真空條件下除濕溶液再生的模擬與實(shí)驗(yàn)分析

真空條件下除濕溶液再生的模擬與實(shí)驗(yàn)分析除濕溶液的高效再生是除濕空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的重要保障。為研究除濕溶液的再生效率，將真空技術(shù)應(yīng)用于溶液的再生過程，搭建了真空條件下的除濕溶液再生試驗(yàn)臺(tái)。真空再生罐由低溫?zé)崴峁┧锜崃?，蒸發(fā)的水蒸汽在捕水器中凝結(jié)。在一定真空度下，分析了溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、熱水溫度、冷水溫度等不同因素對(duì)再生性能的影響。以水分蒸發(fā)率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)操作壓力為5kPa，溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)取值為28%～34%，熱水溫度區(qū)間為56～62℃，冷水溫度區(qū)間為14～20℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明：溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和熱水溫度對(duì)蒸發(fā)率的影響較為顯著，熱水由56℃增加到62℃，蒸發(fā)率提高了34.5%。利用混合模型和自定義函數(shù)對(duì)再生過程開展了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

除濕空調(diào)系統(tǒng)將房間內(nèi)的熱濕負(fù)荷分開處理，不僅能保證室內(nèi)空氣品質(zhì)，而且比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)可節(jié)約電能50%。液體除濕空調(diào)因其可濾除空氣雜質(zhì)、可利用低品位熱源、除濕過程連續(xù)、具有蓄能潛力等優(yōu)勢(shì)而受到廣泛關(guān)注，已在檔案室、工業(yè)廠房等不同領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

除濕溶液的再生過程是系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)之一，目前溶液的再生方式主要有太陽能集熱再生、廢熱余熱回收再生、電加熱再生等。Alosaimy等利用平板式太陽能熱水器研究了液體除濕劑的再生性能，發(fā)現(xiàn)利用太陽能可使30%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CaCl2溶液再生到50%。Mehta等利用太陽能真空集熱管作為再生器，研究說明在***強(qiáng)度為509～752W/m2時(shí)平均COP到達(dá)0.82，當(dāng)再生溫度為117℃時(shí)，太陽能集熱效率達(dá)44.7%，水蒸發(fā)速率為5.14kg/h。Bassuoni采用叉流式填料塔研究了CaCl2溶液的除濕和再生系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)采用電加熱方式年運(yùn)行費(fèi)用比傳統(tǒng)蒸汽壓縮方式節(jié)約31.2%。李永存等利用-12～-4℃的空氣開展了冬季工況下的再生實(shí)驗(yàn)，分析了空氣和溶液的入口參數(shù)對(duì)再生器性能的影響。真空技術(shù)在蒸餾提取、食品儲(chǔ)藏等領(lǐng)域應(yīng)用較多，如低壓提取工藝、真空干燥、真空速凍等，但在真空條件下實(shí)現(xiàn)除濕溶液再生的研究文獻(xiàn)卻很少。

本文提出一種基于真空環(huán)境下的新型除濕溶液再生裝置，通過模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比照，分析再生性能的影響因素。

1、數(shù)值模擬

除濕溶液的沸騰再生主要是水分蒸發(fā)相變的傳熱傳質(zhì)過程，利用CFD軟件的混合模型對(duì)再生過程開展模擬。再生過程中溶液質(zhì)量不斷發(fā)生變化，需要編寫用戶自定義函數(shù)(User-DefinedFunctions)指定相間的質(zhì)量傳遞，并輸入到軟件中。液相的質(zhì)量源為

能量主要伴隨著質(zhì)量而傳遞，混合相的能量源為

式(1)-式(3)中，αl為液相容積率；ρl為液相密度；Tl為液相溫度；Tsat為液相飽和溫度；ΔH為液相的焓值變化。

假設(shè)側(cè)壁面保持絕熱，沒有熱量損失，蒸發(fā)的水蒸汽中不含液滴，不考慮不凝性氣體的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)條件，模擬的操作壓力設(shè)定為5kPa。底部加熱采用控制壁面熱流密度的方式，側(cè)壁面熱流密度為0，選擇壓力出口邊界條件。

溶液的飽和溫度受壓力和溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，表1給出了在5kPa壓力下不同溶液的飽和溫度。

表1溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與飽和溫度之間的關(guān)系

再生器為圓筒形，直徑為800mm，高為1000mm。再生溶液的溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%～34%，模擬得到加熱量為7～11kW時(shí)的蒸發(fā)率如圖1所示。

從圖1可知，當(dāng)溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí)，隨著加熱量的增加，水分蒸發(fā)率呈上升趨勢(shì)；當(dāng)加熱量一定時(shí)，增加LiCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)，蒸發(fā)速率逐漸減小。這是因?yàn)殡S著加熱量增加，過熱度增大強(qiáng)化了沸騰特性，從而使傳質(zhì)系數(shù)增大。而質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，其飽和溫度Tsat也越高，減小了傳熱溫差，使沸騰特性減弱。另外，溶液的粘度系數(shù)和表面張力等物性參數(shù)與溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)成正比，質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，分子間的作用力變大，氣泡貫穿液相的阻力隨之增大，從而影響了相間的傳質(zhì)系數(shù)，使水分蒸發(fā)速率減小。

圖1水分蒸發(fā)率模擬結(jié)果

5、結(jié)束語

在一定真空條件下研究了除濕溶液的再生過程，利用正交實(shí)驗(yàn)方案分析了溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、熱水溫度等因素對(duì)水分蒸發(fā)率的影響，得到如下結(jié)論：

(1)水分蒸發(fā)率受溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和熱水溫度的影響較大。溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)由28%增大到34%，蒸發(fā)率減小16.2%；蒸發(fā)率與熱水溫度成正比，熱水溫度由56℃增加到62℃，蒸發(fā)率增加34.5%，而熱水流量的影響相對(duì)較小。

(2)冷水流量與冷水溫度的改變影響捕水器的效率，間接影響水分蒸發(fā)率。增大冷水流量能減小真空再生罐內(nèi)的水蒸汽分壓力，提高蒸發(fā)率；相反，冷水溫度升高會(huì)減小