蒸发冷却条件下管内LiCl和CaCl2溶液降膜除湿性能对比

2020-05-28彭冬根徐少华

化工学报 2020年4期

彭冬根，徐少华

（南昌大学建筑工程学院，江西南昌330031）

引言

目前湿空气处理过程中通常存在潜热负荷大、湿度要求低的问题。为降低处理过程能耗，溶液除湿[1]作为一种高效节能的空气除湿技术，近年来受到越来越多研究者的关注。与传统冷凝除湿方法[2]相比，溶液除湿[3-4]可以利用可再生能源或低品位能源[5-7]，且可以用溶液来提高室内空气品质[8-9]。

溶液除湿系统主要由除湿器和再生器组成。早期的溶液除湿器和再生器为绝热型。国内外许多学者对此类除湿器进行了大量的实验和理论研究[10-17]。研究发现绝热型的除湿器虽具有良好除湿效果[10]，但易受溶液流量和入口温度影响。溶液流量较小时除湿器性能衰减较快[11-15]；并且随溶液入口温度提高，其除湿性能也会显著降低[16-17]。为了提高除湿器除湿性能，研究者提出了一种内冷型除湿器[18]。Shao 等[19]通过对内冷型溶液除湿器进行实验测试，发现其除湿效率受溶液温度和流量影响较小，不超过10%。Yin等[20]通过实验方法对比了内冷和绝热除湿器的性能，发现内冷型除湿率比绝热型的提高了40%，并且内冷型除湿率随溶液温度升高降低不如绝热型明显。Bansal 等[21]通过实验对比了内冷型和绝热型除湿器的除湿效率，发现内冷型的除湿效率在较低溶液流量下比绝热型高40%。因此，内冷型溶液除湿器受溶液流量和温度影响较小，且在低溶液流量下除湿效果明显优于绝热型。但是内冷型溶液除湿性能很大程度上取决于冷却水的温度。Liu等[22]对比了三种内冷型除湿器性能，发现除湿率随冷却水温度降低而升高。Gilani 等[23]通过理论计算发现当冷却水入口温度从20℃升高到30℃，空气除湿量降低近70%。Huang 等[24]设计研究了一种内冷型溶液膜除湿器，发现当冷却水温度为20℃时，溶液才可近似实现等温除湿过程。另外，冷却水流量对内冷型除湿性能也有显著影响。张鹤飞等[25]发现溶液除湿性能随冷却水流量增加可提高14%。Liu 等[26]实验发现随冷却水流量提高，LiBr溶液在内冷型除湿器中的除湿率和除湿效率可分别提高30%和20%。

鉴于内冷型溶液除湿需要较大冷剂水流量，同时需要相应设置蒸发冷却设备。近年来有学者直接将蒸发冷却作为溶液除湿的冷却方式。目前国内外学者在这方面的研究较少，一般是将液态水间接蒸发冷却和溶液除湿相结合[27-29]。Gao 等[30]指出只需提供5倍于蒸发量的冷剂水流量即能实现较好除湿效果，说明在相同除湿量下蒸发冷却所需水流量为采用液态显热冷却水流量的1/25。因此，本文提出一种基于蒸发冷却的外冷型溶液除湿装置，并构建实验样机。分别采用LiCl 和CaCl2溶液作为除湿剂进行系统实验，对比分析影响两种除湿剂在该种外冷型溶液除湿装置中除湿性能的因素。

1 实验系统及误差分析

1.1 实验装置及原理

实验采用的外冷型除湿器装置如图1所示。除湿器可以简单地分为两个部分，一部分由除湿管、上下溶液槽组成，即除湿部分；另一部分为蒸发冷却外冷部分，其由风机、管外肋片、喷淋水装置组成。为防止腐蚀，除湿器采用304不锈钢制作，氩弧焊焊接，内部除湿管厚2 mm，直径60 mm，长1030 mm；叉排布置，管间距为150 mm。为保证管内布液均匀，管内表面覆盖纱布。管外肋片厚2 mm，其余尺寸见图1。另外，连接除湿器的管道均为耐腐蚀的PPR管。

在除湿部分，溶液桶中的浓溶液由溶液泵泵入除湿器顶部溶液槽，当顶部溶液槽中溶液液面高于除湿管时，受重力作用沿管内壁向下流至下部溶液槽。除湿溶液回路主要由除湿器、管道加热器、流量计、溶液泵、板式换热器和两个溶液桶组成。溶液由溶液泵从溶液桶泵入除湿器的过程中，溶液经换热器预冷，再经加热器精确加热至设定温度。在除湿过程中，采用双溶液通循环，使溶液浓度保持恒定（如图1 所示，当阀门2、3 打开，阀门1、4 关闭时，溶液桶1中的浓溶液被泵入除湿器，吸收除湿管中空气的水分，然后稀溶液流入底部溶液槽和溶液桶2）。

除湿器放置在焓差室中，它包括围护结构，空气处理机组，温度、湿度、风量测量系统和数据采集系统。焓差室能够创造稳定的温湿度环境，并且可以提供冷/热水。除湿空气状态由焓差室精确控制，从除湿器底部空气入口进入除湿器。由于空气与溶液表面的水蒸气分压压差，进入除湿管的空气与溶液沿管内壁发生传热传质，空气被除湿。除湿过的空气在室内风机作用下沿顶部溶液槽空气出口排出。空气出口与室内空气流量、温湿度测量装置相连，测量空气流量与出口空气干湿球温度。

图1 实验系统原理图与实物图Fig.1 Schematic and photographs of experimental system

蒸发冷却外冷部分包括除湿器、水泵、管道加热器、流量计和喷头。在除湿过程中，水均匀地喷洒在管外肋片上，其流量由阀门控制。蒸发冷却空气从除湿器的前端进入，其流量由风机变频器控制，由于风机的负压作用而均匀地吹入肋片表面，使水膜蒸发冷却，然后从出口排出。未蒸发的水流进入水槽，完成整个过程。

1.2 仪器与误差

除湿空气流量由焓差室的喷嘴流量计测得，它根据测得的空气喷嘴压差计算出空气体积流量如下

本实验所采用的压力变送器不确定度为±0.075%，则空气流量的不确定度表示为

实验中，将干湿球温度计置于除湿器进出口位置，测量干球和湿球温度。根据干球和湿球温度的测量值计算的空气含湿量如下

因此，含湿量的不确定度表示为

实验测量参数范围及测量误差如表1所示。在本实验系统中，除湿率定义为除湿空气质量流量与进出口除湿空气含湿量差的乘积，其计算方法如下

除湿率的不确定度可表示为

除湿率的最大相对误差为

实验相关测试参数和对应传感器测量见表1。通过误差计算，除湿率最大误差约为10%。

2 实验结果与讨论

实验以夏季高温高湿地区南昌市的气候条件为实验基准空气工况，实验参数如表2。南昌市夏季空调室外计算参数为：干球温度35.5℃，湿球温度28.2℃，在无额外的冷热源的情况下，稳定的喷淋水温度为32℃，介于环境干湿球温度之间，因此喷洒在除湿器管外肋片的喷淋水可以有效地被蒸发。

表1 实验测量参数及仪器Table 1 Experimental parameters and instruments

表2 除湿实验工况及范围Table 2 Parameter range of dehumidification condition

采用控制变量法，即在实验过程中仅单个参数发生变化。分别以质量分数为0.35 氯化锂（LiCl（ζ=0.35））、氯化钙（CaCl2（ζ= 0.35））和0.45 的氯化钙（CaCl2（ζ=0.45））为除湿溶液，实验通过改变空气相对湿度、除湿空气流量、溶液温度、溶液流量、蒸发冷却空气流量、喷淋水温度，对比分析了LiCl 和CaCl2溶液在蒸发冷却条件下在管内降膜除湿性能差异。

2.1 空气相对湿度对除湿性能的影响

图2 空气相对湿度对除湿率和空气出口温度的影响Fig.2 Impact of inlet air relative humidity on Wt and Ta,out

环境空气相对湿度对三种除湿溶液除湿率和对应空气出口温度的影响如图2所示。其中环境干球温度控制在35.5℃，相对湿度在56%～81%范围内变化，其他参数见表2。从图中看出，随着空气相对湿度的增加，除湿率和空气出口温度均相应增大。这是由于相对湿度的升高使空气和溶液表层水蒸气分压力差增大，传热传质效果增强，因而有更高的除湿率。在整个湿度变化范围内，LiCl（ζ=0.35）与CaCl2（ζ=0.45）除湿率相近，平均比CaCl2（ζ=0.35）高约1.1 kg/h，相对提高44%～73%，并且湿度越低其相对提高值越大；空气出口温度则是CaCl2（ξ=0.45）最高，CaCl2（ζ=0.35）最低。其中在基准工况条件下，使用LiCl（ζ=0.35），CaCl2（ζ=0.45）,CaCl2（ζ=0.35）作为除湿溶液，其对应空气出口温度分别为34、34.3和33.8℃，较入口分别低1.5、1.2 和1.7℃。当空气相对湿度为81%时，LiCl（ζ=0.35）与CaCl2（ζ=0.45）空气出口温度高于入口空气温度，这是由于空气湿度的增加使溶液与空气之间的传质作用增强，除湿过程中释放潜热量增大，因而使空气出口温度升高。

另外随着环境空气湿度增大，入口空气含湿量由20.8 g/kg 增加到30.2 g/kg，LiCl（ζ=0.35）与CaCl2（ζ=0.45）对应空气出口含湿量由16.7 g/kg 增加到23.9 g/kg，CaCl2（ζ=0.35）对应空气出口含湿量由18.6 g/kg 增加到25.7 g/kg，且空气湿度增加会削弱蒸发冷却效果。为此，在具体使用条件下可将环境空气先在水-空气显热换热器中降温，然后再和水接触，使蒸发在较低温度下进行[31]；或者直接将室内湿度相对较低的排风送入蒸发冷却单元[32]，从而保证在高湿环境条件下有良好的蒸发冷却和除湿效果。

2.2 空气入口流量对除湿性能的影响

图3 空气入口流量对除湿率和空气出口温度的影响Fig.3 Impact of inlet air flow rate on Wt and Ta,out

图3给出了空气流量变化对三种溶液除湿率与对应空气出口温度的影响。如图3 所示，空气流量的增加使除湿率和对应空气出口温度均增加。当空气流量从0.07 增加到0.38 kg/s 时，LiCl（ζ=0.35）、CaCl2（ζ=0.45）、CaCl2（ζ=0.35）的除湿率分别从1.19、1.22、0.66 kg/h增加到5.16、5.15、2.91 kg/h。此外，随着空气流量的增加，LiCl（ζ=0.35）与CaCl2（ζ=0.35）的除湿率差逐渐增大：最小值为0.5 kg/h，最大值为2.3 kg/h，相对提高近80%；而LiCl（ζ=0.35）与CaCl2（ζ=0.45）的除湿率大致相等。对于出口空气温度，整个空气流量范围内，CaCl2（ζ=0.45）对应空气出口温度最高，CaCl2（ζ=0.35）则最低；而且LiCl（ζ=0.35），CaCl2（ζ=0.35）对应空气出口温度始终低于入口；当空气流量高于0.34 kg/s时，CaCl2（ζ=0.45）对应空气出口温度高于入口。对这一现象的解释是，随着空气流量的增大，空气与溶液之间的传热传质系数增大，导致除湿率增大；而对于低浓度的CaCl2（ζ=0.35），其溶液与空气之间的水蒸气分压力差低于LiCl（ζ=0.35）和CaCl2（ζ=0.45），且LiCl（ζ=0.35）比CaCl2（ζ=0.35）比热容更大，这使得除湿过程中，LiCl（ζ=0.35）溶液温升小于CaCl2（ζ=0.35），从而使LiCl溶液能维持更稳定的除湿能力。因此，随着空气流量增大，LiCl（ζ=0.35）和CaCl2（ζ=0.35）除湿率差异逐渐增大。

2.3 溶液入口温度对除湿性能的影响

溶液入口温度的变化可以提高或降低溶液表层水蒸气分压，因此使溶液的除湿效果会发生变化。图4给出了不同溶液温度对三种溶液的除湿率和对应空气出口温度的影响。图中显示随着溶液入口温度由26℃增加到36℃时，LiCl（ζ=0.35）、CaCl2（ζ=0.35）和CaCl2（ζ=0.45）的除湿率分别降低了0.79、0.86、0.52 kg/h，其中CaCl2（ζ=0.35）下降幅度最大。其原因是随着溶液温度增加，空气和溶液之间的温度和水蒸气分压力差明显减小，从而削弱了空气和溶液之间的传质。而整个溶液温度变化范围内，LiCl（ζ=0.35）、CaCl2（ζ=0.45）除湿率和对应空气出口温度基本相同，均高于CaCl2（ζ=0.35）；且随溶液温度变化，除湿率差值变化不大，基本在1.1 kg/h左右，对应空气出口温度高0.2℃。

图4 溶液入口温度对除湿率和空气出口温度的影响Fig.4 Impact of inlet solution temperature on Wt and Ta,out

另外发现，三种溶液除湿空气出口温度均随入口溶液温度的升高而升高，但始终低于入口。这些都可以解释为：溶液温升使除湿过程具有更大的显热，而在蒸发冷却作用下，可以积极地带走溶液的显热，提高除湿速率的同时避免空气温度增加过大。

2.4 溶液流量对除湿性能影响

图5为改变溶液质量流量对三种溶液除湿率和对应空气出口温度的影响。LiCl（ζ=0.35）、CaCl2（ζ=0.35）溶液质量流量由0.06 kg/s 增加到0.11 kg/s，除湿率分别增加0.52 和0.35 kg/h，空气出口温度对应增加了0.7 和0.5℃；且随流量增加，LiCl（ζ=0.35）与CaCl2（ζ=0.35）除湿率差基本相同，约为1.2 kg/h。CaCl2（ζ=0.45）溶液质量流量由0.06 kg/s 增加到0.11 kg/s，其除湿率和空气出口温度分别增加0.48 kg/h和0.7℃。其原因是，溶液质量流量越大，除湿过程中，除湿管内溶液浓度变化量小，平均浓度越大，除湿效果增强，因而除湿率增大。另外，除湿率越大所释放的潜热量也会越大，空气出口温度会增加。

2.5 蒸发冷却空气流量对除湿性能的影响

蒸发冷却空气流量对三种溶液除湿量与对应空气出口温度影响如图6所示。蒸发冷却空气流量由0 增加大1.12 kg/s，LiCl（ζ=0.35）和CaCl2（ζ=0.45）除湿率增加了约0.47 kg/h；CaCl2（ζ=0.35）除湿率增加了约0.37 kg/h。而对于空气出口温度，蒸发冷却空气流量增加使空气出口温度相应降低。从图中看出，当蒸发冷却空气流量为0，即无蒸发冷却作用时，其余工况参数见表2，以LiCl（ζ=0.35）和CaCl2（ζ=0.45）为除湿溶液，其空气出口温度与入口温度相同，使用CaCl2（ζ=0.35）时，空气出口温度为34.5℃。当蒸发冷却空气流量大于0.9 kg/s 时，三种溶液除湿空气温度近似相同，约为34.1℃。对以上现象的解释是：蒸发冷却空气吹过管外肋片，使肋片表面水膜蒸发，带走除湿管内显热，降低除湿过程中溶液温升，传热传质效果增强；更大的空气流量可以带走更多热量，从而使除湿率增大，空气出口温度降低。

图5 溶液流量对除湿率和空气出口温度的影响Fig.5 Impact of inlet solution flow rate on Wt and Ta,out

图6 蒸发冷却空气流量对除湿率和空气出口温度的影响Fig.6 Impact of evaporative cooling air flow rate on Wtand Ta,out

2.6 喷淋水温度对除湿性能的影响

图7 喷淋水温度对除湿率和空气出口温度的影响Fig.7 Impact of spay water temperature on Wt and Ta,out

喷淋水温度对三种溶液在此外冷型除湿器除湿性能的影响如图7 所示。图中看出，随着喷淋水温度从32℃上升到40℃时，LiCl（ξ=0.35）、CaCl2（ξ=0.45）、CaCl2（ξ=0.35）的除湿率分别下降27.9%、40.6%、45.0%，其中以CaCl2为除湿溶液时，其除湿率与对应空气出口温度受喷淋水温度变化更为显著。这是由于除湿管内溶液温度随管外水膜温度的升高而升高，随后使溶液表层水蒸气压相应增加，空气与溶液水蒸气压差降低，从而降低了除湿率。另外发现，喷淋水温度增加，CaCl2溶液除湿率下降明显高于LiCl溶液，这是由于CaCl2溶液表面蒸气压受温度影响更为显著，且溶液浓度越低约明显。空气出口温度方面，LiCl（ξ=0.35）出口温度由34.6℃增加到35℃，CaCl2（ξ=0.45）由34.7℃增加到35.4℃，CaCl2（ξ=0.35）由33.7℃增加到34.5℃，且都低于空气入口温度。这些现象与也与溶液温升有关。

3 结论

本文提出一种基于蒸发冷却的外冷型溶液除湿装置并构建实验样机进行变工况实验。分别以LiCl（ξ=0.35）、CaCl2（ξ=0.35）和CaCl2（ξ=0.45）为除湿溶液，通过实验测试，对比分析了LiCl 和CaCl2溶液在蒸发冷却条件下的除湿性能差异,结论如下。

（1）在所有实验条件下，LiCl（ξ=0.35）与CaCl2（ξ=0.45）有相似的除湿性能，其除湿率与对应空气出口温度均高于CaCl2（ξ=0.35）。

（2）在基准工况条件下，使用LiCl（ξ=0.35），CaCl2（ξ=0.45）和CaCl2（ξ=0.35）作为除湿溶液，其空气出口温度分别为34、34.3、33.8℃，较入口分别低1.5、1.2、1.7℃；LiCl（ξ=0.35）与CaCl2（ξ=0.45）的除湿率比CaCl2（ξ=0.35）高约73%。

（3）蒸发冷却条件下，改变环境空气相对湿度，溶液温度、流量，蒸发冷却空气流量，喷淋水温度，LiCl（ξ=0.35）除湿率比CaCl2（ξ=0.35）高约1.1 kg/h，并且空气流量增大会使二者除湿率差逐渐增大,但相对提高值在80%左右。

（4）以CaCl2为除湿溶液时，其除湿率与对应空气出口温度受喷淋水温度影响更为明显。

实验结果表明，在相同质量分数下，LiCl溶液比CaCl2溶液具有更好的除湿性能。考虑到外部蒸发冷却装置对除湿器除湿性能的改善，当质量分数比LiCl 溶液高0.1 时，CaCl2溶液在所给实验条件下均能达到与LiCl 相似的除湿性能。这意味着CaCl2溶液可以单独作为除湿溶液用于此外冷型除湿器并且具有较高的除湿性能。

符号说明

A——常数，取0.000667

An——喷嘴界面面积，m2

B——标准大气压，Pa

C——流量系数

m——质量流量，kg/s

Pq,Pqb——分别为湿空气压力、同温度下饱和湿空气

水蒸气压力，Pa

P1,P2——分别为喷嘴进出口压力，Pa

RH——空气相对湿度，%

T——温度，K

Wt——除湿率，kg/h