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不同填料溶液除湿器热质传递过程的数值模拟

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中图分类号: THI37.8;TU834.9 文献标志吗: A doi:10.3969/j.issn.1005-0329.2013.06Numerical Simulation of Heat and M ass Transfer Process in LiquidDehumidifier with Different PackingHUANG Zhi-jia,WANG Yong-tai(Anhui University ofTechnology,Ma anshan 243002,China)Abstract: A heat and mfl,ss transfer mathematical model of the counter·flow dehumidification process was established.Throughthe numerical solution of the dehumidifcation process,the distribution of the absolute humidi of the air in dehumidifiers withfour diferent packing was obtained.The simulation and experimental results were compared.Th e results indicated that structuredpacking Was beter than random packing in the efect of dehumidifcation,pal ring performed better than other random packing。

Key words: liquid dehumidifcation;heat and massansfer;packingl 前言目前空调领域中的空气除湿广泛采用的是冷冻除湿技术,由于能源紧缺和环境问题,近年来,溶液除湿技术得到了较快发展。除湿器/再生器是溶液除湿系统中的核心部件,其中空气与溶液的热质交换影响整个系统的性能。许多研究者对不同型式的除湿器的热质交换过程进行了研究,但较多集中在流型(叉流或逆流)、结构(内冷或绝热)上的研究 柚 ;而对不同类型填料除湿器的理论和实验研究则多是金属填料 lo○属填料不仅造价较高而且不适于溶液除湿机的小型化、灵活化。本文在前人逆流绝热型除湿器的基收稿日期 : 2013-Ol-08基金项目: 安徽省自然科学基金(11040606Ml10)础上 ,对不同的塑料/纸质填料的除湿过程进行数值模拟,分析除湿器内空气含湿量的分布,本文的研究工作有助于填料型除湿器的优化设计。

2 数值模拟2.1 除湿器内传热传质数学模型采用逆流填料式溴化锂溶液除湿器,溴化锂溶液由喷淋管均匀喷洒在填料层顶部,空气从底部穿过填料,在温度和水蒸气分压力差的推动下,湿空气与溶液间发生传热传质,其热质交换示意如图1所示,并作如下简化假设:2013年第 41卷第 6期 流 体 机 械 55(1)空气与溶液均匀分布,填料充分润湿;(2)忽略液相传质阻力,与外界环境无传热传质。

图 1 逆流除湿器传热传质模型根据以上假设,将除湿器的空气和溶液按其流动方向分别作-维处理 引。在湿空气与除湿溶液的逆流热质传递过程中,依据能量守恒和质量守恒,引入Ⅳ形 和 ( 近似为 1),经过简化推导,得到该模型的控制方程 铷]。

dm, (d。、- dema ) (1) 百 Ldn-dda: (d -de) (2) d 日 、 、dha: ( 。-he) (3) d 日dx m C ( 。)p.。H 、 。

d(m。 )0 (5)式中 m --除湿溶液质量流量,ks/sm --处理空气质量流量,ks/sNTU--传质单元数日--除湿器的高度,md。--湿空气的含湿量,g/kgd --与溶液状态平衡的空气含湿量t --溶液温度,℃h。--空气的比焓,kJ/kgh --与溶液状态平衡的空气比焓Cp. - - 溶液的比热容,kJ/(kg·℃)t --空气温度,℃- - 溶液浓度,%对除湿器沿高度日和宽度 划分网格,并将控制方程进行离散化。已知空气和溶液进 口状态,并分别作为除湿器微元体的底层和顶层。逐层依次推算就可以得出整个除湿器每-控制体空气和溶液的状态。

2.2 不同填料的传质单元数 NTU目前国内溶液除湿的研究大多采用规整填料,而忽视了散装填料方便、经济的优点。本文选取鲍尔环、阶梯环、多面空心球 3种散装填料和Celdek规整填料进行模拟。4种填料参数如表 1所示 :表 1 4种填料结构参数比表面积 空隙率 填充 填料类型 尺寸 材质(m /m。) (m。/m ) 方式鲍尔环 625 325 0.87 塑料 散装多面空心球 638 257 0.897 塑料 散装阶梯环 650 146 0.927 塑料 散装Celdek 7O90 396 0.95 纸质 规整传质单元数NTU表示传质过程的难易程度,其与填料的特性、构造、几何尺寸等结构参数,以及气液物性参数和操作参数有关。

NTUhaAVim。 (6)式中 h --对流质交换系数,ks/(m ·s)A--填料比表面积,m /m- - 填料体积,m。

从上式可以看出,对 NTU进行计算就必须求出传质系数,但在热质交换过程中传质系数-般很难确定,可以通过舍伍德数 sJIl表示,所以 NTU可转换为:NTU : .s p-a-DaAV (7)m。d式中 .s --舍伍德数P --空气的密度,ks/mD。--水蒸气在空气中的扩散系数,m。/sd --填料的当量直径,m本文采用文献[21]中Tsair-Wang Chung通过试验数据进行非线性回归拟合得出的散装填料和规整填料的舍伍德数,并计算出4种填料所对应的Ⅳ 值。

表2 4种填料的Ⅳ 值填料类型 NTU鲍尔环 0.324多面空心球 0.261阶梯环 0.159Celdek 0.6942013年第41卷第6期 流 体 机 械 575 结论本文在逆流绝热除湿模型的基础上,计算出4种不同填料的传质单元数 Ⅳ彤 ,分别为0.324、0.261、0159、0.649,将其引人数学模型中并对其除湿性能进行了数值模拟并加以试验验证,得到了4种填料除湿器内的空气含湿量分布情况。模拟结果表明,在相同工况下,由于填料传质单元数NTU的不同,规整填料的除湿效果明显优于散装填料,在散装填料中,鲍尔环除湿效果较好,此为设计人员在除湿器填料选型上提供了参考依据。

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