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1、 填料除湿机/再生器操作与溶液除湿剂的实验研究 机械动力工程部门,工学院,坦塔大学、埃及文章信息 文章历史: 2010年9月4日收到 2011年1月25 收到并修改2011年2月2日接受 2011年3月5日发布摘要 目前的研究工作提供了一个调查执行性质的横流规整填料塔干燥剂除湿系统(DDS)。这个系统也被称为是DDS;它的中心设备是除湿机/再生器。它是通过除湿使空气干燥来去除房间湿负荷。常用氯化钙(CaCl2)溶液作为本系统工作中的干燥剂。包装结构密度(比表面积)390平方米/ m3,波纹角60和空隙率0.88。相关参数的影响,如空气流量,除湿溶液流量、解决干燥剂的方案温度和浓度和填料厚度,并
2、就这些因素对系统的性能进行了研究。使用传质系数,除去水分率(MMR)、有效性和性能系数(COP)对系统的性能进行评估。通过增加空气和溶液流速可使传质的DEH / REG系数和MRR显着增加。最终,DDS的回收期(PP)是11个月,与蒸汽压缩除湿系统(VCS)相比其年运行成本节约(C)约31.24%。DDS的整体环境的影响是VCS的0.63。这可能会强调有必要将除湿系统应用于空调系统。 阿尔维斯股份有限公司 版权所有1.简介空调设备在过去的几十年里得到的广泛使用。传统的空调设备消耗大量的电能导致电网超载,尤其是在炎热的夏天。而且,通过空气处理机组处理的潮湿的空气有助于细菌的滋生和传播。最近,混合
3、空调系统被提出,它是使用液体和固体干燥剂来处理房间的潜热负荷。液体干燥剂系统是可取的,因为它的运行灵活性,它能从空气中吸收无机和有机污染物1并在低温条件下得到再生能力。在再生过程可以使用低品位热源或太阳能。同时,使用盐水(环境的朋友)作为吸附剂,它不导致臭氧层破坏。许多用液体干燥剂作填充柱的用于空气除湿的传质过程研究已经进行了理论分析和计算机仿真。同时,基于有效性和大量的传输单元的简化模型被开发来模拟使用用液体干燥剂的除湿机/蓄热室2-8传热传质过程。Abdul-Wahab et al. 9在研究使用三甘醇作为干燥剂的空气除湿器性能。他们研究了不同结构的填料密度对除湿效果影响。Abdulgha
4、ni et al. 10提出了在纱布类型规整填料塔液体除湿空气接触系统中来计算热量和质量传递的一种方法。尹和张11在基于经过验证的传热传质模型上提出了一种同时使用再生热效率和再生率的研究,以评估内部加热再生器和绝热再生器的能源利用效率和再生能力。Lietal.12引入了实验评价质量传递系数的采用氯化锂作为除湿剂一个结构化的包装除湿机/再生器。他们得出结论认为,当气流速度增加从0.5到1.5 m /s,在不同填料除湿机和蓄热器的质量传递系数分别从4.0到8.5g/s和从2.0到4.5g/s。Yonggaoetal。13介绍了一种新型的空调系统,液体除湿蒸发冷却空调系统。他们的研究结果表明,平均传
5、质系数是4 g/s的填料蓄热器。Moonetal.14提出了一个新的传质性能较好的使用液体干燥剂除湿系统(DDS)的结构化填料塔。Liuetal通过使用液体干燥剂进行进行研究交叉流除湿/再生器的传质性能。Sanjeev和Bansal等人17以表格形式概述了液体除湿。在这一领域的最新趋势表明,目前混合动力系统是供暖,通风和空调(HVAC)行业所感兴趣,不仅应用为消除高潜热负荷,也为改善室内空气质量。从前面的讨论中介绍,大多数出版物一直在关注逆流规整填料DDSS。只是,很少有出版物关注横流结构包装液体DDSS。同样,很少有作者的论文研究液体DDSs经济性和环境性。本文通过实验测试调查利用氯化钙(C
6、aCl2)作为干燥剂的横向流除湿/再生器的性能。并对影响整个系统的性能的相关操作参数进行了分析和讨论。术语 av 平均 A 接触界面面积, eq 平衡 Ap 规整填料密度, m deh 除湿机 Cp 定压比热容,KJ kg k da 干空气 d 市场贴现率 he 加热器出口 h 焓,KJ kg Hi 加热器入口 Hfg 凝结潜热,KJ kg in 入口 i 利率 reg 再生器 K 平均传质系数,kg s s 除湿溶液 m 质量流速,m s v 蒸汽 N 生命周期,年 缩写 Pv 干燥剂表面蒸汽压,Pa COP 热性能系数 Q 热量 Kw CaCl2 氯化钙 T 温度,C DDS 除湿系统 V
7、 填料体积,m HX 换热器 X 除湿溶液浓度,Kg/Kg LCS 生命周期储蓄 Y 空气湿度比,Kg/Kg LCA 生命周期分析 Z 填料厚度,m MRR 除去水分率,Kg s 希腊符号 PWF 现值因子 效率 PP 回收期,年下标 VCS 蒸气压缩系统a 空气 Cic 初投资,LE Crc 年运营成本节约,LE2. 实验装置 以CaCl2溶液作为干燥剂的横流液DDS操作示意图示于图1。该系统主要由两个交叉流的空气-液体干燥剂接触表面除湿机(A)和再生器(B)组成。另外,还有干燥剂溶液热交换器HX(C),干燥剂再生冷却器(D),除湿溶液加热器(E)和一些辅助配件等,处理和再生风机,调节阀除湿
8、溶液泵。除湿器和再生器是该系统的心脏,空气和干燥剂在其中进行热交换和湿交换。他们的高度,长度和宽度分别为0.35米、0.35米和0.2米。比表面积390 m,波纹角度60,空隙率为0.88以确保除湿溶液和空气之间有良好的接触。所提出的系统和标本的规整填料的实验测试示于图中2,实验程序介绍如下: 图1 交叉流动液体干燥剂除湿系统的原理图 最初,所提出的系统的操作的机制降膜理论。除湿溶液流过规整填料的表面形成的一种薄膜,并与空气的接触达到除湿目的。介绍了空气水平进入除湿机的处理过程;与此同时,除湿剂浓溶液被抽的顶部除湿机中并通过垂直喷头均匀喷洒在整个填料表面以实现交叉流。随着部分处理空气的蒸汽压力
9、高于除湿溶液的界面区(除湿溶液表面的薄层空气是一个平衡状态),空气中的水分就被吸收入除湿溶液。这是目前空气的处理过程,空气的温度取决于除湿溶液的温度,除湿溶液的状况决定吸收空气中水分的量。从空气中吸收大量的水分并释放潜热加热了除湿后的空气。与此同时除湿器中的除湿剂溶液被稀释并进行再生,以维持连续除湿的过程。在稀溶液被泵入溶液加热器(E)之前流经HX(C),以节省再热量。之后,除湿溶液达到其合适的再生温度,它由泵出并喷洒在再生器的顶部,就像发生在除湿机的现象一样。再生气流通过再生器从热的除湿溶液中吸收水分。聚集在再生器的底部除湿溶液通过HX(C),来进行冷却。对进入除湿机的浓溶液的进口温度进行分
10、析,并用额外的冷量进行冷却。通过这种方式,被处理好的除湿溶液被送到除湿机以完成连续的除湿过程。3. 测量和仪器仪表实验进行了试验,以评估在以氯化钙作为除湿剂的不同的操作条件的规整填料交叉流除湿/再生器的性能。利用玻璃转子流量计测量CaCl2溶液流量并利用水与CaCl2溶液的密度的差异进行修正。不同点处除湿溶液的温度、除湿机/再生机进出口的温湿度和周围环境条件均要考虑在内。CaCl 2溶液的浓度在一个给定的点被确定,我们可以引用Zaetsev和Aseev18的研究以表格的形式计算其在这一点上的密度和温度。通过收集该溶液的样品来计算该溶液的密度,并测量其质量和体积。我们将用后面提到的Gad等人引出
11、的理论来计算除湿溶液表面的蒸汽分压力。测量是在近恒定的环境条件下(变化为1.8%)进行的。来自再生器和除湿器的出口空气被排出到大气中,以确保室内条件的恒定。用k型热电偶来测量溶液的温度。使用空气速度计来测量空气的相对湿度、温度和流速。表1显示了测量仪器的规格和不确定性误差。误差分析显示,实验结果的不确定性范围为+_16。 为了使实验达到稳态,应每5分钟测量每一个参数,直到获得稳定状态。对每个变量进行至少7个水平的实验(每个曲线绘制七个点),同时保持其它变量恒定。每种级别的实验做三次,实验结果取平均值。本研究中所使用的实验样品的测量值示于表2。4. 技术性能分析首先,除湿机的能量平衡,以检查它是
12、否满足绝热条件。参照示于图3的除湿机的控制体积。能量平衡方程可写成如下形式: (1a)式中:和分别是除湿溶液进出口的质量流速,单位 Kg s 和分别是被处理空气进出口的质量流速,单位Kg s 式中:为除湿速率(MRR)方程1a变为: 表一测量仪器规格及其不确定性误差仪器 精度 测量范围 百分误差K型热电偶温度计(溶液温度) 0.1C 10120C 2.5风速仪 0.015m/s 050m/s 1.4温度计 0.3C -17.893.3C 1.8相对湿度计 3% 098% 3.2溶液流量计(转子式) 21 h 30300l h 4.3 公式左边的Eq。(1 c)代表了空气流量的传热量Qa,单位K
13、W和右边代表除湿溶液的传热量Qs,单位KW。空气的焓可以从湿度图中求得和氯化钙溶液的焓也可从文献20得到,公式如下:式中:Cps是CaCl2溶液在恒定压力(J KgC)下的比热,并且在一定程度上课由浓度Xs和温度Ts求得:2 目前,一些重要参数被用来评价除湿器的性能,参数如下:1-MRR MRR定义为从工艺空气中除去水分率。它可以由下式计算出: (3)式中:和分别是被处理空气的进出口的湿度比,单位为2-平均传质系数(Kav)平均传质系数被定义为穿过单位面积的水分通量()。它可以从以下的测量数据获得: (4)其中,A是内部液体干燥剂除湿机与空气之间的接触界面面积。如果这个区域被假定为完全浸渍在溶
14、液里,则式中V是规整填料的体积(m),是规整填料的比表面积(),是穿过除湿机的空气的平均湿度比,是在氯化钙溶液界面区域处于平衡状态时的空气的湿度比。可从以下的方程计算得到:表2 实验测量的样本一级二级三级四级五级六级七级0.0220.0360.0620.0870.1040.1330.1421.333.454.915.545.926.216.511.323.475.085.616.015.986.411.313.484.925.425.816.146.38平均值1.323.474.975.525.916.116.43图3 除湿机的控制体积 (5)式中:除湿溶液表面的分压力,单位Pa。它可由下式计
15、算: (6)式中: mmHg,Ts C,A(Xs)和B(Xs)是相关的回归参数,根据以下的关系它可以表示为线性函数:式中:。3-除湿效率()除湿效率被定义为被处理空气实际的HR下降量与最大可能下降之比。它的计算方法如下: (7)再生器有一些小的变化时上述方程也可以使用。另一个用于评估整个系统的性能的重要因素是热性能系数(),其计算方法如下: (8)式中:是水蒸气在饱和条件下的凝结潜热,单位KJ/Kg;和分别是被处理空气在除湿机进出口位置的干球温度,单位C;是通过加热器的除湿溶液的质量流量,单位为;分别是通过加热器的除湿溶液的进出口焓,单位kJ/kg;符号表明被处理的空气是被冷却还是被加热取决于
16、除湿溶液进入除湿机的温度以及除湿机吸收的水量。4.2实验测量结果不确定度分析通过使用由克莱恩和麦克林托克介绍的方法来计算实验结果的不确定性如方程21。通过使用表1中的资料(1c)-(8)。结果列于表3。这些方法计算得到的误差棒也示于图中,图6-图20。克莱恩和麦克林托克的方法是基于在细致的规范下的各种初级实验测量的不确定性。表3不确定性误差方程式(1c)-(8)方程式方程1c方程2方程3方程4方程5方程6方程7方程8百分误差11.78.96.510.99.18.811.115.6假设一组测量值,并且每个测量值的不确定性都可从测量装置得知。然后用这些测量来计算一些更多想要的的实验结果。我们希望在
17、初级测量结果的不确定性基础上通过计算结果R来评估不确定性。结果R是给定自变量的函数。方程如下: (9)假设是计算结果的不确定性,是独立变量的不确定性。如果自变量的不确定性,都给出相同赔率,则给出的结果具有不确定性的赔率可由下面的公式得到: (10)Win 4程序是根据上述方程分析实验测量中的误差。5.经济研究和LCA与传统的VCS相比包含有经济研究和LCA的生命周期成本分析的执行是为了评价提出的DDS经济因素和环境因素。5.1.经济分析用于评估任何的投资的经济性分析的方法有很多。在目前的研究中,当前价值和投资回收期(PP)被用来比较两个不同的除湿系统:现阶段的DDS和传统的VCS。潜负荷1.8
18、7千瓦是用来比较两个系统,系统的生命周期时间(N)假定为10年,现值因子(PWF)可以通过下式计算: (11)其中i是能源利率,d是市场折现率。生命周期储蓄(LCS)可以通过下式计算得到: (12)式中:是最初的额外支出(LE),是年运行成本节约。其中: (13) (14)得到快速评估的替代品的一个简便方法是计算需要多久才能收回初始投资,即PP: (15)目前提出的DDS和VCS系统的总资本成本已经列于表随着可用材料在埃及市场上的发展。DDS和VCS系统的运行成本是使用三种热能加权因子计算得到。kwh的平均价格为0.4LE,见表5。5.2LCALCA是评估产品或服务在其生命周期的环境影响。LC
19、A研究包括四个阶段:目标和范围,库存分析,影响评估和解释。本研究旨在评估两个不同除湿系统的环境影响,对DDS和VCS进行研究后选择其中之一该除湿空气及环境下的系统。本研究采用加权平均法。环境的整体影响包括物质资源消耗和排放到空气中的废气。在对环境的整体影响中两个系统的每个生命周期能源使用都要考虑在内。在这里,环境优先策略(EPS-2000)默认方法的加权方法被用于对环境的影响的评价。EPS-2000默认方法原理是基于社会的意愿,以避免破坏环境。该方法是在不断发展和更新的。这些原理发布在文献,我们可以访问查看原理。因此,衡量价值的透明度以及影响指数是有保证的。用每公斤的环境负荷单元(ELU)来表
20、示环境的影响指数。环境评估根据生产和维护除湿系统的材料和能源来源的清单数据来进行评估。5. 结果与讨论实验在不同的参数下运行来对所提出的DDS系统进行性能评估,例如:除湿溶液流量,空气流量,除湿溶液入口温度,除湿溶液入口浓度和规整填料厚度。在保证其它参数不变的条件下对每一个参数进行研究。在实验中环境条件基本不变(31C,)。流速调节阀对通过除湿器和再生器空气和溶液的流速调整是相同的。根据方程3和实验数据,通过除湿器和再生器的溶液和空气流之间的能量平衡关系被分别示于图4和图5中。从图4中可明显看到所有的数据都在22%范围内,但它集中在22%的部分表明除湿机散热增加,其原因是绝缘层的不完善。数据集
21、中在小于14范围内所以只有在此范围内的数据,才被用于实验分析中。图5所示,再生器中发生相反的现象。图6表示所提系统的除湿机的温度记录和HR的下降情况。表4 两个系统的造价DDSVCS项目造价,LE项目造价,LE氯化钙(50kg)生产机械及配件日常开支总投资15027504003300DX生产机械及配件日常开支总投资21004504002950表5 两个系统的运行费用DDSVCS项目Kwh/天年,LE项目Kwh/天年,LE再生换热(0.62kW)水泵和风机(0.36kW)维修费总年运行费用5.583.241764446.4259.2150855.6压缩机(1.4kW)风机(0.2kW)维修费总年
22、运行费用12.61.082736100886.41501244.46.除湿溶液质量流量的影响图7-11除湿溶液流量()对除湿/再生(DEH / REG)的性能参数的影响。从图7可以看出,除湿系统和再生系统的传质系数(K)几乎是相等的,这是因为它们具有相同的参数,如规整填料、溶液流速、空气流速和入口空气条件。当溶液的质量流量从0.014kg/s增到0.058kg/s时,除湿器和再生器的传质系数会分别增加94%和97.4%。在溶液流量较高的情况下K值的增量并不明显。在溶液流量高的情况下通过规整填料的流速会增加。除湿溶液和空气之间的接触时间减少导致吸收的水分量减少。这将导致传热系数k的降低。图8和图
23、9分别表示除湿溶液流量对除湿器/再生器的MRR的影响。MRR随着的增加而增加。对于除湿机来说,平均增加三倍除湿器的MRR将增加将近74%。相似的,再生器的MRR将增加50%。增长的原因解释如下:的增加强化了质量传递系数,的增加将导致除湿溶液浓度的降低以及除湿溶液温度的升高,换句话说就是在保持空气和除湿溶液有一个良好的质量传递的除湿溶液浓度基本不变。根据前述讨论知空气和除湿溶液间的水蒸气分压力差可提高MRR。喷洒到除湿器和再生器表面的合适的速度范围分别是0.6-1.4m/s和0.4-1.2m/s。这些速度是由除湿剂的质量流速和与喷洒方向相对的截面面积计算而得到。显然,空气的质量流量增加时除湿器和
24、再生器的MRR也增加。图10和图11分别示出了质量流量()对除湿器和再生器的除湿和再生过程的影响。随着质量流量()的增加和都增加。同样的正如前面所解释的那样的方式,当质量流量增加三倍时,和分别增加48%和71%。6.2空气流速的影响图12和图13表示空气质量流量()对除湿器和再生器性能参数的影响。正如图12所示,除湿器和再生器的K值基本相等并且随着的增加而增加。当增加六倍时,除湿器和再生器的传质系数分别增加280%和260%。从图13可知当除湿器的MRR随着的增加时随之降低。当空气流速增加时,除湿器出口的HR随着空气和除湿溶液之间的滞留时间的减小而增加。当增加时,除湿器的效能降低。正如图12所
25、示高质量流量能增加空气和除湿溶液间的质量传递效率并导致的增加。另一方面,高可提高除湿溶液表面的水蒸气分压力,可提高HR。结果是随着除湿器的降低HR随之降低。最后,在搞质量流量下会下降。当从0.002kg/s变化为0.014kg/s时,下降了20.4%,并且增加到76.2%。从图13中能看出,在同样的流速条件下规整填料的厚度增加一倍时,和分别增加28.8%和25.7%。在图14中示出了在和除湿器相同条件下的再生器的性能。这可以用规整填料的表面积的增加来解释。当质量流量()从0.022kg/s变到0.014kg/s时,会减小13.6%而会增加60.7%。6.3.进口溶液温度的影响图15示出了除湿器
26、的进口温度()和再生器的进口溶液温度()对再生器和除湿器的质量传递系数的影响。从图16可以看出,高可引起的升高,导致除湿器的降低和的缓慢升高。而的升高可导致的降低。可用下面的信息解释以上现象。的持续增加增大了除湿溶液表面的水蒸气压力引起了除湿器进口空气和除湿溶液表面水蒸气压力的不同程度的减小。除湿器出口的HR的增加导致了的减小。对于除湿效率来说,的持续增加不仅提高了除湿溶液表面的HR平衡能力而且提高了除湿器出口空气的HR平衡能力。最后,除湿器的效率略有增加,其结果弥补了方程7分子与分母之间的作用。从15C逐渐增加到30C时,和会相应的增加1.5%,57.3%。从图15中可以看到随着的增加,也会
27、相应的增加。而从图17可以看出的增加会导致的上升及的降低。这可以解释如下:的增加引起除湿溶液表面压力的增加,因此,在再生器中的传质潜力增大。结果是再生器的出口空气的HR和都相应的增加。再生器出口空气HR和除湿溶液表面的HR都随着相应增加时,但是前者的增加速度不如后者明显这就导致了的增加。当从53C逐渐增加到84C时,下降了14.3%而增加了97.2%。图18表示对系统COP的影响。当从53C逐渐增加到84C时,系统的COP从0.86降到0.63。更高的要求较高的再生能源。例如,将从60C逐渐增加到80C将需要额外的热量1.46kW。6.4.进口溶液浓度的影响图19和图20分别表示进口溶液浓度对
28、除湿器和再生器的MRR和效率的影响。除湿器溶液浓度()的逐渐增加使得除湿溶液表面分压力降低,分压力降低引起的增加。从图19可看出对的影响不大,可视为常数。从图20中知,随着的增加是降低的,同时是缓慢增加的。的逐渐增加导致除湿溶液表面水蒸气压力降低,从而导致除湿溶液表面的HR降低,而表面HR的降低又使得再生器出口空气的HR和的降低。当从0.35逐渐增加到0.48时,大约增加81.3%。但是当从0.27变到0.38时,减少了39.6%同时增加了2.3%。6.5.目前的研究和参考文献15的比较目前的研究中将除湿器的入口参数作为除湿器的性能参数,其对除湿效率的影响趋势和文献15的影响趋势都被列于表6中
29、。从对比中可以看出,目前的研究结果和文献15有相同的趋势。6.6.经济分析和LCA结果从经济分析中可知,不同之处是造价()和年运行费用(),其造价是350LE、年运行费用388.8LE。DDS系统的投资成本在市场折现率d=9时提供超过10年的经费,而每年的费用支出预期以i=8的速度膨胀。投资回收期为11个月。和传统的VCS系统相比,DDS系统的PP少于一年,并且他的将会增加31.24%。随着空调系统的应用将使得除湿系统得到关注。图21表示所提系统DDS的LCS。在其生命周期结束时该系统实现了总的LCS达到3070LE的成绩。所提系统DDS和VCS的清单结果和缺省方法EPS-2000的影响指数列
30、于表7中。这里假设所用能源为石油并且90%的金属都用于再循环。表中清单结果中通过对污染排放采用加权指数的方法和对资源枯竭采用缺省(EPS-2000)方法,我们可以计算出两个系统对环境的整体影响。从表7中可知DDS系统对环境的整体影响是传统的VCS的影响的0.63倍。在这两个系统中,相比于能源的利用和的排放来说,材料的影响就非常小了。能源利用量的影响不仅在于所用能源的数量而且在于是否是用于评估的能量源(煤、石油等)。能源利用和排放量的对环境的整体影响分别是:DDS93.4%、VCS91.4%。表6 目前研究和文献15的对比Z(m)目前研究文献未提到表中:表示减少,表示增加,表示几乎不变。表7DD
31、S(kg)VCS(kg)影响指数(ELU/kg)铁10.24.30.961铝3.65.10.439铜0.560.35208石油443068710.506CO223443363610.108HCl99.502.13HFC-134a01.24877.结论使用氯化钙溶液做除湿溶液的规整填料叉流DDS系统被设计出并被用于实验测量。从实验数据的设计、运行条件和分析结果中可以得到以下结论:空气和除湿溶液流量的增加会提高除湿器和再生器的传质效率和MRR。当空气流量增加时除湿器和再生器的效率会降低,当除湿溶液流量增加时效率会提高。对再生器来说,除湿溶液进口温度逐渐增加使得MRR减小,效率缓慢增加。对再生器则结果相反。对除湿器来说,除湿器进口溶液浓度的逐渐增加会提高其MRR,但其效率几乎没有变化。对再生器的影响是,再生器的效率增加,再生器的MRR降低。再生器的高进口溶液温度会使系统的COP降低。当规整填料的厚度增加时,再生器和除湿器的效率和MRR都会增加。DDS系统的投资回收期是11个月。和传统的VCS除湿系统相比,DDS的大约为31.24%。DDS系统的整体环境影响是VCS系统的0.63倍。参考文献
限制150内