溶液温度对基于电渗析再生的溶液除湿空调性能的影响

2019-11-01刘琳程清许文豪焦顺

制冷技术 2019年4期

刘琳，程清，许文豪，焦顺

（南京工业大学能源科学与工程学院，江苏南京 211816）

0 引言

我国建筑能耗占社会总能耗的比例已经高达27.5%[1-4]，显著高于同纬度地区[5]的其他国家，而建筑能耗中空调制冷和采暖占据了较大的比重，统计数据显示空调耗电所占比例为31.05%，其中，对空气进行除湿所消耗的电能占空调总能耗的20%～40%。这主要是由于传统的蒸气压缩式制冷空调系统在处理空气的温湿度时引起再热损失，造成能源的浪费，因此寻找新的制冷方式成为研究热点[6]。而溶液除湿空调系统作为一种可实现独立除湿的空调系统，具有很大节能潜力，吸引了越来越多的专家学者进行研究。

溶液除湿空调系统分为空气除湿侧和除湿溶液再生侧两个部分。对于除湿溶液的再生方式，目前广泛采用热能再生[7-12]，而太阳能热再生法作为热再生法[13]的一种，有效利用了太阳能，但此方法严重依赖外界环境状况，当室外空气为高温高湿状态时，再生后的除湿溶液很难满足除湿要求，并且在再生过程中，除湿溶液的温度会升高，不利于之后的除湿过程。

为了解决这些问题，新的溶液再生方法成为了研究热点，电渗析技术是一种极具节能潜力的新型溶液再生方法。

电渗析（Electrodialysis，ED）是一种膜分离技术[14]，在直流电场的作用下，以电位差为动力，利用阴、阳离子交换膜的选择透过性，实现溶液的淡化和浓缩。基于电渗析技术，LI等[15-17]提出了一种新型 PV-ED再生系统和一种新型的吸收式制冷空调系统，分析表明，PV-ED系统相比于传统热再生系统能够更加稳定地运行而不依赖周围的环境状况，当 LiBr溶液浓度低于 52%时，基于电渗析的吸收式制冷空调系统COP大于3。CHENG等[18-21]提出了一种多功能的除湿溶液再生系统，并研究了溶液的初始浓度、浓度差和溶液的质量流量等参数对溶液除湿空调系统的性能影响。GUO等[22]在CHENG等[18-21]的实验基础上，考虑了电流密度、隔室内溶液浓度差和初始溶液浓度等因素。

在基于电渗析技术进行溶液再生的溶液除湿空调系统中，用于溶液再生的电渗析器是系统中最主要的能耗部件。电渗析器的能耗与运行电流和溶液电阻有关[23-24]。溶液电阻与溶液的电导率有关[25]，因此，可以基于溶液电导率来研究溶液电阻对电渗析器能耗的影响。由于目前并没有学者对除湿溶液的电导率特性作相关研究，因此，为了精准分析基于电渗析再生的溶液除湿空调系统的性能，需要充分了解溶液的种类和浓度等因素对电导率的影响。

本文测量了常用除湿溶液LiCl溶液（质量浓度20%～40%）和LiBr溶液（质量浓度40%～55%）的电导率，建立基于电渗析再生的溶液除湿空调系统的数学模型，研究两种溶液除湿空调系统的性能。

1 材料和方法

1.1 材料及设备

实验中使用的 LiCl和 LiBr颗粒纯度均高于99%。对质量浓度为20%～40%的LiCl溶液及质量浓度为40%～55%的LiBr溶液的温度和电导率进行实时监控，获得不同质量浓度以及不同温度下溶液的电导率。

图1所示为ML304T分析天平。天平的测量范围为160～1.2×105mg，精度为0.1 mg。图2所示为电导率测量仪，用于测量溶液的电导率和温度，该电导率仪的电导率测量范围为0.01～1,000 mS/cm，相对误差为0.5%；温度测量范围为-30～130℃，测量精度为±0.1℃。

图1 分析天平

图2 电导率测量仪

1.2 系统性能系数模型

对于电渗析再生器，其运行所耗电能为运行电流与运行电压的乘积[23-24]：

式中：

P——再生器运行功率，W；

U——再生器运行电压，V；

R——再生器的电阻，Ω；

z——溶液化合价；

F——法拉第常数，C/mol；

mreg——溶液质量流量，kg/s；

Creg,o——浓缩室出口处溶液浓度，%；

Creg,i——浓缩室进口处溶液浓度，%；

Ms——溶液的摩尔质量，kg/mol；

ζ——电流效率，%；

N——膜对数。

电渗析再生器内总电阻[24]：

式中：

Ram——阳离子交换膜的膜电阻，Ω；

Rcm——阴离子交换膜的膜电阻，Ω；

A——膜的有效传质面积，m2；

kreg——浓溶液的电导率，mS/cm；

kdiu——稀溶液的电导率，mS/cm；

Rel——电极电阻，Ω。

当膜对数超过 20且只有两个电极时，电极电阻可忽略不计[25]，膜电阻相较于溶液电阻较小，因此膜电阻可忽略不计。假设淡化室和浓缩室进口处溶液浓度相同，式(2)可简化为：

将式(3)代入式(1)中可得：

电渗析再生器再生后的浓溶液进入除湿器，吸收空气当中的水蒸气，干燥后的空气可在蒸发器中吸收水分并产生一定的制冷量，制冷量可由下式表达[26-27]：

式中：

Q0——制冷量，W；

lw——水的蒸发潜热，kJ/kg；

Δmw——水的蒸发潜热，kg/s。

系统性能系数COP：

当两种溶液具有相同的质量流量时，系统能耗比值θ和性能系数COP比值r为：

可知r和θ与溶液除湿量和溶液电导率等因素有关，因此本文实验测量了溶液的电导率，并基于实验数据进行理论分析。

2 实验结果与讨论

2.1 溶液温度对电导率的影响

图3所示为LiCl溶液和LiBr溶液电导率随温度的变化。由图3(a)可知，当LiCl溶液的质量浓度为 20%～30%时，电导率随着温度的增加先减小再增加，变化过程中电导率存在极小值，极小值点对应的溶液温度随着质量浓度的增加，从 39℃降至25.5℃。当溶液质量浓度为 30%～40%时，溶液电导率随着温度的增加而增加，与电导率在20%～30%范围内的变化趋势截然不同。

由图3(a)还可知，对于质量浓度在20%～30%范围内的LiCl溶液，当溶液温度小于极小值点对应的温度时，降低温度可以提高溶液的电导率，即溶液电阻减小。当溶液温度大于极小值点对应的温度时，降低温度反而会降低溶液电导率，进而增大溶液电阻。因此当运行电流不变时，增加溶液温度有利于降低电渗析器再生溶液所需的电能。因此，当除湿用的LiCl溶液质量浓度在20%～30%时，溶液温度对电渗析再生器再生溶液所需的电能产生较大的影响。当LiCl溶液质量浓度在30%～40%时，较高的温度有利于再生过程，但对除湿过程不利。

由图3(b)可知，当LiBr溶液质量浓度在40%～42.5%时，降低温度有利于增加溶液的电导率，溶液电阻减小，系统能耗减小。当LiBr溶液质量浓度为42.5%～55%时，电导率随着温度的增加先减小再增大，变化过程出现极小值。当LiBr溶液质量浓度为42.5%～47.5%时，随着溶液质量浓度的增加，极小值点对应的溶液温度从 51.4℃减至 41.9℃。当LiBr溶液质量浓度为 50%～55%时，随着溶液质量浓度的增加，极小值点对应的溶液温度从 45.47℃减至27.7℃。当LiBr溶液质量浓度为40%～55%时，溶液温度对电渗析再生器的能耗有一定的影响。

综上所述，溶液温度的变化对溶液电导率产生较大的影响，而根据公式(4)和(6)可以知道，系统能耗和 COP均与溶液电导率相关，因此溶液温度会影响系统的性能。

图3 LiCl溶液和LiBr溶液电导率随温度的变化

2.2 系统除湿量比值β

在模拟中，利用文献[28]中的绝热型叉流除湿器为模拟对象。两种除湿溶液在除湿过程中的除湿量可由以下经验公式得到[29]：

式中：

ma——空气质量流量，kg/s；

ωa——湿空气含湿量，g/(kg干空气)；

ms,de,in——除湿器进口溶液质量流量，kg/s；

ts,de,in——除湿器进口溶液温度，℃；

ξs,de,in——除湿器进口质量浓度，%。

根据公式(9)和(10)，可以得到溶液除湿空调系统LiCl溶液除湿量与LiBr溶液除湿量的比值β：

可知除湿量与空气质量流量、溶液质量流量和湿空气含湿量等因素相关，具体的参数取值见表1。

表1 计算参数表

图4所示为 LiCl溶液质量浓度为35%，LiBr溶液质量浓度为45%时，β随溶液温度的变化。由图4可知，当LiCl溶液温度不变时，β随LiBr溶液温度的增加而增加。当LiCl溶液温度不变时，β随LiBr溶液温度的增加而增大。原因是随着LiBr溶液的增加，溶液表面蒸气压增加，等效含湿量逐渐增加，吸湿能力逐渐减弱。

图4 β随溶液温度的变化

当LiCl溶液和LiBr溶液温度分别为30℃和20℃时，β为最小值0.71，当LiCl和LiBr溶液达到20℃和30℃时，β达到最大值4.1。当LiCl溶液温度小于25℃时，β恒大于1。当LiCl溶液温度为 20～25℃时，β=1.1～4.1，因此使用 LiCl溶液的溶液除湿空调的除湿性能更好。

2.3 系统能耗比值θ

图5所示为当LiCl溶液质量浓度为35%，LiBr溶液质量浓度为45%时，系统能耗比值θ随溶液温度的变化。由图5可知，当LiCl溶液温度不变时，θ随LiBr溶液温度的增加而减小，原因是LiBr溶液温度升高时，电导率减小，所以系统再生溶液的能耗不断增加。当LiCl溶液和LiBr溶液温度均为30℃时，θ达到最小值1.48；当LiCl溶液和LiBr溶液温度均为20℃时，θ达到最大值1.56。此外，在不同的溶液温度下，θ均大于 1，因此系统再生过程LiCl溶液的能耗更大。

图5 θ随溶液温度的变化

2.4 系统COP比值r

图6所示为当LiCl溶液质量浓度为35%，LiBr溶液质量浓度为45%，系统COP比值r随溶液温度的变化。

图6 r随溶液温度的变化

由图6可知，当LiCl溶液温度不变时，r随LiBr溶液温度的增加而增加，原因是随着LiBr溶液温度的增加，溶液除湿量降低，电导率也降低，导致系统再生溶液能耗增加，系统再生LiBr溶液的COP降低。当LiCl溶液和LiBr溶液温度分别为30℃和20℃时，r达到最小值 0.47。当 LiCl溶液和 LiBr溶液温度分别为 20℃和 30℃时，r达到最大值2.70。当LiCl溶液温度低于25℃时，r恒大于1，当 LiCl溶液温度为 20～25℃时，r=1.11～2.70，因此使用LiCl溶液的溶液除湿空调的COP更高。