氯化锂溶液液滴真空闪蒸影响因素的研究

时亚茹，王民民 ，高文忠

(1.重庆能源职业学院 能源工程系，重庆 402260；2.上海海事大学 商船学院，上海 201306)

前言

现代社会科技与信息飞速发展，人们生活质量也随之提高，空调由于能够改善人们的日常生活、保证工业生产已普及到社会的每个角落。然而，近年能源危机与环境恶化也越来越严重，如何使空调高效、节能并且低污染的运行成为了人们关注的焦点。

基于此背景，盐溶液除湿空调成为新的研究对象，它主要是根据盐溶液表面水蒸汽压力较低，对湿空气直接除湿干燥，再等焓加湿冷却，来实现对空气的温、湿度调节，也可单独进行湿度的控制，与压缩式空调的温度控制相结合一起完成空气调节过程。溶液除湿后浓度变稀，可以利用100℃以下的低品位热源，比如地热、太阳能及工业余热等为驱动进行再生，从而达到大幅度提高能源的综合利用效率，有很大的探索价值[1-3]。

在溶液除湿空调系统中，除湿效果好坏的主要决定因素是除湿溶液的表面蒸汽压力，以除湿溶液为循环工质的空调系统中，除湿溶液的性质直接关系到空调系统的运行情况，乃至空调系统的除湿效率。空调系统广为应用的除湿溶液主要有三甘醇、氯化钙、氯化锂以及溴化锂等[4]卤盐溶液。早期应用于空调系统的除湿剂为三甘醇，然而它的缺点是粘度过大，在系统中运行会有滞留现象，导致系统的严重不稳定，另外还易挥发，进到空调房间中对人体造成损害，其种种缺点限制了三甘醇在溶液除湿系统中的应用。

通过氯化钙、氯化锂、溴化锂等多种除湿溶液对比[5-7]，得知在相同浓度状况下，表面水蒸气分压力最低的除湿溶液是氯化锂溶液，根据文献[8]中相对蒸气压定义，可以相对精确地估出氯化锂的溶液表面蒸气压和相同温度下水的蒸气压比值，氯化锂溶液的温度越高，浓度越低，表面张力就越小。此外，氯化锂溶液的密度、溶解热、运动粘度等物理性质，对传热传质的影响较小故暂不考虑。如果仅仅从除湿性能方面来考虑，最适合的除湿剂是氯化锂溶液，但值得注意的是氯化锂溶液也是存在腐蚀性的，且价格太昂贵[9-10]。其平衡含湿量在焓湿图上的状态如图1所示，在允许工作温度的范围内，一般采用30%～45%的浓度较为适宜。同时可以考虑采用多元盐[11]来进行相关的研究工作。

图1 LiCl溶液在焓湿图的状态Fig.1 LiCl solution state in the psychrometric chart

目前在盐溶液研究上，Lof等[12]在其实验中，氯化锂溶液的进口温度为40℃，而空气的进口温度高达80～110℃；Sultan等[13]进行的实验中，氯化钙溶液温度比空气进口温度低了20～70℃；Patnaik等[14]的实验中溴化锂溶液温度几乎低于空气进口温度20℃。这些实验从改变传热方向，揭示热质传递过程机理，获得了一定的成就，但缺点是：空气热容量小于溶液，传热过程不能很快提升溶液表面水蒸汽压力，传质效率低。以下就氯化锂溶液展开相关研究。

1 氯化锂溶液液滴真空闪蒸再生实验系统

1.1 实验装置及系统

为探索氯化锂溶液液滴真空闪蒸过程中的再生规律与机理，本文参考Isao Satoh等[15]研究水滴的实验装置以及H.F.Gibbard[16]研究设备，搭建了液滴真空闪蒸特性研究的实验台，主要包括有：真空泵、真空维持设备、液滴真空闪蒸设备、实验数据采集仪器,构成的实验系统见图2.

液滴真空闪蒸设备作为该实验过程中的核心设备，观察室采用镶有特殊玻璃的罐盖，并采用螺纹及橡胶圈来进行密封(注：此特殊玻璃可透过红外线)。闪蒸观察室的主体部分采用316不锈钢材料，主要设计尺寸为：180mm×110mm×180mm。真空维持设备则是由原溶液闪蒸设备改装制成的大真空罐，也是实验过程中的重要装置，它采用金属罐体结构。另外，实验采集设备主要包括压力传感器、T型热电偶，数据采集仪、高速照相机分别采集实验过程中闪蒸室内压力、液滴内部温度等数据，从而有利于对液滴闪蒸性能进行详细、准确分析。

其中，选取的压力传感器，其测量精度为±0.5%， 照相机采集的图像像素为30万，最高可放大倍数为50倍，最高采集速率为10张/s，数据采集仪选用Agilent34970A来进行采集数据。

图2 氯化锂液滴真空闪蒸实验系统图Fig.2 Diagram of flashing of LiCl solution droplet in vacuum

1.2 实验步骤

在已搭建的实验台上，首先打开液滴闪蒸观察室的罐盖，采用医用注射器将已配置好的氯化锂液滴注射在罐内的T型热电偶丝上，此时，液滴自身会挂在热电偶丝上，随后用罐盖及零件对闪蒸罐进行密封。检查一切阀门都密闭好后，打开电源开启真空泵，真空泵通过对大真空罐体抽真空，实现对液滴真空闪蒸罐体的抽真空，经过一定时间达到预设计压力时，启动计算机与数据采集装置，采集此时刻下相对应的温度和压力数值，并进行实时保存。在闪蒸实验进行前，为了闪蒸后的对比，我们测得闪蒸前的液滴自身图见图3。

图3 液滴闪蒸前图Fig.3 Before the droplet flashing

1.3 实验工况

本文将要进行的实验工况列入表1。

2 实验结果与分析

2.1 环境压力因素

为探究环境压力对氯化锂溶液液滴闪蒸的影响，将初始温度均为30℃，初始半径均为1.0mm，初始浓度均为40%的氯化锂液滴分别在环境压力是3800Pa、4800Pa条件下，进行对比闪蒸实验，结果见图4(横轴代表时间，纵轴代表液滴温度)。

表1 实验工况参数

Table 1 Experimental parameters

工况分组1/23/45/6 真空压力p /kPa3.8/4.83.83.0初始温度t /℃3025/3230初始半径r /mm1.01.00.8/1.2初始浓度c /%40%40%40%

图中分别显示了不同压力下液滴温度变化状况，明显其总体趋势是基本相似的，两者液滴温度都随着压力的突降而快速下降。这也符合理论描述的液滴所处环境压力下降，整个液滴处于过热状态，这时闪蒸不仅发生在液滴表面，内部也同时发生闪蒸，且经历快速沸腾和表面蒸发两个阶段。实验发现真空压力在3800Pa时的液滴闪蒸速度要快于4800Pa时的液滴，可得知真空压力越低(当然在一定的范围内)液滴闪蒸的速度相应越快。当然真空压力也并非越低越好，这需要深入的实验研究才能得到最佳压力的范围，从而得到理想的除湿盐溶液来提高空调的高效性。

综上所述，环境压力因素确实是影响氯化锂液滴闪蒸效率(即传热传质)的主要因素之一，可以大大提高传热传质效率。

图4 环境压力因素影响图Fig.4 influence diagram of environmental pressure

2.2 初始温度因素

为探究液滴初始温度对氯化锂溶液液滴闪蒸的影响，本文展开实验研究，在真空压力均为3800Pa，液滴初始半径均为1.0mm，初始浓度均为40%，液滴初始温度分别为25℃、32℃条件下，进行氯化锂溶液液滴闪蒸的两组实验，最终结果见图5，同样横轴代表时间，纵轴代表液滴温度。

图中显示了不同初始温度时的液滴其温度随时间变化的过程走势基本类似。液滴初始温度越高，一定时间内(初始阶段)液滴闪蒸后达到的最终温度也略高，反之初始温度低，其闪蒸后达到最终温度也略低。此实验现象说明氯化锂溶液液滴在真空闪蒸初始阶段吸收热量的主要来源是液滴主体的显热热量。另外，从传质[17]角度来进行分析该过程，因为液滴表面张力与温度关系的经验公式是γ=γo(1-bT)，其中T为绝对温度，γo视为绝对零度时的表面张力，是一与体系有关的经验常数，b也是一个随体系而变的常数，其值与液体的临界温度有关。

液滴初始温度不同，其闪蒸初期阶段液滴温度变化也会有所差异，其具体的关联式仍需要深入的实验和对应的数值模拟来确定，故而液滴的初始温度对氯化锂溶液液滴闪蒸的影响是不能够忽略的。

图5 初始温度因素影响图Fig.5 influence diagram of the initial temperature

图6 初始尺寸因素影响图Fig.6 influence diagram of the initial size

2.3 初始尺寸因素

为探究液滴初始尺寸对氯化锂溶液液滴闪蒸的影响，本文进行了两组实验研究，即环境压力均为3000Pa，液滴初始温度均为30℃，初始浓度均为40%，液滴初始半径分别为0.8mm、1.2mm状况下实验，其相应的闪蒸过程温度变化曲线如图5所示，同样横坐标代表时间，纵坐标代表液滴的温度。

图中显示了不同初始半径的液滴闪蒸时达到最低温度所需的时间也不同：初始半径为0.8mm的液滴其达到最低温度时所需要的时间明显小于初始半径为1.2mm液滴达到最低温度时的时间。反之，尺寸较大的液滴在闪蒸过程中达到最低温度所需的时间就越长。上述分析与相关资料[18]中研究水滴闪蒸时，其主体达到最低温度时所需的时间与尺寸成正比的结论是相吻合的，尽管工质有所不同。初始尺寸的研究仍需要进行不同工质、不同尺寸、多组份搭配来多方位实验研究与分析，一些学者也进行了一些相关研究工作。

由实验数据及理论分析得出，液滴的初始尺寸主要对液滴在真空闪蒸过程中达到最低温度时所用的时间有较大的影响。

3 结论

本文通过搭建氯化锂溶液液滴真空闪蒸试验台，并针对氯化锂溶液液滴进行了相关因素的实验以及对结果的详细分析，得出如下结论：

(1)环境压力是影响氯化锂溶液液滴闪蒸速度的主要因素。环境压力越低，氯化锂溶液液滴闪蒸就相对较快；

(2)液滴初始温度不同，闪蒸后液滴温度变化也会有所差异。初始温度对氯化锂溶液液滴真空闪蒸的影响不能忽略。

(3)氯化锂溶液液滴的初始尺寸对主体液滴到达最低温度所需要的时间影响较大。

此外，在后续的研究中，也可以考虑探究氯化锂溶液液滴初始浓度、氯化锂溶液液滴表面张力等因素对其在真空中闪蒸效果的影响，以拓宽盐溶液闪蒸再生在除湿空调领域的应用。

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