不同工况下除湿溶液再生的模拟与实验

邹国文，邹同华，韩雨松，邓赛峰，曹国振（天津商业大学天津市制冷技术重点实验室，天津 30034；郑州宇通重工有限公司，河南 郑州 4548）



研究开发

不同工况下除湿溶液再生的模拟与实验

邹国文1，邹同华1，韩雨松1，邓赛峰1，曹国振2
（1天津商业大学天津市制冷技术重点实验室，天津 300134；2郑州宇通重工有限公司，河南 郑州 451482）

摘要：建立了LiCl溶液再生过程的数学模型，通过模拟分析，得到了溶液再生量、溶液温度和溶液浓度随时间的变化规律。以平均再生量为评价指标，对LiCl溶液的再生性能进行了实验研究。分析了热源温度、溶液浓度、溶液初始温度、再生压力和冷水温度 5个因素分别对溶液再生性能的影响规律。实验结果表明：溶液浓度和再生压力对溶液再生性能影响显著，冷水温度对溶液再生性能的影响最小。在设定的标准工况下，再生压力为4kPa、溶液中LiCl质量分数从28%增大到34%时，平均再生量由20.45g/(m2·s)减小至7.44g/(m2·s)；再生压力从4kPa升高至10kPa时，平均再生量由15.33g/(m2·s)降低至1.92g/(m2·s)。最后，以溶液温度和溶液浓度作为对比目标参数将模拟结果和实验结果进行了对比分析，结果表明，实验值与模拟值符合较好。

关键词：溶液再生；真空技术；数值模拟；平均再生量

目前，溶液除湿技术已广泛应用于档案库[1]、纺织厂、制药厂[2]、医院[3]等工业和大型公建项目中。由于除湿后的稀溶液在进行再生时，对热源品位要求较高，使得除湿系统能效较低。近年来，鉴于可再生能源和低温余热开发利用的紧迫性，对以制冷系统冷凝热或热泵作为驱动热源及以太阳能作为驱动热源的溶液除湿系统的研究逐渐增多[4-8]。也有学者提出了基于海水淡化技术的再生新方法[9-10]。对于真空条件下的再生，国内研究多集中于液滴的闪蒸过程[11-12]。

YADAV[5]研究了以LiBr溶液作为除湿溶液的热泵式溶液除湿复合空调系统，得出在室外空气高温高湿的条件下，其效率高于传统空调。KABEEL[7]研究了叉流式太阳能集热再生器的性能，对比了强制对流和自然对流两种空气流态下的再生效果。唐永强等[8]设计了一种新型真空管型太阳能溶液再生器，研究结果表明，该真空管型太阳能再生器降低了溶液除湿系统的常规能耗，使其节能性和经济性提高。高文忠、时亚茹等[11]对CaCl2溶液液滴在真空条件下的闪蒸再生进行了实验研究，结果表明，真空压力是影响闪蒸效率的关键因素，液滴闪蒸速度随真空压力的降低而加快，而为防止液滴结晶真空压力不宜过低。经过大量实验研究，表明真空压力为 1.2～4.0kPa时，更容易获得较理想的低温除湿溶液。刘璐等[12]建立了真空下盐水液滴蒸发的热力学模型，研究了压力、盐分浓度、初始直径和初始温度等参数对液滴温度变化的影响，结果表明初始温度的影响要明显小于其余各因素，降低蒸发压力、减小盐分浓度、减小液滴的初始直径都会加快盐水液滴的蒸发速率。

本文对 LiCl溶液在不同真空压力下大容器中的再生性能进行了模拟分析和实验研究，得到了再生压力、溶液初始温度等5个主要因素对再生性能的影响规律。可以为真空再生方向的研究提供参考，并为该类型再生器的开发应用提供技术支持。

1 数值模拟

在模拟中给出以下假设：保温效果良好，系统与环境间没有热量损失；再生罐内的湿空气为饱和状态，且参数保持不变；忽略不凝性气体的影响，认为蒸发的气体全部为水蒸气。再生过程的质量与能量的平衡关系如图1所示。

图1 质量与能量的平衡关系图

根据质量守恒和能量守恒原理并经处理，得到溶液再生过程中的质量与能量控制方程式（1）、式（2）。

方程组的初始条件为：τ = 0时， m = m0，H = H0，ts=ts0， x = x0。

式中及图1中的符号：H为液面高度，m；sρ为溶液密度，kg/m3；hm为溶液表面的传质系数，m/s；v,sρ 为溶液侧的水蒸气密度，kg/m3；v,eρ 为空气侧的水蒸气密度，kg/m3；qw为加热壁面对溶液的热流密度；sq为溶液对环境的热流密度；wA为加热壁面的有效面积，m2；sA为真空再生罐的蒸发面积，m2；m.为单位时间内的水分蒸发速率，即平均再生量（见2.3节），kg/(m2·s)；c为溶液的比热容，kJ/(kg·℃)；ts为溶液温度，℃。

为求解上述的方程组初值问题，将偏微分方程改写成常微分方程的形式并整理为差分形式。

由质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，再生量的差分方程见式(5)。

溶液浓度的差分方程见式(6)。

式(3)～式(6)即为控制方程的差分形式。

模拟的再生工况为：再生压力 4kPa，溶液初始温度为 60℃，溶液浓度为 30%，热流密度为6.5kW/m2，再生器液位起始高度为46.4cm。设再生时间为50min，迭代计算结果如图2和图3所示。

图2 溶液温度和再生量的变化曲线

图3 溶液浓度和液位高度的变化曲线

由图2可知，溶液温度在开始时刻（非稳态阶段）先是迅速降低，随着再生量的减少，进入准稳态阶段之后溶液温度又缓慢回升。在非稳态阶段，加热量和溶液部分内热能一起为水分蒸发提供热量，因此溶液再生量较大，达到39.8g/(m2·s)，随着蒸发的进行溶液温度降低，释放的内热能减少使再生量逐渐降低。

由图3可知，溶液浓度和液位高度（液位高度即再生罐上液位计显示的液位值）与再生量的变化是对应的。再生过程结束后，所得到的数据为溶液温度 51.46℃，再生量 9.82g/(m2·s)，溶液浓度32.05%，液位高度43.22cm。

2 实验方法

2.1 实验装置

溶液真空再生系统实验装置示意图如图 4所示。系统主要包括真空再生罐、加热装置、抽真空装置和捕水装置等。真空再生罐中置有一定量的LiCl溶液，再生罐为碳钢结构的圆筒体，直径为0.6m，高0.8m，容积约为0.226m³。为保护罐体不受溶液腐蚀，罐内壁涂有一层缓蚀剂，再生罐外围有一层保温材料。实验开始前，先开启加热装置，将溶液加热至设定的初始温度。加热装置采用循环热水加热。而后开启水环真空泵抽真空至设定压力，真空泵型号为2BV2071。实验开始后，真空泵继续工作，抽出的蒸汽大部分在捕水装置中凝结排除。捕水装置包括捕水器和制冷系统，捕水器的冷水由制冷系统提供。通过再生罐上液位计的刻度变化，计算出溶液失水量，从而得出再生量。

图4 再生系统实验装置示意图

温度测量采用HIOKI的LR8400-21型数据采集器和TSP-100G型PT100（铂电阻）温度传感器，测量精度0.1℃，测量范围–200～550℃。实验中设定数据记录间隔为 2s，测量的参数为溶液温度和冷、热水温度。真空罐内压强的测量选用DL-10型真空计，测量范围10～105Pa。采用LZB-50型玻璃转子流量计测量冷、热水的流量，测量范围0.6～6m3/h。

2.2 实验方案

影响溶液再生性能的因素主要有热水温度、热水流量、冷水温度、冷水流量、溶液初始温度、再生压力、和溶液浓度等。为合理优化影响因子，保持冷、热水流量不变，单独考虑热水温度和冷水温度变化的影响。通过分析不同工况下溶液的再生效果，得到各因素对溶液再生性能的影响趋势和大小。

实验因素的取值范围见表 1，根据实验方案共进行约40组实验。设定实验的标准工况为：热水温度68℃，冷水温度17℃，溶液初始温度60℃，溶液浓度30%。实验前首先确定再生压力，考察某因素在该压力下对再生性能的影响，其余参数均为设定的标准工况值。每组再生工况进行30min，每隔2min记录一次溶液再生罐液位高度。

表1 实验方案表

2.3 评价指标

真空条件下的溶液再生过程是复杂的非稳态热质传递过程，为使实验结果直观易得并具有可比性。本文采用单位时间内单位蒸发面积的再生量（即平均再生量）作为再生性能的评价指标，平均再生量的计算式如式(7)。

式中，sA为溶液蒸发面积，m2；sΔm为溶液质量的变化量，kg；τ为再生所用的时间，s。

3 实验结果分析

3.1 热水温度的影响

不同再生压力下热水温度对再生性能的影响见图5所示。

3.2 溶液初始温度的影响

溶液的初始温度即开始蒸发前真空罐内的溶液主体温度，若溶液的初始温度高于相应压力下溶液的饱和温度，则在再生的开始阶段，溶液就会达到沸腾，初始阶段再生量较大。反之，则再生开始后，热源供热先对溶液升温，相对与饱和温度有一定过热度时，溶液开始沸腾。初始阶段再生量较小。平均再生量和溶液初始温度的关系如图6所示。

图5 热水温度对再生性能的影响

图6 溶液初始温度对再生性能的影响

由图6可知，随着溶液初始温度的升高，平均再生量逐渐增加。再生压力为4kPa时，溶液除湿温度从45℃上升到60℃，平均再生量从7.67g/(m2·s)增加到15.33g/(m2·s)。再生压力为6kPa时，再生量曲线在55℃处出现一个拐点，这是因为4kPa和6kPa再生压力下溶液的饱和温度分别为 44℃和51.7℃，考虑到需要有一定的过热度 tΔ溶液才能沸腾，因此认为在4kPa压力下溶液达到了沸腾状态，而在6kPa压力下，当溶液初始温度达到55℃时溶液沸腾再生，故再生量有较大提高。

3.3 溶液浓度的影响

溶液浓度对平均再生性能的影响如图7所示。由图7可知，随着溶液浓度的增大，平均再生量减小。溶液浓度对溶液物性参数的影响很大，包括饱和温度、表面蒸气分压力、密度、动力黏度和表面张力等，这些是决定溶液沸腾特性的主要因素。从图中可以看出，低浓度溶液的真空再生效果是相当明显的。以LiCl质量分数为28%的溶液为例，实验的前2min内再生量最大达到76.67g/(m2·s)，平均再生量达到20.44g/(m2·s)。需要注意，在溶液浓度较低时需要注意气泡脱离时引起的液滴夹带。

图7 溶液质量分数对再生性能的影响

3.4 再生压力的影响

平均再生量与再生压力的关系如图8所示。

由图8可知，随着再生压力的升高，平均再生量逐渐降低。当热源温度为72℃时，再生压力从4kPa升高到 10kPa，平均再生量从 19.8g/(m2·s)降低到5.1g/(m2·s)，降低了 74.2%，相当于再生压力每升高1kPa平均再生量降低12.4%。这说明再生压力对再生性能的影响显著。特别地，当真空再生压力升高到8kPa以后，再生量的降低趋势更加明显。这是因为，8kPa 和 10kPa压力下溶液的饱和温度分别为 57.5℃和62.1℃，标准工况下溶液的初始温度为 60℃，介于两者之间。认为，8kPa压力下，溶液处于沸腾状态，而10kPa压力下，溶液不是处于沸腾状态的再生，所以在8kPa以后，再生量有明显的下降趋势。需要注意，再生压力较低时要考虑到再生系统的安全性与稳定性。

3.5 冷水温度的影响

冷水提供捕水器所需的冷量，使真空泵抽出的蒸汽重新凝结为液态水。冷水温度对再生性能的影响如图9所示。

图8 再生压力对再生性能的影响

图9 冷水温度对再生量的影响

由图9可知，随着冷水温度的升高，再生量呈缓慢下降的趋势。再生压力4kPa时，当冷水温度由13℃升高到19℃时，平均再生量从12.14 g/(m2·s)减小到9.58g/(m2·s)。因为冷水温度关系到捕水器的效率，冷水温度越低，捕水器效率越高，意味着更多的水蒸气在捕水装置中凝结成液态水，从而使真空泵的抽气负荷就减小。在相同的运行工况下，真空罐会在更短的时间内达到指定压力，实测的实验数据可以证明这一结论。

4 模拟结果与实验结果的对比分析

随机选取6组不同的实验工况（见表2），以再生结束后的溶液主体温度和溶液浓度为对比目标参数，对比结果如图10和图11所示。

由图10和图11可知，将不同工况下再生结束后的溶液温度和溶液浓度进行对比，发现实验结果与模拟结果符合较好。同时可以看出，与实验结果相比，溶液浓度的模拟误差小于溶液温度的模拟误差。以选取的6组实验工况下得到的实验结果和模拟结果作为对比，计算分析得到：以溶液温度为对比目标参数时，实验误差在多分布在15%左右；以溶液浓度为对比目标参数时，实验的误差多分布在5%以内。文中实验误差主要由于参数波动引起，本文的实验过程中设定的压力值、热水温度及冷水温度等参数的波动都将造成实验结果的误差。该分析结果表明，模拟结果对实验结果有一定的预测作用。

图10 溶液温度的模拟值与实验值对比

图11 溶液浓度的模拟值与实验值对比

表2 对比工况选取

5 结 论

（1）在模拟再生工况下，溶液温度先迅速降低，随着再生量的减少，又缓慢回升。在非稳态阶段，溶液平均再生量较大，初始阶段达到39.8g/(m2·s)，随着蒸发的进行溶液温度降低，再生量逐渐降低。溶液浓度与再生量的变化是对应的。

（2）在实验工况下，平均再生量与热水温度以及溶液初始温度成正比，当其他参数一定时，溶液的初始温度越高，溶液平均再生量越大；溶液的浓度越小，再生压力越低，平均再生量越大。4kPa压力下，溶液中LiCl质量分数从28%升高到34%时，再生量由20.4g/kg降低到7.6g/kg。再生过程中，溶液浓度对再生性能的影响最大，冷水温度的影响最小。

（3）模拟分析结果与实验结果符合较好，模拟分析可以对实验提供一定的指导。

参考文献

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第一作者：邹国文（1987—），男，硕士研究生，主要从事溶液除湿研究。E-mail zou881118@163.con。联系人：邹同华，男，副教授，硕士生导师，主要研究方向为食品冷链技术及制冷空调节能与优化。E-mail zthua@tjcu.edu.cn。

中图分类号：TB 79

文献标志码：A

文章编号：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