氯化鋰溶液液滴真空閃蒸影響因素的研究

時亞茹，王民民 ，高文忠

(1.重慶能源職業(yè)學(xué)院 能源工程系，重慶 402260；2.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

前言

現(xiàn)代社會科技與信息飛速發(fā)展，人們生活質(zhì)量也隨之提高，空調(diào)由于能夠改善人們的日常生活、保證工業(yè)生產(chǎn)已普及到社會的每個角落。然而，近年能源危機(jī)與環(huán)境惡化也越來越嚴(yán)重，如何使空調(diào)高效、節(jié)能并且低污染的運(yùn)行成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

基于此背景，鹽溶液除濕空調(diào)成為新的研究對象，它主要是根據(jù)鹽溶液表面水蒸汽壓力較低，對濕空氣直接除濕干燥，再等焓加濕冷卻，來實(shí)現(xiàn)對空氣的溫、濕度調(diào)節(jié)，也可單獨(dú)進(jìn)行濕度的控制，與壓縮式空調(diào)的溫度控制相結(jié)合一起完成空氣調(diào)節(jié)過程。溶液除濕后濃度變稀，可以利用100℃以下的低品位熱源，比如地?zé)?、太陽能及工業(yè)余熱等為驅(qū)動進(jìn)行再生，從而達(dá)到大幅度提高能源的綜合利用效率，有很大的探索價值[1-3]。

在溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)中，除濕效果好壞的主要決定因素是除濕溶液的表面蒸汽壓力，以除濕溶液為循環(huán)工質(zhì)的空調(diào)系統(tǒng)中，除濕溶液的性質(zhì)直接關(guān)系到空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，乃至空調(diào)系統(tǒng)的除濕效率?？照{(diào)系統(tǒng)廣為應(yīng)用的除濕溶液主要有三甘醇、氯化鈣、氯化鋰以及溴化鋰等[4]鹵鹽溶液。早期應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)的除濕劑為三甘醇，然而它的缺點(diǎn)是粘度過大，在系統(tǒng)中運(yùn)行會有滯留現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)的嚴(yán)重不穩(wěn)定，另外還易揮發(fā)，進(jìn)到空調(diào)房間中對人體造成損害，其種種缺點(diǎn)限制了三甘醇在溶液除濕系統(tǒng)中的應(yīng)用。

通過氯化鈣、氯化鋰、溴化鋰等多種除濕溶液對比[5-7]，得知在相同濃度狀況下，表面水蒸氣分壓力最低的除濕溶液是氯化鋰溶液，根據(jù)文獻(xiàn)[8]中相對蒸氣壓定義，可以相對精確地估出氯化鋰的溶液表面蒸氣壓和相同溫度下水的蒸氣壓比值，氯化鋰溶液的溫度越高，濃度越低，表面張力就越小。此外，氯化鋰溶液的密度、溶解熱、運(yùn)動粘度等物理性質(zhì)，對傳熱傳質(zhì)的影響較小故暫不考慮。如果僅僅從除濕性能方面來考慮，最適合的除濕劑是氯化鋰溶液，但值得注意的是氯化鋰溶液也是存在腐蝕性的，且價格太昂貴[9-10]。其平衡含濕量在焓濕圖上的狀態(tài)如圖1所示，在允許工作溫度的范圍內(nèi)，一般采用30%～45%的濃度較為適宜。同時可以考慮采用多元鹽[11]來進(jìn)行相關(guān)的研究工作。

圖1 LiCl溶液在焓濕圖的狀態(tài)Fig.1 LiCl solution state in the psychrometric chart

目前在鹽溶液研究上，Lof等[12]在其實(shí)驗(yàn)中，氯化鋰溶液的進(jìn)口溫度為40℃，而空氣的進(jìn)口溫度高達(dá)80～110℃；Sultan等[13]進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，氯化鈣溶液溫度比空氣進(jìn)口溫度低了20～70℃；Patnaik等[14]的實(shí)驗(yàn)中溴化鋰溶液溫度幾乎低于空氣進(jìn)口溫度20℃。這些實(shí)驗(yàn)從改變傳熱方向，揭示熱質(zhì)傳遞過程機(jī)理，獲得了一定的成就，但缺點(diǎn)是：空氣熱容量小于溶液，傳熱過程不能很快提升溶液表面水蒸汽壓力，傳質(zhì)效率低。以下就氯化鋰溶液展開相關(guān)研究。

1 氯化鋰溶液液滴真空閃蒸再生實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及系統(tǒng)

為探索氯化鋰溶液液滴真空閃蒸過程中的再生規(guī)律與機(jī)理，本文參考Isao Satoh等[15]研究水滴的實(shí)驗(yàn)裝置以及H.F.Gibbard[16]研究設(shè)備，搭建了液滴真空閃蒸特性研究的實(shí)驗(yàn)臺，主要包括有：真空泵、真空維持設(shè)備、液滴真空閃蒸設(shè)備、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集儀器,構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)見圖2.

液滴真空閃蒸設(shè)備作為該實(shí)驗(yàn)過程中的核心設(shè)備，觀察室采用鑲有特殊玻璃的罐蓋，并采用螺紋及橡膠圈來進(jìn)行密封(注：此特殊玻璃可透過紅外線)。閃蒸觀察室的主體部分采用316不銹鋼材料，主要設(shè)計(jì)尺寸為：180mm×110mm×180mm。真空維持設(shè)備則是由原溶液閃蒸設(shè)備改裝制成的大真空罐，也是實(shí)驗(yàn)過程中的重要裝置，它采用金屬罐體結(jié)構(gòu)。另外，實(shí)驗(yàn)采集設(shè)備主要包括壓力傳感器、T型熱電偶，數(shù)據(jù)采集儀、高速照相機(jī)分別采集實(shí)驗(yàn)過程中閃蒸室內(nèi)壓力、液滴內(nèi)部溫度等數(shù)據(jù)，從而有利于對液滴閃蒸性能進(jìn)行詳細(xì)、準(zhǔn)確分析。

其中，選取的壓力傳感器，其測量精度為±0.5%， 照相機(jī)采集的圖像像素為30萬，最高可放大倍數(shù)為50倍，最高采集速率為10張/s，數(shù)據(jù)采集儀選用Agilent34970A來進(jìn)行采集數(shù)據(jù)。

圖2 氯化鋰液滴真空閃蒸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.2 Diagram of flashing of LiCl solution droplet in vacuum

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

在已搭建的實(shí)驗(yàn)臺上，首先打開液滴閃蒸觀察室的罐蓋，采用醫(yī)用注射器將已配置好的氯化鋰液滴注射在罐內(nèi)的T型熱電偶絲上，此時，液滴自身會掛在熱電偶絲上，隨后用罐蓋及零件對閃蒸罐進(jìn)行密封。檢查一切閥門都密閉好后，打開電源開啟真空泵，真空泵通過對大真空罐體抽真空，實(shí)現(xiàn)對液滴真空閃蒸罐體的抽真空，經(jīng)過一定時間達(dá)到預(yù)設(shè)計(jì)壓力時，啟動計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)采集裝置，采集此時刻下相對應(yīng)的溫度和壓力數(shù)值，并進(jìn)行實(shí)時保存。在閃蒸實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前，為了閃蒸后的對比，我們測得閃蒸前的液滴自身圖見圖3。

圖3 液滴閃蒸前圖Fig.3 Before the droplet flashing

1.3 實(shí)驗(yàn)工況

本文將要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)工況列入表1。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境壓力因素

為探究環(huán)境壓力對氯化鋰溶液液滴閃蒸的影響，將初始溫度均為30℃，初始半徑均為1.0mm，初始濃度均為40%的氯化鋰液滴分別在環(huán)境壓力是3800Pa、4800Pa條件下，進(jìn)行對比閃蒸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖4(橫軸代表時間，縱軸代表液滴溫度)。

表1 實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)

Table 1 Experimental parameters

工況分組1/23/45/6 真空壓力p /kPa3.8/4.83.83.0初始溫度t /℃3025/3230初始半徑r /mm1.01.00.8/1.2初始濃度c /%40%40%40%

圖中分別顯示了不同壓力下液滴溫度變化狀況，明顯其總體趨勢是基本相似的，兩者液滴溫度都隨著壓力的突降而快速下降。這也符合理論描述的液滴所處環(huán)境壓力下降，整個液滴處于過熱狀態(tài)，這時閃蒸不僅發(fā)生在液滴表面，內(nèi)部也同時發(fā)生閃蒸，且經(jīng)歷快速沸騰和表面蒸發(fā)兩個階段。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)真空壓力在3800Pa時的液滴閃蒸速度要快于4800Pa時的液滴，可得知真空壓力越低(當(dāng)然在一定的范圍內(nèi))液滴閃蒸的速度相應(yīng)越快。當(dāng)然真空壓力也并非越低越好，這需要深入的實(shí)驗(yàn)研究才能得到最佳壓力的范圍，從而得到理想的除濕鹽溶液來提高空調(diào)的高效性。

綜上所述，環(huán)境壓力因素確實(shí)是影響氯化鋰液滴閃蒸效率(即傳熱傳質(zhì))的主要因素之一，可以大大提高傳熱傳質(zhì)效率。

圖4 環(huán)境壓力因素影響圖Fig.4 influence diagram of environmental pressure

2.2 初始溫度因素

為探究液滴初始溫度對氯化鋰溶液液滴閃蒸的影響，本文展開實(shí)驗(yàn)研究，在真空壓力均為3800Pa，液滴初始半徑均為1.0mm，初始濃度均為40%，液滴初始溫度分別為25℃、32℃條件下，進(jìn)行氯化鋰溶液液滴閃蒸的兩組實(shí)驗(yàn)，最終結(jié)果見圖5，同樣橫軸代表時間，縱軸代表液滴溫度。

圖中顯示了不同初始溫度時的液滴其溫度隨時間變化的過程走勢基本類似。液滴初始溫度越高，一定時間內(nèi)(初始階段)液滴閃蒸后達(dá)到的最終溫度也略高，反之初始溫度低，其閃蒸后達(dá)到最終溫度也略低。此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明氯化鋰溶液液滴在真空閃蒸初始階段吸收熱量的主要來源是液滴主體的顯熱熱量。另外，從傳質(zhì)[17]角度來進(jìn)行分析該過程，因?yàn)橐旱伪砻鎻埩εc溫度關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式是γ=γo(1-bT)，其中T為絕對溫度，γo視為絕對零度時的表面張力，是一與體系有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，b也是一個隨體系而變的常數(shù)，其值與液體的臨界溫度有關(guān)。

液滴初始溫度不同，其閃蒸初期階段液滴溫度變化也會有所差異，其具體的關(guān)聯(lián)式仍需要深入的實(shí)驗(yàn)和對應(yīng)的數(shù)值模擬來確定，故而液滴的初始溫度對氯化鋰溶液液滴閃蒸的影響是不能夠忽略的。

圖5 初始溫度因素影響圖Fig.5 influence diagram of the initial temperature

圖6 初始尺寸因素影響圖Fig.6 influence diagram of the initial size

2.3 初始尺寸因素

為探究液滴初始尺寸對氯化鋰溶液液滴閃蒸的影響，本文進(jìn)行了兩組實(shí)驗(yàn)研究，即環(huán)境壓力均為3000Pa，液滴初始溫度均為30℃，初始濃度均為40%，液滴初始半徑分別為0.8mm、1.2mm狀況下實(shí)驗(yàn)，其相應(yīng)的閃蒸過程溫度變化曲線如圖5所示，同樣橫坐標(biāo)代表時間，縱坐標(biāo)代表液滴的溫度。

圖中顯示了不同初始半徑的液滴閃蒸時達(dá)到最低溫度所需的時間也不同：初始半徑為0.8mm的液滴其達(dá)到最低溫度時所需要的時間明顯小于初始半徑為1.2mm液滴達(dá)到最低溫度時的時間。反之，尺寸較大的液滴在閃蒸過程中達(dá)到最低溫度所需的時間就越長。上述分析與相關(guān)資料[18]中研究水滴閃蒸時，其主體達(dá)到最低溫度時所需的時間與尺寸成正比的結(jié)論是相吻合的，盡管工質(zhì)有所不同。初始尺寸的研究仍需要進(jìn)行不同工質(zhì)、不同尺寸、多組份搭配來多方位實(shí)驗(yàn)研究與分析，一些學(xué)者也進(jìn)行了一些相關(guān)研究工作。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及理論分析得出，液滴的初始尺寸主要對液滴在真空閃蒸過程中達(dá)到最低溫度時所用的時間有較大的影響。

3 結(jié)論

本文通過搭建氯化鋰溶液液滴真空閃蒸試驗(yàn)臺，并針對氯化鋰溶液液滴進(jìn)行了相關(guān)因素的實(shí)驗(yàn)以及對結(jié)果的詳細(xì)分析，得出如下結(jié)論：

(1)環(huán)境壓力是影響氯化鋰溶液液滴閃蒸速度的主要因素。環(huán)境壓力越低，氯化鋰溶液液滴閃蒸就相對較快；

(2)液滴初始溫度不同，閃蒸后液滴溫度變化也會有所差異。初始溫度對氯化鋰溶液液滴真空閃蒸的影響不能忽略。

(3)氯化鋰溶液液滴的初始尺寸對主體液滴到達(dá)最低溫度所需要的時間影響較大。

此外，在后續(xù)的研究中，也可以考慮探究氯化鋰溶液液滴初始濃度、氯化鋰溶液液滴表面張力等因素對其在真空中閃蒸效果的影響，以拓寬鹽溶液閃蒸再生在除濕空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用。

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