使用液體吸濕劑的填料塔除濕器和再生器中的傳熱、傳質(zhì)的實驗和理論分析

1、使用液體吸濕劑的填料塔除濕器和再生器中的傳熱、傳質(zhì)的實驗和理論分析摘要這篇論文陳述了空氣化學(xué)除濕的實驗測試和理論分析，這種化學(xué)除濕發(fā)生在隨機填料的吸收和解析塔中，通過使用液體吸濕劑和吸濕劑再生過程完成。實驗的描述包括測量、程序、數(shù)據(jù)的簡化和精確度，處于空調(diào)應(yīng)用的典型工作范圍，涉及傳統(tǒng)吸濕鹽溶液（H2O/LiCl，H2O/LiBr）和新型鹽溶液H2O/KCOOH的除濕和吸濕劑再生過程。我們通過填料塔的理論模型和相關(guān)的計算機模擬來判斷系統(tǒng)的性能，分析主要工作參數(shù)對系統(tǒng)的影響程度，并且實驗測試和計算機編程模擬都得到了一致結(jié)論。實驗測試和計算機模擬表明：通過吸濕鹽溶液進(jìn)行空氣化學(xué)除濕能確保濕度的持續(xù)降

2、低，這適用于空調(diào)設(shè)備和除濕過程。不僅如此，吸濕劑再生的溫度大約在40-50oC，因此工業(yè)過程、熱機的余熱、太陽能都可以用來再生液體吸濕劑。1 簡介空氣除濕可以通過冷卻空氣或增加空氣的壓力降低容積控制水分來獲得，也可以通過液體、固體吸濕劑來降低水分來獲得。將空氣冷卻到露點溫度以下控制濕度是最常見除濕方法，特別適合于露點溫度在5oC以上的情況。這種方法是不節(jié)能的，因為它既需要加熱又需要冷卻。事實上，為了獲得需要的溫度，通常在空氣除濕之后需要空氣再熱過程。使用吸濕劑的空氣吸附除濕可以很好地代替?zhèn)鹘y(tǒng)的冷卻除濕。這種空氣除濕方法可以使用液體吸濕劑（如噴淋塔或填料塔中的吸濕鹽溶液和乙二醇溶液等），也可以使

3、用固體吸濕劑（如除濕輪中的硅膠、沸石和氧化鋁等）。除濕過程中吸收的水分可以通過加熱吸濕劑（再生過程）除去。而這些過程有利于減少空氣中的微生物和灰塵污染。吸濕劑除濕系統(tǒng)非常適合于高潛熱負(fù)荷或低露點要求的場合（如超市、溜冰場、室內(nèi)游泳池和建筑通風(fēng)系統(tǒng)等），以及高濕度會對財產(chǎn)造成損害的場合（如存儲區(qū)），同樣也適合于符號說明a 比界面面積，m2/m3 c 比熱，J/(kg K)D 分子擴散，m2/sdL 空氣流中的液滴直徑，mdS 填料的當(dāng)量直徑，mf 摩擦系數(shù)F 傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(m2s)g 萬有引力常數(shù)，m/s2G 空氣質(zhì)量流量，kg/sG 比空氣質(zhì)量流量，kg/(m2s)h 比焓，J/kgk

4、 傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(m2s mole fraction)L 除濕劑的質(zhì)量流速，kg/sL 除濕劑的質(zhì)量流量kg/(m2s)M 摩爾質(zhì)量，kmol/kgN 比界面摩爾質(zhì)量，kmol/(m2s)P 壓力，PaPr 普朗特數(shù)q 熱流密度，W/m2r 潛熱，J/kgRe 雷諾數(shù)Sc 施密特數(shù)t 溫度，KU 表面速度，m/sX 除濕劑濃度，kgsalt/kgsolutionXM 水在溶液中摩爾濃度，kmolwater/kmolsolutionY 濕度比，kgwater/kgdry airYM 水在空氣中的摩爾濃度，kmolwater/kmolairZ 沿著塔高度方向的坐標(biāo)，m 傳熱系數(shù)，W/(m2K

5、) 修正傳熱系數(shù)，W/(m2K) 料的孔隙空間，m3voids/m3packed volume L0 填料的可操作孔隙空間，m3voids/m3packed volumeC 柱效率Lt 總的液體滯留量， m3liquid/m3packed volumeLO 移動流體滯留量，m3liquid/m3packed volumeLS 靜止液體滯留量，m3liquid/m3packed volume 導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m K) 動力粘度，kg/(m s) 密度，kg/m3 表面張力，N/m 差分下標(biāo)C 柱d 干燥柱G 空氣側(cè)I 界面I 入口L 除濕劑側(cè)max 最大值min 最小值O 出口t 總V 水蒸氣W

6、 灌溉塔0 參考條件需要較高室內(nèi)空氣質(zhì)量的場合（如醫(yī)院、實驗室以及食品和制藥廠）。目前，基于固體吸附劑的除濕輪是應(yīng)用最廣泛的吸濕劑除濕設(shè)備。這種設(shè)備特別適合于要求獲得較低的露點溫度和較低的維護(hù)的場合。然而，液體除濕設(shè)備相比于固體除濕設(shè)備擁有一些設(shè)計和性能上的優(yōu)點。液體除濕設(shè)備在較低的溫度下就可以完成再生過程，這適合于使用太陽能或者余熱。然而，除濕輪中的再熱過程通常由天然氣和電來驅(qū)動。這更容易配合暖通空調(diào)設(shè)備一起使用，相比于固體吸附除濕可以更高效地除去空氣的細(xì)菌和灰塵，而且液體吸濕劑除濕比固體除濕輪更廉價。吸濕鹽溶液和乙二醇溶液的使用對液體吸濕劑系統(tǒng)的特性具有較高的影響。乙二醇溶液適合于作為液體

7、吸濕劑，并且比吸濕鹽溶液腐蝕性更小。但是乙二醇有較顯著的蒸發(fā)壓力，因此可能在處理和再熱過程中產(chǎn)生乙二醇蒸汽并進(jìn)入空氣流。而吸濕鹽溶液蒸發(fā)壓力接近于零，因此不會產(chǎn)生蒸汽進(jìn)入空氣流。進(jìn)入空氣流的蒸汽損失增加了成本，這對建筑中的空調(diào)設(shè)備是不允許的。因此在商業(yè)設(shè)備中大多采用吸濕鹽溶液作為液體除濕劑?；谖鼭覃}溶液（H2O/LiCl）的除濕設(shè)備在1937年左右進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用，此后廣泛應(yīng)用于各類的工業(yè)和商業(yè)暖通空調(diào)系統(tǒng)。在1997年，一種H2O/LiCl的緊湊型空調(diào)系統(tǒng)投入商業(yè)運營，它是使用再生熱泵進(jìn)行除濕和再生過程的。在公開的文獻(xiàn)中，有幾部作品可以被用來對填料塔中的空氣化學(xué)除濕和吸濕劑再生的傳熱和傳質(zhì)過程

8、進(jìn)行理論分析和計算機模擬，同時可以為基于吸濕鹽溶液的吸收和解析填料塔的性能提供實驗數(shù)據(jù)。理論模型是通過效能換熱單元數(shù)法或者無量綱蒸汽壓溫差比的方法將復(fù)雜的有限差分模型進(jìn)行簡化得到的。這些實驗主要是使用H2O/LiCl和H2O/LiBr溶液，但同樣也適用于H2O/LiCl-CaCl2和H2O/KCOOH溶液。這篇論文陳述了基于液體吸濕劑和吸濕劑再生的吸收式除濕實驗測試，使用的設(shè)備是隨機填料的吸收和解析塔，吸收劑為傳統(tǒng)吸濕鹽溶液（H2O/LiCl，H2O/LiBr）和新鹽溶液H2O/KCOOH，在空調(diào)應(yīng)用的典型工作范圍內(nèi)運作。同時，這篇論文也陳述了基于液體吸濕劑的填料塔中的傳熱和傳質(zhì)過程的理論分析

9、和相關(guān)的計算機編程模擬。2 實驗設(shè)備、程序和數(shù)據(jù)簡化圖1 實驗測試裝置的原理圖實驗裝置如圖1所示，包含一個空氣循環(huán)和一個吸濕劑循環(huán)。首先對循環(huán)的空氣進(jìn)行加熱和加濕，達(dá)到填料塔進(jìn)口處的設(shè)定條件。PID控制器可以調(diào)節(jié)加熱設(shè)備的功率從0變化到2000W，同時蒸汽加濕器可以提供0到5kg/h的蒸汽流速?？諝饨?jīng)過填料塔的同時，以逆流的形式與吸濕劑進(jìn)行傳熱和傳質(zhì)（空氣自上而下流動，吸濕劑自下而上流動）直到流出。空氣除濕過程或者吸濕劑再生過程依賴于蒸汽和溶液蒸汽分壓的相對值。塔殼由不銹鋼制成，高725mm，直徑為400mm，隨機填充著25mm的塑料鮑爾環(huán)。鮑爾環(huán)由不銹鋼網(wǎng)支撐，分布在一個有12個洞的液體分配

10、器中。塔底部的大容積空間能提供較好的空氣配給，同時頂部的不銹鋼絲網(wǎng)可以除去最高空氣速度的空氣中所攜帶的吸濕劑液滴。空氣管道是直徑為160mm的PVC管子，在塔的進(jìn)口和出口有兩個測量段，用來測量溫度和濕度。每個測量點由兩個由T型熱電偶（精度為0.1 K）組成的溫度水頭和兩個與露點溫度傳感器（精度為0.2 K）相連的濕度水頭組成，被安放在氣流的不同位置。塔內(nèi)空氣流壓力的下降由應(yīng)變計差壓變送器（精度在0.1%）和U型管壓力計進(jìn)行測量。同時，空氣的流速由空氣管道中的孔板流量計（精度在%）進(jìn)行測量，流量計被安放在水平管道距離出口3000mm的地方。而絕對壓力是通過氣壓計（精度為0.08%）測量。熱電偶、

11、濕度計、Coriolis效應(yīng)質(zhì)量流量計和差壓變送器的數(shù)據(jù)被數(shù)據(jù)記錄器記錄，而空氣流速、溶液濃度的測量值則是手動記錄然后輸入電腦。表1中給出了實驗中不同設(shè)備的主要參數(shù)。此次實驗進(jìn)行了空氣除濕和溶液再生測試，在儲罐中的溶液通過旁通回路再循環(huán)，以確保均勻的條件?？諝夂臀鼭駝┑牧魉侔凑赵O(shè)定值進(jìn)行設(shè)定，而后記錄溫度、濕度和質(zhì)量流速。一旦達(dá)到空氣和濕度的穩(wěn)態(tài)條件，才開始記錄實驗數(shù)據(jù)。需進(jìn)行三次手工記錄流體的流速和壓力降，同時需提取塔進(jìn)出口處溶液的樣本測量溶液的濃度。運用收集到的測量數(shù)據(jù)，計算機編碼可以算出塔中熱質(zhì)平衡，進(jìn)而確定空氣和溶液中水分和溫度的變化。實驗結(jié)果顯示的是通過填料塔空氣側(cè)的空氣濕度的減少，

12、吸濕劑濃度的變化以及壓力的下降。除濕和再生塔的性能通過比柱效能進(jìn)行評估，比柱效能指的是空氣側(cè)實際濕度變化的絕對值與給定條件下可能濕度變化絕對值的最大的比值。c=YI-YO/|YI-YO.min/max| (1)其中Y代表濕度，而下標(biāo)I和O則代表塔的進(jìn)口和出口。當(dāng)塔出口處空氣的蒸發(fā)壓力等于進(jìn)口處溶液的飽和壓力時，濕度的變化達(dá)到最大值。這個效能對于除濕和再生過程都適用。表1不同測量設(shè)備的說明書3 理論分析和計算機編程模擬 傳熱和傳質(zhì)分析填料塔中傳熱和傳質(zhì)的理論分析來源于Treybal關(guān)于絕熱氣體吸收的研究，這一模型基于以下的假設(shè)：1)系統(tǒng)絕熱2)流體相的熱阻相比于氣體相可以忽略不計3)傳熱和傳質(zhì)過

13、程僅在氣體和液體流的橫向發(fā)生4)傳熱和傳質(zhì)過程中界面的活化程度相同圖2描述的是塔內(nèi)橫截面積為1m2，高為dZ的微分控制容積。傳熱和傳質(zhì)發(fā)生于逆流的空氣和溶液的分界面上。以t0作為參考溫度，吸濕劑對應(yīng)的焓為：hL=cLt-t0+hS (2)圖2 填料塔中的微分控制容積其中cL為比熱，hS為參考溫度下溶液的比熱。則空氣的比焓為：hG=cGt-t0+YcVt-t0+r0 (3)其中Y為濕度，cG和cV分別為干空氣和水蒸氣的比熱，r0為參考溫度下水的潛熱。水容量的質(zhì)量守恒方程為:dL=GdY (4)其中L和G分別為液相和氣相的質(zhì)量流量。界面處的傳質(zhì)量為： NVMVadZ=-GdY (5)其中a為比界面

14、面積，單位是m2（界面面積）/m3（填料容積），是填料結(jié)構(gòu)的函數(shù)。MV為水的摩爾質(zhì)量，NV為比界面摩爾流速。NV與空氣流側(cè)界面上水的摩爾濃度YMi和容積中水的摩爾濃度YM有關(guān)，三者之間的關(guān)系由下式確定：NV=FGln(1-YMi)(1-YM) (6)其中FG為空氣的質(zhì)量傳遞系數(shù)，摩爾濃度YM與濕度之間的關(guān)系由下式確定：FM=PVG/Pt =Y/(Y+MV/MG) (7)其中PVG和Pt分別為濕空氣的蒸發(fā)壓力和飽和壓力，MG則為干蒸汽的摩爾質(zhì)量。如果液相中界面?zhèn)髻|(zhì)阻力可以忽略不計，則液相中界面的蒸發(fā)壓力就等于溶液中界面的蒸發(fā)壓力，其等式為：NV=FG ln(1-PVL/Pt )(1-PVG/Pt

15、 ) (8)空氣的質(zhì)量傳遞系數(shù)FG可由下面的經(jīng)驗公式計算得到：FG=1.195GdsG/G(1-LO)-0.36ScG-0.667 (9)其中ds為填料設(shè)備的當(dāng)量直徑4, G為空氣的動力粘度，LO為填料的孔隙空間，ScG為空氣的施密特數(shù)。填料的孔隙空間LO等于干燥填料的孔隙空間減去總的液體滯留量，即：LO=-Lt （10）總的液體滯留量包括“移動的滯留量” LO（填料中的液體以及持續(xù)被新液體替代的液體）和“靜止的滯留量”（填料空隙中滯留的液體以及被新液體緩慢替代的液體），即：Lt=LO+ LS (11)在文獻(xiàn)4中可以找到不同填料中液體滯留量的關(guān)系式。施密特數(shù) ScG=G/GDG (12)其中G

16、和DG分別為空氣的密度和分子擴散系數(shù)。水或水溶液吸收過程的界面面積可由下式估算：a=m(808G/G0.5)nLp (13)不同填料的系數(shù)m，n和p可在文獻(xiàn)4中獲取。由式(5)(6),可以得到-GdY=(MVFGadZ)ln1-YMi1-YM (14)因此空氣濕度的基本差分方程為：(dY/dZ)=-(MVFGa)/G )l n(1-YMi )(1-YM ) (15)氣相中界面的摩爾濃度的計算需要考慮界面的質(zhì)量守恒，溶液側(cè)比界面?zhèn)髻|(zhì)為：NL=FL ln1-XM1-XMi (16)其中XM和XMi分別指溶液內(nèi)部和界面上水的摩爾濃度，而FL為吸濕劑的傳質(zhì)系數(shù)，其值為：FL=kL（L/ML）XMBM

17、(17)其中XMBM為溶液中鹽的平均摩爾濃度，ML為溶液的平均摩爾質(zhì)量，液相的傳質(zhì)系數(shù)kL可由下面的經(jīng)驗公式計算得到，即：kL=25.1(DL/dS)(dSL/L)0.45ScL0.5 (18)其中L為溶液的動力粘度，ScL為吸濕劑的施密特數(shù)，其值為：ScL=L/LDL (19)其中DL為吸濕劑的分子擴散系數(shù)。如方程式(6)所示，可以根據(jù)空氣側(cè)水的界面摩爾濃度，將水側(cè)的比界面?zhèn)髻|(zhì)系數(shù)等同于吸濕劑側(cè)的比界面?zhèn)髻|(zhì)系數(shù)，即：YMi=1-(1-YM) 1-XM1-XMiFL/FG (20)這個方程只有借以溶液的汽液平衡方程，并通過迭代計算才能算出。同時發(fā)生的熱傳質(zhì)為： qGadZ=Ga(tG-ti)d

18、Z (21)其中qG為空氣的顯熱熱流，G是修正的傳質(zhì)系數(shù)（Ackermann修正），解釋了同時發(fā)生的傳質(zhì)現(xiàn)象。tG和ti分別指內(nèi)部和界面處的空氣溫度。Ackermann對于同時發(fā)生的傳質(zhì)現(xiàn)象的修正如下：Ga=NVMVcVa/1-exp(-NVMVcVa/Ga) (22)其中G為空氣的傳熱系數(shù)，結(jié)合方程式(5)，方程式(22)變?yōu)椋篏a=-GcV(dY/dZ)/ 1-exp(-NVMVcVa/Ga) (23)空氣的傳熱系數(shù)可由下式計算得到：G=1.195GcGdSG/G(1-LO)-O.36PrG-0.667 (24)該傳熱系數(shù)是由方程(9)通過傳熱和傳質(zhì)的類比得到的。其中方程式(9)中的施密特

19、數(shù)可由空氣的普朗特數(shù)代替，其值為：PrG=GcG/G (25)空氣側(cè)熱平衡方程為：GhG-GhG+dhG+GdYcVtG-t0+r0=GatG-tidZ (26)其中微分容積中空氣的焓變?yōu)椋篸hG=cGdtG+YCVdtG+dYcVtG-t0+r0 (27)由方程式(26)和(27)，可以得到空氣溫度的基本微分方程，即：(dtG)/dZ)=-Ga(tG-ti )/G (cG+YCV) (28)塔中微分控制容積的總熱平衡式為：LdhL+GdYhL=GdhG (29)由式(2)(27)和(29)可得： (30)忽略式(30)中的潛熱變化dhS，可以得到吸濕劑溫度的基本微分方程為： QUOTE dt

20、LdZ=(G/LCL)(cG+YCV )(dtG)/dZ)+cV (tG-t0 )+r0 (dY/dZ)cL(tLt0)+ hS(dY/dZ) (31)在微分控制容積中，溶質(zhì)的質(zhì)量守恒方程為：LX=(L+dL)(X+dX) (32)其中X為吸濕劑中鹽的濃度。由式(32)和式(4)可以得到吸濕劑中鹽濃度的基本微分方程：(dX/dZ)=-(XdL)/L /dZ=-X(L/G)dY/dZ (33) 壓力降分析根據(jù)填料塔的壓力降和由Engeletal提出的吸濕劑流速效應(yīng)的修正，我們對填料塔中空氣側(cè)的壓力降進(jìn)行分析18。單位高度干燥填料塔的壓力降由下面的關(guān)系式給出：Pd=0.125f(GUG2a)/4.

21、65 (34)其中UG為空氣的表面速度，f為由下式確定的摩擦系數(shù)，即：f=C1/Re G+C2/ReG0.5 +C3 (35)其中空氣的雷諾數(shù)為：ReG=(GUGdS)/G (36)不同填料的C1、C2和C3可以在文獻(xiàn)19中獲取。單位高度塔的壓力降為：PW=Pd (6LO/dL +a)/(-LO)4.65 (37)其中dL為空氣流中液滴的直徑，LO為移動流體滯留量。液滴的直徑可由下式根據(jù)表面張力和浮力計算得到,即： (38) QUOTE dL=C6L/g(L-G)0.5 其中L為吸濕劑表面張力，g為重力加速度，而對于隨機填料，C等于0.4。移動流體滯留量LO與塔的壓力降PW有關(guān)，由下式確定：

22、QUOTE LO=3.6(ULa0.5)/g0.50.66(La1.5)/(Lg0.5)0.25(La2)/(Lg)0.11+6PW/(Lg)2 (39) 圖3 計算機編程模擬的流程圖上述非線性系統(tǒng)方程（式(34)-(39)）有兩個未知參數(shù)，即：移動液體的滯留量LO和塔的壓力降PW，并且可以通過迭代的方式計算得到。 計算機編程模擬因為所有特征參數(shù)（空氣和吸濕劑的溫度、空氣的濕度、吸濕劑的濃度）的基本微分方程要求對填料塔的每一部分分別進(jìn)行模擬，所以開發(fā)了每一部分特定的計算機編程模擬。整個吸收和解析塔被分成適當(dāng)多（10）的部分，合理的子程序能夠模擬上述理論分析中的空氣與吸濕劑之間傳熱和傳質(zhì)過程并計

23、算出流體的特性參數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)20-22，可以算出吸濕劑H2O/LiCl的熱力學(xué)、熱物理和流動特性參數(shù)。同時，分別根據(jù)文獻(xiàn)23-26和文獻(xiàn)27，可以算出吸濕劑H2O/LiBr和H2O/KCOOH的特性參數(shù)。根據(jù)入口條件（空氣和吸濕劑的溫度、濕度、質(zhì)量流速）和填料塔的特性參數(shù)（填料的種類、塔的橫截面積和高度）來確定輸入值。然后從塔底到塔頂進(jìn)行一步步進(jìn)行分析。出口處（塔基）吸濕劑的條件先假定而后迭代，直到滿足計算值與入口吸濕劑參數(shù)之間的收斂條件。最后輸出的結(jié)果涉及出口處空氣和吸濕劑的條件，包括溫度、濕度、濃度。計算機模擬代碼也包括一個特定的子程序用來計算填料塔中由式(34)-(39)確定的空氣側(cè)的壓

24、力降。圖3顯示了整個計算機編程模擬的流程。4 結(jié)果的分析 實驗結(jié)果表2 實驗測試的操作條件整個實驗測試可以被分為兩類，一類是除濕過程，包括28次H2O/LiCl除濕、20次H2O/LiBr除濕，以及26次H2O/KCOOH；另一類是再生過程，包括19次H2O/LiCl再生，26次H2O/LiBr再生，以及12次H2O/KCOOH再生。當(dāng)空氣側(cè)的蒸發(fā)壓力高于吸濕劑側(cè)的蒸發(fā)壓力時，進(jìn)行除濕過程，反之則進(jìn)行吸濕劑再生過程。表2給出了實驗測試的主要工作條件，包括：空氣的進(jìn)口溫度TGi和濕度Yi，溶液的進(jìn)口溫度TLi和濃度Xi，空氣的質(zhì)量流量G和溶液的質(zhì)量流量L以及溶液L的質(zhì)量流量與空氣G質(zhì)量流量之間的

25、比率。實驗中空氣的質(zhì)量流量低于商用設(shè)備中的對應(yīng)值，并確保與常規(guī)的除濕冷卻線圈或除濕輪相似的零偏移條件和壓力降。在除濕實驗中，溶液進(jìn)口溫度大約為23-24oC。同時將溶液和空氣進(jìn)口溫度增加到大約50 oC，即可達(dá)到吸濕劑再生條件。不同吸濕劑濃度的設(shè)定是為了獲得相似的結(jié)晶溫度（從-15 oC到-20 oC）和相似的運行范圍。依據(jù)文獻(xiàn)28進(jìn)行了詳細(xì)的誤差分析，主要是保證總的精確度，包括濕度12.7%的變化，吸濕劑25.9%的濃度變化以及壓力降測量值4.9%的變化。表3給出了每組實驗數(shù)據(jù)的最大不確定度。圖4a給出了除濕實驗中通過改變吸濕劑質(zhì)量流速L和空氣質(zhì)量流速M測得的濕度值。除濕率依空氣質(zhì)量流速按對

26、數(shù)形式變化，隨著空氣進(jìn)口濕度變化，斜率的絕對值呈下降趨勢。傳統(tǒng)的H2O/LiCl和H2O/LiBr溶液表現(xiàn)出相似的除濕性能，但都優(yōu)于H2O/KCOOH溶液。例如：當(dāng)進(jìn)口空氣的濕度大約為11-12g/kg，質(zhì)量流速大約為2時，H2O/LiCl和H2O/LiBr溶液圖4 濕度的減小值vs除濕實驗中質(zhì)量流速的比率，使用的除濕劑分別為(a)H2O/LiCl,(b) H2O/LiBr,(c) H2O/KCOOH圖5 除濕劑濃度的增加vs除濕實驗中質(zhì)量流速的比率，使用的除濕劑分別為(a)H2O/LiCl,(b) H2O/LiBr,(c) H2O/KCOOH的除濕率d大約為6-7g/kg，而H2O/KCOO

27、H溶液的除濕率大約為5g/kg。測量到的濕度的下降對于空氣調(diào)節(jié)或除濕都有意義。圖5a-c給出了吸濕劑再生過程中，隨著質(zhì)量流速L/G的變化所引起的溶液濃度的變化。再生率依流速以對數(shù)形式變化，隨著入口空氣濕度的變化圖線的斜率呈下降趨勢。同時，H2O/KCOOH溶液的再生性能優(yōu)于H2O/LiCl和H2O/LiBr溶液。例如：當(dāng)進(jìn)口空氣的濕度大約為10-11g/kg，質(zhì)量流速大約為1時，H2O/LiCl和H2O/LiBr溶液的再生率大約為0.25%，而H2O/KCOOH溶液的再生率大約為0.45%。圖6給出了實驗測試的柱效率。對于除濕和再生測試，隨著質(zhì)量流速的增加，效率都在增加，但是其絕對值不同。當(dāng)流

28、速從逐漸到，除濕率由30%逐漸到90%；當(dāng)流速從逐漸到時，再生率由20%逐漸到75%。對于不同的吸濕劑種類，其柱效率的變化可以忽略不計。圖7給出了除濕和再生過程中，隨著質(zhì)量流速L/G的變化，單位高度空氣的壓力降。隨著質(zhì)量流速和吸濕劑種類的不同，實驗中空氣的壓力降并不明顯。除濕和再生過程中壓力降的不同主要取決于空氣側(cè)不同的工作條件（如表2所示）。與此同時，我們將填料塔的實驗結(jié)果與計算機模擬的結(jié)果進(jìn)行比較。圖8給出了除濕實驗中空氣濕度降的實驗值與計算值的比較。圖9給出了再生過程中實驗和計算得到的溶液濃度變化值之間的比較，而圖10則給出了壓力降的實驗值和計算值之間的比較。計算機模擬重現(xiàn)了除濕和再生實

29、驗，其平均絕對誤差分別為8.8%和14.8%，而壓力降的的平均絕對偏差為9.4%。表4給出了實驗?zāi)Ｐ蛯?yīng)的每組數(shù)據(jù)的平均絕對誤差。因此，實驗?zāi)Ｐ鸵云鋵嶒灥木_給出了除濕率和再生率，和實際的情況相比它顯得相當(dāng)準(zhǔn)確。 計算機模擬的結(jié)果我們對吸濕劑的參數(shù)進(jìn)行研究，包括吸濕劑在入口處的溫度、濃度和質(zhì)量流速。入口處空氣的溫度被設(shè)置為25oC，濕度為10g/kg（相對濕度大約50%），空氣的質(zhì)量流量大約2s。1米高的填料塔由的塑料鮑爾環(huán)組成 QUOTE 1的塑料鮑爾環(huán)組成 。 首先評估入口處溶液溫度對實驗的影響：圖11給出了在吸濕劑的質(zhì)量流量為1.0 kg/m2s（質(zhì)量流速L/G=2）時，塔中濕度的變化，

30、它是入口處溶液溫度的函數(shù)。吸濕劑溶質(zhì)的濃度（kg溶質(zhì)/kg溶液）設(shè)置情況如下：LiCl溶液為40%，LiBr溶液為52%，而KCOOH溶液為74%，這樣設(shè)置是確保獲得相似的結(jié)晶溫度（大約-20 oC）和運行范圍。溶液的入口溫度對于填料塔的性能影響較大。每個除濕劑都有一個轉(zhuǎn)變溫度，能夠劃分除濕條件（空氣濕度和吸濕劑溶質(zhì)濃度的降低）和再生條件（空氣濕度和吸濕劑溶質(zhì)濃度的升高）。例如，在圖11所對應(yīng)的入口工作條件下，當(dāng)入口溶液的溫度在40 oC以下時，吸濕劑H2O/LiCl，H2O/LiBr對空氣進(jìn)行除濕，再提升溫度則進(jìn)行空氣對吸濕劑的再生過程。對于吸濕劑H2O/KCOOH，其轉(zhuǎn)變溫度大約為37 o

31、C。當(dāng)溫度在20到30 oC時，可以獲得連續(xù)的除濕率，而對于再生過程則需要大于50 oC。因此，僅僅只需要將溶液的進(jìn)口溫度提升大約20-30 oC，就可以將除濕條件轉(zhuǎn)變?yōu)樵偕鷹l件。圖12給出了當(dāng)溶液的質(zhì)量流量為2s（質(zhì)量流速L/G=2）、入口處溶液溫度為25 oC時，塔中濕度的變化，它是入口溶液濃度的函數(shù)。在這種情況下，每種吸濕劑都有一個轉(zhuǎn)變表3 每組實驗數(shù)據(jù)的最大不確定度圖6 填料塔的效率vs除濕和再生實驗中質(zhì)量流速的比率圖7 單元設(shè)備中空氣側(cè)的壓力降vs除濕和再生實驗中質(zhì)量流速的比率圖8 實驗和計算的除濕速率的比較圖9實驗和計算的再生速率的比較表4 實驗與計算機模擬編碼所得數(shù)據(jù)的比較圖10

32、實驗和計算的單位高度設(shè)備壓力降的比較圖11 填料塔的計算機模擬中濕度變化vs除濕劑入口溫度濃度，能夠區(qū)分再生條件和除濕條件。例如，在圖12所對應(yīng)的入口工作條件下，H2O/LiCl溶液的轉(zhuǎn)變濃度大約25%，H2O/LiBr溶液的轉(zhuǎn)化濃度大約42%，而H2O/KCOOH溶液的轉(zhuǎn)化濃度大約57%。在溶液的濃度超過臨界值且并未結(jié)晶時，提高溶液的濃度可以提高除濕率（見圖12）。圖13 填料塔的計算機模擬中濕度變化vs質(zhì)量流速的比率圖12 填料塔的計算機模擬中濕度變化vs除濕劑入口濃度圖13給出了質(zhì)量流速的比率L/G對于空氣濕度的影響，描繪了空氣濕度隨質(zhì)量流速的比率L/G的變化曲線。圖13對應(yīng)的入口條件如

33、下：LiCl溶液的濃度為40%，LiBr溶液的濃度為52%，KCOOH溶液的濃度為74%，對于除濕和再生過程，溶液的進(jìn)口溫度分別為25 oC和50 oC。當(dāng)質(zhì)量流速的比率小于2時，除濕和再生過程受這個參數(shù)較大影響。而且，比率越高，影響就越不顯著。因此，可以將質(zhì)量流速的比率在到2之間變化，從而控制填料塔中的除濕和再生過程。5 結(jié)論這篇論文描述了填料塔中由液體吸濕劑和吸濕劑再生構(gòu)成的吸附式除濕的實驗測試和計算機編程模擬，并且實驗測試和計算機模擬均得到了同一結(jié)論。因此，我們可以通過計算機模型來預(yù)測系統(tǒng)的性能，并分析主要工作參數(shù)對系統(tǒng)的影響。實驗測試和計算機模擬說明基于液體吸濕劑的空氣化學(xué)除濕確保了濕

34、度的持續(xù)降低，這適合于空調(diào)設(shè)備或加熱設(shè)備。而且吸濕劑再生需要大約40-50 oC的溫度，因此工業(yè)過程、熱機的余熱、太陽能都可以用來再生液體吸濕劑傳統(tǒng)的H2O/LiCl和H2O/LiBr溶液的除濕性能優(yōu)于H2O/KCOOH溶液，而在再生測試中H2O/KCOOH溶液表現(xiàn)較好。但是H2O/KCOOH溶液作為新溶液，相比于傳統(tǒng)溶液，腐蝕性較小，價格較貴，與周圍的環(huán)境能充分兼容，并且可應(yīng)用于工藝設(shè)備除濕。參考文獻(xiàn)1 B. Kovac, P.R. Heimann, J. Hammel, The sanitizing effect of desiccant-based cooling, ASHRAE J.

35、39-I (1997) 6064.2 Kathabar technical information, HYPERLINK :/ kathabar ,2001 kathabar ,2001.3 DryKor technical information, , 2001.4 R. Treybal, Mass Transfer Operations, McGraw Hill, New York, 1980, pp. 187-219, 314322.5 H.M. Factor, G. Grossman, A packed bed dehumidifier/regenerator for solar ai

36、r conditioning with liquid desiccants,Solar Energy 24 (1980) 541550.6 P. Gandhidasan, M. Rifat Ullah, C.F. Kettelborough,Analysis of heat and mass transfer between a desiccant-air system in a packed tower, ASME J. Solar Energy Eng. 109(1987) 8993.7 D.I. Stevens, J.E. Braun, S.A. Klein, An effectiven

37、ess model of liquid-desiccant system heat/mass exchangers,Solar Energy 42 (1989) 449455.8 A.Y. Khan, H.D. Ball, Development of a generalized model for performance evaluation of packed-type liquid sorbent dehumidifiers and regenerators, ASHRAE Trans.98 (1992) 525533.9 V. Martin, H.D. Ball, Effectiven

38、ess of heat and mass transfer processes in a packed bed liquid desiccant dehumidifier/regenerator, HVAC&RR es. 6 (2000)2139.10 P. Gandhidasan, A simplified model for air dehumidification with liquid desiccant, Solar Energy 76 (2004)409416.11 G.O.G. Lo f, T.G. Lenz, S. Rao, S. Coefficients of heat an

39、d mass transfer in a packed bed suitable for solar regeneration of aqueous lithium chloride solution, ASME J. Solar Energy Eng. 106 (1984) 387392.12 P. Patnaik, T.G. Lenz, G.O.G. Lo f, Performances studies for an experimental solar open-cycle liquid desiccant air dehumidification system, Solar Energ

40、y 44 (1990) 123135.13 A. Ertas, P. Gandhidasan, I. Kiris, E.E. Anderson,Experimental study on the performance of a regeneration tower for various climatic conditions, Solar Energy 53(1994) 125130.14 R.M. Lazzarin, A. Gasparella, G.A. Longo, Chemical dehumidification by liquid desiccant: theory and e

41、xperiment,Int. J. Refrigeration 22 (1999) 334347.15 N. Fumo, D.Y. Goswami, Study of an aqueous lithium chloride desiccant system: air dehumidification and desiccant regeneration, Solar Energy 72 (2002) 351361.16 K. Gommed, G. Grossman, F. Ziegler, Experimental investigation of LiCl-water open absorp

42、tion system for cooling and dehumidification, in: Proceedings of Int.Absorption Heat Pump Conf., Shanghai (P.R. China),September 2427, 2002, 391396.17 G.A. Longo, A. Gasparella, Experimental analysis on chemical dehumidification of air by liquid desiccant and desiccant regeneration in a packed tower, ASME J. Solar Energy Eng. 126 (2004) 587591.18 V. Engel, J. Stichlmair, W. Geipel, A