关于对使用固定板式回热系统进行液体干燥的蓄热器的研究
摘要
在这篇论文中，作者使用数值模拟及实验来对在空气取不同质量流量时回热器中液体干燥除湿系统（LDDS）的性能进行计算模拟及预测分析。再生空气排出后所浪费的热量通过固定板式换热器来进行回收。本文提出了一种适用于热量回收过程的水力模型，并将其与一种关于进行空气废热回收及传质过程的水力模型进行组合，随后的固定板式换热器回收热量以及空气废热回收的性能进行了计算。作者将实验和数值模拟的计算结果进行了比较，随后发现数值模拟的计算结果是准确的，因此可以通过数值模拟对回热器的工作性能进行有效地预测、控制以及最优化。最大的相对误差仅有10.03%。通过热量回收，回热器的性能得到了提升，包括更高的再生空气率及热效率。固定板式换热器回收了16%到19%左右的空气废热，将它应用在回热器中可以节省14%到18%的能量消耗。
第一章 绪论
各种节能技术及其相应的部署在大规模的减少能源使用的需求上有着巨大的潜力。Kim对应用在复杂的制造大楼上的节能技术所起到的经济效益进行了分析，其结果表明通过使用节能技术，如采暖通风及空调设备和先进的荧光照明系统，大楼的全部能源消耗可以节省14％。Oh等人改进出一种创新型的·吸附性除湿器和一种间接蒸发冷却技术，并得出了这样一个结论，即是用这种技术可以在2030年之前累计节约21906GWh的电能。作为一种节能技术，废热回收系统可以重新利用一部分废热。与直接生成热量不同，这种系统减少排放工质中未利用的废热以是的能源消耗更加划算。它可以对排气热源排出工质的废热进行再利用以预热进入的气体，并以此来减少热负荷和耗能需求。热量回收系统可以回收排放工质所含废热的60%到95%的热量并且可以极大地提升能源的消费效率。
新加坡是一个热带国家。由于其全年高温且潮湿的热带气候，新加坡商业大楼的空气调节及机械通风（ACMV）系统会消耗所有使用能量的40%到50%。在不影响居住的舒适度的前提下减少空气调节及机械通风的能量损耗可以同时起到环保和减少开销的作用。相较于传统的机械型空气除湿器的设计，液体干燥剂除湿系统（LDDS）展现出了许多的优点，比如高效的除湿过程以及使用劣等的能量和提供高质量的供给空气的潜能。科研工作人员改进出了许多不同种类的液体干燥剂除湿系统（LDDS），比如说内部加热/冷却型液体干燥剂除湿系统（LDDS），薄膜型液体干燥剂除湿系统（LDDS），劣等能量驱动型液体干燥剂除湿系统（LDDS）和电渗透型液体干燥剂除湿系统（LDDS）。液体干燥剂除湿系统（LDDS）利用处理空气与液体干燥剂之间的气相压力差来作为驱动力以实现系统的传热和传质，并最终对处理空气进行除湿。除湿器和回热器是液体干燥剂除湿系统（LDDS）的两个主要部件，也是系统中传热和传质过程发生的地方。为了重新回收液体干燥剂并反复利用，回热器消耗了液体干燥剂除湿系统（LDDS）中的主要能量。学者们提出了很多技术来改善回热器的工作性能。Refs就曾提出保持回热器内部的溶解温度恒定就可以提升回热器的性能。为了维持溶解温度恒定，内部加热技术是一种方法。但是，这也会消耗额外的能量。热回收技术可以通过利用排放工质的废热来对进口空气进行预热并以此来减少从液体传给空气的显热。
Riffat等人对应用于楼房建筑的热量回收系统进行了仔细的回顾。他们将热量回收设备归类为四种类型，也就是固定板式换热器、热管换热器、旋转热轮通风换热器和绕线线圈通风换热器。热管换热器较为昂贵，旋转热轮通风换热器需要消耗额外的输入功率，绕线线圈通风换热器的热效率最低。因此，选择固定板式换热器来在液体干燥剂除湿系统（LDDS）的蓄热器中吸收废热是最好的选择。许多研究者对固定板式换热器进行了实验设计的方法和数值模拟的方法进行了研究。S.Anisimov等人提出了应用于能量回收系统中的板式换热器在工作时内部传热及传质工程的理论分析，其中热量回收换热器是在冰状组成物的条件下工作的，即在一种最为不利的工况条件下工作，并且对温度效率的影响因素进行了计算。O.P.Arsenyeva等人讨论了板式换热器的最优设计形式，这是一种提高热量回收量以及能量利用效率的有效手段。研究者首先改进了数学模型，对通道及板片数进行了最优化，并对板片的种类和大小进行了讨论，最优化后的板式换热器显示出了更好的换热效率和水力性能。S.Gendebien等人研究了同时满足干饱和蒸汽状态下的工质和湿饱和蒸饱和蒸汽状态下的工质的气气换热器，并且通过设计并进行实验来对所提出模型的合理性进行了检验。除此之外，湿度对于潜热回收率和显热回收率的影响以及壁面结冰的方法也在被研究。X.P.LIU等人提出了一种对于不同的几何参数下的适用于任意一种给定工况时对材料消耗开销以及风扇能量消耗最小化的新型分析方法。根据他们的研究，换热器的制造工艺开销以及不同工况下的运行损耗可以进行综合考虑最优化以此来减小总消耗。T.C.Wang等人建造了实验使用设备的原型，并测试了一种新型的的泡沫填充的金属材料的板式换热器在使用劣等废热时的情况。实验结果实现了较高的换热效率。作者同时也提出了一些提高换热器工作性能的方法。
为了研究液体干燥剂除湿系统（LDDS）的热量回收性能，研究者们设计了许多种数值模拟模型来体现热量回收过程的特点。Kim等人通过对不同工况下的得到的数据进行统计分析来为蓄热器设计了一种简单的经验模型，工况的工作参数是通过响应面原则来确定的。提出的模型是通过得到的实验数据以及现有的其他模型通过变型得到的。通过使用这个性能，研究者们可以对蓄热器的工作性能进行预测以及最优化。但是，作者使用了一种简单的一阶多项式公式来估算蓄热器工作过程中的传热及传质过程。Liu等人提出了一种有限差分模型来研究用于干燥剂冷却下的蓄热器中的传热和传质工程。研究者们对不同热量回收热源以及不同的空气和干燥剂流动的排列方式下蓄热器的工作性能进行了比较。他们的研究对于蓄热器的设计和优化是十分有帮助的。Yin等人使用热空气作为热量回收的热源进行研究并得到了分析干燥剂溶液蓄热器的工作性能的有效可靠的数学模型。研究者们就蓄热器的主要工作参数以及几何尺寸对于热量回收过程的影响效果进行了探讨。由Liu和Yin所提出的模型可以展现出热量回收过程中的许多细节，然而由于他们提取数据以及处理问题的过程过于复杂，因而并不适用于在线最优化求解。王等人通过使用一种简单但是精确的水力模型计算了液体干燥剂除湿系统（LDDS）中的填柱式热量回收器，这种水力模型被广泛地应用于液体干燥机除湿器、冷却管、热管换热式蒸发器和冷凝器。这种模型将热力学参数和几何参数设定为常数，将他们归并到一起考虑并使用Levenberg-Marquardt方法来对其进行确定。实验验证证实了这种水力模型的精确性和有效性。
本文主要对液体干燥剂除湿系统（LDDS）中固定板式热量回收器进行研究。为了计算热量回收器的工作性能，本文结合热量回收加热以及质量传递的水力模型，设计出了一种适用于模拟热量回收过程的简单但是准确的水力模型，并对其热量回收性能进行预测。本文同样对空气质量流率对热量回收性能进行了模拟计算。模拟计算的结果通过实际实验被证实有效。
第二章 回热器的工作原则
图2-1是液体干燥剂除湿系统（LDDS）的一张简略图。
图2-1 LDDS简略图
除湿器和热量回收器是液体干燥剂除湿系统（LDDS）中的两个最主要的工作部件。在除湿器中，液体干燥剂溶液（锂氯化物溶液）由冷却器进行冷却，并从顶部被喷洒进塔中。环境空气由底部进入除湿器的塔中。他们在结构填料的表面进行接触。在除湿器中，环境空气被液体干燥剂溶液（锂氯化物溶液）冷却及干燥，随后供应到室内。液体干燥剂溶液（锂氯化物溶液）吸收了空气中额外的水分并被稀释。回热器可以恢复液体干燥剂溶液（锂氯化物溶液）的浓度，从而保证它能够再一次进入除湿器中工作，实现再循环利用。当空气和液体干燥剂在回热器中完成传热与传质过程后，液体干燥剂开始落入热量回收塔下方的槽中而温暖的空气流向热量回收装置，从而再利用回热空气中的废热来对即将进入的新鲜空气进行预热。图2-2为液体干燥剂除湿系统（LDDS）中配有固定板式换热器的回热器的简图。如图所示，回热器包含了四个主要部件，即回热塔、结构填料、加热器和固定板式换热器。在固定板式换热器中，各个六角形板堆构成了两股空气流的代用通道。
图2-2 回热器简图
对回热器的工作的简要描述如下所示：
1、由温差和水蒸气的部分压差作为驱动力的热量传递和质量传递过程都发生在回热器中，从液体干燥剂向回热空气的热量传递和质量传递过程是连续发生的。最后液体干燥剂被冷却和提高浓度，而空气则被加热和加湿到A状态。
2、温暖的回热空气从回热器中排除然后进入固定板式换热器，并在板式换热器中释放热力学能来对处于C状态的即将进入的新鲜空气进行预热。当热量被回收后，温暖的回热空气的温度降低然后被直接排进B状态的环境中。
3、即将进入的C状态的新鲜空气在吸收回收热量而得到预热后转变为温度更高而相对湿度更小的D状态。预热后的D状态的空气随后被一个风扇从底部吹入热量回收器中。与此同时，液体干燥剂在加热器中获得了热量并从回热器的顶部向内喷洒，下降的的液体干燥剂和上升的预热空气在填充料的表面得到接触。
第三章 数值模拟计算
3.1 再生器的模型
针对热量传递和质量传递的水力模型由于其简单而又精确的特点，因而也被应用于数值模拟计算的领域内。
在这两个公式中，是回热器中的热量传递率，是液体干燥剂溶液（锂氯化物溶液）的质量流率，是液体干燥剂在回热器入口时的温度,是处于D状态时的热空气的温度，比如说回热器入口的空气的温度,是入口处液体干燥剂溶液（锂氯化物溶液）的处于平衡状态是的水蒸汽压力，而回热器入口处的热量回收空气的水蒸气压力，是需要通过实验结果来确定的未知参数。
3.2 热量回收的模型
之前建立的在固定板式换热器中的热量回收水力模型时提出了如下的一些假设：
- 忽略固定板式换热器由于自身温差而向周围环境传递的热量损失。
- 在热量回收过程中液体干燥剂溶液（锂氯化物溶液）和空气的比热容和传热效率是常数。
- 固定板式换热器在稳态条件下工作。
- 空气的质量变化可以忽略。
- 忽略空气温度的变化对其热物理性质的影响，视其为常数。
对于固定板式换热器来说，第一章和第三章中所安排的工质流动方式是错流，且这两个部分的热量回收效率是由Eq所决定的；而在第二部分中所安排的工质流动方式是顺流，且这部分的热量回收效率是通过Eq计算所得。
NTU是固定板式换热器的转换单位的一种量纲，其数值可以通过公式4A和4B所获得，而公式中的U和S分别对应的是固定板式换热器中的表面对流换热系数导热面积。固定板式换热器的整体效率有参考文献38所得。
式中的系数，和分别对应于整个固定板式换热器的总面积中章节一，二和三部分的各个热量回收面积的比例。对于空气流的强迫对流换热来说，表面对流换热系数U受到换热器的几何参数以及气体的物理性质的影响。通过无量纲法的分析，本文提出了下列的几个公式，
其中k是导热系数，D是固定板式换热器的特征长度，，和分别是空气的密度，速度和动力粘度；C，f和g是未知的系数。固定板式换热器中空气质量流率的计算公式如下所示：
把公式9代入公式4中，可以得到
当把系数合并到一起进行考虑时，便可以得到公式11，从而能够通过计算获得固定板式换热器的热量回收比例，其中Cp是空气的比热容,是A状态下的热空气的温度，比如说回热器出口的空气的温度。
是处于状态下的冷却空气的温度。
3.3、参数确定
参数确定中使用的目标函数是为了得到能够取得残差方差的总和的最小值而确定的系数的最优组合，如公式13所示。实验数据的M配对中包含了整个工作范围，即Xi和Yi都是从指定的识别工程中选取的。
在公式13中R（u）是实验结果和数值模拟计算结果之间的残差值；u是未知的参数梯度。，和分别是通过实验方法所得到的热量传递率，质量传递率和热量回收率。为了得到这些未知参数的最优解的组合，结合了梯度下降法和高斯牛顿法的Levenberg-Marquardt被应用在了识别参数的过程中。阻尼因子被beta;分为了对应于不同条件下的贴合不同迭代图3-1所示。
图3-1 迭代图
3.4、误差标准
数值模拟计算的预测结果通常是由实验结果来进行证明。为了计算所提出的数值模拟计算的预测结果的准确性，公式15给出了误差标准，
即相对误差的定义式。相对误差是为了计算数值模拟计算的预测结果与实际实验的结果之间的差异而设定的。
第四章 性能比较指标
性能指标的定义是为了计算出回热器和热量交换性能。通过数值模拟计算来得到他们的数值并于实际实验的结果进行比较。
由固定板式换热器的进行预热的的空气的结果是回热器入口处空气的温度的增加量和入口空气的相对湿度的减少量。热量回收率是热量回收器所回收的废热的的数值，其定义式如公式16所示，
其中Qmax是热量回收率的最大值。是热量回收性能，它是实际的热量回收率与理论上的热量回收率最大值的比值，其计算式如公式17所示，
其中的是出于B状态的出口热空气的温度。
由于热量回收器所造成的显著的流动阻力，在使用热量回收器时可能会造成额外的压力降，比如会消耗额外的风扇使用的能量。不考虑使用热量回收器所造成的额外压力损失而去单独分析热量回收器的工作性能的做法是没有实际意义的。净热量回收率的提出旨在同时考虑热量回收量和额外的压力损失，其数值为实际的热量回收量减去由于额外的压力损失所造成的额外的风扇耗能量。为了全面地区去计算热量回收性能，
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