胡 凱，郭春梅，楊 紅，由玉文，羅丹吳，李美萱

（1.天津城建大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院，天津 300384；2.天津市建筑設(shè)計院，天津 300074；3.天津生態(tài)城綠色建筑研究院有限公司，天津 300467）

0 引言

近年來，節(jié)約能源、環(huán)境友好的溶液除濕空調(diào)技術(shù)引起了越來越多研究者的興趣，并在在制冷和除濕過程中已有所應(yīng)用［1-2］。除濕溶液的再生過程是溶液除濕空氣處理過程的重要組成部分，其傳熱傳質(zhì)效果直接影響整個過程的性能［3］，且由于溶液再生需求熱源的溫度通常不超過80 ℃，故太陽能與工業(yè)余熱等低品位熱源均可作為再生過程的熱源，既使得溶液再生過程順利進(jìn)行，又使得各種低品位熱源高效利用［4-10］。

再生器可分為絕熱型與內(nèi)熱型兩種形式。YIN等［11-13］對內(nèi)熱再生器的傳熱傳質(zhì)過程建立了傳熱傳質(zhì)模型和試驗研究，結(jié)果表明：與絕熱型相比，內(nèi)熱型再生器可以獲得更好的再生性能，且在液體除濕空調(diào)中具有廣闊的應(yīng)用前景。邵亮峰等［14］通過數(shù)值模擬得出：溶液再生濃度隨再生空氣含濕量降低而升高，隨空氣溫度升高而減低。王琴［15］以氯化鋰溶液為除濕劑，通過對逆流內(nèi)熱型再生器試驗測試表明：溶液再生量隨溶液溫度、流量、空氣流量的增大而增大。倪輝等［16］建立了內(nèi)熱型超聲霧化溶液再生系統(tǒng)（IH-UARS）的再生性能預(yù)測模型和試驗系統(tǒng)，研究結(jié)果表明：IH-UARS系統(tǒng)存在最優(yōu)的內(nèi)熱量范圍，使其再生系統(tǒng)性能最佳；所需最優(yōu)內(nèi)熱量隨著再生溶液流量增大呈顯著的對數(shù)增長，但受空氣流量的影響較弱。

對于溶液除濕空調(diào)的再生過程的研究大部分都集中在單一參數(shù)或多參數(shù)對再生性能的影響，而未對多參數(shù)進(jìn)行綜合分析，得出各參數(shù)對再生性能影響的敏感性。因此，本文就結(jié)構(gòu)簡單、傳熱傳質(zhì)效果良好的內(nèi)熱型板式再生器的熱質(zhì)交換性能進(jìn)行研究，并搭建了內(nèi)熱型板式溶液再生系統(tǒng)試驗臺，確定影響再生器性能的有關(guān)參數(shù)，采用控制變量法擬定試驗方案，對試驗裝置進(jìn)行誤差分析后探究空氣、溶液以及熱水不同入口參數(shù)對內(nèi)熱型板式再生器熱質(zhì)傳遞特性的影響規(guī)律，并以再生量和再生效率為指標(biāo)評價各運行工況下的再生器性能；再針對不同入口參數(shù)影響再生量的試驗結(jié)果，分析各參數(shù)的敏感性，并找出顯著性影響因素，為再生系統(tǒng)的運行優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 試驗系統(tǒng)

1.1 試驗裝置

圖1示出內(nèi)熱型板式再生系統(tǒng)試驗原理，該試驗臺既可用于內(nèi)冷除濕過程研究也可進(jìn)行內(nèi)熱再生過程研究，因此試驗臺中有兩路風(fēng)道，對于本試驗，只需利用其中一路風(fēng)道。再生系統(tǒng)大致可分為風(fēng)系統(tǒng)與水系統(tǒng)。其中，風(fēng)系統(tǒng)為采用室內(nèi)排風(fēng)的再生空氣系統(tǒng)；水系統(tǒng)則包括再生溶液環(huán)路和熱水環(huán)路兩部分。

圖1 內(nèi)熱型板式再生系統(tǒng)試驗原理Fig.1 Experimental schematic diagram of internal heated plate regeneration system

再生器是由耐腐蝕、導(dǎo)熱良好的金屬材料構(gòu)成的板式熱交換器，再生空氣和溶液在一次側(cè)直接接觸進(jìn)行傳熱傳質(zhì)，熱水在二次側(cè)流動間接將熱量傳遞給一次側(cè)的再生溶液。在溶液與空氣流量比較小時，采用空氣與溶液順流的方式其再生效果最優(yōu)［17］，而熱水流向?qū)υ偕Ч麩o顯著影響。而對于內(nèi)熱型再生器，再生溶液的流量遠(yuǎn)小于再生空氣流量，這也是相對于絕熱型再生器帶液問題嚴(yán)重的優(yōu)勢所在。因此，本系統(tǒng)采用了溶液與空氣順流，熱水與溶液及空氣均叉流的布置方式，在保證了再生效果的同時節(jié)省了再生系統(tǒng)的空間體積。

1.2 試驗方案

對于內(nèi)熱型溶液再生系統(tǒng)，影響其性能的入口參數(shù)主要有：空氣的溫度ta、含濕量da、流速va；溶液的溫度ts、濃度C、流量ms；熱水的溫度tw及流量mw。本試驗對這幾項因素均做了測試研究，根據(jù)實際工程情況來選擇各參數(shù)的設(shè)置范圍。具體參數(shù)見表1。

表1 試驗工況參數(shù)Tab.1 Parameter range of experimental conditions

試驗過程中采用的方法為控制變量法，即在進(jìn)行某一項因素的研究時，保持其他因素不變，令變量在擬定的變化范圍內(nèi)按照一定的間隔改變。

1.3 試驗誤差分析

本試驗中可以通過儀器直接測量得到的參數(shù)有：空氣溫度、相對濕度、流量、水和溶液的溫度和和流量以及溶液質(zhì)量和體積，相關(guān)儀器的參數(shù)見表2。各測點上的傳感器采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)一集成到電控柜的弱電系統(tǒng)中，通過數(shù)據(jù)采集儀轉(zhuǎn)換后導(dǎo)入計算機中經(jīng)過編碼處理后顯示并存儲成溫濕度及流量數(shù)據(jù)。通過配套的Keysight軟件可在電腦上直接觀測到數(shù)據(jù)的實時變化曲線，試驗中設(shè)置的數(shù)據(jù)采集間隔時間為5 s。

表2 試驗儀器參數(shù)Tab.2 Table of experimental instrument parameters

而對于試驗結(jié)果的評價指標(biāo)參數(shù)，是需要與以上直接測量值建立特定的函數(shù)關(guān)系式進(jìn)行計算才能獲得的，欲考量這些間接測量參數(shù)與真實值的誤差，還需引入誤差傳遞公式。間接測量參數(shù)與真實值的相對誤差傳遞公式為：

式中 Δy —— 由Δxi引起的間接測量值的絕對誤差；

y ——間接測量值；

f ——間接與直接測量值間的函數(shù)關(guān)系；

xi——直接測量值；

Δxi——直接測量值的絕對誤差。

經(jīng)式（1）計算，再生量的相對誤差為8.22%，再生效率的相對誤差為7.51%。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 再生性能的評價指標(biāo)

本文采用了再生量和再生效率2個指標(biāo)來評價再生器性能，這兩者是應(yīng)用最多的評價指標(biāo)，可用于評價再生過程的傳質(zhì)效果。

2.1.1 再生量

再生量指的是再生前后空氣吸收稀溶液中水分的多少，即對于空氣側(cè)，進(jìn)出口濕空氣含濕量的變化值，其表達(dá)式為：

式中 mω——再生量，g/s；

ma——空氣質(zhì)量流量，kg/s；

ωa,o——再生器出口處空氣含濕量，g/kg；

ωa,i——再生器入口處空氣含濕量，g/kg。

2.1.2 再生效率

由GANDHIDASAN［18］提出的再生效率可以表征再生過程的完善程度，其定義為再生器前后空氣含濕量的實際變化值對于同溶液相平衡時的等效含濕量和入口空氣含濕量之差所反映的理想變化值的接近程度。

式中 ηm——再生效率，（%）；

ωe,i—— 再生器入口處的溶液等效含濕量。

已知溶液入口溫度與濃度通過文獻(xiàn)［19］對除濕溶液飽和條件下的蒸氣壓進(jìn)行計算，再根據(jù)含濕量與蒸氣壓之間的轉(zhuǎn)換公式，求得該狀態(tài)下對應(yīng)的等效含濕量。

2.2 再生過程的影響評價

2.2.1 空氣側(cè)入口參數(shù)的影響

盡管空氣溫度對其水蒸氣分壓力無影響，但與其接觸的溶液會受其傳熱影響進(jìn)而改變?nèi)芤罕砻娴乃魵夥謮毫Γ虼丝諝馊肟跍囟葧υ偕阅苡幸欢ǔ潭扔绊憽?/p>

如圖2所示，隨著空氣溫度從23 ℃提高到33 ℃，再生器的再生量、再生效率都隨之升高，分別從1.62 g/s升至1.92 g/s，46.89%升至53.44%。這是由于空氣溫度的升高，雖使得溶液與空氣的溫差變小，但有利于提高再生裝置內(nèi)的平均再生溫度，使得溶液向空氣的傳質(zhì)過程得以維持進(jìn)行，水分傳遞量在持續(xù)增加，空氣的出口含濕量也得到提升，進(jìn)而提高了整個過程的再生量與再生效率。

圖2 空氣入口溫度對再生裝置再生性能的影響Fig.2 Effect of air inlet temperature on regeneration performance of regeneration device

從圖3中可以看出，當(dāng)空氣含濕量從10 g/kg升高到22 g/kg時，再生器再生量從1.97 g/s緩慢下降至1.38 g/s；再生效率有所降低但變化幅度并不大，僅從51%下降至47%。導(dǎo)致這一落差的原因在于提高空氣入口含濕量相當(dāng)于增大了再生空氣的水蒸氣分壓力，使得溶液與空氣間的傳熱傳質(zhì)驅(qū)動力減弱，造成空氣的出口含濕量的增量減少，因此再生量和再生效率呈下降趨勢。

圖3 空氣入口含濕量對再生裝置再生性能的影響Fig.3 Effect of air inlet moisture content on regeneration performance of regeneration device

圖4示出了空氣入口流速變化對再生器性能的影響結(jié)果。隨著空氣流速從0.4 m/s提高到2 m/s的過程中，內(nèi)熱型再生量從0.82 g/s提升至2.04 g/s，再生效率從90.15%降至45.68%。再生量表達(dá)式告訴我們，空氣質(zhì)量流量是影響再生量的直接因素，由于空氣流速的增加，使得空氣質(zhì)量流量提高，溶液與空氣間的傳熱傳質(zhì)驅(qū)動力也隨之升高，傳熱傳質(zhì)系數(shù)增大，而空氣流速的增加還會使得空氣與溶液的熱質(zhì)傳遞不充分，因此空氣出口含濕量均減小，但綜合效果促進(jìn)了再生量提高，而使得再生效率呈下降趨勢。

圖4 空氣入口流速對再生裝置再生性能的影響Fig.4 Effect of air inlet flow speed on regeneration performance of regeneration device

2.2.2 溶液側(cè)入口參數(shù)的影響

如圖5所示，當(dāng)溶液濃度從30%變化到40%時，再生器的再生量近似呈直線下降，從2.4 g/s降至1.11 g/s；再生效率從50.1%降至45.15%。由再生原理可知，溶液表面的水蒸氣分壓力是溫度和濃度的復(fù)合函數(shù)，當(dāng)溶液溫度不變時，溶液濃度的升高會導(dǎo)致其表面水蒸氣分壓力降低，致使液氣間的傳質(zhì)勢差減小，導(dǎo)致空氣出口含濕量減少，自然會造成再生量的減少；由再生效率的計算式，分母中溶液的等效含濕量隨溶液進(jìn)口濃度的增加而降低，分子中空氣的出口含濕量也隨之降低，但變化程度相當(dāng)，兩方面綜合作用的結(jié)果導(dǎo)致再生效率隨溶液進(jìn)口溫度的升高而較為穩(wěn)定。

圖5 溶液入口濃度對再生裝置再生性能的影響Fig.5 Effect of solution inlet concentration on regeneration performance of regeneration device

從圖6中可以看出，當(dāng)溶液入口流量在0.02～0.10 kg/s范圍內(nèi)變化時，內(nèi)熱型再生量從1.31 g/s升高至2.07 g/s；再生效率從36.28%升至57.19%。在溶液流量增大后，較充足的溶液不僅能提高板面潤濕性，還能減緩再生過程中的溶液溫降，相對提高了溶液再生過程的整體溫度，溶液與空氣間能保持較強的傳質(zhì)驅(qū)動力，從而使得溶液與空氣間的傳熱傳質(zhì)系數(shù)增大，營造更良好的再生環(huán)境，以上原因使得再生量和再生效率均隨著溶液流量的增加的增大。

圖6 溶液入口流量對再生裝置再生性能的影響Fig.6 Effect of solution inlet flowrate on regeneration performance of regeneration device

圖7示出當(dāng)溶液入口溫度從55 ℃提高到75 ℃時，內(nèi)熱型再生量從1.13 g/s升高至2.18 g/s；再生效率從67.41%降至31.53%。溶液入口溫度對再生過程起著決定性作用，在溶液濃度不變的情況下，溶液表面水蒸氣分壓力的大小僅取決于溫度的高低。溶液溫度升高帶動其表面水蒸氣分壓力增大，從而使得溶液與空氣間的傳熱傳質(zhì)驅(qū)動力增強，導(dǎo)致空氣出口含濕量增大，自然再生量也會不斷攀升；由再生效率計算式可知 ，雖然分子中空氣的出口含濕量也隨溶液進(jìn)口溫度的增加而增大 ，但分母中溶液的等效含濕量相應(yīng)增加，由于后者的影響更顯著一些 ，因而再生效率隨溶液進(jìn)口溫度的升高而降低。

圖7 溶液入口溫度對再生裝置再生性能的影響Fig.7 Effect of solution inlet temperature on regeneration performance of regeneration device

2.2.3 熱水側(cè)入口參數(shù)的影響

與改變空氣和溶液的入口參數(shù)不同，熱水參數(shù)的變化是影響再生傳質(zhì)過程的間接因素，如圖8所示，熱水入口溫度的提高是有益于再生量的提高的。熱水溫度從55 ℃變化到75 ℃時，再生量從1.57 g/s升高到了2.23 g/s；再生效率從44.19%上升至61.91%。其中，65 ℃工況為溶液與熱水入口溫度相等時的分界點，當(dāng)熱水入口溫度低于該分界點時，熱量初始是由溶液傳遞給熱水，但隨著再生過程的進(jìn)行，溶液溫度有所下降，當(dāng)降至熱水溫度以下時，傳熱方向發(fā)生逆轉(zhuǎn)。當(dāng)熱水入口溫度高于該分界點時，熱量始終都自熱水傳向溶液，這對溶液的溫降起到了很好的抑制作用，并在整體過程中維持了較大的水蒸氣分壓力和傳質(zhì)量，空氣出口含濕量升高，又因為溶液的入口工況并沒有改變，其表面濕空氣的等效含濕量未變，再生效率分母也就保持恒定，因此當(dāng)熱水流量不變時，再生器的再生量和再生效率都是隨著熱水溫度的提高而上升的。

圖8 熱水入口溫度對再生裝置再生性能的影響Fig.8 Effect of hot water inlet temperature on regeneration performance of regeneration device

圖9示出了當(dāng)熱水流量從0.02 kg/s變化到0.1 kg/s時，再生量從1.34增加至1.82 g/s；再生效率從37.77%提高至51.48%。熱水流量提高后，二次通道板面上的潤濕率隨之升高，使得熱水向溶液傳熱的過程持續(xù)時間更長，則溶液再生過程中的平均溫度就更高，與溶液直接接觸的空氣的出口溫度也得到提高，空氣的出口含濕量增加，又因為二次側(cè)溶液流量的改變同樣對一次側(cè)溶液的入口狀態(tài)參數(shù)無任何影響，因此當(dāng)熱水溫度不變時，再生器的再生量和再生效率都是隨著熱水流量的提高而上升的。

圖9 熱水入口流量對再生裝置再生性能的影響Fig.9 Effect of hot water inlet flowrate on regeneration performance of regeneration device

2.3 影響再生量的參數(shù)敏感性分析

從上述各入口影響因素對再生器性能影響的試驗研究結(jié)果來看，各參數(shù)與再生器性能之間是存在著一定線性關(guān)系的，因此在對各影響因素進(jìn)行敏感性分析時，擬采用多元線性回歸的分析方法，借助SPSS數(shù)據(jù)分析軟件，以研究中考慮的8種入口參數(shù)為自變量，再生量為因變量來求出他們之間的近似函數(shù)關(guān)系，檢驗各因素的敏感性并依據(jù)方程中的偏回歸系數(shù)來求出影響程度排序。由于各參數(shù)的單位不一致，其對應(yīng)的偏回歸系數(shù)應(yīng)該進(jìn)行歸一化處理再進(jìn)行比較，見表3。

表3 再生量回歸分析結(jié)果匯總Tab.3 Summary of regression analysis results of regeneration capacity

由SPSS輸出的結(jié)果可知，再生量的多元線性回歸方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)，即R為0.975。復(fù)相關(guān)系數(shù)的大小反映了因變量與多個自變量之間的線性相關(guān)程度，其值越接近1則說明自變量與因變量之間的線性關(guān)系越顯著。因此可以認(rèn)為，用線性回歸方程來描述各入口參數(shù)與再生量之間的關(guān)系是有意義的，這是采用線性回歸法分析的前提。給定顯著性水平α=0.05，

可以由顯著性sig值來判斷各因素對于再生量影響是否明顯。由此可以看出，除了空氣入口溫度的sig=0.06＞0.05以外，其他參數(shù)對再生量的影響均是較為顯著的。標(biāo)準(zhǔn)化偏回歸系數(shù)的符號反映的是正、負(fù)相關(guān)關(guān)系，其絕對值大小則反映各因素影響程度的權(quán)重。因此對再生量影響程度由大到小的排列順序是：C＞va＞ts＞ms＞da＞tw＞mw＞ ta。

回歸法分析結(jié)果說明溶液濃度對再生量的影響最為顯著，而在實際應(yīng)用中，再生器入口的溶液濃度只取決于從除濕器中出來的稀溶液狀態(tài)，稀溶液的濃度越低越有利于再生量的提高，同時，再生器出口的濃溶液濃度還需滿足除濕側(cè)的入口濃度要求，因而再生量也不是越高越好，除濕量與再生量之間存在著一定的匹配關(guān)系，如何平衡除濕器需求側(cè)與再生器供給側(cè)是優(yōu)化再生器性能的關(guān)鍵問題。其次應(yīng)考慮空氣流速，由試驗分析結(jié)果可知提高再生空氣的流速有助于再生量的提升，但是過高的空氣流速又可能導(dǎo)致噴淋的溶液液滴還未附著于板面上就被帶離再生器，反而可能削弱再生效果且加劇帶液問題，因此可認(rèn)為存在最優(yōu)的空氣流速值使得再生量達(dá)到峰值。對再生量影響程度最小的是再生空氣的溫度，因此建議在設(shè)計再生系統(tǒng)時，應(yīng)著重考慮溶液和熱水側(cè)的加熱方式，節(jié)省空氣側(cè)加熱設(shè)備的投入。

3 結(jié)論

（1）空氣側(cè)入口流速對再生器的性能起到至關(guān)重要的作用，含濕量次之，溫度的影響最小。隨著空氣流速的增加，再生器再生量從0.82 g/s升高至2.04 g/s，但再生效率從90.15%降至45.68%；隨著空氣溫度的增加，再生量僅從1.62 g/s升至1.92 g/s，再生效率僅從46.89%升至53.44%。

（2）溶液側(cè)濃度對再生器性能影響較大，而溫度與流量的影響較為一般；熱水側(cè)溫度、流量均對再生器的性能起到積極作用，但效果一般。隨著溶液濃度的升高，再生量近似呈直線規(guī)律下降，從2.4 g/s急速降至1.11 g/s，但再生效率僅從50.1%降至45.15%。

（3）通過SPSS軟件分析8個入口參數(shù)對再生量的敏感性，得出各參數(shù)對再生量影響程度的排序，發(fā)現(xiàn)入口溶液濃度和空氣流速是最主要的影響因素，空氣溫度則是影響最小參數(shù)，且在設(shè)計再生器時，宜側(cè)重考慮用熱源加熱溶液側(cè)而不是空氣側(cè)。