溶液除濕系統(tǒng)再生性能的研究進(jìn)展

李新付 （安陽市建筑設(shè)計(jì)研究院 河南 安陽 455000)

1 引 言

利用吸濕性溶液可以吸收空氣中的水分而將空氣進(jìn)行干燥的方法稱為溶液除濕。溶液除濕劑的表面蒸汽壓比濕空氣的蒸汽壓高時(shí)，溶液濃縮再生，反之溶液對空氣進(jìn)行除濕。溶液除濕系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了熱負(fù)荷和濕負(fù)荷的單獨(dú)處理，濕度可以由溶液除濕控制，溫度則采用高溫冷凍水控制，不需要將溫度降低到空氣的露點(diǎn)溫度，防止了潮濕條件下細(xì)菌微生物等的滋生，而且避免了過度冷卻和再熱帶來的能量消耗，因此可以充分利用低品位能源。

溶液除濕系統(tǒng)中傳熱傳質(zhì)過程主要是在除濕器和再生器中完成。除濕和再生過程的原理基本一致，傳質(zhì)驅(qū)動力是利用溶液表面與空氣之間的水蒸氣分壓力差，傳熱驅(qū)動力是兩者之間的溫差，只是再生過程是稀的鹽溶液脫除水分濃縮的過程。

2 溶液除濕系統(tǒng)再生性能研究現(xiàn)狀

溶液除濕和再生過程是一個(gè)復(fù)雜的氣液兩相熱質(zhì)交換過程。W.Y.Saman等[1-2]應(yīng)用理論推導(dǎo)得出了再生量的一個(gè)通用表達(dá)式，該表達(dá)式主要涉及到溫度、蒸發(fā)壓力和濃度。黃志甲等[3]等建立了叉流溶液再生器傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型，將該模型進(jìn)行簡化，獲得了溶液和空氣的能量質(zhì)量控制方程，采用Matlab編程模擬計(jì)算，證明其模型的可靠性，為今后實(shí)驗(yàn)提供依據(jù)。魏昊然[4]對太陽能溶液集熱/再生器進(jìn)行模型簡化，采用Matlab編程模擬計(jì)算了環(huán)境溫度、溶液入口濃度、溫度和空氣入口含濕量以及溫度對再生效率的影響。

在溶液除濕工程中，LiCl溶液、CaCl2溶液、三甘醇溶液、LiBr溶液等是較為常用的溶液除濕劑。G.A.Longo等[5]針對散裝填料溶液除濕和再生，從實(shí)驗(yàn)和理論上分析，并且測試了在典型空調(diào)運(yùn)行工況下傳統(tǒng)的氯化鋰和溴化鋰鹽溶液與新的甲酸鉀鹽溶液，發(fā)現(xiàn)新的甲酸鉀鹽溶液比傳統(tǒng)的鹽溶液腐蝕性小，對環(huán)境完全無污染，且價(jià)格便宜。裴清清等[6]對以下三種鹽溶液—氯化鈣溶液、氯化鋰溶液和質(zhì)量比1:1的混合溶液(氯化鈣:氯化鋰)進(jìn)行了再生性能對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)再生性能最優(yōu)的是氯化鈣溶液，其次是1:1混合溶液，氯化鋰溶液的再生性能最差。

填料塔是再生器普遍采用的一種形式，填料的類型對再生器的再生性能也具有一定的影響。Giovanni A.Longo等[7]采用LiBr作為再生溶液，測試比較了鮑爾環(huán)散裝填料和250Y規(guī)整孔板波紋填料的再生性能，結(jié)果顯示散裝填料的再生性能要比規(guī)整填料的性能高20%～25%。然而空氣側(cè)壓降，規(guī)整填料比散裝填料低65%～75%。周立寧等[8]將一種新型間壁式填料和5090濕簾材料的溶液再生性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對比。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)溶液溫度達(dá)到60℃～80℃時(shí)，此材料的體積傳質(zhì)系數(shù)是5090濕簾材料的1.08～1.56倍。

很多學(xué)者重點(diǎn)分析了入口再生溶液和入口空氣參數(shù)對溶液再生性能的影響。高文忠等[9]搭建了太陽能叉流溶液再生實(shí)驗(yàn)臺，實(shí)驗(yàn)測試得到各入口參數(shù)對溶液再生的全熱效率和濕度效率的變化曲線，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用了回歸擬合分析，結(jié)果表明：溶液溫度、流量和空氣溫度、含濕量、流量對全熱效率影響較大；而對濕度效率影響較大的入口因素是空氣流量、溶液溫度、濃度和流量。擬合方程計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差在20%以內(nèi)，能夠較好的反映再生器內(nèi)氣液兩相熱質(zhì)交換規(guī)律。趙純清等[10]利用正交實(shí)驗(yàn)原理分析了水分蒸發(fā)量受再生溶液入口質(zhì)量濃度、溫度、時(shí)間以及兩兩因素之間的耦合作用的影響。結(jié)果顯示：再生溫度和時(shí)間對水分蒸發(fā)量的影響是極顯著的，因素之間兩兩耦合作用對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響甚微，在試驗(yàn)各因素區(qū)間內(nèi)，溫度是75℃、溶液質(zhì)量濃度是30%、時(shí)間是120min，水分蒸發(fā)量最大，再生效果最好。Esam Elsarrag[11]采用三甘醇作為再生溶液，再生器的結(jié)構(gòu)為規(guī)整填料塔，分析了入口參數(shù)包括空氣含濕量、液氣比與溶液溫度、濃度對蒸發(fā)率和除濕效率的影響，與干燥氣候區(qū)相比，在潮濕地區(qū)除濕劑再生需要較高的溶液溫度。隨后他[12]采用太陽能加熱氯化鈣溶液再生，實(shí)驗(yàn)分析了以上入口參數(shù)對蒸發(fā)率的影響，得到在本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中2.54是最佳的液氣比。

3 溶液除濕系統(tǒng)再生性能的新進(jìn)展

太陽能是清潔的低品位能源，取之不盡用之不竭，然而太陽能的利用受到了當(dāng)?shù)貧夂驐l件的影響。因此有些學(xué)者探索其它的溶液再生方式。

沸騰式溶液再生是將溶液加熱至沸騰，使其中部分水分蒸發(fā)，從而使溶液濃縮成濃溶液的過程，沸騰式再生不受再生空氣狀態(tài)的影響。蒸發(fā)出來的水蒸氣還能夠再回收利用。弓仲愷等[13]對常壓下除濕溶液LiBr采用正交試驗(yàn)方案進(jìn)行了溶液沸騰再生過程，實(shí)驗(yàn)的影響因素包括熱流密度、冷卻水流量與溶液初始濃度和初始溫度。結(jié)果表明：采用極差分析得到影響常壓下沸騰再生速率各因素從大到小順序是熱流密度＞初始溫度＞初始濃度＞冷卻水流量。徐惠斌等[14-15]分別對三種常用除濕劑LiCl、LiBr和CaCl2和一種配方型除濕劑的池內(nèi)核態(tài)沸騰特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，沸騰式再生對外界環(huán)境的依賴性較小。但是在常壓下，LiBr、LiCl、CaCl2溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為46%、31%和40%所對應(yīng)的沸騰溫度分別是123℃、121℃、116℃，沸騰溫度較高，對熱源也有較高的要求。因此有學(xué)者考慮在真空條件下，溶液可以在較低的溫度下沸騰，使其中水分蒸發(fā)，溶液濃縮，有效的降低了熱源溫度，可以充分利用低品位能源，最終達(dá)到節(jié)能降耗的目的，因此將二者組合成真空沸騰式溶液再生器。張濤[16]等搭建了真空條件下溶液再生實(shí)驗(yàn)臺，LiCl作為再生溶液，以熱水溫度、熱水流量、溶液初始濃度、冷水流量以及冷水溫度為實(shí)驗(yàn)因素，采用水分蒸發(fā)率作為評價(jià)指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：蒸發(fā)率的影響較為顯著入口參數(shù)是溶液的初始濃度和熱水溫度，熱水溫度由56℃到62℃，水分蒸發(fā)率提高了34.5%，鄧賽峰[17]在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上利用CFD軟件的混合模型和自定義函數(shù)對真空鹽溶液再生過程進(jìn)行了仿真模擬，得出仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

電滲析技術(shù)是基于在電場影響下離子通過選擇性膜的一種傳輸技術(shù)[18-19]。基于電滲析技術(shù)，Li等[20-21]提出了一種新的溶液再生方式，電滲析堆積層作為溶液再生器，利用光伏發(fā)電機(jī)提供溶液再生過程所需的電量。Qing Cheng等[22]提出了一種雙級光伏電滲析溶液再生系統(tǒng)，如圖1所示。結(jié)果表明，在最佳工作條件下，溶液除濕冷卻系統(tǒng)中雙級再生系統(tǒng)比單級再生系統(tǒng)更加實(shí)用，具有更高的能源利用效率。東南大學(xué)的程清等[23]提出了一種將電滲析與太陽能溶液耦合再生系統(tǒng)，如圖2所示。該再生系統(tǒng)具有兩種操作模式，第一種模式是在太陽較好時(shí)，關(guān)閉閥門A，打開閥門B，稀溶液與經(jīng)過太陽能電池加熱過的熱水在熱交換器進(jìn)行熱交換，然后高溫溶液進(jìn)入太陽能集熱/再生器，與空氣進(jìn)行熱質(zhì)交換(初步再生)，然后通過電滲析再生器進(jìn)一步再生，進(jìn)一步提高溶液濃度，將達(dá)到濃度要求的溶液儲存在濃溶液槽中；另一種運(yùn)行模式是夜間或者陰雨天氣時(shí)，打開閥門A，關(guān)閉閥門B，稀溶液直接經(jīng)過電滲析再生器進(jìn)行再生，將濃溶液儲存于濃溶液槽中。該系統(tǒng)可以夜間利用低谷電價(jià)進(jìn)行蓄能，從而緩解了電荷峰谷差，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

圖1 雙級太陽能電滲析溶液除濕系統(tǒng)

圖2 太陽能耦合再生系統(tǒng)

4 結(jié) 語

本文對溶液除濕系統(tǒng)再生性能的研究現(xiàn)狀以及一些其他的再生方式進(jìn)行了簡單介紹。目前傳統(tǒng)的填料塔再生方式存在一些不足，例如占用較大的空間，需要對設(shè)備小型化進(jìn)行進(jìn)一步的研究和探討，而且需要對溶液流量和空氣流量進(jìn)行控制，否則會有液滴攜帶出來。溶液沸騰式再生過程是一個(gè)較為復(fù)雜的熱質(zhì)交換過程，溶液的飽和溫度主要受壓力的影響，因此還需要進(jìn)一步對不同壓力下溶液再生性能進(jìn)行研究。目前多數(shù)新的再生方式只是研究再生器這一個(gè)單元，并未對除濕器和再生器進(jìn)行匹配，今后可以對整個(gè)溶液除濕性能進(jìn)行研究。

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