內(nèi)熱型超聲霧化溶液再生系統(tǒng)最優(yōu)內(nèi)熱量的研究

倪輝，楊自力，鐘珂，陶睿楊，谷雨倩

（東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海201620）

引 言

溶液除濕系統(tǒng)由于其顯著的建筑節(jié)能潛力已在暖通空調(diào)行業(yè)引起了廣泛關(guān)注[1-8]。在除濕系統(tǒng)中，吸濕后的溶液，濃度降低、水蒸氣分壓力大幅升高，導(dǎo)致其除濕能力被顯著弱化。特別地，被稀釋的除濕溶液可以利用太陽(yáng)能、工業(yè)廢熱等進(jìn)行有效再生[9-13]，以恢復(fù)溶液的除濕能力并實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用。因此，如何在再生器中實(shí)現(xiàn)稀溶液的高效再生，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能都起到至關(guān)重要的作用。

鑒于此，研究者們提出并對(duì)各類(lèi)再生器的再生性能展開(kāi)了深入探索。如Liu 等[14-15]測(cè)試了Celdek型規(guī)整填料塔式再生器的再生性能，得到了該類(lèi)型系統(tǒng)再生過(guò)程中熱、質(zhì)傳遞耦合關(guān)系。殷勇高等[16-17]通過(guò)討論分析填料材料、結(jié)構(gòu)以及比表面積等因素，提出了一種新的Z型填料，為填料塔再生器性能的進(jìn)一步優(yōu)化提供借鑒。此外，錢(qián)俊飛等[18]對(duì)比分析了平板降膜式溶液再生系統(tǒng)與填料式再生器，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：再生器的再生性能與溶液的比表面積直接相關(guān)。鑒于再生過(guò)程中氣、液接觸面積對(duì)再生效率影響較大，連之偉等[19-22]提出將超聲霧化技術(shù)應(yīng)用到溶液再生系統(tǒng)中，通過(guò)超聲波的空化作用，可將溶液有效霧化為粒徑約50 μm的微小液滴，從而極大地提高稀溶液與空氣間的接觸面積。其研究表明：與填料式系統(tǒng)相比，超聲霧化系統(tǒng)中的氣液比增大了30～300 倍[23]，系統(tǒng)再生效率得到顯著提高。Yang 等[24]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了應(yīng)用超聲霧化技術(shù)可將再生系統(tǒng)性能提高約23.4%，同時(shí)還可大幅降低再生溫度，實(shí)現(xiàn)低品位能源的有效利用。

然而，在絕熱再生過(guò)程中溶液溫度迅速降低，嚴(yán)重地限制了系統(tǒng)的再生性能。一種可能的有效辦法是在再生器內(nèi)增設(shè)內(nèi)熱源，以抑制溶液或空氣的迅速溫降。Yin 等[25-29]通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析了內(nèi)熱型與絕熱型兩種填料再生器的再生性能，并指出：通過(guò)再生器內(nèi)部加熱不僅顯著提高系統(tǒng)的再生性能，還可有效提高熱利用效率。盡管目前已有研究對(duì)內(nèi)熱型再生系統(tǒng)的性能進(jìn)行了討論，然而，現(xiàn)有研究大多致力于討論不同運(yùn)行參數(shù)（如空氣、溶液的進(jìn)口狀態(tài)）對(duì)系統(tǒng)再生性能的影響規(guī)律。而內(nèi)熱量的增加，雖可提高再生性能，但同時(shí)也消耗了熱能。對(duì)于內(nèi)熱型再生器的再生過(guò)程中，究竟需要多少內(nèi)熱量以及是否存在最佳內(nèi)熱量范圍等重要問(wèn)題，目前仍不明確。

為此，本文以?xún)?nèi)熱型超聲霧化溶液再生系統(tǒng)（IH-UARS）為例，在質(zhì)量守恒、能量守恒的基礎(chǔ)上建立了其性能預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，并借助實(shí)驗(yàn)對(duì)所建模型進(jìn)行驗(yàn)證；通過(guò)研究不同內(nèi)熱量下IH-UARS的再生性能及其變化規(guī)律，在考慮再生性能與經(jīng)濟(jì)性相平衡的基礎(chǔ)上，尋求IH-UARS 所需的最佳內(nèi)熱量。研究所得結(jié)果可為提高溶液再生性能及系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性提供積極參考。

1 IH-UARS 再生器內(nèi)熱質(zhì)傳遞過(guò)程與模型建立

1.1 再生器內(nèi)熱質(zhì)傳遞過(guò)程

圖1 給出了IH-UARS 再生器的結(jié)構(gòu)示意及其內(nèi)部的熱、質(zhì)傳遞過(guò)程。待再生的稀溶液被加熱至設(shè)定溫度（見(jiàn)表1）并存儲(chǔ)在進(jìn)口溶液罐中，當(dāng)開(kāi)始再生時(shí)，溫?zé)岬南∪芤航?jīng)溶液泵送至超聲換能器，在超聲空化作用[19-22]下可被有效霧化為粒徑約50 μm 的微小液滴，并由頂部噴入再生器內(nèi)。由于霧化后的液滴較小、具有較好的跟隨性，加之再生器內(nèi)氣流速度較大，故霧化液滴與再生氣流實(shí)際為順流。

在再生器中，經(jīng)預(yù)先加熱的稀溶液液滴具有較高的水蒸氣分壓力，當(dāng)其與在再生氣流（常溫狀態(tài)）接觸時(shí)，在水蒸氣分壓差的作用下將發(fā)生較強(qiáng)的熱、質(zhì)傳遞過(guò)程，水分由稀溶液傳遞至再生空氣中，從而實(shí)現(xiàn)溶液再生；同時(shí)，由于氣流溫度相對(duì)較低，與再生熱溶液、內(nèi)熱器等均有較大溫差，因此，亦會(huì)產(chǎn)生由溶液向空氣的顯熱傳遞Ql，以及內(nèi)熱器向再生氣流的顯熱傳遞QS1。此外，在水分汽化吸收的相變潛熱以及溶液空氣之間的顯熱交換作用下，再生過(guò)程中溶液溫度迅速降低，當(dāng)其溫度低于再生器內(nèi)熱器表面溫度時(shí)，內(nèi)熱器將通過(guò)翅片向落在其上的溶液液滴傳遞熱量QS2，從而有效抑制液滴溫降，使溶液維持較高的溫度及表面水蒸氣分壓力。

表1 IH-UARS驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)運(yùn)行工況Table 1 Operation conditions for experimental verification study of IH-UARS

圖1 內(nèi)熱式超聲霧化再生器結(jié)構(gòu)示意及內(nèi)部熱質(zhì)傳遞過(guò)程Fig.1 Schematic of IH-UARS regenerator and regeneration principle

1.2 模型建立

為更加簡(jiǎn)便地描述上述過(guò)程，本文在模型建立時(shí)采用如下假設(shè)：

（1）因再生器外部覆有10 mm 厚的隔熱棉，保溫性能良好，故忽略再生器與外界的熱交換；

（2）溶液霧化充分，所形成的微小液滴在再生器內(nèi)部分布均勻；

（3）由于液滴的跟隨性很好，故可認(rèn)為在再生器出口附近相同位置處，溶液和空氣的溫度與表面水蒸氣分壓力相平衡，即ta,o=ts,o。

基于上述假設(shè)，IH-UARS 再生過(guò)程時(shí)的質(zhì)量與能量平衡方程可分別表達(dá)為

溫?zé)崛芤航?jīng)霧化落入再生器后，由于與常溫空氣存在溫差而產(chǎn)生從溶液至空氣的顯熱交換；而當(dāng)液滴隨氣流被捕獲或落至內(nèi)熱器上時(shí)，換熱器翅片則向空氣及液滴產(chǎn)生熱量傳遞，從而有效抑制再生器內(nèi)液滴再生過(guò)程中的溫降。考慮到再生器具有良好的保溫性能，與外界絕熱，因此再生器內(nèi)的顯熱傳遞方程可表達(dá)為

由于霧化液滴非常微小，氣液間比表面積很大，再生過(guò)程中熱質(zhì)傳遞過(guò)程較充分，同一位置處溶液表面和空氣中水蒸氣分壓力達(dá)到平衡（見(jiàn)前文假設(shè)條件（3）），可表示為

空氣和溶液的焓值（ha、hl）可分別用式(5)、式(6)表示

式(6)中溶液焓值的詳細(xì)計(jì)算方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)[30]。

聯(lián)立上述控制方程以及相應(yīng)的輔助方程，即可在已知溶液和空氣入口參數(shù)時(shí)，通過(guò)改變能量平衡及熱平衡方程中的顯熱量QS大小來(lái)調(diào)節(jié)內(nèi)熱量，相應(yīng)地求出IH-UARS系統(tǒng)的出口參數(shù)及再生性能。

1.3 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了評(píng)價(jià)系統(tǒng)的再生性能，本文采用了再生速率（regeneration rate，RR）、溶液濃度增量（desiccant mass fraction increase，DMFIGl）和單位內(nèi)熱量下再生速率（specific regeneration rate，SRR）等三個(gè)指標(biāo)，具體如下。

1.3.1 再生速率 為了評(píng)估空氣流量單位時(shí)間內(nèi)從溶液中除去多少水分，本文中使用了再生速率（RR）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[31]。其定義式為

可見(jiàn)，若RR 值增大，則代表單位時(shí)間內(nèi)溶液的水分去除量增大，溶液的再生效率提高。

1.3.2 溶液濃度增量 再生過(guò)程的目的是將除濕過(guò)后稀釋的溶液濃縮，再次用于除濕系統(tǒng)。因此，待再生的稀溶液量（Gl, kg）在單位時(shí)間內(nèi)（s-1）經(jīng)過(guò)再生濃縮后，其濃度增量（DMFIGl）也是本文中的重要性能指標(biāo)之一。其定義為

DMFIGl值越大，單位時(shí)間內(nèi)再生溶液Gl的提升越明顯，系統(tǒng)再生性能越好。

1.3.3 單位內(nèi)熱量下再生速率 在內(nèi)熱型溶液再生系統(tǒng)中，盡管內(nèi)熱量越大，系統(tǒng)再生性能越好，但持續(xù)增大內(nèi)熱量，雖可進(jìn)一步提高再生性能，亦會(huì)引起為提供內(nèi)熱而產(chǎn)生的熱能過(guò)度消耗。因此，考慮到系統(tǒng)再生性能的提高與所消耗熱能之間的平衡，本文提出單位內(nèi)熱量下再生速率（SRR）作為評(píng)價(jià)內(nèi)熱型系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程內(nèi)熱能耗所產(chǎn)生的成本效益(cost-efficiency)的指標(biāo)。其定義為

2 模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所構(gòu)建模型的可靠性，本文隨后搭建了IH-UARS 實(shí)驗(yàn)臺(tái)并展開(kāi)了實(shí)驗(yàn)，以對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。所構(gòu)建的IH-UARS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可介紹如下。

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

圖2 為IH-UARS 系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)示意圖，系統(tǒng)主要由5 部分組成：空氣預(yù)處理系統(tǒng)、溶液系統(tǒng)、超聲霧化系統(tǒng)、內(nèi)熱系統(tǒng)以及再生器。空氣預(yù)處理系統(tǒng)包含風(fēng)機(jī)段、冷卻段、加熱段和加濕段，通過(guò)一系列熱濕處理過(guò)程，將空氣處理到實(shí)驗(yàn)工況所需的溫度、濕度狀態(tài)后送入再生器；溶液系統(tǒng)配置有額定流量為1 L·min-1的蠕動(dòng)泵，同時(shí)搭配加熱器以將配制好的稀溶液處理至設(shè)定溫度，通過(guò)蠕動(dòng)泵將溫?zé)崛芤罕弥脸曥F化系統(tǒng)，經(jīng)超聲霧化器將溶液霧化為粒徑約50 μm 的小液滴后，由頂部落入再生器中并與空氣產(chǎn)生熱濕交換；再生器尺寸為1.2 m×0.8 m×0.6 m，以防腐性良好的亞克力(PMMA)為材質(zhì)，其外部覆有10 mm 厚的保溫棉，可有效阻止與外界環(huán)境的熱交換；再生器內(nèi)平均分布有4 組翅片管式換熱器（長(zhǎng)×高×寬：650 mm×500 mm×80 mm；翅片高度10 mm），換熱器內(nèi)通有由外置恒溫水槽提供的預(yù)設(shè)溫度的熱水作為內(nèi)熱源，通過(guò)換熱器與溶液、空氣間的顯熱交換方式向再生器提供內(nèi)熱。

圖2 內(nèi)熱式超聲霧化溶液再生系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic of IH-UARS

圖3 預(yù)測(cè)模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果Fig.3 Experimental validation of prediction model

系統(tǒng)安裝有以下測(cè)量?jī)x器對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：空氣溫濕度采用ROTRONIC HC2A-S 溫濕度傳感器測(cè)量（測(cè)量精度：含濕量誤差±0.8%；溫度誤差±0.2℃，采樣頻率5 秒/次），溶液溫度以及內(nèi)熱水溫采用PT 100（RTD）溫度傳感器測(cè)量（精度：±0.2℃），加熱熱水流量采用高精度電子流量計(jì)測(cè)量（測(cè)量精度：0.1 L·min-1），溶液流量及空氣流量通過(guò)調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵的電壓和管道風(fēng)機(jī)的風(fēng)閥開(kāi)度實(shí)現(xiàn)。所需的其他測(cè)量設(shè)備還包括電子天平（測(cè)量精度：0.001 g）、體積量筒（測(cè)量精度：0.1 ml）和溶液比重計(jì)（測(cè)量精度：0.001 g·cm-3）等。

2.2 模型驗(yàn)證結(jié)果

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)采用LiCl 為工質(zhì)，在表1 所示的各系統(tǒng)工況下，得到IH-UARS 的實(shí)驗(yàn)再生性能，并與模型的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

由圖3可見(jiàn)：RR 和DMFIGl的模型預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均偏差小于3.9%，最大偏差在15%以?xún)?nèi)，考慮到模型中采用的再生器外部保溫絕熱等假設(shè)因素與實(shí)際系統(tǒng)略有區(qū)別，可認(rèn)為本文預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差是可接受的，所得結(jié)果吻合度較高。這表明，通過(guò)本文所構(gòu)建的模型預(yù)測(cè)IH-UARS系統(tǒng)的再生性能具有較高的準(zhǔn)確度和可靠性。

3 不同條件下內(nèi)熱量對(duì)IH-UARS 系統(tǒng)再生性能的影響

內(nèi)熱是再生系統(tǒng)中溶液維持合理再生溫度的關(guān)鍵，但過(guò)多的熱量輸入難免引起能耗的不必要增加，因此內(nèi)熱量的多少直接影響再生器的綜合性能及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。本文通過(guò)所構(gòu)建的IH-UARS 數(shù)學(xué)模型，分析內(nèi)熱量與系統(tǒng)再生性能之間的關(guān)系，可得到研究結(jié)果的連續(xù)變化規(guī)律，尋求系統(tǒng)所需最優(yōu)內(nèi)熱量。

3.1 不同空氣流量下內(nèi)熱量對(duì)系統(tǒng)再生性能的影響

內(nèi)部加熱通過(guò)影響再生器內(nèi)部溶液溫度，進(jìn)而影響溶液表面水蒸氣分壓力，從而對(duì)溶液的再生效果產(chǎn)生重要影響。本文將通過(guò)所構(gòu)建的IH-UARS模型，明確不同內(nèi)熱量對(duì)IH-UARS再生性能的影響關(guān)系，分析中系統(tǒng)的運(yùn)行工況如表2所示，在額定工況下系統(tǒng)的再生功率（再生前后空氣焓差）約為800 W。

表2 IH-UARS模型運(yùn)行工況Table 2 Operation conditions for simulation of IH-UARS

圖4 顯示了在不同的空氣流量下，內(nèi)熱量對(duì)再生性能RR 和DMFIGl的影響。由圖4 可知，溶液的RR 和DMFIGl隨著內(nèi)熱量的增大而顯著提升。在本文額定工況下，當(dāng)內(nèi)熱量從50 W 增加到1000 W 時(shí)，系統(tǒng)的RR 平均從0.136 g·s-1增加至約0.556 g·s-1，DMFIGl平均從0.286%提高至1.21%，再生效果提升了約4 倍。這是由于大量?jī)?nèi)熱量的輸入，使系統(tǒng)內(nèi)溶液溫度顯著升高，液滴表面水蒸氣分壓力增大，溶液再生過(guò)程中傳質(zhì)動(dòng)力提升，從而使得系統(tǒng)再生性能提升。

圖4 不同空氣流量下內(nèi)熱量與再生性能的關(guān)系Fig.4 Effects of internal-heating power on regeneration performance at different air flow rates

然而，盡管RR 值越高，系統(tǒng)再生性能越好，但考慮到熱源的有效利用率，過(guò)多的熱量加入，會(huì)造成過(guò)大的能量消耗。因此本文通過(guò)對(duì)比分析單位內(nèi)熱量下再生速率（SRR），以綜合評(píng)價(jià)再生器的內(nèi)熱量的使用效率與經(jīng)濟(jì)性。

SRR 隨QS的變化規(guī)律如圖5 所示。由圖5(a)及式(9)可知：SRR 將隨著內(nèi)熱量QS的增加逐漸減小并趨于穩(wěn)定，即單位內(nèi)熱量下系統(tǒng)的再生性能增幅將減緩并保持穩(wěn)定，其原因是由于SRR 中綜合考量了系統(tǒng)的整體再生性能（絕熱時(shí)的再生量和內(nèi)熱后系統(tǒng)所增加的再生量）。綜合圖4(a)和圖5(a)，內(nèi)熱型再生系統(tǒng)中RR 隨著內(nèi)熱量的增加顯著提升，單位內(nèi)熱量下的RR 隨之減小，故存在一個(gè)最佳的內(nèi)熱量，使再生系統(tǒng)的再生性能與內(nèi)熱消耗相平衡，從而實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)有效的內(nèi)熱式系統(tǒng)再生性能。通過(guò)分析內(nèi)熱量和SRR 之間的關(guān)系，隨著內(nèi)熱量的增加，在SRR 與內(nèi)熱量之間的變化率為-1 之后，SRR的變化趨勢(shì)漸趨平緩，故可認(rèn)為在該點(diǎn)處內(nèi)熱量的綜合利用率最高。圖5(b)顯示了不同空氣質(zhì)量流量時(shí)，SRR 變化率與內(nèi)熱量的關(guān)系。由圖可見(jiàn)，在本文所設(shè)工況中，最優(yōu)內(nèi)熱量范圍穩(wěn)定在275～350 W之間，并且空氣側(cè)入口條件的變化對(duì)系統(tǒng)所需的最優(yōu)內(nèi)熱量的范圍影響較為有限。此時(shí)系統(tǒng)的再生性能（RR）為0.266 g·s-1，比未加入內(nèi)熱的再生系統(tǒng)提高了近95%。

3.2 不同溶液流量下內(nèi)熱量對(duì)再生性能的影響

溶液再生的目的是將稀溶液濃縮，在除濕系統(tǒng)循環(huán)，當(dāng)系統(tǒng)溶液流量變化時(shí)，系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的再生負(fù)荷也隨之變化。為此，本文研究了不同溶液流量（即再生負(fù)荷）下，內(nèi)熱量對(duì)再生性能的影響，如圖6所示。由圖可見(jiàn)，隨著內(nèi)熱量的增加，IH-UARS 系統(tǒng)的RR 顯著提高，但是DMFIGl增幅卻明顯不同。當(dāng)再生較大流量的稀溶液時(shí)，如180 kg·h-1，增大內(nèi)熱量對(duì)DMFIGl的提升幅度很有限，在本文中當(dāng)內(nèi)熱量從50 W 增大至1000 W 時(shí)，系統(tǒng)的DMFIGl僅增加了0.18%。而當(dāng)對(duì)流量較小時(shí)，如22.5 kg·h-1，同樣的內(nèi)熱量下（50 W 增加到1000 W），系統(tǒng)的DMFIGl增加了2.02%。

這是由于較大的溶液流量可以有效地緩解再生過(guò)程中溶液溫度迅速降低，從而保證溶液維持較高的表面蒸氣分壓力，因此在相同的內(nèi)熱量下，RR隨著溶液流量的增加而增大，如圖6(a)所示。然而由于溶液流量增加，雖然空氣從溶液中帶走了更多的水分，但單位質(zhì)量溶液所失去的水分卻有所減少，因此溶液DMFIGl提升幅度較有限。

圖7 展示了再生不同流量的溶液時(shí)，內(nèi)熱量與SRR 之間的關(guān)系。由圖7可見(jiàn)，隨著內(nèi)熱量的增大，單位內(nèi)熱量下系統(tǒng)再生性能（SRR）迅速下降，當(dāng)內(nèi)熱量約為200～400 W時(shí)，SRR變化趨于穩(wěn)定。然而，在不同溶液流量下由于再生器整體再生負(fù)荷變化，所需最優(yōu)內(nèi)熱量范圍變化較大。為精確描述不同系統(tǒng)再生負(fù)荷（流量）下所需最優(yōu)內(nèi)熱量，如前所述，本文以SRR 變化率等于-1作為內(nèi)熱量對(duì)再生性能促進(jìn)效率的判據(jù)，得到系統(tǒng)最優(yōu)內(nèi)熱量及其對(duì)應(yīng)RR 如圖8 所示。由圖8 可見(jiàn)，隨著入口溶液流量增大，系統(tǒng)所需最優(yōu)內(nèi)熱量也相應(yīng)持續(xù)增加。在本文中，當(dāng)再生溶液流量從20 kg·h-1增大到300 kg·h-1時(shí)，所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)內(nèi)熱量由235 W 增加至700 W，但增幅逐漸減緩。

圖6 不同溶液流量下內(nèi)熱量與再生性能的關(guān)系Fig.6 Effects of internal-heating power on regeneration performance at different desiccant flow rates

圖7 不同溶液流量下內(nèi)熱量與SRR及其變化率的關(guān)系Fig.7 Relationships between SRR and slope of SRR and internal heat at different desiccant flow rates

圖8 不同溶液流量下IH-UARS的最優(yōu)內(nèi)熱量及其再生性能RRFig.8 Potential optimal heating power of IH-UARS and its corresponding RR at different desiccant flow rates

3.3 不同初始濃度下內(nèi)熱量對(duì)再生性能的影響

在溶液再生系統(tǒng)中，再生的驅(qū)動(dòng)力是溶液表面與空氣的水蒸氣分壓力差，溶液的初始濃度關(guān)系到溶液表面的水蒸氣分壓力，直接影響再生熱質(zhì)交換過(guò)程。圖9為不同溶液初始濃度下內(nèi)熱量對(duì)系統(tǒng)再生性能的影響。由圖9可見(jiàn)，隨著內(nèi)熱量增大，系統(tǒng)的再生性能顯著增加，然而在相同的內(nèi)熱量下，濃度越高的溶液，再生效果越不顯著。這是由于溶液濃度增大時(shí)，其表面水蒸氣分壓力越小，此時(shí)傳質(zhì)動(dòng)力逐漸減小。

同時(shí)，由圖9 可知，內(nèi)熱量對(duì)不同濃度的RR 作用效果大致相同，但是對(duì)DMFIGl的影響趨勢(shì)略有變化，具體表現(xiàn)為：增大內(nèi)熱量對(duì)初始濃度較高的再生溶液DMFIGl的提升作用似乎更顯著。例如，在本文條件下，當(dāng)內(nèi)熱量由100 W 增加至800 W 時(shí)，對(duì)于初始濃度為36%的稀溶液，其DMFIGl由0.314%提升至1.178%，而初始濃度為24%的溶液其DMFIGl僅由0.313%提升至0.944%，前者DMFIGl提升幅度比后者增大近37%。這可能是由于在相同的工況條件下，等額的內(nèi)熱量增加，對(duì)不同溶液中水分去除的量基本相同，但是由于高濃度的溶液中，溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大，在相同的再生速率時(shí)，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加量更大。因此，增大內(nèi)熱量對(duì)于進(jìn)口濃度高的溶液再生效果提升更加顯著。

為進(jìn)一步解釋該現(xiàn)象，本文對(duì)相關(guān)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)學(xué)推導(dǎo)求證如下。結(jié)合式(7)、式(8)，可得DMFIGl與ni之間的關(guān)系

而同時(shí)，在不同加熱量下，RR 隨著進(jìn)口溶液濃度的升高呈近似線性減小，如圖10所示。

以?xún)?nèi)熱量為350 W 為例，其RR 和入口溶液濃度間的關(guān)系可擬合如式(11)所示

此時(shí)，Gl=45 kg·h-1，將式(11)代入式(10)中可得

對(duì)式(12)求ni的導(dǎo)數(shù)可得

圖9 不同溶液濃度下再生性能與內(nèi)熱量的關(guān)系Fig.9 Effects of internal-heating power on regeneration performance at different desiccant inlet mass fractions

圖10 不同加熱量下RR與入口溶液濃度之間的關(guān)系Fig.10 Relationships between RR and desiccant inlet mass fractions at different internal-heating powers

由式(13)可知，在本文工況范圍內(nèi)，DMFIGl隨ni的增加而逐漸增大，即增大內(nèi)熱量對(duì)初始濃度較高的再生溶液DMFIGl的提升作用更加顯著。

4 結(jié) 論

本文基于質(zhì)量守恒、能量守恒定律，建立了內(nèi)熱型超聲霧化溶液再生系統(tǒng)（IH-UARS）的再生性能預(yù)測(cè)模型，首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)該模型的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，隨后基于該預(yù)測(cè)模型，探討了不同系統(tǒng)條件下再生性能與內(nèi)熱量之間的變化關(guān)系，研究所得結(jié)論可總結(jié)如下。

（1）雖然IH-UARS系統(tǒng)中溶液再生性能隨著系統(tǒng)的內(nèi)熱量增加而提高，但單位內(nèi)熱量下的再生速率隨之減小，存在一個(gè)最佳內(nèi)熱量范圍，使再生系統(tǒng)具有最經(jīng)濟(jì)有效的性能提升。

（2）在進(jìn)口溶液性質(zhì)一定的條件下，空氣質(zhì)量流量對(duì)溶液再生系統(tǒng)所需最優(yōu)內(nèi)熱量范圍的影響有限。

（3）內(nèi)熱型溶液再生系統(tǒng)所需的最優(yōu)內(nèi)熱量隨再生溶液流量的增大而顯著增加，但增幅逐漸減緩。

（4）內(nèi)熱型溶液再生系統(tǒng)中，增加內(nèi)熱量對(duì)初始濃度較高的溶液DMFIGl的提升作用比對(duì)初始濃度較低的溶液更為顯著。

符 號(hào) 說(shuō) 明

cp——比熱容，J·kg-1·oC-1

G——質(zhì)量流量，kg·s-1

h——焓，J·kg-1

M——摩爾質(zhì)量，g·mol-1

n——溶液濃度，%

PAT——大氣壓力，Pa

QS——IH-UARS的內(nèi)熱量，W

t——溫度，℃

ω——含濕量，kg·(kg 干空氣)-1

下角標(biāo)

a——空氣

i——進(jìn)口

o——出口

s——溶液