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北京化t 人学硕，i ：研究生学位论文 吸收式除湿工艺研究 摘要 溶液吸收式除湿系统，可以利用5 0 8 0 的低品位热源作为再生能源，所用除 湿剂对环境友好，同时能除去空气中的尘埃、细菌、霉菌及其他有害物，提高空气品 质。从保护环境、节约能源等方面来看是一种很有竞争力的除湿技术。 本文针对l i c l 溶液吸收式除湿工艺系统的关键过程溶液吸收除湿与溶液解 吸再生以及系统整体，开展了实验研究、模拟分析与系统工艺设计工作。 利用流程模拟软件a s p e np l u s ，选择n i 汀l 电解质溶液活度系数模型，并选择 c a c l 2 溶液作为除湿剂，吸收器和再生器分别选用r a d 心a c 和f l a s h 2 模块，建立了溶 液吸收式除湿循环的系统模拟。根据灵敏度分析，其空气除湿性能系数可达o 7 以上， 优于现有l i c l 溶液除湿装置的o 6 5 的水平，并表明提浓稀溶液的有效性，据此确定 了实验设计参考的循环操作条件。 进一步，分析比较了逆流绝热填料塔与内冷型除湿塔的优缺点，选择比表面积大、 结构紧凑、空气处理能力大的填料塔作为吸收器。本研究填料塔塔体采用有机玻璃板， 塔高1 2 m ，填料层高度为6 0 c m ，规格为2 0 2 0 2 0 c m 3 立方型不锈钢孔板波纹的规 整填料。同时，提出了结构简单、空气压降小、动力部件少的雾化闪蒸喷淋再生器新 型结构。本研究再生塔塔体采用有机玻璃，塔高1 0 m ，喷嘴采用实心锥形喷头，有效 喷淋高度为4 0 c i l l 。 进行了逆流绝热吸收实验和模拟分析。考察了内部因素( 液气比、溶液浓度与溶 液温度) 和外部因素( 空气入口温度、湿度) 对除湿量的影响规律。实验数据表明， 在上述实验条件下，吸收器最大除湿量达到o 4 4 3 9 s ，平均除湿量达到o 3 6 8 9 s 一，证 明了本装置有很好的除湿效果。改变吸收器内部因素对除湿效果有较大的影响，如溶 液质量浓度由0 3 2 2 增加到0 3 6 3 ，空气出口含湿量相应地由1 3 9 9 k 蛋1 降到1 2 2 9 k 9 1 ， 下降幅度比较明显；而外部因素的改变对除湿效果影响较弱，如当空气温度由3 3 5 降到2 6 4 时，空气出口含湿量仅由1 0 9 9 k 9 1 下降到l o 5 9 k 9 1 。根据实验结果，将 除湿器的除湿量与除湿器入口各参数进行拟和，得到如下关联式： 聊= 3 6 9 7 j i l 2 0 2 2 f 。加4 9 8 g o 6 6 6 五3 4 7 1 f 2 2 3 r i 1 4 其中：聃为除湿量，k g s 。 建立了除湿过程的传热传质模型。模型计算值与实验结果趋势一致。分析了除湿 器的出口空气含湿量、空气温度、溶液浓度、溶液温度参数随塔高的变化关系。从模 型分析得出低温高浓的入口溶液对吸收除湿过程有强化作用，而空气入口温度的变化 对吸收除湿过程影响较弱本实验装置的最佳液气比约为3 o 。 北京化t 人学硕t ：研究生学位论文 进行了雾化喷淋再生实验和模拟分析。基于喷淋量2 1 61 h ，再生器入口空气温 度为2 8 ，相对湿度为4 5 的实验条件，选择溶液入口温度和再生风机电压分别为 8 0 1 0 0 v 、9 0 1 0 0 v 、8 0 1 0 0 v 的三组因素，测得溶液浓度变化率分别为0 8 2 、 1 3 3 、1 2 3 。实验结果表明雾化喷淋再生与采用填料塔和管式降膜塔的再生效果相 同。建立了雾化喷淋再生过程的数学模型，分析了再生器的出口空气含湿量、空气温 度、溶液浓度、溶液温度参数随塔高的变化关系。从模型分析得出高温入口溶液对雾 化喷淋再生过程有强化作用，而空气入口温度的变化对雾化喷淋再生过程影响较弱。 关键词：吸收除湿，填料塔，雾化喷淋塔，传递模型，氯化锂水溶液 北京化下大学硕士研究生学位论文 r e s e a r c ho na b s o r p t i o nd e h u m l d i f i c a t i o n s y s t e m a b s t r a ct s o l u t i o n a b s o 印t i o n d e h u 1 i d i f i c a t i o n s y s t e m ， w h i c hu s et h e l o w - t e m p e r a t u r eh e a ts o u r c e sb 酶v e e n5 0 t o8 0 s u c ha ss o l a re n e r g y 、 i n d u s t r i a lw a s t eh e a tt or e g e n e r a t e ，c a nr e m o v et h ed u s ti nt h ea i r 、 b a c t e r i a 、 如n g ia n do t h e rh a n n 如ls u b s t a i l c e s ，i m p r o v e t h ea i r q u a l i t y f r o mt h e p r o t e c t i o no ft h ee n v i r o n m e n ta n de n e 略y ，i ti sac o r n p e t i t i v ed e h u m i d i 矽i n g t e c h n o l o g y t h i sp a p e rp o i n t st ot h ek e yp r o c e s so fs 0 1 u t i o na b s o 印t i o nd e h u m i d i f i c a t i o n s y s t e m ，t h ea _ b s o 印t i o n 、t h er e g e n e r a t i o na n dt h ew h o l ep r o c e s s ，d o e sm e e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h 、s i m u l a t i o na n a l y s i sa n dp r o c e s sd e s i g n a s p e np l u s w a su s e dt os i m u l a t et h es y s t e m ，a n da c c o r d i n gt ot h es i m l l l a t er e s u l t ， p u l v e r i z a t i o ns p r a yr e g e n e r a t o rw a se f j | e c t i v ef o rc o n c e n t r a t i n gt h es 0 1 u t i o n f u n h e r ，c h o o s et h ep a c k e dt o w e ra st h ea b s o r b e r b a l s e do nt 1 1 ea n a l y s i sa n d c o n l p a r i s o nb e t w e e nt h ep a c k e dt o w e ra n dt h ec o o l e dt o 他r a sf o rt h ea b s o r b e r ，t h ei n t e m a lf a c t o r s ( 1 i q u i dg a sr a t i o ，t h ec o n c e n t r a t i o n a n dt e m p e r a t l l r eo ft h es o l u t i o n ) a n de x t e m a lf a c t o r s ( t h et e m p e r a t l l r eo fa i r ， h u m i d i t y ) o nt h eh u m i d i t yo fo u t l e t a i rw a si n s p e c t e d e x p e r i m e n t a ld a t a s h o w e dt h a tt h ed e v i c eh a dv e 巧g o o dp e 怕m a n c e t l l ec h a n g e so fi n t e m a l f a c t o r sh a v eg r e a t e re f f e c to nm ed e s i c c a n tc o m p a r et ot h ee x t e m a lf a c t o r s i n 北京化t 大学硕士研究生学位论文 t h em a t h e m a t i cm o d e lo ft h ep a c k e dt o w e rw a se s t a b l i s h e d ，a n dt h e s i m u l a t i o na c c o r d e dw i t hm ee x p e r i m e n t a ld a t a t h em o d e lw a su s e dt o a n a l y s i st h eo u t l e tp a r a m e t e r so ft h ea i rh u m i d i t y ，a i rt e m p e r a t u r e ，s o l u t i o n c o n c e n t r a t i o na n dt e m p e r a t u r ev 撕e t i e sa l o n g s i d et h et o w e r l o wt e m p e r a m r e a n d h i 曲 c o n c e n t r a t i o no ft h e i n l e ts 0 1 u t i o nc a n s t r e n 伊h e n t h e d e h u m i d i f i c a t i o n ，w h i l ef o rm ee x p e r i m e n t a ld e v i c e ，t h eb e s tm a s sf l o wo f s o l u t i o nt oa i rr a t i oi sa b o u t3 o a sf o rt h er e g e n e r a t i o ne x p e r i m e n tw i t ht h ep u l v e r i z a t i o ns p r a yr e g e n e r a t o r ， t e s t e dt h er e g e n e r a t i o nc a p a c i t yo nd i f f e r e n ti n l e ts o l u t i o nt e m p e r a t l l r ea n da i r f l o w e x p e r i m e n t a ld a t as h o wt h a tu s et h es i m p l es t m c t l l r e ，i o wp r e s s u r ed r o p p u l v e r i z a t i o ns p r a yr e g e n e r a t o rt or e n e wt h ed i l u t es o l u t i o ni st o t a l l yf e a s i b l e t h em o d e lo ft h er e g e n e r a t o rw a sb u i l tt oa n a l y s i st h ed i s t r i b u t i o no ft h eo u t l e t s o l u t i o nc o n c e n t r a t i o na n dt e m p e r a t u r e h i g hi n l e ts o l u t i o nt e m p e r a t u r ec a n s t r e n 或h e nt h er e g e n e r a t i o n ，w h i c hw a sc o n s i s t e n tt oe x p e r i m e n t a ld a t a ，w h i l e t h ei i l l e ta i rt e 1 p e r a t u r ea 1 1 dl m m i d i t ye f - f e c t sw e a l ( 1 y k e yw o r d s ：a b s o r b ( 1 e h u m i d i f i c a t i o n ，p a c k e dt o w e r ，p u l v e r i z a t i o ns p r a y r e g e n e r a t o r ，t r a n s f e rm o d e l ，l i c ls o l u t i o n i v h h l i k 三 m p q r r s f x z 希腊字母 q 九 毛 p 0 下标 a 1 n 符号说明 填料有效比表面积，m 2 m - 3 比热容，l ( j k 9 1 1 喷嘴排放口直径，m 填料名义尺寸，喷嘴入口直径，m 水蒸气在空气中的扩散系数，m 2 s 。1 空气流量，k g s d 喷嘴质量流量，k g s 空气的绝对湿度，k g k 百1 传热系数，k w m 2 。1 喷嘴个数 焓，k j k g 。 传质系数，喷嘴几何常数，k m 0 1 m 2 s 一l ( p a 1 液体流量，k g s 以 摩尔质量，k g k n l o l 。1 压力，p a 体积流量，m 3 s 喷嘴半径，m 旋流半径，m 填料层截面积，m 2 摄氏温度， 氯化锂溶液质量分数， 填料高度，m v i l 喷射角 水气化潜热，k j k g - 1 黏度，p a s 喷嘴填充系数 密度，k g m 。3 无因次温度 空气 入口 坩唧如d g 北京化t 人学硕十研究生学位论文 o u t 1 v v i u 出口 溶液 水蒸气 北京化工大学硕l 研究生学位论文 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：i 丑垂盈 日期：! 易f ： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京 化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名： 导师签名： 日期：堡墨：三：至! 日期：丝金：之：丝： 北京化t 大学硕士研究生学位论文 1 1 引言 第一章文献综述 空气湿度是一个与人们的生产和生活有密切关系的重要环境参数。空气湿度过高， 会引起金属锈蚀，机器损坏，粮食、种籽、食品、茶叶、药品、水果等变质和霉烂， 电气绝缘性能降级，给国民经济造成重大损失。在精密机械、计量仪器、电子、纺织 和化工等生产过程中，如不对湿度进行控制，会严重影响产品质量。因此，随着生产 的发展和生活水平的提高，空气湿度调节己日益成为工业、农业、国防、轻工业、商 业和日常生活中不可缺少的一门专门技术了【1 1 。 近年来，人们对居住环境的舒适性也提出了更高的要求，除湿技术在调节室内环 境、改善人们工作、生活条件方面发挥着日益重要的作用。 1 2 除湿系统概述 去除湿空气中的水分的方法有以下五种：冷却法除湿，溶液吸收式除湿，固体吸 附剂除湿，转轮法除湿，膜法除湿。也可用多种方式组合这五种方法，构成新的除湿 系统。表1 1 列出各种除湿方法的特性【2 】。从表中我们可以看出各种除湿方法分离原 理、设备占地面积、操作维修、处理空气量、生产规模、能耗等方面各有优缺点。我 们在设计和选择除湿机的时候要根据需要来考虑这些优缺点，从而达到设计出最符合 要求的除湿机的目的。 表1 1 空气除湿方法的性能比较图 t a b i e1 - lc 锄p a r eo fs e 、 耐1 ( i n do fa i rd e h l l l l l i d i f i c a t i o n 北京化工人学硕l ：研究生学位论文 1 3 吸收式除湿系统概述 1 3 1 溶液吸收除湿系统介绍 溶液吸收式除湿是利用某些吸湿性溶液能够吸收空气中的水分而将空气除湿的方 法。它又称液体吸收法，简称液体除湿。 空气中的水蒸气含量很少，每千克空气中只含有几十克水蒸气，但是由于水的汽 化潜热很高，除湿的能耗要占空调总能耗的2 0 4 0 。随着国家经济的高速发展和人 们对环境的要求日益提高，新的空调方式显度的独立控制成为一种发展趋势，新 的除湿技术的发展就成为能源和环境领域的一项重要课题【2 】。液体除湿可以靠低品位 热能再生，如太阳能，地热能，发动机余热等都可以用来再生液体吸湿剂，它是一种 绿色的节能的除湿方式。 1 3 2 溶液吸收除湿的特点 采用液体除湿空调系统与传统的空调系统相比有以下优势： ( 1 ) 热负荷、湿负荷分开处理，避免了过度冷却和再热的损失，有较高的能源利 用效率并提高了室内的舒适程度； ( 2 ) 通过溶液的喷洒可以除去空气中的尘埃、细菌、霉菌及其他有害物；同时由 于避免了使用有凝结水的盘管，也消除了室内的一大污染源；可采用全新风运行；提 高了室内空气品质； ( 3 ) 可使低温有热源驱动，为低品位热源的利用提供了有效的途径； ( 4 ) 可以方便的实现蓄能，系统中设储浓溶液的容器，负荷小的时候储存浓溶液， 负荷大的时候用来除湿，从而减小了系统的容量和相应的投资；单位质量蓄冷能力为 冰的蓄冷能力的6 0 ，而且无需保温等措施； ( 5 ) 整个设备各个部件构造简单，节省初投资。 1 4 溶液吸收式除湿系统的国内外研究进展 1 4 1 溶液吸收除湿国内外研究发展现状 目前此领域内的研究在国内外比较活跃，研究主要集中在两个方面：实验研究、 理论研究。在实验研究上，主要是针对除湿工质、液体除湿器和再生器结构方面的实 验研究；在理论研究上，主要是分析除湿过程与再生过程气液间的传热传质理论，根 据具体情况建立数学模型，利用模型进行模拟计算。 2 北京化t 大学硕：i ：研究生学位论文 ( 1 ) 液体除湿剂的研究 液体除湿剂的性能很大程度决定了液体除湿系统的性能优劣，除湿剂的选择对于 系统性能至关重要，因此国内外许多学者在除湿剂方面作了大量的工作。 由于液体除湿空调系统需要大量的除湿剂，因此价格成为选择除湿剂的一个重要 因素，围绕除湿剂的性能和价格，各国学者进行了大量的实验和研究工作。对单一溶质的 除湿剂的理论和实验研究较多。l a z z 撕n 等人【3 】对采用溴化锂溶液的除湿系统在各种 参数变化的条件下进行了实验，得到了大量的实验数据。g a l l d h i d a s a i l 等人【4 】对氯化钙 溶液应用于太阳能再生器中进行了研究，a b d l l l w a h a b 等人【5 】通过改变填料塔中填料的 填充密度对三甘醇溶液进行了实验，f 啪。等人【6 】通过改变氯化锂溶液浓度、温度、流 量及空气流量、含湿量对除湿器和再生器进行了实验研究。 为了寻求一种性能好、成本低的理想除湿剂，很多学者建议将除湿性能优良但价格 高的除湿剂与性能较差但价格低的除湿剂进行混合。1 9 9 2 年e r t a s 等人【7 】对氯化锂和 氯化钙的混合溶液的物理性质进行了研究，包括密度、粘度、水蒸气压和溶解性等， 研究结果表明氯化锂和氯化钙按照1 ：1 的混合比可以获得最好的性价比。除湿剂的热 物理性质对于分析其除湿性能是非常重要的，a h n l e d 等人【8 】研究了混合溶液表面的水 蒸气分压力及混合溶液的密度、黏度等物理性质，并对氯化锂、氯化钙混合溶液的物理 性质进行了实验研究，大大简化了氯化锂、氯化钙混合溶液物理性质的计算方法。通过 理论计算分析，a m e e l 等人【9 】认为将氯化锂和氯化锌以质量比为2 ：1 混合后作为溶质 的除湿剂是最理想的，虽然混合溶液比溴化锂溶液的除湿性能下降5 0 7 0 ，但是价 格却可以下降至约1 5 ，而且混合溶液在黏度和溶解度上表现出理想的特性。总体来 说，溴化锂、氯化钙、氯化锌、氯化锂溶液的任意2 种混合物溶液均能表现出比单一溶 质的溶液更理想的特性。天津大学杨英、李心刚、李惟毅等【lo 】提出用以物质的量之比 为1 ：1 的比例将氯化钙、氯化锌混合溶解后作为除湿剂，设计了液体除湿装置，研究 了空气流量、温度、湿度与溶液流量对除湿性能的影响。1 9 9 7 年甜l n l e d 【1 1 】用经典热 力学方法计算氯化锂水溶液的饱和水蒸气压，同时采用混合法则研究了氯化锂和氯化 钙混合溶液的物理性质，结果表明通过该方法计算的物性与实验结果基本一致。2 0 0 4 年，m 锄u e l 【1 2 】给出了氯化锂和氯化钙物性与水物性之间的关联式，为模拟计算提供便 利。 ( 2 ) 除湿器与再生器结构研究 除湿器和再生器是溶液吸收除湿空调系统的核心部件，是进行除湿、再生的场所。 除湿、再生过程是一个热质耦合传递过程，研究除湿、再生过程的传热传质对于提高 除湿系统的性能以及对除湿系统的优化有重要的意义。根据是否对除湿过程进行冷却， 可以分为两大类：绝热型除湿器和内冷型除湿器。 绝热型除湿器与再生器 填料塔绝热型除湿器与外界的热传递很小，可以近似看成绝热过程。填料塔除湿 器，具有结构简单，比表面积大的优点，可以根据需要填充不同类型的填料，不同类 3 北京化t 人学坝i ：研究生学位论文 型的填料空气阻力不同。除湿过程中，除湿溶液从除湿器顶部喷洒而下，在填料层上 蜜辨 德灞 图1 1 绝热逆流吸收塔 f i g 1 - lp a c k e dt o w e r 形成均匀薄膜缓缓流下，被处理空气从塔底逆流而上，在填料表面进行传热传质。 日日订填料塔的填料主要有散堆填料和规整填料两大类。通常使用的散堆填料有拉 西环、鲍尔环、贝尔矩鞍、阶梯环等，所采用的材质也是多种多样，有金属、塑料、 陶瓷等。散堆填料在大直径塔中液体分布不均匀，流体动力学性质带具有不规则性， 并且不可控，容易形成沟流、壁流等不良状态，很难实现填料的有效润湿，影响除湿 效果；散堆填料对流量负荷的适应性不强，大直径塔的效率下降很大，放大效应严重。 与散堆填料相比规整填料以其独特的规则几何形状，规定了气液的流路，克服沟 流、壁流等现象，消除了放大效应，同时提供较大的气液接触表面积，提高了除湿效 率，并降低流体阻力。目前规整填料主要有波纹填料、栅格填料、脉冲填料等。目前 波纹填料是应用最广泛，技术最成熟的一种规整填料。 绝热型除湿器与再生器结构形式较为单一，早期多为喷淋塔结构，后为了增加气液 接触面积而多采用填料塔，气液可采取逆流或顺流形式。其研究重点在以下几方面： 研究气液阻力小、接触面积大的新型填料，建立并求解数学模型，研究各运行参数的影 响。 f a c t o 衍口g r o s s m a n 1 3 】通过理论和实验研究证明了填料塔作为液体除湿系统除湿器 的可行性。a r s h a dy k h a 等人 1 4 】认为，空气和除湿液顺流或逆流对塔式吸收器除湿效果 的影响不大，而除湿塔的尺寸、进口处除湿液浓度和温度、空气的质量流速等才是重要 的影响因素。阿曼大学a b d u l w a h a b 等【1 5 】研究了不同比表面积的规整填料及运行参数 对其影响。意大利p a d o v a 大学g i o v a n n i a 等【1 6 】建立的除湿和再生塔采用了不锈钢外壳 和鲍尔环松散填料。以色列技术研究所机械工程部g o m m e d 【1 7 】建立了开式“c 1 水绝热 型冷却除湿实验台。 天津大学董岩等【1 8 】采用3 5 0 y 型不锈钢波纹孔板规整填料建立了逆流式绝热型除 湿塔实验台，并利用实验数据拟合出了传热与传质系数公式。由世俊等【l 别研究了三种不 同特征尺寸的铝质填料表面的热质传递特性，结果表明溶液流量、空气流量和填料的比 4 北京化- t 人学硕1 ：研究生学位论文 表面积均存在最佳值，超出此上限则会增大流动阻力或导致漂水。清华大学李震等【2 0 1 、 刘晓华等【2 l j 将多个绝热填料塔串联起来进行逐级除湿，目的是降低传质过程中的不可 逆损失，充分利用除湿剂的吸湿能力；上海理工大学柳建华等【2 2 】建立了液体除湿空调实 验台并对其性能进行了试验研究，结果认为在诸多的入口参数中，溶液的温度和流量的 变化对空气出口的温湿度影响较大。 内冷型除湿器 内冷型除湿器是空气和液体除湿溶液进行除湿的过程中，被外加的冷源( 如冷水 或冷却空气等) 所冷却，带走除湿过程中产生的水液化潜热，除湿过程近似等温过程， 入口 图l _ 2 水冷平板除湿器 f i g 1 - 2p l a t ed e h l 】m i d i f i 盯埘t hc o o i i n g - 、a t e r 使除湿溶液能保持较低的表面蒸汽压力，提高除湿效率。 图l 一2 所示为一种水冷型平板除湿器。除湿溶液从除湿器上部沿着平板往下流动， 平板上的涂层使除湿溶液均匀的分布在整个平板上，被处理的空气从下往上流动，在 板间与溶液发生传热传质，冷水在平板内部水平方向流动，带走除湿过程产生的热量。 内冷型除湿器需要很好的密封，制造比绝热型除湿器复杂，冷却介质的泄漏会影响除 湿器的正常工作。 内冷型除湿器的结构及所使用的材料类型繁多，目前已有诸多形式迥异的内冷型 除湿器问世。根据所使用的冷却介质的不同，可分为空气冷却型、水冷却型以及空气和 水同时冷却型三类。 南澳大利亚大学s 锄肌等【2 3 】提出了一种水冷顺流式除湿塔的设想，其中利用冷却 水盘管来带走除湿过程中产生的热量。波多黎哥大学k h 锄【2 4 】研制了l i c l 叉流肋片管 式除湿器，建立了二维稳定场模型来预测其冷却和除湿性能，由于除湿液的腐蚀性较强， 故目前许多研究采用抗腐蚀性强的塑料材料制作除湿器。澳大利亚昆士兰工程技术大 学s h a h a b 等【2 5 】使用聚丙烯制造的“c l 叉流板式换热除湿器则利用回风和冷却水来对 除湿过程进行降温。 东南大学孙健等【2 6 】则利用不锈钢和玻璃特制了逆流式c a c l 2 除湿器并进行了实 验，研究认为空气冷却可以带走部分汽化潜热，有助于提高传质过程，且认为增加溶液浓 北京化t 大学硕上研究生学位论文 度和汽液流量都能够增加除湿量。张小松【2 1 7 1 等同样利用聚丙烯塑料薄膜制造了板翅式 波纹板降膜结构水冷除湿器。赵云【2 8 】研制了一种内冷型隔板式除湿器，并且对氯化钙 的除湿特性进行了实验研究。北京化工大学王明华等【2 9 】利用不锈钢和有机玻璃搭建的 壳管式l i c l 溶液垂直降膜间壁冷却除湿器实验台，研究了液气比和溶液浓度的影响，并 建立了基于一维稳定分子扩散原理的数学模型。 ( 3 ) 除湿过程传热传质理论研究 以填料塔为代表的绝热型除湿器，人们提出过多种传热传质数学模型，模型大致 可以分为两类：一类是有限微分传热传质模型3 0 ，3 1 ，3 2 ，3 3 1 ，1 r c y b a l 对o l a n d e r 的传热传 质模型进行了完善，这就是后来被广泛应用的微元控制体模型。f a c t o r 和m s s m a n 以 及g a l l d l l i d a s a n 等人又先后对其进一步完善，在数值算法上作了一些改进，使其能够较 好地求解发生在绝热型除湿器中的传热传质过程。在建模过程中将除湿器沿高度方向 划分为一个个微元控制体，在稳定的除湿状态下，对发生在气液界面处的传热传质过 程作简化假设，推导出传热传质的控制微分方程，较好地求解了发生在绝热型除湿器 中的传热传质过程；另一类是非微分传热传质整体模型【3 4 ，3 5 1 ，这种整体求解的模型通 过实验数据关联效率因子，模型只能计算除湿器出口处流体参数，不能用来分析各参 数的微观变化情况，有一定局限性，关联的公式使用范围受到限制。现已经发展了第 三种比较成熟的除湿塔数值计算模型，s t e v e n s 、s a d a s i v 锄等人提出的r 仉，模型 【3 6 ，3 7 1 ，该方法能在保证计算精度的前提下简化计算过程，具有工程应用价值。 清华大学陈晓阳等【3 8 】对交叉流和逆流填料式除湿系统模型在顺流和逆流两种情 况在一定简化条件下给出了解析解，得出了状态参数沿程分布情况，能够较好的。路则锋 等人【3 9 舯】对逆流、交叉流填料式液体除湿系统传热传质过程进行了合理简化，获得了 描述热质传递过程的微分方程组的解析解，可用于除湿系统的设计和校核计算等，但 假设除湿过程为等温，且未考虑溶液的熔解热；路则锋还在热力学盐球和盐球比热容 基础上，提出逆流填料式液体除湿系统的设计计算方法n t u 法。 由于再生器一般多采用与除湿器相类似的结构形式，而两种过程中只是水分的传 质方向相反，所以这一类数学模型同样适用于再生过程分析。 在内冷型除湿器的数学模拟方面，由于内冷型除湿器多采用降膜的形式让除湿溶 液和被处理空气接触，( 衲s s m a j l 等【4 2 4 3 】根据降膜流动的雷诺数将降膜划分为层流和紊 流，对降膜的速度和厚度进行描述，并结合其传热传质特性，借助于连续性、动量和能量 三大控制方程建立的除湿过程的数学模型，但其中某些系数的取值还需要以实验为依 据，这类模型的求解较为复杂，但是通过它计算出的关于除湿溶液的温度场和浓度场 与实验数据非常吻合。另外，y 觚g 等】通过假设对g r o s s m a l l 建立的数学模型进行简化， 得到了与实验数据相吻合的数值结果。代彦军等【4 5 】对采用蜂窝结构的除湿器给出了统 一的数学模型，对除湿器内复杂的传热传质过程进行描述，数值模拟结果与实验数据基 本一致。代彦军等【删还针对错流降膜液体干燥剂除湿及再生过程建立并求解了基于实 际除湿系统的数学模型，结果表明传热传质系数与气流流动状态、除湿剂的热物理性质 6 北京化t 大学硕士研究生学位论文 等有关。 1 4 2 技术进展 经过7 0 多年的发展美国k a t h a b a r 公司的l i c l 液体除湿技术已经成熟，能够用于 生产满足大部分客户要求的除湿机组【47 1 。虽然k a m a b a r 技术很成熟，但是体积大、造 价高、维护运行费用高，故很难推广到各行各业的除湿需求，随着应用上的多方面需 求，使得液体除湿技术依旧不断发展。 1 9 9 5 年英国人j 黜x 等人研究出一台家用无泵循环液体除湿装置的样机【4 8 】。1 9 9 8 年美国费德斯公司申请了一种用锅炉热气浓缩稀溶液的液体除湿空调系统的专利【4 9 】。 2 0 0 4 年美国a i l 公司研发出型号为o a 6 0 0 0 的低除湿液流量的燃气驱动内冷型除湿机 组，其处理空气量达到1 6 9 9 m 3m i l l 一，而对应的“c l 除湿剂的流量仅为1 8 9lm i n o 【5 0 】。 近年来，液体除湿技术在我国也有很快的发展。例如青岛海科节能工程技术有限公司 1 9 9 7 年研制出我国第一套全自动化液体氯化锂除湿系统。该系统直至今运转良好 5 l 】。 2 0 0 1 年之后分别研制生产了多套液体除湿系统。北京华创瑞风空调科技有限公司( 2 0 0 5 年) 生产的溶液热回收型新风机组，它可以满足全年新风处理要求，并且机组能源效率 远高于原空调新风机组。目前该公司也完成了多项工程应用【5 2 】。 在浓差蓄能方面，东南大学的施明恒等人做了许多研究，在2 0 0 5 年发明了一种将 蓄能与制冷装置结合为有机整体的新型空调系统【5 3 1 。清华大学、上海市建筑科学研究 院有限公司的刘拴强等人在2 0 0 5 年发明了一种热泵驱动的蓄能型液体除湿空调系统 【川。 1 5 溶液吸收式除湿系统的应用前景 液体除湿空调系统，从保护环境、节约能源等方面来看是一种很有吸引力的新的 空调方式。它直接吸收空气中的水蒸气，节省了压缩式制冷空调系统中需将空气冷却 到露点温度进行除湿所消耗的能量。这种系统用水做工质，消除了氟氯烃等制冷剂对 环境的破坏作用。它可以利用太阳能、地热以及工业余热等低品位能源作为再生热源， 耗电极少，约为压缩式空调系统的三分之一左右【2 】。此外，该系统可以单独控制处理 空气的温度和湿度，能满足多种用途的需要。随着我国城市能源结构的调整，天然气 将成为重要的城市能源，燃气蒸汽联合循环是天然气利用的理想方式。在该方式中， 一年四季都需要有热负荷。溶液吸收除湿空调系统将是理想的匹配方式。 1 6 本文的研究工作内容与目的 ( 1 ) 自行建立了一套溶液吸收式除湿实验装置，其中吸收器为逆流绝热填料结构， 7 北京化工大学硕_ l 研究生学位论文 再生器采用雾化闪蒸喷淋再生结构； ( 2 ) 开展以氯化锂溶液为除湿剂的除湿和再生实验，探讨空气和溶液进口参数的 变化对除湿和再生过程的影响，找出除湿过程与再生过程的主要因素； ( 3 ) 对逆流绝热填料塔除湿过程和雾化闪蒸喷淋再生塔的再生过程分别建立相应 的数学模型，通过实验数据验证模型的适用性；利用数学模型来分析考察系统内部的 传热传质特性，溶液与空气参数分布以及各入口参数的灵敏度。 北京化t 大学硕：仁研究生学位论文 第二章溶液吸收除湿系统原理 2 1 溶液吸收除湿系统原理 溶液吸收除湿是利用某些吸湿性溶液能够吸收空气中的水分而将空气除湿的方 法，系统由除湿部分和再生部分组成。 溶液吸收除湿原理是：在适当的温度和浓度下，使除湿溶液表面饱和蒸气压小于 被处理空气中的水蒸气分压，水蒸气便会从空气向除湿溶液传递，空气的湿度下降， 完成一个除湿过程。 除湿过程是复杂的传热传质过程耦合，传热的推动力是空气和除湿溶液的温度差， 而传质的推动力是空气中水蒸气的分压与溶液表面饱和水蒸气压之差。除湿过程中， 由于空气中水蒸气分压大于溶液表面的饱和水蒸气压，水由空气向溶液传递，实现除 湿过程。除湿过程分为三个步骤： ( 1 ) 水蒸气由空气主体扩散到气液相界面气相一侧； ( 2 ) 水蒸气在气液相界面上凝结，进入液相； ( 3 ) 水从相界面液相一侧扩散到溶液中。 如果二者接触时间足够长，除湿溶液和处理空气达到相平衡，被处理空气的水蒸 气分压将与除湿溶液水蒸气分压相等，溶液和空气温度也相同。实际除湿过程，不可 能达到相平衡，空气和除湿溶液之间总存在一定的压力差和温差。空气中水蒸气分压 和溶液表面水蒸气压的压力差就是传质推动力，除湿过程的传质平均压差可用公式 ( 2 1 ) 表示( 积分上下限0 和 表示除湿器入口和出口高度) ： 1 一i i ，、 尸= i n 慷一只膨 ( 2 1 ) 厶j 0 、 ， k 么。l 式中：r 被处理湿空气的水蒸气分压，p a ； p s 除湿浓溶液表面的水蒸气分压，p a ； j i l 为有效除湿器高度。 再生过程是除湿的逆过程，恢复除湿溶液的除湿能力，需要将除湿溶液提浓度。 实现再生溶液的再生，水分由溶液向空气转移，需要溶液表面的水蒸气压大于空气中 水蒸气分压。溶液表面饱和水蒸气压随溶液温度升高而增大，提高除湿溶液温度，使 溶液表面水蒸气压大于再生空气水蒸气分压，水由溶液相向空气相转移，实现溶液的 再生。再生对热源品位要求不高，可以利用太阳能、地热、工业余热等多种低品位热 源。 9 北京化1 = 人学硕t ：研究生学位论文 2 2 吸收除湿剂物性 2 2 1 除湿剂 由除湿原理可知，除湿过程中除湿剂的性质对除湿系统的性能有重要影响，直接 关系到除湿系统的除湿性能和再生需要的热源品位。除湿剂的主要性质包括物理性质 溶解度、蒸气压、密度、黏度等和热力学性质比热容和传热传质特性等。理 想的除湿剂应具备以下性质： ( 1 ) 除湿剂尽可能的无毒性、无腐蚀性，价格便宜，具有化学稳定性； ( 2 ) 在除湿系统工作条件下有较高的溶解度，以减少除湿剂的耗用量： ( 3 ) 应具有较低的饱和蒸气压力，以减少除湿剂的挥发损失和增强传质推动势； ( 4 ) 除湿剂在除湿过程中对空气中水分有良好吸收效果的同时，再生过程也要比 较容易进行，不需要太高的再生温度； ( 5 ) 在工作温度范围内，不易发生结晶； ( 6 ) 在操作温度下除湿溶液的黏度要低，以改善除湿器和再生器内的流动状态， 降低泵的功耗，减小传热传质阻力，提高系统效率。 在溶液吸收除湿系统里，现在应用和研究较多的就是氯化钙、溴化锂和氯化锂水 溶液。 除湿溶液蒸气压是选择除湿剂的一个非常重用的标准。氯化锂溶液比溴化锂和氯 化钙溶液有更低的平衡蒸气压，除湿传质推动力更大，更容易再生。另外，溴化锂的 溶解度大，要想得到比氯化锂溶液更低的蒸气压，需要更高的溶液浓度，溶液越容易 结晶，不利于系统的稳定运行。 溶液除湿剂另一个不可忽略的物性是其腐蚀性。氯化钙、溴化锂、氯化锂都是非 氧化性卤素盐，其水溶液对碳钢、铜等材料具有一定的腐蚀性，溶液与材料表面接触 时发生氧气极化腐蚀，腐蚀程度与溶液p h 值密切相关。在相同摩尔浓度下，三者p h 大小顺序为：“b r l i c l c a c l 2 。其中l i c l 是中性盐，c a c l 2 偏酸性，对金属的腐蚀最 大；l i b r 、l i c l 的腐蚀大体相当，但是l i b r 的再生温度高更高，对系统的腐蚀比l i c l 严重。 考虑成本因素，l i c l 价格较高，l i b r 更贵，c a c l 2 最便宜。文献综述部分介绍了 国内外不少学者研究混合型除湿剂的除湿性能。 综合考虑比较各因素可以得出，l i c l 水溶液是较为理想的除湿剂。本实验采用氯 化锂水溶液作为除湿溶液。 l o 北京化t 大学硕l 研究生学位论文 2 2 2 氯化锂水溶液物性 氯化锂作为除湿剂具有比热小、黏度低、吸收能力强、不易产生泡沫等特点，不 少学者研究了其热力学性质。研究表明氯化锂非常适合作为除湿剂。为了实现实验计 算和模型模拟需要，有必要实现氯化锂的相关物性公式化【5 5 1 。与除湿效果密切相关的 性质包括以下几方面： ( 1 ) 氯化锂的溶解度 为了保证系统的稳定运行，避免氯化锂出现结晶现象，设计浓度应该低于最低工 作温度下的饱和浓度。氯化锂溶液结晶有两个转折点，一个在1 8 5 ，另一个在9 6 。 低于1 8 5 时，溶液达到饱和时“c l 2 h 2 0 结晶析出；温度在1 8 5 和9 6 之间，溶 液达到饱和时l i c l h 2 0 结晶析出；温度高于9 6 ，l i c l 结晶析出。 ( 2 ) 氯化锂水溶液的密度 氯化锂的其它物性是一般关联的是浓度，但是氯化锂溶液的浓度不能直接测定。 在一定温度下，氯化锂温度与浓度存在唯一对应关系，根据密度可以得到相应的浓度。 密度可以通过重度计或密度计直接测量得到。图2 1 给出了氯化锂溶液密度与浓度( 质 量分数) 的关系。 “c l 水溶液的质量分数z 与密度p 的关系为： 础嘞2 0 ( r 痉岛( 击) 彳 岳 量 q 图2 1 氯化锂溶液密度与浓度关系 f i g 2 - 1d e n s i t i e so fa q u e o u ss o l u t i o i l so fl i “啪c h l o r i d e 式中：p h 2 0 ( 乃是纯水在温度丁下的密度，k g m 3 户o = 1 0 ，p l = o 5 4 0 9 6 6 ，户2 = 一0 3 0 3 7 9 2 ，p 3 = o 1 0 0 7 9 1 。 ( 2 2 ) 北京化工大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) 氯化锂水溶液表面的水饱和蒸气压 根据实验数据，关联了纯水饱和蒸气压和该温度下氯化锂溶液饱和蒸气压之间的 关系： r i c g ，丁) = 晶：o 仃陟：，厂g ，口) ( 2 3 ) 厂( x ，乡) = 彳+ 召秒 ( 2 - 4 ) p ：三：三( 2 5 ) 疋 6 4 7 3 4 = 2 一 1 + ( 三) 1 】4 z ( 2 6 ) 7 z o b = 1 + ( z ) 以】一1 ( 2 7 ) 万2 5 = 1 一【1 + ( - ! l ) 2 7 】铂一万9 p o 册5 ( 2 8 ) 一( j o 1 ) 7 2 6 式中：x 为溶液氯化锂质量分数； 瓦为水的临界温度，6 4 7 3 k ； 乡为关于温度丁的中间变量； 万，彳，召为模型参数。 9毋；柚604 ； 如n | lk ；| 7 | 并 ， 。号 ， l 出i t 腻n| 、 以入。、7 义l、 。 咔卜兮哎1x l ， 。 、 心之 1 、 姗孓 弋 、 、叶 、 、 、 _ 一- - - 一 、 、j - 、钟r 1 _ 、 小眺，弋 、 - 、 。 、 、 ，、- 。、， 、 、 艄。7 - - 、 - - 、 、 、 、 、 弋 - 、- 卜、 、 ， 、 、 蚤 、l 0 、 。 心、? 莲 、， l 、 、 湫 、 。 n 05i o 1 5 2 0 1 5加 3 54 04