溶液调湿空调中常用除湿剂的物性分析

1、溶液调湿空调中常用除湿剂的物性分析1易晓勤，刘晓华，江亿清华大学建筑技术科学系，北京（100084）E-mail：摘 要：溴化锂、氯化锂和氯化钙溶液是目前在溶液调湿空调中应用较广泛的除湿剂。除湿剂的表面蒸气压、结晶线、比热容、密度和粘度是影响溶液调湿空调系统性能的重要物理参数。本文综述整理了这三种常用除湿溶液的物性数据和拟和公式，并进一步分析了这三种盐溶液的性质对溶液调湿空调系统性能的影响。综合来看，氯化钙溶液容易结晶，处理的空气范围有限，比热容较小，过程中温升明显，且密度和粘度也较大，性能劣于氯化锂溶液和溴化锂溶液。对于溴化锂溶液和氯化锂溶液，当除湿负荷相同时，要求的氯化锂溶液浓度低于溴化锂

2、溶液；在吸湿过程中，氯化锂溶液吸收相等潜热时的温升较小，吸湿能力更稳定；密度和粘度方面，两者各具优势。综合来看，溴化锂溶液和氯化锂溶液都是适用于溶液调湿空调的优秀吸湿剂。关键词：除湿溶液；表面蒸气压；结晶线；比热容1引言溶液调湿空调机组是一种利用除湿溶液直接吸收空气中水分，从而降低送风含湿量的新型空调机组。除湿溶液与空气直接接触，水分在两者间传递的驱动势为表面水蒸气分压力差。当溶液的表面水蒸气分压力低于空气的水蒸气分压力时，空气中的水分向溶液传递，空气被除湿；反之，溶液中的水分将向空气传递，溶液被再生成更浓的溶液。除湿溶液的物理性质直接影响溶液调湿空调机组的除湿效率。使用于溶液调湿空调中的除湿

3、溶液应具有以下一些特性：1）相同温度、浓度下，溶液的表面水蒸气分压力较低；2）溶液的比热容较大，因为在除湿过程中释放出的潜热量会使溶液温度升高，从而导致溶液表面水蒸气分压力升高。比热容越大，过程中温升越小，溶液水蒸气分压力的变化越小。3）溶液各浓度下的结晶温度较低。溶液浓度越高，吸水性能越强，但是高浓度的溶液容易出现结晶，会导致管路堵塞，结晶限制了能使用的溶液浓度上限；4）溶液的密度和粘度较小。溶液除湿空调机组为开式系统，低密度和低粘度利于减小泵耗；5）溶液性质稳定，低挥发性，低腐蚀性，无毒性；6）溶液的价格低廉，易获得。目前可用的除湿溶液主要分为有机溶液和无机溶液两大类。有机溶液为三甘醇、二

4、甘醇等，无机溶液为溴化锂、氯化锂、氯化钙溶液等。三甘醇是最早用于溶液除湿系统的除湿剂（Lof，1955），但由于它是有机溶剂，粘度较大，在系统中循环流动时容易发生停滞，粘附于空调系统的表面，影响系统的稳定工作，而且二甘醇、三甘醇等有机物质易挥发，容易进入空调房间，对人体造成危害，上述缺点限制了它们在溶液除湿系统中的应用，已经被金属卤盐溶液所取代。溴化锂、氯化锂等盐溶液虽然具有一定的腐蚀性，但塑料等防腐材料的使用，可以防止盐溶液对管道等设备的腐蚀，而且成本较低，另外盐溶液不会挥发到空气中影响、污染室内空气，相反还具有除尘杀菌功能，有益于提高室内空气品质，所以盐溶液成为优选的除湿溶液。本文主要总结

5、分析溴化锂、氯化锂和氯化钙溶液的与除湿性能相关的物理性质：溶液表面水蒸气分压力、结晶曲线、比热容、密度和粘度。这三种盐溶液的物理性质已有许多学者进行过实验研究，并得出了较丰富的数据信息和拟和公式。基于已有的物性数据，本文还将1 本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：20050003051）的资助。-1-比较分析三种除湿溶液在溶液调湿空调中的优劣势。2溶液表面蒸气压溶液的表面蒸气压随溶液的温度与浓度而变化，溶液的温度升高，浓度减小，表面蒸气压将升高。在除湿过程中，溶液的表面蒸气压越低越有利于除湿；而在再生过程中，溶液的表面蒸气压越高越有利于再生。溶液的表面蒸气压数据需通过实验测试获

6、得，在测得一定温度和浓度范围内的部分数据点的表面蒸气压后，可拟和出计算溶液表面蒸气压的方程式，从而一定温度和浓度范围内的溶液状态点的表面蒸气压都能得到。溴化锂、氯化锂和氯化钙这三种盐溶液的表面蒸气压数据和公式的来源在表1中给出了总结。表1 表面蒸汽压的实验数据和拟和公式来源溶液种类 年份 作者 工作内容(实验/拟合) 数据范围（浓度、温度）1964 T.Uemura11979 McNeely2溴化锂 1990 K.R.Patil3 实验测试 0-70%， 0-180 实验测试 (可信度较高，广泛引用) 0-70%， 0-180 (浓度>60%时的数据不可靠) 实验测试、并拟合公式 30-

7、70基于前人数据，提出新的计算方法ANN法 2008 P.Gandhidasan41990 K.R.Patil3氯化锂 2003 ASHRAEHandbook 0-70%，0-180 实验测试、并拟合公式 30-70 拟合的表面蒸气压曲线 0-45%，15-45拟合公式 0-60%，0-100实验测试、并拟合公式 30-70 2004 M.R.Conde5 1990 K.R.Patil3氯化钙 1992 A.Ertas62004 M.R.Conde5 实验测试 20%，25-65 拟合公式 0-70%，0-100当被处理空气与除湿溶液接触达到平衡时，二者的温度与水蒸气分压力分别对应相等，由此可

8、以定义与溶液状态平衡的等效湿空气状态，即湿空气的温度与水蒸气分压力分别与溶液相同。湿空气的含湿量d与湿空气中水蒸气分压力存在一一对应的关系，如式（1）所示，与湿空气等效的溶液状态的含湿量可以写为式（2）的形式。其中B为大气压，下标a和z分别表示空气与溶液。 d=0.622de=0.622pa Bpapz Bpz(1) (2)溶液与空气的水蒸气分压力差或含湿量差都可反映水分在空气和溶液中传递的驱动势。具有相同的表面水蒸气分压力或相同的等效含湿量的溶液其除湿能力应是相同的。下面摘取-2-焓湿图上的几个状态点，比较该温度下对应的各种溶液的浓度值。此处的浓度值是指溶液的质量浓度(即溶质质量/溶液质量)

9、。表2 等效空气状态点对应的溶液状态等效空气状态点 溴化锂 氯化锂编号 温度() 含湿量(g/kg) 浓度 % 浓度 % 氯化钙 浓度 %1 20 1.4 60 50 已结晶2 20 2.9 54 40 已结晶3 30 5.2 54 40 已结晶4 30 7.9 50 35 445 50 40 40 25 356 50 49 35 21 30分析表中数据：当三种溶液具有相同除湿能力即相同的温度和等效含湿量时，溴化锂溶液的浓度最大，氯化钙溶液的浓度其次，氯化锂溶液的浓度最小。若温度不变，要求等效含湿量减小时，只能通过提高溶液的浓度实现。例如，30下，等效含湿量从7.9g减小到5.2g,溴化锂溶液

10、浓度需增大4%，氯化锂溶液浓度需增大5%。当溶液的等效含湿量较小时，如温度为20度、等效含湿量在3克以下时，氯化钙溶液因结晶达不到这样的状态点。3结晶曲线除湿盐溶液在一定的温度和浓度条件下，可能出现结晶现象。盐溶液的浓度越高、温度越低，除湿能力越强，而在浓度较高、温度较低的情况下，溶液容易产生结晶，从而堵塞溶液管道，所以应该避免结晶现象。溴化锂、氯化锂和氯化钙这三种盐溶液的结晶现象已经有学者做过研究，并得到了完整的结晶曲线和计算公式，数据来源见表3。另外，确定溶液在某浓度下的结晶温度的方法在Kee-Kahb Koo的文章中有所介绍7。表3 结晶曲线和计算公式来源溶液种类溴化锂氯化锂氯化钙 来源

11、 国产溴化锂水溶液物性图表集8 M.R.Conde5 M.R.Conde5 结晶曲线/公式 给出了结晶曲线图 基于前人实验数据，给出了计算公式和曲线图 基于前人实验数据，给出了计算公式和曲线图溶液的等效湿空气状态点可在湿空气焓湿图上一一标示出来，这里将各溶液的结晶状态点标示在湿空气的焓湿图上，见图1所示。溶液结晶线以左的区域是结晶区域，在除湿中不能使用处于这部分状态的溶液，所以溶液所能处理得到的空气状态点只能在结晶线以右的区域，可看到，三种盐溶液能处理到的空气区域有差别，溴化锂溶液处理后的空气状态范围最大，氯化钙溶液处理后的状态范围最小。结晶线决定了出风含湿量的极小值。若溶液除湿温度为30，那

12、么使用氯化钙溶液处理后的空气含湿量不小于5.9g/kg，使用氯化锂溶液处理后的空气含湿量不小于1.8g/kg，使用溴化锂溶液处理后的空气含湿量不小于1.7 g/kg。溶液除湿温度一般处于20-30，在此区间，氯化锂和溴化锂结晶点很接近，氯化钙相差较大，-3-图1 三种除湿溶液的结晶线4. 比热容除湿过程伴随着水蒸气凝结成液态水的相变过程，释放的相变潜热大部分被溶液吸收，引起溶液温升。溶液的除湿能力受温度影响很大，温度升高，表面蒸气压增大，除湿能力下降。在吸收相同热量时，溶液温度升高的幅度决定于溶液的比热容。很多学者的实验测试结果表明溶液的比热容是溶液温度和浓度的函数。本文分析的三种盐溶液的比热

13、容都已有完整的实验数据和经验公式，来源见表4。表4 比热容数据和计算公式来源 作者 工作内容(实验/拟合) Lower9溴化锂Rockenfeller10 H.T.Chua9氯化锂 氯化钙M.R.Conde5 M.R.Conde5溶液种类 数据范围（浓度、温度）实验数据 0-60%，0-130 实验数据 45-65%，60-130 拟和公式 0-75%，0-190基于前人实验数据，给出了拟和公式基于前人实验数据，给出了拟和公式0-50%，-10-80 0-55%，-15-90对于不同的除湿盐溶液，等效湿空气状态点相同时，除湿能力很相近。下面将选取几个等效湿空气状态点比较三种盐溶液的比热容，并计

14、算1kg的各溶液吸收5g水后溶液温升及等效含湿量的变化，此时的前提条件为热量全部被溶液吸收，结果见表5。表5 比热容引起的各溶液除湿能力变化等效湿空气状态点 浓度 比热容(温度/含湿量)(%)(kJ/kg.k)溶液温升 等效含湿量增值(g/kg)LiBr 20 3.9 50% 2.08 5.9 1.88LiCl 20 3.9 35.5% 2.78 4.4 1.433.9 46% 2.21 5.5 1.86 CaCl2 20LiBr 30 7 50% 2.14 5.7 3.5LiCl 30 7 36.2% 2.81 4.3 2.33 CaCl2 30 7 47% 2.24 5.4 3.1-4-可

15、以看到，在同一等效湿空气状态点下，氯化锂溶液的比热容最大，氯化钙其次，溴化锂溶液最小，因此，在吸收等量的水分时，氯化锂溶液的温升最小，等效含湿量增值也最小，除湿能力受的影响也小。5. 密度和粘度除湿盐溶液的密度和粘度是影响除湿空调系统的输配能耗的重要参数。由于溶液除湿空调机组为开式系统，所以溶液循环泵需要克服的阻力一部分为溶液重力带来的，与密度直接相关。粘度是影响管道阻力的参数。密度和粘度均是溶液的浓度与温度的函数。三种溶液的密度和粘度的实验数据与拟和公式来源见表6。表6 密度和粘度的实验数据及公式来源溶液作者 J.M.Wimby11LiBrH.T.Chua9LiCl M.R.Conde5 C

16、aCl2 M.R.Conde5 密度工作内容 测量了20-70，10-60%范围内的数据给出了0-200，0-70%范围内的拟和公式 0-56%范围内的拟和公式0-60%范围内的拟和公式作者 J.M.Wimby11粘度工作内容 测量了25-90，10-60%范围内的数据- - M.R.Conde5M.R.Conde50-56%范围内的拟和公式0-60%范围内的拟和公式除湿溶液的密度和粘度越小，性能越优。下面比较在焓湿图上处于同一状态点的三种盐溶液的密度和粘度值，见表7。在焓湿图上的同一点，溴化锂溶液的密度最大，氯化锂溶液的密度最小；氯化钙溶液的粘度最大，溴化锂溶液的粘度最小，不过溴化锂和氯化锂

17、的粘度差别较小。表7 三种盐溶液的密度和粘度比较溶液温度 等效含湿量 g/kg干空气浓度 %密度 kg/m3粘度 mpa.sLiBr 20 3.9 50% 1536 3.9LiCl 20 3.9 35.5% 1217 6 CaCl2 20 3.9 46% 1436 13 LiBr 40 23.4 40% 1375 1.6 LiCl 40 23.4 25% 1141 2.151330 2.78 CaCl2 40 23.4 35%6. 结论除湿盐溶液的表面蒸气压、结晶线、比热容、密度和粘度是影响溶液除湿空调系统性能的重要物理性质。本文通过查阅大量文献，总结了溴化锂、氯化锂和氯化钙的几种物理性质-5

18、-的实验数据和拟和公式，为进一步的研究打下基础。通过对这些物性数据的初步分析，得到了以下的结论：1） 相同温度和浓度下，氯化锂溶液的表面蒸气压最小，氯化钙次之，溴化锂溶液最大。也就是说，在除湿时，要求的氯化锂溶液浓度最小，溴化锂溶液浓度最大；2） 氯化锂和溴化锂结晶点很接近，氯化钙相对容易结晶。 当要求出风的含湿量很低时，氯化钙溶液可能达不到要求，这是限制了氯化钙使用的重要原因；3） 在同一等效湿空气状态点下，氯化锂溶液的比热容最大，氯化钙其次，溴化锂溶液最小，因此，在吸收等量的水分时，氯化锂溶液的温升最小，等效含湿量增值也最小，除湿能力受的影响也最小；4） 在同一等效湿空气状态点下，溴化锂溶

19、液的密度最大，氯化锂溶液的密度最小；氯化钙溶液的粘度最大，溴化锂溶液的粘度最小，不过溴化锂和氯化锂的粘度差别较小。综合分析三种溶液的这些物理性质，氯化锂溶液和溴化锂溶液的性能优于氯化钙溶液的性能。由于氯化锂溶液在除湿时的浓度较低，使用氯化锂溶液时溶液成本可能更低。参考文献1 Uemura T, Hasaba S. Studies on the lithium bromide-water absorption refrigerating machines. Technological Report of Kansai University 1964;6:31-55.2 McNeely LA. T

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24、erty fields of LiBr-H2O solution. International journal of refrigeration 23(2000)412-429.10 Feuerecker G, Scharfe J, Greiter I, etal. measurement of thermo physical properties of aqueous LiBr-solutions at high temperature and concentrations. Proceedings of the International Absorption Heat Pump Conf

25、erence New Orleans, Louisiana, AES 1994; 31; 493-9.11 J.Martin Wimby, Thore S.Berntsson; Viscosity and Density of Aqueous Solutions of LiBr, LiCl, ZnBr2, CaCl2, and LiNO3. 1. Single Salt Solutions; J.Chem. Eng. Data (1994),39,68-72.-6-Analysis on thermodynamic properties of liquid desiccant inliquid

26、 desiccant air conditioning systemYi Xiaoqin, Liu Xiaohua, Jiang YiDepartment of building science and technology of Tsinghua University, Beijing (100084)AbstractLithium bromide, lithium chloride, and calcium chloride are three kinds of liquid desiccant that widely used in liquid desiccant air condit

27、ioning system at present. For those desiccants, Vapor pressure, solubility boundary, specific thermal capacity, density and dynamic viscosity are the most important properties which affect performance of the liquid desiccant air conditioning system. The paper summarizes experimental data and calcula

28、tion formulations of the three kinds of desiccants based on the review of quantities of literatures. Furthermore, this paper also analyzes impact of thermal properties of the three dehumidifying solution on performance of liquid desiccant air conditioning system. In a comprehensive view, for CaCl2 solution, comparing with the other two solution, it is easier to crystallize, which re