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1、叉流溶液除湿装置全热交换过程的解析解第27卷第8期2006年8月太阳能ACTAENERGIAESOI.ARISSINICAV01.27.No.8Aug.,2006叉流溶液除湿装置全热交换过程的解析解刘晓华,江亿,曲凯阳(清华大学建筑技术科学系,北京100084)摘要:除湿器是溶液除湿空调系统的重要组成部件.在已有叉流热质交换模型的基础上,通过合理简化给出了空气焓值,溶液等效焓值在除湿器内部的分布情况以及全热效率的解析解.解析解得到的焓值场分布情况与精确数值模型差分离散求解结果进行了比较,解析解得到的全热效率采用叉流除湿装置的实验结果进行验证,解析解与数值求解结果和实验结果很好的
2、符合.该解析解可用于叉流除湿器的设计计算,也为叉流除湿器的场分布优化提供了条件.关键词:叉流;除湿器;解析解;数值解;实验验证中图分类号:TK511.3文献标识码:A0引言除湿器是溶液除湿空调系统的重要组成部件,其热质交换性能直接影响整个系统的运行效果.在湿空气与溶液接触的除湿过程中,发生的是热量和质量的联合传递过程,而且传热传质作用相互影响.除湿过程中,溶液与湿空气的水蒸气分压力差是传质的驱动势,水分从湿空气迁移到溶液中的相变过程会释放相变潜热,从而提高溶液与湿空气的温度,进而影响两者之间的热量交换.热量交换也反过来影响传质作用,溶液的表面蒸汽压随着溶液温度的升高而显着增大,
3、因而相变潜热释放过程的升温作用会导致溶液的吸湿性能变差,从而减小传质过程的驱动势.不少学者建立了除湿器传热传质耦合作用的数学模型,如Factor和Grossman,Gandhidasan等人,Rocha等人和i等人建立的用于逆流填料塔除湿器的模型_lJ,i等人,Dai和Zhang,Khan等人,刘晓华等人建立的用于叉流除湿器的模型_5j.上述数学模型均是通过控制方程的差分离散进行求解,没有给出其解析解.相对于差分离散的数值求解而言,解析解更易于分析各因素对整体热质交换效率的影啊睛况.Stevens_9给出了逆流除湿器的热质交换控制方程,以数和M作为输入条件,通过若干合理简化,得
4、到逆流除湿器全热效率和除湿收稿日期:2005-04一l8基金项目:国家自然科学基金项目(NO.50276029)效率的解析表达式,并与实验结果很好的符合;其中除湿效率的表达式中需要对空气含湿量的沿程分布进行积分,所以难以直接用溶液与空气的进口参数简化得到.由于叉流除湿装置流动的复杂性,尚未见到叉流除湿器热质交换效果解析解的相关报导.本文根据叉流除湿器中的实际热质交换情况,在已有热质交换控制方程的基础上,通过合理简化假设,求得了叉流除湿器中空气焓值,溶液等效焓值以及全热效率的解析解.由于除湿溶液物性明显的非线性特性,难以给出其除湿效率的表征关系式.空气焓值与溶液等效焓值的场分布情
5、况解析解与精确数值模型差分离散求解结果吻合.全热效率解析解与叉流除湿器的实验结果很好的符合,可以用于定量分析影响热质交换效果的各因素,从而为溶液除湿空调系统的优化设计提供了依据.1叉流除湿器的控制方程图l是叉流除湿器的示意图,除湿器的高度和厚度分别为和,溶液自顶部流下,空气自除湿器左端进入除湿装置.假定传热和传质系数均匀一致,空气与吸湿溶液通过界面进行能量和质量的交换.在湿空气与溶液直接接触的叉流除湿器中,能量守恒和质量守恒方程分别如(1)式和(2)式所示.争+.:0(1)百'+T'Ll8期刘晓华等:叉流溶液除湿装置全热交换过程的解析解775鲁?+{?=0百._=+.u能量关系
6、的基本控制方程.由第二个简化条件忽略一溶液的浓度变化,因而在除湿器中溶液的焓值仅是温度的单值函数,可以用如下关系式来表示,其中,Cp,z——溶液的定压比热;h(0,C)——溶液在温度,为0~C,浓度为c时的焓值.h=c..?t+h(0,C)(8)'空气当已知溶液进口浓度时,h(0,C)为一常数.对上式微分得到:dh=Cp,zdt(9)图1叉流除湿器示意图Fig.1Schematicofcross—flowdehumidifier湿空气与溶液问的全热交换以及水分的交换关系,分别参见(3)式和(4)式,其中,h和——分别表示与溶液状态平衡的湿空气状态的焓值和含湿量.=一?)+(一)
7、?(O.)a--(.De)~rtz](3)热质交换界面处等效湿空气比热答Cp,e定义为:c=瓦dhe(10).瓦lu定义热容量比m为:m:(11)=一～ll,,z0pt因此,(1)式可以简化为:m?+?:0(12)m.+.ulz(7)式和(12)式联立,得到:3he:.(一)(13)a一日,"",:一?(一)(4)2解析解一丁.a一eL4膦群上面两式中的刘易斯数和传递单元数Ⅳ的定义¨分别见(5)式和(6)式,其中,Cp,m——湿空气的定压比热.Le(5)dmCmⅣ:(6)m由于溶液和空气物性
