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北京化工大学硕士研究生学位论文 氯化锂降膜吸收除湿过程研究 摘要 传统的空调制冷方式以消耗电能为主，随着制冷空调的普及应用，传 统的制冷方法导致了目前令人们关注的两大问题：能源问题和环境问题。 能源问题是由于传统的压缩式制冷空调消耗大量的电能，引起电能的紧张 局势；环境问题是由于传统的氟利昂制冷剂工质造成的臭氧层破坏。液体 除湿空调系统是一种环保节能的新型空调方式，液体除湿空调系统可以利 用太阳能、工业余热等低品位热源作为再生热源，该系统中没有氟利昂制 冷工质，对环境没有污染，能够有效地缓解空调应用引起的能源和环境问 题。 本文介绍了液体除湿技术的研究背景和发展现状，从液体除湿技术的 基本原理出发，利用实验室现有条件，建立了液体除湿和再生实验台。 进行了以氯化锂水溶液为除湿溶液的绝热填料塔除湿过程实验，考察 气液各进口参数对各出口参数值的影响。空气入口温度对除湿影响最小， 除湿效果与溶液温度、浓度、流量和空气流量、湿度关系密切。 进行了氯化锂溶液立管降膜再生过程实验研究，在可选择的实验参数 范围内，通过实验考察了空气和氯化锂溶液各进口参数变化对再生效果的 影响。空气温度、流量和溶液流量对再生脱水量影响很小，随溶液温度、 浓度和空气流量变化明显。 分别建立了填料塔除湿和立管降膜再生模型，模拟结果与实验结果趋 势一致，通过实验值与模型计算值比较，模型计算值与实验值偏差在2 0 北京化工大学硕士研究生学位论文 内。可以利用模型考查各因素对除湿和再生的影响，指导实验和设计。除 湿和再生对各参数的依赖性不尽相同。除湿量对溶液的入口浓度、温度、 流量，空气的入1 3 湿度具有较强的依赖性，而空气的流量和温度对其影响 较小。由于再生降膜管径较小，液气比偏高，空气出口状态与入口状态关 系不大，随着空气流量增大，再生器脱水量线性增加，随湿度和温度变化 不明显；再生器脱水量与空气流量，溶液温度和浓度关系密切，脱水量随 流量缓慢增大。 关键词：吸收除湿，填料塔，立管降膜，模型，氯化锂水溶液 i i 北京化工大学硕士研究生学位论文 i n s t i g a t i o no fd e h u m l d i n c a l i o n p r o c e s so ni a l l i n g f i l mo fl i c ls o l u t i o n a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a lc o m p r e s s i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e m sc o n s u m ep l e n t yo f e l e c t r i c a le n e r g y w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n dw i d e l ya p p l i c a t i o no ft h e t e c h n o l o g yo fr e f r i g e r a t i o na n da i rc o n d i t i o n i n g ，t h e t r a d i t i o n a lw a yo f r e f r i g e r a t i o nh a sr e s u l t e d i nt w os e v e r e p r o b l e m s c o n c e r n e db yp e o p l e p r e s e n t l y , w h i c ha r et h ei s s u e sa b o u te n e r g ya n de n v i r o n m e n t t h ee x p e n s e o f p l e n t yo fe l e c t r i c a le n e r g yl e a d st ot h ei s s u ea b o u te n e r g y t h ei s s u ea b o u t e n v i r o n m e n ti sp r o v o k e db yt h ee x t e n s i v eu s eo ft r a d i t i o n a lr e f r i g e r a n t f r e o n l i q u i dd e h u m i d i f i c a t i o nw a sd r i v e nb yl o wt e m p e r a t u r eh e a tr e s o u r c el i k e s o l a re n e r g y ，i l a t sm o r e t h e r ei sn of r e o nr e f r i g e r a n ti nt h en e ws y s t e ma n d n op o l l u t i o ne f f e c t t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h eb a c k g r o u n da n dd e v e l o p m e n t a lc o n d i t i o no ft h e l i q u i dd e h u m i d i f i c a t i o na n de x p a t i a t e do nt h et h e o r yo ft h ed e h u m i d i f i c a t i o n s y s t e m t h el i q u i dd e h u m i d i f i c a t i o nf a c i l i t yw a s s c tu p t h i st h e s i so b s e r v e dt h ec h a n g eo fd e h u m i d i f i c a t i o ni nt h ed i f f e r e n ti n l e t c o n d i t i o n t h er e s u l to ft h ea b s o r p t i o nw a sa c c o r d e dw i t ht h ep r e d i c t i o n s a i r f l o wr a t e ，l i q u i dt e m p e r a t u r ea n dc o n c e n t r a t i o nh a dag r e a ta f f e c t o i l i i i 北京化工大学硕士研究生学位论文 d e h u m i d i f i c a t i o n ；l i q u i df l o wr a t e , a i rt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yh a dl e s s e f f e c to nd e h u m i d i f i c a t i o n t h ee f f e c to fe a c hi n l e tc o n d i t i o no nr e g e n e r a t i o ni nt u b ef a l l i n g - f i l mw a s s t u d yi nt h ea r t i c l e t h er e s u l to ft h ea b s o r p t i o nw a sa c c o r d e dw i t ht h e p r e d i c t i o n s t h em a s so fw a t e re v a p o r a t i o nw a sh e a v yi n f l u e n c e db yt h el i q u i d t e m p e r a t u r ea n dc o n c e n t r a t i o n ；t h e a i rc o n d i t i o nh a dl e s s e f f e c to n r e g e n e r a t i o n t h em a t h e m a t i cm o d e l sw e r ee s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h ep a c k e dt o w e r d e h u m i d i f i c a t i o na n dt u b ef a l l i n g - f i l mr e g e n e r a t i o n ，w h i c hd e s c r i b e dh e a t t r a n s f e ra n dm a s st r a n s f e ra b o u tt h ec o u n t e r c u r r e n tf l o wi nt h ed e h u m i d i f i e r a n dr e g e n e r a t o ro ft h ea i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m t h ea f f e c to fa l li n l e tc o n d i t i o n o nd e h u m i d i f i c a t i o na n dr e g e n e r a t i o nw a ss t u d yb a s e dt h em o d e l s t h er e s u l t o ft h ea b s o r p t i o nw a sa c c o r d e dw i t ht h ep r e d i c t i o n s a i rh u m i d i t y , l i q u i d t e m p e r a t u r ea n dc o n c e n t r a t i o nh a dg r e a ta f f e c to nd e h u m i d i f i c a t i o n ；t h em a s s o fw a t e re v a p o r a t i o nw a sh e a v yi n f l u e n c e db yt h el i q u i dt e m p e r a t u r ea n d c o n c e n t r a t i o n ；o t h e r f a c t o rh a dl e s se f f e c to n d e h u m i d i f i c a t i o na n d r e g e n e r a t i o n k e yw o r d s ：a b s o r bd 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 , t u b ef a l l i n g f i l m ， m o d e l ，l i c is o l u t i o n i v 北京化工大学硕士研究生学位论文 符号 口 4 c p d g h ， h 置 ，雄 肘 p r o s f r “ 工 j ， z 希腊字母 占 a 岸 p 符号说明 意义 填料比表面积 风道截面积 比热容 水蒸气在空气中的扩散系数 空气流量 传热系数 焓 空气的绝对湿度 传质系数 液体流量 氯化锂水溶液流量 摩尔质量 压力 管半径 填料层截面积 摄氏温度 绝对温度 速度 氯化锂溶液氯化锂质量分数 水在空气中摩尔分率 填料高度、降膜管长 变化量 厚度 水气化潜热 黏度 密度 v l l 单位 m 2 m - 3 m 2 k j k g 1 1 m 2 s - i m 3 s - l k j m - 2 - 1s o l 【j k k g - k g 1 k m 0 1 m - 2 s - 1 k p a - l h - i k g s - i k g k m o l 。l p a m m 2 k m s - i m m k j - k g - p a s k g m 3 北京化工大学硕士研究生学位论文 无因次温度 空气 相界面 入口 出口 液相 水蒸气 v i i i 口隋。：m叫l， 北京化工大学 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已经发表或 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。 学砬论文作者签名：座暮冬 州年j 月g 日 北京化工大学硕士研究生学位论文 1 1研究背景 第一章文献综述 进入二十一世纪，科学技术锝到迅猛发展，经济飞速发展，人们生活水平不断提 高，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越来越重要的作 用。人们对除湿技术提出了更高的要求。 通常除湿方法包括以下几种：第一种是利用冷却方法使水蒸气在露点温度下凝结 除湿；第二种是利用压缩的方法，提高水蒸气的分压，使之超过饱和点，成为水滴分 离除去：第三种是利用除湿膜进行分离除湿；第四种是使用干燥剂( 液体或固体) 的 方法除湿。也可用上述几种方法除湿方法组合，复合构成除湿系统。目前，最为常用 的除湿方式为机械压缩制冷，该除湿方式是以消耗高品质电能为主，随着空调的应用 普及，极大地增加了城市的电能消耗，给城市电网带来了巨大的压力。目前我国的空 调能耗占建筑能耗的5 0 6 0 i l 】。 传统的机械压缩制冷空调装置采用的制冷剂一般为氟利昂。氟利昂为饱和碳氢化 合物的氟、氯、溴衍生物的总称。氟利昂以其不完全卤代物在物理、化学性质方面优 点突出，制冷性能优越，自二十世纪五十年代起，替代了蒸汽压缩式制冷空调中早期 的制冷工质，并占据了统治地位但是，随着对自然环境破坏有害物质的深入研究。 发现氯氟烃类制冷物质对大气臭氧有明显的破坏作用，现已发现地球的南北极出现臭 氧层空洞，青藏高原也开始出现臭氧层低谷现象。 一些新型建筑材料的应用使大量可挥发性有机物( v o c ) 进入室内，同时由于室 内潮湿而滋生的霉菌等原因，室内空气品质出现问题，尤其2 0 0 3 年s a r s 的到来，更 显示出增加新风量的必要性，增加新风量必然增大空调的能耗。 基于以上的一系列问题，在制冷空调领域工作的专家学者面临着严竣的挑战，寻 求解决这些问题的有效途径。一方面，开发新的替代c f c s 类的无污染制冷工质。在 这方面，目前出现了以美、日为代表的r 1 3 4 a 制冷剂和以德国为代表的碳氢化合物 制冷剂，以及一些其它过渡方案，但是都很难在臭氧破坏指数( o d p ) 和温室效应指 数( g w p ) 两方面同时满足要求，而且在制冷剂单位制冷量、稳定性和可靠性等方面 都存在一些缺陷。 另一方面，探索新的制冷技术和空调方法。利用低品位热能驱动的制冷空调技术 受到广大专家学者的关注1 2 , 3 1 。溶液除湿空调方法就是在这种背景下引起人们的关注， 北京化工大学硕士研究生学位论文 它是一种兼有环保和节能特征的制冷空调方法，无污染表现在于此系统不采用传统的 c f c s 类制冷工质，采用水为制冷剂；节能性体现在通过选取合适的溶液除湿荆，利 用品位较低的热源来驱动溶液除湿系统( 实现溶液的再生) ，如利用太阳能、工业废 气余热、发动机排气余热等。这就为利用低品位热源驱动的溶液除湿空调发展提供了 契机。 空调负荷包括显热负荷和潜热负荷，潜热负荷相当于对空气进行除湿处理，处理 方法有冷却除湿和利用除湿剂除湿。冷却除湿时，空气必须被冷却到露点温度以下， 空气处于饱和状态，沿饱和空气线向含湿量减小、温度降低的方向变化，直到满足湿 度要求，再将空气升温到送气温度。当对空气湿度要求极高，露点温度在o 以下时， 冷冻机除湿装置存在结霜的问题，影响传热效率。一类对水分有很高亲和力的物质， 它吸湿后经加热再生可循环使用，它包括液体除湿剂和固体除湿剂，前者如三甘醇， 硫酸溶液以及一些金属盐溶液，后者如无水金属卤素盐。液体除湿空调就是利用液体 除湿剂来完成空气的除湿任务的空调系统。 1 2液体除湿国内外研究发展现状 早在1 9 5 5 年，l 6 f 最早提出了太阳能溶液除湿空调系统的想法，并进行了实验 研究。他采用三甘醇为除湿剂，被干燥的空气经过蒸发室冷却，稀释后的除湿剂通过 太阳能加热的空气进行再生；1 9 6 9 年k a k a b a e v 等人利用l i e l 溶液作为除湿剂试 制了一台太阳能溶液除湿制冷机，他们将除湿溶液以膜状从由太阳辐射加热的屋顶倾 斜流下进行再生，屋顶上未加任何覆盖物，这就是早期的开放式集热型再生器，7 年 后他们建造了制冷能力为7 h 的太阳能溶液除湿空调系统，这种开式的集热型再生 器的表面积达到6 0 m 2 ；在1 9 7 4 年，g a n d h i d a s a n 等人设计了以c a c l 。溶液为除湿剂 的太阳能溶液制冷机，两年后在印度建造了一台这样的太阳能溶液除湿空调系统。 1 9 9 8 年，k e s s l i n g 等人利用聚丙烯材料设计建造了一台竖直板内冷型除湿器“1 ，利 用l i c l 溶液对该除湿器进行了实验研究。经过多年的研究发展，目前k a t h a b a r 、a i l r e s e a r c h 公司有各自液体除湿空调机组出售。 目前此领域内的研究在国内外还是比较活跃，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_ i ! 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 北京化工大学硕士研究生学位论文 1 2 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。 在除湿剂的选择上，最早应用的是三甘醇、乙二醇，但是其挥发性较强，容易混 入空气，进入空调房间，影响空气品质，对人体造成危害。鉴于三甘醇的高损失率， h r o b i s o n 建议使用氯化钙做除湿剂【5 1 。氯化钙是价格最为低廉的除湿剂，但不足之 处是氯化钙具有强腐蚀性；s vk a u s h i k c 6 】和rl ，y e 一分别研究了以溴化锂、氯化锂为 除湿剂的除湿系统；溴化锂、氯化锂化学性能稳定，系统性能良好；氯化锂因为其独 特的特性决定是一种性能非常稳定的除湿剂，可使用范围很大( 3 0 q 5 ) 。除湿后 空气相对湿度最低可望达到1 5 ，但相对其它除湿剂价格偏贵；而与之相比，氯化钙、 氯化锌等除湿剂价格非常便宜且易于获得，为了开发廉价的除湿剂a e r t a s 町对氯化锂 和氯化钙不同浓度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l ：l 的混合比可以获得最好的性价比。天 津大学杨英、李心刚、李惟毅等【9 1 进行了液体除湿特性的实验研究，采用氯化钙和氯 化锌组成混合工质作为除湿剂，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 8 8 年，m p a n e 姻d n 【m 】综合了许多学者的研究结果，总结了归纳了溴化锂水 溶液的各物理性质的经验公式，编写了相应的计算程序。1 9 9 7 年s ya h m e d t l l 用经 典热力学方法计算氯化锂水溶液的饱和水蒸汽压，计算结果与实验结果基本吻合，他 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 计算的氯化锂和氯化钙混合溶液的物性与实验结果基本一致。2 0 0 4 年，r m a n 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。 1 2 2 除湿器结构研究 除湿器和再生器是液体除湿空调系统的核心部件，是进行除湿、再生的场所除 湿，再生过程涉及到热量和质量( 水) 传递，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，己有多种形式的除湿器、再 生器被提出和研究，如填充床、填料塔、喷淋室、喷淋盘管等。根据是否对除湿过程 进行冷却，可以分为两大类：绝热型除湿器和带冷却型除湿器。绝热型除湿器是指在 北京化工大学硕士研究生学位论文 空气和液体除湿剂除湿过程中，除湿器与外界环境的热量交换很小，忽略除湿器与外 界环境的热交换，除湿过程近似看成绝热过程；带冷却型除湿器指在空气和液体除湿 剂进行除湿过程中，被外加的冷源所冷却，带走除湿过程中所产生的热量。再生器与 除湿器类似，也分为绝热型再生器和带加热型再生器。 v6 b e d l 3 游人建立了聚丙烯散堆填科塔型除湿器与再生器实验台，ya r s h a d 1 4 】 提出了一种内冷式除湿器，a r h a m a f i ”熄出了垂直降膜式除湿器，a a l i 1 6 】提出了倾 斜式平行逆流降膜式除湿器，c a r m a n d o 1 7 】提出了一种特殊的用液体除湿剂的离心 式的除湿器，分别研究了空气和除湿剂工况对除湿再生效果的影响。m ef a c t o r 和q c f f o s s m a n 1 8 】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。 w ys a m a n 和s a l i z a d e h 【1 9 】研究了一种除湿冷却交叉流板式换热器，建立了相应的 数学模型。文献【2 0 1 介绍了一种采用模块结构设计的新型绿色空调器，在美、英、日、 以色列和中国等国的联合参与下，已经开发研制成功。 朱瑞琪等学者【2 l 】在9 0 年代初期曾对液体除湿型空调系统中内冷型吸收器( 即除 湿器) 进行实验研究，建立了氯化钙水溶液吸收器性能实验系统，研究了吸收液( 除 湿剂) 参数变化对吸收器除湿效果的影响。赵云【2 2 】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；王明华i 】采用氯化锂溶液作为除湿剂，研 究了立管降膜除湿过程和波纹板规整填料塔再生过程，利用实验数据关联了传质系数 模型。 1 2 3 除湿过程传热传质理论研究 众多学者在除湿过程传热传质方面已进行了广泛的研究工作，提出了不少传热传 质模型。 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【1 3 , 2 4 2 5 , 2 6 ，p g a n d h i d a s a n 2 5 1 等人的提出 的有限差分模型，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【2 州，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 4 北京化工大学硕士研究生学位论文 模型，d i s t e v e n s 、m s a d a s i v a m 等人提出的p - 兀，模型3 1 捌。 随着“内冷型除湿器”的提出，在这类除湿器中除湿溶液多以降膜形式与空气接 触进行除湿。gg - r o s s m a n 3 3 , 3 4 1 根据降膜流动的雷诺数见将降膜流态分为层流和紊流， 对降膜的速度和厚度迸行描述。并结合降膜的传热传质特性，借助于连续、动量和能 量三大控制方程建立了除湿过程的数学模型，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；r y a n g 和b d w o o d 3 5 1 对降膜除湿过程提出了一个简单的数学模型，并得到了与实验数据吻合的模 型计算结果。 国内学者对液体除湿空调系统的模型方面也作了不少研究工作，代彦军等【3 6 】分析 了液体除湿系统中错流降膜除湿及再生过程的传热传质，建立了基于实际除湿系统的 除湿和再生过程数学模型；方承超等f 3 7 l 对液体除湿空调系统进行了热力学分析，得 到了填料塔除湿器、再生器等主要部件的传热传质模型，对影响系统性能的各参数进 行了分析；路则锋等人【3 8 3 9 1 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；路则锋i 删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，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。 1 3 本文研究的主要内容 ( 1 ) 论文阐述液体除湿系统基本原理，采用实验室现有条件和设备，建立液体 除湿、再生实验台； ( 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； ( 3 ) 对除湿系统的填料塔除湿过程和立管降膜再生过程的数学模型进行研究， 分别建立相应的数学模型，与实验数据比较，验证模型的适用性； ( 4 ) 利用建立的数学模型对除湿系统的除湿过程和再生过程进行模拟计算，考 查各因素对除湿再生效果的影响。 5 北京化工大学硕士研究生学位论文 2 1 液体除湿系统 2 1 1 系统原理 第二章液体除湿系统原理研究 液体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，液 体除湿技术在新型环保节能型空调的研究中引起广泛关注。液体除湿系统由除湿部分 和再生部分组成，具有体积小、处理空气量大、可以有效利用低于品位热源的特点， 是一种极具潜力的空调方式。液体除湿系统利用液体除湿剂除去空气的水，然后通过 加热使溶液再生( 提浓) ，可以利用的热源包括太阳能、地热及工业余热等低品位热 源作为再生热源。 理想溶液的温度、压力和溶液摩尔分数之间的关系可由拉乌尔定律表示。根据拉 乌尔定律，在一定温度下，理想溶液每个组分的饱和蒸气压等于纯组分的饱和蒸气压 与该组分在液相中摩尔分数之积，对于组分a b 二元溶液： 只= x ( 2 一1 ) 晶=pobxb(2-2) 式中：，i o 为纯组分a 的饱和蒸气压； p o b 为纯组分b 的饱和蒸气压； 最为溶液中a 组分的摩尔分数； 局为溶液中b 组分的摩尔分数； 实际上大部分溶液不是理想溶液，只有当溶液浓度很小时，体系才接近理想溶液， 因此实际溶液与理想溶液存在偏差。 除湿溶液大多为金属盐水溶液，盐沸点比水高很多，比如氯化锂、溴化锂、氯化 钙等，其饱和蒸气压远小于同温度下水的饱和蒸气压，溶液表面平衡压力等于水蒸气 压： p = 只脚x 眦o ( 2 3 ) 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， 6 北京化工大学_ 顷士研究生学位论文 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。 除湿过程中，待处理空气由送风通道进入除湿器，液体除湿溶液通过分布器与空 气接触进行传热传质。由于溶液表面形成的饱和水蒸气压低于空气中的水蒸气分压 力，水蒸气由空气进入液体除湿溶液中，达到除湿目的，空气湿度降低。除湿后的空 气根据需要经过后续处理达到所送风状态，送风给用户使用；也可以调节控制除湿溶 液进入除湿器的温度，除湿的同时完成空气的降温过程，一步实现空气除湿降温。吸 湿后的溶液浓度降低，为了保证系统的稳定连续运行，需要对除湿溶液进行再生，恢 复其除湿能力。 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。 2 1 2 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低的溶解度，以减少除湿剂的耗用量； ( 3 ) 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： ( 4 ) 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。 7 北京化工大学硕士研究生学位论文 除湿溶液的蒸气压是除湿剂最为关键的物理性质，在选择除湿剂时，蒸气压是考 虑的重要因素之一。在考虑除湿效果的同时，还要兼顾除湿剂的价格等因素。 在实际的除湿系统应用中，最早使用的液体除湿剂是三甘醇，目前常用的有乙二 醇、氯化钙、溴化锂、氯化锂等。三甘醇是有机溶剂，黏度较大，在运行过程中有部 分滞留，黏附在系统表面，影响系统的稳定运行；乙二醇性能较好，但容易挥发，容 易进入空调房间，对人体造成伤害，实际应用不多。现在应用和研究较多的就是氯化 钙、溴化锂、氯化锂。 l| 。 l 、 k 葺 l | il l 1 “c l c a c l 2 。其中l i c i 是中性盐，p h 为7 0 ， c a c l 2 偏酸性，对金属的腐蚀最大；l i b r 、l i c i 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 剧烈。 从以上可以看出，l i a 是较为理想的除湿剂。考虑成本因素，l i c i 价格较高，“b r 更贵，c a c i 2 最便宜。不少学者致力于多种除湿剂的复合研究，寻求更高性价比的除 湿剂。 本实验采用氯化锂水溶液作为除湿溶液。 2 1 3 氯化锂物性 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【1 甜。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l i c l 2 h 2 0 结晶析出；温度在1 8 5 c 和9 6 1 2 之间，溶 液达到饱和时l i c i h 。0 结晶析出；温度高于9 6 ( 3 ，l i c ! 结晶析出图2 - 5 是氯化锂溶 解度曲线图。 ( 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。 9 北京化工大学硕士研究生学位论文 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 - 6 给出了氯化锂溶液密度与浓度( 质 量分数) 的关系。 l i c l 水溶液的质量分数x 与密度p 的关系为： p d = p x 2 0 c d 壹i = 0n ( 毒) c 2 4 ， - 式中：p m o ( 乃是纯水在温度r 下的密度，k g m 4 p o = 1 0 ，p l = o 5 4 0 9 6 6 ，p 2 = 0 3 0 3 7 9 2 ，p 3 ：0 1 0 0 7 9 1 。 图2 - 5 氯化锂溶解度 f i g 2 - 5s o l u b i l i t y b o u n d a r y o f l i t h i u m c h l o r i d e 图2 - 6 氯化锂溶液密度与浓度关系 f i g 2 - 6d e n s i t i e so f a q u e o u ss o l u t i o n so f l i t h i u mc h l o r i d e ( 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： p 蚺g ，r ) - - p h 。仃k ：，g ，0 ) 2 - 5 ) 八五护) = 彳+ 四日 ( 2 6 ) 口= 三r = 志z7)o6 4 73 彳= 2 一【l + ( 蔓) 】z ( 2 8 ) 1 0 吕葡) i 苌 北京化工大学硕士研究生学位论文 b = 【l + ( 力 】 - i r - ( x - ，o d z 万 = l _ 1 + ( ，_ p 一7 9 9 e 0 0 0 5 。6 式中：x 为溶液氯化锂质量分数； 瓦为水的j 括界温度，6 4 7 3 k ； 0 为关于温度r 的中间变量； 石，彳，b 为模型参数。 表2 - l 蒸汽压模型参数表 t a b l e2 - 1p a r a m e t e r sf o r t h ev a p o u r p r e s s u r ee q u a t i o n ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 4 ) 氯化锂水溶液比热容 。氯化锂溶液的比热容与温度和浓度有关，以下公式关联了氯化锂溶液与同温度水 比热容： c p ，l i c l ( t ，力2 c p , ( d ( 1 一z ( 的 ( p ) ) 当x 0 3 1 时 z ( 力= a x + b x 2 + c x 3 当j 0 3 1 时有 上( 力= d + 厶( 口) = f 0 0 ”+ g o “+ 舢“” 曰：三一1 表2 - 2 比热容模型参数表 t a b l e2 - 2p a r a m e t e r so f m e e q u a t i o n sf o rt h es p e c i f i ct h e r m a lc a p a c i t y ( 2 1 1 ) 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 5 ) 氯化锂的黏度 除湿溶液的流动状况，填料润湿情况与除湿剂的黏度有密切关系一定浓度下氯 北京化工大学硕士研究生学位论文 化锂溶液的黏度通过下式关联同温度下水的黏度： 嘲，一= i ，一b 。 一+ 衅+ c ；+ d p f 2 寿 式中：p = 去一 a = o 0 9 0 4 8 1 ，b = 1 3 9 0 2 6 2 ，c = o 6 7 5 8 7 5 ，d - - - 0 5 8 3 5 1 7 2 1 4 湿空气物性 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 湿空气各状态参数之间有一些基本关系，由这些关系绘制了各种关联图表，根据 已知给定的状态参数，查表可以得到其它参数，查图的方法简单明了，有一定优越性， 但是不能解决所有问题，查图本身误差比较大，为满足实验计算和模型模拟的需要， 有必要确定各状态参数之间的计算关系式。 ( 1 ) 空气密度 由于除湿系统的操作基本在常温常压下进行，采用理想状态方程可以满足计算精 度要求。湿空气的密度可以用干空气和水蒸气的分压计算得到，计算公式： p , = 0 0 2 9 鼎+ 0 0 1 8 志 沼 ( 2 ) 空气湿度【4 3 】 湿度是表示湿空气中水蒸气含量多少的物理量，一般有两种表示方法：湿度( 绝 对湿度) 和相对湿度。湿度又称湿含量，表示湿空气中水汽的质量与干空气的质量比， 用日表示，单位k g 水汽k 干空气一。计算公式如2 一1 9 ： 肌n 6 2 2 南( 2 - 1 9 ) i p 一尸1 由公式可见，湿空气的湿度日是总压p 和水蒸气分压p v 的函数。 当湿空气中水蒸气分压等于该空气温度下纯水的饱和蒸气压力p | 时，此时称为湿 空气到达了饱和状态，其湿度称为饱和湿度，用凤表示： 以划。6 2 2 南( 2 - 2 0 ) 纯水的饱和蒸气压仅与温度有关，所以湿空气饱和湿度是温度和总压的函数。纯 1 2 北京化工大学硕士研究生学位论文 水的饱和蒸气压利用安托因方程计算1 4 叼： 只= 等e x 卜志) ，( 2 - 2 1 ) 式中：尸s ，m m h g ， a n t o i n e 常数分别为a = 1 8 3 0 3 6 ，b = 3 8 1 6 4 4 ，c - - - - 4 6 1 3 相对湿度是在一定总压下，湿空气中水蒸气分压尸v 与同温度下水饱和蒸气压p s 的比，用舻表示： 妒= 鲁虬0 0 ( 2 - 2 2 ) ( 3 ) 空气比热容 以l 千克于空气为基准，将( 1 枷k g 湿空气温度升高或降低1 所需要的吸收 或放出的热量，称为湿空气的比热容，简称比热容，用c h 表示，单位l 【j k g 干空气一k 1 ) c h = c l + c ，h = 1 0 1 + 1 8 8 h ( 2 - 2 3 ) 式中：c a 为干空气忱热容，l ( j k g 1 k 1 ； c v 为水蒸气比热容，k j k g t k - 1 ) ； 日为湿空气绝对湿度，l 【g k g 干空气一。 上式表明，湿空气的比热容只是湿度的函数。 ( 4 ) 湿空气的焓 用1 千克干空气为基准，干空气及其所带水分的焓之和，称为湿空气的焓。 i = 也+ q h + 磊= ( 1 0 1 + 1 8 8 日 + 2 4 9 2 h ( 2 2 4 ) 式中：如为o c 时水的汽化潜热，知= 2 4 9 2 k j k s 一。 ( 5 ) 湿球温度 般说的温度是干球温度，直接用普通温度计测定，是空气的真实温度，简称温 度。用纱布包住温度计的感温球，纱布一部分浸入水中，保证纱布表面足够润湿，制 成湿球温度计。将湿球温度计置于干球温度为t 、湿度为的湿空气中，在绝热条件 下达到平衡时的温度称为该湿空气的湿球温度。 空气是不饱和的，湿纱布表面的水蒸气压大空气中水蒸气分压，纱布表面的水汽 化，向空气中扩散，气化需要的潜热只能由水本身温度下降放出的显热供给。当纱布 表面水温度达到湿球温度时，温差引起的显热传递的热量等于气化潜热，达到一个平 衡状态m 1 。 1 3 北京化工大学硕士研究生学位论文 o = f k h r w ( h w h ) ( 2 2 5 ) 式中：“为湿球温度，； a 为空气和湿纱布间的对流传热系数，k w m - 2 k - 1 ； 为湿球温度下水的汽化潜热，l 【j k g ； 风，为湿球温度下的饱和湿度，k g k g 干空气； 钿为传质系数，k g m - 2 s 1 a h l ) 。 钿、口与空气的流速有关，当空气温度不是很高、流速 5 m s 时a k r 近似为常数， 其值约等于l o 9l 【j 1 【g - 1 。1 ) 。一定压力下，知道空气的干湿球温度，就可以知道空 气的湿度。在测定湿球温度时，空气流速应大于5 m s 。 2 ，5 除湿器 除湿器是液体除湿系统的关键部件之一，除湿器是被处理空气和溶液除湿溶液直 接接触并进行传热传质的场所，把溶液除湿溶液和被处理空气作为一个体系，根据此 体系传热传质的同时与外界是否有热量交换可以将除湿器分为两大类：绝热型除湿器 和内冷型除湿器。在除湿过程中，水蒸气由空气向除湿溶液传递，释放出水的气化潜 热。绝热型除湿器，释放的热量使溶液温度升高，影响除湿效果；如果采用内冷型除 湿器，除湿过程中产生的热量被冷却介质带走，避免溶液温度显著升高，保证较好的 除湿效果。从理论说，内冷型除湿器的除湿效果比绝热型好。 ( 1 ) 填料塔绝热型除湿器 填料塔绝热型除湿器与外界的热传递j l t d , ，可以忽略，除湿过程近似看成绝热过 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，不同类型的填料空气阻力不同。由于除湿过程而引起的除湿溶液升温，绝热 型除湿器除湿效率受到影响。除湿过程中，除湿溶液从除湿器项部喷洒而下，在填料 层上形成均匀薄膜缓缓流下，被处理空气从塔底逆流面上，在塔内与除湿溶液传热传 质，增大除湿溶液的流量，可以起到对溶液自身冷却的效果，保持良好的除湿性能。 目前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、阶梯坏等，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 1 4 北京化工大学硕士研究生学位论文 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。 ( 2 ) 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， 使除湿溶液能保持较低的表面蒸汽压力，提高除湿效率。 图2 - 7 水冷平板除湿器 f i g 2 7p l a t ed e h u m i d i f i e rw i t hc o o l i n g - w a t e r 图2