摘 要

摘　要：針對(duì)回收工業(yè)建筑排風(fēng)余熱的溶液熱回收系統(tǒng)，建立管道部分的仿真模型。結(jié)合算例，對(duì)溶液在輸送過程中的混合及管段散熱對(duì)溶液參數(shù)(溫度、質(zhì)量分?jǐn)?shù))的影響進(jìn)行了計(jì)算分析。

摘　要：針對(duì)回收工業(yè)建筑排風(fēng)余熱的溶液熱回收系統(tǒng)，建立管道部分的仿真模型。結(jié)合算例，對(duì)溶液在輸送過程中的混合及管段散熱對(duì)溶液參數(shù)(溫度、質(zhì)量分?jǐn)?shù))的影響進(jìn)行了計(jì)算分析。

關(guān)鍵詞：溶液熱回收系統(tǒng)；　排風(fēng)余熱；  溶液參數(shù)

Simulated Calculation of Circulating Solution Parameters of Solution Heat Recovery System

Abstract：The simulation model of pipes in solution heat recovery system recovering industrial building exhaust waste heat is established．Combined with numerical example，the influence of mixing and heat loss of circulating solution during transportation on solution parameters like temperature and mass fraction is analyzed．

Keywords：solution heat recoveur system；exhaust waste heat；solution parameters

 

1　概述

工業(yè)建筑對(duì)新風(fēng)需求量大，新風(fēng)負(fù)荷較大，排風(fēng)量也比較大。冬季工況下，排風(fēng)基本為高溫高濕狀態(tài)，排風(fēng)點(diǎn)比較分散，且與新風(fēng)處理設(shè)備距離較遠(yuǎn)，排風(fēng)的熱量回收利用難度較高。因此，可考慮采用溶液(一般采用氯化鋰溶液)熱回收系統(tǒng)，將多臺(tái)分散的熱質(zhì)回收塔(低溫濃溶液與室內(nèi)高溫高濕排風(fēng)進(jìn)行傳質(zhì)傳熱的設(shè)備)的出口溶液(高溫稀溶液)經(jīng)過較長(zhǎng)距離輸送并收集到稀溶液儲(chǔ)罐，再送入熱質(zhì)釋放塔(高溫稀溶液與室外低溫低濕新風(fēng)進(jìn)行傳質(zhì)傳熱的設(shè)備)集中處理新風(fēng)，通過控制循環(huán)溶液參數(shù)(溫度、質(zhì)量分?jǐn)?shù))調(diào)節(jié)溶液、新風(fēng)流量等手段，可以調(diào)節(jié)經(jīng)熱質(zhì)釋放塔處理的新風(fēng)參數(shù)(溫度、含濕量)，從而滿足工業(yè)建筑對(duì)新風(fēng)的需求。由于不同熱質(zhì)回收塔出口溶液在輸送過程中混合并產(chǎn)生熱損失，勢(shì)必影響熱質(zhì)釋放塔進(jìn)口溶液(高溫稀溶液)參數(shù)，從而影響熱質(zhì)釋放塔的性能。

在溶液除濕領(lǐng)域，學(xué)者們對(duì)除濕溶液以及熱質(zhì)回收塔、熱質(zhì)釋放塔內(nèi)的熱質(zhì)交換進(jìn)行了深入研究^[1-9]，探討了溶液熱回收系統(tǒng)在特定場(chǎng)所的節(jié)能與環(huán)境效益^[10-11]，但對(duì)溶液在輸配中的參數(shù)變化鮮有關(guān)注。本文建立溶液熱回收系統(tǒng)管道部分的仿真模型，對(duì)溶液在輸送過程中的混合及管段散熱對(duì)溶液參數(shù)的影響進(jìn)行計(jì)算分析。

2　溶液熱霹收系統(tǒng)

溶液熱回收系統(tǒng)是一種基于大量溶液循環(huán)的新型能量回收系統(tǒng)，適用于空氣、煙氣及蒸汽等的能量回收，并可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)能量的綜合回收利用與轉(zhuǎn)化，是一種環(huán)保高效的新型節(jié)能技術(shù)。溶液熱回收系統(tǒng)是回收建筑物內(nèi)(外)的余熱(冷)或廢熱(冷)，并把回收的熱(冷)量用于供熱(冷)或作為其他設(shè)備的冷(熱)源加以利用的系統(tǒng)。溶液熱回收系統(tǒng)(流程見圖l)主要設(shè)備包括熱質(zhì)回收塔、熱質(zhì)釋放塔、風(fēng)機(jī)、溶液泵及儲(chǔ)液罐等。大量的熱濕空氣從熱質(zhì)回收塔底部進(jìn)入，與低溫濃溶液在填料表面接觸，進(jìn)行熱濕交換，熱濕空氣變?yōu)楦衫淇諝?，低溫濃溶液則變?yōu)楦邷叵∪芤?，并收集到稀溶液?chǔ)液罐。熱質(zhì)釋放塔用于溶液再生，干冷空氣從塔下部進(jìn)入，與來自稀溶液儲(chǔ)液罐的高溫稀溶液在填料表面接觸，進(jìn)行熱質(zhì)交換后變?yōu)闊釢窨諝?。高溫稀溶液則變?yōu)榈蜏貪馊芤?，并收集到濃溶液?chǔ)液罐。對(duì)于處理量較大的場(chǎng)所，可并聯(lián)若干臺(tái)熱質(zhì)回收、釋放塔。

 

3　仿真模型

3．1　單管仿真模型

①單管溫降模型

設(shè)環(huán)境溫度為t0，微元管段dL內(nèi)的溶液溫度為t，忽略摩擦熱，在穩(wěn)定工況下，質(zhì)量流量為qm的微元管段皿上滿足熱量平衡式：

K(t-t0)dL=-qmcpdt       (1)

式中K——管段單位長(zhǎng)度散熱系數(shù)，W／(m·K)

t——微元管段乩內(nèi)的溶液溫度，℃

t0——環(huán)境溫度，℃

L——管段長(zhǎng)度，m

qm——溶液質(zhì)量流量，kg／s

cp——溶液比定壓熱容，J／(kg·K)

引用Uemura提出的氯化鋰溶液的比定壓熱容與溶液溫度、質(zhì)量濃度的關(guān)系式：

cp=4186(A+Bt+Ct²)      (2)

A=1.002-1.255w+0.7575w²

B=-5.54×10^-4-1.517×10^-3w+6.8248×10^-5w²

C=5.2266×10^-6+3.6623×10^-6w-3.8345×10^-5w²

式中A、B、C——與溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)的參數(shù)

w——溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)

將式(2)代入式(1)可得：

 

將式(3)等號(hào)左側(cè)在管長(zhǎng)0～L范圍進(jìn)行積分運(yùn)算，等號(hào)右側(cè)在溶液溫度tR～tL范圍進(jìn)行積分運(yùn)算，可得到：

 

式中tL——距管段入口L處的溶液溫度，℃

tR——管段入幾處溶液溫度，℃

式(4)即為單管溫降模型，對(duì)于給定的管段溶液入口溫度tR，只要指定管長(zhǎng)L，即可根據(jù)式(4)計(jì)算距離入口L處的溶液溫度tL。此類復(fù)雜的非線性代數(shù)方程，可采用Matlab-Simulink循環(huán)求解器進(jìn)行求解。

②單管散熱模型

管段(長(zhǎng)度為L)的散熱量F等于管內(nèi)溶液熱損失，則有：

  

式中F——管段散熱量，W

式(5)即為單管散熱模型，同樣可采用Matlab-Simulink循環(huán)求解器進(jìn)行求解。將單管溫降模型計(jì)算結(jié)果作為輸入?yún)?shù)，計(jì)算管段散熱量。

3．2　管網(wǎng)仿真模型

高溫稀溶液從熱質(zhì)回收塔流出后經(jīng)稀溶液儲(chǔ)液罐集中送入熱質(zhì)釋放塔，不同工業(yè)建筑排風(fēng)參數(shù)不同將導(dǎo)致熱質(zhì)回收塔出口高溫稀溶液參數(shù)不同，各分支管溶液在總管入口處混合后，狀態(tài)參數(shù)也發(fā)生變化。

總管溶液質(zhì)量流量qnmt的計(jì)算式為：

 

式中qm,t——總管溶液質(zhì)量流量，kg／s

n——單管數(shù)量

qm,i——第i根單管溶液質(zhì)量流量，kg／s

總管溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)wt的計(jì)算式為：

 

式中wt——總管溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)

wi——第i根單管溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)

不同溫度的溶液混合，高溫溶液釋放熱量，低溫溶液吸收熱量，最終達(dá)到一個(gè)新的穩(wěn)定的溫度。各單管溶液混合滿足以下熱平衡關(guān)系：

 

式中tm——混合溶液溫度，℃

tL,i——第i根單管出口溶液溫度，℃

cp,i——第i根單管出口溶液比定壓熱容，J／(kg·K)

進(jìn)行積分運(yùn)算后得到：

 

式中Ai、Bi、Ci——與wi有關(guān)的參數(shù)

利用Matlab-Simulink循環(huán)求解器，由式(8)可求解混合溶液溫度。式(6)～(8)為混合溶液狀態(tài)參數(shù)模型，將單管溫降模型、單管散熱模型、混合溶液狀態(tài)參數(shù)模型分別進(jìn)行封裝，進(jìn)而通過模塊連線搭建不同布置形式的管網(wǎng)仿真模型。

4　算例與結(jié)果分析

某溶液熱回收系統(tǒng)管道布置見圖2，溶液分別從熱質(zhì)回收塔A、B、C吸收熱量后在節(jié)點(diǎn)0匯合，進(jìn)入稀溶液儲(chǔ)液罐D。

 

各管段長(zhǎng)度、溶液質(zhì)量流量見表1。設(shè)定節(jié)點(diǎn)1～3處溶液溫度均為60℃，管段1-0、2-0、3-0溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為41％、38％、41％，環(huán)境溫度為5℃，各管段單位長(zhǎng)度散熱系數(shù)均取2W／(m·K)。

 

由單管溫降模型、單管散熱模型計(jì)算得到的各管段出口溶液溫度、散熱量見表2。由管網(wǎng)仿真模型計(jì)算得到節(jié)點(diǎn)0處溶液溫度為57.38℃，溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40.18％。

 

對(duì)比管段1-0與3-0出口溶液溫度，在其他條件相同的情況下，溶液質(zhì)量流量大的管段3-0溫降反而更小。這主要是由于算例中將管子單位長(zhǎng)度散熱系數(shù)設(shè)為定值，從而導(dǎo)致出現(xiàn)以上計(jì)算結(jié)果。實(shí)際上，對(duì)于相同管徑的管子，較大的管內(nèi)溶液質(zhì)量流量將導(dǎo)致散熱系數(shù)增大。

氯化鋰溶液的常用質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為35％～45％，以管段1-0為例，當(dāng)其他條件不變時(shí)，管段出口溶液溫度隨氯化鋰溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化見圖3。由圖3可知，在計(jì)算工況下，氯化鋰溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，溶液溫降越大。

 

其他條件不變，采用長(zhǎng)沙典型年1月1日8：00—17：00的逐時(shí)室外干球溫度作為環(huán)境溫度，對(duì)管段0-4出口溶液溫度進(jìn)行仿真計(jì)算。環(huán)境溫度、管段出Vl溶液溫度隨時(shí)間的變化見圖4。由圖4可知，計(jì)算工況下，環(huán)境溫度從最低(1.5℃)升至最高(11.5℃)，管段0-4出口溶液溫度由55.27℃升至56.07℃。

 

參考文獻(xiàn)：

[1]FUMO N，GOSWAMI D Y．Study of an aqueous lithimn chloride desiccant system：air dehumidification and desiccant regeneration[J]．Solar Energy，2002(4)：351-361．

[2]LIU X H，JIANG Y，CHANG X M，et al．Experimental investigation of the heat and mass transfer between air and liquid desiccant in a cross-flow regenerator[J]．Renewable Energy，2007(10)：1623-1636．

[3]殷勇高．溶液除濕系統(tǒng)除濕再生過程及其熱質(zhì)耦合機(jī)理研究(博士學(xué)位論文)[D]．南京：東南大學(xué)，2009：31-35．

[4]劉曉華，江億，曲凱陽．叉流溶液除濕裝置全熱交換過程的解析解[J]．太陽能學(xué)報(bào)，2006(8)：774-781．

[5]BABAKHANI D，SOLEYMANI M．An analytical solution for air dehumidification by liquid desiccant in a packed column[J]．International Communications in Heat and Mass Transfer，2009(9)：969-977．

[6]羅磊，張小松，殷高勇．叉流填料再生器中傳熱傳質(zhì)系數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究[J]．工程熱物理學(xué)報(bào)，2008，29(7)：1218-1220．

[7]殷高勇，張小松，賴融冰．兩種鹽溶液除濕器的建模與對(duì)比[J]．化工學(xué)報(bào)，2006(12)：2828-2833．

[8]劉曉華，江億，曲凱陽．使用吸濕溶液的叉流除濕模塊尺寸優(yōu)化分析[J]．太陽能學(xué)報(bào)，2006(9)：878-883．

[9]劉曉華，江億，常曉敏，等．溶液除濕李調(diào)系統(tǒng)中叉流再生裝置熱質(zhì)交換性能分析[J]．暖通空調(diào)，2005，35(12)：10-15．

[10]韓俊召，裴清清．溶液全熱回收裝置在SPF實(shí)驗(yàn)動(dòng)物環(huán)境中的應(yīng)用分析[J]．清凈與空調(diào)技術(shù)，2007(1)：46-48．

[11]李井會(huì)，劉澤華，叢明滋，等．溶液熱回收系統(tǒng)在卷煙廠工藝排風(fēng)中的應(yīng)用[J]．暖通空調(diào)，2011，41(5)：55-58．

 

 

本文作者：余浩平  劉澤華  廖燕

作者單位：南華大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院