基于CFD的管式蒸发冷却型溶液除湿器瞬/稳态性能及优化

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溶液除湿系统是替代传统冷凝除湿系统的有效手段,其能利用可再生能源和低品味热源驱动而广受关注,本文通过CFD技术对一种管式蒸发冷却型溶液降膜除湿器进行瞬态/稳态研究,建立了二维绝热和三维蒸发冷却型溶液降膜除湿器CFD模型,并对其瞬态降膜过程及稳态参数化传热传质特性进行研究。首先,验证了二维绝热溶液降膜除湿器CFD模型,平均相对误差为4%。基于CFD模型对绝热型除湿器瞬态除湿过程进行分析,发现除湿效果主要发生在气液界面,而在其他区域传质主要以扩散形式进行。长管除湿器相较于短管除湿器除湿空气入口温度对除湿效果影响更大,空气对溶液有明显的加热作用。绝热工况下,除湿空气含湿量和溶液浓度对绝对除湿效果影响最大。其次,验证了三维蒸发冷却CFD除湿器模型的准确性,平均相对误差为12%。对蒸发冷却型溶液除湿器瞬态除湿过程进行分析后发现,溶液降膜流动过程中部速度较大,两侧流速较小。基准工况下,当运行至100s管内除湿效果趋于稳定时,除湿管内管壁面热流密度也趋于稳定值,为205W/m~2。蒸发冷却空气出口含湿量达到稳定状态为24.1g/kg。单位体积传质量随着空气流动距离增大而减小,从空气入口段10kg/(m~3·s)降至出口段5kg/(m~3·s)。再次,对蒸发冷却型溶液除湿器稳态除湿进行了参数化分析,结果表明:基准工况下,喷淋水最佳流量为0.25kg/(m~2·s),最佳温度为31℃;蒸发冷却空气入口含湿量对除湿效果影响最大,含湿量增加10g/kg,除湿效率降低9.6%;蒸发冷却空气入口速度较低时对蒸发冷却影响巨大,最佳蒸发冷却空气流速为0.3m/s;对于长管除湿器,蒸发冷却能有效降低由于空气温度升高而导致溶液温度升高,从而降低对除湿的不利影响。最后,研究了肋片排布形式及除湿器材质对除湿性能的影响,除湿管下部排布肋片的除湿性能优于在上部排布肋片,同时溶液温升幅度降低37.5%;PERT管除湿性能仅比不锈钢管低4.6%,但铜管冷却性能比不锈钢管高33%,比PERT管高149%;同时不锈钢管溶液温升幅度比铜管高156%,PERT管溶液温升幅度比铜管高226%。本文研究结果为蒸发冷却型溶液除湿器设计提高参考。
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