摘 要

摘　要：针对回收工业建筑排风余热的溶液热回收系统，建立管道部分的仿真模型。结合算例，对溶液在输送过程中的混合及管段散热对溶液参数(温度、质量分数)的影响进行了计算分析。

摘　要：针对回收工业建筑排风余热的溶液热回收系统，建立管道部分的仿真模型。结合算例，对溶液在输送过程中的混合及管段散热对溶液参数(温度、质量分数)的影响进行了计算分析。

关键词：溶液热回收系统；　排风余热；  溶液参数

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

工业建筑对新风需求量大，新风负荷较大，排风量也比较大。冬季工况下，排风基本为高温高湿状态，排风点比较分散，且与新风处理设备距离较远，排风的热量回收利用难度较高。因此，可考虑采用溶液(一般采用氯化锂溶液)热回收系统，将多台分散的热质回收塔(低温浓溶液与室内高温高湿排风进行传质传热的设备)的出口溶液(高温稀溶液)经过较长距离输送并收集到稀溶液储罐，再送入热质释放塔(高温稀溶液与室外低温低湿新风进行传质传热的设备)集中处理新风，通过控制循环溶液参数(温度、质量分数)调节溶液、新风流量等手段，可以调节经热质释放塔处理的新风参数(温度、含湿量)，从而满足工业建筑对新风的需求。由于不同热质回收塔出口溶液在输送过程中混合并产生热损失，势必影响热质释放塔进口溶液(高温稀溶液)参数，从而影响热质释放塔的性能。

在溶液除湿领域，学者们对除湿溶液以及热质回收塔、热质释放塔内的热质交换进行了深入研究^[1-9]，探讨了溶液热回收系统在特定场所的节能与环境效益^[10-11]，但对溶液在输配中的参数变化鲜有关注。本文建立溶液热回收系统管道部分的仿真模型，对溶液在输送过程中的混合及管段散热对溶液参数的影响进行计算分析。

2　溶液热霹收系统

溶液热回收系统是一种基于大量溶液循环的新型能量回收系统，适用于空气、烟气及蒸汽等的能量回收，并可实现多点能量的综合回收利用与转化，是一种环保高效的新型节能技术。溶液热回收系统是回收建筑物内(外)的余热(冷)或废热(冷)，并把回收的热(冷)量用于供热(冷)或作为其他设备的冷(热)源加以利用的系统。溶液热回收系统(流程见图l)主要设备包括热质回收塔、热质释放塔、风机、溶液泵及储液罐等。大量的热湿空气从热质回收塔底部进入，与低温浓溶液在填料表面接触，进行热湿交换，热湿空气变为干冷空气，低温浓溶液则变为高温稀溶液，并收集到稀溶液储液罐。热质释放塔用于溶液再生，干冷空气从塔下部进入，与来自稀溶液储液罐的高温稀溶液在填料表面接触，进行热质交换后变为热湿空气。高温稀溶液则变为低温浓溶液，并收集到浓溶液储液罐。对于处理量较大的场所，可并联若干台热质回收、释放塔。

 

3　仿真模型

3．1　单管仿真模型

①单管温降模型

设环境温度为t0，微元管段dL内的溶液温度为t，忽略摩擦热，在稳定工况下，质量流量为qm的微元管段皿上满足热量平衡式：

K(t-t0)dL=-qmcpdt       (1)

式中K——管段单位长度散热系数，W／(m·K)

t——微元管段乩内的溶液温度，℃

t0——环境温度，℃

L——管段长度，m

qm——溶液质量流量，kg／s

cp——溶液比定压热容，J／(kg·K)

引用Uemura提出的氯化锂溶液的比定压热容与溶液温度、质量浓度的关系式：

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——与溶液质量分数有关的参数

w——溶液质量分数

将式(2)代入式(1)可得：

 

将式(3)等号左侧在管长0～L范围进行积分运算，等号右侧在溶液温度tR～tL范围进行积分运算，可得到：

 

式中tL——距管段入口L处的溶液温度，℃

tR——管段入几处溶液温度，℃

式(4)即为单管温降模型，对于给定的管段溶液入口温度tR，只要指定管长L，即可根据式(4)计算距离入口L处的溶液温度tL。此类复杂的非线性代数方程，可采用Matlab-Simulink循环求解器进行求解。

②单管散热模型

管段(长度为L)的散热量F等于管内溶液热损失，则有：

  

式中F——管段散热量，W

式(5)即为单管散热模型，同样可采用Matlab-Simulink循环求解器进行求解。将单管温降模型计算结果作为输入参数，计算管段散热量。

3．2　管网仿真模型

高温稀溶液从热质回收塔流出后经稀溶液储液罐集中送入热质释放塔，不同工业建筑排风参数不同将导致热质回收塔出口高温稀溶液参数不同，各分支管溶液在总管入口处混合后，状态参数也发生变化。

总管溶液质量流量qnmt的计算式为：

 

式中qm,t——总管溶液质量流量，kg／s

n——单管数量

qm,i——第i根单管溶液质量流量，kg／s

总管溶液质量分数wt的计算式为：

 

式中wt——总管溶液质量分数

wi——第i根单管溶液质量分数

不同温度的溶液混合，高温溶液释放热量，低温溶液吸收热量，最终达到一个新的稳定的温度。各单管溶液混合满足以下热平衡关系：

 

式中tm——混合溶液温度，℃

tL,i——第i根单管出口溶液温度，℃

cp,i——第i根单管出口溶液比定压热容，J／(kg·K)

进行积分运算后得到：

 

式中Ai、Bi、Ci——与wi有关的参数

利用Matlab-Simulink循环求解器，由式(8)可求解混合溶液温度。式(6)～(8)为混合溶液状态参数模型，将单管温降模型、单管散热模型、混合溶液状态参数模型分别进行封装，进而通过模块连线搭建不同布置形式的管网仿真模型。

4　算例与结果分析

某溶液热回收系统管道布置见图2，溶液分别从热质回收塔A、B、C吸收热量后在节点0汇合，进入稀溶液储液罐D。

 

各管段长度、溶液质量流量见表1。设定节点1～3处溶液温度均为60℃，管段1-0、2-0、3-0溶液质量分数分别为41％、38％、41％，环境温度为5℃，各管段单位长度散热系数均取2W／(m·K)。

 

由单管温降模型、单管散热模型计算得到的各管段出口溶液温度、散热量见表2。由管网仿真模型计算得到节点0处溶液温度为57.38℃，溶液质量分数为40.18％。

 

对比管段1-0与3-0出口溶液温度，在其他条件相同的情况下，溶液质量流量大的管段3-0温降反而更小。这主要是由于算例中将管子单位长度散热系数设为定值，从而导致出现以上计算结果。实际上，对于相同管径的管子，较大的管内溶液质量流量将导致散热系数增大。

氯化锂溶液的常用质量分数范围为35％～45％，以管段1-0为例，当其他条件不变时，管段出口溶液温度随氯化锂溶液质量分数的变化见图3。由图3可知，在计算工况下，氯化锂溶液质量分数越高，溶液温降越大。

 

其他条件不变，采用长沙典型年1月1日8：00—17：00的逐时室外干球温度作为环境温度，对管段0-4出口溶液温度进行仿真计算。环境温度、管段出Vl溶液温度随时间的变化见图4。由图4可知，计算工况下，环境温度从最低(1.5℃)升至最高(11.5℃)，管段0-4出口溶液温度由55.27℃升至56.07℃。

 

参考文献：

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[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．

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[4]刘晓华，江亿，曲凯阳．叉流溶液除湿装置全热交换过程的解析解[J]．太阳能学报，2006(8)：774-781．

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[8]刘晓华，江亿，曲凯阳．使用吸湿溶液的叉流除湿模块尺寸优化分析[J]．太阳能学报，2006(9)：878-883．

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[10]韩俊召，裴清清．溶液全热回收装置在SPF实验动物环境中的应用分析[J]．清净与空调技术，2007(1)：46-48．

[11]李井会，刘泽华，丛明滋，等．溶液热回收系统在卷烟厂工艺排风中的应用[J]．暖通空调，2011，41(5)：55-58．

 

 

本文作者：余浩平  刘泽华  廖燕

作者单位：南华大学城市建设学院