气换热器对太阳能再生装置性能的影响

　　摘要：再生装置是太阳能蒸发除湿降温系统的重要组成部分，但普遍存在再生性能较低的问题。为了提高再生性能，将气-气换热器加装于再生装置中用于回收部分空气余热。讨论了两种再生装置的特点，测试了加装前后再生装置的性能。试验结果表明：再生装置的除湿增量、再生效率都随着太阳能热水温度的升高而提高；气-气换热器的加装能有效提高再生装置的再生性能，除湿量可以达到40～55/kg，较未加装时提高了35～45/kg；再生效率在热水温度90℃时可以达到60%，同等温度下高出未加装换热器50%。因此，余热的回收利用对于再生装置性能的提高至关重要。
0、引言
　　太阳能蒸发除湿制冷系统是一种利用低品位热源太阳能，对空气进行除湿降温的制冷装置，可用于大型办公楼、住宅等场所的集中供风系统[1]，也可用于农业设施的环境控制中[2]。在空气除湿过程中，LiCl、CaCl2等除湿溶液吸收空气中的水蒸气，其浓度随着除湿量的增加而降低。当除湿剂与空气中的水蒸气蒸汽压差很小时，除湿剂便失去了除湿功能，需要再生装置通过太阳能对稀的除湿剂进行加温。加温后除湿剂中的水分被排出，除湿剂的浓度随之提高。除湿过程与再生过程构成了可逆的除湿剂循环过程。
　　许多学者对再生装置进行了研究：Ani等[3]研究了再生器高度、形状对系统制冷效率的影响；Jain等[4]采用LiBr溶液对降膜板式再生器进行了试验研究。以逆流填料塔再生装置为研究对象：Martin等[5]对采用三甘醇除湿剂的再生装置的热质交换过程进行了研究；Fumo等[6]又对采用LiCl除湿剂的再生装置的热质交换进行了研究；Longo等[7]用甲酸钾（KCOOH）溶液与LiCl、LiBr溶液进行了再生比较试验；孙健等[8]对除湿剂为CaCl2的再生过程进行了研究。刘晓华等[9]采用LiBr除湿剂，对叉流填料塔的再生过程进行了分析和试验。张小松等[10]对新型的太阳能集热/再生装置进行了研究。现有再生装置的研究，主要集中在再生性能、传热传质过程以及再生中各参数之间的耦合作用等方面。
　　
1.1.2未安装气-气换热器的试验装置
如图2所示，试验装置主要由风机、填料塔、板式换热器等组成。风机采用风量5000m3/h的离心式风机；填料塔采用纸质波纹填料，横断面为0.8m，高度1m；板式换热器自行研制，用于液-液换热，采用字形波纹板作为换热片，换热效率可达到80%。

再生过程包括空气、除湿溶液与太阳能热水3种介质之间的热量交换过程：经过除湿后的稀除湿溶液首先进入板式换热器，与太阳能热水在换热器内进行显热交换，温度升高，然后稀溶液进入填料塔进行再生：稀溶液从管式喷淋器中均匀喷洒在填料塔中的填料上；风机将外界空气以一定的流量和风速送入填料塔中；由于高温稀溶液中的水蒸气压大于送入空气中的水蒸气压，稀溶液中所含有的水分经蒸发进入空气中，于是空气升温并被排出填料塔；而除湿溶液降温、失去水分变成浓溶液后，又返回除湿溶液罐，实现除湿溶液的循环使用。
1.1.3加装气-气换热器的试验装置
　　如图3所示，是在原有再生装置的基础上进行改进，主要由风机、填料塔、板式换热器、气-气换热器、表冷器等组成。其中表冷器长0.8m，宽0.8m，高0.22m，用于进行液-气换热；风机、填料塔与板式换热器的参数与图2相同。
　　
再生过程中，稀除湿溶液与太阳能热水的换热过程与未加装换热器装置的过程相同。不同之处在于：风机产生的负压使得外界空气先进入气-气换热器，与从填料塔出口排出的热空气进行显热交换，实现余热回收。升温后的外界空气从气-气换热器的出口再进入表冷器；外界空气在表冷器中，与其中循环的太阳能热水进行热交换，被进一步加热后，再由风机送入填料塔进行湿热交换，实现对除湿稀溶液的再生。从填料塔出口排出的热空气，又进入气-气换热器，回收部分热量后排出。
1.1.4两种试验装置的再生过程
　　未加装气-气换热器的试验装置的再生过程如图4 a所示，其中A点为室外空气状态点，B点为填料塔出口空气状态点。室外空气经过风机进入填料塔（不考虑风机升温），与稀溶液进行热湿交换，再排出填料塔，该过程是加温加湿的过程。
　　
加装气-气换热器的试验装置的再生过程如图4 b所示，其中A点为室外空气状态点，A点为室外空气经换热器加热后的状态点，B点为填料塔出口空气状态点，C点为填料塔出口空气经换热器冷却后的状态点。A-A表示室外空气首先经过气-气换热器加热，该过程为等湿加温过程；A-B表示空气再经表冷器加温后进入填料塔，该过程是加温加湿过程；B-C表示最后排出空气经换热器被入口的室外空气冷却，该过程是等湿降温过程，可能导致空气状态达到露点，从而产生冷凝。
1.2试验装置与方法
　　试验于2010年8～9月在浙江缙云县完成，主要对两种再生装置的进出气口以及关键点的空气状态进行测试，包括温度、湿度等，测试点如图5所示。
　　
1.2.1测试所用仪器
采用WZP-Pt100型温度传感器对空气温度进行测量，范围为0～150℃，通过数据采集器由计算机读取并记录；湿度的测量则采用干湿球水银温度计，范围0～100℃，通过干湿球方法获得相对湿度；采用ZRQF系列智能热球风速计进行风速测定；再利用风速与风管截面面积计算送风质量通量；空气含湿量根据焓湿图查得。
1.2.2再生性能的评价指标
再生装置性能的优劣主要由除湿增量和再生效率两个指标来衡量与评价。
除湿增量△是指再生过程前、后，单位质量空气的含湿量增加量，g/kg。按式（1）计算
△=w0-wi（1）
　　式中，0为再生装置出口处空气的含湿量，g/kg；i为再生装置进口处空气的含湿量，g/kg。
　　采用Gandhidasan[14]研究中的式（2）来计算再生装置的效率a：
　　
　　式中，0max为再生装置出口处空气最大可能的含湿量，g/kg。一般地，估取相同空气蒸气压状态的除湿溶液含湿量[14]。
2.结果与分析
为了研究余热回收对再生装置性能的影响，在试验过程中关闭图3中的表冷器，太阳能集热器产生的热水完全通过板式换热器对稀的除湿溶液加热。
2.1太阳能热水温度与再生装置除湿增量的关系
　　在再生装置的空气流量、除湿溶液流量保持不变时，太阳能集热器出水口水温与除湿增量之间的关系如图6所示。从图中可以看出，太阳能出口热水温度在60～90℃之间时，再生装置的除湿增量在35～60g/kg之间；随着再生热源温度的上升，空气的除湿增量逐渐增大。这是因为：再生热源温度的升高，使得再生装置中稀除湿溶液的温度上升，增大了溶液中水蒸气的分压力，从而增大了稀溶液的去水效果；在相近的太阳能热水温度下，除湿增量有明显差别，主要是由于进口空气的含湿量有差别，改变了空气与稀溶液之间的蒸汽压差，从而影响了稀溶液的去水效果。
　　
2.2两种再生装置的除湿增量比较
　　图7为2种再生装置的除湿性能对比：未加装气-气换热器的再生装置，在再生热源温度60～100℃时，除湿增量只有5～10g/kg；而加装气-气换热器后，新装置的除湿增量达到40～55g/kg，提高了35～45g/kg，即提高了4.5～7倍。
　　
　　另外，根据文献[11]提供的、未加装气-气换热器再生装置的数据，在再生热源温度为50～70℃时，除湿增量为5～15g/kg；加装气-气换热器后，新装置的除湿增量较文献[11]也提高了约30g/kg。
　　因此，改进后的装置较未加装气-气换热器的再生装置，除湿增量有较大幅度地提高。
　　2.3 2种再生装置的再生效率比较
　　图8为2种再生装置再生效率与再生热源温度的关系，可以看出：再生效率与太阳能热水温度成正相关关系：随着热水温度的提高，再生效率不断增大；加装气-气换热器后再生装置的再生效率，高于未加装气-气换热器再生装置的再生效率：在再生热源温度分别为90～95℃时，加装后的再生效率可达到55%～60%，而未加装气-气换热器的再生装置，在热水温度达到104℃时，其再生效率才达到54%；另外，在再生热源温度经常运行的温度区间为70～80℃，前者再生效率比后者高出30%～50%。
　　
3.结论
1）加装气-气换热器、进行余热回收后的再生装置，其除湿增量随太阳能热水温度的提高而增大，这与未加装气-气换热器再生装置的结果一致。
2）加装气-气换热器的再生装置，可以有效地、大幅度地提高再生装置的除湿性能，除湿增量可以达到40～55g/kg，比未加装余热回收的再生装置提高了35～45g/kg，即提高了4.5～7倍。
　　3）再生装置的再生效率，也随太阳能热水温度的升高而增大；加装气-气换热器后的再生装置，在再生热源温度为90℃左右时，再生效率可达到60%左右，比未加装的提高了30%～50%。
　　综上所述，余热回收装置;气-气换热器的加装，可以较大幅度地提高太阳能再生装置的性能。