空调用填料除湿器除湿效果的模拟研究

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摘 要：利用多孔介质理论和体积平均法概念分析规整填料内部结构，提出基本假设并建立多相流相变数学模型，结合商业软件编写源项。通过分析引起源项驱动力的因素，来选择数值计算工况，从溶液的温度和浓度的角度来分析填料层内各参数的变化情况，最后分析汽化潜热影响的主要区域，同时为后续的改造提供理论依据。

关键词： 填料除湿器；数学模型；源项；汽化潜热；数值模拟

中图分类号：TM925.13 文献标识码：A文章编号：

引言：

目前溶液空调除湿系统因在改善室内空气品质、湿度独立控制方面的优点逐渐得到了人们的普遍关注。填料塔因其传质效率高、空气处理能力大、压降小、操作弹性大等优点由化工生产逐渐应用于空调除湿领域。但填料塔内各参数的变化规律研究一直因其复杂的物理结构而得到限制，本文将利用体积平均法分析填料内部结果，建立相应的数学模型和基本假设，从影响除湿效果的两大主要因素——溶液的温度和浓度来分析填料层内各参数的变化，为研究学者对后续的改造设计提供依据。

1、 模型的建立与计算

1.1物理模型

本文采用文献[1]实验数据为依据，研究对象为小型的住宅型逆流填料除湿器。其塔体采用有机玻璃板，塔高1.2m，填料的高度为0.6m，填料的规格是0.2×0.2×0.2m3 立方型不锈钢金属孔板波纹规整填料，除湿溶液采用LiCl盐溶液。除湿器中研究的重点是填料层内的传热传质过程。对于规整填料层内流体的流动，液相往往是分散的，因此采用多孔介质理论体积平均方法[2]规划模型，进而不用画出规整填料的具体几何结构。建立一个几何尺寸为0.2×0.2×0.6m3的长方体，并在长方体两端分别挖掉一个0.1×0.1×0.01m3的长方体。塔底小长方体上端面为气相（被处理空气）入口，塔底环形端面设为液相（LiCl盐溶液）入口；塔顶小长方体下端面设为液相入口，塔顶环形端面设为气相出口，这样就形成了一个气液逆流的物理模型，具体模型见图1-1：

图1-1填料层模型图

1.2基本假设

（1）本文认为除湿溶液中的溶质即氯化锂是均匀分布在溶液中的，且在传热传质的过程中起到一个载体的作用，因此在填料层内只考虑到三相：液态的水、气态的水、干空气；

（2）因整个的除湿过程温度是变化较小的，认为各相均为不可压缩流体；

（3）除湿溶液也就是液相的压缩功与粘性耗散效应忽略不计；

（4）除湿过程中的流动要素随时间变化，因此认为流体的流动为非定常流动；

（5）根据质量守恒定律可知液相的增加量等于气相的减少量；即溶液中水的增加量等于水蒸汽的减少量，从而我们可以认为除湿过程其实就是一个水蒸汽的冷凝过程；

（6）本文只考虑多孔介质与单相之间的相互作用力以及相与相之间的作用力；

（7）传热传质过程为绝热过程。

1.3流体模型

假定所研究的问题是气液多相流逆流解吸过程，除湿过程其实就是一个气液相变的过程，本文选择混合物模型进行模拟计算，混合模型比较适合计算无明显界面的流体混合模型。其中涉及到的源项采用商业软件fluent编写。

2、模拟研究与分析

2.1采集数据

从溶液的蒸气压图中可看出影响除湿效果的主要参数是溶液的浓度和温度，因此从改变温度和浓度参数的角度来采集数据，各入口参数见表1。

表1 不同状态下的入口空气和溶液参数

2.2模拟分析

从为了分析被处理空气和除湿溶液出口参数随层高的变化情况，本文在填料层内取5个面，通过研究各个面上节点参数，得出这5个面各参数的平均值，计算并汇总数据得出下列图表。

图2-1 改变入口溶液浓度对出口空气温度的影响（随填料层高度）

图2-1讨论：

（1）出口空气温度随着填料层的高度逐渐升高，达到一个最高点然后略微下降，除湿效果在填料层下部较好，填料层的上部其效果逐渐趋于稳定；（2）气液在填料层中逆向接触，其过程的推动力为空气中水蒸汽分压力与溶液表面蒸汽压之差，在除湿的过程中水蒸汽放出汽化潜热，转化为空气的显热和溶液显然，导致蒸汽压差减少，引起填料层上部除湿效果不佳；

图2-2改变入口溶液浓度对出口空气含湿量的影响（随填料层高度）

图2-2讨论：

（1）随着入口溶液浓度的增加，出口空气含湿量沿着流动方向逐渐降低，说明较高的溶液浓度能够获得较好的除湿效果； （2）在填料层0.1~0.2m处曲线坡度较大，说明此段除湿效果明显较佳；（3）在填料层0.4~0.5m处曲线坡度平缓，说明此段汽化潜热的影响较大；

图2-3改变入口溶液浓度对出口溶液浓度的影响（随填料层高度）

图2-3讨论：

（1）除湿溶液的浓度随着其流动方向逐渐减低，主要是除湿的缘故，气态的水蒸汽变为液态的水，使溶液中的水含量增加，从而使其浓度减少； （2）随着入口溶液浓度的增加其出口溶液浓度变化较大，这是因为浓度的增加能够增强除湿效果，也就是说空气中的水蒸汽转化为液态水的量增多，最终引起溶液浓度增加量较大；

图2-4 改变入口溶液温度对出口空气温度的影响（随填料层高度）

图2-4讨论：

（1）出口空气温度随着填料层的高度逐渐升高，达到一个最高点然后略微下降，说明除湿效果在填料层上部较好，下部趋于稳定；

（2）与图2-1数据相比较，增加入口溶液浓度与降低入口溶液温度能够使出口空气温度达到相同的效果。

图2-5改变入口溶液温度对出口空气含湿量的影响（随填料层高度）

图2-5讨论：

（1）随着入口溶液温度的降低，出口空气含湿量沿着流动方向逐渐降低，说明较低的溶液温度能够获得较好的除湿效果；（2）与图2-2数据相比，增加溶液浓度略比降低除湿溶液温度有较好的除湿效果；

图2-6改变入口溶液温度对出口溶液浓度的影响（随填料层高度）

图2-6讨论：

（1）随着入口除湿溶液温度的降低，出口溶液浓度降低幅度较大，主要是因为温度的降低引起除湿量的增加，即空气中的水蒸汽发生相变转化为溶液中水量增加，从而引起浓度的降低；

（2）在填料层的下部溶液浓度变化的幅度比较大，从而也证明了在这个区域内除湿效果比较好。

3、结语

(1) 通过模拟计算也验证了增加溶液入口浓度和降低溶液入口温度有助于增加除湿效果，且前者的作用更大于后者；

(2) 本文采用三个独立的尺寸为0.2×0.2×0.2m3的填料竖立起来的物理模型，从模拟的结果上可看出整个填料层上部除湿效果不佳，因此如果考虑降低该部分的汽化潜热，或者对绝热型填料除湿器进行内冷型改造的话，可以在上部1/3处填料之间加冷却设备，达到一个降温的效果。

参考文献：

田龙舟,郑丹星.LiC溶液吸收除湿器的实验与模拟.北京化工大学学报[J],2008,35(6):12-16