潜在负荷所占比例越高，能源越节省。介绍舒适的空气调节一般包括通过处理周围空气来控制温度，湿度和洁净度。在一个很热很潮湿的气候里如香港，为了完成这样的尝试，一个惯常的空气调节系统经常需要除湿和再次加热，这就需要更多的能量和更昂贵的初期投资。一个独立的液态干燥剂干燥系统能够从空气调节试验中分离出潜在负荷。这种液态干燥剂干燥系统可以设计成能处理全部换气潜在负荷。在减湿器中，液态干燥剂如吸湿盐或乙二醇首先干燥新鲜空气。然后与废气混合进行进一步的加工来消除明显的负荷。正如图1所示，干燥过程的能量消耗受干燥剂再生过程的控制，这个过程只需要一个低级的能量资源，无论是余热还是太阳的热量。在热带或亚热带地区，太阳能已经被证实是一种可用的能源由于它的丰富和无需运费。通过在HVAC中合并一个独立的液态干燥剂干燥系统，制冷系统中的蒸发器的运行温度会更高，所以制冷系统处于空白状态的全部COP能更进一步得到改善。而且，液态干燥剂能够更高效得除去空气中的细菌和粉尘。图1.制冷剂冷冻过程和常规空气处理过程对比曲线图图3.沿着四米长的太阳能C/R蒸汽蒸发速度由于以上的优点，太阳能液态干燥剂干燥或制冷系统对于HVAC的应用正在变得越来越有吸引力。一系列的仿真和实验旨在研究太阳能空气调节系统的可行性和最好的潜在构型。各类符号名称Cp比热容[kJ/kg。C]ω湿空气的温度比[kg/kgDA]Da水蒸气扩散系数[m2/s]χ当地位置E圆柱减湿器湿气效率σ波耳兹曼常数Gs干燥剂溶液流速[kg/ms]η太阳能C/R的效率H对流传热系数[kW/m2K]λ水的蒸发热[kJ/kg]HD对流传质系数[kg/m2s]α热导率[kW/mK]Hg,Hg’内部和外部对流传热系数[kW/m2K]τ吸收器表面的吸收系数I辐射在集电极上的太阳能[W/m2]ξ表面发射系数m液态溶液的质量摩尔数[mol/kgH2O]ρ密度[kg/m3]Ma空气流速[kg/ms]Mevp吸湿率[kg/m]p压力[kPa]Qrad从极板到玻璃盖的辐射传热[W/m2]Qsky从玻璃盖到天空的辐射传热[W/m2]Qh电子加热器的能量消耗[W/m2]Re雷诺数T温度[_C]X蒸汽分数Y空气中水的摩尔数[kmol/kmol]Collier利用实际气象数据为美国的五个城市模拟和分析了一个开始循环吸收制冷系统。虽然当与惯常的太阳能的吸收冷却系统相比，这个实验的结果让对这几个城市映像深刻，但是在潮湿气候里为了性能这个太阳能的C/R的长度要相当长。从台湾来的两个研究人员，RuYang和PaiLiu设计一个9米长的太阳能C/R。太阳能的C/R的性能与系统的性能紧密相关，而且这种双层强制对流的太阳能的C/R在潮湿的气候下也能运行良好。KhalidAhmedetal.进行一项关于开式蒸汽吸收系统和液态干燥剂系统的混合系统的研究。在这个研究中获得的COP比在传统的蒸汽吸收系统中要高大约50%。上述的文献调查显示了开式制冷、干燥技术在潮湿气候中运用的可能性。然而，早期的工厂管理人员也透露为了达到空气调节的测试效果这种太阳能的C/R需要相当的长。当制冷剂的溶液流速保持在最小值，等于112kg/hrm，那么这种太阳能的C/R的长度肯定是在11-56米长为最佳。这些长度比常规的太阳能集热器中的C/R的长度要长得多，而且在大部分普通的建筑屋顶结构中可能是长度大不相同的结合在一起。所以非常有必要改进这种系统的性能和缩短C/R的长度。在这个研究中，两个改良方案被提出来使太阳能的利用达到最大化，同时缩短C/R的长度。被提议的这个系统的瞬间反应在关于香港天气问题的月刊上被分析。2.系统描述独立的液态干燥剂干燥系统由两个循环组成：一个是空气干燥循环，一个是气态干燥剂干燥循环。图2显示了开式太阳能液态干燥剂干燥系统的系统原理图。这两个循环通过两个溶液槽连接在一起，这两个溶液槽分别是强解槽和弱解槽。在减湿器中，这种强的液态干燥剂溶液从包装材料的表面空气中吸收水蒸气。接着从减湿器的底部稀释加压进入到弱解槽等待再生。强解溶液的流速随室外空气湿度比的变化而变化。在再生循环系统中，弱解在向太阳能C/R去的过程中经过交流换热器。正如前面所提到的，弱解慢慢的流到集电器的斜面，那里被太阳能辐射加热，同时水蒸气被释放到了空气中。图2.太阳能液态干燥剂干燥系统的原理图3.最佳化的太阳能C/R在一些出版物中介绍的许多种增强性能的方法很有效，如double-glazed,加压气流，交流换热器，极小解流速和最优化空气流速。集中于两个重要因素上，一个是入口溶液温度，另一个是入口空气湿度比率，更多性能增强方式都存在于这篇文章中来最大限度得运用太阳能辐射和缩短太阳能的C/R。3.1太阳能的C/R模型的发展考虑到蒸汽压力在干燥剂溶液和气流中的区别，在太阳能的C/R长度稳定的条件下建立了一个模型。在研究中，这些不同的控制气液混合运行系统的方程根据那些特殊的特性进行了一些修正。pvapaagagasaCYCMTTHTTHdxdT(1)pssradclaDasggaCGQYYHTTHIdxdT(2)pggskyogggagradgCQTTHTTHQdxdT(3)aclaDaMYYHdxdY(4)Qrad和Qsky分别是从C/R的表面到玻璃表面和从玻璃表面到天空的热辐射，能够通过下几个公式被求得:11144gsgsradTTQ(5)44skyggskyTTQ(6)这里的Tsky是通过5.10552.0gskyTT这个公式得出的。在上述的控制方程中，水的汽化潜热、溶液和再生空气的热容量都被假定为常数。太阳能C/R的后部热散失仍然是一个被忽略的问题，自从C/R的后部能很好地绝热，热散失对太阳能C/R的性能的影响已经相当显著了。在干燥剂溶液薄膜和气流间的强制对流传热系数能够从下列各项中计算出来。在层流中(Rex﹤50.000)3121PrRe332.0xxNu(7)在湍流中(Rex=5×105-3×107)3154PrRe0292.0xxNu(8)用当地的怒赛特数代替常用的平均怒赛特数能更好得得出与长度相关的一些结果。当地的质量传递系数通过Chilton-Colburn的分析得出：32DCHHpaaD(9)这个一维的稳态模型可以通过四等Runge-Kutta图解来解释，它使得液态干燥剂溶液和空气的湿度和能量平衡成为一体。由于进口条件和几何形状的不同而处在不同位置的太阳能C/R可以通过这个数字模型来推算出空气和液态干燥剂的温度、大气湿度和液态干燥剂的浓度。当前的研究用惯常采用的LiCl-H2O来作为工作流体。它的工作状态下的蒸汽压力范围可以通过Patll的经验公式来计算。3.2入口溶液温度在香港的空气调节系统中，太阳能的C/R的优化是在当地的气象条件下进行的，那里的太阳能强度为，周围的干球温度为33.50C，相对湿度为65%，空气湿度比为0.0214kg/kgDA.。在所有的案例中，溶液流速都被控制在0.0055kg/ms。从图3显示的结果，我们可以看到溶液进口温度对蒸发率的作用。干燥剂溶液的平衡温度在640C左右，也就是说在太阳能C/R的前缘溶液从这个温度开始吸收能量。当入口溶液温度低于这个值时，干燥剂溶液的蒸汽压力也低于大气压力。C/R的这部分情况不会有助于干燥溶液的再生试验，实际上干燥剂溶液在这部分已经被稀释了，而且需要增加C/R的长度来抵消这个负面影响。当溶液进入太阳能C/R的温度比平均温度要高，在进口区由于蒸汽热损失，蒸发率急剧变小。在入口区的下游，蒸发速度慢慢地变到了一个相对稳定的值，其它的太阳能C/R也维持在这个值上。从入口处开始不同入口溶液温度的蒸发速度的区别变得很不显著。图4解释了不同长度的太阳能C/R的入口溶液温度和平均蒸发速度的影响。它说明了在香港的设计温度条件下，当入口溶液温度上升到750C，全部C/R的平均蒸气流速也达到一个相同的值。我们可以推断出如果升高入口溶液的温度，使得该温度比平均温度还要高就能有效得增加蒸发速度和减小太阳能的C/R的长度，却不用增加太阳能的总面积。然而，即使在溶液再生循环中当溶液预热时的能量消耗能够通过采取再生式热交换器来减少，增加入口溶液温度和缩短太阳能C/R的长度将直接导致增加电能的消耗在加热和溶液的抽送上。问题就是怎样控制另外的能源消耗在考虑到当地气象条件的可接受水平上。这一点将会在下文中进一步深入讨论。3.3入口气温和相对湿度通过保持其它参数不变，入风状态对太阳能C/R的性能的影响可以通过使用四组空气状态来计算：设计的空气条件(T=33.5oC,RH=65%,D=0.0214kg/kgDA),废气的状态(T=25oC,RH=55%,D=0.0109kg/kgDA)高温度和低相对湿度(T=35oC,RH=55%,D=0.0196kg/kgDA)，低温和高相对湿度(T=25oC,RH=80%,D=0.016kg/kgDA)。在图5中直接指出了利用废气来再生干燥溶液这一优点。当废气被提供给太阳能C/R，4米长的太阳能C/R的水蒸发的量几乎等于一个八米长的C/R设计条件下的量。换句话说，仅仅从废气中获取能量就能把太阳能C/R从八米缩短到四米。因为废气的潮湿比要比周围空气的潮湿比低得多，所以对于再生弱解来说废气是一种理想的能源。图4.入口溶液温度和平均蒸发速度图5.空气温湿比和不同长度的蒸发率一些研究高温空气的早期研究人员曾报道过周围空气温度的作用是加强大气层与干燥剂溶液薄膜之间的质量传递潜能来产生较好的太阳能C/R的性能。如图6所示，当空气温度加热到一个较高的温度时这种改善就一定会存在，但是蒸发速度的改善仅仅是在数量级10-7—10-6kg/m2s内变化。考虑到较小性能的改善，预热空气可能不经济除非有免费的热源能够提供热量。4.太阳能的液态干燥剂减湿系统的瞬态模拟图2显示的就是被提议的开式循环太阳能液态干燥剂干燥系统。为了分析香港每一个小时的典型气象资料，对这个系统的分析已经通过爆炸性模拟程序完成了。这个系统的瞬变性能通过应用能源和保持质量平衡的强弱干燥剂溶液槽进行数字化描述。这个模拟实验的时间步是从一分钟后开始显示充足详尽的信息的。溶液流速对系统性能的影响已经被早期的研究学者所证实，最小流速和湿润度与C/R表面的光滑度有紧密的联系，而且能够产生最适合的性能。根据在出版物中报道的实验结果，不同的实验表明最佳的流速变化在10-30kg/mhr的范围内。在这个研究中，弱解的流速被控制在0.0055kg/m.s（等于20kg/mhr），这个是太阳能加热器的正常流速。在进入太阳能C/R前，弱解溶液通过电子加热器进一步加热以确保弱解进入C/R时能够快速得吸收热量。这种干燥减湿器的模型源于Tsair-wangChung的出版刊物，同时选则环形的煤层底板的软炭质页岩来作为密封材料。表格1模拟系统的参数参数数值单位太阳能C/R的面积40m2溶液的太阳辐射吸收量0.8C/R的上釉厚度0.05mC/R的溶液流速0.0055kg/ms热交换器效率0.7弱解初始温度周围空气的温度0C弱解初始浓度28%wt%弱解初始蓄积1m