热质交换原理与设备课程第4章4吸收剂处理空气的机理和方法

热质交换原理与设备课程第4章4吸收剂处理空气的机理和方法高沸点，高冷凝热和稀释热，低凝固点。除湿剂性质稳定，低挥发性，低腐蚀性，无毒性。价格低廉，容易获得。所期望的除湿剂特性有：常用的液体除湿剂吸收剂常用露点(℃)浓度(%)毒性腐蚀性稳定性用途备注溴化锂-10℃-4℃45-65无中稳定空调、除湿氯化钙-3℃--1℃40-50无中稳定煤气除湿二甘醇-15℃--10℃70-95无小稳定空调、气体除湿有挥发性三甘醇-15℃--10℃80-96无小稳定空调、气体除湿有挥发性氯化锂-10℃--4℃30-40无中稳定空调低温杀菌干燥易再生，使用广1）三甘醇三甘醇是最早用于液体除湿系统的除湿剂缺点：它是有机溶剂，黏度较大，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，影响系统稳定工作；二甘醇、三甘醇等有机物质易挥发，容易进入空调房间，对人体造伤害。上述缺点限制了它们在液体除湿空调系统中的应用，近年来已逐渐被金属卤盐溶液所取代。三甘醇溶液浓度-蒸汽压曲线溴化锂是一种稳定的物质，在大气中不变质、不挥发、不分解、极易溶于水，常温下是无色晶体，无毒、无嗅、有咸苦味。溴化锂极易溶于水，20℃时食盐的溶解度为35.9g，而溴化锂的溶解度是其3倍左右。溴化锂溶液的蒸汽压，远低于同温度下水的饱和蒸汽压，这表明溴化锂溶液有较强的吸收水分的能力。溴化锂溶液对金属材料的腐蚀，比氯化钠、氯化钙等溶液要小，但仍是一种有较强腐蚀性的介质。60％～70％浓度范围的溴化锂溶液在常温下就结晶，因而溴化锂溶液浓度的使用范围一般不超过70％。2）溴化锂溶液溴化锂特性分子式相对分子量密度(kg/m3)熔点℃沸点℃LiBr8734645491265溴化锂水溶液的表面蒸汽压一种白色、立方晶体的盐，在水中溶解度很大。氯化锂水溶液无色透明，无毒无嗅，黏性小，传热性能好，容易再生，化学稳定性好。在通常条件下，氯化锂溶质不分解，不挥发，溶液表面蒸汽压低，吸湿能力大，是一种良好的吸湿剂。氯化锂溶液结晶温度随溶液浓度的增大而增大，在浓度大于40％时，氯化锂溶液在常温下即发生结晶现象，因此在除湿应用中，其浓度易小于40％。氯化锂溶液对金属有一定的腐蚀性。钛和钛合金、含钼的不锈钢、镍铜合金、合成聚合物和树酯等都能承受氯化锂溶液的腐蚀。氯化锂溶液氯化锂溶液的表面蒸汽压氯化钙是一种无机盐，具有很强的吸湿性，吸收空气中的水蒸气后与之结合为水化合物。无水氯化钙白色，多孔，呈菱形结晶块，略带苦咸味，熔点为772℃，沸点为1600℃，吸收水分时放出熔解热、稀释热和凝结热，但不产生氯化氢等有害气体，只有在700～800℃高温时才稍有分解。氯化钙价格低廉，来源丰富，但氯化钙水溶液对金属有腐蚀性，其容器必须防腐。氯化钙溶液氯化钙溶液的表面蒸汽压卤盐溶液性质比较共性盐的沸点比水的高得多，在汽相中实际上只有水蒸气；溶液的表面蒸汽压是温度和浓度的函数，表面蒸汽压随着温度的升高和浓度的降低而增大，除湿能力随之降低；盐的溶解度是有限的，会出现结晶现象；盐溶液对常见金属具有腐蚀性，有其在开式系统下，防腐问题必须得到充分的重视。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。三种卤盐溶液的区别在相同的温度和浓度下，氯化锂溶液的表面蒸汽压最低；但溴化锂溶液的溶解度大于氯化锂，因而可以使用浓度较大的溶液，以获得较低的表面蒸汽压。氯化钙的价格低廉，但溶液的表面蒸汽压较大，而且它的溶解性不好，黏度大，长期使用会有结晶现象发生，除湿性能随着入口空气参数和溶液浓度发生很大的变化。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，4.5.3吸收剂处理空气的机理（1）除湿剂的表面蒸汽压水分由空气向除湿溶液传递的驱动力：被处理空气的水蒸气压力与除湿溶液的表面蒸汽压之间的压差；拉乌尔定律：表面蒸汽压随溶剂的摩尔百分数呈线性变化，理想溶液的性质符合该定律；式中p是溶剂的蒸汽分压，是纯溶剂在溶液的温度和压力下的蒸汽压力，是溶剂的摩尔百分数。活度系数实际应用的除湿剂绝大多数是非理想溶液，其性质偏离拉乌尔定律，可用活度系数来描述实际溶液与理想溶液的偏差。如果活度系数小于1，则溶液相对于理想溶液而言存在负偏差，溶液的表面蒸汽压低于同条件下的理想溶液表面蒸汽压，溶液具有更强的除湿能力。常用除湿溶液溶剂活度系数氯化锂和氯化钙溶液溴化锂溶液三种除湿溶液均偏离拉乌尔定律，而且是负偏差，随着浓度的增大，活度系数逐渐减小，越发偏离理想溶液的性质。氯化锂溶液的活度系数低于氯化钙溶液，因而氯化锂溶液的除湿能力较强。溴化锂溶液可以使用的浓度范围高于前两者，随着溶液浓度的增加，活度系数迅速降低，溶液的表面蒸汽压也逐渐降低。（2）典型的吸湿—再生过程下图显示了一种典型的吸湿—再生过程中除湿剂在湿空气性质图上的变化过程，溴化锂溶液的等浓度线与湿空气的等相对湿度线基本重合。1—2是溶液的吸湿过程，溶液和湿空气直接接触，由于溶液的表面蒸汽压小于湿空气的水蒸气分压力，水蒸气就从空气向溶液转移，同时水蒸气的凝结潜热大部分也被溶液吸收。为了抑制溶液温升、保持除湿剂的吸湿能力，一般采用冷却的方式带走释放的潜热或者采用较大的溶液流量；溶液吸收水蒸气后，浓度变小，而空气湿度达到要求后一般需进一步降温处理再送入室内。典型的吸湿—再生循环示意图2—3—4是溶液的再生过程。溶液被低压蒸汽或热水加热，当溶液表面蒸汽压大于空气的水蒸气分压力时，溶液中的水分蒸发到空气中，溶液被浓缩再生。再生过程所需能量包括三部分：加热除湿剂使得其表面蒸汽压高于周围空气的水蒸气分压力所需的热量（2—3）；所含水分蒸发过程所需的汽化潜热（3—4）；溶质析出所需的热量，比水的汽化潜热小，由溶液性质决定。4—1是溶液的冷却过程，所需能量取决于除湿剂的质量、比热以及再生后和冷却到重新具有吸收能力之间的温差。通常为在2—3的加热过程和4—1的冷却过程之间增加换热器，对进入再生器的较冷的稀溶液和流出再生器的较热的浓溶液进行热交换，回收一部分热量，可提高再生器的工作效率。一般在溶液系统中，除了风机、水泵等输配系统的能耗外，所需投入的能量主要是用于满足除湿剂再生的要求。4.5.4影响吸收的主要因素（1）除湿器的结构在以吸收剂为循环工质的空调系统中，除湿器是最重要的部件之一。目前应用较多的有绝热型与内冷型两种结构的除湿器。绝热型除湿器一般采用填料喷淋方式，它具有结构简单和比表面积大等优点。除湿溶液吸收空气中的水蒸气后，绝大部分水蒸气的凝结潜热进入溶液，使得溶液的温度显著升高。与此同时，溶液表面的蒸汽压也随之升高，导致溶液的吸湿能力下降。如果此时将溶液重新浓缩再生，由于溶液浓度变化太小使得再生器的工作效率很低，同时也不能实现高效蓄能。开式绝热型除湿器和内冷型除湿器示意图以溴化锂溶液为例，当1kg溴化锂溶液吸收5g水蒸气时，温度大约升高5～6℃，而此时浓度变化约为0.25％。为解决这个问题，目前常见的做法之一是使用带内冷型的除湿器，利用冷却水或冷却空气（都不与被处理空气直接接触）将除湿过程放出的热量带走，以维持溶液的吸湿能力，这样溶液除湿前后的浓度变化较大。内冷型除湿器溶液的表面蒸汽压是其重要的物性参数，直接影响溶液的除湿的效果。在相同的冷却温度下，宜选择表面蒸汽压较低的除湿剂。溶液的吸附热也是影响吸湿的一个因素。溶液在除湿过程中，会不断释放出吸收热，如果不采用有效的降温措施，将会导致溶液的温度不断升高，影响溶液的除湿效果，所以宜选择吸收热较小的除湿剂。吸收热可用克拉伯龙—克劳修斯公式进行计算。其中——等温吸附量，kg吸附质/kg吸附剂；R——水蒸气气体常数，kJ/(kg·K)；b——吸附量为常数。（2）除湿剂的选择溶液除湿系统可采用低温热源驱动，可方便实现能量储存，尤其适合以城市热网连续均匀供热作热源。除湿器向室内提供新风，新风量可与人数成正比，新风用于去除建筑的所有潜热负荷。冷机提供冷冻水排除建筑的维护结构、设备等的显热负荷。由于不承担湿负荷，冷冻水的温度为15～18℃，高于室内的露点温度，不会产生凝水，从而消除了室内的一大污染源。夏季热源向再生器提供热量，完成溶液的浓缩再生过程；冬季除湿器可运行热回收模式，从而降低了新风处理能耗。4.5.5吸收剂处理空气系统和应用简介溶液除湿空调系统示意图相对一般空调系统而言相当于节省了一套专门的热回收装置的投资。和目前应用较多的转轮式全热回收器相比不仅全热回收效率高，而且可避免气流的交叉污染，并且通过溶液的喷洒，可除去空气夹带的灰尘、细菌，起到净化的作用。除湿器和再生器是相对独立的设备，它们通常在建筑物不同的位置用管路连接起来，这样可大幅度的减小风管的投资和设备用地。通常，一台再生器可以和多台除湿器联合工作，除湿器吸湿后产生的稀溶液由再生器统一处理。一般条件下，送风的含湿量是固定的，那么所需的溶液浓度也一定，由于室外新风含湿量的变化较大，除湿器吸收的水蒸气也随之变化，那么进入除湿器的浓溶液量是随新风含湿量而变化的。较简单的控制方式是通过测量喷洒的溶液的浓度，调节进入除湿器的浓溶液流量使得与空气接触的溶液的浓度是一定值，这样就能够保证出口空气的含湿量保持恒定。通过液位控制，调节从除湿器回来的稀溶液流量，从而保持除湿器的运行液位是一个定值。再生器中同样通过液位控制调节再生的加热量。一般来说，除湿器处理的湿负荷受环境影响较大，新风湿度越大则要求除湿量也越大。再生器的再生能力主要受到热源温度以及溶液所要求的再生浓度的影响，热源温度越高，所需再生的溶液浓度越低，再生能力越强。在溶液系统中，由于能量是以化学能的形式蓄存起来，因此溶液的能量蓄积密度高，而且无需保温措施。可充分利用溶液的蓄能特