高濃度氯化鋰水溶液沸騰換熱特性實(shí)驗(yàn)

徐惠斌， 胡自成， 宋新南， 顧 鋒

（江蘇大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

0 引 言

溶液除濕空調(diào)利用除濕劑在高濃度時(shí)強(qiáng)烈的吸濕能力，直接吸收被處理空氣中的水蒸氣，達(dá)到除濕的目的。由于具有環(huán)境友好、鹽溶液在空氣中具有殺菌凈化作用，可以形成溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)等一系列優(yōu)勢，在濕負(fù)荷大的場所，具有很好的應(yīng)用前景，已受到眾多專家學(xué)者的關(guān)注[1－3]。

除濕劑的再生過程是除濕空調(diào)工作的重要環(huán)節(jié)。加熱后填料塔噴淋，通入室外空氣帶走水分是目前除濕劑再生的主要方式，其優(yōu)點(diǎn)是可以使用60～80℃的熱源，包括與熱泵組合使用[4]。然而這種溶液再生過程受室外空氣狀態(tài)影響較大，在室外空氣濕度較高的區(qū)域工作效率低，限制了除濕空調(diào)的使用范圍。沸騰式濃縮在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛[5]，受室外環(huán)境影響小，有望作為液體除濕空調(diào)的重要再生手段，具有廣闊的應(yīng)用前景。

除濕劑的沸騰特性研究對沸騰式再生器的設(shè)計(jì)有重要意義。LiCl水溶液屬于電解質(zhì)溶液，作為除濕劑被廣泛應(yīng)用于除濕空調(diào)[6]。目前，有關(guān)電解質(zhì)溶液沸騰特性的研究是匱乏的，尤其是較高濃度的電解質(zhì)溶液[7－9]。而實(shí)際工程應(yīng)用中，為了獲得較好的除濕效率，需要降低溶液的表面水蒸氣分壓力，一般除濕劑工作濃度都較高。LiCl水溶液除濕適用濃度范圍一般為30%～40%。文中對常壓下LiCl濃溶液的沸騰傳熱特性展開實(shí)驗(yàn)研究，為溶液沸騰換熱的機(jī)理認(rèn)知和工程應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括沸騰容器、冷凝器和加熱裝置。沸騰容器用有機(jī)玻璃制成，上部開有小通氣孔維持池內(nèi)氣壓與大氣壓相等。冷凝器對沸騰時(shí)產(chǎn)生的蒸氣進(jìn)行冷凝回流，以保持沸騰池內(nèi)溶液濃度穩(wěn)定。加熱裝置由紫銅圓柱導(dǎo)熱件和電加熱器實(shí)現(xiàn)加熱，加熱表面為50mm×50mm×2mm的紫銅板。電加熱器纏繞在紫銅棒的底部，整個(gè)加熱裝置進(jìn)行了嚴(yán)格保溫，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

溫度測量使用TC1008型多路溫度測量儀記錄，配合使用精度為0.1℃的K型熱電偶?？偧訜崃坑呻妷罕砗碗娏鞅頊y定后直接求得，加熱表面的有效加熱量由總加熱量并考慮到試驗(yàn)裝置存在一定的散熱損失后修正獲得。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

藥品選用一水氯化鋰，化學(xué)分析純。溶液濃度以溶液質(zhì)量濃度ζ表征，定義如下：

式中：msalt—— 水合物去掉結(jié)合水后凈含鹽的質(zhì)量；

mwater—— 配制溶液時(shí)加入的純水與結(jié)合水質(zhì)量之和。

表面張力測量儀器選用JYW－200B型微控自動界面張力儀，精度0.1m·N／m。為避免沸騰滯后的影響，沸騰實(shí)驗(yàn)采用降熱流密度方式進(jìn)行。

1.3 數(shù)據(jù)處理

沸騰換熱系數(shù)h定義為：

式中：q—— 熱流密度；

TW—— 加熱壁面溫度；

Tsat—— 溶液飽和溫度。

按照式（3）進(jìn)行誤差分析[10]：

可得實(shí)驗(yàn)工況下沸騰換熱系數(shù)相對誤差均小于10%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在水中添加鹽，對沸騰換熱的影響主要可以從兩個(gè)方面分析：一是使工質(zhì)的物性發(fā)生變化；二是使沸騰過程復(fù)雜化[9]。

2.1 溶液表面張力

表面張力被認(rèn)為是影響沸騰的重要因素。表面張力的變化對氣泡核化、脫離能夠產(chǎn)生顯著影響。眾多學(xué)者在分析添加鹽對沸騰換熱的影響時(shí)，在物性方面，都重點(diǎn)立足于張力變化[7－8]。

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)LiCl水溶液在25℃下的表面張力測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同濃度氯化鋰水溶液的表面張力

圖中數(shù)據(jù)為3次測試的平均值。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，LiCl溶液的表面張力高于純水的表面張力，并隨著濃度的增加而上升。LiCl溶液是強(qiáng)電解質(zhì)溶液，在水溶液中以離子形式存在，離子吸引水分子，從而趨向于把水分子拖入溶液內(nèi)部。令溶液增加單位表面積所做的功中，須額外附加克服靜電引力消耗的功。隨著溶液濃度的增加，溶液離子濃度增大，離子對于水分子的吸引力增大，表面張力也就隨之增大。

2.2 溶液沸騰溫度

沸騰溫度對除濕溶液的沸騰再生有重要意義，決定著實(shí)際工程應(yīng)用中，可用熱源溫度的最低標(biāo)準(zhǔn)。LiCl溶液常壓下的沸騰溫度測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同濃度氯化鋰水溶液的沸騰溫度

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，LiCl溶液的沸騰溫度隨著濃度的增加而升高。這是因?yàn)橛捎谌芤褐写嬖诓粨]發(fā)的溶質(zhì)LiCl鹽，阻礙了溶液中水的氣化，所以，LiCl溶液的沸騰溫度要高于純水在同一壓強(qiáng)下的沸騰溫度。在LiCl水溶液除濕工作濃度區(qū)間內(nèi)（30%～40%），其沸騰溫度范圍為121～136℃。因此，沸騰式發(fā)生器對熱源溫度的要求并不高，許多工業(yè)廢熱源都能使其穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 溶液沸騰特性

氯化鋰水溶液常壓下的池內(nèi)核態(tài)沸騰換熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 氯化鋰水溶液池內(nèi)核態(tài)沸騰換熱系數(shù)

實(shí)驗(yàn)濃度范圍內(nèi)，溶液沸騰換熱系數(shù)均低于純水的沸騰換熱系數(shù)，處于純水的50%左右水平，而且溶液沸騰換熱系數(shù)還隨濃度的增加而降低。

這一現(xiàn)象按照沸騰理論，從張力的角度可理解為純水內(nèi)加入氯化鋰鹽后，導(dǎo)致張力的增加，從而使得氣化核心減少，氣泡脫離半徑增大，脫離頻率降低，從而降低傳熱系數(shù)。另外，氯化鋰溶液具有較高的粘度，使得氣泡的生長、脫離阻力增大，也使得氯化鋰溶液沸騰換熱系數(shù)較純水低。

沸騰過程方面，鹽溶液沸騰換熱屬于多組分混合物沸騰換熱，其過程區(qū)別于單一組分液體的沸騰過程。簡單來說，在沸騰換熱過程中，沸騰表面溶液中的輕質(zhì)組分（水）先沸騰，隨著沸騰的進(jìn)行，輕質(zhì)組分丟失量增大，壁面附近的難揮發(fā)組分（氯化鋰）所占的質(zhì)量份額增加，溶液濃度提高，引起熱物性發(fā)生較大的變化，局部相變溫度升高，使得加熱面的有效過熱度降低，最終導(dǎo)致?lián)Q熱效率降低。這也被稱為混合效應(yīng)[8－9]。

事實(shí)上，還有其它一些因素影響著溶液沸騰換熱，如接觸角、密度等都與傳熱過程有關(guān)。

3 結(jié) 語

實(shí)驗(yàn)研究了常壓下高濃度氯化鋰溶液的沸騰傳熱特性，得出以下結(jié)論：

1）實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，氯化鋰溶液的沸騰溫度隨著濃度的增加而升高。氯化鋰溶液的沸騰換熱系數(shù)遠(yuǎn)低于純水，并隨濃度的增加而降低。

2）沸騰換熱過程受工質(zhì)諸多物性參數(shù)的共同影響，溶液沸騰換熱機(jī)理較單一組分液體沸騰更為復(fù)雜，有待進(jìn)一步深入研究。

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