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太陽(yáng)能-溴化鋰溶液除濕-再生系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究

王海峰， 張守兵， 董閃閃， 原惠惠， 李玉奪

(鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001)

摘要：建立一種新型的太陽(yáng)能-溴化鋰溶液除濕-再生試驗(yàn)系統(tǒng)，并用正交試驗(yàn)法對(duì)影響除濕效果的入口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、入口溶液溫度、入口液氣比、入口空氣相對(duì)濕度、入口空氣溫度、溶液再生溫度等諸多因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析.結(jié)果表明：對(duì)單位除濕量的影響程度由大到小排序?yàn)椋喝肟诳諝庀鄬?duì)濕度、入口液氣比、入口溶液溫度、入口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、入口空氣溫度.當(dāng)系統(tǒng)入口液氣比為3.5時(shí)，系統(tǒng)的除濕效果較好.同時(shí)，利用閃蒸原理使系統(tǒng)溶液的再生溫度控制在60～70 ℃之間，為太陽(yáng)能-溴化鋰溶液除濕器的設(shè)計(jì)、使用提供了依據(jù).

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；溶液除濕；溴化鋰；正交試驗(yàn)法

收稿日期:2015-03-17；

修訂日期：2015-05-28

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51176174)；鄭州大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(1210459076)

作者簡(jiǎn)介：王海峰(1957—)，男，河南西華人，鄭州大學(xué)高級(jí)工程師，碩士，主要從事制冷、熱泵、節(jié)能技術(shù)的研究，

文章編號(hào):1671-6833(2015)05-0049-04

中圖分類號(hào)：TU831.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.2015.05.011

Abstract:Based on the solar energy-lithium bromide solution desiccant-regeneration test system, the influence of a range of factors at an inlet, such as solution mass fraction, solution temperature, liquid-gas ratio, relative humidity ratio of air and temperature, on export air moisture content were analyzed with the orthogonal experiment method in the experiment. The results show that the influence degree of them on the capacity of dehumidification from large to small is: relative moisture content air, liquid-gas ratio, liquid solution temperature, solution mass fraction, and the inlet air temperature. When liquid-gas ratio of the inlet was 3.5, the system had a better dehumidification effect. Meanwhile, based on the flash principle, the regeneration temperature of the solution system could be controlled within the range of 60 ℃ and 70 ℃. The results provide the basis for the engineering design and application of the solar energy-lithium bromide solution dehumidifier.

0引言

除濕是生產(chǎn)和生活中經(jīng)常遇到的問(wèn)題[1].溶液除濕方法是采用吸濕性能強(qiáng)的鹽溶液作為除濕劑，如溴化鋰溶液、氯化鋰溶液、氯化鈣溶液等，鹽溶液與被處理空氣直接接觸，由于鹽溶液表面的水蒸氣分壓力與被處理空氣的水蒸氣分壓力間存在壓差，驅(qū)動(dòng)水分在空氣和吸濕溶液間傳遞，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣濕度的改變[2-3].

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)溶液除濕系統(tǒng)進(jìn)行了研究.Florida Solar Energy Center的Swami[4]在1998年提出利用屋頂作為太陽(yáng)能吸收表面對(duì)溶液進(jìn)行再生的系統(tǒng).Nelson等[5]實(shí)驗(yàn)研究了LiCl溶液為除濕劑的除濕性能.Kabeel[6]搭建了一套由太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的溶液除濕蒸發(fā)冷卻機(jī)組，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析.張小松等[7]建立了蓄能型液體除濕蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，并對(duì)除濕與再生性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析.沈鈺龍[8]實(shí)驗(yàn)測(cè)試了液體除濕空調(diào)中LiCl溶液為除濕劑的除濕與再生性能.鄒同華等[9]實(shí)驗(yàn)分析了LiCl溶液除濕系統(tǒng)的除濕性能，但并沒(méi)有研究溶液的再生溫度.楊金偉等[10]專門對(duì)LiBr的再生性能進(jìn)行了研究.國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)LiBr的除濕性能研究較少，由于在PH相同和濃度等效相等的情況下，溴化鋰的表面蒸氣壓、比熱容、腐蝕性等理化性質(zhì)優(yōu)于氯化鋰、氯化鈣等除濕劑[11]，鑒于此，筆者實(shí)驗(yàn)研究了以太陽(yáng)能-溴化鋰溶液為基礎(chǔ)的除濕-再生系統(tǒng)及其影響除濕效果的因素，并對(duì)溴化鋰溶液的再生溫度進(jìn)行了分析，為工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ).

1溶液除濕-再生系統(tǒng)的建立

太陽(yáng)能-溶液除濕-再生系統(tǒng)的原理如圖1所示(圖中箭頭表示溶液流向).主要由六部分組成：1.除濕器；2.太陽(yáng)能加熱器；3.溶液再生器；4.回?zé)崞鳎?.風(fēng)冷器；6.溶液泵.還有風(fēng)機(jī)、噴頭、填料、流量計(jì)、調(diào)壓器等輔助設(shè)備.其中除濕溶液為溴化鋰溶液.T為溫度測(cè)點(diǎn)，Q為流量測(cè)點(diǎn)，RH為相對(duì)濕度測(cè)點(diǎn).

圖1系統(tǒng)原理圖

Fig.1The principle diagram of the system

2正交試驗(yàn)方案的建立

本實(shí)驗(yàn)用正交試驗(yàn)方法來(lái)完成實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，并找到影響除濕性能的主要因素.影響太陽(yáng)能-溶液除濕系統(tǒng)性能的因素有進(jìn)入除濕器的空氣流量、入口空氣溫度、入口空氣相對(duì)濕度、入口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、入口溶液溫度、溶液流量、溶液再生溫度等.

由于空氣流量和溶液流量相互影響，本實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定溶液流量，通過(guò)調(diào)節(jié)入口空氣流量，測(cè)得空氣和溶液的相關(guān)參數(shù)，最終以液氣比作為一個(gè)入口影響因素.液氣比定義為除濕器入口溶液與氣體的質(zhì)量流量之比.取入口液氣比(A)、入口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)(B)、入口溶液溫度(C)、入口空氣相對(duì)濕度(D)、入口空氣溫度(E)等5個(gè)因素，根據(jù)正交試驗(yàn)表選取L18(37)正交表[12]，正交設(shè)計(jì)見(jiàn)表1.最后研究了不同工況下溶液再生溫度的變化情況.

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)，每組實(shí)驗(yàn)記錄10組數(shù)據(jù)，每3 min記錄一組數(shù)據(jù)，查詢濕空氣焓濕圖并整理得表1.

表1　正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表及結(jié)果分析

3.1極差法分析

把每個(gè)因素的各個(gè)水平分組相加，則相當(dāng)于把每個(gè)因素的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分成了3組，分別用K1，K2，K3表示，并求各自的算術(shù)平均值，最后計(jì)算各因素的極差.通過(guò)比較各因素極差的大小，可得影響因素的主次順序?yàn)镈>A>C>B>E.造成這種順序的原因與溶液、濕空氣自身的物性、溶液與濕空氣的傳熱傳質(zhì)以及外界環(huán)境有關(guān).入口空氣相對(duì)濕度和入口液氣比是影響除濕量的主要因素.因?yàn)槿肟诳諝庀鄬?duì)濕度以及液氣比直接影響氣液兩相的傳質(zhì)和傳熱過(guò)程，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，入口空氣相對(duì)濕度由外界環(huán)境決定的，無(wú)法控制，而液氣比是可以調(diào)節(jié)的，設(shè)計(jì)除濕系統(tǒng)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮；其次是入口溶液溫度和入口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，因?yàn)槿芤簻囟葘?duì)表面水蒸氣分壓力的作用大于溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的作用，故對(duì)除濕效果的影響更大；由于入口空氣溫度和出口空氣溫度的溫差變化并不是很大，因而對(duì)除濕劑溶液除濕效果的影響也較小.由表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，最優(yōu)組合[12]為A3，B3，C1，D3，E1，即：液氣比3.5，入口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)42%，入口溶液溫度27 ℃，入口空氣相對(duì)濕度為80%，入口空氣溫度23 ℃.

3.2分析結(jié)果

各個(gè)因素對(duì)除濕效果的影響如圖2所示.由圖2(a)可知，隨著液氣比的增加，除濕量也逐漸增加，但當(dāng)液氣比為3.5時(shí)，除濕量增加幅度明顯放緩，且在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，液氣比增加到一定程度，除濕量基本不發(fā)生變化.因?yàn)橐簹獗群苄r(shí)，待除濕空氣是過(guò)量的，濕空氣與溶液接觸時(shí)間短，除濕量較?。浑S著液氣比的增加，溶液與空氣接觸時(shí)間增加，除濕量有所增加；但液氣比太大時(shí)，由空氣帶入的水蒸氣量減少，除濕量增加緩慢.故在除濕過(guò)程中可以通過(guò)調(diào)節(jié)入口空氣流量與溶液流量來(lái)改變系統(tǒng)除濕量，而且要想系統(tǒng)達(dá)到最佳除濕效果，必須要選擇合適的液氣比.

由圖2(b)可知，隨著入口溶液溫度增加，除濕量減小.由于溶液溫升，溶液表面蒸氣分壓力升高，導(dǎo)致濕空氣與溶液的水蒸氣分壓力差減少，除濕量減少，溶液溫度過(guò)高時(shí)，除濕量會(huì)減少到零甚至為負(fù)值.故在系統(tǒng)中增加了回?zé)崞骱惋L(fēng)冷器，一方面可回收利用能量，另一方面對(duì)溶液充分冷卻使溶液達(dá)到較低溫度.

由圖2(c)可知，隨著入口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，除濕量增加.因?yàn)槿芤嘿|(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí)，濃度增加，溶液表面的水蒸氣分壓力減少，與空氣中水蒸氣分壓力的壓差增大，除濕量的增長(zhǎng)越快.但溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)不能太大，否則溴化鋰就會(huì)結(jié)晶析出，影響整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行[13].

由圖2(d)可知，隨著入口空氣相對(duì)濕度增加，除濕量逐漸增加，幾乎成正比關(guān)系.入口空氣相對(duì)濕度大時(shí)，其水蒸氣分壓力大，濕空氣與溶液表面的水蒸氣分壓力差增加，除濕量增加，故對(duì)空氣含濕量大的地方除濕效果較好.

由圖2(e)可知，入口空氣溫度變化(最大為6 ℃)時(shí)，除濕量變化較小(最大為0.1 g/kg干空氣)，說(shuō)明入口空氣溫度對(duì)除濕效果影響較小.但出口空氣溫度會(huì)受入口空氣溫度以及入口溶液溫度的影響，出口空氣溫度太高，說(shuō)明除濕系統(tǒng)的整體性能不理想，會(huì)加重室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷.

圖2除濕量隨各個(gè)因素的變化

Fig.2Dehumidification capacity varies with each factor

3.3溶液再生溫度的分析

根據(jù)文獻(xiàn)[14]可知，閃蒸初始?jí)毫Σ煌瑫r(shí)，即使相同溶液在閃蒸的除濕階段，壓力較低溶液的蒸發(fā)速度明顯快于壓力較高者.因此蒸發(fā)壓力是決定蒸發(fā)速度的核心因素，壓力越低蒸發(fā)速度越快，但壓力也不能過(guò)低以防溶液結(jié)晶使得閃蒸過(guò)程終止.此外為了保證閃蒸過(guò)程能夠持續(xù)不間斷進(jìn)行，必須將閃蒸過(guò)程中產(chǎn)生的水蒸氣及時(shí)除去，從而在再生器中維持一個(gè)較低的水蒸氣分壓力.

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溶液的再生采用太陽(yáng)能加熱器，把溶液加熱到適當(dāng)溫度后進(jìn)入再生器，并通過(guò)離心風(fēng)機(jī)的抽吸作用，使再生器內(nèi)的壓力較低，讓溶液中的水蒸氣發(fā)生閃蒸，在較低溫度下就能獲得較高的再生效率，這樣可以減輕風(fēng)冷器的負(fù)荷.

由表1可知，不同入口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)所需要的再生溫度不同，且溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大時(shí)所需的再生溫度較高.故提高再生溫度有利于溶液的再生.表中顯示再生溫度在60～70 ℃，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中定時(shí)測(cè)量溶液的濃度，每個(gè)再生溫度下都能保持穩(wěn)定，說(shuō)明此除濕系統(tǒng)能夠在較低溫度下實(shí)現(xiàn)溶液的再生.

4結(jié)論

(1)建立了太陽(yáng)能-溴化鋰溶液除濕-再生試驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了各入口參數(shù)對(duì)單位除濕量的影響程度，由大到小為：入口空氣相對(duì)濕度>入口液氣比>入口溶液溫度>入口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)>入口空氣溫度.

(2)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整入口空氣流量與溶液流量可改變系統(tǒng)的除濕量，當(dāng)入口液氣比為3.5時(shí)，系統(tǒng)的除濕效果較好.

(3)利用閃蒸原理，降低再生器的內(nèi)部壓力，再生溫度為60 ～70 ℃可以滿足系統(tǒng)運(yùn)行需求.

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Investigation on Solar Energy-Lithium Bromide Solution

Desiccant-Regeneration System

WANG Hai-feng， ZHANG Shou-bing， DONG Shan-shan， YUAN Hui-hui， LI Yu-duo

(School of Chemical Engineering and Energy, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

Key words: solar energy；liquid dehumidification；lithium bromide；orthogonal experiment method