溶液除湿系统真空式再生器性能试验研究

苏天龙

( 上海海事大学 商船学院，上海 201306 )

溶液除湿系统真空式再生器性能试验研究

苏天龙

( 上海海事大学 商船学院，上海 201306 )

再生器是溶液除湿系统的重要传热传质部件。为改善除湿溶液的再生性能，将真空技术和热管传热技术应用于除湿溶液再生过程，搭建了新型的除湿溶液再生实验台。从初始溶液浓度、热源温度和冷却水温度等不同方面对溶液再生性能的影响进行了研究。试验结果表明：热源温度和冷却水温度对水分蒸发量的影响较为显著，热源温度越高，冷却水温度越低，溶液闪蒸速度越快，且再生效率也越高；初始溶液浓度对溶液再生性能的影响也不可忽略，溶液浓度较低，会导致溶液的再生强度升高。

热管；降膜蒸发；真空；再生量

Abstract：The regenerator is the important heat and mass transfer components in liquid desiccant system．In order to improve regeneration performance of desiccant solution,heat pipe and vacuum technologies are used in regeneration process of desiccant solution and developed a novel lab-built platform.The effects of solution regeneration performance conditions,including but not limited to initial solution concentration,heat source temperature,cooling water temperature are investigated.The experimental results show that heat source temperature and cooling water temperature have a major impact on evaporation capacity,as heat source temperature increased,the flash-evaporation rate is faster with lower cooling water temperature,resulting in higher regeneration rate；initial solution concentration is found to affect solution regenetionperformance,a lower initial concentration lead to a higher regeneration significantly.

Keywords：Heatpipe；Falling film evaporation；Vacuum；Regeneration capacity

1 引言

溶液除湿空调由于与环境友好，并可以有效利用低品位能源，已逐渐引起国内外学者的广泛关注。它可以利用太阳能、地热和工业废热等低品位热源作为再生热源，耗电较少[1]。但除湿后的溶液如何高效的再生成为学者面临的一个严峻的问题。尤其是，溶液除湿空调在遇到高温高湿环境时，环境空气水蒸气压力远远高于其水蒸气压力，除湿能力非常强，但在再生过程中，稀溶液表面和环境水蒸气压差非常小，再生能力明显下降，加剧能源消耗[2-4]。因此，开发一种可以利用低品位能源的再生器已显得尤为紧迫。

再生器作为溶液除湿再生装置的核心部件之一，已成为学者们研究的重点。如Kessling等[5]试验研究了LiCl溶液除湿系统的性能，并提出再生蓄能的思想。刘晓华[6-7]等研究了以LiBr溶液为除湿剂的除湿和再生性能。Saunder[8]等讨论了以冷凝器为热源的溶液除湿空调方式。牛润萍[9]等将压缩式制冷系统和溶液除湿系统相结合，利用溶液除湿，再利用冷凝热再生溶液，建立了冷凝热再生式溶液除湿空调系统。高煜[10]等利用冷凝热再生除湿溶液，并分析了不同风速和溶液流速对传质系数的影响。韩俊召[11]等对不同除湿溶液进行实验研究，分析了太阳能平板降膜再生过程的传热传质特性。黄志甲[12]等进行了LiBr溶液除湿系统再生器性能正交实验研究，从入口溶液浓度、入口溶液流量、入口溶液温度等因素对再生性能的影响进行了分析。

以上研究均是在常压下进行，通过采取多种措施，提升溶液的再生率。真空技术在蒸馏提取、食品冷藏等领域应用较多，但在溶液除湿再生领域应用却很少。如邓赛峰[13]等对真空再生罐的再生性能进行了数值模拟和实验研究，分析了溶液浓度、热水温度、冷水温度等不同因素对再生性能的影响。本课题组在前人的基础上，将真空闪蒸、降膜蒸发、热管传热和溶液再生技术相结合，设计了一种利用低品位热源驱动的新型溶液再生装置，并利用该装置对不同浓度的Nacl溶液进行溶液再生实验。开始实验后，将溶液压入真空再生罐中，溶液会立即发生闪蒸，分离出一部分水蒸气，剩余的溶液流到热管时，会形成一层薄膜，热管传递的高热流密度热量会对其薄膜进行快速蒸发，以进一步提高蒸发强度，增加单位体积的再生速率，即提高了再生效率。因此，实验得到影响因素与再生率的相互关系，为溶液再生技术的发展奠定了基础。

图1 装置原理图Fig.1 Schematic diagram of device

2 试验系统和原理

试验系统图如图1所示，主要由真空再生器、冷凝器、原液罐、浓液罐、加热装置组成，本文主要研究真空再生器的性能参数，即真空再生器作为整个系统的核心部件，其上下两端由不锈钢盲板，辅以O型圈密封，中间由钢化玻璃筒和两根不同直径的热管组成。两个热管是由长度为500mm、厚度为0.5mm、直径分别为12.7mm和16mm的沟槽管组成，主要性能参数如表1所示，热管表面温度测点分布如图2所示。系统各测点温度采集采用美国OMEGA T型热电偶，精度为±0.5℃。再生室压力采集采用量程为0～20kPa，精度为0.1%的压力传感器。

表1 热管性能

Table 1 Performance ofheat pipe

性能参数工作温度/℃失效温度/℃80℃工作寿命/year额定功率/W范围0～2003407300

图2 热管测点分布Fig.2 Thermocouple distribution on the heat pipe

在试验过程中，原液罐中不同浓度氯化钠稀溶液被压入真空再生室，由于瞬间失压发生闪蒸，增强再生强度。闪蒸后溶液温度急剧下降，下降过程接触到热管外壁，形成一层均匀的薄膜，因其持续吸收热管冷凝端热量而降膜蒸发，这时热管加热端热量由加热槽提供。通过高效传热热管，将热量以高热流密度传递给其表面薄膜，使其保持足够的蒸发强度，加快水分蒸发速率，保证再生过程持续进行。

试验中考查的主要参数有：热管直径、入口流量、溶液浓度、热源温度和冷却水温度，分析它们对水分蒸发量的影响。其中溶液浓度范围为3%～10%，热源温度范围为40～80℃，冷却水温度范围为10～20℃。试验工况如表2所示。

表2 试验工况

Table 2 Experimental operating conditions

工况热管直径/mm溶液浓度/%热源温度/℃冷却水温度/℃流量/ml·min-11127540～802022127540～8020531273～10602024127540～8010～202516540～80202

3 结果和分析

3.1 闪蒸室压力变化特性

液滴闪蒸后热量的再获取，主要依靠和热管冷端外表面的换热来实现，而闪蒸后水蒸气及时快速地凝结，则保证了闪蒸过程压力的稳定。因此，闪蒸压力是影响水蒸气快速凝结的重要因素。在各实验工况条件下，闪蒸室压力变化如图3所示，从图中可以看出，三种工况下，闪蒸室压力变化规律基本相似，在每种工况下，压力变化曲线呈线性增加，闪蒸压力升高了0.4～0.7kPa。相同热源温度下，冷却水温度越高，闪蒸室压力越大。

图3 蒸发室压力曲线Fig.3 Evaporator pressure curves with different cooling temperature

3.2 热管表面温度分布

图4 不同热源温度下热管表面温度分布Fig.4 Heat pipe surface temperature distribution with different heat source temperature

图5 流量与蒸发量的关系Fig.5 Evaporation capacity curves with different flow

图4反映了热源温度对热管表面温度分布的影响，对应工况1，其中热管表面测点分布如图2所示，由图4可以看出，1#测点由于离闪蒸后温度骤降的液滴最近，故所测热管温度最低，实测值低于真实值。2#、3#、4#测点位于冷端中部，受影响较小。5#测点位于蒸发室底部，所测热管温度受低温浓溶液冷却作用，低于真实值。6#测点位于加热槽水面上方，所测热管温度受空气冷却作用，低于真实值。7#、8#测点浸没于热水中，虽然紧贴热端壁面，但受热水加热作用，所测温度偏高于真实值。因此热管外表面温度分布呈现两端低中间高的趋势。试验中取3#测点温度作为冷端温度，7#测点温度作为热端温度来计算热管两端温差，热管两端温差范围5.5～10.5℃。

3.3 流量对溶液再生的影响

图5为入口流量与水分蒸发量的关系，对应工况1、2，随着热源温度的升高，水分蒸发量曲线呈上升趋势，在2mL/min流量下，热源温度升高了40℃，水分蒸发量增加了21mL，最高达到44mL，说明热源温度越高，水分蒸发量越大。而在同一热源温度下，流量越大，水分蒸发量越小，这是由于流量越大，溶液流过热管壁面就越快，水分蒸发就越慢，导致水分蒸发量越小。但随着热源温度的升高，不同流量间的水分蒸发量差值明显增大，80℃达到最大。

图6 初始溶液浓度与蒸发量的关系Fig.6 Evaporation capacity curves with different mass fraction

3.4 初始浓度对溶液再生的影响

如图6所示，对应工况3，水分蒸发量与初始溶液浓度成反比，初始溶液浓度越大，水分蒸发量越小。初始溶液浓度由3%增加到10%，水分蒸发量由34mL减少到23mL。这是因为初始浓度大的溶液，其饱和温度也相对较高，缩小了与热管表面传热温差的缘故。并且初始溶液浓度增大使表面的水蒸气分压力降低，减小了与空气间的水蒸气分压差。

3.5 热源温度和冷却水温度的综合影响

溶液闪蒸和降膜蒸发后热量的获取，主要依靠加热槽中的热水来实现，而在冷凝器中水蒸气及时快速地凝结，则保证了溶液再生过程压力的稳定，因此热源温度和冷却水温度是影响除湿溶液中水分分离的关键因素，实验结果如图7所示，对应于工况4。

图7 蒸发量曲线Fig.7 Evaporation capacity curves with different cooling temperature

由图7可以看出，在相同冷却水温度下，随着热源温度的升高，水分蒸发量也逐渐增大，曲线趋势几乎呈线性增加，水分蒸发量增加了19～21mL，而在同一热源温度下，冷却水温度越大，水分蒸发量越小，这是因为与20℃的冷却水相比，10℃冷却水的闪蒸平衡压力更小，从而闪蒸过热度更大，增强了溶液和热管之间的换热。

3.6 热管直径对溶液再生的影响

如图8所示，对应工况1、5，分析了不同热管直径对溶液再生的影响。在同一热管直径下，热源温度越高，水分蒸发量越大，最大为48mL，而在相同热源温度下，热管直径越大，蒸发量越大，这是由于与12.7mm的热管相比，16mm的热管功率更大，达到400W，即溶液蒸发更快。

图8 热管直径与蒸发量的关系Fig.8 Evaporation capacity curves with different heat pipe diameter

4 结论

在一定的真空条件下研究了除湿溶液的再生过程，分析入口流量、初始溶液浓度、热源温度和冷却水温度对水分蒸发量的影响，得到如下结论：

(1)水分蒸发量受热源温度和冷却水温度的影响较大。热源温度越高，热管获得的热量越多，薄膜蒸发越快，即水分蒸发量越多。冷却水温度降低，会降低闪蒸平衡压力，从而增大溶液过热度，加强换热。

(2)入口流量和初始溶液浓度也是影响溶液再生的重要因素。增加入口流量，会减弱换热，导致水分蒸发减慢，水分蒸发量减少。增大初始溶液浓度，会加强溶液表面分子间的张力，导致水分蒸发需要更多的热量，致使水分蒸发量减少。

(3)不同热管直径也会影响溶液的再生。热管直径越大，即其功率越大，吸收的热量越多，蒸发的溶液越快，水分蒸发量越多。

(4)溶液的闪蒸和降膜蒸发再生过程是一个复杂的热质传递过程，溶液的饱和温度也会受到压力的影响，不同压力下的再生性能需进一步的研究。

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ExperimentalInvestigationonVacuumRegeneratorPerformanceofSolutionDesiccantSystem

SU Tianlong

( Merchant Marine College，Shanghai Maritime University，Shanghai 201306，China )

2016-9-20

苏天龙(1990-)，男，硕士研究生。研究方向：空调系统溶液除湿再生方向研究。E-mail：1053402479@qq.com

ISSN1005-9180(2017)03-008-05

TU834文献标示码A

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.03.002