高效填料型除濕器新傳質(zhì)關(guān)聯(lián)式實驗研究

王凌士 肖賦 陸韜

（香港理工大學(xué)屋宇設(shè)備工程學(xué)系 香港 999077）

高效填料型除濕器新傳質(zhì)關(guān)聯(lián)式實驗研究

王凌士 肖賦 陸韜

（香港理工大學(xué)屋宇設(shè)備工程學(xué)系 香港 999077）

填料作為溶液除濕器的重要部件，其傳質(zhì)特性直接關(guān)系到整個溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)性能的好壞。本文搭建了逆流填料型溶液除濕實驗臺，以LiCl溶液為除濕溶液，對高比表面積波紋纖維規(guī)整填料（650 m2/m3）進(jìn)行了除濕實驗研究。以氣液界面的水蒸氣分壓差為傳質(zhì)驅(qū)動力，獲得了新的傳質(zhì)系數(shù)實驗關(guān)聯(lián)式和除濕效率實驗關(guān)聯(lián)式。并對該填料的除濕效果與文獻(xiàn)中的不同填料進(jìn)行對比。結(jié)果表明：該填料具有最高的單位體積傳質(zhì)系數(shù)，且填料的單位體積傳質(zhì)系數(shù)隨著填料比表面積的增加而增大。傳質(zhì)系數(shù)實驗關(guān)聯(lián)式計算值與實驗值相對偏差在±20%以內(nèi)，除濕效率實驗關(guān)聯(lián)式計算值與實驗值相對偏差在±15%以內(nèi)。新的傳質(zhì)關(guān)聯(lián)式可以比較精確的計算除濕器的傳質(zhì)性能。

溶液除濕；傳質(zhì)系數(shù)；效率；實驗關(guān)聯(lián)式；蒸氣壓差

由于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)在較低溫度下需要對空氣冷凝除濕，導(dǎo)致空調(diào)能耗增加。溶液除濕空調(diào)可以在常溫下獨立去除空氣潛熱負(fù)荷，避免了低溫除濕，近年來受到廣泛的關(guān)注。除濕器作為溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其傳質(zhì)特性影響著整個系統(tǒng)的性能。

溶液除濕是利用除濕溶液表面的水蒸氣壓低于被處理空氣的水蒸氣分壓力，從而產(chǎn)生傳質(zhì)驅(qū)動力，將空氣中水分吸收到除濕溶液中。除濕器中空氣與溶液直接接觸，除濕過程是復(fù)雜的耦合傳熱傳質(zhì)過程。盡管描述此過程的詳細(xì)數(shù)學(xué)模型更符合其物理本質(zhì)，但是解法非常復(fù)雜。在基于溶液除濕的空調(diào)系統(tǒng)的性能模擬以及優(yōu)化控制策略中，簡化的除濕器模型可以大幅增加運行效率［1－2］，所以受到研究者更多的關(guān)注。簡化模型中一些關(guān)鍵參數(shù)，如傳質(zhì)系數(shù)［3］、除濕效率［1］等通常通過實驗獲得其經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式。近年來人們對除濕過程中的傳質(zhì)系數(shù)和除濕效率實驗關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了許多研究。

A．A．Al?Farayedhi等［4］研究了一種紗網(wǎng)填料型除濕器，分析得到了3種類型除濕溶液的氣相和液相傳熱系數(shù)與傳質(zhì)系數(shù)關(guān)聯(lián)式，關(guān)聯(lián)式以空氣與溶液流速、溶液溫度與濃度為變量。Yin Yonggao等［5］提出一種可以分開計算傳熱系數(shù)與傳質(zhì)系數(shù)的新方法，并給出了叉流填料型除濕器的傳熱系數(shù)與傳質(zhì)系數(shù)關(guān)聯(lián)式。T．W．Chung等［6］基于無量綱分析，分別提出了散裝填料和規(guī)整填料的傳質(zhì)系數(shù)與傳熱系數(shù)實驗關(guān)聯(lián)式，關(guān)聯(lián)式中變量包括氣側(cè)Re數(shù)、氣側(cè)Sc數(shù)、溶液濃度、液氣比。E．Elsarrag等［7］以 CELdek填料為研究對象，以溶液表面水蒸氣壓為傳質(zhì)驅(qū)動力，得到了兩種不同溶液流速下的傳質(zhì)系數(shù)關(guān)聯(lián)式，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)液氣比＜2時，溶液流量對傳質(zhì)系數(shù)有顯著影響。不同于以前的形式，張潤霞等［8］提出了以蒸氣壓差為驅(qū)動力的傳質(zhì)系數(shù)關(guān)聯(lián)式，并將計算值與不同類型填料的實驗結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果表明此關(guān)聯(lián)式具有較高的精確度，但該關(guān)聯(lián)式未考慮溶液流量對傳質(zhì)系數(shù)的影響。

除濕效率實驗關(guān)聯(lián)式可分為線性回歸模型和非線性回歸模型［9］。線性回歸模型具有較簡單的形式，Liu X．H．等［10－11］分別采用 LiBr溶液和 LiCl溶液，提出了CELdek填料型叉流除濕器除濕效率線性回歸關(guān)聯(lián)式。 T．W．Chung等［12－13］分別提出了逆流填料型除濕器和叉流填料型除濕器的除濕效率非線性回歸關(guān)聯(lián)式，式中以溶液表面水蒸氣壓為變量。而Liu X．H．等［14］在其提出的CELdek填料型叉流除濕器除濕效率非線性回歸關(guān)聯(lián)式中，則以溶液濃度為變量。S．Jain等［15］對不同文獻(xiàn)中提出的填料型除濕器傳質(zhì)系數(shù)關(guān)聯(lián)式和除濕效率關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了總結(jié)與分析。

目前除濕器體積普遍偏大，增加了安裝難度和成本投入。通過使用緊湊高效型填料，可減少除濕器體積，以滿足溶液除濕系統(tǒng)的實際應(yīng)用需求。緊湊高效型填料通常需要較高比表面積和良好表面潤濕性，其中代表填料為CELdek填料。此前研究中其比表面積通常為396 m2/m3［11］。 本文采用了更高比表面積的CELdek填料（650 m2/m3），實驗研究了該填料的除濕性能。 以 T．W．Chung等［6，8］提出的實驗關(guān)聯(lián)式為基礎(chǔ)，綜合考慮傳質(zhì)過程的影響因素，提出了新的傳質(zhì)系數(shù)關(guān)聯(lián)式與除濕效率關(guān)聯(lián)式，并將本實驗的除濕效果與文獻(xiàn)中不同填料的除濕效果進(jìn)行了對比分析。

1 實驗臺簡介

圖1所示為溶液除濕實驗裝置。實驗臺由4部分組成：空氣系統(tǒng)、溶液系統(tǒng)、除濕器、測量與采集系統(tǒng)。

圖1 溶液除濕實驗裝置Fig．1 Experimental facility

空氣系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)通入除濕器的空氣參數(shù)?？諝庀到y(tǒng)主要包括風(fēng)機(jī)，空氣加熱器（4 kW），電熱式空氣加濕器（10 kg/h），風(fēng)閥等。加熱器和加濕器分別用PID進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，從而獲得需要的空氣溫濕度。溶液系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)流進(jìn)除濕器的溶液參數(shù)。溶液系統(tǒng)主要包括溶液槽（2個）、氟塑料溶液泵、板式換熱器、溶液加熱器（4 kW）、冷水機(jī)（2.7 kW）、閥門等。本實驗采用LiCl溶液作為除濕溶液。溶液從其中一個溶液槽中流出，通過加熱器或板式換熱器進(jìn)行加熱或冷卻，獲得需要的溫度后進(jìn)入除濕器。經(jīng)過除濕器后，被稀釋的溶液流入另一個溶液槽。兩個溶液槽之間通過若干閥門來切換溶液的流動方向，可以快速進(jìn)行下一次實驗。除濕器采用逆流型結(jié)構(gòu)，空氣從底部通入，溶液從頂部通入，通過新設(shè)計的布液器可以使填料上方的溶液均勻散布。本實驗采用CELdek5090型纖維規(guī)整填料，填料比表面積為650 m2/m3，橫截面是 0.3 m ×0.3 m，高度為0.4 m。 除濕器外殼采用8 mm厚有機(jī)玻璃進(jìn)行隔熱。

測量與采集系統(tǒng)包括除濕器進(jìn)出口空氣的溫度、濕度、進(jìn)口流量的測量，以及進(jìn)出口溶液的溫度、密度、進(jìn)口流量的測量?？諝鉁貪穸炔捎酶呔葴貪穸茸兯推鳒y量（型號：HF535?W，HC2?S3），精度為±0.8%RH，±0.1 ℃，測量范圍為 0 ～100%RH，－40～100℃；空氣流量采用差壓風(fēng)量變送器測量（型號：CP218?BO），精度為 ±2%，測量范圍為0～30 m/s；溶液溫度采用防腐型PT100鉑電阻測量，精度為±0.1℃；溶液流量采用電磁流量計測量（型號：LDE?15），精度為 ± 0.5 FS，測量范圍為 0.06 ～ 6.36 m3/h；采用玻璃液體比重計測量溶液密度，精度為±1 kg/m3，測量范圍為1 000 ～1 400 kg/m3，溶液濃度可通過測得的密度與溫度根據(jù)LiCl溶液物性公式求得，其物性公式見文獻(xiàn)［16］。所有測量數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（Agilent 34972A）進(jìn)行實時采集與儲存。

2 實驗結(jié)果與分析

綜上所述，表征除濕器除濕性能的參數(shù)一般有兩種，一是除濕器的傳質(zhì)系數(shù)，二是除濕器的效率。此兩種參數(shù)常用于除濕器設(shè)計和基于溶液除濕的空調(diào)系統(tǒng)的計算模擬。本文分別從這兩種參數(shù)的角度，對此填料型除濕器進(jìn)行了實驗研究，得到實驗關(guān)聯(lián)式，并將此填料性能與文獻(xiàn)進(jìn)行了對比，空氣和溶液的進(jìn)口參數(shù)范圍如表1所示。

表1實驗參數(shù)范圍Tab．1 Ranges of experimental inlet parameters of air and desiccant solution

2.1 傳質(zhì)系數(shù)實驗關(guān)聯(lián)式

除濕器單位時間的除濕量mde代表除濕器實際除濕能力，mde可由填料內(nèi)單個控制體的單位時間的除濕量 mde，z沿高度方向積分得到，如式（1）表示：

故傳質(zhì)系數(shù)Ka的實驗值可由式（3）計算：

其中，mde的實驗值可由式（4）計算得到：

根據(jù)換熱器設(shè)計理論［17］，Δω等于除濕器兩流體進(jìn)出口對數(shù)平均濕度差，見下式：

溶液與空氣之間的傳質(zhì)系數(shù)與氣相和液相的各項參數(shù)有關(guān)。 T．W．Chung等［6－7］發(fā)現(xiàn)傳質(zhì)系數(shù)與氣側(cè)Re數(shù)、氣側(cè)Sc數(shù)、溶液濃度或溶液表面水蒸氣壓、液氣比有關(guān)。而張潤霞等［8］指出傳質(zhì)過程的驅(qū)動力不單是溶液表面的水蒸氣壓，實際上為氣液界面的水蒸氣分壓差，并采用以氣液界面的水蒸氣分壓差為變量，然而并未考慮溶液流量對傳質(zhì)系數(shù)的影響。根據(jù)E．Elsarrag等［7］的研究成果，當(dāng)液氣比低于2時，溶液流量對傳質(zhì)系數(shù)有顯著影響。

本文基于前人的研究，綜合考慮了氣液界面的水蒸氣分壓差和溶液流量兩因素，得到傳質(zhì)系數(shù)實驗關(guān)聯(lián)式，如式（6）所示。文獻(xiàn)［8］中參考點壓力p0為當(dāng)?shù)卮髿鈮?，由于除濕過程氣液界面的水蒸氣分壓差相對于大氣壓來講非常小，二者之比易出現(xiàn)誤差，故本文采用25℃飽和空氣水蒸氣分壓力作為p0的值。

表2 不同填料的類型與參數(shù)Tab．2 Specifications of packing used in different dehumidifiers

將采用式（6）～式（7）計算得到的傳質(zhì)系數(shù)與實驗值進(jìn)行對比，如圖2所示，二者偏差均在±20%以內(nèi)，平均偏差為9.4%。故該關(guān)聯(lián)式可以用于傳質(zhì)系數(shù)的計算并對除濕器除濕特性進(jìn)行預(yù)測。

圖2 傳質(zhì)系數(shù)實驗值與計算值比較Fig．2 Comparison of predicted results and experiment results for mass transfer coefficient

為了驗證本文所用填料的除濕效果，將該填料的單位體積傳質(zhì)系數(shù)與文獻(xiàn)中其他3種填料進(jìn)行了對比，不同填料的相關(guān)參數(shù)見表2。采用文獻(xiàn)［6］中相同的實驗工況，用各自填料的傳質(zhì)系數(shù)關(guān)聯(lián)式計算出傳質(zhì)系數(shù)，對比結(jié)果見圖3，可知本文采用的填料No．4的單位體積傳質(zhì)系數(shù)最大。說明當(dāng)獲得同樣的除濕效果時，采用該填料的體積最小，從而可以降低除濕器的尺寸，便于安裝與減少投資成本。此外，單位體積傳質(zhì)系數(shù)與填料的比表面積成正相關(guān)。由于No．1填料的比表面積最小，使得單位體積傳質(zhì)系數(shù)最小，另一個原因可能是塑料表面潤濕性比較差。而本文采用的波紋纖維規(guī)整填料，可以獲得較好的表面潤濕性。

圖3 不同填料單位體積傳質(zhì)系數(shù)比較Fig．3 Volumetric mass transfer coefficients for different packings

2.2 除濕效率實驗關(guān)聯(lián)式

除濕器的實驗除濕效率可以由式（8）計算：

除濕效率的非線性回歸模型由T．W．Chung［12］提出，由于此模型的建立是基于除濕效率定義式，更能體現(xiàn)傳質(zhì)過程的本質(zhì)，并考慮到了除濕器的參數(shù)，所以得到不斷的應(yīng)用［13－14］。 本文以 T．W．Chung［12］的非線性回歸模型為基礎(chǔ)，通過本文實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性回歸分析，得到了新的除濕效率實驗關(guān)聯(lián)式，如式（9）所示。與以前關(guān)聯(lián)式不同的是，本關(guān)聯(lián)式以氣液界面水蒸氣分壓差為變量，從而更準(zhǔn)確的反應(yīng)了傳質(zhì)過程的本質(zhì)。

圖4對比了采用式（9）得到的除濕效率計算值與采用式（8）得到實驗值?？梢钥闯龆咂钤凇?5%以內(nèi)，平均偏差為4.9%，計算值與實驗值吻合的很好。故該關(guān)聯(lián)式可以用于除濕效率的計算和基于溶液除濕的空調(diào)系統(tǒng)的模擬分析。

圖4 除濕器除濕效率實驗值與計算值比較Fig．4 Comparison of predicted results and experiment results for dehumidification effectiveness

當(dāng)除濕效率已知時，可以用式（10）計算得到單位時間除濕量：

將單位時間除濕量的計算值與實驗值進(jìn)行對比，如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)二者較好的一致性，偏差在±15%以內(nèi)，平均偏差為4.9%。所以該除濕效率實驗關(guān)聯(lián)式可以準(zhǔn)確預(yù)測除濕器的單位時間除濕量。

3 結(jié)論

圖5 單位時間除濕量實驗值與計算值比較Fig．5 Comparison of predicted results and experiment results for moisture removal rate

本文搭建了逆流填料型溶液除濕實驗臺，研究了緊湊型除濕器的除濕性能。除濕器采用高比表面積波紋纖維規(guī)整填料（650 m2/m3），以 LiCl溶液為除濕劑。考慮了氣液界面的水蒸氣分壓差和溶液流量等因素，實驗得到了新的傳質(zhì)系數(shù)關(guān)聯(lián)式和除濕效率關(guān)聯(lián)式，并將實驗結(jié)果與文獻(xiàn)中不同填料的除濕性能進(jìn)行了對比，得到了以下結(jié)論：

1）根據(jù)新的傳質(zhì)系數(shù)實驗關(guān)聯(lián)式計算的傳質(zhì)系數(shù)與實驗值吻合較好，二者偏差均在±20%以內(nèi)，平均偏差則為9.4%。

2）不同填料的除濕效果對比結(jié)果表明：本文采用的填料具有最高的單位體積傳質(zhì)系數(shù)，采用該填料可以減少除濕器尺寸，降低安裝成本；單位體積傳質(zhì)系數(shù)隨著填料比表面積的增加而增大。

3）將新的除濕效率實驗關(guān)聯(lián)式的計算結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行對比。二者偏差在±15%以內(nèi)，平均偏差為4.9%。以該關(guān)聯(lián)式計算得到的單位時間除濕量同樣與實驗結(jié)果吻合的很好。

本文提出的新的傳質(zhì)關(guān)聯(lián)式可以用于除濕器的設(shè)計計算，并可用于基于溶液除濕的空調(diào)系統(tǒng)的模擬分析。

符號說明

a——填料比表面積，m2/m3

A——填料總表面積，m2

de——等效直徑，m

Da——空氣中水分的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s

G——單位填料橫截面的空氣質(zhì)量流量，kg/（m2?s）

H——填料高度，m

Ka——傳質(zhì)系數(shù)，kg/（m2?s）

L——單位填料橫截面的溶液質(zhì)量流量，kg/（m2?s）

m——質(zhì)量流量，kg/s

mde——單位時間除濕量，g/s

p——水蒸氣分壓力，Pa

p0——25℃飽和空氣水蒸氣分壓力，Pa

Re——Reynolds數(shù)（ude/νa）

Sc——Schmidt數(shù)（νa/Da）

T——溫度，℃

u——空氣流速，m/s

X——溶液濃度

ρa——空氣密度，kg/m3

νa——空氣動力黏度，m2/s

ε——除濕效率

ω——含濕量，g/kg

z——高度，m

下標(biāo)

a——空氣

e——溶液等效狀態(tài)

in ——進(jìn)口

out——出口

s——溶液

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New Experimental Correlations for the Mass Transfer of a High?efficiency Packed?type Dehumidifier

Wang Lingshi Xiao Fu Lu Tao
（Department of Building Services Engineering，The Hong Kong Polytechnic University，Hong Kong，999077，China）

The packing is a crucial part of a liquid?desiccant dehumidifier，and its mass?transfer characteristics have a great impact on the overall performance of liquid?desiccant?based air?conditioning systems．An experimental test rig was built to study the performance of a counter?flow packed?type liquid?desiccant dehumidifier that employs cross?corrugated cellulose?structured packing with a high specific sur?face area （650 m2/m3）．A LiCl aqueous solution was used as the desiccant solution．The water?vapor pressure difference between the gas and liquid interface was considered as the mass?transfer?driven force．New experimental correlations for the mass?transfer coefficient and the dehumidification effectiveness were developed．The performance of this type of packing was compared with other types of packing in the literature．The results show that this type of packing has the highest volumetric mass?transfer coefficient．In addition，the volumetric mass?transfer coefficient is found to increase with the specific surface area of the packing．The deviations between the experimental data and the predicted data using the experimental correlation for the mass?transfer coefficient are within ±20%，and within ±15%for the dehumidification effectiveness．This indicates that the two new correlations can be used to accurately predict the mass?transfer performance of a dehumidifier．

liquid desiccant；mass transfer coefficient；effectiveness；experimental correlation；vapor pressure difference

Xiao Fu，female，associate professor，Department of Building Services Engineering，The Hong Kong Polytechnic University，852?27664194，E?mail： linda．xiao＠ polyu．edu．hk．Research fields： building energy efficiency，building automation and diag?nostics，optimal control of HVAC systems，liquid desiccant．

TU834．9；TK124

A

0253－4339（2017）06－0001－06

10.3969 /j.issn.0253 － 4339.2017.06.001

國家自然科學(xué)基金（51306157）資助項目。（The project was supported by the National Natural Science Foundation of China （No．51306157）．）

2017年2月15日

肖賦，女，副教授，香港理工大學(xué)屋宇設(shè)備工程學(xué)系，（852）27664194，E?mail： linda．xiao＠ polyu．edu．hk。 研究方向：建筑節(jié)能，樓宇自動化與診斷，空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制，溶液除濕。