بررسی تجربی سامانه رطوبت‌زدای جاذب مایع در مدار جابه¬جایی طبیعی با استفاده از غشای الیاف توخالی

STUDENT

DEGREE

YEAR

One of challenging requirement in air conditioning (AC) application is supplying latent loads. Traditionally vapor compression systems are implemented for air conditioning which is good for removing sensible load but are not efficient for removing latent loads. Liquid desiccant air condition systems are developing as efficient and economical AC systems. In this research, a liquid desiccant air dehumidification system in a natural convection loop is introduced and its characteristics are studied experimentally. The system is the new generation of AC systems in which hollow fiber membrane acts as contact surface between air and aqueous solution of lithium chloride, as liquid desiccant. Applying membrane contactor eliminates the problem of desiccant carry-over into the air stream and employing natural convection mechanism removes the parasitic power need for driving circulator pump. The natural convection of lithium chloride solution with driving force of concentration gradient in the loop is established and its properties as an AC system are presented. The test facility is a loop which consists of the absorber and regenerator in the form of three-fluid heat and mass exchanger. The air stream is directed into the fibers and aqueous solution of lithium chloride is over the fiber surface. Cold and hot water streams flow in the outer jackets of absorber and regenerator exchangers. The study is accomplished in three stages and in each step the system and data acquisition method improved. In first stage to obtain knowledge from natural convection heat and mass (H/M) loop some tests are done on the elementary loop. In this stage the fundamental distinctions between H/M transfer natural convection loop and natural convection heat transfer loop acquired. In the first stage of study the loop aspect ratio is equal to 2 and desiccant temperature investigated for different initial desiccant concentrations and heat source/sink temperature temperatures under the operation with and without inlet air streams. It is observed that natural convection of desiccant originates from heat sink toward heat source and a nearly constant temperature field is established through the loop. In order to enhance natural convection and to get the most hydrophobic fibers the second and third stages of experiments developed, respectively. The establishment of steady operation of loop for the condition of equal air inlet humidity ratio and investigating the steady performance of system for different operating conditions are amongst the goals of experiment in these stages. It is revealed that the system has better performance in higher humidity inlet air condition; by increasing inlet air relative humidity from 44% to 74% the moisture removal rate, cooling capacity and electrical coefficient of performance increased more than 300%, more than 200% and 15%, respectively. The system is evaluated by its performance indexes under different heat sink (10-28 o C) and heat source temperature (45-70 o C) and inlet air flow rates (2-6m 3 /hr). The results show strong dependence of heat/mass transfer number of transfer units and heat capacity ratio which concentration ratio through the loop plays a prominent role on their values. For best operational condition, the system should have the lowest heat capacity ratio which took place far from specific heat sink/source temperatures of 60-20, 65-25 and 50-15 degrees Celsius and under lowest inlet air flow rate. Keywords: Air dehumidificatio Liquid Desiccant; Lithium chloride solution; natural convection heat and mass transfer loop.

در فرآیند تهویه مطبوع یکی از نیازهای اصلی تأمین بار گرمایی نهان است که در صورت استفاده از روش‌های معمول و متداول منجر به مصرف بالای توان الکتریکی می‌شود. یکی از روش‌های اقتصادی کاهش بار نهان استفاده از سیستم جاذب مایع است. سامانه‌های جاذب مایع فعلی به‌صورت سامانه‌های جریان اجباری دارای مشکلاتی چون توان پارازیتی پمپ و لزوم استفاده از فلزات مقاوم در برابر خورنده هستند. در پژوهش حاضر و با رویکرد حذف مشکلات سامانه‌های جاذب مایع متداول، سیستم تهویه مطبوع جاذب مایع در مدار جابجایی طبیعی به کمک غشا معرفی و عملکرد آن مطالعه و بررسی می‌شود. در این سیستم از روش تماس غشایی پلیمر الیاف توخالی بین هوا و محلول جاذب رطوبت لیتیم کلراید استفاده‌شده که جریان‌های هوا و محلول جاذب به ترتیب داخل و بیرون الیاف قرارگرفته است. جهت حذف پمپ سیرکولاتور لیتیم-کلراید بین بخش‌های جاذب و احیاکننده و حذف توان پارازیتی موردنیاز و کاهش اثر خوردگی محلول جاذب، حرکت طبیعی سیال جاذب در اثر اختلاف چگالی و با نیروی شناوری داخل مدار ناقل انرژی ارائه و بررسی‌شده است. دستگاه آزمایش یک مدار جابجایی طبیعی ناقل جرم و حرارت است که از دو مبدل انرژی جاذب و احیاکننده به‌عنوان دو بخش اصلی تشکیل‌شده است. هر یک از مبدل‌های انرژی مبدل‌های سه سیالی بوده و وظیفه انتقال انرژی بین جریان هوا و جاذب و انتقال گرما بین سیال جاذب و آب را انجام می‌دهد. جریان هوا داخل غشای توخالی، سیال جاذب بر روی الیاف و آب به‌واسطه جداره بیرونی و به‌صورت غیرمستقیم با سیال جاذب ارتباط دارد. جریان آب سرد در پوسته جاذب و جریان آب گرم در پوسته احیاکننده وظیفه دفع و جذب گرما را به ترتیب در دو بخش بر عهده دارند. فرآیند انجام کار از ابتدا تا انتها در سه مرحله بوده و در طی هر مرحله ساخت، عملکرد، پایش و داده‌برداری از دستگاه بهینه می‌شود. در مطالعات مرحله اول تفاوت‌های بنیادین مدار جابجایی طبیعی ناقل انرژی با مدار جابجایی طبیعی ناقل گرما استحصال می‌شود. مدار مطالعه شده در این بخش دارای نسبت منظری (طول به عرض) برابر دو بوده و عملکرد مدار با مطالعه میدان دمایی داخل آن تحت غلظت‌های اولیه متفاوت و زوج‌های منابع سرد و گرم مختلف در حالت‌های گذرا و پایا، با و بدون جریان هوای ورودی به مدار بررسی‌شده است. حرکت طبیعی محلول جاذب از سمت چاه حرارتی به سمت چشمه حرارتی و ایجاد یک میدان غلظت با گرادیان دمایی طولی ناچیز در حالت پایا از نتایج به‌دست‌آمده حاصل از مطالعه مدار مرحله مقدماتی است. در مرحله دوم مدار آزمایش اصلاح‌شده و نسبت منظری آن از دو به چهار افزایش یافته است. در این مرحله عملکرد مدار به‌عنوان یک سیستم تهویه مطبوع در شرایط آب‌وهوایی مختلف – با رطوبت‌های نسبی برابر 74% و 44% و با دمای o C5/31 بررسی و اثبات می‌شود. حاصل این بخش نشان دهنده تأثیر رطوبت هوای ورودی به سیستم در بهبود ضرایب کاری سیستم تهویه مطبوع جاذب مایع است و مقادیر نرخ دفع رطوبت، ظرفیت سرمایشی و ضریب عملکرد الکتریکی را به ترتیب بیش از 3 برابر، بیش از 2 برابر و 15 درصد افزایش می دهد . در مرحله آخر و با تغییر و بهسازی الیاف استفاده‌شده و همچنین بهینه‌سازی پایش و داده‌برداری از سیستم، تأثیر پارامترهای کاری مختلف بر روی عملکرد مدار تعیین و تشریح می‌شوند. متغیرهای مطالعه شده در این بخش شامل دمای منابع سرد (در بازه دمایی o C28-10) و گرم (در بازه دمایی o C70-45) و دبی جریانی هوای ورودی به مدار (در بازه m 3 /hr 6-2) است. نتایج به‌دست‌آمده حاکی از وابستگی دو پارامتر مشخصه مدار یعنی نسبت ظرفیت گرمایی هوا-جاذب Cr* و تعداد واحد انتقال حرارت نهان و محسوس و عدم امکان تغییر مستقل مقادیر آن‌ها است. هرچقدر نسبت ظرفیت گرمائی در مدار کمتر باشد ضرایب انتقال جرم و انتقال حرارت در بخش سیال جاذب بیشتر است. علاوه بر این مهم‌ترین پارامتر تعیین‌کننده عملکرد سیستم نسبت غلظت در مدار است که در حالت بهینه مقدار آن بیشینه بوده و در این وضعیت سرعت حرکت جاذب مایع در مدار کمینه است. از طرف دیگر ازنقطه‌نظر زمان پایا شده سیستم، دبی جرمی بالاتر جاذب مطلوب است که در محدوده دمایی منابع سرد – گرم 20-60، 15-50 و 25-65 درجه سلسیوس اتفاق می‌افتد. ازنظر دبی هوای ورودی به سیستم عملکرد مناسب سیستم پیشنهادی به‌صورت یک دستگاه تهویه مطبوع در دبی هوای پایین به ازای افزایش زمان پایا شده سیستم مطلوب‌تر است. کلمات کلیدی : محلول جاذب، رطوبت‌زدایی از هوا، مدار جابه جایی طبیعی ناقل انرژی، سیستم تهویه مطبوع جاذب مایع، غشای لیف توخالی