壓縮空氣溶液除濕中不同除濕劑除濕性能比較

邵彬，殷勇高，張小松

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壓縮空氣溶液除濕中不同除濕劑除濕性能比較

邵彬，殷勇高，張小松

（東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，能源熱轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096）

在壓縮空氣溶液除濕實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，分別以LiBr和LiCl水溶液作為除濕劑，實(shí)驗(yàn)研究了兩種溶液在壓縮空氣溶液除濕系統(tǒng)中的除濕性能。以溶液表面水蒸氣分壓力作為比較基準(zhǔn)，壓縮空氣出口含濕量和除濕量作為除濕性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)二者的除濕能力進(jìn)行比較分析。同時(shí)基于壓縮空氣溶液除濕器傳熱傳質(zhì)模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究了LiBr、LiCl溶液與壓縮空氣間的傳質(zhì)系數(shù)大小以及變化規(guī)律。結(jié)果表明：在相同的處理工況下，采用LiCl溶液對(duì)壓縮空氣進(jìn)行除濕能得到更低的空氣出口含濕量和更高的除濕量，LiCl溶液除濕過(guò)程的傳質(zhì)系數(shù)也高于LiBr溶液，即在壓縮空氣溶液除濕系統(tǒng)中LiCl溶液具有更優(yōu)的除濕能力和傳質(zhì)性能。

壓縮空氣；溶液除濕；除濕量；除濕性能；傳質(zhì)

引 言

壓縮空氣是第二大動(dòng)力能源，又是具有多種用途的工藝氣源，廣泛應(yīng)用于各行業(yè)。壓縮空氣中水分含量超過(guò)一定量時(shí)會(huì)造成管路、閥件銹蝕，影響氣動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；特別是對(duì)噴漆、食品、制藥等行業(yè)，壓縮空氣含過(guò)高水分將直接降低產(chǎn)品質(zhì)量。壓縮空氣干燥過(guò)程耗能巨大，而壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)消耗的電能，大部分都轉(zhuǎn)化為熱量排放到空氣或者土壤中，造成能源的極大浪費(fèi)。若能改善壓縮空氣干燥工藝或者提高干燥過(guò)程的能量利用效率，節(jié)能效益將非?？捎^。

考慮液體除濕技術(shù)[1-5]的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，本課題組[6-7]提出一種新型的基于溶液除濕技術(shù)對(duì)壓縮空氣進(jìn)行深度除濕干燥的方法。空氣與濃溶液分別由空壓機(jī)及增壓溶液泵加壓至高壓狀態(tài)進(jìn)入除濕器內(nèi)進(jìn)行除濕，達(dá)到對(duì)壓縮空氣深度干燥的效果。此外，使用空氣壓縮過(guò)程中的余熱驅(qū)動(dòng)除濕溶液再生[8-10]，從而降低除濕能耗，提高工業(yè)干燥過(guò)程中的能量利用效率。

溶液除濕常用的無(wú)機(jī)鹽溶液主要包括LiBr、LiCl 和CaCl2溶液等。在這3種鹽溶液中CaCl2溶液的吸濕性能最差，一般不單獨(dú)使用，而LiCl和LiBr溶液都具有較強(qiáng)的吸濕能力，是目前使用最多的兩種除濕劑。國(guó)內(nèi)外的研究人員[11-15]對(duì)常壓下LiBr和 LiCl溶液除濕的除濕性能和熱質(zhì)傳遞特性進(jìn)行了深入的研究。Longo等[16]分別采用LiBr、LiCl以及KCOOH溶液作為除濕劑，以相同的結(jié)晶溫度點(diǎn)作為比較基礎(chǔ)，比較相同質(zhì)量流量和溫度的除濕溶液的除濕性能，結(jié)果表明LiBr和LiCl的傳質(zhì)性能相同。Liu等[17]以相同的溶液溫度和水蒸氣分壓力為基準(zhǔn)，比較了LiCl和LiBr的除濕性能。以除濕量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得出相同的溶液質(zhì)量流量下LiCl溶液的傳質(zhì)性能優(yōu)于LiBr的結(jié)論。Koronaki等[18]以相同的溶液濃度為比較基準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)研究了相同工況下空氣和溶液進(jìn)口參數(shù)對(duì)LiCl、LiBr 和CaCl23種溶液除濕量和除濕效率的影響。結(jié)果表明，LiCl溶液作為除濕劑能夠達(dá)到更高的除濕效率和系統(tǒng)效率。

目前不同液體除濕劑除濕性能的對(duì)比研究主要集中在常壓系統(tǒng)，LiBr和LiCl溶液在高壓除濕系統(tǒng)中的除濕性能及熱質(zhì)傳遞規(guī)律是否和在常壓系統(tǒng)相同尚未有人研究。比較高壓除濕系統(tǒng)中LiBr和 LiCl溶液的除濕性能對(duì)壓縮空氣溶液干燥系統(tǒng)選擇合適的除濕劑以提高系統(tǒng)性能具有重要的指導(dǎo)意義。本文基于壓縮空氣溶液除濕實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以相同溶液入口溫度、質(zhì)量流量、相同溶液表面水蒸氣分壓力作為比較基準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了LiBr和LiCl溶液在壓縮空氣溶液除濕系統(tǒng)的除濕性能。同時(shí)，基于壓縮空氣溶液除濕器傳熱傳質(zhì)物理和數(shù)學(xué)模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲取了不同壓縮空氣以及溶液進(jìn)口參數(shù)下壓縮空氣與LiBr及LiCl溶液各自的傳質(zhì)系數(shù)，并進(jìn)行比較分析。從而全面地比較LiBr和LiCl兩種除濕溶液在壓縮空氣溶液除濕系統(tǒng)的除濕能力。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

壓縮空氣溶液除濕實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖1所示，主要由壓縮空氣模塊與溶液除濕模塊兩部分構(gòu)成，其中除濕器內(nèi)的氣液接觸形式為逆流。空氣經(jīng)空氣壓縮機(jī)壓縮后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況要求依次通過(guò)調(diào)壓閥、空氣冷卻器調(diào)節(jié)進(jìn)入除濕器的空氣壓力、溫度等參數(shù)后，由填料塔的底部側(cè)面進(jìn)入高壓除濕器；除濕溶液由加壓計(jì)量泵加壓驅(qū)動(dòng)進(jìn)入高壓除濕器頂部，噴淋后在重力的作用下潤(rùn)濕填料，吸收壓縮空氣中的水蒸氣完成除濕過(guò)程。填料塔型加壓除濕器除濕性能是實(shí)驗(yàn)臺(tái)的核心部分，選用有機(jī)玻璃作為填料塔的材料，填料塔直徑0.04 m，內(nèi)部采用2個(gè)塑料孔板波紋形規(guī)整填料，比表面積為500 m2·m-3，高度0.2 m。各填料之間放置一個(gè)液體再分布器。

1.2 測(cè)量裝置

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量和采集除濕器進(jìn)出口空氣、溶液的相關(guān)參數(shù)?？諝鈪?shù)包括進(jìn)出口壓縮空氣流量、溫度、相對(duì)濕度、壓力，溶液參數(shù)包括溶液進(jìn)口溫度、流量、密度。測(cè)量的結(jié)果通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀采集并保存到數(shù)據(jù)庫(kù)，用于數(shù)據(jù)的處理和分析。以上數(shù)據(jù)測(cè)試的裝置名稱及技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 除濕性能實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置的技術(shù)參數(shù) Table 1 Specification of different measuring devices

2 研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

空氣具有更高的水蒸氣分壓力，空氣與溶液表面水蒸氣分壓力差增大，除濕過(guò)程的傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力增大，除濕能力增強(qiáng)。本文以溶液表面水蒸氣分壓力作為比較的基準(zhǔn)，分別采用LiBr和LiCl溶液對(duì)壓縮空氣進(jìn)行變工況實(shí)驗(yàn)研究，從而比較兩種除濕溶液在壓縮空氣溶液除濕系統(tǒng)中的除濕性能。

溶液表面水蒸氣分壓力與溶液的溫度和濃度相關(guān)，以溶液表面水蒸氣分壓力和溫度參數(shù)確定溶液狀態(tài)，在保證溶液表面水蒸氣分壓力相同時(shí)，LiBr和LiCl溶液進(jìn)口的溫度相同、濃度不同。當(dāng)LiBr溶液溫度33℃，質(zhì)量分?jǐn)?shù)55%時(shí)，溶液表面水蒸氣分壓力為0.80 kPa，相同溶液表面水蒸氣分壓力時(shí)，LiCl 溶液濃度與其等效為42%。在常用的濃度范圍內(nèi)選擇3組不同的濃度分別進(jìn)行壓縮空氣溶液除濕比較實(shí)驗(yàn)，從而更好地對(duì)LiBr和LiCl溶液在壓縮空氣溶液除濕系統(tǒng)中的除濕性能進(jìn)行比較。具體的除濕實(shí)驗(yàn)進(jìn)口參數(shù)見(jiàn)表2、表3。需要說(shuō)明的是表中入口空氣含濕量是一個(gè)范圍，是指0.20～0.60 MPa之間各個(gè)壓力下對(duì)應(yīng)的空氣含濕量不同，而同一個(gè)壓力下含濕量是定值。

表2 不同壓力除濕比較實(shí)驗(yàn)進(jìn)口參數(shù) Table 2 Experimental operating conditions of dehumidification under different flow rate of compressed air

表3 不同空氣流速除濕比較實(shí)驗(yàn)進(jìn)口參數(shù) Table 3 Experimental operating conditions of dehumidification under different operating pressures

2.2 除濕性能指標(biāo)

工業(yè)應(yīng)用中，露點(diǎn)溫度是評(píng)價(jià)壓縮空氣的一個(gè)重要指標(biāo)，而露點(diǎn)溫度與壓縮空氣的含濕量密切相關(guān)，因此選用壓縮空氣出口含濕量(out)作為評(píng)價(jià)除濕器除濕性能的指標(biāo)，其表達(dá)式如式（1）所示

除濕量的大小能夠體現(xiàn)系統(tǒng)傳質(zhì)過(guò)程的強(qiáng)弱，故選用除濕器中除濕量(d)作為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，除濕量為空氣進(jìn)出口含濕量變化量與空氣質(zhì)量流量之積，其表達(dá)式如式（2）所示

d=a(a,in-a,out) (2)

式中，s(t)為溫度時(shí)飽和水蒸氣分壓力，Pa；為節(jié)流至常壓狀態(tài)時(shí)的相對(duì)濕度，%；為大氣壓力；a為壓縮空氣的質(zhì)量流量，g·s-1；a,in、a,out分別為除濕器進(jìn)出口處壓縮空氣的含濕量, g·kg-1。

2.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試誤差分析

空氣含濕量是通過(guò)測(cè)量節(jié)流至常壓后空氣的溫度與相對(duì)濕度獲得，進(jìn)出口含濕量a的函數(shù)關(guān)系可表示為

a=(a,a) (3)

根據(jù)間接測(cè)量誤差傳遞原理，以典型實(shí)驗(yàn)工況為例，進(jìn)行誤差分析，典型工況直接測(cè)量值見(jiàn)表4。

表4 典型工況直接測(cè)量值 Table 4 Directly measured values of typically experimental condition

含濕量的絕對(duì)誤差

含濕量的最大相對(duì)誤差

除濕量的絕對(duì)誤差

除濕量的最大相對(duì)誤差

從以上數(shù)據(jù)誤差分析可知，本研究處理結(jié)果數(shù)據(jù)誤差范圍在5%內(nèi)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一定的可信度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 空氣壓力對(duì)除濕性能的影響

圖2為不同壓力下LiBr和LiCl兩種除濕溶液對(duì)壓縮空氣進(jìn)行除濕實(shí)驗(yàn)時(shí)各自的空氣出口含濕量的變化情況。圖3為兩種溶液各自的除濕量的變化情況。由圖可知：當(dāng)空氣壓力由0.20 MPa升高至0.60 MPa時(shí)，LiBr溶液和LiCl溶液除濕實(shí)驗(yàn)中壓縮空氣出口含濕量和除濕量變化趨勢(shì)相同，隨著壓力的增加空氣出口含濕量顯著降低，除濕量均增大。原因是溶液表面等效含濕量隨壓力的升高呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，使得除濕溶液能夠有效降低壓縮空氣出口含濕量；壓力升高時(shí)空氣中的水蒸氣分壓力增大，傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力增大，除濕效果增強(qiáng)，從而獲得更高的除濕量。

通過(guò)比較可以得出，LiCl溶液除濕的出口空氣含濕量比LiBr溶液平均低約0.2 g·s-1，除濕量比LiBr溶液平均高約11%。在進(jìn)口參數(shù)相同的情況下（溶液濃度等效相同），與LiBr溶液相比LiCl溶液能夠?qū)嚎s空氣處理到更低的空氣出口含濕量。主要是由于溶液除濕過(guò)程中釋放出的潛熱量會(huì)使溶液溫度不斷升高，從而導(dǎo)致溶液表面水蒸氣分壓力升高，在相同進(jìn)口溶液溫度和等效含濕量條件下，LiCl溶液比熱容約為L(zhǎng)iBr溶液比熱容的1.3倍，因此在除濕過(guò)程中LiCl溶液溫升相對(duì)較小，能保持較低的表面蒸氣壓，從而保證更大的傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)勢(shì)。因此，采用LiCl溶液對(duì)壓縮空氣進(jìn)行溶液除濕，能夠獲得更低的空氣出口含濕量和更高的除濕量。

3.2 空氣流速對(duì)除濕性能的影響

圖4顯示了0.5 MPa壓力下LiBr和LiCl溶液除濕實(shí)驗(yàn)中各自的壓縮空氣出口含濕量及除濕量隨空氣流速變化的結(jié)果。由圖可知，當(dāng)壓縮空氣流速?gòu)?.40 m·s-1增加到1.11 m·s-1時(shí)，空氣出口含濕量先降低再增加，除濕量一直呈增大趨勢(shì)。主要原因是，當(dāng)壓縮空氣流速較小時(shí)，空氣流速引起的傳熱傳質(zhì)系數(shù)增加成為使得空氣出口含濕量降低的主要因素；而當(dāng)流速增加到一定值時(shí)，傳熱傳質(zhì)過(guò)程增強(qiáng)的趨勢(shì)變緩，由于空氣與溶液的接觸時(shí)間過(guò)短，無(wú)法進(jìn)行充分的熱質(zhì)交換，導(dǎo)致空氣出口含濕量增大。雖然出口空氣含濕量先減小后增大但是由于空氣質(zhì)量流量不斷增大，因此除濕量仍表現(xiàn)出不斷增大的趨勢(shì)。

在進(jìn)口參數(shù)相同的情況下，各空氣流速下LiCl溶液除濕的出口含濕量比LiBr平均低0.1 g·s-1，除濕量比LiBr溶液平均高約4%。通過(guò)以上比較可得出結(jié)論：在相同的處理工況下，LiCl溶液能夠?qū)嚎s空氣處理到更低的空氣出口含濕量，并獲得更高的除濕量。

3.3 傳質(zhì)系數(shù)比較

本課題組[19]基于有限體積法建立了壓縮空氣溶液除濕器傳熱傳質(zhì)物理和數(shù)學(xué)模型，研究了壓縮空氣與溶液間的傳熱傳質(zhì)系數(shù)大小以及變化規(guī)律?；诖四Ｐ?，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲取了不同壓縮空氣以及溶液進(jìn)口參數(shù)下壓縮空氣與LiBr、LiCl溶液之間各自的傳質(zhì)系數(shù)。

圖5為不同壓力時(shí)，壓縮空氣與LiBr和LiCl溶液之間各自的傳質(zhì)系數(shù)。當(dāng)壓力由0.20 MPa升高至0.60 MPa時(shí)，LiBr溶液與壓縮空氣之間的傳質(zhì)系數(shù)由9.1 g·(m2·s)-1升高到60.2 g·(m2·s)-1，LiCl溶液與壓縮空氣之間的傳質(zhì)系數(shù)由16.0 g·(m2·s)-1 升高到68.2 g·(m2·s)-1。隨著空氣壓力的升高，LiBr和LiCl的傳質(zhì)系數(shù)均表現(xiàn)為顯著增大的趨勢(shì)，主要是壓縮空氣與除濕溶液在除濕器內(nèi)直接接觸進(jìn)行傳熱傳質(zhì)，當(dāng)壓縮空氣的壓力增大時(shí)，壓縮空氣表面的剪切力增大，增大了界面的不穩(wěn)定性[20]，改變氣體邊界層中溫度和水蒸氣組分濃度沿軸向分布，進(jìn)而強(qiáng)化了氣液傳遞過(guò)程，傳質(zhì)系數(shù)增大。比較兩種溶液除濕過(guò)程的傳質(zhì)系數(shù)可以看出，LiCl的傳質(zhì)系數(shù)比LiBr平均高約19%。

圖6為0.5MPa壓力下不同流速的壓縮空氣與LiBr和LiCl溶液之間各自的傳質(zhì)系數(shù)。當(dāng)空氣流速?gòu)?.40 m·s-1增加到1.00 m·s-1時(shí)，LiBr溶液與壓縮空氣之間的傳質(zhì)系數(shù)由19.7 g·(m2·s)-1增加到67.5 g·(m2·s)-1；LiCl溶液與壓縮空氣之間的傳質(zhì)系數(shù)由22.0 g·(m2·s)-1升高到74.5 g·(m2·s)-1。一定壓力下，壓縮空氣與LiBr和LiCl溶液之間傳質(zhì)系數(shù)均隨著空氣流速的增加而顯著增大。隨著壓縮空氣流速的增大，濃度邊界層減薄，空氣主流與溶液表面的水分?jǐn)U散滲透加強(qiáng)，同時(shí)溶液表面也會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)，其表面更新不斷加快，使得表面?zhèn)髻|(zhì)能力增強(qiáng)，傳質(zhì)系數(shù)增大。各空氣流速下，LiCl溶液除濕過(guò)程的傳質(zhì)系數(shù)均高于LiBr，與LiBr相比LiCl傳質(zhì)系數(shù)平均高約15%。

LiBr 和 LiCl 溶液在表面蒸氣壓、比熱容、密度、黏度等相關(guān)的性能參數(shù)上有明顯區(qū)別，這些性能參數(shù)是影響系統(tǒng)的傳熱傳質(zhì)效果的主要因素。兩種除濕溶液在相關(guān)性能參數(shù)上的差異是LiCl溶液在壓縮空氣溶液除濕系統(tǒng)中具有更好的傳質(zhì)能力的主要原因。

4 結(jié) 論

以相同的溶液入口溫度、質(zhì)量流量和水蒸氣分壓力作為比較基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了LiBr與LiCl溶液在壓縮空氣溶液除濕系統(tǒng)中的各自除濕能力。基于壓縮空氣溶液除濕器傳熱傳質(zhì)模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲取了不同壓縮空氣以及溶液進(jìn)口參數(shù)下壓縮空氣與LiBr及LiCl溶液各自的傳質(zhì)系數(shù)。通過(guò)比較分析，得到如下結(jié)論。

（1）不同壓力工況下LiCl溶液除濕的出口空氣含濕量比LiBr平均低0.2 g·s-1，除濕量平均高約 11%；不同空氣流速工況下LiCl溶液除濕的出口含濕量比LiBr平均低0.1 g·s-1，除濕量平均高約4%。在相同的處理工況下，LiCl溶液能夠?qū)嚎s空氣處理到更低的空氣出口含濕量，除濕量也更高，說(shuō)明LiCl溶液在壓縮空氣溶液除濕系統(tǒng)中具有更優(yōu)的除濕能力。

（2）隨著空氣壓力的升高，LiBr、LiCl溶液與壓縮空氣之間的傳質(zhì)系數(shù)均顯著增大，其中LiCl的傳質(zhì)系數(shù)LiBr比平均高約19%；隨著空氣空氣流速增加，LiBr和LiCl溶液與壓縮空氣之間的傳質(zhì)系數(shù)均呈增大趨勢(shì)，LiCl的傳質(zhì)系數(shù)LiBr比平均高約15%。說(shuō)明LiCl溶液在壓縮空氣溶液除濕系統(tǒng)中具有更好的傳質(zhì)能力。

符 號(hào) 說(shuō) 明

d——空氣含濕量, g·kg-1 G——質(zhì)量流量，g·s-1 hd——傳質(zhì)系數(shù)，g·(m2·s)-1 M——除濕量，g·s-1 p——空氣壓力，MPa S——面積，m2 T——溫度，℃ V——體積流量，m3·h-1 v——流速，m3·h-1 X——質(zhì)量分?jǐn)?shù)，% j——相對(duì)濕度，% 下角標(biāo) a——空氣 d——除濕 in——進(jìn)口 out——出口 s——溶液

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Comparison of drying performance of compressed air drying system using different pressurized liquid desiccants

SHAO Bin，YIN Yonggao，ZHANG Xiaosong

(School of Energy and Environment, Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education,
Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu, China)

To compare the difference of drying performance and mass transfer ability between LiCl and LiBr solution used in the compressed air drying system, the experiments were performed using LiCl and LiBr solution, respectively. The drying performance was compared on the basis of the same solution temperature and surface vapor pressure. The mass transfer coefficients between compressed air and LiCl liquid desiccant were calculated based on the heat and mass transfer model. The results indicated that the humidity ratio of air using LiCl liquid desiccant was lower and the moisture removal rate was higher than LiBr in the same experimental operating conditions, while the mass transfer coefficients between compressed air and LiCl liquid desiccant were higher than LiBr. It was concluded that using LiCl liquid desiccant can obtain better drying performance and mass transfer ability in compressed air drying system.

compressed air; liquid desiccant; moisture removal rate; drying performance; mass transfer

supported by the National Key Technology Support Program(2014BAJ01B06) and the Foundation for Distinguished Young Scientists of Jiangsu Province(BK20140026).

date: 2015-12-29.

YIN Yonggao, y.yin@seu.edu.cn

TU 831.6

A

0438—1157（2016）09—3566—08

10.11949/j.issn.0438-1157.20151987

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014BAJ01B06）；江蘇省杰出青年基金項(xiàng)目（BK20140026）。

2015-12-29收到初稿，2016-04-07收到修改稿。

聯(lián)系人：殷勇高。第一作者：邵彬（1991—），男，碩士研究生。