不同工況下除濕溶液再生的模擬與實(shí)驗(yàn)

鄒國(guó)文，鄒同華，韓雨松，鄧賽峰，曹國(guó)振（天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 30034；鄭州宇通重工有限公司，河南 鄭州 4548）

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研究開發(fā)

不同工況下除濕溶液再生的模擬與實(shí)驗(yàn)

鄒國(guó)文1，鄒同華1，韓雨松1，鄧賽峰1，曹國(guó)振2
（1天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300134；2鄭州宇通重工有限公司，河南 鄭州 451482）

摘要：建立了LiCl溶液再生過程的數(shù)學(xué)模型，通過模擬分析，得到了溶液再生量、溶液溫度和溶液濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律。以平均再生量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)LiCl溶液的再生性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。分析了熱源溫度、溶液濃度、溶液初始溫度、再生壓力和冷水溫度 5個(gè)因素分別對(duì)溶液再生性能的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：溶液濃度和再生壓力對(duì)溶液再生性能影響顯著，冷水溫度對(duì)溶液再生性能的影響最小。在設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)工況下，再生壓力為4kPa、溶液中LiCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)從28%增大到34%時(shí)，平均再生量由20.45g/(m2·s)減小至7.44g/(m2·s)；再生壓力從4kPa升高至10kPa時(shí)，平均再生量由15.33g/(m2·s)降低至1.92g/(m2·s)。最后，以溶液溫度和溶液濃度作為對(duì)比目標(biāo)參數(shù)將模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)值與模擬值符合較好。

關(guān)鍵詞：溶液再生；真空技術(shù)；數(shù)值模擬；平均再生量

目前，溶液除濕技術(shù)已廣泛應(yīng)用于檔案庫[1]、紡織廠、制藥廠[2]、醫(yī)院[3]等工業(yè)和大型公建項(xiàng)目中。由于除濕后的稀溶液在進(jìn)行再生時(shí)，對(duì)熱源品位要求較高，使得除濕系統(tǒng)能效較低。近年來，鑒于可再生能源和低溫余熱開發(fā)利用的緊迫性，對(duì)以制冷系統(tǒng)冷凝熱或熱泵作為驅(qū)動(dòng)熱源及以太陽能作為驅(qū)動(dòng)熱源的溶液除濕系統(tǒng)的研究逐漸增多[4-8]。也有學(xué)者提出了基于海水淡化技術(shù)的再生新方法[9-10]。對(duì)于真空條件下的再生，國(guó)內(nèi)研究多集中于液滴的閃蒸過程[11-12]。

YADAV[5]研究了以LiBr溶液作為除濕溶液的熱泵式溶液除濕復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)，得出在室外空氣高溫高濕的條件下，其效率高于傳統(tǒng)空調(diào)。KABEEL[7]研究了叉流式太陽能集熱再生器的性能，對(duì)比了強(qiáng)制對(duì)流和自然對(duì)流兩種空氣流態(tài)下的再生效果。唐永強(qiáng)等[8]設(shè)計(jì)了一種新型真空管型太陽能溶液再生器，研究結(jié)果表明，該真空管型太陽能再生器降低了溶液除濕系統(tǒng)的常規(guī)能耗，使其節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性提高。高文忠、時(shí)亞茹等[11]對(duì)CaCl2溶液液滴在真空條件下的閃蒸再生進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，真空壓力是影響閃蒸效率的關(guān)鍵因素，液滴閃蒸速度隨真空壓力的降低而加快，而為防止液滴結(jié)晶真空壓力不宜過低。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)研究，表明真空壓力為 1.2～4.0kPa時(shí)，更容易獲得較理想的低溫除濕溶液。劉璐等[12]建立了真空下鹽水液滴蒸發(fā)的熱力學(xué)模型，研究了壓力、鹽分濃度、初始直徑和初始溫度等參數(shù)對(duì)液滴溫度變化的影響，結(jié)果表明初始溫度的影響要明顯小于其余各因素，降低蒸發(fā)壓力、減小鹽分濃度、減小液滴的初始直徑都會(huì)加快鹽水液滴的蒸發(fā)速率。

本文對(duì) LiCl溶液在不同真空壓力下大容器中的再生性能進(jìn)行了模擬分析和實(shí)驗(yàn)研究，得到了再生壓力、溶液初始溫度等5個(gè)主要因素對(duì)再生性能的影響規(guī)律?？梢詾檎婵赵偕较虻难芯刻峁﹨⒖?，并為該類型再生器的開發(fā)應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 數(shù)值模擬

在模擬中給出以下假設(shè)：保溫效果良好，系統(tǒng)與環(huán)境間沒有熱量損失；再生罐內(nèi)的濕空氣為飽和狀態(tài)，且參數(shù)保持不變；忽略不凝性氣體的影響，認(rèn)為蒸發(fā)的氣體全部為水蒸氣。再生過程的質(zhì)量與能量的平衡關(guān)系如圖1所示。

圖1 質(zhì)量與能量的平衡關(guān)系圖

根據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒原理并經(jīng)處理，得到溶液再生過程中的質(zhì)量與能量控制方程式（1）、式（2）。

方程組的初始條件為：τ = 0時(shí)， m = m0，H = H0，ts=ts0， x = x0。

式中及圖1中的符號(hào)：H為液面高度，m；sρ為溶液密度，kg/m3；hm為溶液表面的傳質(zhì)系數(shù)，m/s；v,sρ 為溶液側(cè)的水蒸氣密度，kg/m3；v,eρ 為空氣側(cè)的水蒸氣密度，kg/m3；qw為加熱壁面對(duì)溶液的熱流密度；sq為溶液對(duì)環(huán)境的熱流密度；wA為加熱壁面的有效面積，m2；sA為真空再生罐的蒸發(fā)面積，m2；m.為單位時(shí)間內(nèi)的水分蒸發(fā)速率，即平均再生量（見2.3節(jié)），kg/(m2·s)；c為溶液的比熱容，kJ/(kg·℃)；ts為溶液溫度，℃。

為求解上述的方程組初值問題，將偏微分方程改寫成常微分方程的形式并整理為差分形式。

由質(zhì)量守恒方程和能量守恒方程的差分形式整理得到式(3)～式(4)。

另外，再生量的差分方程見式(5)。

溶液濃度的差分方程見式(6)。

式(3)～式(6)即為控制方程的差分形式。

模擬的再生工況為：再生壓力 4kPa，溶液初始溫度為 60℃，溶液濃度為 30%，熱流密度為6.5kW/m2，再生器液位起始高度為46.4cm。設(shè)再生時(shí)間為50min，迭代計(jì)算結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 溶液溫度和再生量的變化曲線

圖3 溶液濃度和液位高度的變化曲線

由圖2可知，溶液溫度在開始時(shí)刻（非穩(wěn)態(tài)階段）先是迅速降低，隨著再生量的減少，進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段之后溶液溫度又緩慢回升。在非穩(wěn)態(tài)階段，加熱量和溶液部分內(nèi)熱能一起為水分蒸發(fā)提供熱量，因此溶液再生量較大，達(dá)到39.8g/(m2·s)，隨著蒸發(fā)的進(jìn)行溶液溫度降低，釋放的內(nèi)熱能減少使再生量逐漸降低。

由圖3可知，溶液濃度和液位高度（液位高度即再生罐上液位計(jì)顯示的液位值）與再生量的變化是對(duì)應(yīng)的。再生過程結(jié)束后，所得到的數(shù)據(jù)為溶液溫度 51.46℃，再生量 9.82g/(m2·s)，溶液濃度32.05%，液位高度43.22cm。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

溶液真空再生系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖 4所示。系統(tǒng)主要包括真空再生罐、加熱裝置、抽真空裝置和捕水裝置等。真空再生罐中置有一定量的LiCl溶液，再生罐為碳鋼結(jié)構(gòu)的圓筒體，直徑為0.6m，高0.8m，容積約為0.226m3。為保護(hù)罐體不受溶液腐蝕，罐內(nèi)壁涂有一層緩蝕劑，再生罐外圍有一層保溫材料。實(shí)驗(yàn)開始前，先開啟加熱裝置，將溶液加熱至設(shè)定的初始溫度。加熱裝置采用循環(huán)熱水加熱。而后開啟水環(huán)真空泵抽真空至設(shè)定壓力，真空泵型號(hào)為2BV2071。實(shí)驗(yàn)開始后，真空泵繼續(xù)工作，抽出的蒸汽大部分在捕水裝置中凝結(jié)排除。捕水裝置包括捕水器和制冷系統(tǒng)，捕水器的冷水由制冷系統(tǒng)提供。通過再生罐上液位計(jì)的刻度變化，計(jì)算出溶液失水量，從而得出再生量。

圖4 再生系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

溫度測(cè)量采用HIOKI的LR8400-21型數(shù)據(jù)采集器和TSP-100G型PT100（鉑電阻）溫度傳感器，測(cè)量精度0.1℃，測(cè)量范圍–200～550℃。實(shí)驗(yàn)中設(shè)定數(shù)據(jù)記錄間隔為 2s，測(cè)量的參數(shù)為溶液溫度和冷、熱水溫度。真空罐內(nèi)壓強(qiáng)的測(cè)量選用DL-10型真空計(jì)，測(cè)量范圍10～105Pa。采用LZB-50型玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量冷、熱水的流量，測(cè)量范圍0.6～6m3/h。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

影響溶液再生性能的因素主要有熱水溫度、熱水流量、冷水溫度、冷水流量、溶液初始溫度、再生壓力、和溶液濃度等。為合理優(yōu)化影響因子，保持冷、熱水流量不變，單獨(dú)考慮熱水溫度和冷水溫度變化的影響。通過分析不同工況下溶液的再生效果，得到各因素對(duì)溶液再生性能的影響趨勢(shì)和大小。

實(shí)驗(yàn)因素的取值范圍見表 1，根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案共進(jìn)行約40組實(shí)驗(yàn)。設(shè)定實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)工況為：熱水溫度68℃，冷水溫度17℃，溶液初始溫度60℃，溶液濃度30%。實(shí)驗(yàn)前首先確定再生壓力，考察某因素在該壓力下對(duì)再生性能的影響，其余參數(shù)均為設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)工況值。每組再生工況進(jìn)行30min，每隔2min記錄一次溶液再生罐液位高度。

表1 實(shí)驗(yàn)方案表

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

真空條件下的溶液再生過程是復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)熱質(zhì)傳遞過程，為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀易得并具有可比性。本文采用單位時(shí)間內(nèi)單位蒸發(fā)面積的再生量（即平均再生量）作為再生性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，平均再生量的計(jì)算式如式(7)。

式中，sA為溶液蒸發(fā)面積，m2；sΔm為溶液質(zhì)量的變化量，kg；τ為再生所用的時(shí)間，s。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 熱水溫度的影響

不同再生壓力下熱水溫度對(duì)再生性能的影響見圖5所示。

3.2 溶液初始溫度的影響

溶液的初始溫度即開始蒸發(fā)前真空罐內(nèi)的溶液主體溫度，若溶液的初始溫度高于相應(yīng)壓力下溶液的飽和溫度，則在再生的開始階段，溶液就會(huì)達(dá)到沸騰，初始階段再生量較大。反之，則再生開始后，熱源供熱先對(duì)溶液升溫，相對(duì)與飽和溫度有一定過熱度時(shí)，溶液開始沸騰。初始階段再生量較小。平均再生量和溶液初始溫度的關(guān)系如圖6所示。

圖5 熱水溫度對(duì)再生性能的影響

圖6 溶液初始溫度對(duì)再生性能的影響

由圖6可知，隨著溶液初始溫度的升高，平均再生量逐漸增加。再生壓力為4kPa時(shí)，溶液除濕溫度從45℃上升到60℃，平均再生量從7.67g/(m2·s)增加到15.33g/(m2·s)。再生壓力為6kPa時(shí)，再生量曲線在55℃處出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)，這是因?yàn)?kPa和6kPa再生壓力下溶液的飽和溫度分別為 44℃和51.7℃，考慮到需要有一定的過熱度 tΔ溶液才能沸騰，因此認(rèn)為在4kPa壓力下溶液達(dá)到了沸騰狀態(tài)，而在6kPa壓力下，當(dāng)溶液初始溫度達(dá)到55℃時(shí)溶液沸騰再生，故再生量有較大提高。

3.3 溶液濃度的影響

溶液濃度對(duì)平均再生性能的影響如圖7所示。由圖7可知，隨著溶液濃度的增大，平均再生量減小。溶液濃度對(duì)溶液物性參數(shù)的影響很大，包括飽和溫度、表面蒸氣分壓力、密度、動(dòng)力黏度和表面張力等，這些是決定溶液沸騰特性的主要因素。從圖中可以看出，低濃度溶液的真空再生效果是相當(dāng)明顯的。以LiCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%的溶液為例，實(shí)驗(yàn)的前2min內(nèi)再生量最大達(dá)到76.67g/(m2·s)，平均再生量達(dá)到20.44g/(m2·s)。需要注意，在溶液濃度較低時(shí)需要注意氣泡脫離時(shí)引起的液滴夾帶。

圖7 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)再生性能的影響

3.4 再生壓力的影響

平均再生量與再生壓力的關(guān)系如圖8所示。

由圖8可知，隨著再生壓力的升高，平均再生量逐漸降低。當(dāng)熱源溫度為72℃時(shí)，再生壓力從4kPa升高到 10kPa，平均再生量從 19.8g/(m2·s)降低到5.1g/(m2·s)，降低了 74.2%，相當(dāng)于再生壓力每升高1kPa平均再生量降低12.4%。這說明再生壓力對(duì)再生性能的影響顯著。特別地，當(dāng)真空再生壓力升高到8kPa以后，再生量的降低趨勢(shì)更加明顯。這是因?yàn)椋?kPa 和 10kPa壓力下溶液的飽和溫度分別為 57.5℃和62.1℃，標(biāo)準(zhǔn)工況下溶液的初始溫度為 60℃，介于兩者之間。認(rèn)為，8kPa壓力下，溶液處于沸騰狀態(tài)，而10kPa壓力下，溶液不是處于沸騰狀態(tài)的再生，所以在8kPa以后，再生量有明顯的下降趨勢(shì)。需要注意，再生壓力較低時(shí)要考慮到再生系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性。

3.5 冷水溫度的影響

冷水提供捕水器所需的冷量，使真空泵抽出的蒸汽重新凝結(jié)為液態(tài)水。冷水溫度對(duì)再生性能的影響如圖9所示。

圖8 再生壓力對(duì)再生性能的影響

圖9 冷水溫度對(duì)再生量的影響

由圖9可知，隨著冷水溫度的升高，再生量呈緩慢下降的趨勢(shì)。再生壓力4kPa時(shí)，當(dāng)冷水溫度由13℃升高到19℃時(shí)，平均再生量從12.14 g/(m2·s)減小到9.58g/(m2·s)。因?yàn)槔渌疁囟汝P(guān)系到捕水器的效率，冷水溫度越低，捕水器效率越高，意味著更多的水蒸氣在捕水裝置中凝結(jié)成液態(tài)水，從而使真空泵的抽氣負(fù)荷就減小。在相同的運(yùn)行工況下，真空罐會(huì)在更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到指定壓力，實(shí)測(cè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以證明這一結(jié)論。

4 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析

隨機(jī)選取6組不同的實(shí)驗(yàn)工況（見表2），以再生結(jié)束后的溶液主體溫度和溶液濃度為對(duì)比目標(biāo)參數(shù)，對(duì)比結(jié)果如圖10和圖11所示。

由圖10和圖11可知，將不同工況下再生結(jié)束后的溶液溫度和溶液濃度進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果符合較好。同時(shí)可以看出，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，溶液濃度的模擬誤差小于溶液溫度的模擬誤差。以選取的6組實(shí)驗(yàn)工況下得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果作為對(duì)比，計(jì)算分析得到：以溶液溫度為對(duì)比目標(biāo)參數(shù)時(shí)，實(shí)驗(yàn)誤差在多分布在15%左右；以溶液濃度為對(duì)比目標(biāo)參數(shù)時(shí)，實(shí)驗(yàn)的誤差多分布在5%以內(nèi)。文中實(shí)驗(yàn)誤差主要由于參數(shù)波動(dòng)引起，本文的實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)定的壓力值、熱水溫度及冷水溫度等參數(shù)的波動(dòng)都將造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差。該分析結(jié)果表明，模擬結(jié)果對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的預(yù)測(cè)作用。

圖10 溶液溫度的模擬值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

圖11 溶液濃度的模擬值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

表2 對(duì)比工況選取

5 結(jié) 論

（1）在模擬再生工況下，溶液溫度先迅速降低，隨著再生量的減少，又緩慢回升。在非穩(wěn)態(tài)階段，溶液平均再生量較大，初始階段達(dá)到39.8g/(m2·s)，隨著蒸發(fā)的進(jìn)行溶液溫度降低，再生量逐漸降低。溶液濃度與再生量的變化是對(duì)應(yīng)的。

（2）在實(shí)驗(yàn)工況下，平均再生量與熱水溫度以及溶液初始溫度成正比，當(dāng)其他參數(shù)一定時(shí)，溶液的初始溫度越高，溶液平均再生量越大；溶液的濃度越小，再生壓力越低，平均再生量越大。4kPa壓力下，溶液中LiCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)從28%升高到34%時(shí)，再生量由20.4g/kg降低到7.6g/kg。再生過程中，溶液濃度對(duì)再生性能的影響最大，冷水溫度的影響最小。

（3）模擬分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好，模擬分析可以對(duì)實(shí)驗(yàn)提供一定的指導(dǎo)。

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第一作者：鄒國(guó)文（1987—），男，碩士研究生，主要從事溶液除濕研究。E-mail zou881118@163.con。聯(lián)系人：鄒同華，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槭称防滏溂夹g(shù)及制冷空調(diào)節(jié)能與優(yōu)化。E-mail zthua@tjcu.edu.cn。

中圖分類號(hào)：TB 79

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-6613（2016）07-1963-06

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.07.004

收稿日期：2015-11-27；修改稿日期：2016-02-04。

Simulation and experimental study on regeneration of desiccant solution on different conditions

ZOU Guowen1，ZOU Tonghua1，HAN Yusong1，DENG Saifeng1，CAO Guozhen2
（1Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology，Tianjin University of Commerce，Tianjin 300134，China；2Zhengzhou Yutong Heavy Industries Co.，Ltd.，Zhengzhou 451482，Henan，China）

Abstract：The mathematical model of regeneration process of lithium chloride water solution was built in this paper.Variation of average moisture removal rate，temperature and concentration of solution with time were obtained by simulation analysis.Experimental study of regeneration performance of lithium chloride water solution was carried out using average moisture removal rate as the evaluation index.Influence trends of temperature of hot water ，concentration of solution，initial temperature of solution，regeneration pressure，and temperature of cold water these five factors on regeneration performance were analysed，respectively.Experimental results showed that concentration of solution，pressure of regeneration have significant impact on regeneration performance，temperature of cold water has a weak influence on regeneration performance.At standard operating conditions，the pressure of regeneration is 4 kPa.When the mass fraction of LiCl in solution increased from 28% to 34%，the average moisture removal rate decreased from 20.45g/(m2·s) to 7.44g/(m2·s).When pressure of regeneration increased from 4kPa to 10kPa，the average moisture removal rate decreased from 15.33g/(m2·s) to 1.92g/(m2·s).At last，both simulation and experimental results using temperature and concentration of solution as target parameters were compared and analysed.Results showed that simulation and experimental values are in a good agreement.

Key words：solution renewable；vacuum technology；numerical simulation；average moisture removal rate