CN105021057A - 一种向上喷淋式除霾水汽能收集器设计方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明一种向上喷淋式除霾水汽能收集器设计方法及其装置，装置包括高压喷嘴、集水装置、除水装置及风机组成。所述向上喷淋式除霾水汽能收集器属于利用水汽能收集器冬季制热及净化大气污染领域。所述喷嘴布置在装置底部集水装置上方并向上喷淋溶液，溶液液滴先上升运动，而后在重力作用下落入装置底部集水装置内。所述装置提高了传统装置的换热效率且可用于治理雾霾。所述向上喷淋式除霾水汽能收集器设计方法是根据液滴动力学及热力学分析，在确保液滴上升高度小于喷嘴距离除水装置之间垂直距离的前提下，通过调整风速，喷淋速度，液滴粒径，提高溶液出口温度及除霾效率的方法。
Description
技术领域
本发明属于利用水汽能收集器冬季制热及净化大气污染技术领域，具体涉及一种向上喷淋式除霾水汽能收集器设计方法及其装置。
背景技术
亚热带季风性气候地区冬季空气温度维持在5-10℃，湿度大，空气中水蒸气蕴含大量水汽能。考虑用水汽能收集器联合热泵系统提取空气中的水汽能。水汽能收集器，也可称作开式热源塔，其构造与开式冷却塔相似，仅循环工作介质由水变为防冻溶液。水汽能收集器将低温溶液喷淋在填料上形成水膜并与空气进行对流换热，提取空气中的水汽能。溶液吸收水蒸气凝结过程中释放出的热量后被送入热泵装置，热泵装置提取的热能用于冬季供暖及热水。
在普通水汽能收集器中，循环溶液一般采用氯化钙等防冻溶液，此类溶液凝固点在零度以下，水蒸气表面分压力低，适于在低温环境下吸收空气中的水汽能。冷溶液（约为-3 ℃）从喷嘴喷淋在填料上，溶液在填料上形成液膜，沿着填料向下流动。风机运行使携带水汽能的空气（5-10 ℃）从装置底部进入，与溶液进行逆流换热。水蒸气凝结在溶液表面，释放的热量被溶液吸收。吸收热量后的溶液温度升高（升至0 ℃左右），落入集水装置并被送入热泵机组中的蒸发器，与制冷剂进行换热，制冷剂在热泵机组中进行一系列循环，热量最终被运送到负荷侧空调器用于供暖。在普通水汽能收集器运行一段时间后，由于盐类沉积及溶液影响，填料易发生堵塞腐蚀，溶液无法在填料上形成均匀水膜，导致换热效果变差。堵塞严重的填料将导致装置阻力增大并损坏风机。
亚热带季风性气候区域空气湿度大，为空气中细微固体颗粒提供了大量凝结核。空气中水蒸气与固体颗粒污染物相结合，造成该区域冬季雾霾频发的现象。因此，有必要对大气污染进行净化。
针对亚热带季风性气候区域冬季供热及雾霾问题，本发明专利提出一种向上喷淋式除霾水汽能收集器设计方法及其装置。装置中无填料，采用高压喷嘴由下至上喷淋溶液的方式来收集空气中的水汽能并除去大气中雾霾粒子，并根据液滴动力学及热力学分析，对装置进行优化设计。
发明内容
本发明提出了一种向上喷淋式除霾水汽能收集器设计方法及其装置，发明了一种减小阻力、提高水汽能收集效率、提高除霾效率的水汽能收集器设计方法及装置。该装置换热效率高于普通水汽能收集器且可有效降低大气污染。根据用户所需热量，冬季室外空气温湿度，都可以设计一种向上喷淋式除霾水汽能收集器。因此该方法具有一定的普适性。
本发明的目的是通过如下途径实现的：
向上喷淋式除霾水汽能收集器包括高压喷嘴、集水装置、除水装置及风机。风机布置在装置顶部，将室外空气由装置底部风口抽入装置。高压喷嘴布置在装置下部，集水装置正上方，向上喷淋溶液，液滴上升一定高度后受重力作用落入下方集水装置。集水装置中的溶液被泵入热泵系统，热泵系统提取溶液中的热量，溶液温度降低并被送至喷淋装置进行往复循环。根据室外空气温度，空气湿度，溶液初始温度，装置高度Z，风速ug，溶液直径d，溶液喷淋速度ud0，溶液浓度，利用数值仿真方法确定溶液出口温度及液滴上升高度，并对ug，ud0，d进行优化，确保装置高效运行，具体设计方法如下：
（1）对装置进行动力学及热力学分析
装置高度为ZH，对装置在高度方向进行微元划分，每一微元段为dZ，根据牛顿第二定律，在每一个微元段内，运动液滴受到阻力重力及浮力，有：
（1）
式中，Cd为阻力系数，与雷诺数相关，（雷诺数，d为液滴直径，为空气运动黏度，Re<1.9时Cd=24/Re，时Cd=18.5/Re0.6，508<Re<200000时Cd=0.44）uz为相对速度ud-ug，md为液滴质量，为溶液密度，t为液滴在微元段内停留时间，为空气密度；
对于上升溶液液滴，在单位微元段dZ内，有：
（2）
其中下标r表示上升液滴，对于下降液滴，有：
（3）
其中下标f表示下降液滴。将式（2）带入式（1），有：
（4）
对于下降液滴，将式（3）带入式（1），有：
（5）
若液滴在下落期间达到受力平衡，则液滴保持终速度落入装置底部，终速度可根据液滴受力平衡方程得出（令式（5）左边为零）；
根据质量守恒定律，溶液吸收水蒸气量等于空气失去水蒸汽量，在单位微元段内，有：
（6）
其中G为空气流量。为单位时间通过微元段的溶液表面积，Qs为溶液流量，Nwr和Nwf为向上及向下液滴表面水蒸气摩尔质量通量，Mw为水的摩尔质量，带入式（2）及式（3），有：
（7）
溶液表面水蒸气分压力可根据拉乌尔定律计算
（8）
式中，A为活性系数，为纯水表面水蒸气压力，x为溶液中水的摩尔质量分数；
根据能量守恒定律，在微元段内，对于上升液滴，溶液吸收的水汽能等于空气失去的水汽能，有：
（9）
式中，h为对流换热系数，Ad=πd2为液滴表面积，为水蒸气气化潜热，Cps为溶液的比热，化简式（9），得
（10）
对于下降液滴，同样有：
（11）
对于整体空气侧运用能量守恒定律，有：
（12）
式中为空气焓值，Cpg为干空气比热，Cpv为水蒸气比热，将焓值公式带入式（12），有：
（13）
用于传热传质的努谢尔特数Nu和宣武特数Sh分别为：
（14）
（15）
式中，Pr和Sc数分别为空气的普朗特数和施密特数；
单个液滴对雾霾粒子的收集效率为
（16）
其中，为颗粒施密特数，为空气动力粘度，为颗粒扩散系数；为颗粒斯托克斯数，Cc为修正系数，为颗粒物密度，dp为颗粒直径；为溶液动力粘度。为颗粒临界斯托克斯数；，kg和kp分别为空气和颗粒的导热系数，为空气的平均自由程，P为大气压力；Mg为空气的摩尔质量，Dw为水蒸汽扩散系数；
对于整体喷淋式除霾水汽能收集器，除霾效率为：
（17）
(2)数值计算及参数优化
根据装置运行参数（风速、喷淋速度、液滴粒径）、设备参数（装置横截面积、高度）、及空气、溶液的初始状态参数，利用龙格库塔数值计算方法进行计算可以得出空气温湿度变化、溶液温度变化及装置除霾效率。通过调整喷淋速度、液滴直径、风速、溶液初始温度、装置横截面积及装置高度，可确保装置高效换热高效除霾。图2至图4给出了不同运行参数（风速ug=2, 2.5, 3 m/s，粒径d=0.8, 1, 1.2 mm，喷淋速度ud=4, 6, 8 m/s）对溶液液滴出口温度及液滴上升高度的影响。
本发明采用上述技术方案得到了以下的有益效果，本发明方法和装置与现有方法和装置相比有如下优点：
1.无填料，节省了初投资及人工清洗费用；
2.减小了装置阻力，风机能耗；
3.新装置经过优化计算，换热效率更高；
4.新装置可用作冬季除霾，利于环保。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
图1，一种向上喷淋式除霾水汽能收集器示意图；
图2，不同风速ug下（2, 2.5, 3 m/s），溶液温度Ts随着装置高度Z的变化（其他参数不变，喷淋速度ud0=6 m/s, 溶液初始温度Ts0=-3 ℃, 液滴粒径d=1 mm, 入口空气干球温度Tg0=5 ℃, 入口空气湿度y0=0.005 kg/kg, 溶液流量Qs=0.6 kg/s）；
图3，不同液滴粒径d下（0.8, 1, 1.2 mm），溶液温度Ts随着装置高度Z的变化（ud0=6 m/s, Ts0=-3 ℃, ug=2.5 m/s, Tg0=5 ℃, y0=0.005 kg/kg, Qs=0.6 kg/s, G=0.9 kg/s）；
图4，不同喷淋速度ud0下（4, 6, 8 m/s），溶液温度Ts随着装置高度Z的变化（ug=2.5 m/s, Ts0=-3 ℃, d=1 mm, Tg0=5 ℃, y0=0.005 kg/kg, Qs=0.6 kg/s, G=0.9 kg/s）。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。图1为向上喷淋式除霾水汽能收集器，在图1中，1是压缩机，2是四通换向阀，3是冷凝器，4是膨胀阀，5是蒸发器，6是负荷泵，7是负荷侧空调器，8溶液泵，9是热源泵，10是溶液过滤及浓缩装置，11是风机，12是除水器，13是优化设计后的高压喷嘴，14是集水装置。图1中，装置无填料，采用高压喷嘴13向上喷淋溶液，液滴上升到一定高度后在重力作用下开始下降，落入装置下方的集水装置14中。由于采用高压喷嘴，液滴变细变多，相比于传统水汽能收集器中空气与水膜的换热方式，向上喷淋式除霾水汽能收集器提供了足够的汽-水接触面积并保证了液滴在空中的飞行时间，从而提高了换热效率及除霾效率。由于空气与溶液之间温度梯度和水蒸气分压力梯度造成的热泳力及扩散力，使向上喷淋式除霾水汽能收集器比传统湿式除尘器除尘效率更高。对于图1中的装置，按下述步奏进行优化设计：
（1）确定空气温湿度，溶液温度及浓度。假定风速，喷淋速度及液滴粒径，根据溶液及空气初始状态参数进行数值计算，确定液滴上升高度及溶液末温；
（2）在保证液滴上升高度小于喷嘴距离除水器垂直距离的情况下，通过调整风速，喷淋速度，液滴粒径，提高溶液出口温度，保证溶液充分吸收空气中的水汽能。下面对运行参数调整过程给出示例：溶液温度在液滴上升阶段及下降阶段逐步提高，如图2所示，在给定条件下（喷淋速度ud0=6 m/s, 溶液初始温度Ts0=-3 ℃, 液滴粒径d=1 mm, 空气温度Tg0=5 ℃, 含湿量y0=0.005 kg/kg, 溶液流量Qs=0.6 kg/s），在不同风速下（2, 2.5, 3 m/s），液滴上升高度Z分别为1.40, 1.53, 1.64 m，溶液进出口温差为3.06, 3.6, 4.26 ℃。由此可知，风速为3 m/s时装置效率更高，且喷嘴距离除水器竖直方向距离应大于1.64 m。同理可对液滴粒径及喷淋速度进行调整，在保证液滴上升高度小于喷嘴距离除水器垂直距离的情况下，提高溶液出口温度。图3给出了不同液滴粒径下（0.8, 1, 1.2 mm），溶液温度随着装置高度Z的变化（其他参数：ud0=6 m/s, Ts0=-3 ℃, ug=2.5 m/s, Tg0=5 ℃, y0=0.005 kg/kg, Qs=0.6 kg/s, G=0.9 kg/s）。图4给出了不同喷淋速度下（4, 6, 8 m/s），溶液温度随着装置高度Z的变化（其他参数：ug=2.5 m/s, Ts0=-3 ℃, d=1 mm, Tg0=5 ℃, y0=0.005 kg/kg, QS=0.6 kg/s, G=0.9 kg/s）；
（3）对于装置除霾效率，假设雾霾粒子直径为2.5 μm（其他参数：ug=2.5 m/s, ud0=6 m/s, Ts=-3 ℃, d=0.8 mm, Tg0=5 ℃, y0=0.005 kg/kg, Qs=0.6 kg/s，G=0.9 kg/s），计算得出装置总体除霾效率为94%。若需要进一步提高除霾效率，同样可调整风速、喷淋速度、液滴粒径来提高装置除霾效率；
（4）确定优化后的参数后，可计算溶液吸湿量，用于指导设计溶液浓缩装置，从而完成对装置的优化设计。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种向上喷淋式除霾水汽能收集器，其特征在于：
它包括高压喷嘴13、集水装置14、除水装置12及风机11组成。
2.所述向上喷淋式除霾水汽能装置内部无填料或翅片管，空气从底部进入，装置采用喷淋换热方式吸收空气中水汽能并除去雾霾粒子。
3.所述喷嘴13布置在装置底部集水装置14上方并向上喷淋溶液，溶液液滴先上升运动，而后在重力作用下落入装置底部集水装置14。
4.一种向上喷淋式除霾水汽能收集器设计方法，其特征在于：首先根据室外空气温度，空气湿度，溶液初始温度，装置高度，装置内风速，溶液液滴直径，喷淋速度，溶液浓度，利用数值仿真方法确定溶液出口温度及液滴上升高度；然后在确保液滴上升高度小于喷嘴13距离除水装置12之间垂直距离的前提下，通过调整风速，喷淋速度，液滴粒径，提高溶液出口温度，保溶液充分吸收水汽能；通过类似方式，可优化装置除霾效率；最后根据优化后的参数计算溶液吸湿量，并用于指导设计溶液浓缩装置。
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